DE60308797T2 - Drehmomentsensor - Google Patents

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DE60308797T2
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Hisao Asaumi
Yasuo Shimizu
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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft einen Drehmomentsensor, insbesondere einen kontaktlosen (kontaktfreien) magnetostriktiven Drehmomentsensor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
  • Beschreibung des zugehörigen Fachgebiets
  • Der kontaktlose magnetostriktive Drehmomentsensor umfasst allgemein einen magnetischen Metallfilm, der eine uniaxiale magnetische Anisotropie zeigt (einen magnetostriktiven Film), und der an einer Drehmomentübertragungswelle angebracht ist, und eine Erregerspule und eine Erfassungsspule, welche in der Nähe des magnetostriktiven Films montiert sind. Änderungen der Induktivität aufgrund von Permeabilitätsfluktuationen, die durch das angelegte Drehmoment in dem magnetostriktiven Film erzeugt sind, werden von der Erfassungsspule als Potentialdifferenzen erfasst, aus denen der Betrag des angelegten Drehmoments erfasst wird.
  • Insbesondere wird, wie in der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. Hei 6 (1994)-221941 gelehrt (z. B. in deren 4 bis 6), das angelegte Drehmoment erfasst, indem ein Erregersignal, genauer ausgedrückt ein Wechselspannungssignal, wie beispielsweise eine Sinuswelle oder eine Dreieckswelle, zu der Erregerspule zugeführt wird, und indem der Betrag und die Phase der induzierten Spannungs-Wellenform detektiert wird.
  • Ein in einem Fahrzeug oder dergleichen montierter Drehmomentsensor wird üblicherweise mit einer Mono- (positiv oder negativ) Stromquelle betrieben, da eine derartige Stromquelle kostengünstiger ist als eine duale (positiv und negativ) Stromquelle. Bei einem mit einer Mono-Stromquelle betriebenen Drehmomentsensor wird die Referenzspannung, die den Mittelpunkt des Erregersignals oder der Erfassungs-Wellenform-Amplitude anzeigt, durch Widerstands-Aufteilen einer Spannung erhalten, welche von einem Regler für eine konstante Spannung zugeführt wird, oder durch weiteres Leiten der derart erhaltenen Spannung durch einen separaten Regler für eine konstante Spannung, um sie zu einer vorbestimmten Spannung umzuwandeln.
  • Bei dem Drehmomentsensor des Standes der Technik treten daher Fälle auf, bei denen die Referenzspannung den Mittelpunkt des Erregersignals oder der Erfassungs-Wellenform aufgrund eines Fehlers (einer Fluktuation), die in den Reglern für eine konstante Spannung und/oder den Widerständen auftritt, nicht genau anzeigt. Da dies es schwierig macht, ein Erregersignal (Wechselspannungssignal) mit einer großen Amplitude stabil zu erzeugen, welches kein Oben-Unten-Ungleichgewicht (d. h. eine Differenz zwischen der oberen und der unteren Seite der Amplitude, die durch eine Referenzspannung Vref als dem Mittelpunkt aufgeteilt sind) aufweist, hat der herkömmliche Drehmomentsensor ein Problem der unzuverlässigen Genauigkeit der Drehmomenterfassung. Die Tatsache, dass der Betrag und die Phase der Amplitude nicht genau erfasst werden können, wenn nicht der Mittelpunkt der Erfassungs-Wellenform genau angezeigt wird, ist ein weiterer Grund für eine unzuverlässige Genauigkeit der Drehmomenterfassung.
  • Abgesehen von dem Obigen wird ein kontaktloser magnetostriktiver Drehmomentsensor dieses Typs beispielsweise in der japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift 2001-133337 gelehrt (z. B. Absatz Nr. 0027 und 2). Dieser herkömmliche Drehmomentsensor wird verwendet, um ein Lenkdrehmoment zu erfassen, das von der Bedienperson bei einem elektrischen Servolenksystem, welches einen Motor verwendet, um eine Lenkdrehmoment-Unterstützung bereitzustellen, durch ein Lenkrad angelegt wird.
  • Insbesondere wird das von einem Drehmomentsensor (70) erfasste Lenkdrehmoment zu einem Steuer-/Regelmittel (81) eines elektrischen Servolenksystems gesendet, und das Steuer-/Regelmittel (81) steuert/regelt einen Motor (82) auf Grundlage des eingegebenen Lenkdrehmoments.
  • Das von einem Drehmomentsensor verwendete Erregersignal ist allgemein eine Sinuswelle, welche von einer analogen Oszillatorschaltung, üblicherweise einem Hartley- oder Colpitts-Oszillator, erzeugt wird. Ein derartiger Drehmomentsensor wird leicht durch Temperaturänderungen, Spannungsfluktuationen der Stromquelle und andere derartige Störungen beeinflusst. Da es daher vorkommen kann, dass der herkömmliche Drehmomentsensor kein stabiles Erregersignal (Sinuswelle) erhalten kann, neigt dieser dazu, eine verschlechterte Genauigkeit der Drehmomenterfassung zu zeigen.
  • Ferner wird ein Drehmomentsensor, insbesondere einer gemäß dem oben beschriebenen Stand der Technik, welcher zum Erfassen des Drehmoments einer Fahrzeug-Drehmomentübertragungswelle verwendet wird, vorzugsweise ständig von einem beispielsweise aus einem Mikrocomputer bestehenden Steuer-/Regelmittel im Hinblick auf Abnormalitäten der Ausgabe überwacht, so dass eine Fehlfunktion des Drehmomentsensors so bald wie möglich (zu dem am besten geeigneten Zeitpunkt) erfasst werden kann. Der herkömmliche Drehmomentsensor und der Mikrocomputer oder andere Steuer-/Regelmittel, die zum Überwachen des Drehmomentsensors im Hinblick auf eine Abnormalität desselben verwendet werden, sind als separate Systeme ausgebildet (ein Analogsignalsystem und ein Digitalsignalsystem), welche unabhängig voneinander mit unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden. Daher tritt eine Verzögerung auf zwischen dem Zeitpunkt, zu dem der Drehmomentsensor eine Ausgabe erzeugt, und dem Zeitpunkt, zu dem ein Mikrocomputer auf Grundlage der Ausgabe eine Störungssuche durchführt, auf.
  • Andererseites neigen die Eigenschaften der Analogschaltung, welche das Erregersignal erzeugt (insbesondere Komponenten derselben, wie beispiels weise der sekundäre Bandpassfilter zum Durchlassen nur einer vorbestimmten Frequenz) dazu, sich aufgrund von während der Herstellung auftretender Varianz von einer Einheit zur nächsten zu unterscheiden. Das Rauschen, das in dem Erregersignal enthalten ist, wenn dies passiert, verringert die Genauigkeit der Drehmomenterfassung.
  • Das Dokument US 2002/022912 A1 offenbart einen Drehmomentsensor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, wobei ein Mittelpunktspotential einer Ausgabespannung eines die Lenkkraft erfassenden Drehmomentsensors nach dem Zusammenbau des die Lenkkraft erfassenden Drehmomentsensors kalibriert wird.
  • Überblick über die Erfindung
  • Es ist daher eine Aufgabe dieser Erfindung, einen Drehmomentsensor bereitzustellen, der eine Referenzspannung zuführt, welche unabhängig von in der Erregerstromquelle auftretenden Fehlern (Spannungsfluktuationen) genau die Mittelpunkte des Erregersignals und der Erfassungs-Wellenform anzeigt, wodurch eine verbesserte Genauigkeit der Drehmomenterfassung erreicht wird, indem die Erzeugung eines Erregersignals mit einer großen Amplitude, welches kein Oben-Unten-Ungleichgewicht relativ zu der Referenzspannung als dem Mittelpunkt aufweist, und eine genaue Erfassung des Betrags und der Genauigkeit der Amplitude der Erfassungs-Wellenform ermöglicht wird.
  • Es wäre weiterhin vorteilhaft, einen Drehmomentsensor bereitzustellen, der eine verbesserte Genauigkeit der Drehmomenterfassung erreicht, indem er ein stabiles Erregersignal zuführt, und der eine Verzögerung zwischen dem Zeitpunkt, zu dem der Drehmomentsensor eine Ausgabe erzeugt, und dem Zeitpunkt, zu dem ein Mikrocomputer auf Grundlage der Ausgabe eine Störungssuche durchführt, ausschaltet.
  • Ein weiteres erwünschtes Merkmal wäre, einen Drehmomentsensor bereitzustellen, der eine weitere Verbesserung der Genauigkeit der Drehmomenterfassung erreicht, indem er ein rauschfreies Erregersignal erzeugt, unabhängig von jeglicher Abweichung der Eigenschaften zwischen unterschiedlichen Einheiten der Analogschaltung, weiche das Erregersignal erzeugt, aufgrund von während der Herstellung auftretender Varianz.
  • Zur Lösung der Aufgabe stellt die Erfindung in einem ihrer Aspekte einen Drehmomentsensor gemäß Anspruch 1 bereit. Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst: einen magnetischen Metallfilm mit magnetischer Anisotropie, welcher an einer Drehmomentübertragungswelle angebracht ist; eine Erregerspule und eine Erfassungsspule, welche jeweils in der Nähe des magnetischen Metallfilms montiert sind; eine Erregerenergie-Zufuhrquelle, welche ein Wechselspannungs-Erregersignal zur Zufuhr zu der Erregerspule erzeugt; einen Referenzspannungsgenerator, welcher an die Erregerenergie-Zufuhrquelle angeschlossen ist, um das Erregersignal einzugeben und um das Wechselspannungs-Erregersignal, dessen Referenzspannung einen Mittelpunkt des Wechselspannungs-Erregersignals anzeigt, und welche auf eine Spannung gesetzt ist, die einer 50%igen relativen Einschaltdauer des Wechselspannungs-Erregersignals entspricht, an die Erregerspule zu senden; und einen Drehmomentdetektor, welcher an die Erfassungsspule angeschlossen ist und ein an die Drehmomentübertragungswelle angelegtes Drehmoment auf Grundlage einer Ausgabe der Erfassungsspule erfasst, wenn das Drehmoment angelegt ist.
  • Ferner kann die Erfindung in einem ihrer Aspekte einen Drehmomentsensor bereitstellen, umfassend: einen magnetischen Metallfilm mit magnetischer Anisotropie, welcher an einer Drehmomentübertragungswelle angebracht ist; eine Erregerspule und eine Erfassungsspule, welche jeweils in der Nähe des magnetischen Metallfilms montiert sind; eine Erregerenergie-Zufuhrquelle, welche eine ein Wechselspannungs-Erregersignal zur Zufuhr zu der Erregerspule erzeugt; einen Mikrocomputer, der den Drehmomentdetektor bildet; und einen Erregersignalgenerator, der an die Erregerenergie-Zufuhrquelle angeschlossen ist, um die Energie einzugeben, und der das Erregersignal von der Energie auf Grundlage der Taktfrequenz des Mikrocomputers erzeugt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die obigen und andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen weiter ersichtlich, wobei:
  • 1 eine schematische Ansicht ist, die das Betriebsprinzip eines Drehmomentsensors gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung darstellt;
  • 2 ein erläuterndes Diagramm ist, das den Drehmomentsensor zeigt, der als der Drehmomentsensor zum Erfassen des Lenkdrehmoments eines elektrischen Servolenkungssystems verwendet wird;
  • 3 ein Blockdiagramm ist, das die Struktur des Drehmomentsensors im Detail zeigt;
  • 4 eine erläuternde Ansicht ist, die eine Referenzspannung des Drehmomentsensors zeigt;
  • 5 eine vergrößerte Ansicht eines in 3 mit dem Bezugszeichen S bezeichneten Detektionsabschnitts des Drehmomentsensors ist;
  • 6 ein erläuternder Graph ist, der die sekundäre addierte Wellenform und andere Wellenformen zeigt, wenn an die Drehmomentübertragungswelle (Lenkwelle) kein Drehmoment angelegt ist;
  • 7 ein erläuternder Graph ist, der die tertiäre addierte Wellenform und andere Wellenformen zeigt, wenn wieder an die Drehmomentübertragungswelle (Lenkwelle) kein Drehmoment angelegt ist;
  • 8 ein erläuternder Graph ist, der die sekundäre addierte Wellenform und andere Wellenformen zeigt, wenn an die Drehmomentübertragungswelle (Lenkwelle) ein Drehmoment im Uhrzeigersinn angelegt ist;
  • 9 ein erläuternder Graph ist, der die tertiäre addierte Wellenform und andere Wellenformen zeigt, wenn an die Drehmomentübertragungs welle (Lenkwelle) wieder ein Drehmoment im Uhrzeigersinn angelegt ist;
  • 10 ein erläuternder Graph ist, der die sekundäre addierte Wellenform und andere Wellenformen zeigt, wenn an die Drehmomentübertragungswelle (Lenkwelle) ein Drehmoment im Gegenuhrzeigersinn angelegt ist;
  • 11 ein erläuternder Graph ist, der die tertiäre addierte Wellenform und andere Wellenformen zeigt, wenn an die Drehmomentübertragungswelle (Lenkwelle) wieder ein Drehmoment im Gegenuhrzeigersinn angelegt ist;
  • 12 ein erläuternder Graph ist, der Eigenschaften der sekundären Erfassungsspule und der tertiären Erfassungsspule relativ zum angelegten Drehmoment zeigt;
  • 13 ein erläuterndes Diagramm ist (Zeigerdiagramm), das die Vektor-Zusammensetzung zeigt, wenn die sekundäre Kosinuswelle zu der Ausgabe der sekundären Erfassungsspule addiert wird;
  • 14 ein erläuterndes Diagramm ist (Zeigerdiagramm), das die Vektor-Zusammensetzung zeigt, wenn eine Vorspannung mit einer Phasenverschiebung von 60 Grad relativ zu dem Erregersignal zu der Ausgabe der sekundären Erfassungsspule addiert wird; und
  • 15 ein erläuterndes Diagramm (Zeigerdiagramm) ist, das die Vektor-Zusammensetzung zeigt, wenn die sekundäre Kosinuswelle und die tertiäre Kosinuswelle zu der Ausgabe der sekundären Erfassungsspule addiert werden.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Ein Drehmomentsensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen erläutert.
  • 1 ist eine schematische Ansicht, die das Betriebsprinzip eines Drehmomentsensors gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung darstellt.
  • Der in der Zeichnung mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnete Drehmomentsensor umfasst ein Paar von magnetostriktiven Filmen 14 (magnetischen Metallfilmen), eine Erregerspule (als „primär" bezeichnet) 16, eine sekundäre Erfassungsspule 20 und eine tertiäre Erfassungsspule 22. Die magnetostriktiven Filme 14, welche eine magnetische Anisotropie zeigen, sind an einer Drehmomentübertragungswelle (sich drehenden Welle) 12 angebracht, und die Erregerspule 16 und die Erfassungsspulen 20, 22 sind in der Nähe davon montiert. Im Folgenden wird die sekundäre Erfassungsspule 20 „sekundäre Erfassungsspule" genannt und die tertiäre Erfassungsspule 22 wird „tertiäre Erfassungsspule" genannt.
  • Die Drehmomentübertragungswelle 12 ist aus einem Material, wie beispielsweise Chrom-Molybdän-Stahl (JIS (japanischer Industriestandard)-G-4105, als SCM bezeichnet), gebildet, das im Wesentlichen kein Ni enthält. Die magnetostriktiven Filme 14 sind als ein erster magnetostriktiver Film 14a und ein zweiter magnetostriktiver Film 14b gebildet, welche eine magnetische Anisotropie aufweisen.
  • Wie durch die doppelköpfigen Pfeile in der Zeichnung angezeigt, sind der erste magnetostriktive Film 14a und der zweite magnetostriktive Film 14b derart aufgebaut, dass sie eine uniaxiale magnetische Anisotropie in Richtungen zeigen, welche um ±45 Grad relativ zur Achse 12a der Drehmomentübertragungswelle 12 liegen. Sie sind derart befestigt (geklebt), dass sie die Drehmomentübertragungswelle 12 über eine vorgeschriebene Breite in axialer Richtung vollständig umgeben. Die magnetostriktiven Filme 14a, 14b sind aus magnetischem Filmmaterial hergestellt, dessen Permeabilität sich stark mit Spannungs-Dehnungen (Druckspannung und Zugspannung) ändert. Sie sind, zum Beispiel, aus einem Ni-Fe-System-Legierungsfilm hergestellt, der am Außenumfang der Drehmomentübertragungswelle 12 durch ein Nassplattier-Verfahren gebildet ist. Der Ni-Fe-System-Legierungsfilm ist beispielsweise aus 50 bis 60 Gewichts% Ni und dem Rest Fe zusammengesetzt.
  • Die magnetostriktiven Filme 14 können direkt auf dem Äußeren der Drehmomentübertragungswelle 12 vorgesehen sein, wie oben beschrieben, oder können zuerst auf einem separaten Rohr-ähnlichen Element gebildet sein und dann, auf dem separaten Element abgestützt, an der Drehmomentübertragungswelle 12 angebracht werden. Es für einen Fachmann offensichtlich, dass die Materialien der magnetostriktiven Filme 14 und der Drehmomentübertragungswelle 12 nicht auf die voranstehend genannten begrenzt sind.
  • Die Erregerspule 16 ist aus einer ersten Erregerspule 16a und einer zweiten Erregerspule 16b gebildet. Die erste Erregerspule 16a und die zweite Erregerspule 16b sind derart um einen Magnetkern (nicht gezeigt) gewickelt, dass sie jeweils in der Nähe des ersten magnetostriktiven Films 14a und des zweiten magnetostriktiven Films 14b (und der Drehmomentübertragungswelle 12) angeordnet sind, insbesondere derart, dass sie von diesen einen Abstand von etwa 0,4–0,6 mm aufweisen, und werden durch Anlegen einer Wechselspannung von einer Erregerstromquelle 26 mit Strom versorgt.
  • Die sekundäre Erfassungsspule 20 umfasst eine erste sekundäre Erfassungsspule 20a und eine zweite sekundäre Erfassungsspule 20b. Ähnlich wie die erste und die zweite Erregerspule 16a, 16b, sind die erste und die zweite Erfassungsspule 20a, 20b jeweils in der Nähe des ersten magnetostriktiven Films 14a und des zweiten magnetostriktiven Films 14b (und der Drehmomentübertragungswelle 12) angeordnet, insbesondere derart, dass sie davon einen Abstand von etwa 0,4–0,6 mm aufweisen. Der Magnetkern der Erregerspule 16 und der Magnetkern der Erfassungsspule 20 sind derart angeordnet, dass sie einander von ihren Positionen in der Nähe der magnetostriktiven Filme 14 (der Drehmomentübertragungswelle 12) aus zugewandt sind. Die erste sekundäre Erfassungsspule 20a und die zweite sekundäre Erfassungsspule 20b sind in entgegengesetzte Richtungen gewickelt, um differentiell aneinander angeschlossen zu sein, d. h. derart, dass ihre Seiten mit negativer Spannung differentiell aneinander angeschlossen sind.
  • Die tertiäre Erfassungsspule 22 umfasst eine erste tertiäre Erfassungsspule 22a und eine zweite tertiäre Erfassungsspule 22b, welche jeweils in der Nähe des ersten magnetostriktiven Films 14a und des zweiten magnetostriktiven Films 14b (und der Drehmomentübertragungswelle 12) angeordnet, insbesondere derart, dass sie davon einen Abstand von etwa 0,4–0,6 mm aufweisen. Die erste tertiäre Erfassungsspule 22a und die zweite tertiäre Erfassungsspule 22b sind in entgegengesetzte Richtungen gewickelt, um differentiell aneinander angeschlossen zu sein, d. h. derart, dass ihre Seiten mit positiver Spannung differentiell aneinander angeschlossen sind.
  • Die erste tertiäre Erfassungsspule 22a ist in der entgegengesetzten Richtung zu der ersten sekundären Erfassungsspule 20a gewickelt und hat eine unterschiedliche Polarität, während die zweite tertiäre Erfassungsspule 22b in der entgegengesetzten Richtung zu der zweiten sekundären Erfassungsspule 20b gewickelt ist und eine unterschiedliche Polarität hat.
  • Der Drehmomentsensor 10 gemäß dieser Ausführungsform ist daher mit insgesamt vier Erfassungsspulen ausgestattet, die derart angeordnet sind, dass die Wickelrichtungen der aneinander angeschlossenen und der in der Nähe desselben magnetostriktiven Films angeordneten Erfassungsspule entgegengesetzt sind (Gegenwicklung).
  • Eine magnetische Schaltung ist zwischen der Drehmomentübertragungswelle 12 (und den magnetischen Metallfilmen 14) und den Magnetkernen gebildet. Wenn die Erregerspule 16 erregt wird, erhöht oder verringert sich die Permeabilität in dieser magnetischen Schaltung proportional zu einer Spannungs-Dehnung, die in der Drehmomentübertragungswelle 12 in Antwort auf ein von außen angelegtes Drehmoment auftritt. Die über die Ausgabeanschlüsse der sekundären Erfassungsspulen 20, 22 durch die Erhöhung oder Verringerung erzeugte induzierte Spannung wird als eine kleine Änderung des Spannungswerts ausgegeben.
  • Die Ausgaben der sekundären Erfassungsspule 20 und der tertiären Erfassungsspule 22 werden durch eine Verarbeitungsschaltung 28 extrahiert. Wie später erläutert werden wird, erfasst die Verarbeitungsschaltung 28 die Richtung und den Betrag des angelegten Drehmoments und erzeugt Ausgaben, die es repräsentieren.
  • Der Drehmomentsensor 10 gemäß dieser Ausführungsform wird nun detailliert beschrieben, wobei als ein Beispiel der Fall angenommen wird, dass er in einem elektrischen Servolenkungssystem zum Verstärken eines Fahrzeug-Lenkdrehmoments montiert ist, und als ein Drehmomentsensor zum Erfassen eines von der Bedienperson angelegten Lenkdrehmoments verwendet ist.
  • 2 ist ein erläuterndes Diagramm, das den Drehmomentsensor 10 als den Drehmomentsensor zum Erfassen des Lenkdrehmoments eines elektrischen Servolenkungssystems verwendet zeigt.
  • Wie in der Zeichnung gezeigt, ist ein bei dem Sitz der Bedienperson eines Fahrzeugs 30 angeordnetes Lenkrad 34 mit einer Lenkwelle 36 verbunden, die über Gelenkkupplungen 38, 40 mit einer Verbindungswelle 42 verbunden ist.
  • Die Verbindungswelle 42 ist mit dem Kegelrad 46 einer Zahnstangenantriebs-Lenkvorrichtung 44 verbunden. Das Kegelrad 46 steht derart in Eingriff mit der Zahnstange 48 der Lenkvorrichtung 44, dass eine von dem Lenkrad 34 eingegebene Drehbewegung über das Kegelrad 46 übertragen wird, um in eine Hin- und Herbewegung der Zahnstange 48 zum Lenken zweier Vorderräder 52 (gelenkte Räder) in eine gewünschte Richtung mittels Spurstangen (Lenkstangen) 50 und Lenkrollen (nicht gezeigt), welche an entgegengesetzten Enden der Vorderachse montiert sind, umgewandelt zu werden.
  • Ein Elektromotor 54 und ein Kugelgewindemechanismus 56 sind koaxial an der Zahnstange 48 montiert. Die Motorausgabe wird durch den Kugelgewin demechanismus 56 übertragen, um in eine Hin- und Herbewegung der Zahnstange 48 umgewandelt zu werden, wodurch die Zahnstange 48 in der Richtung angetrieben wird, die das durch das Lenkrad 34 eingegebene Lenkdrehmoment (oder die Lenkkraft) unterstützt (d. h. verringert).
  • Der Drehmomentsensor 10 ist an einer geeigneten Position in der Nähe der Lenkwelle 36 montiert und gibt ein Signal aus, das die Richtung und den Betrag des Lenkdrehmoments (der Lenkkraft) repräsentiert, das bzw. die von der Bedienperson eingegeben wird.
  • Die Ausgabe des Drehmomentsensors 10 wird zu einer ECU („Electronic Control Unit", elektronische Steuer-/Regeleinheit) 60 des elektrischen Servolenkungssystems gesendet. Die ECU 60 ist ein Mikrocomputer, der von einer eingebauten Batterie (12V Mono Stromzufuhr) 62 mit Strom versorgt wird, um bei einer vorgeschriebenen Taktfrequenz betrieben zu werden.
  • Die ECU 60 verwendet die Richtung und den Betrag des von dem Drehmomentsensors 10 erfassten Lenkdrehmoments und ein von einer anderen ECU (nicht gezeigt) zugeführtes Signal, das die Fahrzeuggeschwindigkeit repräsentiert, um den Betrag und die Richtung der Lenkdrehmoment-Unterstützung zu bestimmen, verwendet den bestimmten Betrag und die bestimmte Richtung, um einen Anweisungswert (als eine relative Einschaltdauer einer Impulsbreitenmodulation) zu berechnen, und gibt den berechneten Anweisungswert an eine Motortreiberschaltung 64 aus, um den Motor 54 zu steuern/regeln. Die Genauigkeit der Lenkdrehmomenterfassung des Drehmomentsensors 10 beeinflusst daher das Betätigungsgefühl der Servolenkung.
  • Die ECU 60 verwendet ebenfalls die Ausgabe des Drehmomentsensors 10, um eine Fehlfunktion des Drehmomentsensors 10 zu erfassen und bringt eine Warnlampe 66, welche in der Nähe des Sitzes der Bedienperson montiert ist, zum Leuchten, wenn eine Fehlfunktion erfasst wird.
  • 3 ist ein Blockdiagramm, das die Struktur des Drehmomentsensors 10 im Detail zeigt.
  • Wie dargestellt, ist die ECU 60 über einen 5 V Regler 68 für eine konstante Spannung an die eingebaute Batterie 62 angeschlossen, um mit einer Betriebsspannung von 5 V versorgt zu werden. Die Taktfrequenz der ECU 60 (Betriebsfrequenz; genauer ausgedrückt, die interne Frequenz des die CPU bildenden Mikrocomputers) wird erhalten, indem intern die Oszillationsfrequenz (externe Frequenz) eines Kristall-Oszillators 70 mit einer vorgeschriebenen Zahl multipliziert wird. Bei dieser Ausführungsform ist die Oszillationsfrequenz des Kristall-Oszillators 70 gleich 10 Mhz und die ECU 60 multipliziert intern diese Frequenz mit vier. Die ECU 60 verwendet die zugeführte Betriebsspannung von 5 V, um eine Rechteckwelle mit einer Amplitude von 5 V und einer Frequenz von 40 Mhz zu erzeugen.
  • Die ECU 60 ist mit einem internen Frequenzteiler (bzw. einer Frequenzteiler-Schaltung) 60a ausgestattet. Der Frequenzteiler 60a ist mit einem Zähler (nicht gezeigt) ausgestattet, um die Taktfrequenz der ECU 60 zu zählen, und kann einen vorbestimmten Zählwert in Antwort auf eine von außen erhaltene Programmanweisung derart ändern, dass das Frequenzteilungsverhältnis auf einen gewünschten Wert gesetzt wird, d. h. variabel wird. Bei dieser Ausführungsform ist der Zählwert auf 1600 gesetzt, um ein Frequenzteilungsverhältnis von 1/1600 zu erhalten. Der Frequenzteiler 60a gibt daher eine 25 kHz-Rechteckwelle mit einer Amplitude von 5 V aus.
  • Die Ausgabe des Frequenzteilers 60a wird in einen Referenzspannungsgenerator 72 eingegeben. Wie in dieser Beschreibung bezeichnet, bedeutet „Referenzspannung" einen Spannungswert, der den Mittelpunkt (Amplituden-Mittelpunkt) eines Wechselspannungssignals anzeigt, welches in der Verarbeitungsschaltung 28 erzeugt ist. Der Referenzspannungsgenerator 72 gibt eine Spannung aus, die einer relativen Einschaltdauer von 50% der Rechteckwelle mit einer Amplitude von 5 V entspricht, welche von dem Frequenzteiler 60a ausgegeben wird, d. h. eine konstante Referenzspannung von 2,5 V. Daher sendet der Referenzspannungsgenerator 72, der mit der Erregerstromquelle verbunden ist, um das Erregersignal einzugeben, das Wechselspannungs-Erregersignal, dessen Referenzspannung, welche einen Mittelpunkt des Wechselspannungs-Erregersignals anzeigt, auf eine Spannung gesetzt ist, die einer relativen Einschaltdauer von 50% entspricht, an die Erregerspule.
  • Die von dem Frequenzteiler 60a ausgegebene 25 kHz-Rechteckwelle wird auch in einen sekundären Bandpassfilter 74 eingegeben, der hohe harmonische Komponenten mit einer Frequenz, die nicht die Frequenz der Rechteckwelle ist (25 kHz), entfernt (abschwächt). In den sekundären Bandpassfilter 74 wird auch die in dem Referenzspannungsgenerator 72 erzeugte Referenzspannung eingegeben, und er erzeugt daher eine 25 kHz-Sinuswelle mit einer Amplitude von 5 V und einem Mittelpunkt bei 2,5 V.
  • Die in dem sekundären Bandpassfilter erzeugte Sinuswelle wird in einem invertierenden Verstärker (Betriebsverstärker) 76 einer Wellenform-Inversion und einer Amplituden-Verstärkung unterzogen, so dass der Mittelpunkt der derart verarbeiteten Sinuswelle auch auf die oben genannte Referenzspannung gelegt wird. Die verarbeitete Sinuswelle wird durch einen RC-Filter (Tiefpassfilter) 78 zu der Erregerspule 16 (d. h. der ersten Erregerspule 16a und der zweiten Erregerspule 16b) als ein Erregersignal zugeführt. Bei der Zufuhr des Erregersignals an die Erregerspule 16 erzeugen die sekundäre Erfassungsspule 20 und die tertiäre Erfassungsspule 22 Phasenausgaben (Spannungs-Wellenformen), die der Richtung und dem Betrag des an die Lenkwelle 36 (in 3 nicht gezeigt) angelegten Lenkdrehmoments entsprechen.
  • Wie voranstehend erläutert, ist die das Erregersignal bildende Sinuswelle bei dieser Ausführungsform durch Teilen aus der der von der ECU 60 ausgegebenen Rechteckwelle erzeugt, und ist daher aus einem digitalen Signal erzeugt. Dies ermöglicht es, ein stabiles Erregersignal zuzuführen, das nur minimal durch Temperaturänderungen und eine Spannungsfluktuation der Stromquelle beeinflusst wird. Die Genauigkeit der Drehmomenterfassung ist daher verbessert, da die von der sekundären Erfassungsspule 20 und der tertiären Erfassungsspule 22 ausgegebenen Wellenformen ebenfalls stabil sind. Aufgrund der resultierenden genauen Erfassung des Lenkdrehmoments, das durch das Lenkrad 34 von der Bedienperson angelegt wird, wird das Betätigungsgefühl der Servolenkung verbessert.
  • Wenn die Eigenschaften des sekundären Bandpassfilters 74, des invertierenden Verstärkers 76, des RC-Filters 78 oder irgendeines der anderen analogen Schaltungskomponenten, die zur Verwendung des Erregersignals verwendet werden, sich entsprechend der Auslegungsspezifikationen (aufgrund einer während der Herstellung auftretenden Varianz) unterscheiden, kann die Frequenz der in die Analogschaltung eingegebenen Rechteckwelle auf einen Wert gesetzt werden, der für die tatsächlichen Eigenschaften der Analogschaltung geeignet ist, insbesondere für die Zeitkonstante des sekundären Bandpassfilters 74, indem der gesetze Zählerwert (Zählwert) geändert wird, und damit das Frequenzteilungsverhältnis des Frequenzteilers 60a geändert wird. Die Änderung des Zählerwerts wird durch eine von außen eingegebene Programmanweisung bewirkt. Dies ermöglicht es, ein rauschfreies Erregersignal (Sinuswelle) zu erzeugen, unabhängig von jeder Abweichung der Eigenschaften der Analogschaltung von den spezifizierten Werten. In Abhängigkeit davon wird die Genauigkeit der Drehmomenterfassung verbessert.
  • Wie aus 4 gesehen werden kann, ändert sich aufgrund der Tatsache, dass die den Mittelpunkt der Sinuswelle (des Erregersignals) anzeigende Referenzspannung zu einer Spannung gesetzt ist, die einer relativen Einschaltdauer von 50% der Rechteckwelle entspricht, die Referenzspannung Vref, die den Mittelpunkt der Sinuswelle anzeigt, derart, dass sie jeder Änderung der Amplitude der Sinuswelle folgt, die aufgrund einer Fluktuation der Spannung Vcc auftreten könnte, welche von der Erregerstromquelle zugeführt ist. Wenn die Spannung Vcc der Erregerstromquelle zum Beispiel 5,2 V werden sollte, wird die Referenzspannung Vref 50% dieses Werts oder 2,6 V.
  • Selbst für den Fall, dass eine Mono-Stromzufuhr, wie beispielsweise die eingebaute Batterie 62, verwendet wird, um das Erregersignal zu erzeugen, kann daher ein Erregersignal mit einer großen Amplitude erzeugt werden, das konstant frei von einem Oben-Unten-Ungleichgewicht (einer Differenz zwischen der Amplitude auf der oberen Seite und der auf der unteren Seite, die durch die Referenzspannung Vref als dem Mittelpunkt geteilt sind) ist. Mit anderen Worten kann das Erregersignal unter Verwendung der maximalen von der Erregerstromquelle zugeführten Spannung erzeugt werden. In der Konfiguration von 3 ist die Erregerspannung durch die Aufbauelemente von der eingebauten Batterie 62 bis zu dem Frequenzteiler 60a gebildet, d. h. die eingebaute Batterie 62, den Regler 68 für eine konstante Spannung, die ECU 60 und den Frequenzteiler 60a.
  • Die sekundäre Erfassungsspule 20 und die tertiäre Erfassungsspule 22 werden nun unter Bezugnahme auf 5 detailliert beschrieben. 5 ist eine Vergrößerung des Erfassungabschnitts, der in 3 mit dem Bezugszeichen S bezeichnet ist, Der Erfassungsabschnitt D umfasst die Erregerspule 16, die sekundäre Erfassungsspule 20, die tertiäre Erfassungsspule 22 und die Lenkwelle 36 (und die daran angebrachten magnetostriktiven Filme 14). (Die Lenkwelle 36 und die magnetostriktiven Filme 14 sind in 3 und 5 nicht gezeigt.)
  • Wie in 5 gezeigt, sind die erste sekundäre Erfassungsspule 20a und die erste tertiäre Erfassungsspule 22a an Positionen in der Nähe der ersten Erregerspule 16a montiert. Wie vorhin erläutert, sind die erste sekundäre Erfassungsspule 20a und die erste tertiäre Erfassungsspule 22a in entgegengesetzten Richtungen gewickelt (Gegenwicklung) und haben unterschiedliche Polarität. Insbesondere weisen die erste Erregerspule 16a und die sekundäre Erfassungsspule 20 die gleiche Polarität auf, und die erste Erregerspule 16a und die erste tertiäre Erfassungsspule 22a weisen eine unterschiedliche Polarität auf.
  • Die zweite sekundäre Erfassungsspule 20b und die zweite tertiäre Erfassungsspule 22b sind an Positionen in der Nähe der zweiten Erregerspule 16b montiert. Wie vorhin erläutert, sind die zweite sekundäre Erfassungsspule 20b und die zweite tertiäre Erfassungsspule 22b ebenfalls in entgegengesetzten Richtungen gewickelt (Gegenwicklung) und haben unterschiedliche Polarität. Insbesondere weisen die zweite Erregerspule 16b und die zweite sekundäre Erfassungsspule 20b unterschiedliche Polarität auf, und die zweite Erregerspule 16b und die zweite tertiäre Erfassungsspule 22b weisen die gleiche Polarität auf.
  • Wie dargestellt, stehen die erste Erregerspule 16a und die zweite Erregerspule 16b in Reihenverbindung, wobei die Seite negativer Spannung der ersteren an die Seite positiver Spannung der letzteren angeschlossen ist. Die erste sekundäre Erfassungsspule 20a und die zweite sekundäre Erfassungsspule 20b stehen in differentieller Reihenverbindung, wobei ihre Seiten negativer Spannung aneinander angeschlossen sind. Die erste tertiäre Erfassungsspule 22a und die zweite tertiäre Erfassungsspule 22b stehen in differentieller Reihenverbindung, wobei ihre Seiten positiver Spannung aneinander angeschlossen sind.
  • Die in den Spulen erzeugten induzierten Spannungen werden nun erläutert. Die schwarzen Pfeile in der Zeichnung bezeichnen selbstinduzierte Spannungen und die weißen Pfeile bezeichnen gegenseitig induzierte Spannungen. Die Zahl (1, 2 oder 3), die jedem Pfeil zugeordnet ist, zeigt an, dass die induzierte Spannung durch die elektromotive Kraft von (1) einer Erregerspule, (2) einer sekundären Erfassungsspule oder (3) einer tertiären Erfassungsspule erzeugt ist.
  • Die ersten Spulen, die mit dem Bezugszeichen a bezeichnet sind (16a, 20a und 22a), werden nun als Beispiel beschrieben. Wenn der ersten Erregerspule 16a ein Erregersignal zugeführt wird, um daran eine Spannung anzulegen, fließt ein Strom i1 durch die erste Erregerspule 16a und eine selbstinduzierte Spannung wird in der Richtung, die dem Stromfluss entgegengesetzt ist, erzeugt. Gleichzeitig werden gegenseitig induzierte Spannungen in der ersten sekundären Erfassungsspule 20a und der ersten tertiären Erfassungsspule 22a erzeugt.
  • Wenn in der ersten sekundären Erfassungsspule 20a und der ersten tertiären Erfassungsspule 22a induzierte Spannungen erzeugt werden, werden Ströme (induzierte Ströme) i2 und i3 in diesen Spulen erzeugt und die erzeugten Ströme erzeugen selbstinduzierte Spannungen in der entgegengesetzten Richtung. Die in der ersten sekundären Erfassungsspule 20a und der ersten tertiären Erfassungsspule 22a erzeugten selbstinduzierten Spannungen erzeugen eine gegenseitig induzierte Spannung in der ersten Erregerspule 16a, wodurch die scheinbare Induktivität der ersten Erregerspule 16a sich ändert (der Stromfluss sich darin ändert).
  • Bei dieser Ausführungsform sind allerdings die erste sekundäre Erfassungsspule 20a und die erste tertiäre Erfassungsspule 22a in entgegengesetzten Richtungen gewickelt (Gegenwicklung), so dass die durch die beiden Spulen fließenden Ströme 180 Grad Phasenunterschied aufweisen und ihre selbstinduzierten Spannungen einander entgegenwirken. Wenn daher i2 = i3 ist, dann heben sich die in der ersten sekundären Erfassungsspule 20a und der ersten tertiären Erfassungsspule 22a erzeugten selbstinduzierten Spannungen gegenseitig auf, um Null zu werden, und die gegenseitig induzierten Spannungen, die diese in der ersten Erregerspule 16a erzeugen, heben sich ebenfalls auf, um Null zu werden.
  • Daher sind, wie gezeigt ist, wenn die mit dem Bezugszeichen b bezeichneten zweiten Spulen (16b, 20b und 22b) als Beispiel genommen werden, die einzigen in den Spulen induzierten Spannungen die selbstinduzierte Spannung der Erregerspule 16 und die gegenseitig induzierten Spannungen, welche diese selbstinduzierte Spannung in der sekundären Erfassungsspule 20 und der tertiären Erfassungsspule 22 erzeugt. Mit anderen Worten wird keine Änderung der Induktivität der Erregerspule 16 aufgrund der selbstinduzierten Spannungen der Erfassungsspulen 20, 22 erzeugt, wobei die Ausgaben der Erfassungsspulen 20, 22 Werte sind, die nur das angelegte Drehmoment reflektieren.
  • Da die Spulen der sekundären Erfassungsspule 20 und der tertiären Erfassungsspule 22 auf die oben erläuterte Art und Weise in entgegengesetzte Richtungen gewickelt sind (Gegenwicklung), heben sich die selbstinduzierten Spannungen der Erfassungsspulen 20, 22 und die gegenseitig induzierten Spannungen, die diese in der Erregerspule 16 erzeugen, auf, so dass die Induktivität der Erregerspule 16 unverändert ist. Die Ausgaben der Erfassungsspulen 20, 22 sind daher proportional zu dem angelegten Drehmoment und die Genauigkeit der Drehmomenterfassung ist verbessert.
  • Eine Änderung der Induktivität aufgrund einer Temperaturänderung wird nun erläutert. Wie voranstehend beschrieben, stehen die erste sekundäre Erfassungsspule 20a und die zweite sekundäre Erfassungsspule 20b in differentieller Reihenverbindung, wobei ihre Seiten negativer Spannung miteinander verbunden sind. Jegliche Änderung der Induktivitäten der ersten und der zweiten sekundären Erfassungsspule 20a, 20b aufgrund von Temperaturänderungen heben sich daher auf und lassen die Gesamt-Induktivität der sekundären Erfassungsspule 20 unverändert. Ferner stehen die erste tertiäre Erfassungsspule 22a und die zweite tertiäre Erfassungsspule 22b der tertiären Erfassungsspule 22 in differentieller Reihenverbindung, wobei ihre Seiten positiver Spannung miteinander verbunden sind, so dass Änderungen ihrer Induktivitäten sich ähnlich aufheben, um Null zu werden.
  • Weiterhin kann aufgrund der Tatsache, dass die erste sekundäre Erfassungsspule 20a und die zweite sekundäre Erfassungsspule 20b in negativ-zu-negativ differentieller Verbindung stehen, und die erste tertiäre Erfassungsspule 22a und die zweite tertiäre Erfassungsspule 22b in positiv-zu-positiv differentieller Verbindung stehen, der Drehmomentsensor 10 stabile Erfassungseigenschaften selbst dann aufweisen, wenn er in einem elektrischen Servolenkungssystem eingebaut ist und einer beträchtlichen Temperaturänderung ausgesetzt ist, da jegliche Änderungen der Induktivität, die von der Temperaturfluktuation bewirkt werden, einander aufheben, und ihr Effekt ausgeschaltet wird. Das Lenkdrehmoment, das die Bedienperson durch das Lenkrad 34 anlegt, kann daher genau erfasst werden, um das Betätigungsgefühl der Servolenkung weiter zu verbessern.
  • Die Erläuterung von 3 wird fortgesetzt. Das von dem RC-Filter 78 ausgegebene Erregersignal, genauer ausgedrückt die der Erregerspule 16 tatsächlich zugeführte Spannungswellenform, wird in einen sekundären Vorspannungsgenerator 80 eingegeben, der eine sekundäre Vorspannung erzeugt, deren Phase um 90 Grad nach vorne verschoben ist. Das Erregersignal (die tatsächlich in die Erregerspule 16 eingegebene Spannungswellenform) wird ebenfalls in einen tertiären Vorspannungsgenerator 82 eingegeben, der eine tertiäre Kosinuswelle erzeugt, deren Phase um 90 Grad verzögert ist (um –90 Grad nach vorne verschoben ist).
  • Die Ausgabe (Spannungswellenform) der sekundären Erfassungsspule 20 wird zu der sekundären Kosinuswelle in einem sekundären Addierer 84 addiert, wodurch eine sekundäre addierte Wellenform erzeugt wird. Die Ausgabe (Spannungswellenform) der tertiären Erfassungsspule 22 wird zu der tertiären Kosinuswelle in einem tertiären Addierer 86 addiert, wodurch eine tertiäre addierte Wellenform erzeugt wird. Mit anderen Worten sind die sekundäre Kosinuswelle und die tertiäre Kosinuswelle Vorspannungen, die zu den Spannungswellenformen der Erfassungsspulen addiert werden.
  • 6 ist ein erläuternder Graph, der die sekundäre addierte Wellenform und andere Wellenformen zeigt, wenn kein Drehmoment an die Lenkwelle 36 angelegt wird. 7 ist ein erläuternder Graph, der die tertiäre addierte Wellenform und andere Wellenformen zeigt, wenn ebenfalls kein Drehmoment an die Lenkwelle 36 angelegt wird.
  • Wie in 6 gezeigt, heben, wenn an die Lenkwelle 36 kein Drehmoment angelegt wird, die Ausgaben der ersten sekundären Erfassungsspule 20a und der zweiten sekundären Erfassungsspule 20b einander auf, und die Ge samtausgabe der sekundären Erfassungsspule 20 (im Folgenden „sekundäre Ausgabe" genannt), die mit V2 bezeichnet ist, fällt mit der Referenzspannung Vref zusammen (wird Null). Die sekundäre addierte Wellenform, welche mit Vplus2 bezeichnet wird, fällt daher mit der sekundären Kosinuswelle zusammen, welche mit Vcos2 bezeichnet ist. Das Erregersignal (Sinuswelle), das tatsächlich zu der Erregerspule 16 zugeführt wird, wird mit Vsin bezeichnet.
  • Wie in 7 gezeigt, heben, wenn an die Lenkwelle 36 kein Drehmoment angelegt wird, die Ausgaben der ersten tertiären Erfassungsspule 22a und der zweiten tertiären Erfassungsspule 22b einander auf, und die Gesamtausgabe der tertiären Erfassungsspule 22 (im Folgenden „tertiäre Ausgabe" genannt), die mit V3 bezeichnet ist, fällt mit der Referenzspannung Vref zusammen (wird Null). Die tertiäre addierte Wellenform, welche mit Vplus3 bezeichnet wird, fällt daher mit der tertiären Kosinuswelle zusammen, welche mit Vcos3 bezeichnet ist.
  • Wenn ein Drehmoment im Uhrzeigersinn an die Lenkwelle 36 angelegt wird, werden die Induktivitäten der ersten sekundären Erfassungsspule 20a und der zweiten sekundären Erfassungsspule 20b aus dem Gleichgewicht gebracht, so dass, wie in 8 gezeigt, die sekundäre Ausgabe V2 in Phase mit dem Erregersignal Vsin erzeugt wird. Demzufolge wird die Phase der sekundären addierten Wellenform Vplus2 in der Verzögerungsrichtung relativ zu der sekundären Kosinuswelle Vcos2 verschoben. Die Phasendifferenz der sekundären addierten Wellenform Vplus2 relativ zu der sekundären Kosinuswelle Vcos2, wenn ein Drehmoment im Uhrzeigersinn an die Lenkwelle 36 angelegt wird (die Phasendifferenz, wenn beide gleich der Referenzspannung Vref sind), ist mit R2 bezeichnet.
  • Die Induktivitäten der ersten tertiären Erfassungsspule 22a und der zweiten tertiären Erfassungsspule 22b werden auf ähnliche Art und Weise aus dem Gleichgewicht gebracht, so dass, wie in 9 gezeigt, die tertiäre Ausgabe V3 in Phase mit dem Erregersignal Vsin erzeugt wird. Demzufolge ist die Phase der tertiären addierten Wellenform Vplus3 relativ zu der tertiären Kosinuswelle Vcos3 in die Vorwärtsrichtung verschoben. Die Phasendifferenz der tertiären addierten Wellenform Vplus3 relativ zu der tertiären Kosinuswelle Vcos3, wenn ein Drehmoment im Uhrzeigersinn an die Lenkwelle 36 angelegt ist (die Phasendifferenz, wenn beide gleich der Referenzspannung Vref sind), ist mit R3 bezeichnet.
  • Wenn ein Drehmoment im Gegenuhrzeigersinn an die Lenkwelle 36 angelegt wird, werden die sekundäre addierte Wellenform und andere Wellenformen wie in 10 gezeigt, und die tertiäre addierte Wellenform und andere Wellenformen werden wie in 11 gezeigt.
  • Wie in 10 gezeigt, nimmt die sekundäre Ausgabe V2 eine Wellenform an, die um 180 Grad relativ zu derjenigen verschoben ist, wenn ein Drehmoment im Uhrzeigersinn angelegt wird. Die Phasendifferenz zwischen der sekundären Kosinuswelle Vcos2 und der sekundären addierten Wellenform Vplus2 (die Phasendifferenz, wenn beide gleich der Referenzspannung Vref sind; mit L2 bezeichnet) wird 180 Grad, wobei die sekundäre addierte Wellenform Vplus2 relativ zu der sekundären Kosinuswelle Vcos2 in der Vorwärtsrichtung verschoben ist. Wie in 11 gezeigt, nimmt die tertiäre Ausgabe V3 eine Wellenform an, die um 180 Grad relativ zu derjenigen verschoben ist, wenn ein Drehmoment im Uhrzeigersinn angelegt wird. Die Phasendifferenz zwischen der tertiären Kosinuswelle Vcos3 und der tertiären addierten Wellenform Vplus3 (die Phasendifferenz, wenn beide gleich der Referenzspannung Vref sind; mit L3 bezeichnet) wird 180 Grad. Das heißt die tertiäre addierte Wellenform Vplus3 ist relativ zu der tertiären Kosinuswelle Vcos3 in der Verzögerungsrichtung verschoben.
  • 12 zeigt, wie die sekundäre Ausgabe V2 und die tertiäre Ausgabe V3 sich als eine Funktion des angelegten Drehmoments ändern. Da, wie voranstehend erläutert, die sekundäre Erfassungsspule 20 in einer negativ-zu-negativ Differentialverbindung aufgebaut ist, und die tertiäre Erfassungsspule 22 in einer positiv-an-positiv Differentialverbindung aufgebaut ist, zeigen die sekundäre Ausgabe V2 und die tertiäre Ausgabe V3 entgegengesetzte Eigenschaften bezogen auf das angelegte Drehmoment.
  • Die Richtung und der Betrag des angelegten Drehmoments können daher genau erfasst werden, indem die Vorspannungen bei der sekundären Ausgabe V2 und der tertiären Ausgabe V3 angewendet werden und die Richtung der Phasendifferenz und der Betrag der so erhaltenen Wellenformen (d. h. der sekundären addierten Wellenform Vplus2 und der tertiären addierten Wellenform Vplus3) und Vorspannungen (d. h. der sekundären Kosinuswelle Vcos2 und der tertiären Kosinuswelle Vcos3) erfasst wird.
  • Da die in der Erregerspule 16 erzeugte selbstinduzierte Spannung eine elektromotive Kraft bildet, die in der entgegengesetzten Richtung zu der angelegten Spannung wirkt, unterscheidet sich ihre Phase um 90 Grad von der des Erregersignals Vsin, das der Erregerspule 16 tatsächlich zugeführt wird. Die Verwendung der Wellenform, die durch Verschieben der Phase des Erregersignals Vsin um 90 Grad erhalten wird, maximiert daher die oben genannte Phasendifferenz bezogen auf sowohl Drehmomente im Uhrzeigersinn, wie auch im Gegenuhrzeigersinn. Mit anderen Worten wird die Drehmomenterfassung nicht nur maximiert, sondern wird auch für Drehmomente in beiden Richtungen gleich gemacht.
  • Dies wird weiter unter Bezugnahme auf 13 und 14 erläutert. 13 ist ein erläuterndes Diagramm (Zeigerdiagramm), das die Vektor-Zusammensetzung zeigt, wenn die sekundäre Kosinuswelle Vcos2 zu der sekundären Ausgabe V2 addiert wird. 14 ist ein erläuterndes Diagramm (Zeigerdiagramm), das die Vektor-Zusammensetzung zeigt, wenn eine Vorspannung mit einer um 60 Grad relativ zu dem Erregersignal verschobenen Phase zu der sekundären Ausgabe V2 addiert wird. In beiden Figuren bezeichnet V2(+) die sekundäre Ausgabe V2, wenn ein Drehmoment im Uhrzeigersinn an die Lenkwelle 36 angelegt wird, und V2(–) bezeichnet die sekundäre Ausgabe V2, wenn ein Drehmoment im Gegenuhrzeigersinn angelegt wird.
  • In 13 und 14 ist θR die Phasendifferenz, die von der Gleichstromwiderstandskomponente zwischen dem Zeitpunkt, zu dem das Erregersignal erzeugt wird, und dem Zeitpunkt, zu dem es tatsächlich zu der Erregerspule 16 zugeführt ist, erzeugt wird. Aufgrund des Auftretens von θR sind die sekundären und tertiären Vorspannungsgeneratoren 80, 82 derart konfiguriert, dass sie die Phase des Erregersignals Vsin, das tatsächlich zu der Erregerspule 16 zugeführt wird, verschieben, wenn sie die sekundären und tertiären Kosinuswellen Vcos2, Vcos3 erzeugen.
  • Wie in 13 gezeigt, maximiert eine Addition des Vektors, der die sekundäre Kosinuswelle Vcos2 repräsentiert, zu dem Vektor, der die sekundäre Ausgabe V2 repräsentiert, wenn ein Drehmoment im Uhrzeigersinn angelegt wird, den Winkel, d. h. die Phasendifferenz, zwischen dem Vektor (Vplus2(+)), der die sekundäre addierte Wellenform Vplus2 repräsentiert, und dem Vektor, der die sekundäre Kosinuswelle Vcos2 repräsentiert. Ferner erhöhen sich, wie aus derselben Figur ersichtlich, der Winkel und die Phasendifferenz zwischen dem Vektor, der die sekundäre addierte Wellenform Vplus2 repräsentiert, und dem Vektor, der die sekundäre Kosinuswelle Vcos2 repräsentiert, wenn der Vektor, der die sekundäre Ausgabe V2 repräsentiert, mit einem ansteigendem Spannungswert desselben größer wird. Mit anderen Worten kann eine Erhöhung/Verringerung der Permeabilität, die durch ein Anlegen eines Drehmoments erzeugt wird, als ein Spannungswert erfasst werden und eine Änderung des erfassten Spannungswerts kann als eine Phasenänderung interpretiert werden.
  • Wie in 14 gezeigt, kann der Winkel, d. h. die Phasendifferenz, zwischen dem Vektor, der die sekundäre addierte Wellenform Vplus2 repräsentiert, und dem Vektor, der die Vorspannung repräsentiert, auch erhöht werden, indem eine Vorspannung mit etwas anderem als 90 Grad, z. B. eine Vorspannung von 60 Grad, zu dem die sekundäre Ausgabe V2 repräsentierenden Vektor addiert wird, wenn ein Drehmoment im Uhrzeigersinn angelegt wird. Der Betrag der Erhöhung wird allerdings kleiner, als wenn eine sekundäre Kosinuswelle Vcos2 mit 90 Grad addiert wird.
  • Wenn dieselbe 60-Grad-Vorspannung zu dem Vektor V2(–) addiert wird, der die sekundäre Ausgabe V2 repräsentiert, wenn ein Drehmoment im Gegenuhrzeigersinn angelegt ist, wird der Winkel zwischen dem Vektor (Vplus2(–)), der die sekundäre addierte Wellenform Vplus2 repräsentiert, und dem Vektor, der die sekundäre Kosinuswelle Vcos2 repräsentiert, unterschiedlich zu dem, wenn ein Drehmoment im Uhrzeigersinn angelegt wird. Der Betrag der Phasenänderung (-verschiebung) für irgendeinen gegebenen Eingabe-Drehmomentbetrag unterscheidet sich daher je nach Richtung des Drehmoments, was nachteilig ist, da es eine Inkonsistenz bei der Erfassungsempfindlichkeit zwischen einem Drehmoment im Uhrzeigersinn und einem Drehmoment im Gegenuhrzeigersinn bewirkt.
  • Im Gegensatz dazu können, wie in 13 gezeigt, die Beträge der Änderung im Winkel nach rechts und nach links (die absoluten Werte der Phasenänderung (-verschiebung)) gleich gemacht werden, indem eine sekundäre Kosinuswelle Vcos von +90 Grad addiert wird. Dies macht es wiederum möglich, die gleiche Erfassungsempfindlichkeit bezogen auf Drehmomente im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn zu erreichen.
  • Die voranstehende Erläuterung trifft auch bei der Vektor-Zusammensetzung der tertiären Ausgabe V3 und der tertiären Kosinuswelle Vcos3 zu, abgesehen davon, dass „+" und „", die in 13 und 14 in Klammern gezeigt sind, vertauscht werden müssen, und dass ein Vektor, der –90 Grad repräsentiert, anstelle des Vektors, der +90 Grad repräsentiert, verwendet werden muss.
  • Daher wird aufgrund der Tatsache, dass Vorspannungen, die durch Verschieben der Phase des zu der Erregerspule 16 zugeführten Erregersignals Vsin um vorbestimmte Beträge zu den Ausgaben V2, V3 der sekundären und tertiären Erfassungsspulen addiert werden, die Phasenverschiebung zwischen den Ergebnissen der Additionen, d. h. der sekundären und der tertiären addierten Wellenform Vplus2, Vplus3, und den Vorspannungen, mit welchen sie verglichen werden (d. h. der sekundären und der tertiären Kosi nuswelle Vcos2, Vcos3) groß gemacht, um die Erfassungsempfindlichkeit zu erhöhen und somit die Genauigkeit der Drehmomenterfassung zu verbessern.
  • Ferner werden aufgrund der Tatsache, dass die sekundäre Kosinuswelle Vcos2, die durch Verschieben der Phase des Erregersignals Vsin um 90 Grad nach vorne erzeugt wird, und die tertiäre Kosinuswelle Vcos3, die durch Verzögern der Phase des Erregersignals Vsin um 90 Grad erzeugt wird, als die Vorspannungen verwendet werden, die Phasenverschiebungen zwischen der sekundären/tertiären addierten Wellenform Vplus2/Vplus3 und der sekundären/tertiären Kosinuswelle Vcos2/Vcos3 maximiert, wodurch die Erfassungsempfindlichkeit weiter verbessert wird, und die Erfassungsgenauigkeit bezogen auf ein Drehmoment nach rechts und nach links angeglichen wird, um die Erfassungsgenauigkeit noch weiter zu verbessern. Das durch das Lenkrad 34 von der Bedienperson angelegte Lenkdrehmoment kann daher genau erfasst werden, um das Betätigungsgefühl der Servolenkung noch weiter zu verbessern.
  • Der Grund für die Verschiebung der Phase zwischen der sekundären Kosinuswelle Vcos2 und der tertiären Kosinuswelle Vcos3 um 180 Grad (+90 Grad und –90 Grad) ist, dass, selbst wenn eine Temperaturänderung oder eine andere derartige Störun, die auf die Verarbeitungsschaltung 28 einwirkt, eine Varianz der Phasen der sekundären Kosinuswelle Vcos2 und der tertiären Kosinuswelle Vcos3 bewirkt, sich die Effekte der Störung auf der sekundären und der primären Seite aufheben, wie in 15 gezeigt, da die Vektoren der sekundären Kosinuswelle Vcos2 und der tertiären Kosinuswelle Vcos3 in derselben Richtung gedreht werden.
  • Die Erläuterung von 3 wird fortgesetzt. Die Phasendifferenz (Verschiebung) zwischen der sekundären addierten Wellenform Vplus2 und der sekundären Kosinuswelle Vcos2 wird durch einen Phasenvergleicher 90 erfasst. Insbesondere werden das Erregersignal Vsin und die sekundäre addierte Wellenform Vplus2 in eine logische Produkt-Schaltung (Element), genauer ausgedrückt ein UND-Gatter (sekundäres UND-Gatter, nicht gezeigt), eingegeben, um eine Rechteckwelle zu erhalten, die dem Betrag und der Richtung des angelegten Drehmoments entspricht (d. h. der Phasendifferenz zwischen der sekundären addierten Wellenform Vplus2 und der sekundären Kosinuswelle Vcos2). Dies ist als das sekundäre Erfassungsdrehmoment Vt2 definiert.
  • Der Phasenvergleicher 90 erfasst ferner die Phasendifferenz (Verschiebung) zwischen einer Wellenform, die durch Invertieren der tertiären Wellenform Vplus3 mit einem nicht gezeigten Invertierer erhalten ist (im Folgenden die „invertierte tertiäre addierte Wellenform Vplus3inv" genannt), und der tertiären Kosinuswelle Vcos3. Insbesondere werden das Erregersignal Vsin und die invertierte tertiäre addierte Wellenform Vplus3inv in eine logische Produkt-Schaltung (Element), genauer ausgedrückt ein UND-Gatter (tertiäres UND-Gatter, nicht gezeigt) eingegeben, um eine Rechteckwelle zu erhalten, die dem Betrag und der Richtung des angelegten Drehmoments (d. h. der Phasendifferenz zwischen der invertierten tertiären addierten Wellenform Vplus3inv und der tertiären Kosinuswelle Vcos3) entspricht. Dies ist als das tertiäre Erfassungsdrehmoment Vt3 definiert. Rechteckwellen, die die invertierte tertiäre addierte Wellenform Vplus3inv, das sekundäre Erfassungsdrehmoment Vt2 und das tertiäre Erfassungsdrehmoment Vt3 zeigen, sind unten in 6 bis 11 gezeigt.
  • Wie in 6 bis 11 gezeigt, wird das sekundäre Erfassungsdrehmoment ein H-(hohes) Signal (bzw. ein hoher Signalpegel), wenn die sekundäre addierte Wellenform Vplus2 und das Erregersignal Vsin beide größer als die Referenzspannung Vref oder gleich dieser sind, und wird ein L-(niedriges) Signal (bzw. ein niedriger Signalpegel), wenn eine der beiden niedriger als die Referenzspannung Vref ist. Das tertiäre Erfassungsdrehmoment Vt3 wird ein H-Signal, wenn die invertierte tertiäre addierte Wellenform Vplus3inv und das Erregersignal Vsin beide größer als die Referenzspannung Vref oder gleich dieser sind, und wird ein L-(niedriges) Signal (bzw. ein niedriger Signalpegel), wenn eine der beiden niedriger ist als die Referenzspannung Vref. Die Zeitspannen der Ausgabe des H-Signals sind in 6 bis 11 zum einfacheren Verständnis schraffiert.
  • Wie aus einem Vergleich von 6 und 7 ersichtlich ist, zeigen die sekundäre Ausgabe V2 und das tertiäre Erfassungsdrehmoment Vt3 konstant die gleiche Ausgabe, wenn das angelegte Drehmoment Null ist. Wenn andererseits, wie in 8 und 9 gezeigt, ein Drehmoment im Uhrzeigersinn angelegt wird, ist die Zeitspanne der H-Signal-Ausgabe des sekundären Erfassungsdrehmoments Vt2 verlängert und die Zeitspanne der H-Signal-Ausgabe des tertiären Erfassungsdrehmoments Vt3 ist proportional zum Betrag des angelegten Drehmoments verkürzt. Wie in 10 und 11 gezeigt, wird, wenn ein Drehmoment im Gegenuhrzeigersinn angelegt wird, die Zeitspanne der H-Signal-Ausgabe des sekundären Erfassungsdrehmoments Vt2 verkürzt und die Zeitspanne der H-Signal-Ausgabe des tertiären Erfassungsdrehmoments Vt3 ist proportional zu dem Betrag des angelegten Drehmoments verlängert.
  • Daher verlängert und verkürzt sich die Zeitspanne der H-Signal-Ausgabe des sekundären Erfassungsdrehmoments Vt2 proportional zu der Phasendifferenz zwischen der sekundären addierten Wellenform Vplus2 und der sekundären Kosinuswelle Vcos2, d. h. proportional zu dem Betrag und der Richtung des angelegten Drehmoments. Auf ähnliche Art und Weise verlängert und verkürzt sich die Zeitspanne der H-Signal-Ausgabe des tertiären Erfassungsdrehmoments Vt3 proportional zu der Phasendifferenz zwischen der invertierten tertiären addierten Wellenform Vplus3inv und der tertiären Kosinuswelle Vcos3, d. h. proportional zu dem Betrag und der Richtung des angelegten Drehmoments. Da ferner die Ausgaben des sekundären Erfassungsdrehmoments Vt2 und des tertiären Erfassungsdrehmoments Vt3 sich für die gleiche Richtung des angelegten Drehmoments in entgegengesetzte Richtungen ändern, können die Richtung und der Betrag des an die Lenkwelle 36 angelegten Drehmoments durch Verwendung der Differenz zwischen den beiden genau erfasst werden.
  • Wie voranstehend erläutert, zeigt die Referenzspannung Vref genau den Mittelpunkt des Erregersignals an. Daher werden in 6 bis 11 die Mittelpunkte der sekundären Kosinuswelle Vcos2 und der tertiären Kosinuswelle Vcos3, die durch Verschieben der Phase des Erregersignals Vsin um einen vorbestimmten Betrag erhalten sind, und die Mittelpunkte der sekundären Ausgabe V2 und der tertiären Ausgabe V3 ebenfalls genau angezeigt. Daraus folgt, dass die Mittelpunkte der sekundären addierten Wellenform Vplus2 und der tertiären addierten Wellenform Vplus3 (und der invertierten tertiären Wellenform Vplus3inv) ebenfalls genau angezeigt werden.
  • Demzufolge können die Phasendifferenz zwischen der sekundären Kosinuswelle Vcos2 und der sekundären addierten Wellenform Vplus2 und die Phasendifferenz zwischen der tertiären Kosinuswelle Vcos3 und der invertierten tertiären addierten Wellenform Vplus3inv genau erfasst werden, um die Genauigkeit der Drehmomenterfassung zu verbessern. Da das von der Bedienperson durch das Lenkrad 34 angelegte Lenkdrehmoment daher genau erfasst werden kann, wird das Betätigungsgefühl der Servolenkung verbessert. Obwohl die Amplitude der Erfassungswellenform bei dieser Ausführungsform nicht erfasst wird, ist es möglich, den Betrag der Amplitude mit guter Genauigkeit zu erfassen, da, wie voranstehend erläutert, der Drehmomentsensor 10 gemäß dieser Ausführungsform es ermöglicht, den Mittelpunkt der Erfassungswellenform-Amplitude genau zu bestimmen.
  • Die Erläuterung von 3 wird fortgesetzt. Das sekundäre Erfassungsdrehmoment Vt2 und das tertiäre Erfassungsdrehmoment Vt3, die von dem Phasenvergleicher 90 ausgegeben werden, werden durch jeweilige CR-Filter (Glättungs-Schaltungen) 92, 94 geleitet, um geglättet zu werden, wonach sie zu der ECU 60 und zu einem Differentialverstärker 96 geleitet werden, der die oben genannte Differenz verstärkt. Die Ausgabe des Differentialverstärkers 96 wird als das schließlich erfasste Drehmoment Vtf an die ECU 60 weitergeleitet.
  • Die ECU 60 verwendet das schließlich erfasste Drehmoment Vtf (und das sekundäre Erfassungsdrehmoment Vt2 und das tertiäre Erfassungsdrehmoment Vt3), um die Richtung und den Betrag des an der Lenkwelle 36 eingegebenen Drehmoments zu bestimmen.
  • Daher werden, wie voranstehend erläutert, Vorspannungen, welche durch Verschieben der Phase des Erregersignals um vorbestimmte Beträge erhalten sind, zu der sekundären Ausgabe V2 und der tertiären Ausgabe V3 addiert, wobei die Phasen der resultierenden sekundären addierten Wellenform Vplus2 und der tertiären addierten Wellenform Vplus3 (genauer, der invertierten tertiären addierten Wellenform Vplus3inv) mit den Phasen der Vorspannungen verglichen werden, und das Drehmoment aus den Phasendifferenzen erfasst wird. Das heißt, die Vergrößerung/Verringerung der Permeabilität, die durch Anlegen eines Drehmoments erzeugt wird, wird als Änderung des Spannungswerts erfasst, und die Änderung des Spannungswerts wird als Phase erfasst. Die Erfassungsempfindlichkeit ist daher größer als für den Fall, dass das Drehmoment nur aus dem Spannungswert erfasst wird, und die Genauigkeit der Drehmomenterfassung ist daher verbessert, da ein Einfluss von Rauschen, das beispielsweise dadurch verursacht wird, dass Strom durch den Motor 54 fließt, minimal ist, selbst wenn die Erfassungsspannung klein ist.
  • Ferner werden die Phasendifferenzen auf Grundlage der sekundären Ausgabe V2 und der tertiären Ausgabe V3 erfasst (genauer ausgedrückt, werden das sekundäre Erfassungsdrehmoment Vt2 und das tertiäre Erfassungsdrehmoment Vt3 daraus erfasst), deren Eigenschaften einander entgegengesetzt sind, und die Differenz dazwischen wird für die Drehmomenterfassung verstärkt. Demzufolge ist die Erfassungsempfindlichkeit erhöht, und der Verstärkungsfaktor des Differentialverstärkers 96 kann klein eingestellt werden, und der Effekt von Rauschen durch andere nahegelegene elektrische Geräte ist minimiert (d. h. ein hohes Signal-zu-Rauschen-Verhältnis kann erhalten werden, da das Rauschen nicht verstärkt wird). Die Genauigkeit der Drehmomenterfassung ist daher weiter verbessert. Zusätzlich kann die Wirkung von Änderungen der Induktivität aufgrund von Temperaturänderungen und Änderungen des Verstärkungsfaktors des Differentialverstärkers 96 ausgeschaltet werden, um stabile Erfassungseigenschaften zu realisieren, da diese Änderungen sich zwischen den beiden Ausgaben (Phasendifferenzen) aufheben.
  • Ferner werden die zu der sekundären Ausgabe V2 und der tertiären Ausgabe V3 addierten Vorspannungen erzeugt, indem die Phase des Erregersignals um +90 Grad und um –90 Grad verschoben wird. Die Phasendifferenzen der Vorspannungen (die sekundäre Kosinuswelle Vcos2 und die tertiäre Kosinuswelle Vcos3) relativ zu den addierten Wellenformen (die sekundäre addierte Wellenform Vplus2 und die tertiäre addierte Wellenform Vplus3 (genauer ausgedrückt, die invertierte tertiäre addierte Wellenform Vplus3inv, die durch Invertieren der tertiären addierten Wellenform Vplus3 erhalten ist)) sind daher maximiert, um die Erfassungsempfindlichkeit weiter zu verbessern, während die Tatsache, dass die Erfassungsempfindlichkeit gleich ist, selbst wenn die Eingaberichtung des Drehmoments sich unterscheidet, ebenfalls die Erfassungsgenauigkeit erhöht.
  • Die Erläuterung von 3 wird fortgesetzt. Die sekundäre addierte Wellenform Vplus2 und die tertiäre addierte Wellenform Vplus3 (die Wellenform vor der Inversion durch den Invertierer) werden ebenfalls in einen Fehlfunktionsdetektor 98 eingegeben.
  • Wie in 6, 8 und 10 gezeigt, zeigt die sekundäre addierte Wellenform Vplus2 immer, wenn der Drehmomentsensor 10 normal ist, unabhängig davon, ob ein Drehmoment angelegt ist oder nicht, ein H-Signal zu dem Zeitpunkt, wenn der Spannungswert des Erregersignals Vsin über die Referenzspannung Vref ansteigt (der Zeitpunkt des Übergangs von der Seite niedriger Amplitude zu der Seite hoher Amplitude), und zeigt immer ein L-Signal zu dem Zeitpunkt, wenn der Spannungswert des Erregersignals Vsin unter den Referenzspannungswert Vref fällt (der Zeitpunkt des Übergangs von der Seite hoher Amplitude zu der Seite niedriger Amplitude). Ferner zeigt, wie in
  • 7, 9 und 11 gezeigt, die tertiäre addierte Wellenform Vplus3 immer, un abhängig davon, ob ein Drehmoment angelegt ist oder nicht, ein L-Signal zu dem Zeitpunkt, wenn der Spannungswert des Erregersignals Vsin über die Referenzspannung Vref ansteigt, und zeigt immer ein H-Signal zu dem Zeitpunkt, wenn der Spannungswert des Erregersignals Vsin unter den Referenzspannungswert Vref fällt.
  • Der Fehlfunktionsdetektor 98 erfasst daher die Ausgaben der sekundären addierten Wellenform Vplus2 und der tertiären addierten Wellenform Vplus3 zu den Zeitpunkten des Ansteigens und Fallens des Erregersignals Vsin. Wenn er herausfindet, dass ein erfasster Wert die oben genannte Beziehung für diesen nicht erfüllt, erzeugt er ein Signal, das eine Fehlfunktion des Drehmomentsensors 10 anzeigt, und sendet dieses zu der ECU 60. Wenn der Fehlfunktionsdetektor 98 ein Signal ausgibt, das eine Fehlfunktion des Drehmomentsensors 10 anzeigt, bringt die ECU 60 eine Warnleuchte 66 zum Leuchten, um die Bedienperson aufmerksam zu machen.
  • Da, wie voranstehend erwähnt, das Erregersignal Vsin auf Grundlage der Taktfrequenz (Betriebsfrequenz) der ECU 60 erzeugt ist, können die Erfassung der sekundären addierten Wellenform Vplus2 und der tertiären addierten Wellenform Vplus3 zu den Zeitpunkten des Anstiegs und des Fallens synchron mit den Verarbeitungsschritten der ECU 60 durchgeführt werden. Dies eliminiert eine Verzögerung zwischen dem Zeitpunkt, zu dem der Drehmomentsensor 10 eine Ausgabe erzeugt, und dem Zeitpunkt, zu dem die EVU 60 eine Erfassung der Fehlfunktion durchführt. Der Drehmomentsensor 10 gemäß dieser Ausführungsform erfüllt daher vollständig die Anforderungen an einen eingebauten Fahrzeugsensor, um eine Erfassung einer Fehlfunktion so bald wie möglich (zum am besten geeigneten Zeitpunkt) zu ermöglichen.
  • Da ferner die Erfassungsspulen in zwei Kanälen (d. h. dem sekundären und dem tertiären) derart vorgesehen sind, dass eine Fehlfunktion des Drehmomentsensors 10 von ihrer Ausgabe erfasst werden kann, ist es möglich, die Fehlfunktion des Sensors genau zu erfassen.
  • Wie oben beschrieben worden ist, ist die Ausführungsform derart angeordnet, dass sie einen Drehmomentsensor (10) aufweist, umfassend: einen magnetischen Metallfilm (14) mit magnetischer Anisotropie, welcher an einer Drehmomentübertragungswelle (12, Lenkwelle 36) angebracht ist; eine Erregerspule (16) und eine Erfassungsspule (20, 22), welche jeweils in der Nähe des magnetischen Metallfilms montiert sind; eine Erregerenergie-Zufuhrquelle (ECU 60, Frequenzteiler 60a, eingebaute Batterie 62, Regler 68 für eine konstante Spannung), welche eine ein Erregersignal (Vsin) zur Zufuhr zu der Erregerspule erzeugt; und einen Drehmomentdetektor (28), der an die Erfassungsspule angeschlossen ist und ein Drehmoment, das an die Drehmomentübertragungswelle angelegt wird (Vt2, Vt3, Vtf), auf Grundlage einer Ausgabe (V2, V3) der Erfassungsspule erfasst, wenn das Drehmoment angelegt wird. Die charakteristischen Eigenschaften der Ausführungsform sind, dass das zu der Erregerspule zuzuführende Erregersignal ein Wechselspannungssignal ist; und dass ein Referenzspannungsgenerator (72) an die Erregerenergie-Zufuhrquelle angeschlossen ist, um das Erregersignal einzugeben und das Wechselspannungs-Erregersignal, dessen Referenzspannung (Vref) einen Mittelpunkt des Wechselspannungs-Erregersignal anzeigt, welcher auf eine Spannung gesetzt ist, die einer relativen Einschaltdauer von 50% des Wechselspannungs-Erregersignals entspricht, an die Erregerspule zu leiten.
  • Daher wird eine Spannung, die einer relativen Einschaltdauer von 50% der Erregerenergiezufuhr entspricht, als die Referenzspannung verwendet, welche den Mittelpunkt des Erregersignals anzeigt, das aus einem Wechselspannungssignal gebildet ist. Dies ermöglicht die Zufuhr einer Referenzspannung, welche den Mittelpunkt des Erregersignals genau anzeigt, unabhängig von Fehlern (Fluktuationen), die in der Erregerenergiezufuhr auftreten. Selbst im Falle des Betriebs unter Verwendung einer Mono-Stromquelle kann daher ein Erregersignal mit großer Amplitude erzeugt werden, das bezogen auf die Referenzspannung als dem Mittelpunkt kein Oben-Unten-Un gleichgewicht aufweist. Die Genauigkeit der Drehmomenterfassung wird entsprechend verbessert.
  • Daher wird das Drehmoment auf Grundlage der Phasen der Ausgaben der Erfassungsspule erfasst, wenn die Ausgaben der Erfassungsspule mit der Referenzspannung zusammenfallen. Der Betrag der Amplitude und die Phase der Erfassungswellenform können daher selbst für den Fall des Betriebs mit einer Mono-Stromzufuhr genau erfasst werden. Die Genauigkeit der Drehmomenterfassung ist entsprechend verbessert.
  • Der Sensor umfasst ferner: einen Mikrocomputer (ECU 60), der den Drehmomentdetektor bildet; und die Erregerenergie-Zufuhrquelle weist einen Erregersignalgenerator (sekundärer Bandpassfilter 74, invertierender Verstärker 76, RC-Filter 78) auf, der von der Erregerenergie-Zufuhrquelle zugeführten Strom eingibt und das Erregersignal auf Grundlage der Taktfrequenz des Mikrocomputers erzeugt.
  • Dabei wird das zu der Erregerspule zugeführte Erregersignal auf Grundlage der Taktfrequenz (Betriebsfrequenz) des Mikrocomputers erzeugt. Mit anderen Worten wird das Erregersignal aus einem digitalen Signal erzeugt. Die Genauigkeit der Drehmomenterfassung ist daher verbessert, da ein stabiles Erregersignal, das durch Temperaturänderungen und Spannungsfluktuationen der Stromzufuhr wenig beeinflusst wird, zugeführt werden kann. Da ferner der Betrieb des Mikrocomputers und der Betrieb des Drehmomentsensors synchronisiert sind, wird eine Verzögerung zwischen dem Zeitpunkt, zu dem der Drehmomentsensor 10 ein Signal erzeugt, und dem Zeitpunkt, zu dem die ECU 60 eine Fehlfunktionserfassung durchführt, eliminiert.
  • Bei dem Sensor erzeugt der Erregersignalgenerator eine Sinuswelle mit vorbestimmter Frequenz über eine Analogschaltung (sekundärer Bandpassfilter 74, invertierender Verstärker 76, RC-Filter 78) aus einer Rechteckwelle, die durch Teilen der Taktfrequenz erhalten ist, und erzeugt das Erregersignal (Vsin) aus der Sinuswelle.
  • Daher wird eine Analogschaltung verwendet, um eine Sinuswelle mit vorbestimmter Frequenz aus einer Rechteckwelle zu erzeugen, welche durch Teilen der Taktfrequenz des Mikrocomputers erhalten ist, und das Erregersignal wird aus der Sinuswelle erzeugt. Die Frequenz der in die Analogschaltung eingegebenen Rechteckwelle kann daher reguliert werden, indem die Programmierung des Mikrocomputers geändert wird. Insbesondere kann die Frequenz der in die Analogschaltung eingegebenen Rechteckwelle auf einen Wert gesetzt werden, der an die Analogschaltungseigenschaften (insbesondere die Eigenschaften des sekundären Bandpassfilters zum Durchlassen nur einer vorbestimmten Frequenz (Bandpassfilter)) angepasst ist, indem der Einstellwert (Zählwert) eines Zählers zum Zählen der Taktfrequenz geändert wird, um das Frequenzteilungsverhältnis zu ändern. Dies ermöglicht es, ein rauschfreies Erregersignal (Sinuswelle) zu erzeugen, trotz jeglicher Abweichungen der Analogschaltungseigenschaften von den spezifizierten Werten. Die Genauigkeit der Drehmomenterfassung wird entsprechend verbessert.
  • Der Sensor umfasst ferner: eine zweite Erfassungsspule (22), welche mit der Erfassungsspule in der Nähe des magnetischen Films eingebaut ist; und einen Fehlfunktionsdetektor (98), der an die Erfassungsspule und die zweite Erfassungsspule angeschlossen ist, und der eine Fehlfunktion des Drehmoments auf Grundlage von Ausgaben (V2, V2) der Erfassungsspule und der zweiten Erfassungsspuke erfasst, insbesondere auf Grundlage der sekundären addierten Wellenform Vplus2 und der tertiären addierten Wellenform Vplus3, die von V2, V3 erzeugt sind.
  • Damit sind eine Mehrzahl von Erfassungsspulen und ein Fehlfunktionsdetektor bereitgestellt, und der Fehlfunktionsdetektor erfasst eine Fehlfunktion des Drehmomentsensors aus den Ausgaben der Mehrzahl von Erfassungsspulen. Diese Konfiguration ermöglicht eine genaue Erfassung einer Fehlfunktion des Drehmomentsensors zusätzlich zum Anbieten der Merkmale des ersten und des zweiten Aspekts.
  • Der Sensor ist in einem elektrischen Servolenkungssystem eingebaut, das von einem Elektromotor (54) angetrieben wird, und das in einem Fahrzeug derart vorgesehen ist, dass ein durch ein Lenkrad angelegtes Drehmoment erfasst wird.
  • Dabei ist ein Drehmomentsensor, der die Merkmale eines der ersten bis dritten Aspekte umfasst, in einem elektrischen Servolenkungssystem, das in einem Fahrzeug vorgesehen ist, eingebaut, wodurch ein von einer Bedienperson durch ein Lenkrad angelegtes Drehmoment genau erfasst werden kann, um das Betätigungsgefühl der Servolenkung zu verbessern, und zusätzlich kann eine Verzögerung zwischen dem Zeitpunkt, zu dem der Drehmomentsensor eine Ausgabe erzeugt, und dem Zeitpunkt, zu dem die ECU 60 eine Fehlfunktionserfassung durchführt, eliminiert werden. Im Falle des Drehmomentsensors gemäß dem zweiten Aspekt kann weiterhin die Erzeugung eines rauschfreien Erregersignals sichergestellt werden, indem vor der Auslieferung des Produkts das Frequenzteilungsverhältnis entsprechend der Abweichung der Analogschaltung zur Erzeugung des Erregersignals von den Auslegungsspezifikationen geeignet eingestellt wird. Dadurch kann die Genauigkeit der Drehmomenterfassung noch weiter verbessert werden.
  • Zusätzlich umfasst in dem Sensor die Erregerenergie-Zufuhrquelle einen Frequenzteiler (60a), dessen Frequenzteilungsverhältnis variabel eingestellt ist. Der Sensor umfasst ferner: eine zweite Erfassungsspule (22), welche zusammen mit der Erfassungsspule (20) in der Nähe des magnetischen Films derart eingebaut ist, dass diese in entgegengesetzte Richtungen gewickelt sind.

Claims (12)

  1. Drehmomentsensor (10), umfassend: einen magnetischen Metallfilm (14) mit magnetischer Anisotropie, welcher an einer Drehmomentübertragungswelle (12, 36) angebracht ist; eine Erregerspule (16) und eine Erfassungsspule (20, 22), welche jeweils in der Nähe des magnetischen Metallfilms montiert sind; eine Erregerenergie-Zufuhrquelle (60, 60a, 62, 68), welche eine Erregerenergie mit einer Spannung (Vcc) erzeugt; einen Wechselspannungs-Erregersignalgenerator (74, 76, 78), welcher an die Erregerenergie-Zufuhrquelle (60, 60a, 62, 68) angeschlossen ist, um die Erregerenergie mit der Spannung (Vcc) einzugeben, und ausgelegt ist, um ein Wechselspannungs-Erregersignal (Vsin) zu erzeugen, das der Erregerspule zugeführt werden soll; und einen Drehmomentdetektor (28), welcher an die Erfassungsspule angeschlossen ist und ausgelegt ist, um ein an die Drehmomentübertragungswelle angelegtes Drehmoment (Vt2, Vt3, Vtf) auf Grundlage einer Ausgabe (V2, V3) der Erfassungsspule zu erfassen, wenn das Drehmoment angelegt ist, gekennzeichnet durch einen Referenzspannungsgenerator (72), welcher an die Erregerenergie-Zufuhrquelle angeschlossen ist und ausgelegt ist, um die Erregerenergie mit der Spannung (Vcc) einzugeben, und ausgelegt ist, um eine Referenzspannung (Vref) zu erzeugen, welche einen Mittelpunkt des Wechselspannungs-Erregersignals (Vsin) anzeigt, und welche auf eine Spannung gesetzt ist, die einer 50%igen relativen Ein schaltdauer der Erregerenergie mit der Spannung (Vcc) entspricht.
  2. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, wobei die Referenzspannung dem Drehmomentdetektor (28, 90) derart zugeführt wird, dass der Drehmomentdetektor das angelegte Drehmoment (Vt2, Vt3, Vtf) auf Grundlage der Phase der Ausgabe der Erfassungsspule erfasst, wenn die Ausgabe der Erfassungsspule mit der Referenzspannung zusammenfällt.
  3. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, wobei die Referenzspannung (Vref) dem Wechselspannungs-Erregersignalgenerator (74, 76, 78) zugeführt wird.
  4. Drehmomentsensor nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend: einen Mikrocomputer (60), der den Drehmomentdetektor bildet; wobei der Wechselspannungs-Erregersignalgenerator (74, 76, 78) das Wechselspannungs-Erregersignal auf Grundlage einer Taktfrequenz des Mikrocomputers erzeugt.
  5. Drehmomentsensor nach Anspruch 4, wobei der Erregersignalgenerator eine Sinuswelle mit einer vorbestimmten Frequenz mittels einer Analogschaltung (74, 76, 78) aus einer Rechteckwelle erzeugt, welche durch Aufteilen der Taktfrequenz erhalten ist, und das Erregersignal aus der Sinuswelle erzeugt.
  6. Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend: eine zweite Erfassungsspule (22), welche mit der Erfassungsspule in der Nähe des magnetischen Metallfilms montiert ist; und einen Fehlfunktionsdetektor (98), welcher an die Erfassungsspule und die zweite Erfassungsspule angeschlossen ist und eine Fehlfunktion des Drehmomentsensors auf Grundlage von Ausgaben der Erfassungsspule und der zweiten Erfassungsspule erfasst.
  7. Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Drehmomentsensor in einem elektrischen Servolenksystem montiert ist, das von einem Elektromotor (64) angetrieben und in einem Fahrzeug vorgesehen ist, so dass ein durch ein Lenkrad ausgeübtes Drehmoment erfasst wird.
  8. Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Erregerenergie-Zufuhrquelle einen Frequenzteiler (60a) umfasst, dessen Frequenz-Teilungsverhältnis veränderbar eingestellt ist.
  9. Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend: eine zweite Erfassungsspule (22), die mit der Erfassungsspule (20) in der Nähe des magnetischen Films derart montiert ist, dass sie in entgegengesetzte Richtungen gewickelt sind.
  10. Drehmomentsensor nach Anspruch 9, wobei Spulenelemente (16a, 16b) der Erregerspule (16) in Reihenverbindung stehen, wobei die Seite negativer Spannung an die Seite positiver Spannung angeschlossen ist, und wobei Spulenelemente (20a, 20b) der Erfassungsspule (20) eine differentielle Verbindung aufweisen, wobei ihre Seiten negativer Spannung aneinander angeschlossen sind, während Spulenelemente (22a, 22b) der zweiten Erfassungsspule (22) eine differentielle Verbindung aufweisen, wobei ihre Seiten positiver Spannung aneinander angeschlossen sind.
  11. Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei zu der Ausgabe der Erfassungsspule eine Vorspannung (Vcos2, Vcos3) addiert wird.
  12. Drehmomentsensor nach Anspruch 11, wobei sich die Vorspannung von dem Erregersignal in der Phase um 90 Grad unterscheidet.
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