DE10346332A1 - Drehmomentsensor - Google Patents
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Abstract
Eine erste Welle (5) und eine zweite Welle (6) sind koaxial verbunden. Ein Torsionsstab (7) wandelt ein zwischen den beiden Wellen übertragenes Drehmoment in eine Torsionsverlagerung um. Ein Vielpolmagnet (8) ist an der ersten Welle befestigt. Ein Satz von Magnetjochen (9) ist an der zweiten Welle befestigt und in einem von dem Vielpolmagneten (8) erzeugten Magnetfeld angeordnet. Ein Satz von Flussleit- bzw. Flusssammelringen (10) ist in axialer Richtung einander gegenüberliegend, durch einen Luftspalt getrennt angeordnet. Ein Magnetfeldsensor (11) ist bereitgestellt, um die in dem Luftspalt erzeugte magnetische Flussdichte zu erfassen. Eine äußere, zylindrische Fläche des Satzes von Flussleit- bzw. Flusssammelringen (10) ist von einer magnetischen Abschirmung (18) umgeben.
Description
- Diese Erfindung betrifft einen Drehmomentsensor, der ein auf eine Drehwelle wirkendes Drehmoment als eine Änderung der magnetischen Flussdichte (d.h. der Stärke des Magnetfeldes) erfasst.
- Die japanische Offenlegungsschrift Nr. 2003-149062 (
15 ) offenbart einen Drehmomentsensor herkömmlicher Technik. - Dieser Drehmomentsensor wird zum Beispiel für eine motorbetriebene Servolenkvorrichtung verwendet. wie in
11 gezeigt ist, sind eine Eingangswelle100 und eine Ausgangswelle110 mittels eines Torsionsstabes120 koaxial verbunden. Ein Vielpolmagnet130 ist an der Eingangswelle100 befestigt. Ein Satz von Magnetjochen140 , der an der Ausgangswelle110 befestigt ist, ist in einem von dem Vielpolmagnet130 erzeugten Magnetfeld angeordnet. Ein Satz von Flussleit- bzw. Flusssammelringen (im Folgenden: Flussleitringe)150 leitet bzw. sammelt von den Magnetjochen140 erzeugte magnetische Flüsse. Ein Magnetfeldsensor160 erfasst die in einem Luftspalt zwischen den gegenüberliegenden Flussleitringen150 erzeugte magnetische Flussdichte. - Der oben beschriebene herkömmliche Drehmomentsensor kann, wenn er nahe an einem Kraftfahrzeuglautsprecher oder einem vergleichbaren Magnetelement angeordnet ist, aufgrund der Auswirkungen eines von diesen Elementen erzeugten Magnetfeldes ein fehlerhaftes Signal erzeugen. Daher ist der Drehmomentsensor gemäß der oben genannten Druckschrift des Standes der Technik von einem magnetischen Material
170 eingeschlossen, das eine magnetische Abschirmung dient, um eine fehlerhafte Erfassung zu ver hindern, die von Störeinflüssen wie zum Beispiel Erdmagnetismus oder dem Magnetfeld verursacht wird, das im Bereich um den Drehmomentsensor erzeugt wird. - Jedoch ist gemäß der in der oben genannten Druckschrift des Standes der Technik offenbarten magnetischen Abschirmung ein magnetischer Kreis des Drehmomentsensors vollständig von dem magnetischen Material
170 eingeschlossen bzw. umschlossen. Der äußere Durchmesser des Drehmomentsensors wird groß, und folglich wird die Montierbarkeit des Drehmomentsensors in ein Kraftfahrzeug verschlechtert. Mit anderen Worten, der oben beschriebene herkömmliche Drehmomentsensor ist nicht praktisch handhabbar in der Massenproduktion. Darüber hinaus ist nicht klar, wie dieser Drehmomentsensor eingebaut wird. - Angesichts der oben genannten Probleme ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Drehmomentsensor bereitzustellen, der eine magnetische Abschirmstruktur aufweist, die vorzugsweise in der Massenproduktion verwendbar ist.
- Um das genannte Ziel sowie weitere verwandte Ziele zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung einen Drehmomentsensor bereit, der eine erste Welle und eine zweite Welle, die koaxial verbunden sind, einen Torsionsstab, der ein zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle übertragenes Drehmoment in eine Torsionsverlagerung umwandelt, und einen Vielpolmagneten umfasst, der an der ersten Welle oder einem Ende des Torsionsstabes befestigt ist. Ein Satz von Magnetjochen ist an der zweiten Welle oder dem anderen Ende des Torsionsstabes befestigt und in einem von dem Vielpolmagneten erzeugten Magnetfeld angeordnet. Ein Satz von Flussleitringen ist entlang einer äußeren Oberfläche der Magnetjoche angeordnet, wobei die Flussleitringe in axialer Richtung einander gegenüberlie gend, durch einen Luftspalt getrennt angeordnet sind. Ein Magnetfeldsensor ist bereitgestellt, um die in dem Luftspalt erzeugte magnetische Flussdichte zu erfassen. Darüber hinaus ist eine äußere zylindrische Oberfläche des Satzes von Flussleitringen von einer magnetischen Abschirmung umgeben.
- Der Magnetfeldsensor erfasst die in dem Luftspalt zwischen den gegenüberliegenden Flussleitringen erzeugte magnetische Flussdichte. Wenn die Flussleitringe durch das äußere Magnetfeld beeinflusst werden, ist der von dem Magnetfeldsensor gelieferte Wert fehlerhaft. Demzufolge ermöglicht es eine Abdeckung der äußeren, zylindrischen Fläche des Satzes von Flussleitringen, die Störeinflüsse durch Magnetfelder wirksam zu beseitigen, welche von äußeren Magnetelementen wie z.B. von Kraftfahrzeuglautsprechern erzeugt werden.
- Darüber hinaus bedeckt die magnetische Abschirmung nicht den gesamten magnetischen Kreis des Drehmomentsensors. Die magnetische Abschirmung bedeckt nur die äußere, zylindrische Fläche des Satzes von Flussleitringen. Die Gestaltung bzw. Konfiguration der magnetischen Abschirmung kann vereinfacht werden. Die Montage der magnetischen Abschirmung ist vereinfacht.
- Die magnetische Abschirmung weist vorzugsweise einen seitlichen Abschnitt auf, der eine Seitenfläche des Satzes von Flussleitringen abdeckt.
- Dadurch, dass die magnetische Abschirmung mit seitlichen Abschnitten versehen ist, werden die Störeinflüsse der von äußeren Magnetelementen wie z.B. Fahrzeuglautsprechern erzeugten Magnetfelder wirksam beseitigt. Der Messfehler des Magnetfeldsensuors kann wird verringert.
- Vorzugsweise ist die magnetische Abschirmung mit dem Satz von Flussleitringen durch Harzguss bzw. ein Harzformteil zusammengefügt.
- Da die Flussleitringe einander durch einen Luftspalt getrennt gegenüberliegen, ermöglicht eine Zusammenfügung der Flussleitringe zusammen mit der magnetischen Abschirmung durch Harzguss bzw. ein Harzformteil eine Vereinfachung der Montage. Diese magnetische Abschirmungsstruktur ist vorzugsweise in der Massenproduktion anwendbar.
- Die magnetische Abschirmung bedeckt vorzugsweise die äußere, zylindrische Fläche des Satzes von Flussleitringen.
- Gemäß dieser Anordnung bedeckt die magnetische Abschirmung nicht den gesamten magnetischen Kreis des Drehmomentsensors. Die magnetische Abschirmung bedeckt direkt nur die äußere, zylindrische Fläche des Satzes von Flussleitringen. Die Gestaltung bzw. Konfiguration der magnetischen Abschirmung ist vereinfacht. Die Montage der magnetischen Abschirmung ist vereinfacht.
- Das oben genannte Ziel sowie weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ersichtlich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu lesen ist. In den Zeichnungen ist:
-
1 eine perspektivische Explosionsdarstellung, die einen Drehmomentsensor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; -
2 ist eine Querschnittsansicht, die eine Gesamtanordnung des Drehmomentsensors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; -
3A ist eine Draufsicht, die ein Magnetjoch gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; -
3B ist eine Seitenansicht, die das Magnetjoch gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; -
4 ist eine Querschnittsansicht, die einen Satz von Magnetjochen zeigt, die gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch ein Distanzelement positioniert und durch Harzguss bzw. durch ein Harzformteil zusammengefügt sind; -
5A bis5C Ansichten, die die Funktionsweise des Drehmomentsensors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutern; -
6A eine Draufsicht, die harzumgossene bzw. in Harz eingeschlossene Flussleitringe gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; -
6B eine Seitenansicht, die harzumgossene bzw. in Harz eingeschlossene Flussleitringe gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; -
6C eine Querschnittsansicht, die harzumgossene bzw. in Harz eingeschlossene Flussleitringe gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; -
7A eine Draufsicht, die eine magnetische Abschirmung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; -
7B eine Seitenansicht, die eine magnetische Abschirmung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; -
8 eine schematische Ansicht, die eine Gesamtanordnung einer motorbetriebenen Servolenkvorrichtung zeigt; -
9 eine perspektivische Ansicht, die einen Satz von Flussleitringen zeigt, der gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mittels Harzguss bzw. einem Harzformteil zusammengefügt und mit einer magnetischen Abschirmung zusammengebaut ist; -
10A eine Seitenansicht, die die magnetische Abschirmung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; -
10B eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A der10A , die die magnetische Abschirmung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und -
11 eine Querschnittsansicht, die eine Gesamtanordnung eines herkömmlichen Drehmomentsensors zeigt. - Nachfolgend sind bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
-
1 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung, die einen Drehmomentsensor1 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Drehmomentsensor1 dieser Ausführungsform wird zum Beispiel für eine in8 gezeigte motorbetriebene Servolenkvorrichtung verwendet. Der Drehmomentsensor1 erfasst eine Lenkkraft eines Lenkrades2 (d.h. ein auf eine Lenkspindel übertragenes Drehmoment), und sendet die erfasste Lenkkraft an eine elektronische Steuereinheit (ECU = electronic control unit) 3. Die ECU3 steuert den Ausgang eines motorbetriebenen Motors4 entsprechend der von dem Drehmomentsensor1 erfassten Lenkkraft. - Der Drehmomentsensor
1 ist zwischen einer Eingangswelle5 und einer Ausgangswelle6 angeordnet, die zusammenwirkend die Lenkspindel bilden. Wie in1 gezeigt ist, umfasst der Drehmomentsensor1 einen Torsionsstab7 , einen Vielpolmagnet8 , einen Satz von Magnetjochen9 , einen Satz von Flussleitringen10 und einen Magnetfeldsensor11 . - Wie in
2 gezeigt ist, ist der Torsionsstab7 eine elastische Stange, deren eines Ende mittels eines Stifts12 mit der Eingangswelle5 verbunden ist, und deren anderes Ende mittels eines Stifts12 mit der Ausgangswelle6 verbunden ist. Wenn ein Lenkmoment auf die Lenkspindel ausgeübt wird, erzeugt der Torsionsstab7 eine Torsions- oder Verdrehungsverlagerung entsprechend des Betrages des übertragenen Lenkmomentes. - Der Vielpolmagnet
8 weist die Form eines Ringes auf, der abwechselnd in N-Pole und S-Pole magnetisiert ist, die entlang des Umfangs angeordnet sind. Der Vielpolmagnet8 weist einen Kragen13 auf (siehe1 ). Der Vielpolmagnet8 ist über den Kragen13 mit einer Presspassung an der Eingangswelle5 (oder der Ausgangswelle6 ) befestigt. - Jedes der Magnetjoche
9 ist aus einem weicuhmagnetischen Material hergestellt und weist, wie es in den3A und3B gezeigt ist, eine Mehrzahl von Klauenpolen9a auf, die in Umfangsrichtung äquidistant angeordnet sind. - Wie in
4 gezeigt, sind zwei Magnetjoche9 zu einem Satz von Magnetjochen so gekoppelt, dass ihre Klauenpole9a ineinandergreifen. Ein Distanzelement14 , das zwischen den gekoppelten Magnetjochen9 angeordnet ist, dient der Positionierung der magnetischen Joche9 im zusammengebauten Zustand. Die magnetischen Joche9 und das Distanzelement14 sind durch ein Harzformteil15 zusammengefügt. Ein Satz von aus diese Weise zusammengebauten Magnetjochen9 ist über einen Kragen16 , der an dem Harzformteil15 befestigt ist, mit einer Presspassung an der Ausgangswelle6 (oder der Eingangswelle5 ) befestigt. - Der Vielpolmagnet
8 und die zusammengefügten Joche9 sind so angeordnet, dass die Mitte jedes Klauenpols9a der Magnetjoche9 mit einer Magnetgrenzlinie (d.h. einer Grenze zwischen einem N-Pol und einem S-Pol) übereinstimmt, um einen neutralen Punkt zu erhalten, bei dem das Ausgangssignal (die Ausgangsspannung) des Magnetfeldsensors11 Null wird, wenn der Torsionsstab7 nicht tordiert wird (d.h. wenn keine Lenkkraft zwischen der Eingangswelle5 und der Ausgangswelle6 übertragen wird), wie es in5B gezeigt ist. - Die Fussleitringe
10 dienen dazu, den von den Magnetjochen9 erzeugten magnetischen Fluss zu leiten bzw. zu "sammeln". Die Fussleitringe10 sind aus dem weichmagnetischen Material hergestellt, das zur Bildung der Magnetjoche9 verwendet wird. Jeder der Fussleitringe10 ist mit einem Fussleit- bzw. Flusssammelabschnitt10a (im Folgenden: Fussleitabschnitt) versehen, der plattenförmig ausgebildet ist und lokal an einem Abschnitt in Umfangsrichtung angeordnet ist. - Wie in
1 gezeigt, sind die zwei Flussleitringe10 an ihren Flussleitabschnitten10 einander gegenüberliegend, durch einen Luftspalt getrennt angeordnet. Die Flussleitringe sind durch ein Formelement17 (siehe6A bis6C ) zu einer Einheit zusammengefügt. Die äußere, zylindrische Fläche des Formelements17 ist von einer magnetischen Abschirmung18 umgeben. - Die magnetische Abschirmung
18 ist zum Beispiel aus einer Stahlplatte oder einem vergleichbaren magnetischen Element hergestellt. Insbesondere ist ein gürtelartige Stahlplatte mit einer Breite D, die im wesentlichen gleich der des Formelements17 ist, um eine äußere, zylindrischen Fläche des Formelements17 gewunden und als magnetische Abschirmung18 befestigt. Wie in7A gezeigt, ist eine Öffnung18a an einem vorbestimmten Abschnitt der magnetischen Abschirmung18 teilweise offen. Der Flussleitabschnitt10a der jeweiligen Flussleitringe10 sind aus der Öffnung18a herausgeführt. - Der Satz von Flussleitringen
10 , der auf diese weise von der magnetischen Abschirmung18 umgeben ist, ist in der Umgebung der äußeren, zylindrischen Fläche der Magnetjoche9 angeordnet, wie es in2 gezeigt ist. - Der Magnetfeldsensor
11 ist zum Beispiel ein bekannter Hall-IC und ist zwischen den gegenüberliegenden Fussleitabschnitten10a des Fussleitrings10 angeordnet. Der Hall-IC ist ein integrierter Schaltkreis (IC), der ein Hall-Element (d.h. ein Magnetfelderfassungselement) und eine Verstärkerschaltung enthält. Der Magnetfeldsensor11 liefert ein Signal, das der magnetischen Flussdichte entspricht, die zwischen den gegenüberliegenden Fussleitabschnitten10a erzeugt wird. - Der Magnetfeldsensor
11 besteht vorzugsweise aus zwei getrennten Sensoren, die bezüglich der Richtung des magnetischen Flusses parallel zueinander angeordnet sind und Magnetfeldfassungsrichtungen aufweisen, die einander um eine Winkeldifferenz von 180° entgegengesetzt sind. - Der Drehmomentsensor der oben beschriebenen Ausführungsform funktioniert folgendermaßen.
- Wenn kein Lenkmoment auf den Torsionsstab
7 ausgeübt wird, d.h. wenn der Torsionsstab7 keine Verdrehungsverlagerung zwischen dem Vielpolmagnet8 und den gekoppelten Magnetjochen9 hervorruft, stimmt die Mitte jedes Klauenpols9a des Magnetjochs9 mit der Magnetgrenzlinie des Vielpolmagneten8 überein, wie es in8B gezeigt ist. In diesem Fall entspricht der Betrag der von den N-Polen des Vielpolmagneten8 in die Klauenpole9a des Magnetjochs9 eintretenden magnetischen Flüsse dem Betrag der von den S-Polen des Vielpolmagneten8 in die Klauenpole9a des Magnetjochs9 eintretenden magnetischen Flüsse. Somit bildet der magnetische Fluss in jedem der Magnetjoche9A und9B eine geschlossene Schleife. Kein magnetischer Fluss tritt in den Luftspalt zwischen den Magnetjochen9 aus. Das Ausgangssignal des Magnetfeldsensors11 ist Null. - Wenn ein Lenkmoment auf den Torsionsstab
7 übertragen wird, so dass eine Verdrehung bewirkt wird, wird die gegenseitige Position zwischen dem Vielpolmagnet8 und den gekoppelten Magnetjochen9 in Umfangsrichtung verändert. Demzufolge weicht die Mitte jedes Klauenpols9a der Magnetjoche9 von der Magnetgrenzlinie des Vielpolmagneten8 in Umfangsrichtung ab, wie es in8A oder8C gezeigt ist. Die magnetischen Flüsse mit einer bestimmten Polarität erhöhen sich entweder in dem Magnetjoch9A oder in dem Magnetjoch9B , während sich die magnetischen Flüs se, die die entgegengesetzte Polarität aufweisen, in dem jeweils anderen der Magnetjoche9A und9B erhöhen. Daraus folgt, dass positive und negative magnetische Flüsse zwischen den Magnetjochen9 erzeugt werden. Die Fussleitringe10 ziehen diese positiven und negativen magnetischen Flüsse an und leiten sie bei ihren Fussleitabschnitten10a zusammen. Der Magnetfeldsensor11 erfasst die zwischen den gegenüberliegenden Sammelabschnitten10a erzeugte magnetische Flussdichte. - Gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform weist der Drehmomentsensor
1 einen Satz von Flussleitringen10 auf, die durch Harzguss bzw. durch ein Harzformteil zusammengefügt und von der magnetischen Abschirmung18 umgeben sind. Somit ist es möglich, Störeinflüsse von Kraftfahrzeuglautsprechern oder äußeren Magnetfeldern wirksam zu eliminieren. Der Messfehler des Magnetfeldsensors11 kann somit weiter reduziert werden. - Ferner, die magnetische Abschirmung
18 bedeckt nicht den gesamten magnetischen Kreis des Drehmomentsensors1 . Diese Ausführungsform erfordert nur, dass die gürtelartige Stahlplatte (d.h. das magnetische Element) um die äußere, zylindrische Fläche des Formelements17 gewunden und daran befestigt ist. Die Anbringung der magnetischen Abschirmung18 ist einfache. Ferner, das Hinzufügen der magnetischen Abschirmung erhöht nicht wesentlich den äußeren Durchmesser des Drehmomentsensors1 . Daher ist die Montierbarkeit des Drehmomentsensors in ein Kraftfahrzeug nicht verschlechtert. -
9 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Anordnung bzw. Baugruppe eines Satzes von Flussleitringen10 gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt, die durch Harzguss bzw. ein Harzformteil zusammengefügt sind und mit einer magnetischen Abschirmung18 zusammengebaut ist. - Wie in
10B gezeigt ist, weist die magnetische Abschirmung18 dieser Ausführungsform seitliche Abschnitte18b an beiden Enden in axial lateraler Richtung auf, so dass sie insgesamt eine U-förmige Querschnittsform hat. - Wie in
9 gezeigt ist, decken die seitlichen Abschnitte18b der magnetischen Abschirmung18 die Seitenflächen des Formelements17 ab. Somit ist es möglich, die Störeinflüsse äußerer Magnetfelder stark zu reduzieren. Der Messfehler des Magnetfeldsensors11 kann weiter reduziert werden. - Gemäß der ersten Ausführungsform wird die magnetische Abschirmung
18 später an der Anordnung des Satzes von Flussleitringen10 angebracht, nachdem der Harzgussvorgang durchgeführt worden ist. Es ist jedoch möglich, den Satz von Flussleitringen10 und die magnetische Abschirmung durch Harzguss bzw. durch ein Harzformteil zusammenzufügen. Dies ermöglicht eine Vereinfachung der Montage. Diese magnetische Abschirmung18 ist vorzugsweise verwendbar in der Massenproduktion. Diese Modifikation ist auch auf die zweite Ausführungsform anwendbar.
Claims (4)
- Drehmomentsensor mit: – einer ersten Welle (
5 ) und einer zweiten Welle (6 ), die koaxial verbunden sind; – einem Torsionsstab (7 ), der ein zwischen der ersten Welle (5 ) und der zweiten Welle (6 ) übertragenes Drehmoment in eine Torsionsverlagerung umwandelt; – einem Vielpolmagnet (8 ), der an der ersten Welle oder einem Ende des Torsionsstabes (7 ) befestigt ist; – einem Satz von Magnetjochen (9 ), die an der zweiten Welle oder an dem anderen Ende des Torsionsstabes (7 ) befestigt und in einem von dem Vielpolmagneten (8 ) erzeugten Magnetfeld angeordnet sind; – einem Satz von Flussleit- bzw. Flusssammelringen (10 ), die entlang einer äußeren Fläche des einen Satzes von Magnetjochen (9 ) und in axialer Richtung einander gegenüberliegend, durch einen Luftspalt getrennt angeordnet sind; und – einem Magnetfeldsensor (11 ) zum Erfassen der in dem Luftspalt erzeugten magnetischen Flussdichte; dadurch gekennzeichnet, dass: – eine äußere, zylindrische Fläche des einen Satzes von Flussleit- bzw. Flusssammelringen (10 ) von einer magnetischen Abschirmung (18 ) umgeben ist. - Drehmomentsensor nach Anspruch 1, wobei die magnetische Abschirmung (
18 ) seitliche Abschnitte (18b ) aufweist, die Seitenflächen des einen Satzes von Flussleit- bzw. Flusssammelringen (10 ) bedecken. - Drehmomentsensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die magnetische Abschirmung (
18 ) durch Harzguss bzw. ein Harzformteil mit dem einen Satz von Flussleit- bzw. Sammelringen (10 ) zusammengefügt ist. - Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die magnetische Abschirmung (
18 ) direkt die äußere, zylindrische Fläche des einen Satzes von Flussleit- bzw. Flusssammelringen (10 ) bedeckt.
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