DE10104141A1 - Drehmomentdetektor - Google Patents

Abstract

Es wird eine Drehmomentdetektionswelle (1) bereitgestellt, die mit einem Drehmoment von außen beaufschlagt ist, und ein Paar von Magnetfeldsensoren (3a) und (3b), die in der Nähe von der Oberfläche der Drehmomentdetektionswelle angeordnet sind. Die Drehmomentdetektionswelle (1) weist magnetostriktive Eigenschaften auf und weist des Weiteren sechs Magnetisierungsbänder (2a) bis (2f) auf, die in Umfangsrichtung der Drehmomentdetektionswelle aufmagnetisiert sind und so polarisiert sind, daß die Magnetisierungsrichtungen benachbarter Magnetisierungsbänder zueinander entgegengesetzt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Drehmoment­ detektor mit einer Drehmomentdetektionswelle, die mit einem Drehmoment beaufschlagt ist, und einem berührungslosen Mag­ netfeldsensor, der in der Nähe der Oberfläche der Drehmoment­ detektionswelle angeordnet ist.

Bis jetzt wurden ein magnetisches Ringsystem und ein Magneti­ sierungssystem, das eine Welle aufweist, die mit irregulären Bereichen darauf versehen ist, und dergleichen als berüh­ rungslose Drehmomentdetektionssysteme veröffentlicht.

Ein solches magnetisches Ringsystem ist beispielsweise aus der japanischen offengelegten Patentanmeldung (JP-A) Nr. 5-196517 bekannt. Ein Drehmomentdetektor gemäß dieser Veröf­ fentlichung ist ein Detektionssystem, das einen Spannungs- Magnetisierungseffekt ausnutzt, d. h. ein Phänomen, bei dem eine Welle, an die ein magnetisches Feld in Umfangsrichtung angelegt ist, mit einem Drehmoment beaufschlagt wird, das an­ gelegte Magnetfeld in der im Hinblick auf die Umfangsrichtung eingebogenen Richtung durch einen inversen Wiedemann-Effekt abgelenkt wird. Dieser Drehmomentdetektor umfaßt eine säulen­ artige Welle, die mit einer Umfangspassung in eine zylindri­ sche magnetostriktive Röhre eingepaßt ist, die normalerweise als ein magnetischer Ring bezeichnet wird, wobei entlang der Achse der Detektionswelle ein Drehmoment angelegt wird. Die magnetostriktive Röhre ist mit einem magnetischen Konverter ausgestattet, der eine axiale magnetische Anisotropie in ei­ ner Umfangsrichtung um die Achse und ein magnetisches Feld in der Umfangsrichtung aufweist.

Darüber hinaus ist ein Magnetisierungssystem mit einer Welle, die irreguläre Bereiche aufweist, beispielsweise aus der ja­ panischen offengelegten Patentanmeldung (JP-A) Nr. 11-101699 bekannt. Ein Drehmomentdetektor gemäß dieser Veröffentlichung ist ein Detektionssystem, das einen Effekt ausnutzt, der wie­ derum durch den inversen Wiedemann-Effekt verursacht wird. Dieser Drehmomentdetektor umfaßt ein Wellenelement, an das um seine Achse ein Drehmoment angelegt ist und das mit verschie­ denen Regionen ausgestattet ist, die entlang der Wellenachse ausgebildet sind und große magnetische Änderungen und kleine magnetische Änderungen infolge eines Spannungsmagnetisie­ rungseffektes aufweisen, der durch irreguläre Bereiche her­ vorgerufen wird, die auf diesem Wellenelement befindlich sind. Des Weiteren sind dort Mittel zum Anlegen eines magne­ tischen Felds an das Wellenelement und magnetische Detekti­ onsmittel zum Detektieren des Magnetismus der jeweiligen Re­ gion, die eine große magnetische Änderung aufweist, oder der Region, die eine kleine magnetische Änderung aufweist, dient.

Der Drehmomentdetektor, der in der offengelegten japanischen Patentanmeldung (JP-A) Nr. 5-196517 beschrieben ist, neigt dazu, daß seine Toleranz in der Umfangspassung zwischen der säulenartigen Welle und der zylindrischen magnetostriktiven Röhre oder dem magnetischen Ring, der oben erwähnt ist, ent­ lang der Achse der Detektionswelle, die mit einem Drehmoment beaufschlagt ist, schwankt, so daß ein Spannungsstress, der auf den magnetischen Ring in der Umfangsrichtung anliegt, schwankt. In Folge dessen entsteht das Problem, daß die De­ tektionsempfindlichkeit dazu neigt, zu variieren.

Darüber hinaus entsteht ein Problem, daß ein Schlupf durch ein niedriges Drehmoment (Torsionsspannung) an der gepaßten Sektion der Umfangspassung aufgrund eines Unterschieds in der Steifheit zwischen jenen verursacht wird, da die säulenartige Welle und der magnetische Ring aus verschiedenen Metalltypen hergestellt sind, so daß ein Fehler im Detektionswert erzeugt wird und manchmal eine Drehmomentdetektion unmöglich gemacht wird.

Darüber hinaus wird ein Drehmomentdetektor teuer, wenn die Passungstoleranz sehr genau eingehalten soll, um dieses Prob­ lem zu lösen. Beispielsweise steigen die Herstellungs- und die Betriebskosten und dergleichen, was zu einem teuren Pro­ dukt führt, wenn die gepaßte Sektion so verarbeitet wird, daß sie Rillen wie z. B. irreguläre Nuten oder dergleichen auf­ weist, um einen Schlupf zu verhindern.

Ferner ist es notwendig, ein Material mit hinreichender Fes­ tigkeit zu benutzen, um eine Passung und exzellente magne­ tostriktive Eigenschaften für den magnetischen Ring (bei­ spielsweise einen Nickel-Maraging-Stahl etc.) zu gewährleis­ ten. Diese Materialien sind ungewöhnlich und teuer und resul­ tieren demnach in einem teuren Drehmomentdetektor, wie im o­ bigen Fall beschrieben.

Ferner erfordert der Drehmomentdetektor aus der japanischen offengelegten Patentanmeldung (JP-A) Nr. 11-101699 ein Wel­ lenelement, an das um dessen Achse ein Drehmoment angelegt ist, welches mit verschiedenen Regionen ausgestattet ist, die entlang der Wellenachse ausgebildet sind, die eine große mag­ netische Änderung und eine kleine magnetische Änderung infol­ ge des spannungsmagnetischen Effektes aufweisen, der durch die irregulären Bereiche hervorgerufen wird, die auf dem Wel­ lenelement ausgebildet sind.

Da eine große Arbeitsgenauigkeit beim Herstellen der irregu­ lären Bereiche auf dem Wellenelement erforderlich ist, werden die Herstellungskosten so groß, daß es schwierig ist, einen preisgünstigen Drehmomentdetektor zu realisieren.

Darüber hinaus ist ein Detektionssensor zum Detektieren eines magnetischen Leckflußes, der proportional zu einer Spannung, die dem Drehmoment entspricht, auf einem Endflächenbereich der irregulären Bereiche angeordnet. Dies erfordert eine Po­ sitioniergenauigkeit, so daß es schwierig ist, Produkte ohne Qualitätsschwankungenn herzustellen.

Ein Drehmomentdetektor nach einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Drehmomentdetektor, der eine Drehmomentdetektionswelle, die eine Torsionsspannung (torsion stress) infolge eines Drehmoments, das von außerhalb an die Welle angelegt wird, erzeugt, und einen berührungslosen Mag­ netfeldsensor umfaßt, der in der Nähe einer Oberfläche der Drehmomentdetektionswelle angeordnet ist, wobei die Drehmo­ mentdetektionswelle magnetostriktive Eigenschaften besitzt und zumindest vier, vorzugsweise sechs Magnetisierungsbänder, aufweist, die in einer Umfangsrichtung der Drehmomentdetekti­ onswelle aufmagnetisiert sind und so polarisiert sind, daß die Magnetisierungsrichtungen von zueinander benachbarten Magnetisierungsbändern zueinander gegensätzlich sind.

Dadurch wird ein magnetischer Leckfluß von der Drehmomentde­ tektionswelle nach außen erzeugt, wenn ein Drehmoment an die Drehmomentdetektionswelle angelegt ist. Demzufolge ist es möglich, eine magnetische Detektion mit praxisgerechter Emp­ findlichkeit zu erzeugen, auch wenn der Magnetsensor in einer vorbestimmten Entfernung von der Oberfläche der Detektions­ welle weg angeordnet ist.

Ein Drehmomentdetektor nach einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung basiert auf einem Drehmomentdetektor nach dem vorliegenden Patentanspruch 1, wobei die Drehmoment­ detektionswelle entweder eine feste Welle oder eine hohle Welle ist.

Falls die Detektionswelle eine hohle Welle ist, kann sie zu­ sätzlich als eine Überlastschutzwelle (overload protecting shaft) benutzt werden.

Ein Drehmomentdetektor nach einem dritten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung basiert auf einem Drehmomentdetektor nach dem vorliegenden Patentanspruch 1 oder dem vorliegenden Patentanspruch 2, wobei die Drehmomentdetektionswelle mit magnetostriktiven Eigenschaften entweder aus einem Stahl her­ gestellt ist, der 4% bis 5% Nickel enthält, aus einem aus­ scheidungsgehärteten, rostfreien Stahl oder einem martensiti­ schen, rostfreien Stahl mit Nickelgehalt besteht.

Deswegen ist es möglich ein axiales magnetisches Feld zu er­ zeugen, das für einen Torsionsspannung empfindlich ist, die erzeugt wird, sobald ein Drehmoment angelegt wird.

Ein Drehmomentdetektor nach einem vierten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung basiert auf dem Drehmomentdetektor nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, wobei der berührungs­ lose und in der Nachbarschaft zu der Oberfläche der Drehmo­ mentdetektionswelle angeordnete Magnetfeldsensor mit jeweils zwei Gruppen von Magnetisierungsbändern ausgestattet ist, wo­ bei die zwei Gruppen durch Unterteilen von zumindest vier, vorzugsweise sechs Magnetisierungsbändern, erhalten wird, die auf der Drehmomentdetektionswelle Gruppe um ein Zentrum in eine rechte und in eine linke magnetisiert sind.

Deswegen löschen sich unter Benutzung der Ausgangssignale dieser zwei Magnetfeldsensoren die Beiträge des Störmagnet­ feldes aus, wo hingegen sich die Signalmagnetfelder aufaddie­ ren, so daß ein Detektionssignal mit einem guten Signal- Rausch-Verhältnis erhalten werden kann. Im folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert:

Fig. 1 zeigt eine erläuternde Ansicht für einen externen magnetischen Leckfluß in einem Drehmomentdetektor nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem unbelasteten Zustand.

Fig. 2 zeigt eine erläuternde Ansicht für ein externen mag­ netischen Leckfluß in dem Drehmomentdetektor nach dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, so bald dieser mit einem Drehmoment beaufschlagt ist.

Fig. 3 zeigt eine erläuternde Ansicht während des Betriebs von einer Drehmomentdetektionswelle, die mit einem Magnetisierungsband versehen ist, das in einer Um­ fangsrichtung aufmagnetisiert ist.

Fig. 4 zeigt eine erläuternde Ansicht der Drehmomentdetekti­ onswelle während des Betriebs, die mit drei Magneti­ sierungsbändern ausgestattet ist, die in Umfangsrich­ tung aufmagnetisiert sind.

Fig. 5 zeigt eine erläuternde Ansicht der Drehmomentdetekti­ onswelle während des Betriebs, die mit sechs Magneti­ sierungsbändern ausgestattet ist, die in Umfangsrich­ tung aufmagnetisiert sind.

Fig. 6 zeigt ein Diagramm, das ein Verarbeitungsverfahren von den jeweiligen Detektionssignalen von einem Paar von Magnetfeldsensoren veranschaulicht.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Er­ findung geschildert. Zuerst wird das Meßprinzip der vorlie­ genden Erfindung beschrieben.

Die Fig. 3, 4 und 5 sind beispielsweise Ansichten während des Betriebs von Drehmomentdetektionswellen, die mit einer, drei bzw. sechs Magnetisierungsbändern ausgestattet sind, die jeweils in Umfangsrichtung polarisiert sind. In den Fig. 3, 4 und 5 bezeichnet das Bezugszeichen 1 eine Drehmomentde­ tektionswelle, die Bezugszeichen 2, 2a bis 2f bezeichnen je­ weils Magnetisierungsbänder und die Bezugszeichen 3a und 3b bezeichnen jeweils Magnetfeldsensoren. In der Fig. 6 be­ zeichnet das Bezugszeichen 4 einen Verstärker und das Bezugs­ zeichen 5 bezeichnet einen Konverter.

Die Drehmomentdetektionswelle 1 ist aus einem Material herge­ stellt, das magnetostriktive Eigenschaften aufweist, bei­ spielsweise einem Stahl mit 4% bis 5% Nickelgehalt, einem ausscheidungsgehärteten rostfreien Stahl oder einem martensi­ tischen rostfreien Stahl, der Nickel enthält.

Die Magnetfeldsensoren 3a und 3b sind Sensoren zum berüh­ rungslosen Detektieren eines Magnetfelds, welche so angeord­ net sind, daß sie Positionen von der Oberfläche der Drehmo­ mentdetektionswelle 1 in einem bestimmten Abstand einnehmen (ungefähr 4 mm in der Ausführungsform, die in den Fig. 1 und 2 gezeigt wird). Als ein Magnetfelddetektionssystem wird ein System verwendet, das in der Lage ist, den spannungsmag­ netischen (stress-magnetic) Effekt von einer magnetischen Substanz zu detektieren. Beispielsweise wird ein spulenarti­ ger Magnetfeldsensor mit einem Magnetkern aus einem amorphen Draht benutzt.

Die Drehmomentdetektionswelle 1 ist mit Magnetisierungsbän­ dern 2, 2a bis 2f versehen, die in Umfangsrichtung von der Welle polarisiert sind. Es wird angemerkt, daß die Magneti­ sierungsbänder 2a bis 2c oder 2a bis 2f in der Art und Weise polarisiert sind, daß die Magnetisierungsrichtungen von an­ einander liegenden Magnetisierungsbändern zueinander gegen­ sätzlich sind, wie es in den Figuren gezeigt ist.

Für das Polarisieren wird beispielsweise eine Polarisierungs­ vorrichtung verwendet, die in der Lage ist lediglich ein ein­ zelnes Magnetisierungsband so zu magnetisieren, beispielswei­ se von einem Nordpol zu einem Südpol. Sie wird dazu in die Nähe der Drehmomentdetektionswelle gebracht, so daß die ge­ samte Umgebung der Drehmomentdetektionswelle aufmagnetisiert wird, während die Welle gedreht wird. Danach werden die Mag­ netisierungspolaritäten der Polarisierungsvorrichtung umge­ dreht, d. h. von einem Südpol zu einem Nordpol, und die Pola­ risierungsvorrichtung der Drehmomentdetektionswelle wird um die Breite von einem Magnetisierungsband gedreht und nahe zur Drehmomentdetektionswelle gebracht, so daß die gesamte Umge­ bung der Drehmomentdetektionswelle mit entgegengesetzter Po­ larität aufmagnetisiert wird, während die Welle gedreht wird. Durch Wiederholen der oben erwähnten Schritte ist es möglich, die gewünschte Anzahl von Magnetisierungsbändern zu polari­ sieren.

In dieser Ausführungsform wird ein Beispiel einer individuel­ len Polarisierung eines entsprechenden Bandes erklärt. Es ist jedoch auch möglich, gleichzeitig alle Magnetisierungsbänder durch Benutzung einer dazu geeigneten Polarisierungsvorrich­ tung zu polarisieren.

Die Fig. 3a zeigt ein Beispiel einer Drehmomentdetektions­ welle 1, die magnetostriktive Eigenschaften aufweist, welche mit einem Magnetisierungsband 2 ausgestattet ist, das in ih­ rer Umfangsrichtung aufmagnetisiert ist. Wie in der Fig. 3b gezeigt ist, entsteht ein Torsionsspannung in einem Winkel von 45° bezüglich der Wellenachse und ein Magnetfeld in einer axialen Richtung in dem Magnetisierungsband 2 aufgrund der Torsionsspannung, wenn ein Drehmoment (Drehkraft) an die Drehmomentdetektionswelle 1 angelegt wird. Das Magnetfeld, daß in der axialen Richtung erzeugt wird, und das in Umfangs­ richtung aufmagnetisierte Magnetfeld setzen sich so zusammen, daß sie das Magnetfeld in einer Richtung ablenken, was durch die gestrichelten Vektoren indiziert wird, die sich in Um­ fangsrichtung befinden.

Die Drehrichtung und die Größe des Drehmoments, das an die Drehmomentdetektionswelle 1 angelegt ist, entspricht der Po­ larität und der Stärke des Magnetfeldes, das in axialer Rich­ tung erzeugt wird. Demzufolge ist es möglich, die Drehrich­ tung und den Betrag des angelegten Drehmoments zu erhalten, wenn die Polarität und Stärke des Magnetfeldes, daß in axia­ ler Richtung von der Drehmomentdetektionswelle 1 erzeugt wird, detektiert werden kann.

Wenn nur ein Magnetisierungsband 2 vorhanden ist, ist das Magnetfeld, das in axialer Richtung erzeugt wird, schwach. Demzufolge kann eine Detektion nicht in einfacher Weise er­ folgen, auch wenn der Magnetfeldsensor in eine Nähe von unge­ fähr 1 mm zur Wellenoberfläche gebracht wird.

Die Fig. 4a zeigt ein Beispiel für eine Drehmomentdetekti­ onswelle 1, die mit drei Magnetisierungsbändern 2a, 2b und 2c, die in Umfangsrichtung aufmagnetisiert und so polarisiert sind, daß die Magnetisierungsrichtungen der benachbarten Mag­ netisierungsbänder zueinander entgegengesetzt sind, ausge­ stattet ist.

Die Fig. 4b zeigt die Vektoren der Magnetfelder, die in den Magnetisierungsbändern 2a bis 2c aufgrund einer Torsionsspan­ nung erzeugt werden, die dort erzeugt wird, sobald ein Dreh­ moment (Drehkraft) an die Drehmomentdetektionswelle 1 ange- . legt wird, wie es in der Fig. 4a gezeigt ist, und Vektoren der Umfangsmagnetfelder, welche dazu aufmagnetisiert sind (beide Vektoren sind mit durchgezogenen Linien gekennzeich­ net), genauso wie die aus den beiden Vektoren resultierenden Vektoren (die durch gebrochene Linien gekennzeichnet sind).

Jetzt wird die Aufmerksamkeit auf die axialen magnetischen Vektoren gerichtet, welche zu den jeweiligen Magnetisierungs­ bändern auftreten. Unter der Annahme, daß die axialen Magnet­ feldvektoren vom Nordpol zum Südpol entstehen, hat der Über­ gangsbereich zwischen den Magnetisierungsbändern 2a und 2b die gleiche Polarität, d. h. einen Südpol, und der Übergangs­ bereich zwischen den Magnetisierungsbändern 2b und 2c gleiche Polarität, d. h. einen Nordpol. Die zwei magnetischen Pole, die mit derselben Polarität gekoppelt sind, stoßen einander ab, so daß ein magnetischer Leckfluß von der Oberfläche der Welle nach außen (in die Luft) auftritt.

Durch Detektieren des magnetischen Leckfluß, der von der Oberfläche der Welle in die Luft austritt, mit dem Magnetfeld­ sensor ist es möglich, das Magnetfeld mit einer praxisgerech­ ten Empfindlichkeit zu detektieren, auch wenn der Magnetfeld­ sensor in einer Position 4 bis 5 mm von der Wellenoberfläche weg angeordnet ist. Dies wird später im Detail erklärt.

Die Fig. 5a zeigt ein Beispiel, in welchem sechs Magnetisie­ rungsbänder 2a bis 2f in Umfangsrichtung der Detektionswelle aufmagnetisiert sind und in eine linke und eine rechte Gruppe um das Zentrum unterteilt sind, wobei die Gruppe # I aus den Magnetisierungsbändern 2a bis 2c und die Gruppe # II aus den Magnetisierungsbändern 2d bis 2f besteht, und die Magnetisie­ rungsbänder so polarisiert sind, daß die Magnetisierungsrich­ tungen von aneinander angrenzenden Magnetisierungsbändern zu­ einander entgegengesetzt sind.

Die Fig. 5b zeigt ein Beispiel, in welchem der Magnetfeld­ sensor 3a und der Magnetfeldsensor 3b so angeordnet sind, daß sie zu den Magnetisierungsbandgruppen # I und den Magnetisie­ rungsbandgruppen # II korrespondieren, wie in der Fig. 5a gezeigt ist, und ein magnetischer Leckfluß, der aus der Ober­ fläche der Welle nach außen austritt, unter Zuhilfenahme der zwei Magnetfeldsensoren 3a und 3b detektiert wird, wenn ein Drehmoment an die Drehmomentdetektionswelle 1 angelegt ist.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel für ein Verarbeitungsverfahren für die jeweiligen Detektionssignale, die von den Magnetfeldsensorpaaren 3a und 3b herrühren.

Die jeweiligen Detektionssignale der Magnetfeldsensoren 3a und 3b werden an den Verstärker 4 gegeben. In dem Verstärker 4 werden die jeweiligen Signale verstärkt und dann einem Sub­ traktionsprozeß unterworfen, wobei hier mit Prozeß Vorrich­ tungen gemeint sind, die die Polarität des einen Signales in­ vertieren und das polaritätsinvertierte Signal zu dem anderen Signal hinzu addieren. Dies wird gemacht, um die Signale, die durch die Magnetfeldsensoren 3a und 3b detektiert werden und von einem Störmagnetfeld unterlegt sind, das bei beiden Sig­ nalen die gleiche Polarität aufweist, durch den Subtrakti­ onsprozeß zu beseitigen. Die eigentlichen Detektionssignale der Magnetfeldsensoren 3a und 3b, die auf dem externen magne­ tischer Leckfluß, das durch Anlegen eines Drehmoments erzeugt wird, basieren, sind voneinander in der Polarität.verschie­ den, da die Anordnungsmuster der Magnetisierungsbänder aus der Gruppe # I invers zu denen der Gruppe # II sind. Durch Invertieren der Polarität eines der Signale, das entgegenge­ setzte Polarität zu dem anderen Signal aufweist, und Aufad­ dieren des polaritätsinvertierten Signals auf das andere Sig­ nal wird ein Signal, welches im wesentlichen einen verdoppel­ ten Amplitudenwert darstellt, in welchem die Absolutbeträge mit derselben Polarität addiert werden, so daß ein Signal mit einem guten Signal-Rausch-Verhältnis detektiert werden kann.

Auf diese Weise wird ein Signal, in welchem der Einfluß von Störmagnetfeldern beseitigt worden ist, an den Konverter 5 geliefert. Wie bereits oben ausgeführt, entsprechen die Rich­ tung in Vorwärtsdrehung oder in Rückwärtsdrehung und die Grö­ ße (Drehmomentwert) des Drehmoments, das an die Drehmomentde­ tektionswelle 1 angelegt ist, der Polarität und der Stärke des magnetischen Felds, das in Wellenrichtung der Detektions­ welle 1 erzeugt wird. Daher kann das Signal in einen Drehmo­ mentwert umgewandelt werden, wobei die Drehrichtung basierend auf Kalibrierungsdaten beinhaltet ist, wenn die Korrelation von Polarität und Amplitudenbetrag des Signals, welches dem Subtraktionsprozeß nach Verstärkung im Verstärker 4 unterwor­ fen ist, mit der Drehrichtung und dem Drehmomentbetrag des angelegten Drehmoments kalibriert wird.

Auf diese Art und Weise verlassen den Konverter 5 die konver­ tierten Drehmomentdaten und werden beispielsweise durch eine Digitalanzeige angezeigt, welche in der Fig. 5 nicht gezeigt ist.

Die Fig. 1 und 2 sind erläuternde Ansichten von externen magnetischer Leckflüßen des Drehmomentdetektors nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in den Zeitpunk­ ten, in denen sie mit keinen Drehmomenten beaufschlagt sind und in denen sie mit Drehmomenten beaufschlagt sind.

In der Fig. 1 wird eine Gesamtzahl von sechs Magnetisie­ rungsbändern 2a bis 2f in einer Drehmomentdetektionswelle aufmagnetisiert und in eine Gruppe # I mit den Magnetisie­ rungsbändern 2a bis 2c und in eine Gruppe # II mit den Magne­ tisierungsbändern 2d bis 2f - ähnlich wie in der Fig. 5 - unterteilt. Die Magnetfeldsensoren 3a und 3b werden jeweils den Gruppen # I und Gruppen # II zugeordnet. Ein Rauschmag­ netfeld, das von der Oberfläche unter keiner Belastung (Dreh­ moment 0) Detektionswelle emittiert wird, ist des Weiteren in der Fig. 1 gezeigt.

Wie aus der Fig. 1 hervorgeht, tritt gegenseitige magneti­ sche Interferenz an den Grenzbereichen der jeweils benachbar­ ten Magnetisierungsbänder auf, wenn die sechs Magnetisie­ rungsbänder so polarisiert sind, daß die Magnetisierungsrich­ tungen der benachbarten Magnetisierungsbänder zueinander ent­ gegengesetzt sind, und es tritt ein unregelmäßiges Rauschmag­ netfeld auf, wie dort gezeigt. Da dieses Rauschmagnetfeld ei­ ne ähnliche Polarität aufweist, kann es bis zu einem gewissen Restbetrag durch den oben erwähnten Subtraktionsprozeß besei­ tigt werden. Trotzdem stellen die Restkomponenten einen Off­ set zu dem Meßwert während einer Nichtbelastung durch ein Drehmoment (Drehmoment 0) dar. Um den Einfluß des Offsets während eines Nulldrehmoments zu beseitigen, können die Mag­ netsensoren 3a und 3b etwas von der Oberfläche der Drehmo­ mentdetektionswelle weggenommen werden, um eine geeignete Distanz zu bestimmen, an der die Restkomponenten des Rausch­ magnetfelds nur noch schwer detektiert werden können, wo hin­ gegen der externe magnetischer Leckfluß während des Anlegens eines Drehmoments noch hinreichend gut gemessen werden kann.

Als ein Resultat der vorliegenden Messung wurde entdeckt, daß bei Einstellung einer Entfernung der Sensoren von der Drehmo­ mentdetektionswelle 1 von ungefähr 4 mm der externe magneti­ scher Leckfluß, der von der Drehmomentdetektionswelle 1 er­ zeugt wird, sobald diese mit einem Drehmoment beaufschlagt wird, mit einer praxisgerechten Empfindlichkeit detektiert werden kann, ohne von dem Rauschmagnetfeld beeinflußt zu wer­ den.

Die Fig. 2 zeigt die Zustände eines axialen Magnetfeldvek­ tors, der proportional zu einer Torsionsspannung erzeugt wird, und einen externen magnetischen Leckfluß, das von die­ sem Magnetfeldvektor zu der Zeit erzeugt wird, zu der ein Drehmoment an die Drehmomentdetektionswelle 1, wie in der Fig. 1 gezeigt, angelegt wird.

Wie bereits oben ausgeführt, ist es möglich, die Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung des angelegten Drehmoments und den Drehmomentbetrag zu erhalten, wie es in der Fig. 6 beschrie­ ben wird, wenn die Magnetfeldsensorpaare 3a und 3b von der axialen Oberfläche der Drehmomentdetektionswelle ungefähr 4 mm entfernt eingestellt sind.

Wie oben dargelegt, werden die zwei Signaldetektionskomponen­ ten zueinander durch Ausführung von Subtraktionsprozessen an beiden Signalen addiert, da die Detektionssignale der Magnet­ feldsensoren 3a und 3b verschiedene Polaritäten aufweisen. Des Weiteren werden die Störkomponenten beseitigt, so daß ein Signal mit einem guten Signal-Rausch-Verhältnis detektiert werden kann.

Wie soweit ausgeführt, können die folgenden Vorteile aus die­ sem Ausführungsbeispiel erhalten werden:

• 1. Die sechs Magnetisierungsbänder, die ein spezielles Mus­ ter aufweisen, sind auf der Drehmomentdetektionswelle aufmagnetisiert, so daß ein externer magnetischer Leckfluß von der Oberfläche der Drehmomentdetektionswel­ le erzeugt wird, sobald ein Drehmoment an die Drehmo­ mentdetektionswelle angelegt wird. Deswegen kann die Magnetisierungsänderung mit einer praxisgerechten Empfind­ lichkeit detektiert werden, auch wenn die Magnetfeldsen­ soren von der Oberfläche der Detektionswelle ungefähr 4 mm beabstandet werden.
• 2. Die sechs Magnetisierungsbänder werden in linke und rechte Gruppen unterteilt und die Magnetfeldsensoren werden den jeweiligen Gruppen zugeordnet. Unter Zuhilfe­ nahme der Ausgangssignale der zwei Magnetfeldsensoren werden die Komponenten des Störmagnetfelds beseitigt und die Beiträge der Signalmagnetfelder werden addiert, wo­ bei ein hochpräziser Drehmomentdetektor realisiert wer­ den kann, der ein Detektionssignal benutzt, das ein gu­ tes Signal-Rausch-Verhältnis aufweist.
• 3. Da die Drehmomentdetektionswelle leicht hergestellt wer­ den kann, können die Herstellungskosten für die Kompo­ nenten reduziert werden. Insbesondere ist es nicht not­ wendig, eine Passung zwischen einem Magnetring und einer Detektionswelle mit der genauen Interferenz, wie sie in einem magnetischen Ringsystem vorliegt, herzustellen, und es ist nicht notwendig, unregelmäßige Bereiche auf der Detektionswelle auszubilden.
• 4. Da die Zahl der Komponenten, die den Drehmomentdetektor bilden, gering ist, ist es möglich sowohl die Komponen­ tenkosten als auch die Herstellkosten zu reduzieren, so daß ein qualitativ hochwertiger Drehmomentdetektor zu einem günstigen Preis realisiert werden kann.

Die Fig. 5b hat ein Ausführungsbeispiel gezeigt, in welchem jeder der Magnetfeldsensoren 3a und 3b magnetische Leckflüße aus den drei Magnetisierungsbändern detektiert, die auf der Drehmomentdetektionswelle 1 ausgebildet sind. Der Grund dafür ist folgender: Wie schon mit der Fig. 4d beschrieben wurde, weisen die beiden Übergangsbereiche der drei Magnetisierungs­ bänder eine gleiche Polarität auf und ein magnetischer Leckfluß wird von den zwei Übergangsbereichen mit gleicher Polarität emittiert. Deswegen können die Magnetfeldsensoren 3a und 3b die magnetischer Leckflüße mit hoher Empfindlich­ keit detektieren. Im Prinzip kann jeder der Magnetfeldsenso­ ren 3a und 3b magnetische Leckflüße messen, wenn ein Übergang der Magnetisierungsbänder vorhanden ist, der magnetischer Leckflüße erzeugt, d. h. wenn zumindest zwei Magnetisierungs­ bänder vorhanden sind. Demzufolge ist es effektiv, daß die Drehmomentdetektionswelle I zumindest vier Magnetisierungs­ bänder aufweist.

Die Beschreibung wurde gegeben für Ausführungsbeispiele, bei denen die Drehmomentdetektionswelle 1 eine massive Welle dar­ stellt. Alternativ dazu kann die Welle 1 eine Hohlwelle sein. Da die Hohlwelle einen niedrigeren Scherungsstress (shearing stress) aufweist als eine massive Welle, kann die Hohlwelle als eine Überlastungsschutzwelle benutzt werden.

Claims (4)

1. Drehmomentdetektor mit einer Drehmomentdetektionswelle, die einen Torsionsspannung erzeugt, in Folge eines Drehmo­ ments, das an die Drehmomentdetektionswelle von außen ange­ legt wird, und mit zumindest einem berührungslosen Magnet­ feldsensor, der in der Nähe der Oberfläche der Drehmomentde­ tektionswelle angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehmomentdetektionswelle magnetostriktive Eigen­ schaften aufweist und zumindest vier, vorzugsweise sechs, Magnetisierungsbänder aufweist, die in einer Umfangsrichtung der Drehmomentdetektionswelle aufmagnetisiert sind und so po­ larisiert sind, daß die Magnetisierungsrichtungen von einan­ der benachbarten Magnetisierungsbänder zueinander entgegenge­ setzt sind.

2. Drehmoment nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehmomentdetektionswelle eine massive Welle oder ei­ ne hohle Welle ist.

3. Drehmomentdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehmomentdetektionswelle mit den magnetostriktiven Eigenschaften entweder aus einem Stahl mit einem Gehalt von 4% bis 5% Nickel, einem ausscheidungsgehärteten rostfreien Stahl oder einem martensitischem rostfreien Stahl mit Nickel­ gehalt besteht.

4. Drehmomentdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein berührungsloser Magnetfeldsensor, der in der Nähe zu der Oberfläche von der Drehmomentdetektionswelle angeordnet ist, für jede von zwei Gruppen von Magnetisierungsbändern vorgesehen ist, wobei die zwei Gruppen durch Unterteilen von zumindest vier, vorzugsweise sechs, Magnetisierungsbändern erhältlich sind, die auf der Drehmomentdetektionswelle in ei­ ner um ein Zentrum in einer rechten und einer linken Gruppe aufmagnetisiert sind.