DE3436643A1

DE3436643A1 - Magnetostriktiver drehmomentsensor

Info

Publication number: DE3436643A1
Application number: DE19843436643
Authority: DE
Inventors: Toru Yokosuka Kanagawa Kita
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1983-10-19
Filing date: 1984-10-05
Publication date: 1985-05-15
Also published as: US4572005A; JPS6088335A

Description

Magnetostriktiver Drehmomentsensor

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf einen magnetostriktiven Drehmomentsensor zum Ermitteln einer Torsionsbelastung/ der einer zu überwachenden Welle unterworfen ist, und speziell auf eine Magnetkopfhalteeinrichtung eines magnetostriktiven Drehmomentsensors, mit dem magnetostriktive Komponenten eines Magnetfeldes, die von der Torsionsbelastung hervorgerufen werden, mittels einer Sensorspule oder einem Hall-Element ermittelt werden können.

Ein einer Welle vermitteltes Drehmoment, das gemessen werden soll, kann durch die verschiedensten bekannten Verfahren ermittelt werden. Beispielsweise wird ein Annäherungs-Mikroschalter nahe der Welle angeordnet, der betätigt wird, wenn der Torsionswinkel der Welle ein vorbestimmtes Maß übersteigt. In einigen Fällen wird ein Dehnungsmeßstreifen direkt an der Außenumfangsflache der Welle befestigt und eine Veränderung im Widerstand, hervorgerufen durch Belastung, wird mittels eines Brückenkreises oder eines Oszilloskops gemessen. Im Falle der Ermittlung des einer Lenkwelle eines Kraftfahrzeuges vermittelten Drehmoments wird ein elastisches Bauteil an der Lenkwelle so befestigt, daß ein Schalter durch eine Verdrehung der Lenkwelle betätigt wird. Die obrigen Drehmomentsensoren sind jedoch vom Berührungstyp, weil bei ihnen ein Sensor direkt auf der beweglichen Welle befestigt ist.

Andererseits gibt es magnetostriktive Drehmomentsensoren, die berührungslos arbeiten, wie beispielsweise in der JP-AS S31-942 beschrieben. Bei diesem Drehmomentsensor ist ein großer, breiter, U-förmiger Erregerkern nahe der äußeren ümfangsfläche einer Welle aus einem magnetostriktiven Material angeordnet, um einen magnetischen Fluß im Oberflächenbereich der Welle zu erzeugen und es ist ein kleiner, schmaler U-förmiger Sensorkern ebenfalls nahe der äußeren ümfangsflache und unter dem großen Erregerkern so angeordnet, daß sich die beiden Kerne im rechten Winkel miteinander kreuzen. Der Sensorkern ermittelt auf diese Weise die magnetostriktiven Komponenten des Magnetfeldes, die von einer durch Verdrehung hervorgerufenen Verformung der zu messenden Welle hervorgerufen werden. Bei einem solchen magnetostriktiven Drehmomentsensor ist es unvermeidbar notwendig, einen vorbestimmten Abstand zwischen dem Erregerkernende und der Welle oder zwischen dem Sensorkernende und der Welle genau einzuhalten. Wenn sich dieser Abstand verändert, dann ist es nämlich unmöglich eine Torsionsbelastung, die der zu prüfenden Welle ausgesetzt ist, mit Genauigkeit zu ermitteln, weil die magnetostriktiven Komponenten als Spannung ermittelt werden, die extrem niedrig ist. Außerdem liegt der genannte Abstand in der Größenordnung von nur einigen 10 μΐη. Um den Abstand zwischen den Kernenden und der Wellenoberfläche genau einzuhalten, wird die zu messende Welle üblicherweise von einem äußeren tubusförmigen Bauteil umgeben, das von zwei Lagern getragen wird, die an den beiden Enden dieses tubusförmigen Bauteiles befestigt sind. Die zwei Kerne sind an der inneren Ümfangsflache des tubusförmigen Bauteils so befestigt, daß ein vorbestimmter Abstand zwischen den Kernendflächen und der äußeren Ümfangsflache der zu messenden Welle eingehalten wird.

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Bei dem oben beschriebenen bekannten magnetostriktiven Drehmomentsensor bestehen jedoch die nachfolgend beschriebenen, sehr ernsten Probleme: Das Hauptproblem liegt darin, daß für die Herstellung und den Zusammenbau der Elemente des Drehmomentsensors höchste Genauigkeit verlangt wird. Genauer gesagt, die wesentlichen Forderungen, die bei der Herstellung des magnetostriktiven Drehmomentsensors zu erfüllen sind, bestehen in:

(1) Die Krümmung der Wellenoberfläche und die Geradheit der zu messenden Welle sollten exzellent sein; (2) die Krümmung und die Geradheit des äußeren tubusförmigen Bauteils sollten ebenfalls exzellent sein; (3) die Konzentrizität der Welle und des tubusförmigen Bauteils sollte sehr gut sein; (4) die Lager des äußeren tubusförmigen Bauteils, das die Welle trägt, sollten in der Krümmung, Konzentrizität, den radialen Abmessungen usw. sehr genau sein; (5) ein steifes magnetostriktives Material sollte für die zu messende Welle verwendet werden; und (6) eine hochpräzise Herstellungs- und Montagetechnik oder reiche Erfahrung sind notwendig. Dementsprechend führen die oben erwähnten Forderungen zu hohen Herstellungskosten und geringer Produktivität.

Der bekannte magnetostriktive Drehmomentwandler nach der JP-AS S31-942 soll später unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert werden, um das Verständnis für die Erfindung und ihre Bedeutung zu erleichtern.

Angesichts dieser Probleme liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, einen magnetostriktiven Drehmomentsensor vom berührungslosen Typ anzugeben, der sich billig und mit hoher Produktivität herstellen läßt und der stabil und präzise bei der Ermittlung von Torsionsbela-

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. 7-

stungen ist, denen eine zu messende Welle ausgesetzt ist.

Diese Aufgabe wird durch die kenn2eichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Unter der Voraussetzung, daß die Oberflächenkrümmung und die Geradheit der zu messenden Welle und das Lagerteil des Magnetkopfhalters innerhalb einer kurzen Distanz sehr genau sind, ist es bei dem magnetostriktiven Drehmomentsensor nach der Erfindung möglich, den Abstand zwischen dem Magnetkopfende und der Außenfläche der Welle genau einzuhalten, so daß es möglich ist, eine Torsionsbelastung oder ein der Welle zugeführtes Drehmoment genau zu ermitteln, wobei die Herstellungskosten verringert und die Produktivität bei der Herstellung verbessert sind.

Die Merkmale der Erfindung und ihre Vorteile gegenüber dem Stand der Technik sollen nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen

Fig. 1 eine Teildarstellung, im Schnitt, eines Erregerkernes mit zwei Erregerwicklungen und Sensorwicklung mit zwei Sensorspulen eines bekannten magnetostriktiven Drehmomentsensors, wobei der Schnitt in Längsrichtung einer

zu messenden Welle gelegt ist und die zwei Kerne direkt an einer Innenseite eines äußeren tubusförmigen Bauteils so befestigt sind, daß ein vorbestimmter Abstand zwischen den Kernenden und der Außenfläche der Welle ein

gehalten wird;

Fig. 2 eine Teildarstellung, im Schnitt, der Anordnung nach Fig. 1, wobei der Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1 in radialer Rich

tung zur Welle gelegt ist;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Verteilung der magnetischen Kraftlinien in einem Magnetfeld, das von den Erregerspulen des bekannten

magnetostriktiven Drehmomentsensors nach Fig. 1 und 2 erzeugt wird, wobei die durchgezogenen Linien den Fall ohne Torsionsbelastung und die gestrichelten Linien den Fall einer auf die Welle in Richtung des Pfeiles S wir

kenden Torsionsbelastung darstellen;

Fig. 4 ein Schaltbild eines typischen Beispiels eines Meßkreises des magnetostriktiven Drehmomentsensors;

Fig. 5 einen Längsschnitt durch ein Steuersystem eines Kraftfahrzeugs, das mit dem Drehmomentsensor nach der Erfindung ausgerüstet ist, wobei ein Magnetkopf des Drehmomentsensors

nach der Erfindung elastisch von einer Steuersäule getragen wird;

Fig. 6 im Schnitt eine vergrößerte Teildarstellung einer ersten Ausführungsform der Magnetkopfhalteanordnung des magnetostriktiven Drehmomentsensors nach der vorliegenden Erfindung, bei der die Lenkwelle drehbar von einem Magnetkopfhalter so getragen wird, daß ein vorbestimmter Abstand zwischen dem Magnetkopf-

ende und dem Umfang der Lenkwelle aufrechterhalten wird;
5

Fig. 7 im Radialschnitt längs der Linie VII-VII von Fig. 6 eine Darstellung der Anordnung nach Fig. 6;

Fig. 8 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform der Magnetkopfhalteanordnung eines magnetostriktiven Drehmomentsensors nach der vorliegenden Erfindung, bei der die Lenkwelle drehbar von einem Magnetkopfhalter so gehalten wird, daß ein vorbestimmter Abstand zwi

schen dem Magnetkopfende und der Außenfläche eines inneren tubusförmigen Bauteils aus einem magnetostriktiven Material, das fest auf die Lenkwelle aufgepaßt ist, eingehalten wird;

Fig. 9 einen Radialschnitt längs der Linie VIX-VIX in Fig. 8 durch die Ausführungsform nach Fig. 8;

Fig. 10 im Axialschnitt eine dritte Ausführungsform

des magnetostriktiven Drehmomentwandlers nach der vorliegenden Erfindung, bei der nur ein Teil der Lenksäule aus einem magnetostriktiven oder magnetischen Material besteht, das

zwischen äußeren Abschnitten angeordnet ist, die aus einem nicht-magnetostriktiven oder nicht-magnetischen Material besteht, wobei die Lenkwelle drehbar von dem Magnetkopfha1-ter so gehalten wird, daß ein vorbestimmter

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zwischen dem Magnetkopfende und dem Teil der Lenkwelle, der aus magnetostriktivem oder magnetischen Material besteht, eingehalten

wird; und

Fig. 11 einen Axialschnitt durch einen Erregerkern

mit zwei Erregerspulen und einem Hall-Element, die gemäß der Erfindung als magnetostriktiver

Drehmomentsensor verwendet sind, wobei der Erregerkern und das Hall-Element mit dem Magnetkopfhalter fest verbunden sind, derart, daß ein vorbestimmter Abstand zwischen dem Kernende oder dem Ende des Hall-Elementes und

der Außenfläche der Lenkwelle eingehalten wird.

Um das Verständnis der vorliegenden Erfindung zu erleichtern, wird zunächst auf einen bekannten magnetostriktiven Drehmomentsensor, der in den Zeichnungen ebenfalls dargestellt ist, Bezug genommen.

Das magnetostriktive Phänomen ist bekannt: Durch mechanische Belastung tritt eine Störung auf, wenn ein magnetisches Material magnetisiert wird, oder die magnetischen Eigenschaften oder die Permeabilität (μ) ändern sich, wenn ein magnetisiertes magnetisches Material durch eine mechanische Belastung gestört wird. Das erwähnte magnetostriktive Phänomen tritt bei Nickel, Nikkeilegierungen, Eisen-Aluminium-Legierungen, Eisen-Nikkellegierungen, Eisen-Kobald-Legierungen usw. auf.

Beispielsweise im Falle der unter dem Namen Permalloy bekannten Legierung, die eine Nickel-Eisen-Legierung mit

einem Nickelanteil von 45 bis 80% ist, steigt die Permeabilität ganz beachtlich an, wenn die Legierung einer Zugspannung ausgesetzt wird. Andererseits steigt die Permeabilität bei Nickel oder einigen anderen Nickellegierungen, wenn diese Materialien einem Druck ausgesetzt werden. Die erwähnten Veränderungen in der Permeabilität werden zur Messung mechanischer Zug- oder Druckkräfte oder zur Ermittlung von Torsionsbelastungen ausgenutzt.

Ein Beispiel eines bekannten magnetostriktiven Drehmomentsensors dieser Art ist in der schon erwähnten JP-AS S31-942 beschrieben. Dieser Drehmomentsensor wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 nachfolgend erläutert. Der Drehmomentsensor besteht im wesentlichen aus einem Paar, im rechten Winkel zueinander angeordneten Weicheisenkernen und einem Meßkreis. Nahe dem äußeren Umfang einer zu messenden Welle 1A ist ein großer, breiter U-förmiger Erregerkern 2 in axialer Richtung der Welle 1A angeordnet. Ein kleiner, schmaler U-förmiger Sensorkern 3 ist in radialer Richtung in bezug auf die Welle 1A angeordnet. Die zwei Kerne 2 und 3 sind so zueinander gelegen, daß sie sich im rechten Winkel schneiden und der kleine, schmale U-formige Kern 3 unter dem breiten U-förmigen Kern 2 gelegen ist, wie die Fig. 1 und 2 ausweisen. Zwei Erregerspulen 4A und 4B sind um die zwei Schenkel la. und 2b des Erregerkerns 2 so angeordnet, daß die zwei Erregerspulen 4A und 4b addierend ein Magnetfeld 0 im Oberflächenbereich der Welle ta in axialer Richtung hervorrufen. Zwei Sensorspulen 5A und 5B sind um die zwei Schenkel 3a und 3b des kleinen Sensorkerns 3 so angeordnet, daß die zwei Sensorspulen ebenfalls additiv die Veränderungen in der Magnetkraft des von den

zwei Erregerspulen erzeugten Magnetfeldes feststellen, wenn eine Torsionsbelastung auf die Welle 1A wirkt. Die zu messende Welle 1A ist innerhalb eines äußeren tubusförmigen Bauteils 1B angeordnet, das von zwei Lagern getragen wird, die an den beiden Enden des äußeren tubusförmigen Bauteils angebracht sind. Die zwei Kerne 2 und 3 sind direkt an der inneren Umfangswand des äußeren tubusförmigen Bauteils 1B so befestigt, daß ein vorbestimmter Abstand C zwischen den Kernendflächen und der äußeren Umfangsflache der Welle 1A eingehalten wird, wie sich aus den Fig. 1 und 2 ergibt.

Fig. 3 zeigt anschaulich die Verteilung der magnetischen Kraftlinie des magnetischen Feldes, das von dem Erregerkern 2 des beschriebenen magnetostriktiven Drehmomentsensors erzeugt wird. In der Zeichnung bezeichnen die Bezugszeichen 2a-1 und 2b-1 die unteren Endflächen der Schenkel 2b bzw. 2a des großen Erregerkerns 2. In gleicher Weise bezeichnen die Bezugszeichen 3a-1 und 3b-1 die unteren Endflächen der Schenkel 3a und 3b des kleinen Sensorkerns 3. Die ausgezogenen Linien stellen die Verteilung der magnetischen Kraftlinien dar, die sich ergibt, wenn keine mechanische Belastung an die zu messende Welle 1A angelegt wird. Die gestrichelten Linien verdeutlichen die Verteilung der magnetischen Kraftlinien, die sich ergibt, wenn an der zu messenden Welle 1A beispielsweise in Richtung des Pfeiles S eine mechanisehe Belastung angelegt wird. Fig. 3 zeigt, daß wenn eine Torsionsbelastung S an der zu messenden Welle 1A wirkt, die Richtungen der magnetischen Kraftlinien gestört werden. Da sich eine"Torsiönsbelastung in eine Zugbelastung und eine Druckbelastung zerlegen läßt, ergibt sich auch eine Veränderung der Permeabilität μ der

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Welle 1Α. Es ist daher möglich, eine Veränderung der Stärke einer Torsionsbelastung oder eines der Welle 1A zugeführten Drehmoment als Veränderung der in den Sensorspulen 5a und 5B induzierten Spannungen zu ermitteln.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel eines Meßkreises zur Verwendung mit dem magnetostriktiven Drehmomentsensor nach den Fig. 1 und 2. Die zwei Erregerspulen 4a und 4B sind hier als eine einzelne Spule dargestellt, ebenfalls sind die zwei Sensorspulen 5A und 5B als Einzelspule, jedoch mit Mittenanzapfung dargestellt. Eine Wechselstromquelle E ist direkt mit den Erregerspulen 4A und 4B verbunden.

Die gleiche Wechselstromquelle E ist indirekt, nämlich über einen Transformator T und ein Paar Dioden-Brückengleichrichter Re₁ und Re₂ mit den Sensorspulen 5A und 5B verbunden. Eine mittels der ersten Sekundärwicklung des Transformators T erzeugte Spannung e wird über einen Widerstand R einem ersten Gleichrichter Re zugeführt. Eine Spannung e, die mit der zweiten Sekundärwicklung des Transformators T erzeugt wird, wird über einen Widerstand R₂ einem zweiten Gleichrichter Re₂ zugeführt. Die Sensorspule 5A ist weiterhin mit einem der Ausgänge des ersten Gleichrichters Re₁ verbunden. Die Mittenanzapfung der einzigen Sensorspule 5A und 5B ist über ein Amperemeter mit dem anderen Ausgang des ersten Gleichrichters Re₁ und mit dem ersten Ausgang des zweiten Gleichrichters Re₂ verbunden. Der zweite Ausgang des Gleichrichters Re₂ ist mit dem anderen Ende der einzigen Sensorspule 5A und 5B, nämlich dem noch freien Ende der Sensorspule 5B verbunden. Da die Spannungen, die den zwei Sensorspulen 5A und 5B zugeführt sind, in bezug aufeinander ausbalanciert sind, wenn der Welle keine Torsionsbelastung zugeführt wird, dann fließt kein Strom durch

das Amperemeter M. Wenn jedoch an der Welle eine Torsionsbelastung wirkt, dann ändert sich die Verteilung der magnetischen Kraftlinien und es verändert sich auch die Permeabilität μ, die Spannungen, die über den zwei Sensorspulen 5A und 5B entwickelt werden, sind zueinander nicht mehr ausgeglichen, so daß ein Sensorstrom durch das Amperemeter M fließt. Dem Meßkreis nach Fig. 4 wohnt weiterhin der Vorteil inne, daß es möglich ist, die Richtung eines der Welle zugeführten Drehmomentens zu ermitteln und die verschiedensten Störeinflüsse, wie Oberwellen, Rauschen, VersorgungsspannungsSchwankungen usw. zu unterdrücken, die in den zwei Sensorspulen 5A und 5B in gleicher Weise entwickelt werden.

Bei dem bekannten magnetostriktiven Drehmomentsensor des beschriebenen Aufbaus besteht jedoch die ernste Forderung, daß der Abstand C zwischen allen unteren Endflächen 2a-1, 2b-1, 3a-1 und 3b-l der Schenkel der zwei Kerne 2 und 3 und der ümfangsflache der Welle 1A stets auf einem vorbestimmten Wert in der Größenordnung von einigen 10 μπι gehalten werden muß. Mit anderen Worten, bei dem bekannten magnetostriktiven Drehmomentsensor ist es möglich, ein der Welle zugeführtes Drehmoment nur dann genau zu ermitteln, wenn der genannte Abstand exakt eingehalten wird. Es ist daher unverzichtbar notwendig, die verschiedenen mechanischen Teile des Drehmomentsensors unter Einhaltung extrem hoher Genauigkeit herzustellen und zusammenzubauen. Genauer gesagt, die Rundung der Wellenoberfläche und des tubusförmigen Bauteils 1B und die Geradheit der Welle 1A und des tubusförmigen Bauteils 1B müssen hochexakt sein. Die Konzentrizität von Welle 1A und tubusförmigem Bauteil 1B muß gut sein; die Lager zum Halten der Welle 1A müssen in Krümmung, Kon-

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zentrizität, radialen Abmessungen usw. präzise sein, für die mechanischen Elemente muß steifes Material verwendet werden, usw.. Die oben erwähnten Forderungen führen zu hohen Herstellungskosten und geringer Produktivität bei der Herstellung.

Speziell im Falle, wo der magnetostriktive Drehmomentsensor an einer Lenkwelle eines Kraftfahrzeugs angebracht ist, um das auf die Lenkwelle ausgeübte Drehmoment zu ermitteln und daraus Steuersignale für ein Servolenksystern zu gewinnen, müssen sowohl die Lenkwelle als auch die Lenksäule in bezug auf Krümmung, Geradheit und Konzentrizität exakt hergestellt und zusammengebaut werden. Hochpräzise Lager müssen zum Lagern der Lenkwelle eingesetzt werden. Die Lenkwelle und die Lenksäule müssen aus einem teuren Material hergestellt werden, das eine große Steifigkeit aufweist. Es muß eine komplizierte Technik und viel Know-How beim Zusammenbau dieser mechanischen Elemente eingesetzt werden, was in gleicher Weise die Herstellungskosten emportreibt und die Produktivität verringert.

Im Vergleich hierzu soll nun der magnetostriktive Drehmomentwandler nach der vorliegenden Erfindung erläutert werden. In der nachfolgenden Beschreibung wird die Erfindung in bezug auf ihre Anwendung bei einem magnetostriktiven Drehmomentwandler beschrieben, der an einer Lenkwelle für ein Kraftfahrzeug angebracht ist, um das der Lenkwelle zugeführte Drehmoment zu ermitteln. Das ermittelte Drehmoment der Lenkwelle dient zur Steuerung eines Servolenksystems, mit dem ein Kraftfahrzeug ausgerüstet ist.

Fig. 5 zeigt schematisch eine Lenkanordnung für ein

In der Zeichnung ist ein Lenkrad 10 mit dem einen Ende einer Lenkwelle 11 verbunden und ein Lenkrohr 12 ist mit dem anderen Ende der Lenkwelle 11 verbunden. Die Lenkwelle 11 wird von einem Kugellager 14 getragen, das am einen Ende einer Lenksäule 13 angeordnet ist. Das Lenkrohr 12 wird von einem Lager 15 getragen, das am anderen Ende der Lenksäule 13 angeordnet ist.

Ein Magnetkopf 20 des magnetostriktiven Drehmomentsensors nach der vorliegenden Erfindung ist an der Lenkwelle 11 innerhalb der Lenksäule 13 angebracht. Innerhalb des Magnetkopfes 20 sind ein Ferriterregerkern mit zwei Erregerspulen und ein Ferritsensorkern mit zwei Sensorspulen in der gleichen Weise angeordnet, wie oben unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 bereits erläutert wurde. Ein Hochfrequenzstrom wird durch die Erregerspulen (nicht dargestellt) geleitet und eine Veränderung in der Magnetkraft, die sich auf der Oberfläche der Lenkwelle 11 verteilt, wird durch die Sensorspulen (nicht dargestellt) ermittelt. Der Magnetkopf 20 wird von der Steuersäule 13 mittels einer elastischen Manschette 21 getragen, die in eine Öffnung in der Steuersäule 13 eingepaßt ist. Mit 22 ist ein Kabel mit Leitern bezeichnet, die von den Erreger- und Sensorspulen ausgehen.

Die Fig. 6 und 7 zeigen eine erste Ausführungsform des magnetostriktiven Drehmomentsensors nach der vorliegenden Erfindung in vergrößertem Maßstab. Wie durch diese Zeichnungen verdeutlicht, ist der Magnetkopf 20 von einem Magnetkopfhalter 23 umschlossen. Der Magnetkopfhalter 23 weist einen Lagerabschnitt 24 auf, von welchem die Lenkwelle 11 drehbar gelagert wird, und einen Flansch 25, um den die elastische Manschette 21 befestigt ist.

Der Magnetkopfhalter 23 besteht aus einem Kunstharz oder Plastikmaterial und ist im Spritzverfahren hergestellt, und die elastische Manschette 21 besteht aus einem elastischen Material, wie Gummi, und ist ebenfalls im Spritzverfahren hergestellt. Der Flansch 25 des Magnetkopfhalters ist beim Herstellen der elastischen Manschette 21 in diese eingegossen. Die Endfläche des Magnetkopfes, die dem Umfang der Lenkwelle 11 gegenübersteht, ist kreisbogenförmig so gestaltet, daß ein vorbestimmter Abstand C (in der Größenordnung von einigen 10 μπι) zwischen dem Magnetkopf 20 und der Lenkwelle 11 eingehalten ist. In der Zeichnung ist dieser Abstand C nicht maßstäblieh dargestellt.

Da bei dem magnetos tr iktiven Drehmomentsensor nach dem oben beschriebenen Aufbau der Abstand c zwischen dem Magnetkopf 20 und der Lenkwelle 11 präzise auf einem festen Wert von dem Tragabschnitt 24 des Magnetkopf halters 23 gehalten wird und weil der Magnetkopf 20 von der Lenksäule 13 mittels der elastischen Manschette 21 beweglich getragen wird, ist es möglich. Änderungen der in der Oberfläche der Lenkwelle 11 verteilten magnetischen Kraft sicher festzustellen, d.h. ein auf die Lenkwelle 11 ausgeübtes Drehmoment zu ermitteln, sofern die Krümmung der Oberfläche und die Geradheit von Lenkwelle 11 und Tragabschnitt des Magnetkopfhalters 23 innerhalb einer kurzen Distanz genau eingehalten werden. Mit anderen Worten, die Magnetkopf halteanordnung nach der vorliegenden Erfindung ist nicht dem Einfluß von (1) der Oberflächenkrümmung und der Geradheit der Steuersäule 13; (2) der Konzentrizität von Steuerwelle und Steuersäule; (3) der Präzision der an der Steuersäule 13 befestigten Lager; (4) der Verwendung weichen magnetostrik-

tiven Materials usw. ausgesetzt. Da außerdem keine besonders präzise Arbeit zur Herstellung und zum Zusammenbau des Drehmomentsensors erforderlich ist, können die Herstellungskosten verringert und kann die Produktivität beachtlich gesteigert werden.

Fig. 8 und 9 zeigen eine zweite Ausführungsform eines magnetostriktiven Drehmomentsensors nach der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist außerdem ein inneres tubusförmiges Bauteil 26 aus einem magnetostriktiven Material am Drehmomentsensor vorgesehen. Dieses innere tubusförmige Bauteil 26 ist fest auf den Außenumfang der Lenkwelle 21 aufgepaßt und drehbar vom Lagerteil 24 des Magnetkopfhalters 23 getragen. Da bei dieser Ausführungsform das Drehmoment oder Torsionsbelastungen der Lenkwelle 11 über das magnetostriktive innere tubusförmige Bauteil 26 ermittelt werden können, ist es möglich, das Material der Lenkwelle 11 hinsichtlich Festigkeit und Bearbeitbarkeit frei auszuwählen, ohne daß auf die Anbringung eines Sensors Rücksicht genommen werden muß, denn magnetostriktives Material hoher Permeabilität ist relativ teuer.

Bei dieser zweiten Ausführungsform wird ähnlich der ersten Ausführungsform keine extreme Präzision in bezug auf Krümmung und Geradheit der Lenksäule 13, der Konzentrizität der Lenkwelle 11, des inneren tubusförmigen Bauteils 26 und der Lenksäule 13, der Präzision der Lager der Lenksäule 13 usw. für Herstellung und Zusammenbau verlangt. Es ist daher möglich, die Herstellungskosten zu senken und die Produktivität zu steigern.

Fig. 10 zeigt eine dritte Ausführungsform des magneto-

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striktiven Drehmomentsensors nach der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform besteht nur ein Teilstück 11c der Lenkwelle 11, dessen Umfangsflache dem
Magnetkopf 20 dicht gegenübersteht, aus einem magnetostriktiven Material. Die Lenkwelle 11 ist in der Weise
hergestellt, daß das zylindrische Teilstück 11c aus magnetostriktivem Material beiderseits von anderen zylindrisehen Wellenstücken 11A und 11B verlängert wird, die

nicht aus magnetostriktivem Material bestehen. Da magne-. tostriktives Material relativ teuer ist, können die Materialkosten bei dieser Welle 11 beachtlich reduziert
werden.

Die oben beschriebenen Ausfuhrungsformen sind anhand
eines magnetostriktiven Drehmomentsensors erläutert worden, bei dem der Magnetkopf 20 Erregerspulen und Sensorspulen aufweist. Ohne auf die Sensorspulen beschränkt

zu sein ist es möglich, ein Hall-Element einzusetzen.

Fig. 11 zeigt eine vierte Ausführungsform eines magnetostriktiven Drehmomentsensors nach der vorliegenden Erfindung. In dieser Fig. erkennt man ein Hall-Element 30, das anstelle der Sensorspulen 5A und 5B nach den Fig. 1
und 2 in dem Kopf angeordnet ist.

Wenn ein Strom I in Längsrichtung durch ein langes und schlankes leitfähiges oder halbleitendes Hall-Element 30 fließt und ein Magnetfeld H senkrecht zur Längsrichtung

Ji

des HaIl-Elerneηtes 30 angelegt wird, dann wird gemäß dem Hall-Effekt eine elektromotorische Kraft E am Hall-Element 30 in einer Richtung senkrecht zum Strom I und zum Magnetfeld H erzeugt.
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Wenn sich das Magnetfeld H aufgrund eines an der Lenk-

Ji

welle 11 wirkenden Drehmoments sich ändert, dann ist es möglich, dieses Drehmoment als Änderung der über dem Hall-Element 30 entwickelten Spannung zu ermitteln.

Die obigen Ausführungsformen sind weiterhin für den Fall ermittelt worden, wo der magnetostriktive Drehmomentsensor nach der Erfindung an der Lenkwelle eines Kraftfahrzeuges angebracht ist. Ohne auf die Anwendung auf die Lenkwelle beschränkt zu sein ist es selbstverständlich möglich, die vorliegende Erfindung auch an anderer Stelle industriell einzusetzen, wo ein an einer Welle wirkendes Drehmoment gemessen werden soll.

Wie oben beschrieben, wird der Abstand zwischen den Kernen der Erreger- und Sensorspulen oder einem Hall-Element und dem äußeren Umfang einer zu messenden Welle unabhängig von den Problemen, daß die Welle oder andere Elemente sich verformen können oder die Herstellungsund Montagegenauigkeit gering ist, bei dem magnetostriktiven Drehmomentsensor nach der vorliegenden Erfindung konstant gehalten, und es ist daher möglich, das an der Welle wirkende Drehmoment stabil und genau zu messen, vorausgesetzt, daß die zu messende Welle sicher und drehbar von dem Lagerabschnitt des Magnetkopfhalters, der einen Magnetkopf aufnimmt, gehalten wird.

Claims

GRÜNECKER. KINKELDEY. STOCKMAIR & PARTNER PATENTANWÄLTE A GRUNECKER :>■.-. .^t. DR H KINKELDEv. i,.Dl wc. DR W STOCKMAIR an. « «F ir DR K SCHUMANN Pi^ c.vs P H JAKOB D.*\ .N', DR G BE-ZOLD Pf1 chev W MEISTER »►. -;, H HILGERS. p.". -NCj DR H MEYER-PLATH d»\. .no DR M BOTT-BODENHAUSEN-r" DR U KINKELDEY DiB1 a.D. 80OO MÜNCHEN P 19 NISSAN MOTOR COMPANY, LIMITED 2, Takara-cho, Kanagawa-ku, Yokohama-shi, Kanagawa-ken, Japan Magnetostriktiver Drehmomentsensor Patentansprüche

1. Magnetostriktiver Drehmomentsensor zum Ermitteln einer Torsionsbelastung, die an einer zu messenden Welle anliegt, enthaltend:

a) ein äußeres tubusförmiges Bauteil (13) zum Aufnehmen der zu messenden Welle in der Weise, daß es die Welle mit einem Paar an ihn zu beiden Seiten angebrachter Lager drehbar abstützt;

b) einen Magnetkopf (20), enthaltend:

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1. einen Erregerkern (2) mit einer Erregerspule (4A₇ 4B) zum Erzeugen eines Magnetfeldes an einer äußeren Umfangsflache der zu messenden

Welle; und

2. einen Sensorkern (3) mit einer Sensorspule (5A, 5B) zum Ermitteln magnetostriktiver Komponenten des Magnetfeldes, die von einer auf die Welle einwirkenden Torsionsbelastung her

vorgerufen werden, wobei der Sensorkern im rechten Winkel zum Erregerkern angeordnet ist;

c) einen Magnetkopfhalter (23) zum Umschließen und Tragen des Magnetkopfes (20) darin, wobei der Halter mit zwei Lagerabschnitten (24) ausgerüstet ist, durch welche die zu messende Welle drehbar so abgestützt ist, daß ein vorbestimmter kleiner Abstand (C) zwischen einer Sensorfläche des Magnetkopfes (20) und der äußeren Umfangsflache der zu messenden Welle aufrechterhalten wird;

d) eine elastische Halteeinrichtung (21) zum elastischen Halten des Magnetkopfhalters (23) am äußeren tubusförmigen Bauteil (13) derart, daß der magnetische Kopfhalter (23) in radialer Richtung der zu messenden Welle beweglich ist.

2. Sensor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß der Magnetkopfhalter (23) mit einem Flansch (25) versehen ist, der elastisch mit dem elastischen Halteelement (Manschette) (21) verbunden ist.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß er ein

inneres tubusförmiges Bauteil (26) aus einem magnetostriktiven Material aufweist, das fest auf den Außenumfang der zu messenden Welle aufgepaßt ist und das drehbar von den Lagerabsehnitten des Magnetkopfhalters (23) abgestützt ist, wodurch es möglich ist, eine der Welle vermittelte Torsionsbelastung zu messen, auch wenn die Welle aus einem nicht-magnetostriktiven Material besteht.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet , daß ein Teilabschnitt (11c) der zu messenden Welle aus einem magnetostriktiven Material besteht, der von den Lagerabschnitten des Magnetkopfhalters (23) unterstützt wird und an den sich zwei andere Wellenabschnitte (11A, 11B) aus einem nicht-magnetostriktiven Material anschließen.

5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß der Magnetkopfhalter (23) aus einem Kunstharz besteht.

6. Sensor in Abänderung eines solchen nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet , daß anstelle des Sensorkerns und der Sensorspulen ein Hall-Element (30) in dem Magnetkopf (20) angeordnet ist.