DE19605096C2 - Drehmomentsensor und Spannungserfassungselement - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Drehmomentsensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, des Anspruches 2 und des Anspruches 3.

Aus der JP 63-31 7731 (A) ist ein gattungsbestimmender Drehmomentsensor bekannt. Demgemäß hat der Drehmomentsensor ein Kernbauteil. Das Kernbauteil ist ein magnetostriktiver Film, der an die Welle geklebt ist. Ein Spulenbauteil ist um das Kernbauteil gewickelt.

Aus der JP 62-161 033 (A) ist ein weiterer Drehmomentsensor bekannt, in dem ein Kernelement Befestigungsabschnitte hat, mit deren Hilfe das Kernelement an der Welle befestigt ist.

Typische Drehmomentsensoren, welche ein an eine Drehwelle angelegtes Drehmoment erfassen, sind in der JP-A-59-77326, der JP-A-61-162726 sowie der JP-A-321747 offenbart.

Der Drehmomentsensor, der in der JP-A-59-77326 offenbart ist, verwendet den Magnetostriktionseffekt (Jouleeffekt). Ein magnetostriktiver Film bestehend aus Eisen, basierend auf einem amorphen Material ist an einer peripheren Fläche einer Rotationswelle vorgesehen. Schlitze, welche sich in einer angewinkelten Richtung erstrecken, sind in dem Film ausgebildet. Eine Erregerspule sowie eine Erfassungs- oder Meßspule sind an der äußeren Peripherie der Drehwelle vorgese­ hen. Ein Joch ist an der äußeren Peripherie beider Spulen montiert. Zwischen den zwei Enden des Jochs und dem Film auf der Drehwelle ist ein Abstand bzw. Hohlraum definiert. Wenn die Erregerspule erregt wird, dann wird ein magnetischer Kreislauf zwischen dem magnetostriktiven Film, dem Abstand bzw. Spalt, dem Joch, dem Spalt und dem magnetostriktiven Film ausgebildet. Wenn eine Kraft in die Umfangsrichtung der Drehwelle angelegt wird, dann wird entsprechend der Stärke dieser Kraft die Durchlässigkeit des magnetostriktiven Films verändert. Dies wiederum verändert die magnetische Flußdichte. Die Veränderung der Flußdichte verändert den Wert der induzierten elektromotorischen Kraft, welche von dem Erfassungssensor erhalten wird. Die induzierte elektromotorische Kraft von der Erfassungsspule wird gleichgerichtet und in eine Gleichstromspannung konvertiert. Die Erfassung des an die Rotationswelle angelegten Drehmoments basiert auf dieser Spannung. Gemäß dieser Offenbarung ermöglichen die Schlitze des Films, welche sich entlang eines Neigungswinkels erstrecken, des weiteren, die Richtung der Kraft, d. h. die Vorwärts- oder Rückwärtsrichtungen, unterscheidbar zu machen.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches in dieser Offenbarung beschrieben wird, ist ein Paar von magnetostriktiven Filmen, welche Schlitze aufweisen, die sich in entgegengerichteter Richtungen erstrecken, auf einer Rotationswelle vorgesehen. Eine Erregerspule, eine Erfassungs- bzw. Meßspule sowie ein Joch sind mit jedem Film angeordnet. Durch Übertragung der induzierten elektromotorischen Kraft von den zwei Erfassungsspulen auf einen Differentialverstärker, wird das Drehmoment erfaßt, ohne von externen Faktoren wie bei­ spielsweise die Temperatur beeinflußt zu werden.

Der Drehmomentsensor (Spannungserfassungssensor), welcher in der JP-A-61-162726 beschrieben wird, ist mit einem Erregerkern und einem Erfassungskern versehen. Beide Kerne sind U-förmig und haben eine Brücke, welche ein Paar von Armen miteinander verbindet. Die Brücke des Erregerkerns ist von einer Erre­ gerspule umwickelt und parallel zu einer Drehwelle angeordnet. Die Brücke des Erfassungs- bzw. Meßkerns ist mit einer Erfassungsspule umwickelt und entlang einer Richtung senkrecht zur Drehwelle angeordnet. Dieser Sensor erhält eine induzierte elektromotorische Kraft von dem Erfassungssensor gemäß dem Wert des an die Welle angelegten Drehmoments, wenn ein magnetischer Kreislauf zwischen dem Erregerkern und der Welle ausgebildet wird, wobei ein weiterer magnetischer Kreislauf zwischen dem Erfassungskern und der Welle ausgebildet wird.

Der Drehmomentsensor, welcher in der JP-A-3-21747 offenbart wird, ist ein Dehnungsmeßgerät bzw. Dehnungsmeßstreifen, welcher Halbleiterelemente aufweist. Ein Paar von Zylindern sind auf einer Drehwelle befestigt, wobei zwischen jedem ein Abstand bzw. Spalt definiert ist. Ein Dehnungsmeßstreifen ist an eine Verbindungsplatte angeklebt, welche die beiden Zylinder verbindet. Das Drehmoment, welches an die Welle angelegt wird, wird durch die Platte verstärkt und anschließend durch den Dehnungsmeßstreifen erfaßt.

Jedoch benötigt der Drehmomentsensor gemäß der JP-A-59-77326 ein Joch zusätzlich zum dem magnetostriktiven Film, der Erregerspule und der Meßspule. Dies erhöht die Anzahl an Komponenten und verursacht eine Erhöhung der Herstellungskosten sowie der Anzahl an Montageschritten. Derartige Bedingungen können die Effizienz hinsichtlich des Managements der Kom­ ponente verringern. Des weiteren verursacht die notwendige Genauigkeit, welche erforderlich ist, wenn die große Anzahl an Komponenten beispielsweise die Erregerspule, die Meßspule und das Joch zusammengebaut werden, daß der Montageprozeß unübersichtlich und kompliziert wird.

Wenn der Drehmomentsensor mit der Drehwelle zusammengebaut wird, welche den Gegenstand der Drehmomenterfassung bildet, können auch andere Komponenten, welche nahe der Welle angeordnet sind bei der Montage sich störend auswirken. In solchen Fällen ist es notwendig, eine weitere Drehwelle mit der Erregerspule, der Erfassungsspule sowie dem Joch, welche daran montiert sind, vorzubereiten und zwar zusätzlich zu der Welle, welche das zu messende Objekt darstellt. Dies wird zu einer Erhöhung der Kosten sowie zu einer Vergrößerung der Abmessungen des gesamten Apparates führen.

Des weiteren hat dieser Drehmomentsensor einen Abstand bzw. Spalt, der zwischen dem Joch und dem magnetostriktiven Film ausgebildet ist. Dieser Spalt verringert die Empfindlichkeit und kann in einer Verringerung des Wertes bezüglich des Signal-Zum-Geräusch-Verhältnis (SIN) resultieren.

Der Drehmomentsensor gemäß der JP-A-61-162726 hat ebenfalls einen Spalt, welcher eine Verringerung hinsichtlich des S/N-Werts verursachen könnte. Zusätzlich werden zwei Arten von Kernen, d. h. den Erregerkern und den Erfassungskern benötigt. Dies erhöht die Anzahl an Komponenten, verursacht eine Erhöhung der Kosten, steigert die Anzahl an Montageschritten und verringert die Komponentenleitungseffizienz.

Der Drehmomentsensor bestehend aus einem Dehnungsmeßstreifen gemäß der JP-A-3-21747 weist nicht derart zahlreiche Komponenten auf. Jedoch erfordert das Kleben des Dehnungsmeßstreifens an die Verbindungsplatte spezielle hochgradige Technologien und verursacht somit eine Verkomplizierung des Zusammenbaus.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Drehmomentsensor und ein Verfahren zu seiner Anordnung an einer Drehwelle zu schaffen, mit deren Hilfe ein Drehmoment mit hoher Maßempfindlichkeit erfaßt wird.

Darüber hinaus soll eine Spannungserfassungseinrichtung geschaffen werden, welche eine geringe Anzahl an Komponenten aufweist und ermöglicht, eine Spannung mit hoher Genauigkeit zu erfassen bzw. zu messen.

Erfindungsgemäß wird die oben genannte Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teil des Anspruches 1, des Anspruches 2, des Anspruches 3 und des Anspruchs 4 gelöst. Weiterbildungen des Drehmomentsensors gemäß den Ansprüchen 1, 2, 3 und 4 ergeben sich aus den jeweils zugeordneten Unteransprüchen.

Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 ist eine Vorderansicht, welche einen Drehmomentsensor gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,

Fig. 2 ist eine Draufsicht, die den Drehmomentsensor von Fig. 1 zeigt,

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, welche den Drehmomentsensor von Fig. 1 zeigt,

Fig. 4(a) ist eine Vorderansicht, welche eine Modifikation des Drehmomentsensors darstellt und Fig. 4(b) ist eine graphische Ansicht, welche die Richtung der an einen Kern angelegten Spannung darstellt,

Fig. 5 ist eine graphische Ansicht, welche die magnetische Flußverteilung des Kerns darstellt,

Fig. 6 ist eine Vorderansicht, welche eine weitere Modifikation des Drehmomentsensor darstellt,

Fig. 7 ist eine graphische Ansicht, welche die Magnetflußverteilung des Kerns darstellt,

Fig. 8 bis 14 sind Draufsichten, welche verschiedene Modifikationen des Drehmomentsensors zeigen,

Fig. 15 und 16 sind Perspektivenansichten, welche unterschiedliche Modifikationen des Drehmomentsensors darstellen und

Fig. 17 und 18 sind Graphen, welche die Beziehung zwischen der induzierten elektromotiven Kraft des Drehmomentsensors und dem angelegten Drehmoment darstellen.

Ein Drehmomentsensor gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Fig. 1 bis 3 beschrieben. Der Drehmomentsensor wird in einer Fahrzeuglenkkraftverstärkereinrichtung verwendet, um aus dem auf eine Lenkwelle aufgebrachten Drehmoment die Lenkkraft zu erfassen, welche durch den Fahrzeugfahrer auf ein Lenkrad aufgebracht wird. Die Fig. 1, 2 und 3 sind eine Frontansicht, eine Draufsicht sowie eine graphische Darstellung des Drehmomentsensors.

Die Lenkwelle 11, welche eine Drehwelle ist, hat eine Nut 11a, die an deren periphere Fläche ausgebildet ist. Ein plattenförmiger Kern 12 ist an der Welle 11 derart angeordnet, daß er sich über die Nut 11a erstreckt. Wie in der Fig. 2 dargestellt wird, ist der Kern 12 entlang einer Richtung ausgerichtet, welche um 45 Grad mit Bezug zu der Achse der Welle 11 geneigt ist. Ein Befestigungsabschnitt 12a ist an beiden Enden des Kerns 12 ausgebildet. Bohrungen 13 erstrecken sich durch die Platte 12 in den Befestigungsabschnitten 12a. Die hintere Fläche des Kerns 12 ist entlang der peripheren Oberfläche der Welle 11 gekrümmt. Eine Schraube 14 ist in jede Bohrung 13 eingesetzt und an der Welle 11 befestigt, um den Kern 12 an der Welle 11 derart zu halten, daß sich die untere Fläche der Befestigungsabschnitte 12a mit der Welle 11 in Kontakt befinden.

Der Kern 12 ist aus einem magnetostriktiven Material mit einem Magnetostriktions-Effekt wie beispielsweise Permalloy, Eisen-Nickel-Chrom-Legierung oder Fe-Ni-Cr-Ti-Legierung gefertigt. Ein auf Eisen-Aluminium basierendes magnetostriktive Material oder amorphes magnetostriktive Material kann ebenfalls für den Kern 12 verwendet werden. Der Kern kann aus einem Material gefertigt sein, welches nicht magnetostriktiv ist, welches jedoch statt dessen einen magnetostriktiven Film auf dessen Oberfläche aufweist. Wenn eine Zugkraft auf den Kern 12 aufgebracht wird, dann wird die magnetische Charakteristik bzw. die Durchlässigkeit des Kerns 12 verändert. Wenn folglich ein Drehmoment an der rechten Seite der Welle 11 um die durch den Pfeil A gemäß der Fig. 2 angezeigten Richtung aufgebracht wird, dann wirkt die Zugspannung auf den Kern 12, wodurch folglich eine Spannung verursacht wird. Wenn im Gegensatz hierzu ein Drehmoment an der rechten Seite der Welle 11 in die Richtung entgegengesetzt des Pfeiles A aufgebracht wird, dann wirkt eine Druckkraft auf den Kern 12, wodurch folglich eine Spannung verursacht wird. Die Durchlässigkeit des Kerns 12 wird entsprechend der Stärke, der Zugkraft und der Druckkraft verändert. Je größer die Zugkraft gemäß der vorliegenden Erfindung ist, desto größer wird der Wert der magnetischen Permeabilität, wobei je größer die Druckkraft ist, desto ge­ ringer wird die magnetische Permeabilität. Die Spannung in die Richtung der Zugkraft wird durch das Zeichen ∈ repräsentiert, wohingegen die Spannung in die Richtung der Druckkraft durch das Zeichen -∈ repräsentiert wird.

Eine Erfassungsspule 15 ist um den Kern 12 zwischen den zwei Befestigungsabschnitten 12a gewunden. Eine Erregerspule 16 ist um die Erfassungsspule 16 gewunden. Die Anzahl von Windungen Na für die Erfassungsspule 15 ist größer gesetzt als die Anzahl an Windungen Nb für die Erregerspule 16. Ein Wechselstrom mit einer bestimmten Amplitude und Frequenz wird an den Eingangsan­ schluß der Erregerspule 16 angelegt. Der Strom erzeugt einen magnetischen Kreis zwischen dem Kern 12, der Welle 11 und dem Kern 12. Eine induzierte elektromotive Kraft Vout existiert zwischen den Ausgangsanschlüssen der Meßspule 15, die um den Kern 12 gewickelt ist.

Die induzierte elektromotive Kraft Vout wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:

Vout = k . Na . Φ . ∈ + Vo

In dieser Gleichung steht das Symbol k für eine Pro­ portionalkonstante, die durch die Form des Kerns 12 bestimmt wird, wobei das Symbol Na die Anzahl an Windungen der Meßspule 15 angibt, das durch Φ den magnetischen Fluß angibt, ∈ die Spannung angibt und Vo die induzierte elektromotive Kraft angibt, wenn der Wert der Spannung Null ist.

Die Spannung ∈ wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt.

∈= ko . T

In dieser Gleichung repräsentiert das Symbol ko eine proportionale Konstante, die durch die Form des Kerns 12 bestimmt wird, wobei das Symbol T das Drehmoment repräsentiert, welches an der rechten Seite der Welle 11 in eine durch den Pfeil A angezeigte Richtung angelegt wird. Das in die entgegengesetzte Richtung des Pfeils A angelegte Drehmoment ist ein negativer Wert.

Der Fluß Φ wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:

Φ= Nb . I/R

In dieser Gleichung repräsentiert das Symbol Nb die Anzahl an Windungen der Erregerspule 16, das Symbol I repräsentiert den Wert des elektrischen Stroms, der durch die Erregerspule 16 fließt, und das Symbol R repräsentiert den magnetischen Widerstand des Kerns 12.

Aus den vorstehend genannten Gleichungen wird ersichtlich, daß die induzierte elektromotive Kraft Vout, welche von der Meßspule 15 erhalten wird, proportional zu der Spannung ∈ ist, die an den Kern 12 angelegt wird, oder zu dem Drehmoment T, welches in Richtung zur peripheren Richtung der Welle 11 angelegt ist.

Wenn in anderen Worten ausgedrückt gemäß der Fig. 2 ein Drehmoment an die rechte Seite der Welle 11 in die Richtung angelegt ist, wie sie durch den Pfeil A in Fig. 2 dargestellt wird, dann wirkt eine Zugkraft auf den Kern 12 ein und verursacht eine Spannung. Die Spannung ist proportional zu dem Wert des Drehmoments. Dementsprechend wird der Wert der induzierten elektromotiven Kraft Vout, die von der Meßspule erhalten wird, groß, wenn die Zugkraft angelegt wird.

Wenn auf der anderen Seite das Drehmoment an die rechte Seite der Welle 11 in die Richtung entgegengesetzt des Pfeiles A angelegt wird, dann wirkt eine Druckkraft auf den Kern 12 ein und verursacht eine Spannung. Die Spannung ist invers proportional zu dem Wert des Drehmoments. Folglich wird der Wert der induzierten elektromotiven Kraft klein, wenn die Druckkraft angelegt wird.

Die induzierte elektromotive Kraft Vout wird zu einem herkömmlichen Prozessor 19 übertragen und in einem Gleichrichterschaltkreis gleichgerichtet, um den Wert des Drehmoments zu berechnen. Die Ausgangscharakteristik der induzierten elektromotiven Kraft Vout mit Bezug zu dem Drehmoment T wird in der Fig. 17 dargestellt. Die Einheit der induzierten elektromotiven Kraft Vout, die entlang der Vertikalachse der Diagramms angezeigt wird, ist ein Gleichstromspannungswert, der gemessen wird, nachdem der Strom in dem Gleichrichterschaltkreis gleichgerichtet wird.

In diesem Ausführungsbeispiel wird der Kern 12, der von der Meßspule 15 und der Erregerspule 16 umwickelt ist, in klebender Weise an der Welle 11 an den unteren Oberflächen seiner beiden Befestigungsabschnitte 12a fixiert. Durch Erregen der Erregerspule 16 wird folglich ein Magnetkreis zwischen dem Kern 12, der Welle 11 und dem Kern 12 im wesentlichen ohne irgendeinen Zwischenspalt ausgebildet. Die Struktur unterscheidet sich demzufolge von den Drehmomentsensoren gemäß dem Stand der Technik. Folglich verhindert der Drehmomentsensor gemäß der Erfindung eine Verringerung hinsichtlich der Empfindlichkeit und unterdrückt eine Verkleinerung des S/N-Wertes.

Der Drehmomentsensor gemäß der vorliegenden Erfindung hat den plattenförmigen magnetostriktiven Kern 12, die Meßspule 15 und die Erregerspule 16, die um den Kern 12 gewunden ist sowie die Befestigungsabschnitte 32a, welche an beiden Seiten des Kerns 12 ausgebildet sind. Folglich ist der Aufbau des Sensors einfach und die Anzahl an Komponenten im Vergleich zu den bekannten Sensoren gering. Die ermöglicht, daß der Drehmomentsensor mit einer kompakten Baugröße hergestellt werden kann und daß die Handhabung der Komponenten vereinfacht werden kann.

Der Kern 12, welcher von der Meßspule 15 und der Erregerspule 1-6 umwickelt ist, wird an der Welle 11 lediglich mit den Schrauben 14 befestigt und kann unmittelbar an der Welle 11 montiert werden.

Der Kern 12 ist daher nicht auf einfache Weise lösbar, da die Schrauben 14 für das Befestigen des Kerns 12 verwendet werden. Darüber hinaus wird das Messen des Drehmoments sowohl in die Vorwärts- als auch in die Rückwärtsrichtung durch den Kern 12 gewährleistet, der entlang einer Richtung ausgerichtet ist, die um einen Winkel von 45 Grad mit Bezug zu der Achse der Welle 11 geneigt ist.

Darüber hinaus wird der Kern 12 an der Welle 11 derart befestigt, daß er sich über die Nut 11a erstreckt. Dies ermöglicht einem Abschnitt der Spulen 15, 16, daß sie innerhalb der Nut 11a angeordnet werden können. Aus diesem Grund kann der Kern 12 an der Welle 11 mit minimaler Störung bzw. Beeinflussung zwischen der Welle 11 und den Spulen 15, 16 fixiert werden.

Obgleich lediglich ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung vorstehend beschrieben wurde, sollte für den Fachmann ersichtlich sein, daß die vorliegende Erfindung in vielen anderen spezifischen Ausführungsformen ausgebildet sein kann, ohne von dem Geist oder Umfang der Erfindung abzuweichen. Insbesondere sollte verstanden werden, daß die vorliegende Erfindung auch in der nachfolgend beschriebenen Weise multipli­ ziert werden kann.

Wie in der Fig. 4(a) dargestellt ist, kann eine Schildplatte 21, bestehend aus Aluminium, Eisen oder ähnlichem an der Oberfläche des Kerns 12 vorgesehen sein. Dieser erlaubt eine weitere Verbesserung der Empfindlichkeit während der Drehmomenterfassung. Wenn beispielsweise ein Drehmoment an die Welle 11 in einer Richtung entgegengesetzt zu dem Pfeil A gemäß der Fig. 1 und 2 angelegt wird, dann wirkt eine Druckkraft auf den Kern 12 ein. Jedoch offenbart eine mikroskopische Ansicht der Wirkungen der Druckkraft, daß eine Druckkraft auf der unteren Fläche des Kerns 12 einwirkt, wohingegen eine Zugspannung auf der oberen Fläche des Kerns 12 einwirkt, wie in der Fig. 4(b) dargestellt ist. Der Grund hierfür besteht darin, daß der Kern 12 um die Welle 11 gekrümmt ist. Die Spannung, welche aus der Druckkraft an der unteren Fläche resultiert wird durch das Bezugszeichen ∈d repräsentiert, wobei die Spannung, welche aus der Zugkraft resultiert, durch das Bezugszeichen ∈u repräsentiert wird, die Richtungen der beiden Spannungen sind entgegengesetzt zueinander ausgerichtet. Solch ein Phänomen findet auch statt, wenn ein Drehmoment in eine Richtung des Pfeils A angelegt wird. Die Werte der Spannung sowohl an der oberen als auch unteren Fläche sind im wesentlichen die gleichen (∈d = ∈u). Jedoch wird der magnetische Fluß 0 im wesentlichen bewirkt durch die Spannung, welche durch die Zugspannung verursacht wird, die an der unteren Fläche wirkt, im Vergleich zur Spannung, welche aus der Druckkraft resultiert, die an der oberen Fläche wirkt. D. h., daß die Beziehung Φd < Φu erfüllt wird. In dieser Gleichung repräsentiert das Symbol Φd den magnetischen Fluß, welcher durch die untere Fläche strömt, wobei das Symbol Φu den magnetischen Fluß repräsentiert, der durch die obere Fläche fließt.

Die induzierte elektromotive Kraft Vout, die an der Meßspule 15 herrscht, wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt, in der die induzierte elektromotive Kraft an der unteren Fläche durch das Symbol Voutd repräsentiert wird und die induzierte elektromotive Kraft an der oberen Fläche durch das Symbol Voutu repräsentiert wird:

Vout = Voutd + Voutu
= k . Na . Φd . ∈d - k . Na . Φu . ∈u

Gemäß der vorstehenden Gleichung und Beziehungen (∈d = ∈u, Φd < Φu) verringert die induzierte elektromotive Kraft an der oberen Seite Voutu (0 = -k . Na . Φu . ∈u), welche in eine Richtung entgegengesetzt der induzierten elektromotiven Kraft Vout wirkt, die Empfindlichkeit.

Durch die Anordnung der Schildplatte 21 gemäß der Fig. 4(a), wirkt die Platte 21 in der Weise, daß der Magnetfluß Ou, welcher durch die obere Fläche des Kerns 12 fließt, auf einen Wert reduziert wird, der im wesentlichen Null ist. Die Fig. 5 zeigt eine graphische Ansicht der Magnetflußverteilung in dem Fall. Da die induzierte elektromotive Kraft Voutu an der oberen Seite ( = -k . Na . Φu . ∈u) im wesentlichen Null ist, wird folglich die Empfindlichkeit des Sensors verbessert. Folglich ermöglicht die Schildplatte 21, daß das Drehmoment mit einer weiter erhöhten Empfindlichkeit gemessen wird.

Die Schildplatte 21 kann zwischen der Meßspule 15 und der Erregerspule 16 an der oberen Flächenseite des Kerns 12 angeordnet werden. Unter dem Gesichtspunkt eines Wirbelstromverlustes ist Aluminium als das Material für die Schildplatte 21 besonders vorteilhaft, wenn die Frequenz des Stroms hoch ist, der durch die Erregerspule 16 fließt.

Wie in der Fig. 6 dargestellt wird, kann ein plattenförmiges magnetisches Material 22 bestehend aus beispielsweise einem Silikonstahl, einem weichen nicht rostenden magnetischen Material oder ähnlichem an der Fläche des Kerns 12 angeklebt werden. Dies reduziert den Wert des magnetischen Flusses Ou, der durch die obere Fläche des Kerns 12 fließt, auf einen Wert im wesentlichen gleich Null und erhöht folglich die Empfind­ lichkeit. Wie in der Fig. 7 dargestellt wird, verhindert die Anordnung des magnetischen Materials 22, daß der magnetische Fluß Ou durch die obere Fläche des Kerns 12 fließt. Der magnetische Fluß Ou fließt durch das magnetische Material 22. Als ein Ergebnis hiervon nimmt die induzierte elektromotorische Kraft an der oberen Seite Voutu ( = -k . Na . Φu . ∈u) im wesentlichen den Wert Null an, wobei folglich die Empfindlich­ keit des Sensors verbessert wird. Die Erfordernisse des magnetischen Materials 22 bestehen darin, ein niedriges Magnetostriktions-Verhältnis und eine hohe magnetische Durchlässigkeit zu besitzen. Beispielsweise Permalloy, welches ein magnetostriktives Material darstellt, kann verwendet werden, wenn diese Erfordernisse erfüllt werden.

Wie in der Fig. 8 dargestellt wird, kann der Kern 24 im wesentlichen V-förmig sein. Bei diesem Kern 24 werden Befestigungsabschnitte 24a, 24b und 24c an der Grundseite ausgebildet, welche in der Mitte des Kerns 24 angeordnet ist, wobei die beiden Enden an der entfernten Seite angeordnet sind. Die Befestigungsabschnitte 24a, 24b, 24c sind durch die Schrauben 14 an der Welle 11 befestigt. Erste und zweite Hauptabschnitte 24d, 24e sind entlang einer Richtung angeordnet, welche um 45 Grad mit Bezug zu der Mittelachse der Welle 11 geneigt sind, und erstrecken sich in entgegengesetzter Richtungen. Die Meßspule 15 sowie die Erregerspule 16 sind jeweils um jeden Hauptabschnitt 24d, 24e gewickelt. Die Erregerspule 16 ist in einer Weise angeordnet, daß die zwei Befestigungsabschnitte 24a, 24c mit unterschiedlichen magnetischen Polen magnetisiert werden.

Diese Modifikation wäre ebenfalls in der Lage, die vorteilhaften Wirkungen des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels zu erzielen. In diesem Fall wird eine Zugspannung eine Spannung in dem ersten Hauptabschnitt 24d erzeugen und eine Druckspannung eine Spannung in dem zweiten Hauptabschnitt 24e verursachen, wenn ein Drehmoment in die Richtung angelegt wird, welches durch den Pfeil A angezeigt ist.

Die induzierte elektromotive Kraft VoutA der Meßspule 15, die um den ersten Hauptabschnitt 24d des Kerns 24 gewunden ist, sowie die induzierte elektromotive Kraft VoutB der Meßspule 15, die um den zweiten Hauptabschnitt 24e gewunden ist, werden durch die gebrochenen Linien in der Fig. 18 mit Bezug zu dem Drehmoment T dargestellt. Die induzierte elektromotive Kraft Vout wird durch die durchgezogenen Linie mit Bezug auf das Drehmoment T dargestellt. Die induzierte elektromotive Kraft Vout wird erhalten durch ein Subtraktionsverfahren der induzierte elektromotiven Kräfte VoutA und VoutB, das in einem Differentialschaltkreis durchgeführt wird. Durch Ausführung dieses Verfahrens in dem Differentialschaltkreis werden externe Störungen, welche durch Temperaturänderungen verursacht werden, ausgeglichen. Dies gewährleistet den Wert des gemessenen Drehmoments. Folglich ist ein weiteres Verbessern der Hochpräzisionserfassung des Drehmoments möglich. Die Werte, welche entlang der Vertikalachse des Diagramms gemäß der Fig. 18 angezeigt werden, entspricht einem Gleichstromwert der induzierten elektromotiven Kraft nach deren Gleichrichtung in dem Gleichrichterschaltkreis.

Eine weitere Modifikation, welche in der Fig. 9 dargestellt ist, verwendet zwei der Kerne 12, die in dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel erläutert wurden. Jeder Kern 12 ist entlang einer Richtung angeordnet, welche mit Bezug zu der Mittelachse der Welle 11 geneigt ist. In diesem Fall sind die erhaltenen vorteilhaften Wirkungen ähnlich zu den Wirkungen des Drehmomentsensors gemäß der Fig. 8. Die Schild- oder Schutzplatte 21 oder das magnetische Material 22 können auf den Flächen der Kerne 24, 12, wie in den Fig. 8 und 9 dargestellt ist, vorgesehen werden. Dies verbessert weiter die Genauigkeit des Drehmomentsensors.

Wie in der Fig. 10 dargestellt ist, kann ein X-förmiger Kern 26 verwendet werden. Die in dieser Modifikation erzielbaren vorteilhaften Wirkungen sind die gleichen zu den Wirkungen der Drehmomentsensoren gemäß der Fig. 8 und 9. Die Schild- bzw. Schutzplatte 21 oder das magnetische Material 22 können an der Oberfläche der Kerne 26 auch in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen werden.

Eine weitere Modifikation gemäß der Fig. 11 und 12 verwendet einen bogenförmigen Kern 31. Der Kern ist an der Welle 11 an den Befestigungsabschnitten 31a, welche an beiden seiner Enden ausgebildet sind, durch Schrauben 14 befestigt. Der Abschnitt zwischen beiden Befestigungsabschnitten 31a ist von der Welle 11 in einer bogenförmigen Weise weggekrümmt. Die Erfassungsspule 15 sowie die Erregerspule 16 sind um den gekrümmten Bereich gewickelt. Bei dieser Modifikation findet ungeachtet dessen, ob die Nut 11a in der Welle 11 vorgesehen ist zwischen den Spulen 15 und 16 und der Oberfläche der Welle 11 keine Störung statt. Folglich kann dieser Sensor an der Welle 11 montiert werden ungeachtet der Form der Welle 11.

Eine weitere Modifikation gemäß der Fig. 13 befestigt zwei der bogenförmigen Kerne 31 an der Welle 11 in einer Weise, wonach einer der Kerne 31 sich in überkreuzender Weise mit dem anderen Kern 31 erstreckt. Die Erregerspule 16 ist dabei um beide Kerne 31 an dem Kreuzungsbereich gewickelt. Die vorteilhaften Wirkungen, welche bei dieser Modifikation erhalten werden, sind ähnlich zu jenen Wirkungen der Drehmomentsensoren, wie sie in den Fig. 8 und 9 gezeigt sind.

Gemäß der Fig. 14 kann ein X-förmiger Kern 32 verwendet werden. In diesem Fall wird ein Befestigungsabschnitt 32a an jedem der vier Enden des Kerns 32 ausgebildet. Der Kern 32 ist von der Welle 11 an den Bereichen zwischen den Befestigungsabschnitten 32a weggekrümmt. Der Meßspule 15 ist um zwei der gekrümmten Be­ reiche gewickelt. Die Erregerspule 16 ist um den Mit­ tenabschnitt des Kerns 32 gewickelt. Diese Struktur ermöglicht dem Sensor, an die Welle 11 ohne Beschränkungen montiert zu werden, welche durch die Form der Welle 11 verursacht werden. Darüber hinaus werden die vorteilhaften Wirkungen, wie sie bei den Drehmomentsensoren gemäß der Fig. 8 und 9 erzielt werden, auch bei dieser Modifikation erreicht. Die Schildplatte 21 oder das magnetische Material 22 kann auch in diesem Fall an der Oberfläche des Kerns 32 vorgesehen werden.

Ein plattenförmiger Kern 42 kann verwendet werden, wie er in den Fig. 15 und 16 dargestellt ist. In dieser Modifikation werden Befestigungsabschnitte 42a an beiden Enden des Kerns 42 definiert. Die Meßspule 15 sowie die Erregerspule 16 sind um dem Kern 42 zwischen den zwei Befestigungsabschnitten 42a gewickelt. Die Welle 11 ist aus einem aufgekohlten Stahl oder einem induktionsgehärteten Stahl gefertigt. Ein Paar von Flanschen 43, 44 sind an der Welle 11 mit einem vorbestimmten zwischen sich ausbildenden Spalt vorgesehen. Flache Plattformen 43a, 44a und 43b, 44b sind an den Flanschen 43, 44 entlang zweier Ebenen ausgebildet, welche parallel zu der Mittelachse der Welle 11 ausgerichtet sind. Dementsprechend werden die Plattformen 43b, 44b von den Plattformen 43a, 44a unter einem Winkel von 180 Grad beabstandet.

Der Kern 42 ist zwischen jedem Paar an Plattformen 43a, 44a und 43b, 44b entlang einer Richtung angeordnet, welche mit Bezug zur Mittelachse der Welle 11 geneigt ist. Die geneigte Richtung beider Kerne 42 ist die gleiche.

Eine Nut 45 ist in jeder Plattform 43a, 44a, 43b, 44b ausgebildet. Die Befestigungsabschnitte 42a der Kerne 42 sind in die Nuten 45 eingesetzt. In diesem eingesetzten Zustand werden die Befestigungsabschnitte 42a an die jeweilige zugehörige Plattform 43a, 44a, 43b, 44b durch Strahlschweißen unter Verwendung eines Lasers, eines Elektronenstrahls oder ähnlichem befestigt. Die Kerne 42 können auch durch Punktschweißen, Widerstandsschweißen, Tungsten-Inertgasschweißen (UTIG), Metall-Inertgasschweißen (MIG) oder ähnlichem befestigt werden. Die Kerne 42 können auch durch Hartlöten oder Bördeln oder durch Verwendung von Halterungen befestigt werden.

Eine Spuleneinheit 47 ist, wie in der Fig. 15 dargestellt wird, an der Welle 11 vorgesehen. Die Einheit 47 hat einen fixierten Abschnitt 47b, der an einem Rahmen (nicht gezeigt) befestigt ist, einen Drehabschnitt 47a, der mit Bezug zu der Welle 11 und dem befestigen Abschnitt 47b relativ drehbar ist. Die Meßspule 15 sowie die Erregerspule 16 sind an einem Kabelbaum 48 angeschlossen, der an dem Drehabschnitt 47a vorgesehen ist. Der Prozessor 19 (mit Bezug auf die Fig. 1) ist an einem Kabelbaum 49 angeschlossen, der an dem befestigten Abschnitt 47b vorgesehen ist. Die Spuleneinheit 47 beinhaltet eine Spule, welche den Kabelbaum 48 während einer Relativdrehung zwischen der Welle 11 und dem Drehabschnitt 47a auf- oder abwickelt. Die Rolle toleriert auch eine Drehung der Welle 11.

Aus diesem Grund hat der Drehmomentsensor gemäß dieser Modifikation Ausgangscharakteristiken, welche auch in den Ausführungsbeispielen und Modifikationen gemäß vorstehender Beschreibung zu finden sind. Solche Charakteristiken beinhalten auch Hochleistung sowie eine ausgezeichnete Linearität. Da die Kerne 42 an den Flanschen 43, 44 fixiert sind, die von der Welle 11 vorstehen, wird die Stärke bzw. die Festigkeit der Welle 11 nicht reduziert. Darüber hinaus wird eine Reduzierung der Festigkeit der Welle 11 infolge des Schweißvorgangs durch die Flansche 43, 44 verhindert.

Des weiteren besitzen die flachen, plattenförmigen Kerne 32 die folgenden hervorragenden Eigenschaften:

• 1. Der Unterschied bei der Rückfederung, welche nach einer Druckbeaufschlagung auftritt, sowie die Differenz hinsichtlich der inneren Spannung, die während des Magnetisierungsglühens auftritt, ist zwischen jedem Kern 42 gering. In diesem Punkt besteht ein Unterschied zu den vorstehend beschriebenen Kernen.
• 2. Das Handling des Kerns 42 ist einfach. Beispielsweise wird das Wickeln der Meßspule 15 sowie der Erregerspule 16 vereinfacht. Falls die Spulen 15, 16 in einer spulenförmigen Art vorgeformt sind, dann kann der Kern 42 in einfacher Weise in die Spulen 15, 16 eingeführt werden.
• 3. Während des Schweißens des Kerns 42 sind die Be­ festigungsabschnitte 42a einfach positionierbar. Dies läßt weniger Fehler während des Montiervorgangs der Kerne 42 zu.
• 4. Da die magnetische Anisotropie des Kerns 42 auf dessen Form basiert, kann im Vergleich zu den gekrümmten Kernen gemäß den vorstehend beschriebenen Modifikationen die Ausgangscharakteristiken des Sensors durch einfach Veränderung der Länge des Kerns 42 auf einfache Weise eingestellt werden.

Bei dieser Modifikation ist ein Kern 42 zwischen jedem Paar von Plattformen 43a, 44a und 43b, 44b angeordnet. Jedoch kann der Kern 42 lediglich an einem der Paare vorgesehen sein. Anstelle des Einsetzens des Kerns 42 in die Mut 45, kann der Kern 42 unmittelbar an der Oberfläche der zugehörigen Plattformen 43a, 44a, 43b, 44b befestigt werden. Dies ermöglicht einen Verzicht auf die Nuten 45. Der plattenförmige Kern 42 kann durch einen prismenförmigen Kern ausgetauscht werden. Dies ermöglicht, daß die gleichen vorteilhaften Wirkungen erzielt werden können.

Die in den Fig. 1 bis 16 dargestellten Kerne 12, 24, 26, 31, 32, 42, welche jeweils von der Meßspule 15 und der Erregerspule 16 umwickelt sind, werden zur Erfassung bzw. Messung des Drehmoments verwendet, welches an die Lenkwelle 11 angelegt wird. Jedoch können die Kerne bei anderen Typen von Drehwellen verwendet werden, wie beispielsweise der Schaft eines Drehmomentschraubenschlüssels oder der Schaft zahlreicher unterschiedlicher Arten von Einrichtungen, um das auf die Welle aufgebrachte Drehmoment zu messen.

Die Kerne 12, 24, 26, 31, 32, 42 können als ein Spannungsmeßelement verwendet werden, welches Einwirkungen anderer Art als das Drehmoment, wie beispielsweise eine Druck- bzw. Schubbelastung mißt. Dies erbringt die gleichen Vorzüge, wie jene gemäß der vorstehenden Beschreibung.

Die Kerne 12, 24, 26, 31, 32, 42 sind von der Meßspule 15 und der Erregerspule 16 umwunden. Die Kerne können jedoch mit lediglich der Erregerspule 16 verwendet werden. In diesem Fall wird die Änderung hinsichtlich der magnetischen Charakteristiken, welche durch die Spannungseinwirkung in den Kernen 12, 24, 26, 31, 32, 42 verursacht wird, durch die Änderung hinsichtlich des Stromflusses durch die Erregerspule 16 oder durch die Änderung der Spannung zwischen den Anschlüssen der Spule 16 erfaßt werden. In derartigen Fällen wird ein Drehmoment entsprechend der Änderung des Stroms oder der Spannung gemessen.

Die Kerne 12, 24, 26, 31, 32, 42 sind entlang einer Richtung angeordnet, welche in einem Winkel von 45 Grad mit Bezug zur Achse der Welle 11 geneigt ist. Jedoch kann die Neigung auf einen willkürlichen Winkel einschließlich eines Nullwinkels verändert werden, d. h., daß der Kern auch parallel zu der Wellenachse verlaufen kann. Falls der Kern parallel zu der Wellenachse angeordnet ist, dann kann die Richtung des angelegten Drehmoments nicht unterschieden werden. Jedoch sind Kerne, welche auf dieser Weise angeordnet sind, vorteilhaft, wenn das zu messende Drehmoment konstant in der gleichen Richtung angelegt wird, da sie auf einfacher Weise an der Welle montiert werden können. Die Frequenz des Stroms, welcher durch die Erregerspule 16 fließt, kann auf einen geeigneten Wert entsprechend seiner Erfordernisse verändert werden. Beispielsweise kann die Frequenz des Stroms in dem Bereich zwischen 10 KHz und 10 MHz liegen, um die vorstehend beschriebenen Wirkungen zu erzielen. Der Strom kann ein Gleichstrom anstelle eines Wechselstroms sein.

Obgleich die Kerne 12, 24, 26, 31, 32, an der Welle 11 durch Schrauben 14 befestigt sind, können diese auch durch andere Verfahren beispielsweise Schweißen befestigt sein.

Claims (15)

1. Drehmomentsensor mit einem Spulenbauteil (15, 16), das um ein Kernbauteil (12; 24; 26; 31; 32; 42) mit magnetostriktiven Eigenschaften gewickelt ist, wobei das Kernbauteil (12; 24; 26; 31; 32; 42) zumindest ein Paar von Befestigungsabschnitten (12a; 24a-24c; 31a; 32a; 42a) aufweist, zwischen denen sich das Spulenbauteil (15, 16) befindet und mit denen das Kernbauteil (12; 24; 26; 31; 32; 42) auf einer Drehwelle befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernbauteil (12; 24; 26; 31; 32; 42) auf seiner radial nach außen liegenden Oberfläche ein Schutzbauteil (21; 22) aufweist, das einen magnetischen Fluß durch den radial nach außen liegenden Oberflächenbereich des Kernbauteils unterdrückt.

2. Drehmomentsensor für das Erfassen eines an eine Drehwelle (11) angelegten Drehmoments, mit
einem Kernbauteil (12; 24; 26; 31; 32; 42) mit magnetostriktiven Eigenschaften und zumindest einem Paar von Befestigungsabschnitten (12a; 24a-24c; 31a; 32a; 42a), mit denen das Kernbauteil (12; 24; 26; 31; 32; 42) an der Drehwelle (11) befestigt ist, und
einem Spulenbauteil (15, 16), das zwischen den Befestigungsabschnitten (12a; 24a-24c; 31a; 32a; 42a) des Kernbauteils (12; 24; 26; 31; 32; 42) um das Kernbauteil gewickelt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den Befestigungsabschnitten (12a; 24a-24c; 31a; 32a; 42a) des Kernbauteils angeordnete und das Spulenbauteil (15, 16) aufweisende Abschnitt des Kernbauteils von der Drehwelle (11) derart weggekrümmt ist, daß das um den Abschnitt des Kernbauteils (12; 24; 26; 31; 32; 42) gewickelte Spulenbauteil (15, 16) von der Drehwelle (11) beabstandet ist.

3. Drehmomentsensor mit
einem Kernbauteil (12; 24; 26; 31; 32; 42) mit magnetostriktiven Eigenschaften und zumindest einem Paar von Befestigungsabschnitten; mit denen das Kernbauteil (12; 24; 26; 31; 32; 42) an der Drehwelle (11) befestigt ist, sowie
einem Spulenbauteil (15, 16), das zwischen den Befestigungsabschnitten (12a; 24a-24c; 31a; 32a; 42a) des Kernbauteils um das Kernbauteil (12; 24; 26; 31; 32; 42) gewickelt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmomentsensor derart an einer an der Außenfläche der Drehwelle (11) in Umfangsrichtung um die Drehwelle verlaufenden Vertiefung (11a) befestigt wird, daß sich das Kernbauteil über die Vertiefung hinweg erstreckt.

4. Drehmomentsensor mit
einem Kernbauteil (12; 24; 26; 31; 32; 42) mit magnetostriktiven Eigenschaften und zumindest einem Paar von Befestigungsabschnitten, mit denen das Kernbauteil (12; 24; 26; 31; 32; 42) an der Drehwelle (11) befestigt ist, sowie
einem Spulenbauteil (15, 16), das zwischen den Befestigungsabschnitten (12a; 24a-24c; 31a; 32a; 42a) des Kernbauteils um das Kernbauteil (12; 24; 26; 31; 32; 42) gewickelt ist,
dadurch gekennzeichnet, daß der Drehmomentsensor derart an einem an der Drehwelle (11) angeordnetem Paar von voneinander beabstandeten Flanschen (43, 44) befestigt wird, daß jeder Flansch (43, 44) einen der Befestigungsabschnitte des Kernbauteils (42) trägt.

5. Drehmomentsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernbauteil in einer sich parallel zu der Achse der Drehwelle erstreckenden Ebene angeordnet ist.

6. Drehmomentsensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Flansch mit einer Ausnehmung für das Aufnehmen des zugehörigen Befestigungsabschnitts des Kernbauteils versehen wird.

7. Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Spulenbauteil (15, 16) eine Erregerspule für das Erregen des Kernbauteils und eine Erfassungsspule für das Erfassen der induzierten elektromotiven Kraft hat.

8. Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse des Kernbauteils mit Bezug auf die Achse der Drehwelle geneigt ist.

9. Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernbauteil ein Paar von Kernen hat, welche mit Bezug zu der Achse der Drehwelle symmetrisch angeordnet sind.

10. Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernbauteil ein Paar von Kernen hat, welche derart angeordnet sind, daß sie sich an der Drehwelle kreuzen.

11. Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernbauteil ein Schutzbauteil hat, das einen magnetischen Fluß durch den radial nach außen liegenden Oberflächenbereich des Kernbauteils unterdrückt.

12. Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernbauteil eine magnetische Substanz hat, um ein Fließen des magnetischen Flusses durch eine radial nach außen liegende Oberfläche des Kernbauteils zu unterdrücken.

13. Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehwelle ein Teil einer Lenkwelle für ein Kraftfahrzeug ist.

14. Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernbauteil in einer V-Form ausgebildet ist und drei an dem mechanischen Element fixierte Befestigungs-Endabschnitte hat, von denen zwei zueinander benachbart angeordnet sind und das Spulenbauteil zwischen den benachbarten Befestigungs- Endabschnitten um den äußeren Umfang des Kernbauteils gewunden ist.

15. Sensor zum Messen von mechanischen Spannungen an einem Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Bauteil an die Stelle der Drehwelle (1 1) tritt.