DE19608740C2

DE19608740C2 - Drehmomentsensor

Info

Publication number: DE19608740C2
Application number: DE19608740A
Authority: DE
Inventors: Kouichi Satoh; Kazuo Chikaraishi
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1995-03-06
Filing date: 1996-03-06
Publication date: 2000-01-05
Anticipated expiration: 2016-03-07
Also published as: KR960034999A; KR0169569B1; US5578767A; DE19608740A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehmomentsensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, insbesondere Drehmomentsensoren 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 Zusam menfügung dieser Bestandteile die Drehmomenterfassungsgenauigkeit nur wenig be einflussen.

Ein herkömmlicher Drehmomentsensor ist aus dem Patent US 4,805,463 bekannt. In diesem herkömmlichen Drehmomentsensor ist eine Eingangswelle koaxial und dreh bar mit einer Ausgangswelle verbunden. Der Überlappungsabschnitt dieser Wellen ist von einem röhrenförmigen Element aus Aluminium, das verhältnismäßig kurz ist, um geben. Das röhrenförmige Element, das den Überlappungsabschnitt der Wellen ab deckt, ist axial beweglich, wobei eine relative Bewegung der Eingangswelle zur Aus gangswelle zugelassen ist. Um das röhrenförmige Element ist eine Spule angeordnet. Eine selbstinduktive elektromotorische Kraft, die in der Spule induziert wird, wird ge messen. 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 zwei ten Welle in eine axiale Verschiebung des röhrenförmigen Elements ist jedoch für den herkömmlichen Drehmomentsensor unabdingbar. Dies führt zu einer Komplexität der Sensorstruktur und zu einer reduzierten 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, bei spielsweise die Anzahl der Windungen der Spule zu erhöhen. Dies führt zu dem Nachteil, daß die Größe des Sensors zunimmt.

Außerdem ist ein herkömmliches Lenkhilfesystem mit der folgenden Konstruktion be kannt. In dem Lenkhilfesystem ist in ein Lenksystem eines Kraftfahrzeugs ein Tor sionsstab eingebaut, der in Verdrehungsrichtung elastisch verformbar ist. Zwischen einer ersten und einer zweiten Welle, die über den Torsionsstab miteinander verbun den sind, wird eine zum Lenkdrehmoment proportionale relative Drehung hervorgeru fen. Das Lenkdrehmoment wird durch Messen der relativen Drehung erfaßt. Entspre chend dem erfaßten Drehmoment wird ein Hilfsdrehmoment erzeugt. Das Hilfs drehmoment verringert die von einem Fahrer aufzubringende Kraft. Ein Drehmoment sensor des Typs, in dem eine solche relative Drehung gemessen wird, ist ebenfalls bekannt. In dem Drehmomentsensor wird die Impedanz der Spule in Übereinstim mung mit einem Lenkdrehmoment verändert, 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 befe stigt, 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 Erfassungsgenauigkeit des Drehmomentsensors in hohem Maß. Um eine zufriedenstellende Erfassungsgenauigkeit zu erhalten, muß die Monta gegenauigkeit und die Teilegenauigkeit hoch sein. Dies hat den Nachteil eines An stiegs 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 abwech selnd 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 Über lappungsbereiche der Ausschnitte und der Nuten bei einer relativen Drehung der röh renförmigen Elemente verändern, verändert sich die Impedanz der Spule. Daher kann ein in der Drehwelle erzeugtes Drehmoment durch Messen der Impedanz der Spule erfaßt werden.

Der herkömmliche Drehmomentsensor erfaßt ein in der Welle erzeugtes Drehmoment unter Verwendung der Impedanzänderung der Spule. In dem Drehmomentsensor er folgt jedoch die Änderung der Impedanz nicht schnell. Daher ist die Sensorempfind lichkeit nicht zufriedenstellend.

Aus der DE 29 51 148 C2 ist ein Drehmomentsensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 bekannt. Dieser Drehmomentsensor arbeitet nach dem Wirbelstrom prinzip, um eine Verdrehung der zugeordneten Welle und das dazu proportionale Drehmoment in der Welle zu bestimmen. Dazu sind die zylindrischen Meßeinrichtun gen, die Nuten und Fenster aufweisen, und die aus nichtmagnetischen, elektrisch lei tendem Material hergestellt sind, von einer Spule, die von einem Tragrohr aus Kunst stoff gehalten wird, umgeben. Durch die Impetanzänderung der Spule, die durch in den Meßeinrichtungen auftretenden Wirbelströme entstehen, ist die Verdrehung der zugeordneten Welle erfaßbar.

Aus der DE 33 44 385 A1 ist eine berührungsfreie Meßvorrichtung für Drehmoment und/oder Drehwinkel bekannt. Diese Vorrichtung weist zwei koaxial ineinanderliegen de Schlitzhülsen auf, die an gegenüberliegenden Seiten drehfest mit einem torsions weichen Rohr verbunden sind. Beide Schlitzhülsen sind aus elektrisch leitendem und dia- und paramagnetischem Material hergestellt und von einer Spuleneinrichtung um geben. Vorzugsweise verwendet diese Meßeinrichtung das Wirbelstromprinzip und es ist erwähnt, daß alternativ ein induktives Meßprinzip möglich ist.

Eine weitere Meßeinrichtung zur berührungsfreien Erfassung eines Drehwinkels und/oder eines Drehmoments ist aus der DE 42 06 382 A1 bekannt, die im wesentli chen ähnlich aufgebaut ist wie die Meßvorrichtung entsprechend der DE 33 44 385 A1. Die Meßeinrichtung nach der DE 42 06 382 A1 unterscheidet sich von der DE 33 44 385 A1 hauptsächlich dadurch, daß die Schlitze der Hülsen durch ein hochperme ables Material abgedeckt werden. Die Meßeinrichtung nach der DE 42 06 382 A1 verwendet das Wirbelstromprinzip und erwähnt, daß das induktive Prinzip sinngemäß angewendet werden kann. Hierzu müßten die beiden Hülsen aus ferromagnetischem Material bestehen.

Aus der DE 33 47 052 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wegmessung bekannt, welche das induktive mit dem Wirbelstromprinzip kombiniert. Dabei taucht ein Wegmeßfühler, der in axialer Richtung unterschiedliche elektrische und magneti sche Eigenschaften aufweist, in eine Meßspule ein. Über eine Meßeinrichtung läßt sich die axiale Verschiebung des Meßfühlers ermitteln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehmomentsensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der bei einfachem Aufbau eine hohe Empfindlichkeit auf weist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Drehmomentsensor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1, wobei der Wellenabschnitt aus einem magnetischen Werkstoff hergestellt ist, und die Spuleneinrichtung von einem magnetischen Joch gehalten ist, welches das röhrenförmige Element umgibt.

In vorteilhafter Weise ist dadurch ein Drehmomentsensor geschaffen, der einen einfa chen Aufbau besitzt und bei dem die axialen Genauigkeiten der Bestandteile sowie die axialen Montagefehler die Drehmomenterfassungsgenauigkeit nur in geringem Ausmaß beeinflussen.

Die Drehmomente, die in der ersten bzw. in der zweiten Drehwelle erzeugt werden, können auch unter Verwendung der Impedanzänderungen der Spulen erfaßt werden.

Wenn beispielsweise angenommen wird, daß die erste Drehwelle eine Eingangswelle ist und die zweite Drehwelle eine Ausgangswelle ist, wird ein Drehmoment von der ersten Drehwelle zur zweiten Drehwelle über den Torsionsstab 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 röh renförmigen Element hervorgerufen. 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 Bo denflächen der Nuten, nicht jedoch die Oberfläche des umgebenden Abschnitts, durch die Fenster größtenteils frei. In diesen Zustand wird ein verhältnismäßig großer Ab schnitt der Oberfläche des umgebenden Abschnitts der ersten Drehwelle aus magneti schem Werkstoff äquivalent mit nichtmagnetischem Werkstoff abgedeckt. Wenn um gekehrt der Überlappungsbereich klein ist, liegt die Oberfläche des umgebenden Ab schnitts durch die Fenster frei. In diesem Zustand ist ein verhältnismäßig kleiner Ab schnitt der Oberfläche des umgebenden Abschnitts der ersten Drehwelle aus magne tischem Werkstoff äquivalent mit leitendem und nichtmagnetischem Werkstoff abge deckt.

In der vorliegenden Anmeldung 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 Magnetfluß ein leitendes Material durchquert, wird ein einer Änderung des Magnetflusses entge genwirkender "Wirbelstrom" im leitenden Element erzeugt, der ein Magnetfeld entwic kelt. Im Ergebnis ist der Magnetfluß im Element nicht gleichmäßig verteilt, sondern im Oberflächenbereich des Elements konzentriert. Das heißt, daß ein sogenannter Hau teffekt ("Skineffekt") hervorgerufen wird. Daher besitzt der aus leitendem und nicht magnetischem 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 Gegeninduktivität schnell entsprechend einer relativen Drehung der ersten Drehwelle zum röhrenförmigen Element, da zwi schen der Permeabilität des magnetischen Werkstoffs und derjenigen des leitenden und nichtmagnetischen Werkstoffs 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 Meßergebnisses erfaßt, da die Selbstinduktivität und die Gegeninduktivität sich entsprechend einer relativen Drehung der ersten Drehwelle zum röhrenförmigen Element verändern.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

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

Fig. 2 eine Querschnittsansicht eines im Drehmomentsensors 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 Aus gangswelle sowie des daran befestigten röhrenförmigen Elements;

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

Fig. 6 einen Graphen zur Erläuterung der Beziehung zwischen einem Lenk drehmoment und einem Ausgangssignal eines in der Motorsteuer schaltung verwendeten Differenzverstärkers;

Fig. 7 eine Vorderansicht einer Baueinheit aus der Eingangswelle und der Ausgangswelle sowie des daran befestigten röhrenförmigen Ele ments gemäß einer zweiten Ausführungsform;

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

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

Fig. 10 eine Querschnittsansicht zur Erläuterung eines röhrenförmigen Ele ments und einer Ausgangswelle längs der Linie A-A in Fig. 8;

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

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

Fig. 13 ein Schaltbild zur Erläuterung eines Beispiels einer Steuerschaltung zum Steuern eines Motors;

Fig. 14 einen Graphen zur Erläuterung der Beziehungen zwischen den Lenkdrehmomenten und der Induktivität 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 Fenster aufgetragen ist und auf der Ordinate die Impedanz- Änderungsrate aufgetragen ist;

Fig. 16 eine Querschnittsansicht zur Erläuterung eines röhrenförmigen Ele ments und einer Ausgangswelle gemäß einer vierten Ausführungs form;

Fig. 17 einen weiteren Querschnitt zur Erläuterung des röhrenförmigen Ele ments und der Ausgangswelle gemäß der vierten Ausführungsform;

Fig. 18 einen Graphen zur Erläuterung der Beziehung zwischen den Lenk drehmomenten und den Spuleninduktivitäten;

Fig. 19 einen Graphen zur Erläuterung der Beziehung zwischen den Abmes sungen der jeweiligen Abschnitte und einem Empfindlichkeitsverhält nis;

Fig. 20 einen Graphen zur Erläuterung der Beziehung zwischen den Abmes sungen der jeweiligen Abschnitte und einem Empfindlichkeitsverhält nis in einem breiteren Bereich als in Fig. 19;

Fig. 21, 22 Querschnitte zur Erläuterung eines röhrenförmigen Elements und einer Ausgangswelle gemäß einer fünften Ausführungsform;

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

Fig. 24 ein Diagramm, das die Konfiguration der Nuten der fünften Ausfüh rungsform 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 gezeigt. In dieser Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Drehmomentsensor in ein motorgetriebenes Lenkhilfesy stem für Kraftfahrzeuge eingebaut.

Zunächst wird die Konstruktion des Drehmomentsensors beschrieben. Wie in Fig. 1 gezeigt, die einen Längsschnitt eines Abschnitts eines Fahrzeug-Lenksystems dar stellt, sind eine Eingangswelle 1 und eine Ausgangswelle 2 koaxial und relativ zuein ander drehbar angeordnet. Diese Wellen sind über einen Torsionsstab 3 miteinander verbunden. Die Eingangswelle 1 und die Ausgangswelle 2 sind aus einem magneti schen 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 Richtung vom Abschnitt, in den der Torsionsstab 3 eingeschoben ist. Die Nut 2a nimmt einen vorstehenden Abschnitt 1a auf, der von der Stirnfläche der Eingangswelle 1 vorsteht, die sich näher an der Ausgangswelle 2 befindet. Die Weite (Abmessung bei Betrach tung in Umfangsrichtung) der Nut 2a ist etwas größer als diejenige des vorstehenden Abschnitts 1a. Dadurch ist eine relative Drehung der Eingangswelle 1 zur Ausgangs welle 2 auf einen vorgegebenen 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 An triebsstroms wird an die Ausgangswelle 2 ein Hilfsdrehmoment mit gewünschter Richtung und gewünschter Größe angelegt.

Auf der äußeren Umfangsfläche eines Abschnitts der Eingangswelle 1, der sich näher an der Ausgangswelle 2 befindet, ist ein Abschnitt 1A mit großem Durchmesser aus gebildet. Der Abschnitt 1A mit großem Durchmesser ist koaxial zur Eingangswelle 1 angeordnet. Um die äußere Umfangsfläche des Abschnitts 1A mit großem Durchmes ser und nahe an dieser Umfangsfläche ist ein dünnes röhrenförmiges Element 4 an geordnet.

Das röhrenförmige Element 4 ist aus einem leitendem und nichtmagnetischen Werk stoff (z. B. Aluminium) hergestellt. 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 be findet) des dünnen Abschnitts des röhrenförmigen Elements 4, der den Abschnitt 1A mit großem Durchmesser umgibt, sind mehrere (sechs in der vorliegenden Ausfüh rungsform) 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 vorliegen den 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 Betrachtung 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 Segmentbereich, die zu den die Fenster 4a, ..., 4a aufweisenden Segmentbereichen in Umfangsrichtung um einen Segmentbereich versetzt sind, sind die rechtwinkligen Fenster 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 Element umgeben ist) der Eingangswelle 1 sind mehre re (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 angeord net. Ähnlich sind in den Fenstern 4b mehrere (sechs in der vorliegenden Ausführungs form) Nuten 5b, ..., 5b ausgebildet. Die Nuten sind bei Betrachtung 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 über lappt, 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 Lenkdrehmo ment 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 Ele ments 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 Überlappungszu stand 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 Ein gangswelle 1, Ausgangswelle 2 und dem daran befestigten röhrenförmigen Element 4 hervorgeht.

Das röhrenförmige Element 4 ist von einem Joch 9 umgeben, das aus einem magne tischen Werkstoff hergestellt ist und einen Spulenträger 12 trägt. Um den Spulenträger 12 sind Spulen 10 und 11 gewickelt, die im wesentlichen gleiche technische Spezifi kationen 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 Ab schnitt 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 gezeigten Sensorgehäuse enthal tenen Motorsteuerschaltung verbunden. Die Motorsteuerschaltung, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist, enthält einen Oszillator 21, eine Gleichrichtungs-/Glättungsschaltung 22, eine weitere Gleichrichtungs-/Glättungsschaltung 23, Differenzverstärker 24A und 24B, Rauschbeseitigungsfilter 25A und 25B, eine Drehmomentberechnungseinrich tung 26 und eine Motorantriebseinrichtung 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 Differenzverstärker 24A und 24B verstärken jeweils die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Gleichrich tungs-/Glättungsschaltungen 22 bzw. 23. Das Rauschbeseitigungsfilter 25A entfernt aus dem Ausgangssignal des Differenzverstärkers 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 Winkelverschiebung der Eingangswelle 1 zum röhrenförmigen Element 4 auf der Grundlage des Mittelwerts beispielsweise der Ausgangssignale der Rauschbesei tigungsfilter 25A und 25B und multipliziert das Ergebnis mit einem vorgegebenen Koeffizienten, um dadurch ein im Lenksystem erzeugtes Lenkdrehmoment zu erhal ten. Die Motorantriebseinrichtung 27 liefert an den Motor einen Treiberstrom I, um ein Hilfsdrehmoment zu erzeugen, das ein Lenkdrehmoment reduziert. Der Treiberstrom I wird auf der Grundlage des Ergebnisses der Berechnung durch die Drehmomentbe rechnungseinrichtung 26 bestimmt.

Nun wird die Funktionsweise der Ausführungsform 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 Eingangswelle 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 Widerstand hängt von einer Reibungskraft, die zwischen den eingeschlagenen Rädern und dem Boden hervorge rufen wird, sowie von einer Reibungskraft ab, die an den Zahnrädern des nicht gezeig ten Zahnstangen-Lenksystems hervorgerufen wird, das am linken Ende (Fig. 1) der Ausgangswelle 2 angeordnet ist. Durch den Widerstand wird der Torsionsstab 3 ver dreht, 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 Über lappungsbereich des Fensters 4a und der Nut 5a im Vergleich zum Lenkdrehmoment null verkleinert, während der Überlappungsbereich des Fensters 4b und der Nut 5b vergrößert wird. Wenn andererseits ein Lenkdrehmoment im Gegenuhrzeigersinn er zeugt wird (ein Lenkdrehmoment, das erzeugt wird, wenn das Lenkrad im Gegenuhr zeigersinn gedreht wird), wird der Überlappungsbereich des Fensters 4a und der Nut 5a im Vergleich zum Lenkdrehmoment null vergrößert, während der Überlappungsbe reich 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 je doch die Oberfläche des Abschnitts 1A mit großem Durchmesser, freiliegen. Mit ande ren Worten, ein Verhältnis des Abschnitts der Oberfläche des Abschnitts 1A mit gro ßem Durchmesser, der durch die Fenster 4a und 4b freiliegt, zu dem Abschnitt, der von dem aus einem leitenden und nichtmagnetischen Werkstoff hergestellten röhren förmigen Element 4 umgeben ist, verändert sich in Abhängigkeit vom Lenkdrehmo ment. 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, während es an der Innenseite der Spule 11 abnimmt. Wenn ein Lenkdrehmoment im Gegenuhrzeigersinn erzeugt wird, nimmt dieses Verhältnis des Abschnitts 1A mit großem Durchmesser bei zu nehmendem 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 Widerstand als das röhrenförmige Element 4. Wenn daher das Lenkdrehmoment im Uhrzeigersinn erzeugt wird, nimmt die Selbstinduktivi tät der Spule 10 zu, während die Selbstinduktivität der Spule 11 abnimmt. Folglich ist die selbstinduktive elektromotorische Kraft der Spule 10 groß, die selbstinduktive elektromotorische Kraft der Spule 11 ist jedoch klein. Wenn das Lenkdrehmoment im Gegenuhrzeigersinn erzeugt wird, nimmt die Selbstinduktivität der Spule 10 ab, wäh rend die Selbstinduktivität der Spule 11 zunimmt. Folglich ist die selbstinduktive elek tromotorische Kraft der Spule 10 klein, während die selbstinduktive elektromotorische Kraft der Spule 11 groß ist.

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

Die Drehmomentberechnungseinrichtung 26 berechnet einen Mittelwert der von den Differenzverstärkern 24A und 24B über die Rauschbeseitigungsfilter 25A bzw. 25B empfangenen Ausgangssignale, multipliziert das Ergebnis mit einer vorgegebenen Proportionalitätskonstante und liefert das Ergebnis an die Motorantriebseinrichtung 27. Die Motorantriebseinrichtung 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 erzeug ten Lenkdrehmoments eine Drehkraft im Motor erzeugt. Die Drehkraft wird über das Schneckenrad und dergleichen zur Ausgangswelle 2 übertragen. Im Ergebnis wird an die Ausgangswelle 2 ein Hilfslenkdrehmoment zusätzlich ausgeübt, so daß das vom Fahrer aufzuwendende Lenkdrehmoment verringert wird.

Wenn das aus leitendem und nichtmagnetischem Werkstoff hergestellte röhrenförmi ge Element 4 ein Wechselfeld durchquert, wird im röhrenförmigen Element 4 ein Wir belstrom hervorgerufen. Dadurch kann der Magnetfluß nur schwer durch das röhren förmige Element 4 verlaufen. Im Ergebnis stellt das röhrenförmige Element 4 dem Eindringen des Magnetfluß einen größeren Widerstand als Luft entgegen. Anderer seits ist der Abschnitt 1A mit großem Durchmesser der Eingangswelle 1 aus magneti schem Werkstoff hergestellt und stellt daher dem Eindringen des Magnetflusses einen geringeren Widerstand (als Luft) entgegen. Daher verändert die Änderung des oben genannten Verhältnisses der freiliegenden Flächen des Abschnitts 1A mit großem Durchmesser die Selbstinduktivität der Spulen 10 und 11 schnell. Folglich ändern sich auch die Ausgangssignale der Differenzverstärkersignale 24A und 24B schnell, wo durch die Sensorempfindlichkeit erhöht wird. Wenn dagegen kein Bedarf an einer Er höhung der Sensorempfindlichkeit besteht, kann die Größe der Spulen 10 und 11 re duziert werden, indem die Anzahl der Windungen der Spulen verringert wird.

Der durch das röhrenförmige Element 4 verlaufende Magnetfluß ist in der Haut oder dem Oberflächenbereich des röhrenförmigen Elements 4, der sich nahe an den Spu len 10 und 11 befindet, wegen des Skineffekts, der seinerseits durch den Wirbelstrom im röhrenförmigen Element 4 hervorgerufen wird, konzentriert. Unter der Annahme, daß die Frequenz des an die Spulen 10 und 11 gelieferten Wechselstroms durch f gegeben ist, die Permeabilität des Materials 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 Magnetfluß konzentriert ist, durch die folgende Gleichung (1) gegeben:

Ein Wert, der gleich δ oder größer ist, wobei δ nach der obigen Gleichung (1) berech net wird, reicht für die Dicke des röhrenförmigen Elements 4 aus. Daher kann der Au ßendurchmesser des Sensorabschnitts, der das röhrenförmige Element 4 enthält, re duziert werden. Falls das röhrenförmige Element 4 dünn ist, können die äußeren Ab messungen 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 Drehmomentsensor angeordnet ist, weiter reduziert (dünner). Wenn der Drehmomentsensor in einem Kraftfahrzeug verwendet wird, bei dem der Anbringungsraum begrenzt ist, ist die vorliegende Ausführungsform besonders nütz lich.

Weiterhin erfordert der Drehmomentsensor gemäß der vorliegenden 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 verbes sert.

In der vorliegenden Ausführungsform entspricht die Eingangswelle 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-/Glättungsschaltungen 22 und 23 sowie die Diffe renzverstärker 24A und 24B bilden die Einrichtung zum Messen der elektromotori schen Kraft.

In Fig. 7 ist eine zweite Ausführungsform gezeigt. Ähnlich wie in Fig. 4, in der die erste Ausführungsform gezeigt ist, ist Fig. 7 eine Vorderansicht der Baueinheit der Aus gangswelle 1, der Ausgangswelle 2 und dem daran befestigten röhrenförmigen Ele ment 4. In Fig. 7 sind gleiche oder äquivalente Abschnitte mit den gleichen Bezugs zeichen 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 Differenzverstärkern 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 jeweiligen Schaltungen zufriedenstellend ist. Gegebenenfalls können auch drei Verstärkungs- /Filtersysteme verwendet werden.

In den obenerwähnten Ausführungsformen wird der erfindungsgemäße Drehmoment sensor in einem motorgetriebenen Lenkhilfesystem für Kraftfahrzeuge verwendet, die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht darauf eingeschränkt.

Die Ausführungsformen sind jeweils so konstruiert, daß die selbstinduktiven elektro motorischen Kräfte der Spulen 10 und 11 gemessen werden. Es kann jedoch auch eine gegeninduktive elektromotorische Kraft gemessen werden, wenn eine Oszillator spule vorgesehen wird. Ferner kann das Drehmoment unter Verwendung der selbst induktiven elektromotorischen Kraft einer Spule oder der gegeninduktiven elektromo torischen Kraft ohne Verwendung der Differenz zwischen den Signalen von den zwei Spulen erfaßt werden.

Wie oben beschrieben, sind in der ersten und in der zweiten Ausführungsform im röh renförmigen Element, das aus leitendem und nichtmagnetischem Werkstoff hergestellt ist, Fenster ausgebildet, wobei das röhrenförmige Element zusammen mit einer zwei ten Drehwelle gedreht wird. Wenigstens ein vom röhrenförmigen Element umgebener Abschnitt einer ersten Drehwelle ist aus einem magnetischen Werkstoff hergestellt. Im umgebenen Abschnitt sind axial verlaufende Nuten ausgebildet. Eine Veränderung des Überlappungsbereichs des Fensters und der Nut wird anhand der elektromotori schen Kraft der Spule gemessen. Ein in der ersten und in der zweiten Drehwelle er zeugtes Drehmoment wird auf der Grundlage des Meßergebnisses erfaßt. Daher wer den die Wirkungen erhalten, daß die Erfassung des Drehmoments mit hoher Genau igkeit bei einem einfachen Aufbau und kompakten Abmessungen der Vorrichtung ausgeführt werden kann.

Nun wird eine dritte Ausführungsform mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen be schrieben.

Fig. 8 ist eine Längsschnittansicht der Gesamtkonstruktion der dritten Ausführungs form der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Drehmomentsensor in ein motorbetriebenes Lenkhilfesystem für Kraftfahrzeuge ein gebaut.

Zunächst wird die Konstruktion des Drehmomentsensors beschrieben. Wie in Fig. 8 gezeigt, sind eine Eingangswelle 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 Eingangswelle 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 Torsions stabs 104 ist mit der Ausgangswelle 103 über Keilnuten und daher drehfest verbun den. Die Eingangswelle 102 und die Ausgangswelle 103 sind aus einem magneti schen 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 Aus gangswelle 103 eine Ritzelwelle, die einen Teil eines bekannten Zahnstangen- Lenksystems bildet, verbunden. Bei dieser Konstruktion wird eine Lenkkraft, die er zeugt 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 ge nug, um die äußere Umfangsfläche des Endes der Ausgangswelle 103 abzudecken. An der inneren Umfangsfläche eines Abschnitts der Hülse 102A, der die äußere Um fangsfläche des Endabschnitts der Ausgangswelle 103 abdeckt, sind mehrere erhöh te, axial verlaufende Stege 102a ausgebildet. An der äußeren Umfangsfläche der Ausgangswelle 103, die dem erhöhten Steg 102a zugewandt ist, sind mehrere axial verlaufende Nuten 103a (deren Anzahl derjenigen der erhöhten Stege 102a ent spricht) 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 hergestellt) des Schneckenrades 106 ist mit einer Schnecke 107b, das an der äußeren Umfangsfläche der Ausgangswelle 107a eines elektrisch angetriebenen Mo tors 107 ausgebildet ist, in Eingriff. Eine Drehkraft des Motors 107 wird an die Aus gangswelle 103 über die Ausgangswelle 107a, die Schnecke 107b und das Schnec kenrad 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) hergestellt. Fig. 9 zeigt perspektivisch das röhrenförmige Element 108 (das als "umgebender Abschnitt" bezeichnet wird) sowie die vom röhren förmigen Element 108 umgebene Ausgangswelle 103, wobei ein Teil des umgeben den Abschnitts, der sich näher an der Hülse 102A befindet, mehrere (neun in der vor liegenden Ausführungsform) rechtwinklige Fenster 108a, ..., 108a enthält, die in Um fangsrichtung gleichmäßig beabstandet angeordnet sind. Ein weiterer Teil des umge benden Abschnitts, der sich weiter entfernt von der Hülse 102A befindet, enthält meh rere (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 Um fangsrichtung um 180° phasenverschoben 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 rechtwinkligem Querschnitt und axialem Verlauf ausgebildet.

Die Einzelheiten dieses Aufbaus werden mit Bezug auf Fig. 10, die einen Querschnitt des röhrenförmigen Elements 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 röh renförmigen Elements 108 und der Ausgangswelle 103 längs der Linie B-B in Fig. 8 zeigt. Wie gezeigt, ist die äußere Oberfläche des röhrenförmigen Elements 108 in N (N = neun in der vorliegenden Ausführungsform) Segmente unterteilt. Ein Winkel zwi schen Linien, die vom Zentrum des röhrenförmigen Elements 108 bei Betrachtung im Querschnitt in radialer Richtung zu den beiden Enden jedes Segments verlaufen, ist als Periodenwinkel θ (= 360/N, θ = 40° in der vorliegenden Ausführungsform) definiert. Ein Bereich, innerhalb dessen eine relative Drehung des röhrenförmigen Elements 108 zur Ausgangswelle 103 (der Eingangswelle 102 zur Ausgangswelle 103) erlaubt ist, ist durch einen Winkel c definiert ist.

Das röhrenförmige Element 108 ist von Jochen 109A und 109B umgeben, um die Spulen 110 bzw. 111 mit im wesentlichen gleichen technischen Spezifikationen ge wickelt 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 röhrenförmigen 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 folgen de 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 Steuerkarte 114 eines Sensorgehäu ses 113 angebrachten Motorsteuerschaltung verbunden. Die Motorsteuerschaltung, die in Fig. 13 gezeigt ist, enthält einen Oszillator 121, eine Gleichrichtungs- /Glättungsschaltung 122, eine weitere Gleichrichtungs-/Glättungsschaltung 123, Diffe renzverstärker 124A und 1248, Rauschbeseitigungsfilter 125A und 125B, eine Drehmomentberechnungseinrichtung 126 sowie eine Motorantriebseinrichtung 127. Der Oszillator 121 liefert an die Spulen 110 und 111 über eine Konstantstrom schaltung 120 einen Wechselstrom mit einer vorgegebenen Frequenz. Die Gleichrich tungs-/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 Differenzverstärker 124A und 124B verstärken jeweils die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Gleichrichtungs-/Glättungsschaltungen 122 und 123. Das Rauschbeseitigungsfilter 125A beseitigt eine Hochfrequenz-Rauschkomponente aus dem Ausgangssignal des Differenzverstärkers 124A. Das Rauschbeseitigungsfilter 125B beseitigt eine Hochfre quenz-Rauschkomponente aus dem Ausgangssignal des Differenzverstärkers 124B. Die Drehmomentberechnungseinrichtung 126 berechnet die Richtung und die Größe einer relativen Winkelverschiebung der Eingangswelle 102 zum röhrenförmigen Ele ment 108 auf der Grundlage beispielsweise des Mittelwerts der Ausgangssignale der Rauschbeseitigungsfilter 124A und 124B und multipliziert das Ergebnis mit einem vor gegebenen Koeffizienten, um dadurch ein Lenkdrehmoment zu erhalten, das im Lenk system erzeugt wird. Die Motorantriebseinrichtung 127 liefert an den Motor einen Treiberstrom I, um ein Hilfsdrehmoment zu erzeugen, das das Lenkdrehmoment re duziert. Der Treiberstrom I wird durch das Ergebnis der Berechnung durch die Drehmomentberechnungseinrichtung 126 bestimmt.

Nun wird die Funktionsweise dieser Ausführungsform 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 Eingangswelle 102 zur Ausgangswelle 103 hervorgerufen. Daher wird auch keine re lative Drehung der Eingangswelle 102 zum röhrenförmigen Element 108 hervorgeru fen.

Wenn das Lenkrad und daher die Eingangswelle 102 gedreht werden, wird eine er zeugte Drehkraft über den Torsionsstab 104 zur Ausgangswelle 103 übertragen. Hier bei 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-Lenksystem 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 Ein gangswelle 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 röhrenförmige Element 108 in den Fig. 10 und 11 im Gegenuhrzei gersinn gedreht, so daß der Überlappungsbereich des Fensters 108a und des erhöh ten Teils 103B im Vergleich zu dem Fall, in dem das Lenkdrehmoment null ist, vergrö ßert wird, während der Überlappungsbereich des Fensters 108b und des erhöhten Teils 103B verkleinert wird. Wenn ein Lenkdrehmoment im Gegenuhrzeigersinn er zeugt wird (Lenkdrehmoment, das erzeugt wird, wenn das Lenkrad im Gegenuhrzei gersinn gedreht wird), wird das röhrenförmige Element 108 in den Fig. 10 und 11 im Uhrzeigersinn gedreht, 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, während der Überlappungsbereich des Fensters 108b und des erhöh ten Teils 103B vergrößert wird.

Wie oben beschrieben und in Fig. 14 gezeigt, nimmt bei einer Zunahme des Drehmo ments im Uhrzeigersinn die Induktivität L₁₀ der Spule 110 zu, während die Induktivität L₁₁ der Spule 111 abnimmt. Bei einer Zunahme des Drehmoments im Gegenuhrzei gersinn nimmt die Induktivität L₁₀ der Spule 110 ab, während die Induktivität L₁₁ der Spule 111 zunimmt. Die Beziehung zwischen einer relativen Drehung des röhrenför migen 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 verän dert, falls die Frequenz ω des an die Spulen 110 und 111 gelieferten Stroms fest ist. Die selbstinduktiven elektromotorischen Kräfte der Spulen 110 und 111 werden ebenfalls auf ähnliche Weise verändert. Daher werden die Ausgangssignale der Diffe renzverstärker 124A und 124B, wovon jeder die Differenz zwischen den selbstindukti ven elektromotorischen Kräften der Spulen 110 und 111 verstärkt, in Übereinstim mung mit der Richtung und der Größe des Lenkdrehmoments im wesentlichen linear verändert. Die Selbstinduktionsveränderungen, die beispielsweise durch die Tempera tur verursacht werden, werden kompensiert, da die Differenz zwischen den Aus gangssignalen der Gleichrichtungs-/Glättungsschaltungen 122 und 123 von jedem der Differenzverstärker 124A und 124B verarbeitet wird.

Die Drehmomentberechnungseinrichtung 126 berechnet einen Mittelwert der Aus gangssignale, die über die Rauschbeseitigungsfilter 125A und 125B von den Diffe renzverstärkern 124A und 124B empfangen werden, multipliziert das Ergebnis mit einer vorgegebenen Proportionalitätskonstante und liefert das Ergebnis an die Motor antriebseinrichtung 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 erzeugten 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 Ausführungsform 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 dergleichen axial verschoben sind, kann niemals eine erhebliche Abnahme der Impedanz der Spulen 110 und 111 auftreten.

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 Zen tren der Fenster 108a und 108b aufgetragen ist und auf der Ordinate die Impe danzänderungsrate 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 Impe danz jeder der Spulen 110 und 111, die durch die axiale Verschiebung 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 Maßnahme 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 bevor zugt, 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 Ausführungsform die axialen Län gen 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 Verschlechterung der Erfassungsgenauigkeit verringert. Mit anderen Worten, falls eine weitere Verbesserung der Erfassungsgenauigkeit nicht erforderlich ist, sind relativ geringe Genauigkeiten bei der Zusammenfügung der Bestandteile zu lässig. Dies führt zu einer Verringerung der Herstellungskosten.

In der vorliegenden Ausführungsform entspricht die Eingangswelle 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 um gebenen Abschnitt.

Wie aus der vorangehenden Beschreibung deutlich wird, sind gemäß dieser Ausfüh rungsform in einem röhrenförmigen Element, das aus einem leitenden und nichtma gnetischen 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 verlaufende Nu ten ausgebildet, wird unter Verwendung von Änderungen 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 de nen die Spulen gehalten werden. Bei einer solchen Konstruktion besitzt der Drehmo mentsensor gemäß dieser Ausführungsform einen einfachen Aufbau und hat ferner die vorteilhafte Wirkung, daß die axialen Genauigkeiten der Bestandteile und die axialen Fehler bei der Zusammenfügung der Teile die Drehmomenterfassungsgenau igkeit nur wenig beeinflussen.

Nun wird eine vierte Ausführungsform beschrieben.

Die Gesamtkonstruktion der vierten Ausführungsform ist gleich derjenigen der dritten Ausführungsform, so daß gleiche oder ähnliche Bestandteile mit den gleichen Be zugszeichen bezeichnet sind und eine nochmalige Beschreibung hiervon weggelas sen 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 vorliegenden Ausführungsform) Seg mente 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 Ab schnitts des röhrenförmigen Elements 108, der sich näher an der Hülse 102A befin det, 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 übri ge Teil des Segments, der durch einen Winkel b1 (= θ1 - a1) definiert ist, weist keinen Ausschnitt auf. In dem Teil des umgebenden Abschnitts, der sich weiter von der Hülse 102A entfernt befindet, reicht jedes der Fenster 108b vom anderen Ende des Seg ments zu einem Punkt, der von diesem Ende in Winkelrichtung um den Winkel a1 be abstandet 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 Umfangsrichtung) jedes erhöhten Teils 103B zwischen den benachbarten 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 Lenkdrehmoment ist null), beispiels weise 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 zu geordneten Nut 103A ausgerichtet (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 zugeordne ten Nut 103A (auf die linke Kante des erhöhten Teils 103B, der sich rechts hiervon befindet) (siehe Fig. 17) ausgerichtet. Daher ist der Überlappungsbereich des Fen sters 108a und der Nut 103A demjenigen des Fensters 108b und der Nut 103A bei Betrachtung in Umfangsrichtung entgegengesetzt. 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 folgender maßen:

b1 < a1 (3)

d1< c1 (4)

e1 < θ1/4 (5)

Die Bedingungen der Ungleichungen (3) und (4) sind notwendig, um eine schnelle Änderung der Impedanz der Spulen zu sichern, wie später beschrieben wird. Die Be dingung der Ungleichung (5) ist für eine monotone Zunahme oder Abnahme der Im pedanz der Spulen wichtig.

Obwohl die Funktionsweise der vierten Ausführungsform nahezu die gleiche wie die jenige 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 Eingangswelle 102 zur Ausgangswelle 103 hervorgerufen. Folglich wird auch keine relative Drehung der Eingangswelle 102 zum röhrenförmigen Element 108 hervorgeru fen.

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 Widerstand hängt von einer Reibungskraft, die zwischen den eingeschlagenen Rädern und dem Boden er zeugt wird, sowie von einer Reibungskraft im Eingriffabschnitt, wo die Ausgangswelle 103 mit dem Zahnstangen-Lenksystem 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 röh renförmigen Element 108 zur Folge.

In einem Fall, in dem das röhrenförmige Element 108 keine darin ausgebildeten Fen ster 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 Wirbel stroms 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 röhren förmigen 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 Oberfläche des röhrenförmigen Elements 108 erzeugte Wirbelstrom durch die äußere Umfangsfläche zirkuliert. Daher fließt der Wirbelstrom längs einer der Stirnseiten je des Fensters 108a und 108b zur Innenseite des röhrenförmigen Elements 108. An der Innenseite des röhrenförmigen Elements 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 Wirbelstrom-Schleifen in Umfangs richtung periodisch (θ1 = 360/N) angeordnet.

Die von den Spulenströmen entwickelten Magnetfelder sind dem Wirbelstrom überla gert. 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 abnimmt. Das Magnetfeld, das in Umfangsrichtung verteilt ist, ist im Zentrum jedes Fensters 108a und 108b, wo das Magnetfeld von den benachbarten Wirbelströmen stark beeinflußt wird, am größ ten 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 verändert sich unter dem Ein fluß des in Umfangsrichtung periodisch sich verändernden Magnetfeldes und des in radialer Richtung sich verändernden Magnetfeldes mit einer relativen Phase der Aus gangswelle 103 zum röhrenförmigen Element 108.

Eine Phase der Ausgangswelle, mit der die spontane Magnetisierung 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 Magnetisie rung. 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 Viertelperiode (θ1/4) verschoben. Die Phasendifferenz zwischen der Fensterreihe, die sich näher an der Hülse 102A befindet, 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 Konstruktion 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 Induktivität mit der gleichen Veränderungsra te 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 Induktivität L₁₀ der Spule 110 ausgehend von dem Induktivitätswert, 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 Lenkdrehmoments im Gegenuhrzeiger sinn nimmt die Induktivität L₁₀ der Spule 110 ab, während die Induktivität L₁₁ der Spule 111 ansteigt. Die Beziehung zwischen einem relativen Drehwinkel des röhren förmigen Elements 108 zur Ausgangswelle 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 Ge genuhrzeigersinn verändert 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 verän dert, falls die Frequenz ω des an die Spulen 110 und 111 gelieferten Stroms fest ist. Die elektromotorischen Selbstinduktionskräfte der Spulen 110 und 111 verändern sich ebenfalls auf ähnliche Weise. Daher werden die Ausgangssignale der Differenzver stärker 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 Ausgangssignalen der Gleichrichtungs-/Glättungsschal tungen 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 empfangenen Ausgangssignalen, multipliziert das Ergebnis mit einer vorgege benen Proportionalitätskonstante und liefert das Ergebnis an die Motorantriebseinrich tung 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 erzeugten 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 ange legt, 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 sämtlicher 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 Bezug nahme 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 Drehmomentsensors 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 ent sprechenden Winkeln a1.

Wie aus dem die Meßergebnisse zeigenden Graphen hervorgeht, wird das Empfind lichkeitsverhältnis 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 gesetzt, der die Umfangsweite jedes der erhöhten Teile 103B defi niert). Der Graph lehrt auch, daß das Empfindlichkeitsverhältnis 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 kann das Impedanzänderungsverhältnis und daher die Sensorempfindlichkeit erhöhen und dabei die Werkstoffqualität sowie die Abmes sungen der anderen Teile unverändert lassen, da die Ausführungsform so beschaffen ist, daß sie die Ungleichungen (3) und (4) erfüllt.

Die Empfindlichkeit des Drehmomentsensors kann beispielsweise bei unveränderter Anzahl der Windungen der Spulen erhöht werden. Aus dieser Tatsache folgt, daß dann, wenn eine weitere Erhöhung der Empfindlichkeit nicht erforderlich ist, die Sen sorgröße durch Verringern der Anzahl der Windungen der Spulen 110 und 111 redu ziert werden kann, außerdem können die Anforderungen an die Temperatureigen schaften der verwendeten elektronischen Bauteile gelockert werden oder die verwen dete elektronische Schaltung kann gegenüber einer Zerstörung unempfindlich ge macht 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 begrenztem Einbauraum wie in der vorliegenden Ausführungsform verwendet werden soll.

In dem Graphen von Fig. 20 wurde das Empfindlichkeitsverhältnis 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 Fen sters 108a (108b) 12° beträgt (d. h. a1 = 12° und b1 = 28°). Das Empfindlichkeitsver hältnis wird auf der Grundlage dieser optimalen Werte um ungefähr 50% im Vergleich zu demjenigen, bei dem der Winkel d1 gleich dem Winkel c1 ist (d1 = c1 = 20°), ver bessert.

Die optimalen Werte verändern sich in geringem Maß in Abhängigkeit von der Werk stoffqualität und von den Abmessung der anderen Teile des Drehmomentsensors, diese können jedoch ohne weiteres gemessen werden. Daher können die optimalen Werte durch ein Experiment auf der Entwurfsstufe bei der tatsächlichen Herstellung von Drehmomentsensoren 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 Vergleich zu derjenigen eines her kömmlichen Drehmomentsensors verbessert, wenn eine der Ungleichungen erfüllt ist.

In der vorliegenden Ausführungsform entspricht die Eingangswelle 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 röhren förmigen Element 108 n ist, einem umgebenen Abschnitt.

Wie aus der vorangehenden Beschreibung hervorgeht, sind in der vierten Ausfüh rungsform im röhrenförmigen Element, das aus einem leitenden und nichtmagneti schen 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 magnetischen Werkstoff hergestellt, sind im umgebenen Abschnitt der ersten Drehwelle axial verlaufende Nuten ausgebil det, ist die Umfangsweite jeder der Nuten größer als jene des nutenfreien Teils, wird eine Änderung des Überlappungsbereichs jedes der Fenster mit der diesem Fenster zugeordneten Nut durch die in der zugehörigen Spule erzeugte elektromotorische 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 Impedanzänderungsverhältnisses der Spule verbessert wird.

Nun wird eine fünfte Ausführungsform beschrieben.

Die Gesamtkonstruktion der fünften Ausführungsform 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 wegge lassen wird.

In der fünften Ausführungsform, die in den Querschnitten der Fig. 21 und 22 darge stellt ist, ist die Seitenwand 103C jeder der Nuten 103A in radialer Richtung gegen über der Ausgangswelle 103 erhöht. Genauer ist die Seitenwand 103C jeder der Nu ten 103A längs einer Linie, die vom Zentrum der Ausgangswelle 103 (das mit der axialen Mittellinie des Torsionsstabs 104 zusammenfällt) in radialer Richtung verlän gert 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 sämt licher erhöhten Teile 103B einander gleich sind, gilt die folgende 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 Meßergebnisse 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 aufgetragen sind, in dem die Nut 103A einen rechtwinkligen Querschnitt 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 20° gesetzt.

Wie aus dem die Meßergebnisse zeigenden Graphen hervorgeht, wird das Empfind lichkeitsverhältnis erhöht, wenn die Seitenwand 103C in radialer Richtung der Dreh welle 103 gegenüber der herkömmlichen Nutenform mit rechtwinkligem Querschnitt erhöht ist (die Empfindlichkeit wird um ungefähr 10% im Vergleich zum Stand der Technik erhöht). Das heißt, daß bei der Form der vorliegenden Ausführungsform, bei der die Seitenwand 103C in radialer Richtung der Drehwelle 103 erhöht ist, das Impe danzänderungsverhältnis 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 beispielsweise ohne Änderung der Anzahl der Spulenwindungen erhöht werden. Aus dieser Tatsache folgt, daß dann, wenn eine weitere Erhöhung der Empfindlichkeit nicht erforderlich ist, die Sensorgrö ße durch Verringerung der Anzahl der Windungen der Spulen 110 und 111 verringert werden kann und daß die Anforderungen an die Temperatureigenschaften der ver wendeten elektronischen Bauteile gelockert werden können oder daß die verwendete elektrische Schaltung gegenüber einer Zerstörung unempfindlich gemacht werden kann, indem der Verstärkungsfaktor des Verstärkers erniedrigt wird. Die Tatsache, daß die Größenreduzierung des Sensors möglich ist, ist insbesonders dann sehr nütz lich, wenn er in einem Fahrzeug mit einem begrenzten Einbauraum wie in der vorlie genden Ausführungsform verwendet wird.

Fig. 23 zeigt auch, daß bei geeigneter Einstellung der Weiten der Fenster 108a und 108b das Empfindlichkeitsverhältnis weiter erhöht werden kann. Der Graph lehrt, daß die optimalen Weiten der Fenster 108a und 108b 12° betragen (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 sich in radialer Richtung der Drehwelle 103 erstreckt, weist der Querschnitt der Nut 103A eine Bodenseite auf, die sich näher an der Oberseite befindet, so daß die Bearbeitung der Nut einfach wird. Das heißt, bei der herkömmlichen Form der Nut, die in Fig. 25 gezeigt ist, muß diese Nut 103A durch Ausschneiden gebildet werden. Wenn andererseits die Form der Nut wie in Fig. 24 gezeigt beschaffen 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 Ko sten reduziert werden. Da beispielsweise bei der Form gemäß der vorliegenden Aus führungsform eine Seitenfläche der Nut 103A, die als Anschlag in Drehrichtung dient, sich in radialer Richtung der Drehwelle 103 erstreckt, kann die Nut 103A gleichzeitig durch Schmieden (Kaltschmieden) oder Gießen der Drehwelle 103 ausgebildet wer den. Somit können die Herstellungskosten in dem Ausmaß reduziert werden, in dem eine Schneidearbeit der Nut 103A unnötig wird.

In der vorliegenden Ausführungsform entspricht die Eingangswelle 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 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 umge ben ist, aus einem magnetischen Werkstoff hergestellt, sind Nuten, die axial verlaufen 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 entsprechenden Fenster zuge hörigen Nuten durch die elektromotorische 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 Verwendung der Meßergebnisse erfaßt, wobei die Sen sorempfindlichkeit durch ein erhöhtes Impedanzänderungsverhältnis der Spule ver bessert wird.

Claims

1. Drehmomentsensor mit einer Drehwelleneinrichtung (1, 2, 3, 102, 103, 104) und einem leitenden, nicht magnetischen, röhrenförmigen Element (4, 108), das axial ver laufende Fenster (4a, 4b, 108a, 108b) aufweist und drehfest in Wirkverbindung mit der Welleneinrichtung (1, 2, 3, 102, 103, 104) ist, und einer Spuleneinrichtung (10, 11, 110, 111), die das röhrenförmige Element (4, 108) in einem Bereich der Fenster (4a, 4b, 108a, 108b) umgibt, und einem Wellenabschnitt (1A) mit axial verlaufenden Nuten (5a, 5b, 103A), der von dem röhrenförmigen Element (4, 108) im Bereich der Fenster (4a, 4b, 108a, 108b) umgeben ist, wobei der Wellenabschnitt (1A) drehfest in Wirkverbindung mit der Welleneinrichtung (1, 2, 3, 102, 103, 104) ist, axial beabstandet zur Wirkverbindung des röhrenförmigen Elements (4, 108, 1, 2, 3, 102, 103, 104), da durch gekennzeichnet, daß der Wellenabschnitt (1A) aus einem magnetischen Werkstoff hergestellt ist, und die Spuleneinrichtung (10, 11, 110, 111) von einem mag netischen Joch (9, 109) gehalten ist, welches das röhrenförmige Element (4, 108) um gibt.

2. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axial verlaufenden Fenster (4a, 4b, 108a, 108b) des röhrenförmigen Elements (4, 108) teilweise überlappend mit den axial verlaufenden Nuten (5a, 5b, 103A) des Wellenab schnitts (1A) angeordnet sind, wobei ein Überlappungsbereich der Fenster (4a, 4b, 108a, 108b) mit den Nuten (5a, 5b, 103A) in Abhängigkeit eines Drehmomentes in der Drehwelleneinrichtung (1, 2, 3, 102, 103, 104) veränderbar ist.

3. Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Drehwelleneinrichtung eine erste Drehwelle (1, 103), eine zweite Drehwelle (2, 102), die im wesentlichen koaxial zur ersten Drehwelle (1, 103) angeord net ist, und einen Torsionsstab (3, 104) aufweist, wobei der Torsionsstab (3, 104) die erste Drehwelle (1, 103) mit der zweiten Drehwelle (2, 102) verbindet und das röhren förmige Element (4, 108) drehfest mit der zweiten Welle (2, 102) verbunden ist und der Wellenabschnitt (1A) mit der ersten Drehwelle (1, 103) verbunden ist.

4. Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung (21, 22, 23, 24A, 24B, 121, 122, 123, 124A, 124B) zum Messen elektromotorischer Kräfte, die in der Spuleneinrichtung (10, 11, 110, 111) induzierbar sind.

5. Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die axiale Länge jedes der Fenster (108a, 108b) länger als die axiale Länge der Spuleneinrichtung (111, 112) und kürzer als die axiale Länge des Jochs (109) ist.

6. Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Umfangsweite jeder der Nuten (103A) des Wellenabschnitts (1A) größer als eine Umfangsweite eines erhöhten Teils (103B) ist, der jeweils zwischen zwei benachbarten Nuten (103A) auf dem Wellenabschnitt (1A) ausgebildet ist.

7. Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 1 oder 6, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Seitenwand (103C) jeder der Nuten (103A) sich in radialer Rich tung des Wellenabschnitts (1A) erstreckt.