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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen Drehmomentsensor, insbesondere einen kontaktlosen
(kontaktfreien) magnetostriktiven Drehmomentsensor gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Beschreibung
des zugehörigen
Fachgebiets
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Überblick über die
Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
obigen und andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus
der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen weiter ersichtlich,
wobei:
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1 eine
schematische Ansicht ist, die das Betriebsprinzip eines Drehmomentsensors
gemäß einer
Ausführungsform
dieser Erfindung darstellt;
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2 ein
erläuterndes
Diagramm ist, das den Drehmomentsensor zeigt, der als der Drehmomentsensor
zum Erfassen des Lenkdrehmoments eines elektrischen Servolenkungssystems
verwendet wird;
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3 ein
Blockdiagramm ist, das die Struktur des Drehmomentsensors im Detail
zeigt;
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4 eine
erläuternde
Ansicht ist, die eine Referenzspannung des Drehmomentsensors zeigt;
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5 eine
vergrößerte Ansicht
eines in 3 mit dem Bezugszeichen S bezeichneten
Detektionsabschnitts des Drehmomentsensors ist;
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6 ein
erläuternder
Graph ist, der die sekundäre
addierte Wellenform und andere Wellenformen zeigt, wenn an die Drehmomentübertragungswelle
(Lenkwelle) kein Drehmoment angelegt ist;
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7 ein
erläuternder
Graph ist, der die tertiäre
addierte Wellenform und andere Wellenformen zeigt, wenn wieder an
die Drehmomentübertragungswelle
(Lenkwelle) kein Drehmoment angelegt ist;
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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;
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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;
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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;
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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;
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12 ein
erläuternder
Graph ist, der Eigenschaften der sekundären Erfassungsspule und der tertiären Erfassungsspule
relativ zum angelegten Drehmoment zeigt;
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13 ein
erläuterndes
Diagramm ist (Zeigerdiagramm), das die Vektor-Zusammensetzung zeigt,
wenn die sekundäre
Kosinuswelle zu der Ausgabe der sekundären Erfassungsspule addiert
wird;
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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
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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.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Ein
Drehmomentsensor gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen
erläutert.
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1 ist
eine schematische Ansicht, die das Betriebsprinzip eines Drehmomentsensors
gemäß einer
Ausführungsform
dieser Erfindung darstellt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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2 ist
ein erläuterndes
Diagramm, das den Drehmomentsensor 10 als den Drehmomentsensor
zum Erfassen des Lenkdrehmoments eines elektrischen Servolenkungssystems
verwendet zeigt.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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3 ist
ein Blockdiagramm, das die Struktur des Drehmomentsensors 10 im
Detail zeigt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.)
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.