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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.
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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.
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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 ).
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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.
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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.
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Um den voranstehend geschilderten
Vorteil zu erreichen, zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass
folgende Anordnung vorgesehen ist.
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- (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.
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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:
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1 schematisch
den Aufbau einer elektrischen Lenkservoeinrichtung gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung;
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2 eine
schematische Darstellung einer Torsionsstange, einer Eingangswelle,
einer Ausgangswelle, jeweiliger Zielzahnräder und Magnetsensoren bei
der elektrischen Lenkservoeinrichtung;
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3 eine
Darstellung des Ausgangssignals (oder der Spannung) der Magnetsensoren;
und
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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.
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Nachstehend wird der Fall beschrieben,
bei welcher die Erfindung bei einer Lenkservoeinrichtung als elektrischer
Lenkhilfeeinrichtung eingesetzt wird.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die bislang geschilderte Erfindung
hat folgende Auswirkungen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.