DE10350163A1 - Drehwinkeldetektoreinrichtung, Drehmomentdetektoreinrichtung, und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Drehwinkeldetektoreinrichtung, Drehmomentdetektoreinrichtung, und Verfahren zu deren Herstellung Download PDF

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Abstract

Eine Drehwinkeldetektoreinrichtung und eine Drehmomentdetektoreinrichtung können verhindern, dass von mehreren Halbleiter-MR-Elementen auszugebende Signale voneinander infolge von Materialunterschieden eines Halbleiterwafers verschieden sind. Mehrere Halbleiter-MR-Elemente sind über einer gemeinsamen Zelle eines Halbleiterwafers vorgesehen und sind so angeordnet, dass sie an voneinander verschiedenen Positionen in einer Zielumfangsrichtung in Bezug auf zugehörige Eingangs- und Ausgangswellen gegenüberliegen, so dass Signale, die entsprechend der Drehung der Eingangswelle und der Ausgangswelle ausgegeben werden, die festgestellt werden soll, eine vorbestimmte Phasendifferenz in Bezug auf den elektrischen Winkel aufweisen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehwinkeldetektoreinrichtung zur Feststellung des Drehwinkels eines Drehteils wie beispielsweise einer Fahrzeuglenkwelle, sowie eine Drehmomentdetektoreinrichtung zur Feststellung des Drehmoments, das an das Drehteil angelegt werden soll, und betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung der Drehwinkeldetektoreinrichtung.
  • Es gibt als Lenkhilfeeinrichtung, die bei einem Fahrzeug wie beispielsweise einem Kraftfahrzeug zu dem Zweck vorgesehen ist, den Lenkvorgang eines Fahrers zu unterstützen, eine elektrische Servolenkeinrichtung zum Einsatz der Drehkraft beispielsweise eines Elektromotors als Lenkhilfskraft. Diese elektrische Lenkservoeinrichtung ist mit einer Eingangswelle und einer Ausgangswelle versehen, die so mit der Seite eines Lenkteils bzw. der Seite gelenkter Räder verbunden sind, dass sie sich entsprechend dem vom Fahrer vorgenommenen Lenkvorgang drehen. Weiterhin sind bei dieser Lenkeinrichtung eine Drehwinkeldetektoreinrichtung mit Sensoreinheiten zur Feststellung des jeweiligen Drehwinkels der Eingangswelle und der Ausgangswelle vorgesehen, sowie eine Drehmomentdetektoreinrichtung zur Feststellung des Lenkdrehmoments, das an das Lenkteil angelegt werden soll, durch Verwendung der Messergebnisse der Detektoreinrichtung. Die Lenkeinrichtung unterstützt den Lenkvorgang dadurch, dass sie einen Vorgabewert für den Elektromotor auf der Grundlage des festgestellten Lenkdrehmoments festlegt, und die Motordrehkraft an ein Lenksystem über einen Untersetzungsmechanismus überträgt, um hierdurch die Lenkhilfskraft an das Lenksystem anzulegen.
  • Weiterhin ist die Sensoreinheit der Drehwinkeldetektoreinrichtung mit Zielen versehen, die aus magnetischen Teilen bestehen, und zusammen mit der jeweiligen Eingangs- und Ausgangswelle drehbar auf diesem befestigt sind, sowie mit Magnetsensoren, welche Magnetwiderstandseffektelemente (MR-Elemente) aufweisen, die mit einem vorbestimmten Spalt dazwischen gegenüberliegend auf dem Außenumfang der Ziele angeordnet sind, zur Ausgabe von Ausgangssignalen, die sich periodisch ändern, entsprechend der Drehung der zugehörigen Eingangs- bzw. Ausgangswelle. Bei dieser Sensoreinheit gibt es zwei Bereiche, einen linearen Bereich, in dem sich das Ausgangssignal der Sensoren linear ändert, sowie einen nicht linearen Bereich, in dem sich das Ausgangssignal nicht linear ändert, entsprechend der Umfangsform der Ziele. Daher ist die Sensoreinheit so ausgebildet, dass ein gemeinsames Ausgangssignal für zwei Kanäle erhalten wird, die sich nur in Bezug auf die Phase unterscheiden, durch Bereitstellung von zwei Magnetsensoren für die Eingangswelle bzw. die Ausgangswelle, und durch Anordnen dieser Sensoren mit einer Verschiebung in Umfangsrichtung des zugehörigen Ziels. Bei dieser Detektoreinrichtung nach dem Stand der Technik wird dadurch verhindert, dass die Messgenauigkeit in Bezug auf den jeweiligen Drehwinkel der Eingangs- bzw. Ausgangswelle verschlechtert wird (wie beispielsweise in der Patentveröffentlichung 1 geschildert), dass das jeweilige Ausgangssignal der beiden Kanäle eingesetzt wird, so dass die Ausgangssignale einander ergänzen, damit der Drehwinkel zu jedem Zeitpunkt unter Verwendung des Sensorausgangssignals im linearen Bereich erfasst wird (vgl. beispielsweise JP-A-2002-82002 ).
  • Falls jedoch die Drehwinkeldetektoreinrichtung nach dem Stand der Technik Halbleiter-MR-Elemente als die voranstehend erwähnten MR-Elemente einsetzt, kann es geschehen, dass die Ausgangssignale der beiden Kanäle der beiden Halbleiter-MR-Elemente nicht die voranstehend erwähnten, identischen Signalformen aufweisen, die sich voneinander nur in Bezug auf die Phase unterscheiden, nämlich infolge von Materialunterschieden bei den Halbleiter-MR-Elementen. Genauer gesagt wird bei dieser Detektoreinrichtung nach dem Stand der Technik ein Sensor auf einem Chip, bei welchem die MR-Elemente in einer Zelle des Halbleiterwafers vorhanden sind, als das MR-Element für jeden Kanal verwendet, und können entweder zwei Sensorchips aus unterschiedlichen Losen des Halbleiterwafers oder zwei Sensorchips, die in Zellen in voneinander beabstandeten Positionen auf einem gemeinsamen Wafer vorgesehen sind, kombiniert und als das MR-Element von zwei Kanälen eingesetzt werden. Daher kann es auftreten, dass diese MR-Elemente von zwei Kanälen keine identischen elektrischen Eigenschaften aufweisen, etwa Temperatureigenschaften, infolge der Materialunterschiede der MR-Elemente. Falls die MR-Elemente an Positionen angeordnet sind, die in Umfangsrichtung der Ziele verschoben sind, können sich daher die Signalformen der Ausgangssignale der beiden Kanäle nicht nur in Bezug auf die Phase unterscheiden, sondern auch in Bezug auf die Amplitude und dergleichen.
  • Angesichts der voranstehend geschilderten, beim Stand der Technik auftretenden Probleme besteht ein Vorteil der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung einer Drehwinkeldetektoreinrichtung und einer Drehmomentdetektoreinrichtung, die verhindern können, dass sich Signalformen, die von mehreren Halbleiter-MR-Elementen ausgegeben werden, infolge der Materialunterschiede eines Halbleiterwafers voneinander unterscheiden.
  • Um den voranstehend geschilderten Vorteil zu erreichen, zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass folgende Anordnung vorgesehen ist.
    • (1) Eine Drehwinkeldetektoreinrichtung, welche aufweist: ein Ziel mit einem Magnetteil, das einstöckig drehbar mit einem Drehteil verbunden ist; und mehrere Magnetsensoren, die so angeordnet sind, dass sie dem Magnetteil gegenüberliegen, um Signale entsprechend der Drehung des Drehteils auszugeben, wobei die Magnetsensoren jeweils Halbleiter-MR-Elemente aufweisen, und die Halbleiter-MR-Elemente über einer gemeinsamen Zelle und mit dieser vereinigt eines Halbleiterwafers vorgesehen sind.
    • (2) Drehwinkeldetektoreinrichtung gemäß (1), bei welcher die Halbleiter-MR-Elemente über der gemeinsamen Zelle und an Umfangspositionen angeordnet sind, die sich voneinander in Bezug auf das Drehteil unterscheiden.
    • (3) Drehwinkeldetektoreinrichtung gemäß (1), bei welcher die Halbleiter-MR-Elemente an einem Substrat über eine Klebeschicht befestigt und so mit diesem verbunden sind.
    • (4) Drehmomentdetektoreinrichtung, welche aufweist: ein Drehteil mit einer ersten Drehwelle und einer zweiten Drehwelle, die koaxial mit der ersten Drehwelle verbunden ist; Drehwinkeldetektoreinrichtungen, die bei der ersten bzw. zweiten Drehwelle vorgesehen sind, wobei jede der Drehwinkeldetektoreinrichtungen ein Ziel mit einem Magnetteil aufweist, das mit der zugehörigen erste oder zweiten Drehwelle so verbunden ist, dass es sich mit dieser dreht, sowie mehrere Magnetsensoren, die so angeordnet sind, dass sie dem Magnetteil gegenüberliegen, um Signale entsprechend der Drehung der jeweiligen ersten bzw. zweiten Drehwelle abzugeben, wobei die Magnetsensoren jeweils Halbleiter-MR-Elemente aufweisen, und die Halbleiter-MR-Elemente über einer gemeinsamen Zelle eines Halbleiterwafers und vereinigt mit dieser ausgebildet sind; und eine Drehmomentdetektoreinheit zur Erfassung des Drehmoments, das an das Drehteil angelegt werden soll, auf Grundlage von Signalen, die von den zugehörigen Drehwinkeldetektoreinrichtungen ausgegeben werden.
    • (5) Drehmomentdetektoreinrichtung gemäß (4), wobei sämtliche Magnetsensoren, die in den Drehwinkeldetektoreinrichtungen vorgesehen sind, durch Einsatz von Halbleiter-MR-Elementen gebildet werden, die über einer gemeinsamen Zelle eines Halbleiterwafers und vereinigt mit dieser vorgesehen sind.
    • (6) Verfahren zur Herstellung einer Drehwinkeldetektoreinrichtung mit folgenden Schritten: vereinigtes Ausbilden mehrerer Halbleiter-MR-Elemente auf einer Zelle eines Halbleiterwafers; Befestigen der Zelle an einem Substrat; und Anordnen des mit der Zelle versehenen Substrats so, dass die mehreren Halbleiter-MR-Elemente einem Ziel gegenüberliegen, welches ein Magnetteil aufweist, das mit einem Drehteil verbunden ist, und sich mit diesem zusammen dreht.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele einer Drehwinkeldetektoreinrichtung und einer Drehmomentdetektoreinrichtung beschrieben, aus welcher weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung hervorgehen. Es zeigt:
  • 1 schematisch den Aufbau einer elektrischen Lenkservoeinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 eine schematische Darstellung einer Torsionsstange, einer Eingangswelle, einer Ausgangswelle, jeweiliger Zielzahnräder und Magnetsensoren bei der elektrischen Lenkservoeinrichtung;
  • 3 eine Darstellung des Ausgangssignals (oder der Spannung) der Magnetsensoren; und
  • 4A, 4B und 4C schematisch ein spezielles Beispiel für die Konstruktion einer in 1 gezeigten Sensoreinheit, wobei 4A und 4B eine Aufsicht bzw. eine Seitenansicht der Sensoreinheit sind, und 4C schematisch mehrere Halbleiter-MR-Elemente zeigt, die in der Sensoreinheit vorgesehen sind, und in einer gemeinsamen Zelle eines Halbleiterwafers ausgebildet werden sollen.
  • Nachstehend wird der Fall beschrieben, bei welcher die Erfindung bei einer Lenkservoeinrichtung als elektrischer Lenkhilfeeinrichtung eingesetzt wird.
  • 1 zeigt schematisch den Aufbau der elektrischen Lenkservoeinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. In 1 ist diese Einrichtung so beispielsweise bei einem Kraftfahrzeug vorgesehen, dass eine Lenkwelle 3 zwischen einem Lenkteil (oder Lenkrad) 1 und einem Ritzel 2 angeordnet ist. Die Lenkwelle 3 ist mit einer Torsionsstange 31 versehen, die im Zentrum der Lenkwelle 3 angeordnet ist, mit einer Eingangswelle 32, die als eine erste Drehwelle dient, und an der Eingangsseite (der oberen Seite) der Torsionsstange 31 befestigt ist, und mit einer Ausgangswelle 33, die als zweite Drehwelle dient, und an der Ausgangsseite (der unteren Seite) der Torsionsstange 31 befestigt ist. Die Eingangswelle 32 und die Ausgangswelle 33 sind koaxial zueinander angeordnet, und sind nicht direkt miteinander verbunden, sondern über die Torsionsstange 31.
  • Das Lenkteil 1 ist so mit der Eingangswelle 32 verbunden, dass die Drehung des Lenkteils 1 infolge eines von dem Fahrer vorgenommenen Lenkvorgangs direkt auf die Eingangswelle 32 übertragen wird.
  • Mit der Ausgangswelle 33 sind ein Untersetzungsmechanismus, der eine Schnecke 5 und ein mit der Schnecke 5 kämmendes Schneckenrad 4 aufweist, und ein Lenkhilfeelektromotor 6 verbunden, der eine Ausgangswelle aufweist, auf welcher die Schnecke 5 so angebracht ist, dass sie sich mit der Ausgangswelle dreht, und der durch eine Steuereinheit 21 gesteuert wird. Die Drehung des Elektromotors 6 wird heruntergesetzt, und als Lenkhilfskraft an das Ritzel 2 übertragen. Diese Drehung des Ritzels wird in eine Linearbewegung einer Zahnstange 7 übertragen, um hier durch gelenkte Räder 9 über eine linke bzw. rechte Spurstange 8 zu steuern. Der Untersetzungsmechanismus und der Elektromotor 6 bilden eine Lenkhilfeeinheit zum Anlegen der Lenkhilfskraft an ein Lenksystem, das von dem Lenkteil 1 bis zu den gelenkten Rädern 9 reicht.
  • Die Eingangswelle 32 und die Ausgangswelle 33 sind jeweils mit Sensoreinheiten versehen, die in der Drehwinkeldetektoreinrichtung gemäß der Erfindung enthalten sind, zur Feststellung des jeweiligen Drehwinkels der Eingangswelle bzw. Ausgangswelle 32 bzw. 33, die entsprechend dem Lenkvorgang des Lenkteils 1 gedreht werden. Wie auch aus 2 hervorgeht, ist ein erstes Zielzahnrad 34 so auf der 32 angebracht, dass es sich mit dieser dreht. Erste Magnetsensoren A1 und 81 sind außerhalb des Außenumfangs dieses Zielzahnrades 34 angeordnet. Entsprechend sind ein zweites und ein drittes Zielzahnrad 35 bzw. 36 so auf der Ausgangswelle 33 angebracht, dass sie sich zusammen mit dieser drehen. Zweite und dritte Magnetsensoren A2 und B2 bzw. A3 und B3 sind jeweils außerhalb der Außenumfänge dieser Zielzahnräder 35 und 36 angeordnet.
  • Das erste Zielzahnrad 34 und die ersten Magnetsensoren A1 und B1 bilden eine erste Sensoreinheit P zur Ausgabe eines Signals entsprechend dem Drehwinkel der Eingangswelle 32, an die Steuereinheit 21. Das zweite Zielzahnrad 35 und die zweiten Magnetsensoren A2 und B2 bilden eine zweite Sensoreinheit Q zur Ausgabe eines Signals entsprechend dem Drehwinkel der Ausgangswelle 33 an die Steuereinheit 21. Das dritte Zielzahnrad 36 und die dritten Magnetsensoren A3 und B3 bilden eine dritte Sensoreinheit R zur Ausgabe eines Signals entsprechend dem Drehwinkel der Ausgangswelle 33 an die Steuereinheit 21. Diese Steuereinheit 21 erfasst die absolute Drehlage der Ausgangswelle 33 durch die Ausgangssignale der zweiten und dritten Sensoreinheit Q bzw. R.
  • Die jeweiligen Zielzahnräder 34 bis 36 weisen die Form eines Geradstirnrades auf, bei dem Zähne am Außenumfang aus magnetischem Material Ziele bilden, welch eine gleichmäßig beabstandete Riffelung aufweisen. Die Anzahl an Zähnen beim ersten Zielzahnrad 34 und beim zweiten Zielzahnrad 35 weist den gleichen Wert N auf (beispielsweise 36), und die Anzahl an Zähnen des dritten Zielzahnrades 36 ist eine Primzahl (beispielsweise 35) (die mit Ausnahme von 1 keinen gemeinsamen Teiler hat) in Bezug auf N.
  • Andererseits sind der erste bis dritte Magnetsensor A1 und B1, A2 und B2, und A3 und B3 so in drei Stufen und in zwei Reihen angeordnet, dass sie den Zähnen am Außenumfang der zugehörigen Zielzahnräder 34 bis 36 gegenüberliegen, und sind in einem Sensorkasten 10 aufgenommen. Dieser Sensorkasten 10 ist an einem vorbestimmten Ort einer Fahrzeugkarosserie befestigt, und hält einen vorbestimmten Spalt zwischen dem jeweiligen Magnetsensor A1 und B1, A2 und B2, und A3 und B3 in Bezug auf die zugehörigen Zähne am Außenumfang aufrecht. Die ersten Magnetsensoren A1 und B1 sind so angeordnet, dass sie den unterschiedlichen Umfangspositionen des ersten Zielzahnrades 34 gegenüberliegen. Entsprechend sind die zweiten Magnetsensoren A2 und B2 so angeordnet, dass sie den unterschiedlichen Umfangspositionen des zweiten Zielzahnrades 35 gegenüberliegen, und sind die dritten Magnetsensoren A3 und B3 so angeordnet, dass sie den unterschiedlichen Umfangspositionen des dritten Zielzahnrades 36 gegenüberliegen.
  • Wie aus 4 hervorgeht, sind die jeweiligen Magnetsensoren A1 bis A3 und B1 bis B3 so ausgebildet, dass sie Elemente wie Magnetwiderstandseffektelemente (MR- Elemente) a1 bis a3 und b1 bis b3 aufweisen, die sich dadurch auszeichnen, dass sich ihr Widerstand bei Einwirkung eines Magnetfeldes ändert. Im einzelnen sind diese Magnetsensoren A1 bis A3 und B1 bis B3 in einem Zylinderabschnitt 11a angeordnet, der auf einer Bodenplatte 11 des Sensorkastens 10 vorgesehen ist, und sind (wie in 4A gezeigt) auf einem Trägerbett 11b (4B) befestigt, das an dem Zylinderabschnitt 11a vorgesehen ist. Weiterhin ist der Sensorkasten 10 dadurch abgedichtet, dass ein Deckelabschnitt (nicht dargestellt) angebracht wird, um die nach vorn weisenden Seiten der Magnetsensoren A1 bis A3 und B1 bis B3 zum Zylinderabschnitt 11a abzudecken, so dass die Magnetsensoren A1 bis A3 und B1 bis 83 durch den Sensorkasten 10 geschützt werden.
  • Weiterhin sind die MR-Elemente a1 bis a3 und b1 bis b3 derartige Halbleiter-MR-Elemente, bei welchen Detektorschaltungen zur Erfassung der Änderung der Intensität des Magnetfeldes dadurch ausgebildet sind, dass man beispielsweise Indium (In) und Antimon (Sb) in einen Halbleiterwafer eindiffundieren lässt, und den Wafer durch ein Maskierungsverfahren mit einem vorbestimmten Muster versieht. Sämtliche Elemente A1 bis A3 und B1 bis B3 sind einstöckig (wie in 4C gezeigt) über einer Zelle We vorgesehen, die ein einem Halbleiterwafer W vorgesehen ist.
  • Im einzelnen weist in der Zelle Wc jedes Paar benachbarter MR-Elemente a1 bis a3 und b1 bis b3 in Querrichtung von 4C für jedes der Ziele 34 bis 36 eine vorbestimmte Abmessung d1 in Umfangsrichtung der Lenkwelle 3 auf. Daher werden irgendwelche Unterschiede in Bezug auf die Parallelität und den Azimuthwinkel zwischen den MR-Elementen a1 bis a3 und b1 bis b3 des jeweiligen Paars verhindert, und verursacht das Signal, das von den MR-Elementen a1 bis a3 und b1 bis b3 der jeweilige Paare ausgegeben wird, eine vorbestimmte Phasendifferenz in Bezug auf den elektrischen Winkel. Andererseits sind die Abmessungen in Axialrichtung, in 4C mit d2 und d3 bezeichnet, auf Grundlage der axialen Abmessungen zwischen den Zielen 34 und 35 und der axialen Abmessungen zwischen den Zielen 35 und 36 eingestellt. Wenn die Sensoreinheiten P, Q und R so zusammengebaut sind, dass die Magnetsensoren A1 bis A3 und B1 bis B3 so angeordnet sind, dass sie ihrem jeweiligen Ziel 34 bis 36 gegenüberliegen, liegen die jeweiligen MR-Elemente a1 bis a3 und b1 bis b3 den Zähnen der Ziele .34 bis 36 gegenüber, innerhalb eines vorbestimmten, zulässigen Toleranzbereiches.
  • Die Zelle Wc ist über eine Klebeschicht 15 an einem Halterungssubstrat 14 befestigt, beispielsweise einem Glassubstrat oder einem Substrat aus PCB (polychloriertes Biphenyl), so dass sämtliche Elemente a1 bis a3 und b1 bis b3 über die Klebeschicht 15 auf dem Substrat 14 befestigt sind. Ein Magnet (Permanentmagnet) 12, der ein Magnetfeld erzeugt, und beispielsweise aus einem Neodymmagneten besteht, auf welchem das Substrat 14 über eine Klebeschicht 13 befestigt ist (wie aus 4B hervorgeht), ist auf dem Trägerbett 11b angebracht.
  • Anders als bei der bisher geschilderten Konstruktion kann jedes MR-Element mit dem Substrat und dem Magneten versehen sein. Allerdings wird die voranstehend geschilderte Konstruktion, bei welchem ein Substrat 14 und ein Magnet 12 gemeinsam von den sechs MR-Elementen a1 bis a3 und b1 bis b3 genutzt werden, und bei welcher die Klebeschichten 15 und 13 unterhalb der Zelle We angeordnet sind, jener Konstruktion vorgezogen, bei welcher die Substrate und die Magneten getrennt vorgesehen sind, da hierdurch die MR-Elemente a1 bis a3 und b1 bis b3 in der vorbestimmten Entfernung zu den Zielen 34 bis 36 angeordnet werden können, während verhindert wird, dass die Montagehöhen der Substrate und Magneten gegenüber dem Trägerbett 11b verschieden werden, und während verhindert wird, dass die relativen Entfernungen zwischen den jeweiligen MR-Elementen a1 bis a3 und b1 bis b3 und den Zielen 34 bis 36 unterschiedlich werden.
  • Weiterhin ist eine nicht dargestellte Gleichspannungsquelle an die jeweiligen MR-Elemente a1 bis a3 und b1 bis b3 angeschlossen. Intensitätsänderungen der Magnetfelder, die bei Änderungen der Entfernungen zwischen den Zähnen der jeweiligen Ziele 34 bis 36 gegenüber dem Magneten 12 auftreten, werden dadurch erfasst, dass sich die Widerstände der Elemente a1 bis a3 und b1 bis b3 entsprechend ändern.
  • Die jeweiligen Magnetsensoren A1 bis A3 und B1 bis B3 geben die Änderungen der Intensitäten der Magnetfelder, die von den vorgesehenen MR-Elementen a1 bis a3 und b1 bis b3 erfasst werden, als Spannungssignale aus, die sich periodisch ändern, entsprechend den Riffelungen (oder Zähnen) der Außenumfänge der gegenüberliegenden jeweiligen Zielzahnräder 34 bis 36. Im einzelnen werden, wenn sich das erste Zielzahnrad 34 zusammen mit der Eingangswelle 32 entsprechend dem vom Fahrer vorgenommenen Lenkvorgang dreht, die Ausgangssignale der ersten Magnetsensoren A1 und B1 zu periodischen Signalen, die sich periodisch entsprechend der Änderung (oder der Winkelverschiebung) des Drehwinkels der Eingangswelle 32 und des Zielzahnrades 34 ändern, infolge der Riffelungen am Außenumfang. Wenn sich das zweite Zielzahnrad 35 zusammen mit der Ausgangswelle 33 dreht, werden die Ausgangssignale der zweiten Magnetsensoren A2 und B2 zu periodischen Signalen,. die sich periodisch entsprechend der Änderung des Drehwinkels der Ausgangswelle 33 und des Zielzahnrades 35 infolge der Riffelungen am Außenumfang ändern. Wenn sich das dritte Zielzahnrad 36 zusammen mit der Ausgangswelle 33 dreht, werden die Ausgangssignale der dritten Magnetsensoren A3 und B3 zu periodischen Signalen, die sich periodisch entsprechend der Änderung des Drehwinkels der Ausgangswelle 33 und des Zielzahnrades 36 ändert, infolge der Riffelungen des Außenumfangs.
  • Weiterhin sind die ersten Magnetsensoren A1 und B1 so angeordnet, dass sie dem ersten Zielzahnrad 34 so gegenüberliegen, dass ihre Ausgangssignale beispielsweise eine Phasendifferenz von π/2 in Bezug auf den elektrischen Winkel aufweisen, wie dies in 3 gezeigt ist. Entsprechend sind die zweiten Magnetsensoren A2 und B2 so angeordnet, dass sie so dem zweiten Zielzahnrad 35 gegenüberliegen, dass ihre Ausgangssignale die Phasendifferenz von π/2 aufweisen, und sind die dritten Magnetsensoren A3 und B3 so angeordnet, dass sie dem dritten Zielzahnrad 36 so gegenüberliegen, dass ihre Ausgangssignale die Phasendifferenz von π/2 aufweisen. Durch derartige Verschiebung der Phasen der Ausgangssignale der zwei Magnetsensoren A1 bis A3 und B1 bis B3 bei der ersten bis dritten Sensoreinheit P, Q und R kann selbst dann, wenn nicht lineare Änderungen in der Nähe der Maximal- und Minimalwerte der Ausgangssignale auftreten, die Steuereinheit 21 dann, wenn sich das Signal eines der zwei Magnetsensoren A1 bis A3 und B1 bis B3 im nicht linearen Bereich befindet, das Signal des anderen Sensors im linearen Bereich einsetzen, um hierdurch zu verhindern, dass die jeweilige Genauigkeit der Erfassung der Drehung der Eingangs- und Ausgangswelle 32, 33 beeinträchtigt wird.
  • Weiterhin ist die Anzahl an Zähnen (= 35) des dritten Zielzahnrades 36 um 1 kleiner als die Anzahl an Zähnen (= 36) des zweiten Zielzahnrades 35, so dass bei den Ausgangssignalen des dritten Magnetsensors A3 und B3 eine Phasenverschiebung von ((2 ππ/36) – (2 π/35)) pro Umdrehung (2π/36) der Ausgangswelle 33 gegenüber dem Ausgangssignal des zweiten Magnetsensors A2 und B2 hervorruft, und nach einer Umdrehung der Ausgangswelle 33 zurückkehrt. Durch vorherige Untersuchung und Tabellierung zwischen der absoluten Drehlage der Ausgangswelle 33 und der voranstehend geschilderten Phasenverschiebung kann daher die absolute Drehlage der Ausgangswelle 33 aus der Phasenverschiebung bestimmt werden. Diese Tabelle wird vorher in der nachstehend erläuterten Datenspeichereinheit der Steuereinheit 21 gespeichert.
  • Die Steuereinheit 21 ist mit einer Betriebseinheit 21a zur Durchführung vorbestimmter Arithmetikoperationen bei den Ausgangssignalen der ersten bis dritten Sensoreinheit P, Q und R versehen, und mit einer Antriebssteuereinheit 21b zum Steuern des Antriebs des Elektromotors 6 auf Grundlage der Betriebsergebnisse der Betriebseinheit 21a. Ein Signal bezüglich der Fahrzeuggeschwindigkeit, das von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 22 erfasst wird, wird dieser Steuereinheit 21 zugeführt, so dass die Steuereinheit 21 die von dem Elektromotor b zur erzeugende Drehkraft unter Berücksichtigung der Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeuges festlegt. Weiterhin ist die Steuereinheit 21 mit einer (nicht dargestellten) Datenspeichereinheit versehen, die einen nicht-flüchtigen Speicher oder dergleichen aufweist, und in welcher auf geeignete Weise vorher nicht nur ein Programm oder tabullierte Information gespeichert wird, das bzw. die für die Antriebssteuerung des Elektromotors 6 benötigt wird, sondern auch Betriebsergebnisse der jeweiligen Abschnitte der Einheit 21 sowie Information in Bezug auf den Fahrzustand des Kraftfahrzeugs, festgestellt durch den Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 22.
  • Die Betriebseinheit 21a ist so ausgebildet, dass sie die Aufgabe einer Drehwinkeldetektoreinheit zur Feststellung der jeweiligen Drehwinkel der Eingangs- und Ausgangswellen 32 bzw. 33 auf Grundlage der Ausgangssignale der Magnetsensoren A1 bis A3 und B1 bis B3 hat, die Aufgabe einer Drehmomentdetektoreinheit zur Feststellung des Lenkdrehmoments, das an das Drehteil 1 angelegt werden soll, auf Grundlage der jeweiligen Drehwinkel, die von dem Drehwinkeldetektor festgestellt werden, sowie die Aufgabe der Bestimmung des Lenkdrehmoments und des Lenkwinkels, welche das Lenkteil benötigt, durch Berechnungen auf Grundlage der festgestellten jeweiligen Drehwinkel, um hierdurch die Lenkhilfskraft festzulegen, die von der Lenkhilfseinheit angelegt werden soll, auf Grundlage des ermittelten Lenkdrehmoments und des ermittelten Lenkwinkels. Im einzelnen akquiriert die Betriebseinheit 21a die Ausgangssignale beispielsweise der Sensoreinheiten P und Q, über einen vorbestimmten Abtastzeitraum, stellt die Drehwinkel der entsprechenden Eingangswelle 32 und Ausgangswelle 33 fest, und bestimmt dann den Absolutwert des jeweiligen Drehwinkels der Eingangswelle und Ausgangswelle 32 bzw. 33, um auf diese Weise das Lenkdrehmoment und den Lenkwinkel zu berechnen, die bei dem Lenkteil 1 eingesetzt werden sollen. Auf Grundlage des berechneten Lenkdrehmoments und des berechneten Lenkwinkels legt dann die Betriebseinheit 21a einen Befehlswert fest, für den Elektromotor 6, und weist die Antriebssteuereinheit 21b an. Hierbei kann die Betriebseinheit 21a den Absolutwert des absoluten Drehwinkels der Ausgangswelle 33 bestimmen, und das Lenkdrehmoment und den Lenkwinkel berechnen, unter Verwendung des Ausgangssignals der dritten Sensoreinheit R.
  • Auf Grundlage des von der Betriebseinheit 21a vorgegebenen Befehlswertes versorgt die Antriebssteuereinheit 21b den Elektromotor 6 mit elektrischem Strom, wodurch der Elektromotor 6 in Betrieb gesetzt wird. Daher kann die elektrische Lenkservoeinrichtung gemäß dieser Ausführungsform den Lenkvorgang des Fahrers erfassen, und die diesem Vorgang entsprechende Lenkhilfskraft aufbringen.
  • Bei der elektrischen Lenkservoeinrichtung gemäß der Ausführungsform sind, wie voranstehend erläutert, sämtliche MR-Elemente a1 bis a3 und b1 bis b3 der sechs Kanäle, die in den Sensoreinheiten P, Q und R vorgesehen sind, einstöckig über der gemeinsamen Zelle We des Wafers W vorgesehen. Hierdurch wird ermöglicht, die elektrischen Eigenschaften zu vergleichmäßigen, beispielsweise die Temperaturcharakteristik, bei diesen MR-Elementen a1 bis a3 und b1 bis b3, und zu verhindern, dass sich die Ausgangssignale der Magnetsensoren A1 bis A3 und B1 bis B3 unterscheiden, infolge von Materialunterschieden bei dem Halbleiterwafer W. Hierdurch wird ermöglicht, dass die Ausgangssignale der jeweiligen Magnetsensoren A1 bis A3 und B1 bis B3 mit demselben Verfahren (oder mit demselben Einstellwert) eingestellt werden können, was eine einfache Durchführung der Einstellung der Sensorausgangssignale ermöglicht.
  • Weiterhin verwendet die vorliegende Ausführungsform die MR-Elemente a1 bis a3 und b1 bis b3 in sechs Kanälen, die vereinigt über der gemeinsamen Zelle We vorgesehen sind, so dass die jeweiligen Entfernungen zwischen den Magnetsensoren A1 und A3 und den Magnetsensoren B1 bis B3, bei denen ein Abstand in Umfangsrichtung des Ziels vorgesehen ist, durch die Abmessung d1 eingestellt werden können, und verlässlich auf diesem Abstand gehalten werden können. Daher können die Sensoren A1 und B1 für zwei Kanäle exakt angeordnet werden, ohne irgendeine Abweichung der Parallelität zwischen dem Magnetsensor A1 und dem Magnetsensor B1, oder in Bezug auf den Azimuthwinkel bei den jeweiligen Sensoren. Weiterhin sind die MR-Elemente a1 bis a3 und b1 bis b3 für die sechs Kanäle so angebracht, dass ein Substrat 14 und ein Magnet 12 verwendet werden, so dass die Entfernungen (also die Luftspalte) zwischen den jeweiligen Magnetsensoren A1 bis A3 und B1 bis B3 und dem zugehörigen Ziel 34 bis 36 einfach aneinander angeglichen werden können, um das Auftreten von Verzerrungen in den Sensorausgangssignalen zu verhindern, die anderenfalls infolge unterschiedlicher Luftspalte hervorgerufen werden könnten. Weiterhin kann der jeweilige Positioniervorgang bei den Magnetsensoren A1 bis A3 und B1 bis B3 in Bezug auf die Ziele 34 bis 36 einfach durchgeführt werden, um den jeweiligen Drehwinkel der Eingangswelle 32 und der Ausgangswelle 33 zu erfassen, sowie das Lenkdrehmoment und den Lenkwinkel, die bei dem Lenkteil 1 eingesetzt werden sollen, mit der gewünschten Messgenauigkeit. Daher kann die Lenkhilfskraft ordnungsgemäß entsprechend dem von dem Fahrer vorgenommenen Lenkvorgang festgelegt werden, und kann auch der Einstellvorgang für das Sensorausgangssignal einfach durchgeführt werden, wodurch der Vorgang des Zusammenbaus der Detektoreinrichtung und daher der Lenkeinrichtung vereinfacht wird.
  • Weiterhin sind bei der vorliegenden Ausführungsform die paarweise vorgesehenen MR-Elemente a1 bis a3 und b1 bis b3 für das jeweilige Ziel 34 bis 36 über der gemeinsamen Zelle We und an Umfangspositionen angeordnet, die voneinander in Bezug auf die zugehörige Eingangswelle und Ausgangswelle 32 bzw. 33 verschieden sind. Die paarweise vorgesehenen MR-Elemente a1 bis a3 und b1 bis b3 können daher mehrere identische Signalformen ausgeben, die sich nur in Bezug auf die Phase unterscheiden, entsprechend der jeweiligen Drehung der Eingangs- und Ausgangswelle 32 bzw. 33, so dass Signale mit vorbestimmter Phasendifferenz in Bezug auf den elektrischen Winkel ausgegeben werden können.
  • Weiterhin sind bei der vorliegenden Ausführungsform sämtliche MR-Elemente a1 bis a3 und b1 bis b3 zusammen an dem Substrat über die Klebeschicht 15 befestigt. Im Vergleich zu einem Fall, bei welchem mehrere MR-Elemente so angeordnet sind, dass sie jeweils dem Ziel gegenüberliegen, können daher die MR-Elemente a1 bis a3 und b1 bis b3 einfach so angeordnet werden, dass sie den Zielen in vorbestimmter Entfernung gegenüberliegen, und kann verhindert werden, dass irgendwelche Unterschiede bei den Entfernungen zwischen den jeweiligen MR-Elementen a1 bis a3 und b1 bis b3 und den Zielen 34 bis 36 auftreten.
  • Es wurde eine Konstruktion beschrieben, bei welcher sämtliche MR-Elemente a1 bis a3 und b1 bis b3 von sechs Kanälen in der gemeinsamen Zelle Wc vorgesehen sind. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine derartige Konstruktion beschränkt, sondern kann so abgeändert werden, dass mehrere Magnetsensoren vorgesehen sind, die jeweils mehrere Halbleiter-MR-Elemente aufweisen, so dass Unterschiede in Bezug auf elektrische Eigenschaften, die anderenfalls durch Materialunterschiede des Halbleiterwafers hervorgerufen werden könnten, dadurch ausgeschaltet werden, dass diese Halbleiter-MR-Elemente vereinigt über der gemeinsamen Zelle vorhanden sind. Im einzelnen können sämtliche MR-Elemente (beispielsweise die MR-Elemente a1 und b1) für zwei Kanäle für jedes Ziel vereinigt über der gemeinsamen Zelle vorgesehen sein. Alternativ können jeweils zwei MR-Elementeinheiten (beispielsweise die MR-Elemente b2 und b3), die in Axialrichtung angeordnet sind, vereinigt über der gemeinsamen Zelle vorhanden sein.
  • Anders als bei der bislang geschilderten Konstruktion kann auch der Magnet 12 weggelassen werden, unter Verwendung eines Ziels, bei dem Magnetpole N und S abwechselnd auf dem Außenumfang angeordnet sind, anstelle der voranstehend geschilderten Ziele 34 und 36 in Form von Geradstirnrädern. Wenn die Magnetteile nicht an ein Außenumfängen vorgesehen sind, sondern in den Scheibenseitenoberflächen der Zielzahnräder 34 bis 36, können darüber hinaus die Drehwinkel durch mehrere MR-Elemente festgestellt werden, die über diesen Magnetteilen angeordnet sind, und parallel zur Axialrichtung der Lenkwelle 3.
  • Bei der voranstehenden Beschreibung wurde die Erfindung bei einer elektrischen Lenkservoeinrichtung eingesetzt, welche eine Lenkhilfseinheit zum Anlegen der Lenkhilfskraft an das Lenksystem mit dem Untersetzungsmechanismus und dem Elektromotor 6 aufweist. Allerdings sind die Drehwinkeldetektoreinrichtung und die Drehmomentdetektoreinrichtung gemäß der Erfindung nicht hierauf beschränkt, sondern lassen sich auch bei verschiedenen Detektoreinrichtungen zur Feststellung des Drehwinkels eines Drehteils oder des an das Drehteil anzulegenden Drehmoments einsetzen. Die Erfindung ist weiterhin bei einer Lenkhilfseinrichtung eines anderen Typs einsetzbar, beispielsweise bei einer hydraulischen Lenkservoeinrichtung zum Steuern von Hydraulikventilen auf Grundlage des Lenkdrehmoments, oder sogar bei einem Fahrzeug, welches keine Lenkhilfseinrichtung aufweist.
  • Die bislang geschilderte Erfindung hat folgende Auswirkungen.
  • Bei der Drehwinkeldetektoreinrichtung gemäß der Erfindung können die elektrischen Eigenschaften der Halbleiter-MR-Elemente identisch ausgebildet werden, um zu verhindern, dass sich die Ausgangssignale der Magnetsensoren voneinander unterscheiden, infolge von Materialunterschieden des Halbleiterwafers.
  • Bei der Drehwinkeldetektoreinrichtung gemäß der Erfindung können die Halbleiter-MR-Elemente mehrere identische Signalformen ausgeben, die nur eine Phasendifferenz entsprechend der Drehung des Drehteils aufweisen, so dass die ausgegebenen Signale eine vorbestimmte Phasendifferenz in Bezug auf den elektrischen Winkel aufweisen.
  • Bei der Drehwinkeldetektoreinrichtung gemäß der Erfindung können die jeweiligen Halbleiter-MR-Elemente einfach so angeordnet werden, dass sie den Zielen mit einer vorbestimmte Entfernung dazwischen gegenüberliegen, wobei verhindert wird, dass unterschiedliche Entfernungen zwischen den jeweiligen Halbleiter-MR-Elementen und den Zielen auftreten.
  • Bei der Drehwinkeldetektoreinrichtung gemäß der Erfindung werden die jeweiligen Drehwinkel der ersten und zweiten Drehwelle exakt festgestellt, unter Verwendung der Ausgangssignale der Halbleiter-MR-Elemente, welche gleiche elektrische Eigenschaften aufweisen, so dass eine Beeinträchtigung der Messgenauigkeit bei der Messung des Drehmoments verhindert werden kann.
  • Bei der Drehwinkeldetektoreinrichtung gemäß der Erfindung können die elektrischen Eigenschaften sämtliche Halbleiter-MR-Elemente, die bei der Detektoreinrichtung vorgesehen sind, identisch ausgebildet werden, um noch verlässlicher eine Abnahme der Drehmomentmessgenauigkeit zu verhindern.

Claims (6)

  1. Drehwinkeldetektoreinrichtung, welche aufweist: ein Ziel mit einem magnetischen Teil, das so mit einem Drehteil verbunden ist, dass es sich zusammen mit diesem dreht; und mehrere Magnetsensoren, die gegenüberliegend dem Magnetteil angeordnet sind, um Signale entsprechend der Drehung des Drehteils auszugeben, wobei die Magnetsensoren jeweils Halbleiter-MR-Elemente aufweisen, und die Halbleiter-MR-Elemente über einer gemeinsamen Zelle eines Halbleiterwafers und vereinigt mit dieser ausgebildet sind.
  2. Drehwinkeldetektoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiter-MR-Elemente über der gemeinsamen Zelle und in Umfangspositionen angeordnet sind, die sich voneinander in Bezug auf das Drehteil unterscheiden.
  3. Drehwinkeldetektoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiter-MR-Elemente vereinigt an einem Substrat über eine Klebeschicht befestigt sind.
  4. Drehmomentdetektoreinrichtung, welche aufweist: ein Drehteil mit einer ersten Drehwelle und einer zweiten Drehwelle, die koaxial mit der ersten Drehwelle verbunden ist; Drehwinkeldetektoreinrichtungen, die bei der ersten und der zweiten Drehwelle vorgesehen sind, wobei jede der Drehwinkeldetektoreinrichtungen aufweist: ein Ziel mit einem Magnetteil, das mit der zugehörigen ersten oder zweiten Drehwelle so verbunden ist, dass es sich mit dieser dreht, und mehrere Magnetsensoren, die gegenüberliegend dem Magnetteil angeordnet sind, zur Ausgabe von Signalen entsprechend einer Drehung der zugehörigen ersten bzw. zweiten Drehwelle, wobei die Magnetsensoren jeweils Halbleiter-MR-Elemente aufweisen, und die Halbleiter-MR-Elemente über einer gemeinsamen Zelle eines Halbleiterwafers und vereinigt mit dieser ausgebildet sind; und eine Drehmomentdetektoreinheit zur Feststellung des Drehmoments, das an das Drehteil angelegt werden soll, auf Grundlage von Signalen, die von den zugehörigen Drehwinkeldetektoreinrichtungen ausgegeben werden.
  5. Drehmomentdetektoreinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Magnetsensoren, die in den Drehwinkeldetektoreinrichtungen enthalten sind, unter Verwendung von Halbleiter-MR-Elementen gebildet sind, die einstöckig über einer gemeinsamen Zelle eines Halbleiterwafers vorgesehen sind.
  6. Verfahren zur Herstellung einer Drehwinkeldetektoreinrichtung mit folgenden Schritten: vereinigtes Ausbilden mehrerer Halbleiter-MR-Elemente auf einer Zelle eines Halbleiterwafers; Befestigung der Zelle an einem Substrat; und Anordnen des Substrats mit der Zelle so, dass die mehreren Halbleiter-MR-Elemente einem Ziel mit einem Magnetteil gegenüberliegen, das mit einem Drehteil so verbunden ist, dass es sich zusammen mit diesem dreht.
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