DE3821083A1 - Drehmomenterfassungsgeraet - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Drehmomenterfassungsgerät und bezieht sich insbesondere auf ein solches Gerät, das das Drehmoment aufgrund der Verdrehung eines Drehstabes erfaßt. Die Erfindung eignet sich für die Anwendung bei einem Drehmomentunterstützungsgerät einschließlich eines Lenkkraftunterstützungssystemes oder Servosystemes für ein Kraftfahrzeug, so daß der Gegenstand der Erfindung in einem Servolenksystem enthalten sein kann.

Eines der bekannten Drehmomentmeßgeräte mit einem Torsionsstab ist das durch Parkinson erfundene Gerät, das in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 54-14 949 beschrieben ist. Der Parkinson'sche Drehmomentdetektor hat ein zweites Zahnrad 14, das direkt auf einer Welle 13 befestigt ist, und ein erstes Zahnrad 11, das am freien Ende einer Hülse 12 befestigt ist, die ihrerseits an der Welle 13 befestigt ist. Das Gerät hat ferner einen ersten magnetischen Übertrager 16 und einen dritten magnetischen Übertrager 17 zum Erfassen der Zähne des ersten Zahnrades und einen zweiten magnetischen Übertrager 17 und einen vierten magnetischen Übertrager 20 zum Erfassen der Zähne des zweiten Zahnrades, und mißt das Drehmoment aufgrund der Verdrehung oder Torsion der Welle, die aufgrund der Differenz der Drehlagen des ersten und zweiten Zahnrades, die durch die Sensoren ermittelt werden, gemessen wird. Jedoch ist es nicht klar, welche Art von magnetischen Übertragern beim Gegenstand der Parkinsonschen Erfindung verwendet werden, obwohl die Beschreibung erkennen läßt, daß die magnetischen Übertrager mit den Zahnrädern gekoppelt sind und die zugehörige Fig. 3 suggeriert, daß die Übertrager vom Typ der elektromagnetischen Aufnehmerspule sind.

Übertrager oder Wandler vom Typ der elektromagnetischen Aufnehmerspule haben ein Ausgangssignal, dessen Amplitude von der Drehzahl der Zahnräder abhängt. Der Übertrager erzeugt ein kleines Ausgangssignal bei niedriger Drehzahl des Zahnrades und ist daher nicht dazu in der Lage, ein Drehmoment zu erfassen, wenn sich das Zahnrad äußerst langsam dreht oder ruhigsteht.

Ein Drehmomentmeßgerät, das eine Torsionsstange verwendet, ist in der japanischen Gebrauchsmuster-Offenlegung Nr. 61-76 338 (Yoneda) beschrieben. Das Gerät hat zwei magnetische Medien 24, 25, die mit einem bestimmten Abstand auf der Torsionsübertragungswelle 21 befestigt sind. Die magnetischen Pole N und S werden durch magnetische Widerstandselemente 28, 29 erfaßt. Das magnetische Widerstandselement hat einen Innenwiderstand, der sich in Abhängigkeit von dem Magnetfeld ändert und erfaßt die Lage der magnetischen Pole selbst bei einem ruhigstehenden magnetischen Mediumpunkt.

Bei dem Gerät gemäß Yoneda, bei dem die Probleme der obenbeschriebenen Apparatur nach Parkinson gelöst sind, wird das Drehmoment durch Zählung von Pulsen gemessen, die von Signalen von den magnetischen Widerstandselementen 28, 29 (siehe Fig. 1) abgeleitet werden, so daß ein Drehmoment dann nicht gemessen werden kann, wenn die Anzahl der Pulse für eine Berechnung nicht ausreicht. Insbesondere ist es nicht durchführbar, eine kleine Drehmomentänderung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen zu erfassen.

Im Hinblick auf diesen Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Drehmomenterfassungsgerät zu schaffen, bei dem die magnetische Widerstandseffektelemente (nachfolgend "MR-Elemente" genannt) verwendet werden und daß auf das Drehmoment in einem Drehzahlbereich zwischen dem Anhalten und extrem hohen Drehzahlen ständig (in äußerst kleinen Schritten) anspricht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt in der Schaffung eines Drehmomentunterstützungssystemes, das in geeigneter Weise das erfindungsgemäße Drehmomenterfassungsgerät einsetzt.

Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt in der Schaffung eines praktischen Verfahrens und einer Struktur zum geeigneten Durchführen und Erreichen der obigen Ziele.

Das erfindungsgemäße Drehmomenterfassungsgerät erfaßt ein Lastdrehmoment auf der Grundlage der relativen Winkeldifferenz, die durch Winkeldetektoren erfaßt wird, die in einem bestimmten Abstand auf einer Welle befestigt sind, die durch eine Antriebsquelle gedreht wird. Das Gerät hat zwei Drehtrommeln oder Drehscheiben, die mit einem bestimmten Abstand auf der Antriebsseite und der Lastseite der Welle befestigt sind, wobei eine Mehrzahl von magnetischen Polen zum Erzeugen magnetischer Signale auf der Trommel-Oberfläche oder Scheiben-Oberfläche ausgebildet sind, und wobei ein magnetischer Sensor gegenüber der Trommel- oder Scheiben-Oberfläche angeordnet ist, und hat magnetische Widerstandseffektelemente, die ihren Innenwiderstand in Reaktion auf den Magnetismus der auf sie einwirkenden Magnetpole variieren. Der Betrag der Torsion der Drehwelle an der Lastseite, die durch das Lastdrehmoment erzeugt wird, wird als Phasendifferenz der Ausgangssignale des magnetischen Sensors gemessen und in Ausdrücke oder Termen der Winkeldifferenz zwischen den Magnettrommeln oder Magnetscheiben gemessen, wobei das Drehmoment aufgrund dieser Winkeldifferenz erfaßt wird.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 bis 9 Diagramme eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung, und zwar:

Fig. 1 ein Querschnittsdiagramm des Drehmomenterfassungsgerätes;

Fig. 2 eine kurze perspektivische Darstellung der ersten und zweiten Trommel;

Fig. 3 eine vergrößerte Draufsicht auf den Zustand des Magnetsignals der ersten Trommel;

Fig. 4 ein Diagramm der Anordnung der MR-Elemente des magnetischen Sensors;

Fig. 5 ein Anschlußdiagramm der MR-Elemente;

Fig. 6 ein schematisches Diagramm der Verarbeitungseinheit für die Ausgangssignale;

Fig. 7 und 8 Signalformdiagramme; und

Fig. 9 eine Darstellung eines Drehmomentunterstützungssystemes;

Fig. 10 bis 16 Diagramme eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, und zwar:

Fig. 10 eine Gesamtansicht eines Drehmomenterfassungsgerätes;

Fig. 11 ein Diagramm der Anordnung der MR-Elemente des magnetischen Sensors;

Fig.12 ein Anschlußdiagramm für die MR-Elemente;

Fig. 13 ein schematisches Diagramm der Verarbeitungseinheit für die Ausgangssignale;

Fig. 14 ein Signalformdiagramm;

Fig. 15 ein schematisches Diagramm einer Erfassungsschaltung für eine Differentialspannung; und

Fig. 16 ein Signaldiagramm des Signales, das von der Erfassungsschaltung für die Differentialspannung empfangen wird;

Fig. 17 bis 22 Diagramme eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung, und zwar:

Fig. 17 eine Querschnittsdarstellung eines Drehmomenterfassungsgerätes;

Fig. 18 ein Blockdiagramm der Steuereinheit;

Fig. 19 ein Diagramm der Steuercharakteristika;

Fig. 20 ein schematisches Diagramm der Steuereinheit;

Fig. 21 ein Signalverlaufdiagramm; und

Fig. 22 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Betriebsweise;

Fig. 23 bis 33 Diagramme eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung, und zwar:

Fig. 23 eine Darstellung der Anordnung eines Drehmomentmeßgerätes gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 24 ein detailliertes Diagramm der Drehtrommel und des magnetischen Sensors, die das Drehmomenterfassungsgerät bilden;

Fig. 25 ein Diagramm in Form einer Abwälzung der magnetischen Glieder sowie eine Draufsicht auf den Magnetsensor, der den magnetischen Gliedern gegenüberliegt;

Fig. 26 ein Diagramm der Magnetpole, die auf den Magnetgliedern aufgezeichnet sind; und der Ausgangssignale der Sensoren;

Fig. 27 ein Anschlußdiagramm der MR-Elemente in einer Drei-Anschluß-Anordnung;

Fig. 28A und 28B Signaldiagramme des Ausgangssignals, das an dem mittigen Anschluß der Drei-Anschluß-Konfiguration erzeugt wird;

Fig. 29A und 29B Diagramme zum Erläutern der Lastdrehmomenterfassung auf der Grundlage der Ausgangssignale der Magnetsensoren;

Fig. 30 eine charakteristische grafische Darstellung des erfindungsgemäßen Drehmomenterfassungsgeräts;

Fig. 31 ein Diagramm der Anordnung eines Ausführungsbeispiels des Drehmomenterfassungsgerätes zum Erfassen des Drehmomentes bei Stillstand;

Fig. 32(A) eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen dem Sensorausgangssignal und dem Trägersignal;

Fig. 32(B) ein Diagramm zum Erläutern der Betriebsart zum Unterscheiden auf der Grundlage der beiden magnetischen Sensorausgangssignale; und

Fig. 33 eine Darstellung der Anordnung eines weiteren Ausführungsbeispiels;

Fig. 34 bis 41 Diagramme eines fünften Ausführungsbeispiels der Erfindung; und zwar:

Fig. 34 eine kurze perspektivische Darstellung des Drehmomenterfassungsgerätes;

Fig. 35 eine Querschnittsdarstellung des Gerätes; und

Fig. 36 bis 41 Diagramme weiterer Strukturen des Gerätes gemäß Fig. 34;

Fig. 42 bis 48 Diagramme eines sechsten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, und zwar:

Fig. 42, 44, 45 und 47 Diagramme der Beziehung zwischen der Drehtrommel und dem magnetischen Sensor;

Fig. 43 ein Signalformdiagramm; und

Fig. 46 und 48 Signalverlaufsdiagramme des Ausgangssignales bezüglich des magnetischen Signales auf der Drehtrommel;

Fig. 49 bis 52 Diagramme eines siebten Ausführungsbeispiels der Erfindung, und zwar:

Fig. 49 ein Blockdiagramm der Schaltungsanordnung unter Verwenden eines Mikrocomputers;

Fig. 50 ein Flußdiagramm der Drehmomentberechnung;

Fig. 51 ein Flußdiagramm der Drehzahlerfassung und Lageerfassung; und

Fig. 52 ein Diagramm einer Technik zum Erzeugen eines Sinussignales;

Fig. 53 bis 55 Diagramme eines achten Ausführungsbeispiels der Erfindung, das ein dreieckiges Signal erzeugt;

Fig. 56 bis 59 Diagramme eines neunten Ausführungsbeispiels der Erfindung, und zwar:

Fig. 56 ein Ausgangssignal bezüglich eines magnetischen Signales auf der Drehtrommel;

Fig. 57 ein Anschlußdiagramm der MR-Elemente in einer Drei-Anschluß-Konfiguration;

Fig. 58 ein Ausgangssignal, das durch die obige Schaltung oder Anschlußverbindung erzeugt wird; und

Fig. 59 ein Blockdiagramm der Schaltungsanordnung, die eine ROM-Schaltung und einen Mikrocomputer verwendet.

Die Erfindung wird nunmehr unter Heranziehung von zwei Beispielen eines Automobillenksystemes erläutert, auf das das erfindungsgemäße Drehmomenterfassungsgerät in geeigneter Weise angewendet wird.

Ausführungsbeispiel 1

Das erste Ausführungsbeispiel wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert. In dieser Figur ist durch das Bezugszeichen 1 eine Getriebebox oder ein Getriebekasten bezeichnet, der durch einen Deckel 2 an der oberen Fläche geschlossen ist. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet eine Antriebswelle, wie beispielsweise eine Lenkwelle, die drehbar durch den Deckel 2 mittels einer Lagerung 4 gelagert ist. Das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Öldichtung oberhalb der Lagerung 4. Das Bezugszeichen 6 ist eine angetriebene Welle, die drehbar in der Getriebebox 1 durch Lagerungen 7 und 8 gehalten ist. Das Bezugszeichen 9 bezeichnet eine Öldichtung für die angetriebene Welle. Die Antriebswelle 3 und die angetriebene Welle 6 sind derart angeordnet, daß ihre Achsen genau miteinander auf einer Linie ausgerichtet sind, wie man aus der Figur erkennt. Die Wellen 3 und 6 werden an einer Achsenexzentrizität oder einer Achsen-Fehlausrichtung durch ein Kopplungslager 10 gehindert. Das Kopplungslager 10 ist an seinem inneren Rand ausgestaltet, um einen Zylinderabschnitt mit kleinem Durchmesser aufzunehmen, der am unteren Ende der Antriebswelle 3 ausgebildet ist, während der äußere Rand so ausgestaltet ist, daß er eine Kopplung mit einem Zylinderabschnitt mit großem Durchmesser herstellt, der am oberen Ende der angetriebenen Welle 6 ausgebildet ist. Das Kopplungslager 10 und die zylindrischen Abschnitte mit kleinem und großem Durchmesser werden sehr genau durch Drehen in der Weise hergestellt, daß eine Wellenausrichtung aufrechterhalten wird.

Durch das Bezugszeichen 11 ist eine erste Trommel bezeichnet, die am unteren Ende der Antriebswelle 3 befestigt ist. Das Bezugszeichen 12 bezeichnet eine zweite Trommel, die am oberen Ende der angetriebenen Welle 6 befestigt ist. Die Trommeln 11 und 12 bestehen aus einem nichtmagnetischen Material, wie beispielsweise Aluminium, und sind genau gedreht, damit sie genau die gleichen Abmessungen haben. Die Trommeln 11 und 12 sind vorzugsweise so nahe wie möglich aneinander angeordnet. Die Trommeln sind auf ihrem Umfang mit magnetischen Medien versehen, wie nachfolgend erläutert wird, wobei diese Medien derart magnetisiert sind, daß sie abwechselnd magnetische Nordpole und Südpole in einem Abstand von 10 µm bilden. Das Bezugszeichen 13 ist ein Substrat eines magnetischen Sensors (MS). Das Bezugszeichen 14 bezeichnet ein Magnetwiderstandseffektelement (MR-Element), das durch Dampfabscheiden oder Ätzen auf der Oberfläche des Substrates 13 ausgebildet ist.

Das Bezugszeichen 15 bezeichnet einen Drehstab, der sich von der antreibenden Welle 3 zu der angetriebenen Welle 6 erstreckt und an beiden Enden mittels Stiften 16 und 17 befestigt ist. Die angetriebene Welle 6 hat die Form eines Ritzels an ihrer unteren Außenfläche, so daß sie mit einem Servounterstützungssystem, wie beispielsweise einem Motorrahmen, gekoppelt ist. Am unteren Ende der angetriebenen Welle 6 liegt eine Ausgangsnabe 20, die mit dem Lenkmechanismus (nicht dargestellt) gekoppelt ist.

Es sei angenommen, daß ein Kraftfahrzeug mit seiner Radbereifung in Kontakt mit der Straßenoberfläche mit einem bestimmten Kontaktdrehmoment (Reibmoment) steht. Bei Drehen des Lenkrades, d. h. bei Aufbringen eines Drehmomentes auf die antreibende Welle 3 wird ein Drehmoment an dem Drehstab oder Torsionsstab proportional zum angelegten Drehmoment erzeugt, soweit das aufgebrachte Drehmoment der antreibenden Welle 3 kleiner als das Kontaktdrehmoment ist. Aufgrund der Drehdifferenz zwischen der antreibenden Welle 3 und der angetriebenen Welle 6 d. h. der Torsion des Torsionsstabes 15 wird das Drehmoment ermittelt. Wenn dieses Drehmoment, d. h. die vom Fahrer aufgebrachte Betätigungskraft auf die antreibende Welle 3 progressiv ansteigt, steigt gleichfalls die Torsion am Torsionsstab an und erreicht den kritischen Punkt, bei dem die Reibkraft überwunden wird. Dieser kritische Punkt stellt die Größe des Kontaktdrehmomentes dar oder, mit anderen Worten, die Größe der nötigen Lenkkraft. Wenn die Betätigungskraft weiterhin erhöht wird, drehen sich die antreibende Welle 3 und die angetriebene Welle 6 mit der Betriebsdrehzahl, während der Torsionsstab 15 einen bestimmten maximalen Torsionswert beibehält. In diesem Zustand sind die antreibende Welle 3 und die angetriebene Welle 6 in einer scheinbar festen Verbindung. Wenn das maximale Drehmoment, d. h. die nötige Betätigungskraft zu groß ist, als daß der Fahrer hiermit fertig wird, wird ein Servounterstützungsgerät oder eine Unterstützungsantriebseinheit verwendet, um die für den Fahrer benötigte Betätigungskraft herabzusetzen.

Tatsächlich kann die Drehmomenterfassung durch Erfassen des Betrages der Torsion des Torsionsstabes ausgeführt werden. Der Torsionsstab 15 ist vergleichsweise dünn, so daß er eine bestimmte Federkraft hat. Ein dünner Torsionsstab weist eine niedrige Torsion, d. h. eine niedrige Verschiebung auf, so daß es schwierig ist, die Torsion direkt zu messen. Daher werden die erste Trommel 1 und die zweite Trommel 12 verwendet, um den Verschiebungsweg zu vergrößern und eine genaue Erfassung zu ermöglichen. Der Verschiebungswinkel ist konstant unabhängig vom Durchmesser.

Wenn gemäß Fig. 1 die antreibende Welle 3 gedreht wird, dreht sich die erste Trommel 11 einstückig mit der antreibenden Welle 3. Daher wird eine Antriebskraft durch den Torsionsstab 15 auf die angetriebene Welle 6 übertragen. Die angetriebene Welle 6 ist mit einer Last gekoppelt und dreht sich, während der Betrag der Torsion proportional zur Lasttorsion aufrechterhalten wird, d. h. mit einem bestimmten nacheilenden Drehwinkel. Die angetriebene Welle 6 hat eine zweite Trommel 12. Durch Messen der Differenz der Drehwinkel der ersten Trommel 11 und der zweiten Trommel unter Verwenden der MR-Elemente 14 wird das Drehmoment erfaßt.

Als nächstes wird die Struktur des magnetischen Sensors und eine Einrichtung zum Erfassen des Drehwinkels und der Drehzahl erläutert. Die Fig. 2 und 3 zeigen Magnetsignale an der ersten und zweiten Trommel 11, 12. Die Magnetsignale oder magnetisierten Signale haben einen Abstand von lambda. Die erste Trommel 11 und die zweite Trommel 12 sind koaxial bezüglich der Antriebswelle 3 befestigt. Eine inkrementale Spur Ti ist an der Umfangsfläche der ersten Trommel 11 magnetisiert, die eine Reihe von Signalen von N- und S-Polen darstellt. Ein Referenzzug Tr, der ein Paar von Referenzsignalen ist, ist um einen Abstand lambda/8 bezüglich der Spur Ti versetzt. Die zweite Trommel 12 hat an ihrer Umfangsfläche eine Magnetisierung, die lediglich eine inkrementale Spur Ti ist. Fig. 3 ist eine vergrößerte Teilansicht der ersten Trommel 11, aus der eine Verschiebung mit einem Abstand von lambda/8 zwischen der inkrementalen Spur Ti und der Bezugsspur Tr erkennbar ist.

Fig. 4 zeigt die Anordnung der MR-Elemente 14 auf dem Substrat 13 des magnetischen Sensors MS. Die MR-Elemente R 01-R 04, R 1-R 4, R 5-R 8, R 9-R 12 und R 13-R 16 sind mit einem Abstand angeordnet, wie dies in der Figur für einen magnetischen Aufzeichnungsabstand von lambda gezeigt ist. Eine Gruppe von MR-Elementen einschließlich der Elemente R 01-R 04 und R 1-R 8 liegt in der Nähe der Umfangsfläche der ersten Trommel 11, während eine Gruppe von MR-Elementen einschließlich der Elemente R 9-R 16 in der Nähe der Umfangsfläche der zweiten Trommel 12 liegt.

Fig. 5 zeigt die Verbindung bzw. den Anschluß der obenbeschriebenen MR-Elemente. Wie man aus dieser Figur erkennt, werden fünf Brückenschaltungen gebildet, die jeweils aus vier MR-Elementen bestehen. Durch die Bezugszeichen E _{a 1}-E _{a 4}, E _{b 1}-E _{b 4} und E _{z 1} und E _{z 2} sind Ausgangsanschlüsse mit drei Anschlüssen bezeichnet, die am Knotenpunkt von zwei in Reihe geschalteten MR-Elementen herausgeführt sind. Das Bezugszeichen Vcc ist ein Leistungsspannungsanschluß. Das Bezugszeichen GND ist ein Masseanschluß.

Fig. 6 zeigt eine Signalverarbeitungsschaltung, die die Ausgangssignale gemäß Fig. 5 empfängt und Ausgangssignale gemäß den Fig. 7 und 8 erzeugt. In Fig. 7 sind die Signale E _{a 1} und E _{B 1} gezeigt, die von der ersten Trommel 11 erzeugt werden. Die Signale E _{A 3} und E _{B 3} werden von der zweiten Trommel 12 erzeugt. Jedes Signalpaar sind Sinussignale, die gegeneinander um einen elektrischen Winkel von lambda/4 versetzt außer Phase sind. Die Phasenverschiebung zwischen den Signalen der ersten Trommel und den Signalen der zweiten Trommel entspricht einer Torsion der Torsionsstange 15, d. h. einer Last der antreibenden Welle 6.

Bei Vorliegen eines Lastsignales kann ein Lastmoment (eine Lenkkraft) durch Umwandeln der erfaßten Phasendifferenz ermittelt werden, wenn die Phasendifferenz zwischen den Signalen E _{A 1} und E _{A 3} aufgrund ihrer Größen oder Amplituden zum Zeitpunkt A beispielsweise erfaßt werden kann. Die in Fig. 6 gezeigte Schaltung erzeugt Ausgangssignale, wie sie in Fig. 8 gezeigt sind. Durch Zählen der Anzahl der Pulse beim Ansteig oder Abfall des Signales E _A kann beispielsweise bei einem lastfreien Anfangszustand der Betriebswinkel gleichzeitig bestimmt werden.

Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform eines Drehmomentunterstützungssystemes, das speziell das elektrische Leistungslenksystem oder Servolenksystem darstellt. Der obenbeschriebene Drehmomentsensor wird zum Erfassen des Drehmomentes (der Lenkkraft) und des Drehwinkels (Lenkwinkels) verwendet, wenn der Fahrer das Lenkrad 21 dreht. Der Drehmomentsensor liegt in der Getriebebox oder in dem Getriebekasten 1. Seine Ausgangssignale werden einer Steuerung 22 zugeführt. Nach Empfang der Signale versorgt die Steuerung 22 einen Motor 23 unter Verwenden einer Batterie 24 mit Energie, indem ein Befehlssignal erzeugt wird, so daß die Betätigungskraft des Lenkrades 21 unterstützt wird. Dieses Ausführungsbeispiel ermöglicht eine kompakte integrale Struktur für den magnetischen Sensor (MS) und die beiden Trommeln einschließlich der ersten Trommel 11 und der zweiten Trommel 12, so daß diese Teile in der Getriebebox 1 untergebracht werden können.

In dieser Struktur spielt die Lagerung 10 die wesentliche Rolle in der Realisierung eines kompakten Konstruktionsdesigns und für die Erzielung einer hochgenauen Erfassung. Es koppelt nämlich eine einzige Lagerung 10 die freien Enden der antreibenden Welle 3 und der angetriebenen Welle 6, was zu einer genauen Ausrichtung der Achsen der Wellen führt. Selbst wenn eine Achsenverschiebung vorliegt, werden die Achsen in die gleiche Richtung verschoben, so daß kein relativer Erfassungsfehler bei den Signalen der ersten Trommel 11 und der zweiten Trommel 12 erzeugt wird. Das Drehmomentunterstützungssystem gemäß den Fig. 1 bis 9 hat bei Anwendung auf ein Automobillenksystem einen bedeutsamen Wirkungsgrad.

Ausführungsbeispiel 2

Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel zum Erfassen des Drehwinkels und des Drehmomentes unter Verwenden einer Signalformschaltung und einer Differenzspannungserfassungsschaltung. In der Figur beinhaltet die Anordnung eine erste Trommel 11, eine zweite Trommel 12 und einen magnetischen Sensor (MS), welche identisch zu demjenigen gemäß Fig 2 ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die MR-Elemente 14 ausgangsseitig an eine Signalformschaltung 50 und ein eine Differenzspannungserfassungsschaltung 51 angeschlossen. Die Signalformschaltung 50 und der Magnetsensor (MS) sind an Leistungsleitungen Vcc, GND) 52, Signalleitungen 53 für die Signale E _{a 1}, E _{a 2}, E _{b 1} und E _{b 2} von den MR-Elementen und an Signalleitungen 54 für die Signale E _{z 1} und E _{z 2} von den MR-Elementen angeschlossen. Die Differenzspannungserfassungseinheit 51 ist mit einem magnetischen Sensor (MS) durch Signalleitungen 53 a für die Signale E _{a 1} und E _{a 2} von einer MR-Elementegruppe 91 und durch Signalleitungen für die Signale E _{A 1} und E _{A 2} von einer MR-Elementegruppe 92 angeschlossen.

Die Signalformschaltung 50, deren Anordnung und Aufbau nachfolgend erläutert wird, ist derart konstruiert, daß ein Pulssignal P aufgrund der Signale E _{a 1}, E _{a 2}, E _{b 1}, E _{b 2}, E _{z 1} und E _{z 2} erzeugt wird, welche durch die MR-Elementegruppe 91 in dem magnetischen Sensor (MS) erzeugt werden. Das Pulssignal von der Signalformschaltung 50 wird durch eine arithmetische Schaltung 56 zum Erzeugen des Drehwinkels R gezählt.

Die Differenzspannungserfassungseinheit 51, deren Struktur nachfolgend erläutert wird, ist derart konstruiert, daß ein Differenzspannungssignal V _T aufgrund der Signale V _X und V _Y erzeugt wird, die von den Signalen E _{a 1} und E _{A 1} aus den erfaßten Signalen E _{a 1}, E _{a 2}, E _{A 1} und E _{A 2} abgeleitet werden. Das Differenzspannungssignal V _T , das durch die Schaltung 51 erzeugt wird, wird der arithmetischen Schaltung 56 zugeführt, die daraufhin die Last lambda aus dem obengenannten Drehwinkel und dem Differenzspannungssignal V _T berechnet.

Fig. 11 zeigt die Lage der MR-Elemente in dem magnetischen Sensor (MS). Obwohl in dieser Figur R 01-R 04 von MR-Elementen 14 in Richtung auf R 4 um lambda/8 versetzt sind, wenn die Trommel gemäß Fig. 10 verwendet wird, wird eine symmetrische Anordnung mit den Elementen R 01-R 04 in Richtung auf das Element R 5 um lambda/8 versetzt, damit diese der magnetischen Trommel 11 gemäß Fig. 10 gegenüberliegt.

Fig. 12 zeigt den Anschluß der MR-Elementegruppe 91-93 in dem magnetischen Sensor (MS). Unter den MR-Elementen 14 sind die Elemente R 1-R 4, R 11-R 14 und R 01 sowie R 03 jeweils mit einem Anschluß an die Leistungsquelle angeschlossen, während die Elemente R 5-R 8, R 15-R 18 und R 02 sowie R 04 mit jeweils einem Anschluß an Masse (GND) angeschlossen sind. Die anderen Anschlüsse der MR-Elemente 14 sind angeschlossen, um paarweise Reihenschaltungen zwischen R 1 und R 7, R 3 und R 5, R 2 und R 8, R 4 und R 6, R 01 und R 04, R 03 und R 02, R 11 und R 17, R 13 und R 15 zu bilden, wobei die Knotenpunkte Ausgangsklemmen E _{a 1}, E _{a 2}, E _{b 1}, E _{b 2}, E _{z 1}, E _{z 2}, E _{A 1} und E _{A 2} bilden, um hierdurch eine Brückenkonfiguration zu bilden.

Fig. 13 ist ein schematisches Diagramm der Signalformschaltung 50. Die Schaltung empfängt die Ausgangssignale E _{a 1}, E _i a₂, E _{b 1}, E _{b 2}, E _{z 1} und E _{z 2} von dem magnetischen Sensor (MS) während der Drehung in jeder Richtung und erzeugt Winkelpulse P _A und P _B und einen Referenzpuls P _Z als Ergebnis dieses Verfahrens.

Fig. 14 zeigt sie Signalverläufe der Ausgangsimpulse P _A , P _B und P _Z , die von der Signalformschaltung 50 gemäß Fig. 13 erzeugt werden. Der Bezugspuls P _Z ist durch die Kante des Winkelpulses P _A mittig ausgerichtet, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist.

Ohne eine lambda/8-Versetzung zwischen den aufeinanderfolgenden Signalen und Bezugssignalen auf der ersten Trommel gemäß Fig. 10 und ohne eine lambda/8-Versetzung in der Anordnung der MR-Elemente 14 (R 01-R 04) in dem magnetischen Sensor (MS) in Richtung auf das Element R 3 gemäß Fig. 11 vorzusehen, so daß diese Signale asymmetrisch sind, sind die Signale ähnlich denjenigen gemäß Fig. 14.

Obwohl eine lambda/8-Verschiebung entweder durch Versatz des Bezugssignales auf der ersten Trommel 11 oder durch Versatz der MR-Elemente 17 in dem magnetischen Sensor zum Erzeugen des Bezugssignales stattfindet, ist es möglich, daß die Bezugsimpulse derart ansteigen, daß diese durch die Kante der Winkelpulse mittig ausgerichtet sind, wobei dies die Erfassung genau gestaltet, ohne daß ein Winkelablesefehler auftritt. Die Drehrichtung wird auf der Grundlage des Vergleiches der Phase A und der Phase B ermittelt, da beispielsweise die Phase A der Phase B um 90° im Gegenuhrzeigerdrehsinn voreilt und die entgegengesetzte Phasenbeziehung bei Drehung im Uhrzeigersinn auftritt. Durch Lesen der Winkel in einem bestimmten zeitlichen Abstand kann die Drehgeschwindigkeit gemessen werden.

Fig. 15 ist ein schematisches Diagramm der Differenzspannungserfassungsschaltung 51. Die Schaltung 51 umfaßt einen Differentialverstärker 11 A, der die Differenz der beiden Eingangssignale verstärkt, und eine Ausgangsspannungeinstellschaltung 11 B, die an den Differentialverstärker 11 A angeschlossen ist, um diesen bezüglich der Ausgangsspannung einzustellen. Die Schaltung 51 empfängt das Signal E _{a 1} von dem Magnetsensor 91 und das Signal E _{A 1} von dem Magnetsensor 93 an den jeweiligen Eingangsklemmen, verstärkt die Differenzspannung der Eingangssignale und erzeugt ein Differentialspannungssignal V _T . Die Signale E _{a 2} und E _{A 2} von den magnetischen Sensoren 91 und 93 bleiben ohne Anschluß und bleiben ungenutzt.

Fig. 16 zeigt die Signale V _X und V _Y am Eingang der Differentialspannungserfassungsschaltung 51. Solange kein Drehmoment erzeugt wird, stimmen die Signale V _X und V _Y miteinander überein, wie dies bei (A) gemäß Fig. 16 gezeigt ist, und die Differentialspannungserfassungsschaltung 51 erzeugt ein Null-Ausgangsspannungssignal V _T . Die Signale V _X und V _Y erzeugen eine Differenz gemäß der Größe des Drehmomentes, wie dies bei (B) in Fig. 16 gezeigt ist, so daß die Differentialspannungserfassungsschaltung 51 ein Ausgangssignal V _T in Abhängigkeit von der Spannungsdifferenz erzeugt.

Die nachfolgende Beschreibung betrifft das Verhalten dieser Ausführungsform, die oben erläutert wurde. Die Ausgangssignale V _X (E _{a 1}) und V _Y (E _{A 1}) der Sensoren 91 und 93 in dem magnetischen Sensor (MS) werden als Funktionen des Drehwinkels R der Welle 3 und des Torsionssignals R _T der Torsionsstange 15 folgendermaßen berechnet:

V _X =C 1 sin R (1)
V _Y =C 2 sin (R±R _T ) (2)

wobei C 1 und C 2 Konstanten sind.

Die erfaßten Signale V _X und V _Y werden an die Eingangsanschlüsse des Differentialverstärkers 11 A in der Differentialspannungserfassungsschaltung 11 angelegt.

Um Einflüsse der Konstanten C 1 und C 2 zu eliminieren, ist die Ausgangsspannungseinstellschaltung 11 B derart eingestellt, daß C 1=C 2=C. Daher erzeugt der Differentialverstärker 11 A eine Differentialspannung V _T , die unabhängig von Einflüssen von C 1 und C 2 ist, so daß der Differentialverstärker 11 A folgende Gleichung erfüllt:

V _T =K (V _X -V _Y ) (3)

wobei K den Verstärkungsfaktor des Verstärkers darstellt.

Die Substitution der Gleichungen (1) und (2) in die Gleichung (3) ergibt folgende Gleichung:

V _T =K (V _X -V _Y )
=KC [sin R - sin (R ± R _T )]
=Ko [sin R - sin (R ± R _T )]
=Ko 2 cos [(2 R ± R _t )/2] sin (∓R _T /2)
=Ko [2 cos (R ± R _T /2) sin (∓R/2)]     (4)

wobei Ko = K. C.

Da R _T allgemein sehr klein ist, kann die Gleichung (4) folgendermaßen reduziert werden:

V _T ≃Ko ∓ R _T cos (5)

Während Ko und R verfügbare Konstantwerte sind, erzeugt die Differentialspannungserfassungsschaltung 51 eine Differentialspannung V _T , die proportional zum Torsionswinkel R _T der Torsionsstange 15 ist.

Die arithmetische Schaltung 56 empfängt die Spannung V _T und führt folgende Operation unter Verwendung von cos R durch, der vorab berechnet wurde, sowie unter Verwendung des Torsionswinkels R _T , d. h. des Drehmomentes T:

∓R _T =V _T /(Ko cos R) (6)

Die Differentialspannungserfassungsschaltung 51 gemäß Fig. 15 kann integriert hergestellt werden, so daß sie an Kompaktheit gewinnt.

Ausführungsbeispiel 3

Das Drehmomentunterstützungssystem, das das dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 17 bis 22 erläutert. Fig. 17 zeigt das Ausführungsbeispiel in Anwendung auf ein elektrisches Zahnstangen-Servolenksystem für ein Kraftfahrzeug. Das Bezugszeichen 101 bezeichnet eine Welle des Lenkrades, das Bezugszeichen 102 eine Welle des Ritzels, das Bezugszeichen 103 ein Ritzel, das Bezugszeichen 104 eine Zahnstangenwelle, das Bezugszeichen 105 einen Elektromotor, das Bezugszeichen 107 ein Zahnrad, das Bezugszeichen 108 eine Torsionsstange, die Bezugszeichen 109 und 110 Magnettrommeln des Drehmomentsensors, das Bezugszeichen 111 magnetische Widerstandselemente des Drehmomentsensors, das Bezugszeichen 112 eine Schaltungsplatine, das Bezugszeichen 113 verschiedene Steuerschaltungskomponenten einschließlich eines Ein-Chip-Mikrocomputers, das Bezugszeichen 114 Schaltleistungs-FETs, das Bezugszeichen 115 eine Wärmesenke, das Bezugszeichen 116 eine innere Verdrahtung, das Bezugszeichen 117 einen Verbinder, das Bezugszeichen 120 ein Sensortragteil, das Bezugszeichen 121 ein Motortragteil, das Bezugszeichen 122 ein Zahnstangentragteil, die Bezugszeichen 123-126 Lagerungen, die Bezugszeichen 127 und 128 Öldichtungen und letztlich das Bezugszeichen 129 ein Staubdichtung.

Ein Lenkrad ist an der Lenkwelle 101 angebracht. Das Lenkdrehmoment wird auf die Welle 101 ausgeübt und über die Torsionsstange 108 auf die Ritzelwelle 102 übertragen. Die Drehung des Ritzels 103 bewegt die Zahnstange 104, um hierdurch das Lenken des Fahrzeuges herbeizuführen.

Der Motor 105 hat ein Ritzel 106 auf seiner Antriebswelle und ist mit der Ritzelwelle 102 über das Zahnrad 107 gekoppelt. Wenn der Motor zum Erzeugen eines Drehmomentes aktiviert wird, wird dieses auf die Ritzelwelle 102 übertragen, um eine Hilfslenkkraft zu erzeugen. Die Magnettrommeln 109 und 110 haben Umfangsabschnitte, die mit einem bestimmten Abstand magnetisiert sind, und sind am unteren Ende der Lenkwelle 101 und am oberen Ende der Ritzelwelle 102 befestigt. Die Lenkwelle 101 und die Trommeln drehen sich allgemein miteinander. Aufgrund des von der Lenkwelle 101 auf die Ritzelwelle 102 übertragenen Drehmomentes wird die Torsionsstange 108 verdreht, was zu einer winkelmäßigen Verschiebung der magnetischen Trommeln 109 und 110 gegeneinander führt, so daß das Drehmoment aufgrund dieser Verschiebung gemessen werden kann.

Die magnetischen Widerstandselemente 111 bilden einen kontaktfreien Drehmomentsensor zusammen mit den magnetischen Trommeln 109 und 110 und sind einstückig mit einer Steuereinheit U zusammengebaut, die Steuerschaltungskomponenten 113 auf der Steuerschaltung 112, die Leistungs-FETs 114 auf der Wärmesenke 115, sowie den Verbinder 117 umfaßt, so daß die Elemente 111 eine geeignete Lagebeziehung zu der Trommel 109 und 110 haben, wenn die Steuerschaltungseinheit U in die vorgeschriebene Lage auf den Sensorträger (Sensorgehäuse) 120 eingesetzt wird.

Das Sensortragteil 120, das Motortragteil 121 und das Zahnstangentragteil 122 bestehen aus einer Gußaluminiumlegierung oder einem ähnlichen Werkstoff und dienen nicht nur zur Halterung der Lenkwelle 101 und der Ritzelwelle 102 mittels der Lagerungen 123 bis 126 und zum Tragen der Steuereinheit U und des Motors 105, sondern dienen gleichfalls als Getriebebox für das Ritzel 103 und die Zahnstange 104 und dienen letztlich für einen modulartigen Aufbau der gesamten Anordnung.

Fig. 18 zeigt die gesamte Steuereinheit für den Motor 105 einschließlich der Steuerschaltungseinheit U. Die Schaltung führt ein Drehmomentsignal τ von den magnetischen Widerstandselementen 111 und das Fahrzeuggeschwindigkeitssignal v von dem Geschwindigkeitssensor 130 einem Mikrocomputer 113 A für die Berechnung zu, betätigt eine logische Schaltung 113 B zum Realisieren der Signalverarbeitung, betreibt FETs 114 A-114 D in einer Brückenschaltung zum Antreiben des Motors 105 in einer Schaltbetriebsart mit Stromsteuerung aufgrund der Signale, die von dem Steuersensor 113 D erfaßt werden, so daß die gewünschte Lenkunterstützungskraft bzw. das Drehmoment erzeugt wird.

Eine Batterie B führt Leistung zu einer Leistungsschaltung 113 C durch einen Zündschalter K zu, wobei die Leistungsschaltung 113 C eine stabilisierende +5-V-Spannung und eine stabilisierte +15-V-Spannung erzeugt, welche den Mikrocomputer 113 A und der logischen Schaltung 113 B zugeführt werden. Der Motor 105 wird mit der Leistung durch ein Relais R versorgt, so daß die Leistung ausgeschaltet werden kann, indem das Relais deaktiviert wird, falls eine Abnormalität auftritt.

Fig. 19 zeigt die Charakteristika des Unterstützungsdrehmomentes (der unterstützenden Lenkkraft) in Abhängigkeit von dem Drehmomentsensorausgangssignal, wobei die Fahrzeuggeschwindigkeit als Parameter verwendet ist. Das System ist derart konstruiert, daß es eine Lenkunterstützung erzeugt, die mit ansteigender Fahrzeuggeschwindigkeit abnimmt.

Die Steuerschaltung wird nachfolgend detailliert unter Bezugnahme auf die Fig. 20, 21 und 22 beschrieben. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 20 beinhalten die magnetischen Widerstandselemente 111 die Elemente 1 A 1-1 A 4 und 1 B 1-1 B 4 in zwei Sätzen von Brückenschaltungen, die einer magnetischen Trommel 109 gegenüberliegen, sowie die Elemente 2 A 1-2 A 4 und 2 B 1 ä2 B 4 in zwei Sätzen von Brückenschaltungen, die der anderen magnetischen Trommel 110 gegenüberliegen, also insgesamt vier Elementebrücken.

Wenn während des Betriebes das Lenkrad betätigt wird, und die Lenkwelle 101 durch ein bestimmtes Drehmoment gedreht wird, erzeugt die Brücke einschließlich der Elemente 1 A 1-1 A 4 für die magnetische Trommel 109 eine Spannung e _{A 1} gemäß Fig. 21. Eine weitere Brücke mit den Elementen 1 B 1-1 B 4 erzeugt eine Spannung e _{B 1}. Die Sensorelemente sind derart angeordnet, daß die erzeugten Spannungen e _{A 1} und e _{B 1} außer Phase zueinander um 90° sind. Die Lenkwelle 101 hat einen Drehwinkel R₁ bezüglich eines Bezugspunktes R, der durch folgende Gleichung gegeben ist:

R₁=tan^-1 (e _{B 1}/e _{A 1})

Eine Brücke beinhaltet die Elemente 2 A 1-2 A 4 für die Magnettrommel 110 und erzeugt eine Spannung e _{A 2}. Eine weitere Brücke beinhaltet die Elemente 2 B 2-2 B 4 und erzeugt eine Spannung e _{B 2}. Diese Spannungen e _{A 2} und e _{B 2} sind gleichfalls gegeneinander phasenverschoben um einen Winkel von 90°. Ein Meßpunkt R₂ bezüglich des Bezugspunktes R ist durch folgende Gleichung gegeben:

R₂=tan^-1 (e _{B 2}/e _{A 2})

Da die Lenkwelle 101 und die Ritzelwelle 102 durch die Torsionsstange 108 verbunden sind, bewirkt die Übertragung des Drehmomentes zwischen den Wellen eine Differenz im Drehwinkel zwischen den Trommeln 109 und 110, die durch folgende Gleichung gegeben ist:

R=R₁-R₂

Aufgrund des Differentialwinkels R wird das Drehmoment folgendermaßen bestimmt:

τ = K R = K (R₁ - R₂)

Hierbei ist K eine Konstante in Abhängigkeit von der Steifheit der Torsionsstange 108.

Der Mikrocomputer 113 A hat eine Interrupt-Verarbeitungsroutine, die in Fig. 22 gezeigt ist, und die die Spannungen e _{A 1}, e _{B 1}, e _{A 2}, und e _{B 2} in einem zeitlichen Abstand von 0,2-0,5 ms abtastet, die Drehwinkel R₁ und R₂ und das Drehmoment berechnet, den Drehwinkel aufgrund der Polarität des Drehmomentes ermittelt, in einer Tabelle für den Wert I _MC unter Verwenden des berechneten Drehmomentes nachsieht, den Wert I _MC auf der Grundlage des Fahrzeuggeschwindigkeits-Veränderungsfaktors kv berechnet und 8-Bit-Befehlsdaten für den Wert I _MC einem Digital/Analog-Wandler 144 zuführt. Bei diesem Verfahren werden die Spannungen e _{A 1} bis e _{B 2} durch Operationsverstärker 140-143 dem Mikrocomputer 113 A zugeführt, der den A/D-Wandler beinhaltet. Das Fahrzeuggeschwindigkeitssignal v wird durch einen Eingangsfilter F dem Mikrocomputer 113 A zugeführt, welcher das Signal zählt.

Das Ergebnis dieses Verfahrens gemäß Fig. 22, das durch den Mikrocomputer 113 A ermittelt wird, wird dem D/A-Wandler 114 zugeführt. Das sich ergebende Analogsignal wird dem nicht-invertierenden Eingang eines Differentialverstärkers 145 zugeführt, an dessen invertierenden Eingang ein Stromsignal des Motors 105, welches durch einen Stromsensor 113 D gemessen wird, anliegt. Der Verstärker 145 erzeugt ein Differentialausgangssignal, das einem Pulsbreitenmodulations-Signalgenerator (PWM) 146 zugeführt wird. Das Ausgangssignal des PWM-Generators 146 wird durch UND-Gatter 147 und 148 derart zugeführt, daß es durch die Drehrichtungssignale r und l als Gattersignale verarbeitet wird, und wird den Eingängen der FETs 114 B und 114 D zugeführt. Eine Leistungsschaltung 113 C erzeugt ein 15-V-Gattersteuerspannungssignal, das durch Treiber-FETs 149 und 150 an weitere FETs 114 A und 114 C für deren Schaltbetriebsweise zugeführt wird. Die Inverter 151 und 152 dienen als Puffer.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Steuerschaltungseinheit U und die magnetischen Widerstandselemente 111 als integrales Modul hergestellt, so daß eine äußere Verdrahtung unnötig wird, der Zusammenbau vereinfacht wird, das Gerät kompakte Abmessungen erhält, gegenüber Störungen unempfindlich wird und zuverlässig ist.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Steuerschaltungseinheit U nicht in Kontakt mit einem Teil, welches heiß werden kann, wie beispielsweise dem Motor 105, so daß thermische Probleme vermieden werden. Anstatt dessen ist sie direkt in das Sensorgehäuse (das Sensortragteil 120) eingepaßt, das aus einer Aluminiumdruckgußlegierung oder einem ähnlichen Material besteht, das in einem gewissen Umfang als Wärmesenke dienen kann, so daß wärmeerzeugende Komponenten kleinere Kühlflügel haben können oder derartige Kühlmittel vollständig entfallen können, wodurch das Gerätegewicht weiter reduziert wird.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die meisten mechanischen Komponenten des Servolenksystemes einschließlich des Motors 105 einstückig auf dem Sensortragteil 120 vorab zusammengebaut, sowie auf dem Motortragteil 121 und dem Zahnstangentragteil 122 vorab befestigt, so daß der Einbau in den Kraftfahrzeugmotorbereich vereinfacht wird und eine erhebliche Kostenreduktion herbeigeführt wird.

Ferner ermöglicht bei diesem Ausführungsbeispiel die Verwendung von magnetischen Widerstandselementen 1 A 1-2 B 4 in vier Sätzen von Brückenschaltungen für den Drehmomentsensor eine sichere Signalerfassung, so daß der Betrieb äußerst zuverlässig wird.

Die Erfindung ist nicht auf die Anwendung des obenbeschriebenen Sensor aus magnetischen Widerstandselementen und magnetischen Trommeln beschränkt, sondern kann mit jeglichen Sensortypen ausgeführt werden, die eine Drehmomenterfassung in kontaktfreier Art durchführen.

Ausführungsbeispiel 4

Das Drehmomenterfassungsgerät dieses Ausführungsbeispiels ermöglicht die Drehmomenterfassung in jedem Zustand unabhängig von einer Drehung oder einem Stillstand. Fig. 23 zeigt in Kürze die Struktur des Gerätes. Fig. 24 zeigt die Beziehung zwischen einer der magnetischen Trommeln und dem magnetischen Sensor gemäß Fig. 23. Fig. 24 zeigt in einer Abwälzung einen Teil der Struktur gemäß der Fig. 24. Die Fig. 26 und 27 sind Signaldiagramme zum Erläutern des Betriebes. Obwohl dieses Ausführungsbeispiele teilweise technisch mit den vorhergehenden Ausführungsbeispielen übereinstimmt, wird es von Anfang an erläutert, um ein leichtes Verständnis zu ermöglichen.

In Fig. 23 ist durch das Bezugszeichen 201 eine Drehwelle, durch die Bezugszeichen 202 und 202′ Drehtrommeln bezeichnet. Die Drehtrommeln 202 und 202′ haben magnetische Glieder 203 und 203′, auf denen magnetische Signale aufgezeichnet sind und die auf der Welle 201 mit einem Abstand L voneinander befestigt sind. Durch das Bezugszeichen 204 ist ein magnetischer Sensor bezeichnet, der aus magnetischen Widerstandselementen (nachfolgend "MR-Elemente" genannt) besteht. Dieser Sensor liegt den Drehtrommeln 202 und 202′ mit einem kleinen Abstand gegenüber.

Die Betriebsweise der Drehtrommeln 202 und 202′ und der Magnetsensoren 204 und 204′ wurde unter Bezugnahme auf Fig. 25 beschrieben, die eine Abwälzung der Drehtrommel 202 und des Magnetsensors 204 gemäß Fig. 23 ist. Wie bereits erläutert wurde, hat das magnetische Glied 203 auf der Drehtrommel 202 eine Aufzeichnung eines Magnetsignales, die aus einer Reihe von Nordpolen und Südpolen besteht, welche die Umfangsfläche umgeben. Der Magnetsensor 204 besteht aus MR-Elementen R 1 und R 2 und liegt gegenüber der Trommelfläche mit einem Abstand 1.

Fig. 25 ist ein vergrößertes Abwälz-Diagramm der Lagebeziehung zwischen dem Magnetglied 203 und der Drehtrommel 202 und dem Magnetsensor 204 gemäß Fig. 24. In der Figur sind die MR-Elemente R 1 und R 2 voneinander um lambda/2 beabstandet, wobei lambda die Aufzeichnungswellenlänge (der Abstand zwischen den Nordpolen und Südpolen) ist. Fig. 26 zeigt den Betriebssignalverlauf. In Fig. 26 bewegt sich ein Magnetglied 203 auf der Drehtrommel 202, wie dies durch den Pfeil gezeigt ist, wenn sich die Drehtrommel 202 dreht. Die MR-Elemente R 1 und R 2 haben verminderte Widerstandswerte bei Anlegen eines Signals, das eine Flußvariation vom Nordpol zum Südpol eines magnetischen Signales ist, wie dies allgemein bekannt ist. Wenn sich das magnetische Glied 203 in der durch den Pfeil angedeuteten Richtung bewegt, ändern sich die Widerstandswerte der MR-Elemente R 1 und R 2 entsprechend der Aufzeichnungswellenlänge lambda, wodurch Signale mit einem Phasenversatz von lambda/2 entstehen. Die MR-Elemente R 1 und R 2 sind angeschlossen, um drei Anschlüsse gemäß Fig. 27 zu bilden, wobei eine Spannung V zwischen den beiden Enden angelegt wird und wobei an dem Ausgangsanschluß E _{A 1} ein Signalverlauf gemäß Fig. 28A erzeugt wird. Das Ausgangssignal E _{A 1} entspricht dem magnetischen Signal auf dem magnetischen Glied 203. In ähnlicher Weise wird das Signal E _{A 2} gemäß Fig. 28B durch die Drehtrommel 202′ und dem magnetischen Sensor 204′ gemäß Fig. 23 erzeugt.

Bei dem Drehmomenterfassungsgerät gemäß Fig. 23 wird die Welle 201 um einen Winkel R proportional zur angelegten Last verdreht, wenn ein Motor auf die Antriebsseite der Welle 201 angekoppelt wird und eine Last an der Lastseite angeschlossen ist. Der Torsionswinkel wird durch folgende Gleichung ausgedrückt:

R = (32π × G) × (L/D⁴) × T (7)

wobei R ein Torsionswinkel (rad) ist, G der Scherfaktor (kg/cm²), L eine Entfernung zwischen den Trommeln (cm) und D der Durchmesser der Welle (cm) ist. Der Scherfaktor G hängt von dem Wellenmaterial ab. Wenn daher der Trommelabstand L und der Wellendurchmesser D eingestellt sind, ist das Verhältnis des Drehmomentes T gegenüber dem Drehwinkel R festgelegt, so daß es möglich ist, das Drehmoment durch Erfassen des Torsionswinkel R der Welle 201 zu messen.

Ein Beispiel der Messung des Torsionswinkels R der Welle 201 ist in den Fig. 29A und 29B gezeigt. In Fig. 29A wird der Torsionswinkel der Welle 201 durch Erfassen der Phasendifferenz R₂-R₁ zwischen dem Ausgangssignal E _{A 1}, das von der Drehtrommel 202 und dem Magnetsensor 204 erzeugt wird, und dem Ausgangssignal E _{A 2}, das von der Drehtrommel 202′ und dem Magnetsensor 204′ erzeugt wird, an deren Nulldurchgangspunkten gemessen. Fig. 29A betrifft den Fall eines kleinen Lastdrehmomentes, bei dem die Welle 201 einen kleinen Torsionswinkel hat und daher die Phasendifferenz R₁ der Ausgangssignale E _{A 1} und E _{A 2} an den Nullpunkten dieser Signale gleichfalls klein ist. Im Gegensatz hierzu betrifft Fig. 29B den Fall eines großen Lastdrehmomentes, bei dem die Welle 201 eine erhöhte Torsion aufweist und daher die Phasendifferenz R₂ bei den Nulldurchgangspunkten ebenfalls erhöht ist. Daher folgt, daß die Größe des Drehmomentes durch Messen der Phasendifferenz R₁ oder R₂ erfaßt werden kann.

Fig. 30 zeigt beispielsweise Charakteristika des erfindungsgemäßen Drehmomenterfassungsgerätes, bei dem der Phasenwinkel R gegenüber dem Drehmoment T aufgetragen ist.

Die MR-Elemente R ändern ihren Widerstand in Abhängigkeit von der Größe des Magnetflusses, wie dies oben erläutert wurde, wobei die MR-Elemente auch dann mit einem konstanten Magnetfluß von den Nordpolen oder Südpolen der Magnetglieder 203 und 203′ auf den Drehtrommeln 202 und 202′ beaufschlagt werden, wenn die Welle 201 stationär ist, wodurch das Drehmoment der Welle 201 auch in deren unbewegten Zustand gemessen werden kann. Die Fig. 31 und 32 zeigen ein Beispiel einer Drehmomenterfassung bei stillstehender Welle.

Fig. 31 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem das erfindungsgemäße Drehmomenterfassungsgerät in einen Motor 206 eingebaut ist. Die Drehtrommeln 202 und 202′ sind auf der Welle 201 des Motors 206 mit einem willkürlich gewählten Abstand zwischen diesen Teilen befestigt. Die magnetischen Sensoren 204 und 204′ liegen gegenüber den Drehtrommeln 202 und 202′ mit einem kleinen Abstand zwischen diesen Teilen. Die Welle 201 ist an einem ihrer Enden, das näher zu den Drehtrommeln 202 und 202′ liegt, mit einer Last, wie beispielsweise einer Werkzeugmaschine, beaufschlagt. Im Hinblick auf die fortgeschrittene Technik im Bereich der Umsetzer werden eine ansteigende Anzahl von Werkzeugmaschinen durch Wechselstrommotoren anstelle von Gleichstrommotoren angetrieben. Es ist für die Steuerung der Maschinengenauigkeit und der Maschinendrehzahl nötig, eine Rückkopplung des axialen Lastmomentes des antreibenden Motors zu haben. Das axiale Lastmoment eines Gleichstrommotors kann in einfacher Weise von dem Motorstrom abgeleitet werden, der proportional zum Drehmoment ist, während ein Wechselstrommotor keine derartige proportionale Beziehung zwischen dem Strom und dem Drehmoment aufweist und daher das Drehmoment nur schwierig aufgrund des Stromes erfaßt werden kann. Diese Situation verlangt nach einem Drehmomentmeßgerät, wie es die vorliegende Erfindung geschaffen hat.

Das Drehmomenterfassungsgerät gemäß Fig. 31 unterscheidet sich von demjenigen gemäß Fig. 23 darin, daß die magnetischen Sensoren 204 und 204′ derart konstruiert sind, daß sie zwei-phasige Ausgangssignale liefern, was den Zweck hat, daß die Sensorausgangssignale für die Lageerfassung und Drehzahlerfassung neben der Drehmomenterfassung verwendet werden können. Der MR-Sensor R wird durch eine Dampfabscheidung von Permalloy oder einem ähnlichen Material auf einem Glassubstrat hergestellt. Die zweiphasigen Sensorausgangssignale werden durch eine einfache Modifikation des MR-Elementemusters erzielt, das auf das Glassubstrat aufgebracht ist, ohne daß die Anzahl der Magnetsensoren 204 und 204′ erhöht werden müßte und ohne daß Änderungen in der Dimension des Sensors durchgeführt werden müßten, so daß die gesamte Systemstruktur einfachgehalten werden kann.

In Fig. 31 liefern die magnetischen Sensoren 202 und 202′ zwei-phasige Ausgangssignale E _{A 1} und E _{B 1}, sowie E _{A 2} und E _{B 2}, welche eine 90°-Phasendifferenz aufweisen. Diese Ausgangssignale werden durch Komparatoren 251, 252, 253, 251′, 252′ und 253′ derart behandelt, daß sie in Rechteckwellen A 1, B 1, A 2 und B 2 umgewandelt werden. Die zwei-phasigen Rechteckwellensignale A 1 und B 1 werden zum Aufteilen des Ausgangssignales E _{A 1} des magnetischen Sensors 204 in vier Betriebsarten gemäß Fig. 32B verwendet. Zum Beispiel gilt A 1 = hoch und B 1 = niedrig im Bereich zwischen 0 und 90° von E _{A 1}; A 1=hoch und B 1=hoch in dem Bereich zwischen 90 und 180°, A 1=niedrig und B 1=hoch in dem Bereich zwischen 180 und 270° und A 1=niedrig und B 1=niedrig in dem Bereich von 270 bis 360°. Weitere Rechtecksignale A 2 und B 2 werden zum Aufteilen des Ausgangssignales E _{A 2} des Magnetsensors 204′ in vier Betriebsarten verwendet. Gleichzeitig werden die Ausgangssignale E _{A 1} und E _{A 2} der Magnetsensoren 204 und 204′ mit einem Dreieckträgersignal P _M verglichen, wie dies in Fig. 32(A)(b) gezeigt ist, wobei die Ausgangssignale A _{M 1} und A _{M 2} erzeugt werden. Es sei angenommen, daß die Ausgangssignale E _{A 1} und E _{A 2} der Magnetsensoren 204 und 204′ sinusförmig sind, wie dies durch (a) in Fig. 32(A) gezeigt ist. In diesem Fall kann der Winkel R als analoger Wert der Ausgangssignale E _{A 1} und E _{A 2} berechnet werden. Der analoge Wert von E _{A 1} und von E _{A 2} hat die gleiche Spannung an einem Punkt in einem Zyklus.

Betriebsartdiskriminatoren 208 und 208′ unterscheiden die Bereiche 0-90°, 90-180°, 180-270° und 270-360°. Lagedetektoren 209 und 209′ erzeugen eine Lageinformation 212 und 212′ und eine Drehzahlinformation 213 und 213′. Die Lage und die Drehzahl der Last 207 kann mit höherer Genauigkeit unter Verwenden der Drehtrommel 202′ und des Magnetsensors 204′ erfaßt werden, wenn jene näher an der Last liegen. Falls es gewünscht ist, eine sanftere Motorsteuerung zu erzielen, wird vorzugsweise die Lage-Information und die Drehzahl-Information aufgrund der Drehtrommel 202 und des Magnetsensors 204 in einem geringeren Abstand zum Antriebsmotor ermittelt. Die erfaßte Information auf der Lastseite oder Antriebsseite kann wahlweise in Abhängigkeit vom Betriebszustand der Last durch Schalter 210 und 210′ verwendet werden.

Bei stillstehenden Drehtrommeln 202 und 202′ am Punkt (a) in Fig. 32(A) erzeugt der Komparator einen Puls A _{M 1} mit einer Breite t _{b 1} zu dem Zeitpunkt, wenn das Trägersignal P _M den Punkt (a) des Ausgangssignals E _{A 1} des Magnetsensors 204 erreicht. Wenn zu diesem Zeitpunkt ein Drehmoment an die Welle 201 des Motors 206 in Fig. 31 angelegt wird, hat das Ausgangssignal E _{A 2}, das durch die Drehtrommel 202′ und durch den Magnetsensor 204′ geliefert wird, eine Signalform, die durch die gestrichelten Linien in Fig. 32(A) gezeigt ist. In diesem Fall wird ein Puls A _{M 2} mit einer zeitlichen Breite t _{m 2} erzeugt. Die Pulse A _{M 1} und A _{M 2} sind proportional zu den Analogwerten der Sensorausgangssignale E _{A 1} und E _{A 2}. Ihre zeitlichen Breiten t _{m 1} und t _{m 2} werden einem Lastmeßabschnitt 211 zugeführt, der daraufhin die Winkeldifferenz zwischen den Trommeln 202 und 202′ berechnet, wodurch die Drehmomentmessung ermöglicht wird.

Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Drehtrommeln 202 und 202′ und die Magnetsensoren 204 und 204′ auf der Außenseite der Welle 201 des Motors 206 befestigt. Die Drehtrommeln 202 und 202′ und die Magnetsensoren 204 und 204′ können an der Innenseite des Motors 206 befestigt sein.

Obwohl die Drehtrommeln 202 und 202′ trommelförmig sind, sind andere Strukturen einschließlich der Scheibenform mit Magnetgliedern 203 und 203′ auf der Oberfläche (auf einer Seite oder beiden Seiten) der Scheiben gemäß Fig. 33 möglich. In dem Fall, daß die Magnetglieder 203 und 203′ auf beiden Seiten der Scheiben angeordnet sind, wird eine erhöhte Anzahl von Magnetsensoren benötigt.

Dieses Ausführungsbeispiel, das eine Information über die Lageerfassung und Drehzahlerfassung sowie die Drehmomenterfassung liefern soll, erhöht die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Motorsteuerung. Gemäß der Ausführungsform der Erfindung, die unter Bezugnahme auf die Fig. 23 bis 33 erläutert wurde, hat das Drehmomenterfassungsgerät Drehtrommel mit Magnettrommeln, auf denen Magnetsignale aufgezeichnet sind, und Magnetsensoren, auf denen MR-Elemente liegen, die das Drehmoment auch dann messen können, wenn ein Stillstand vorliegt. Das Ausgangssignal des Magnetsensors ist konstant unabhängig von der Drehzahl, so daß die Verarbeitungsschaltung vereinfacht werden kann. Die Verwendung des Magnetismus ist vorteilhaft bezüglich der Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise Staub und Verschmutzungen, so daß ein zuverlässiges Drehmomenterfassungsgerät realisiert werden kann.

Ausführungsbeispiel 5

Eine bevorzugte Form der Drehtrommeln, die in Fig. 23 gezeigt sind,, wird nachfolgend erläutert. Bei der Struktur gemäß Fig. 23 sind die Drehtrommeln 203 und 203′ in einem erheblichen Abstand voneinander angeordnet. Die Magnetsensoren 204 und 204′ sind ebenfalls mit erheblichem Abstand angeordnet.

Das nachfolgend erläuterte Ausführungsbeispiel soll eine Anordnung des Paares der Drehtrommeln oder der Drehscheiben so nahe wie möglich aneinander ermöglichen, so daß diese Teile gleichzeitig mit einem einzigen Aufzeichnungskopf mit einer Aufzeichnung versehen werden können und daß ihre Magnetsignale mit einem einzigen integrierten Magnetsensor erfaßt werden können, um dadurch ein Drehmomenterfassungsgerät ohne einen Lagefehler zu realisieren.

In den Fig. 34 und 35 ist durch das Bezugszeichen 301 eine Drehwelle und durch die Bezugszeichen 303 und 303′ Drehtrommeln mit Becherform bezeichnet. Die Bezugszeichen 302 und 302′ bezeichnen Wellenbefestigungsabschnitte zum Befestigen der Drehtrommeln 303 und 303′ auf der Welle 301. Die Drehtrommeln 303 und 303′ haben magnetische Aufzeichnungsabschnitte 304 und 304′, auf denen Magnetglieder 308 und 308′ befestigt sind. Magnetsignale, die aus einer Reihe von Nordpolen und Südpolen bestehen, werden mit einem Aufzeichnungskopf oder dgl. gleichzeitig auf dem Magnetglied 308 und auf dem Magnetglied 308′ auf den Magnetaufzeichnungsabschnitten 304 und 304′ aufgezeichnet, so daß die Signalspuren hierauf ausgebildet werden. Durch das Bezugszeichen 305 ist ein Magnetsensor bezeichnet, der aus einem magnetischen Widerstandseffektelement (nachfolgend "MR-Element" bezeichnet) R besteht, das gegenüber den Magnetaufzeichnungsabschnitten 304 und 304′ auf den Drehtrommeln 303 und 303′ mit einem kleinen Abstand zwischen diesen Teilen angeordnet ist.

Nachfolgend wird die Form der Drehtrommeln 303 und 303′ unter Bezugnahme auf Fig. 35 erläutert. In der Figur haben die Drehtrommeln 303 und 303′ eine Becherform mit einem Wellenbefestigungsabschnitt 302 und 302′, wobei die Magnetaufzeichnungsabschnitte 304 und 304′ dichter angeordnet sind, um einen schmalen Spalt Ls zu bilden. Daher sind die Drehtrommeln 303 und 303′ mit einem Abstand Ld voneinander auf der Welle 301 mittels der Wellenbefestigungsabschnitt 302 und 302′ befestigt. Diese spezielle Struktur, die auf den Wellenbefestigungsabschnitten 302 und 302′ basiert, ermöglicht eine Drehmomenterfassung bei einem Abstand Ld. Das Drehmomenterfassungsgerät dieser Struktur hat das Hauptmerkmal, das die Bildung der Drehtrommeln in Becherform und die dichte Anordnung ihrer magnetischen Aufzeichnungsabschnitte betrifft.

Obwohl in den Fig. 34 und 35 die Wellenbefestigungsabschnitte 302 und 302′, die Drehtrommeln 303 und 303′ und die magnetischen Aufzeichnungsabschnitte 304 und 304′ einstückig ausgebildet sind, können die Wellenbefestigungsabschnitte 302 und 302′ auch getrennt ausgeführt sein und trommelförmig gestaltet sein, wobei die getrennte Ausführung getrennt von der Struktur einschließlich der Drehtrommeln 303 und 303′ und der Magnetaufzeichnungsabschnitte 304 und 304′ ist. Diese Struktur ermöglicht eine willkürliche Einstellung des Abstandes Ld ohne Ändern der Trommeldimension. Die Magnetaufzeichnungsabschnitte 304 und 304′ können gleichfalls eine von den Drehtrommeln 303 und 303′ getrennte Struktur haben, wobei anschließend ein Zusammenbau dieser Teile stattfindet, was zu der gleichen Wirkung wie die obenbeschriebene Struktur führt.

Fig. 37 zeigt die Struktur, bei der der Magnetsensor 305 mit den Drehtrommeln 303 und 303′ auf ihren Seiten Eingriff nimmt. Die Magnetglieder 308 und 308′ auf den Magnetaufzeichnungsabschnitten 304 und 304′ liegen mit ihren Aufzeichnungsflächen in virtueller Übereinstimmung mit den Seitenflächen der Drehtrommeln 303 und 303′.

Fig. 38 zeigt die Struktur der Drehtrommeln, die in diesem Fall in der Kombination eines trommelförmigen Gliedes 306 und eines becherförmigen Gliedes 303 gemäß der Erfindung besteht. Diese Struktur ermöglicht die Verwendung einer üblichen magnetischen Kodiertrommel für das trommelförmige Glied 308, was zu einer verminderten Kostenbelastung in der Herstellung führt.

Fig. 39 zeigt eine Struktur einer Seitenanordnung für den Magnetsensor 305 wie im Fall gemäß Fig. 37, wobei eine Trommel durch ein scheibenförmiges Glied 307 ersetzt ist, wobei jedoch die Wirkung der Ausführungsform gemäß Fig. 38 erzielt wird.

Fig. 40 zeigt eine Trommelstruktur, bei der der obenerwähnte Wellenbefestigungsabschnitt 302 fortgelassen ist und die Drehtrommeln durch becherförmige Glieder gebildet werden, die mit einem Preßsitz auf der Welle 301 befestigt sind. Die magnetischen Glieder 308 und 308′ können direkt auf der Außenfläche der Trommel 303 befestigt sein, anstatt einen magnetischen Aufzeichnungsabschnitt auf der Trommel vorzusehen. Die magnetischen Glieder 308 und 308′ können auf lediglich einem Teil der äußeren Fläche ausgebildet sein, wenn dies nötig sein sollte, was keinen Einfluß auf die Wirkung hat.

Fig. 41 zeigt eine zur Drehmomenterfassung geeignete Struktur, die besonders kompakt und leicht ist. Die Messung des Drehmomentes basiert lediglich auf dem Wellendurchmesser und der Wellenlänge bei vorgegebenem Wellenmaterial. Daher wird eine kürzere und dünnere Welle naturgemäß für kompaktere und leichtere Strukturen bei einer Messung niedriger Drehmomente verwendet. Übliche Kodierer verwenden gebohrte, becherförmige Glieder für die Drehtrommeln, um das Trägheitsmoment herabzusetzen. Solche Drehtrommeln können die in Fig. 41 gezeigte Struktur haben, wobei ein kompaktes, leichtes Drehmomentmeßgerät realisiert wird, für das die Beziehung Ld < Ls gilt. Diese Struktur ermöglicht einen Preßsitz für die Anordnung, was eine Großserienherstellung erleichtert.

Ausführungsbeispiel 6

Bei den vorhergehenden Ausführungsformen gemäß den Fig. 4, 11 und 34 sind zwei Gruppen von MR-Elementen gegenüber den beiden Trommeln virtuell in linearer Ausrichtung angeordnet. Als eine Technik zum Erzeugen von Ausgangssignalverläufen mit einer gegenseitigen Phase von 90° können die MR-Elemente R 3 und R 4 mit einer Verschiebung eines Viertels der Aufzeichnungswellenlänge lambda/4 bezüglich der MR-Elemente R 1 und R 2 angeordnet werden. Durch diese Anordnung erzeugt der Magnetsensor 4 Ausgangssignale E _{A 1} und E _{A 2}, die einen Phasenversatz von 90° haben, wie dies bei (a) in Fig. 43 gezeigt ist. Die Polarität des Drehmomentes T, das auf die Welle ausgeübt wird, welche in einer Richtung gedreht wird, kann auf einfache Weise dadurch unterschieden werden, daß die Größe der Phasendifferenz R bezüglich des Ausgangssignales E _{A 1} gemessen wird. Wenn in diesem Fall das Drehmoment in der entgegengesetzten Richtung ausgeübt wird, haben die Signale eine Phasendifferenz R _N , die größer als die Phasendifferenz R _O ist, wenn T =0, wie dies durch (a) bei Fig. 43 und durch (b) in Fig. 43 gezeigt ist. Im Falle des Aufbringens eines positiven Drehmomentes oder eines Drehmomentes in einer positiven Richtung auf die Welle haben die Signale eine Phasendifferenz R _P , die kleiner als R _O bei T =0 ist, wie dies bei (c) in Fig. 43 dargestellt ist.

Bei der Ausrichtung der MR-Elemente R 3 und R 4 mit den MR-Elementen R 1 und R 2 sind die Ausgangssignale E _{A 1} und E _{A 2} in Phase miteinander. Ein Aufzeichnungsfehler oder Erfassungsfehler kann dazu führen, daß sich die Nulldurchgangspunkte der Signale bewegen und daß das Bezugssignal (E _{A 1} oder E _{A 2}) für die Messung der Phasendifferenz R variiert. Allerdings haben bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 42 die Ausführungssignale E _{A 1} und E _{A 2} eine Phasendifferenz von 90°. Selbst bei Auftreten eines Aufzeichnungsfehlers oder Erfassungsfehlers variiert das Bezugssignal E _{A 1} oder E _{A 2} nicht, was zu einer stabilen Messung für ein kleines Drehmoment führt. Der Meßbereich für das Drehmoment T beträgt +/-90°, bezogen auf den elektrischen Winkel der Ausgangssignale.

In Fig. 44 hat eine der Drehtrommeln 402 und 402′ (in diesem Fall die Drehtrommel 402) eine Bezugslagespur M _{Z 1} zum Erzeugen eines Pulses pro Drehung als Bezugssignal 405. Ein MR-Element R _{Z 1} für die Bezugslageerfassung liegt gegenüber der Spur M _{Z 1} und ist einstückig mit den MR-Elementen R 1-R 4 in dem Magnetsensor 404 ausgebildet.

Fig. 46 zeigt Signalverläufe dieses Falles (wobei die Signalspur M 1 identisch zu dem vorhergehenden Fall ist und in dieser Figur fortgelassen ist). Das Bezugslageerfassungs-MR-Element R _{Z 1} ist mit einem äußeren Widerstand oder dgl. verbunden, um eine 3-Anschluß-Konfiguration zu bilden, wobei eine Spannung V an die beiden Enden angelegt wird. Wenn sich die Drehtrommel 402 dreht und wenn das Bezugslagesignal 5 auf der Bezugslagespur M _{Z 1} das Bezugslageerfassungs-MR-Element R _{Z 1} durchlaufen hat, ändert dieses seinen Widerstand, wie dies bei (a) in Fig. 46 gezeigt ist, was zu einer Ausgangsspannung E _{Z 1} an der Ausgangsklemme e _{z 1} führt, wie dies bei (b) in Fig. 46 gezeigt ist. Allgemein ist das Ausgangssignal E _{Z 1} zu einer Ausgangssignalform E _{Z 1}′ geformt, wie dies bei (c) in Fig. 46 gezeigt ist, indem hierfür ein Komparator oder dgl. eingesetzt wird, was zu einer Erleichterung der Drehmomentmodifikation auf der Grundlage des Bezugspositionssignales E _{Z 1} führt. Ferner kann es bei Einsatz als Drehmomentdetektor in Kombination mit einem Motor als Ursprungs-Rückkehr-Signal für die Motorsteuerung eingesetzt werden. Obwohl das Bezugspositionssignal ein Puls pro Umdrehung bei diesem Ausführungsbeispiel ist, kann eine erhöhte Anzahl von Pulsen eingesetzt werden, wenn dies nötig sein sollte.

In Fig. 45 haben beide Drehtrommeln 402 und 402′ Bezugslagespuren M _{Z 1} und M _{Z 2}. Bezugslageerfassungs-MR-Elemente R _{Z 1} und R _{Z 2}, die gegenüber den Spuren M _{Z 1} und M _{Z 2} liegen, sind integral zusammen mit den MR-Elementen R 1-R 4 in dem Magnetsensor 404 ausgebildet. Diese Anordnung ermöglicht die Erfassung einer Ursprungslageinformation mit hoher Genauigkeit sowohl auf der Lastseite als auch auf der Motorseite zusätzlich zu der Wirkung der in Fig. 44 gezeigten Anordnung. Obwohl bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 44 und 45 die Signalspuren M 1 und M 2 auf der innersten Seite der Drehtrommeln 402 und 402′ ausgebildet sind, so daß sich diese beiden mit einem minimalen Abstand gegenüberliegen, können die Signalspuren M 1 und M 2 und die Bezugssignalspuren M _{Z 1} und M _{Z 2} in ihren Lagen ersetzt werden, wenn dies gewünscht ist. In einem derartigen Fall liegen die MR-Elemente R 1-R 4 und R _{Z 1} sowie R _{Z 2} gegenüber den Signalspuren M 1 und M 2 und den Bezugssignalspuren M _{Z 1} und M _{Z 2}.

Fig. 47 zeigt eine Anordnung mit den MR-Elementen R 1, R 2, R 3 und R 4 gegenüber den Drehtrommeln 402 und 402′, und mit den weiteren MR-Elementen R 5, R 6, R 7 und R 8, die mit einem Phasenversatz von einer viertel Aufzeichnungswellenlänge lambda/4 des Magentsignales angeordnet sind, so daß Zwei-Phasen-Signale mit einer virtuellen 90°-Phasendifferenz von jedem Magnetsignal auf den Drehtrommeln 402 und 402′ erzeugt werden. Die Signalverläufe, die zu der Drehtrommel 402 und den MR-Elementen R 1, R 2, R 4 und R 6 gehören, werden unter Bezugnahme auf Fig. 48 erläutert. Fig. 48 zeigt bei (a) und (c) die gleiche Betriebsweise wie bei (a) und (b). Die weiteren MR-Elemente R 5 und R 6 sind außer Phase bezüglich der MR-Elemente R 1 und R 2 um lambda/4. Die MR-Elemente R 5 und R 6 haben eine Widerstandsvariation aufgrund der phasenverschobenen Signalverläufe mit virtuell lambda/4 bezüglich der Widerstandsvariation der MR-Elemente R 1 und R 2, wie dies in Fig. 48 bei (b) dargestellt ist. Durch das Anschließen der MR-Elemente R 5 und R 6 in einer Drei-Anschluß-Konfiguration (nicht dargestellt), bei der die Spannung an die beiden Enden angel 18152 00070 552 001000280000000200012000285911804100040 0002003821083 00004 18033egt wird, hat das Ausgangssignal E _{A 2} eine bezüglich des Signales E _{A 1} um virtuell lambda/4 verschobene Signalform, wie dies in Fig. 48 durch (d) gezeigt ist. Durch eine Konstruktion des Magnetsensors 4 mit einem zwei-phasigen Ausgang kann dieser für die Lageerfassung und Drehzahlerfassung zusätzlich zur Drehmomenterfassung verwendet werden. Der zwei-phasige Ausgang ermöglicht eine genauere Drehzahlinformation und Phaseninformation sowohl auf der Lastseite als auch auf der Motorseite bei veränderlichen Lastzuständen. Falls eine Information auf einer Seite (beispielsweise auf der Lastseite oder Motorseite bereits bekannt ist, braucht lediglich die andere Seite mit einem zwei-phasigen Ausgang versehen sein.

Ausführungsbeispiel 7

Dieses Ausführungsbeispiel ist von dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 23 und 33 abgeleitet. Ein Mikrocomputer wird für die Berechnung verwendet. Die Fig. 49 und 50 zeigen die Drehmomentberechnung unter Verwenden eines Mikrocomputers aufgrund der Winkeldifferenz der beiden Drehtrommeln, die durch die sinusförmigen Ausgangssignale der Magnetsensoren erzeugt werden. Die zwei-phasigen E _{A 2} und E _{B 2} des Magnetsensors 204′ und die zwei-phasigen Ausgangssignale E _{A 2} und E _{B 2} des Magnetsensors 204′ in dem System gemäß Fig. 31 werden der Schaltung gemäß Fig. 49 zugeführt. Die Signale werden durch Verstärker AM 1-AM 4 verstärkt, die jeweilige Ausgangssignale A₁ sin R, B₁ cos R, A₂ sin R und B₂ sin R erzeugen. Diese Signale werden durch einzelne Analog-Digital(A/D)-Wandler AD 1-AD 4 einem Mikrocomputer MC zugeführt. Der Mikrocomputer MC führt eine arithmetische Verarbeitung gemäß dem Flußdiagramm nach Fig. 50 durch und erzeugt ein Ausgangssignal am Anschluß 214, das das Drehmoment darstellt.

Das Flußdiagramm gemäß Fig. 50 zeigt anfänglich das Lesen der digitalen Daten A 1, B 1, A 2 und B 2 aufgrund der Ausgangssignale der Magnetsensoren 204 und 204′, die durch Verstärkung und A/D-Wandlung verarbeitet sind. Der nächst Schritt führt folgende Berechnung für die Werte A 1 und B 1 zur Ermittlung des Winkels R₁ der Drehtrommel 202 durch:

R₁=tan^-1 (A 1/B 1) (8)

Zu diesem Zeitpunkt werden die Polaritäten der Signale A 1 und B 1 überprüft, um den Betriebszustand zu unterscheiden, so daß der Wert von R₁ ermittelt wird.

Auf ähnliche Weise wird im nächsten Schritt der Winkel R₂ der Drehtrommel 202′ aufgrund der Eingangssignale A 2 und B 2 folgendermaßen berechnet:

R₂=tan^-1 (A 2/B 2) (9)

Der nächste Schritt berechnet die Winkeldifferenz der Drehtrommel 202 und 202′, d. h. die Torsion R _O auf der Grundlage der Winkel R₁ und R₂. Der nächste Schritt berechnet das Drehmoment durch folgende Gleichung, die eine Variante der Gleichung (7) ist:

T = (π × G × D⁴/32×L) × R₀ (10)

Der letzte Schritt liefert den Wert des Drehmomentes T, woraufhin das Programm zum ersten Programmschritt zurückkehrt.

Der Winkel R₁, der durch die Gleichung (8) berechnet wird, kann gleichfalls allein aufgrund der Signale A 1 und B 2 unter Verwenden folgender Gleichung (11) berechnet werden:

R₁=sin^-1 A 1=cos^-1 B 1 (11)

Allerdings ist die Teilung von A 1 durch B 1 in der Gleichung (8) aus Gründen der höheren Genauigkeit von Vorteil, da Veränderungen der Ausgänge A 1 und B 1, die gleichzeitig aufgrund einer Veränderung des Abstandes zwischen den Drehtrommeln 202 oder 202′ und den Magnetsensoren 204 oder 204′ auftreten, einander aufheben.

Fig. 50 ist ein Flußdiagramm zum Berechnen der Drehlage und der Drehzahl. Das Programm liest anfänglich die sinusförmigen, digitalen Eingangswerte A 1 und B 1, liest die Zeit T für den Geschwindigkeitsmeß-Zeitgeber, und nach einem temporären Halten dieser Werte startet es den Zeitgeber. Als nächstes berechnet das Programm einen kleinen Winkel R₁ innerhalb eines Zyklus unter Verwenden der Gleichung (8) auf die gleiche Art wie bei der Drehmomenterfassung. Als nächstes liest das Programm den vorherigen kleinen Winkel R _{n -1} aus dem Speicher und berechnet die Differenz des neuen Winkels R₁ zum Bestimmen der Winkeldifferenz R _{n -1}-R₁. Durch Teilen des Ergebnisses durch die Zeitdifferenz t zwischen dem vorherigen und dem gegenwärtigen Ereignis wird die Geschwindigkeit v berechnet und erscheint an der Ausgangsklemme 213. Bei der Lageberechnung wird die Differenz zwischen dem momentanen kleinen Winkel R₁ und dem vorhergehenden kleinen Winkel R _{n -1} mit dem kumulativen Winkel bis zum vorhergehenden Ereignis O _{Σ -1} addiert, wodurch sich der momentane Winkel R _Σ ergibt, der an dem Ausgangsanschluß 212 erzeugt wird. Als nächstes wird der gegenwärtige kleine Winkel R₁ an dem Speicherort für R _{n -1} gespeichert und der gegenwärtige Winkel R _Σ an dem Speicherort des vorhergehenden Winkels R _Σ-1 abgespeichert, woraufhin das Programm zum Beginn zurückkehrt. Bei diesem Beispiel liegen der kleine Winkel R₁ und der vorhergehende Winkel R _{n -1} innerhalb eines Zyklus. Im Falle einer Variation über einen Zyklus wird die Winkelkumulation für die Berechnung verwendet.

Dies ist der Fall, wenn die Magnetsensoren 204 und 204′ sinusförmige Ausgangssignale erzeugen. Eine Technik zum Erzeugen sinusförmiger Ausgangssignale wird unter Bezugnahme auf Fig. 52 erläutert. Der Magnetsensor 204 hat magnetische Widerstandseffektelemente (MR-Elemente) r _{a 1} und R _{a 2}, R _{b 1} und R _{b 2}, die mit dem Abstand einer halben Aufzeichnungswellenlänge lambda/2 angeordnet sind, wobei ein Abstand von lambda/6 zwischen den Elementen R _{a 1} und R _{b 1} und zwischen den Elementen R _{a 2} und R _{b 2} eingehalten ist. Die MR-Elemente sind in der in der Figur gezeigten Art verbunden. Die MR-Elemente R _{a 1} und R _{a 2} erzeugen ein Ausgangssignal e _a , das durch die durchgezogene Linie e _a dargestellt ist, wenn sich die Drehtrommel 202 dreht. Das Signal wird aufgrund der Sättigung der Widerstandsvariation des MR-Elementes gegenüber dem Magnetfeld verzerrt. Die verzerrte Signalform hat eine Hauptkomponente der dritten Harmonischen, wobei die ursprüngliche Signalform in eine fundamentale Welle e _{a 1} und eine dritte Harmonische e _{a 3} aufgeteilt werden kann, wie dies durch die gestrichelte Linie in der Figur gezeigt ist. Auf ähnliche Weise erzeugen die MR-Elemente R _{b 1} und R _{b 2} ein Ausgangssignal e _b , das in ein grundsätzliches Signal e _{b 1} und eine dritte Harmonische e _{b 3} aufgeteilt ist. Als Brückenausgangssignal E _{A 1}, d. h. e _a + e _b , haben die dritten Harmonischen e _{a 3} und e _{b 3} entgegengesetzte Phasen und heben einander auf, so daß die Grundwelle übrigbleibt.

Obwohl bei diesem Ausführungsbeispiel die Drehtrommeln 202 und 202′ und die Magnetsensoren 204 und 204′ außerhalb der Welle 201 des Motors 206 befestigt sind, können die Drehtrommeln 202 und 202′ und die Magnetsensoren 204 und 204′ innerhalb des Motors 206 eingebaut werden.

Bei der Struktur dieses Ausführungsbeispieles ist das Drehmomenterfassungsgerät durch Drehtrommeln mit Magnetgliedern konstruiert, auf denen Magnetsignale aufgezeichnet sind, wobei ein Magnetsensor, der aus einem Feld von MR-Elementen zum Erzeugen sinusförmiger Ausgangssignale besteht, vorgesehen ist, und wobei das Drehmoment sehr genau selbst beim Anhalten erfaßt werden kann. Der magnetische Sensor hat eine konstante Ausgangsamplitude und unabhängig von der Drehzahl, so daß die Signalverarbeitungsschaltung einfachgehalten werden kann. Die Verwendung des Magnetismus führt in vorteilhafter Weise zu einer Unabhängigkeit von Umgebungseinflüssen, wie beispielsweise Staub und Schmutz, so daß ein äußerst zuverlässiges Drehmomentmeßgerät realisiert ist.

Ausführungsbeispiel 8

Die obigen verschiedenen Ausführungsformen basieren auf der Annahme, daß der magnetische Sensor oder Magnetsensor sinusförmige Ausgangssignale erzeugt. Jedoch haben tatsächliche Magnetsensoren Ausgangssignale, die eine Vielzahl von ungeradzahligen Harmonischen aufgrund der Sättigung der Widerstandsvariationen der magnetischen Widerstandseffektelemente (MR-Elemente) beinhalten, wobei sinusförmige Ausgangssignale schwierig zu erhalten sind, soweit sie nicht in der in Fig. 52 gezeigten Art aufgeteilt werden. Die Anordnung der Drehtrommel 202 und des Magnetsensors 204 gemäß den Fig. 24 und 25 führt zu der Signalform des Widerstandsverlaufes der MR-Elemente R 1 und R 2 gemäß Fig. 53, wenn das auf der Drehtrommel 202 aufgezeichnete Magnetsignal und der Abstand zwischen der Drehtrommel 202 und dem Magnetsensor 204 in geeigneter Weise so gewählt sind, daß die MR-Elemente R 1 und R 2 eine in den Sättigungsbereich gehende Widerstandsvariation haben. Die MR-Elemente sind angeschlossen, wie dies in Fig. 54 gezeigt ist, so daß ihr Ausgangssignal E _{A 1} eine dreieckförmige Signalform hat, wie dies bei (A) in Fig. 55 gezeigt ist. Das Dreieckssignal variiert sich linear gegenüber dem magnetischen Signal auf der Drehtrommel, d. h. in einer Eins-zu-Eins-Beziehung zwischen dem Drehwinkel und dem Analogwert des Ausgangssignales E _{A 1}, wodurch die Winkelerfassung gemäß Fig. 32 sehr genau wird. Auf ähnliche Weise erzeugt die Trommel 202′ das Ausgangssignal E _{A 2}, das bei (B) in Fig. 55 gezeigt ist und vereinfacht die Erfassung des Winkels aufgrund der Ausgangssignale der beiden magnetischen Sensoren 204 und 204′.

Bei der Struktur dieses Ausführungsbeispieles wird das Drehmomenterfassungsgerät durch Drehtrommeln gebildet, die magnetischen Glieder haben, auf denen Magnetsignale aufgezeichnet sind, und durch einen magnetischen Sensor, der aus einem Feld von MR-Elementen besteht, um dreieckförmige Ausgangssignale zu erzeugen, so daß das Drehmoment sogar bei Stillstand genau gemessen werden kann. Der magnetische Sensor hat eine konstante Ausgangsamplitude unabhängig von der Drehzahl, was die Verarbeitungsschaltung vereinfacht. Die Verwendung eines Magnetismus ist vorteilhaft aufgrund ihrer Unempfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüssen, wie beispielsweise Dreck und Staub, wodurch ein äußerst zuverlässiges Drehmomenterfassungsgerät realisiert wird.

Ausführungsbeispiel 9

Bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen erzeugt der magnetische Sensor sinusförmige Ausgangssignale, oder, falls dies nicht der Fall ist, werden Signale erzeugt, die so ähnlich wie möglich einem sinusförmigen Signal kommen, wie dies in Fig. 52 gezeigt ist, oder es werden rechteckförmige Signale erzeugt, um das Drehmoment zu erfassen, wie dies in Fig. 53 gezeigt ist.

Andererseits ist es möglich, durch Speichern der Signalform der Ausgangssignale, die durch den verwendeten magnetischen Sensor erzeugt werden, in einem Speichergerät den Winkel auf der Grundlage eines Vergleichs zwischen der gespeicherten Signalform und dem tatsächlich erzeugten Ausgangssignal zu erfassen, so daß jegliche Notwendigkeit des Formens des magnetischen Sensorausgangssignals in eine vorbestimmte Signalform vermieden wird.

Tatsächliche Ausgangssignalformen, die durch die magnetischen Sensoren erzeugt werden, sind aufgrund der vielen Harmonischen in vielen Fällen verzerrt. Nachfolgend wird ein praktisches Ausführungsbeispiel beschrieben, das von einem verzerrten Signal Gebrauch macht.

Fig. 54 zeigt eine typische Widerstandsveränderung des magnetischen Widerstandseffektelementes (MR-Elementes) in den Magnetsensoren 204 und 204′, bei der eine Sättigung durch das Magnetfeld auf der Drehtrommel 202 vorliegt. Die MR-Elemente R 1 und R 2 sind angeschlossen, wie dies in Fig. 55 gezeigt ist, wobei ihre Ausgangssignale E _{A 1} verzerrt sind, wie dies durch (A) in Fig. 56 gezeigt ist. Auf ähnliche Weise erzeugen die Drehtrommel 202′ und der magnetische Sensor 204′ ein Ausgangssignal E _{A 2}, das verzerrt ist, wie dies durch (B) in Fig. 56 gezeigt ist. Der analoge Wert des verzerrten Signales hat keine einheitliche Beziehung zu dem Winkel der Drehtrommel, was im Gegensatz zu dem Fall eines sinusförmigen Signales steht.
Fig. 59 zeigt eine Technik zum Messen des Drehwinkels der Drehtrommel für eine verzerrte Signalform. Die Magnetsensoren 204 und 204′ erzeugen zwei-phasige Ausgangssignale mit einer 90°-Phasendifferenz. Die Signale werden durch Verstärker AM 1-AM 4 zu Analog-Digital-Wandlern AD 1-AD 4 zugeführt, wobei die sich ergebenden Ausgangssignale dem Adreßeingang von Festwertspeichern (ROMs) R 01-R 04 zugeführt werden. Die ROMs sind vorab mit einer Aufzeichnung versehen, die in Beziehung zur Amplitude des Analogsignales und dem durch die Analyse der Ausgangssignalform von den Magnetsensoren 204 und 204′ erhaltenen Winkel steht. Die ROMs modifizieren die Eingangssignale nämlich derart, daß die Amplitude in linearer Abhängigkeit zum Winkel steht. Die Ausgangssignale der ROMs R 01-R 04 werden dem Mikrocomputer MC zugeführt, der Winkel für die Eingangssignale berechnet und ferner das Drehmoment aufgrund der Winkeldifferenz R₀ aufgrund der folgenden Gleichung berechnet:

T = (π × G × D⁴/32 × L) × R₀

Der Mikrocomputer MC berechnet ferner den Winkel der Drehtrommel oder die Trommelgeschwindigkeit aufgrund eines Wechsels in dem Winkel auf der Zeitachse. Das Ausführungsbeispiel ermöglicht, daß die Magnetsensoren 204 und 204′ beliebig verzerrte Signalformen erzeugen, wobei dennoch eine genaue Drehmomenterfassung erreicht wird.

Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Ausgangssignale der Magnetsensoren analysiert und eine Beziehung zwischen dem Analogsignalwert und dem Winkel wird vorab in dem Speicher gespeichert, so daß die Signale des Magnetsensors nicht auf sinusförmige oder dreieckförmige Signale beschränkt sind, obwohl der Speicherinhalt modifiziert werden muß, wenn ein erheblicher Fehler zwischen der gespeicherten Signalform und der Ausgangssignalform auftritt, die durch den Magnetsensor erzeugt wird.

Claims (25)

1. Drehmomenterfassungsgerät, mit:

• - einer Antriebswelle (3) und einer angetriebenen Welle (6), die koaxial mit der Antriebswelle mittels einer Torsionsstange (15) verbunden ist, gekennzeichnet durch:
• - eine erste Trommel (11), die auf der Antriebswelle (3) befestigt ist, und einer zweiten Trommel (12), die auf der angetriebenen Welle (6) befestigt ist;
• - Magnetsignale, die auf der Oberfläche der ersten und zweiten Trommel (11, 12) aufgezeichnet sind; und
• - einen magnetischen Sensor (14) zum Erfassen der Drehwinkel der ersten und zweiten Trommel (11, 12) in einer kontaktlosen Art, wobei das Drehmomenterfassungsgerät ein Drehmoment aufgrund einer Differenz der Drehwinkel der ersten und zweiten Trommel (11, 12) ermittelt, wobei die Antriebswelle (3) und die angetriebene Welle (6) an ihren freien Enden durch eine Kupplungslagerung (10) verbunden sind, so daß die Wellen (11, 12) sich relativ zueinander drehen können und wobei die erste und zweite Trommel (11, 12) an dem Außenumfang der freien Enden der Antriebswelle (3) und der angetriebenen Welle (6) befestigt sind.

2. Drehmomenterfassungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (3) und die angetriebene Welle (6) zylindrische Abschnitte haben, auf denen die Trommeln (11, 12) befestigt sind.

3. Drehmomenterfassungsgerät, gekennzeichnet durch:

• - Drehglieder (11, 12), auf denen magnetische Glieder mit einer Vielzahl von Polen vorgesehen sind, die an den beiden Enden einer Torsionsstange (15) befestigt sind;
• - elektromagnetische Übertragerelemente (14), die angeordnet sind, um den Drehgliedern zum Erfassen der relativen Verschiebung der magnetischen Glieder gegenüberzuliegen; und
• - eine Signalverarbeitungsschaltung zum Messen eines Drehmomentes aufgrund des durch die elektromagnetischen Übertragerelemente erfaßten Signales, wobei die Signalverarbeitungsschaltung eine signalformende Schaltung (50) aufweist, die Pulse in Reaktion auf die Drehung der Magnetglieder eines Drehgliedes auf der Grundlage des Signales erzeugt, das durch die elektromagnetischen Übertragerelemente erfaßt wird, eine Differenzspannungserfassungsschaltung (51) aufweist, die eine Differenzspannung aufgrund einer relativen Verschiebung der beiden Drehglieder auf der Grundlage des Signales, das durch die elektromagnetischen Übertragerelemente erzeugt wird, erzeugt, und eine arithmetische Schaltung (16) aufweist, die einen Drehwinkel und ein Drehmoment auf der Grundlage der durch diese Schaltungen erzeugten Signale berechnet.

4. Drehmomenterfassungsgerät zum Erfassen eines Drehmomentes, das über eine bestimmte Drehwelle übertragen wird und das an die Steuerung eines unterstützenden Drehmomentes angelegt wird, das an die Drehmomentausgangsseite der Drehwelle in Reaktion auf das Ergebnis der Erfasung addiert wird, wobei das Gerät eine kontaktfreie Sensorvorrichtung zum Erfassen des Drehmomentes und eine elektronische Steuerschaltung zum Steuern des unterstützenden Drehmomentes aufweist, die integral ausgebildet sind und auf einer Halterung zum Tragen der Drehwelle befestigt sind.

5. Drehmomenterfassungsgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die kontaktfreie Sensorvorrichtung eine erste und eine zweite magnetische Trommel (11, 12) aufweist, die an der Drehmomenteingangsseite und an der Drehmomentausgangsseite der Drehwelle befestigt sind, erste und zweite magnetische Erfassungselemente (91, 92) zum Erfassen der magnetischen Drehwinkellagen der ersten und zweiten magnetischen Trommel als Sinuswert und Cosinuswert von sinusförmigen Signalen aufweist, wobei die Drehwinkel der ersten und zweiten magnetischen Trommel aufgrund eines Arcustangens-Wertes berechnet werden, der ein Verhältnis des Sinuswertes zum Cosinuswert des Signales ist, wobei das Drehmoment als Differenz der Drehwinkel der ersten und zweiten magnetischen Trommel erfaßt wird.

6. Drehmomenterfassungsgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehwelle eine Lenkwelle eines Kraftfahrzeuges beinhaltet und daß das unterstützende Drehmoment als Servolenkkraft wirkt.

7. Drehmomenterfassungsgerät, gekennzeichnet durch: eine Mehrzahl von Drehtrommeln (303, 303′), die mit einem bestimmten Abstand auf der Antriebsseite und der Lastseite einer Drehwelle (301) befestigt sind, und Signalspuren mit einer Aufzeichnung von Magnetsignalen auf ihren Oberflächen aufweisen, und durch magnetische Widerstandseffektelemente, die auf einem festen Abschnitt angeordnet sind, der den Trommeln gegenüberliegt, wobei die relative Verschiebung, die durch eine Verdrehung der Drehachsen zwischen den Drehtrommeln erzeugt wird, als Widerstandsveränderung der magnetischen Widerstandseffektelemente abgenommen wird, wobei eine der Drehtrommeln becherförmig ausgebildet ist und wobei die Drehtrommeln auf der Drehwelle derart befestigt sind, daß sie die Beziehung Ld < Ls erfüllen, wobei Ld eine Entfernung zwischen den Positionen auf der Welle ist, an denen die Trommeln befestigt sind, und Ls eine Entfernung zwischen Signalspuren ist und wobei die Mehrzahl von magnetischen Widerstandseffektelementen zum Ermitteln der Magnetsignale auf beiden Drehtrommeln durch Dampfabscheidung oder durch Ätzen eines einzigen Substrates gebildet werden, um einen Ein-Chip-Magnetsensor zu bilden.

8. Drehmomenterfassungsgerät, gekennzeichnet durch: eine Mehrzahl von Winkeldetektoren, die mit einem bestimmten Abstand auf einer Drehwelle (301) befestigt sind, die eine Last mit einer Antriebsquelle verbindet und die arbeitet, um ein Lastdrehmoment aufgrund der relativen Winkeldifferenz der durch die Winkeldetektoren erfaßten Winkel zu erfassen, wobei das Gerät eine Mehrzahl von Drehtrommeln oder Drehscheiben (303, 303′) aufweist, die mit einem bestimmten Abstand auf der Antriebsseite und auf der Lastseite der Drehwellen befestigt sind, wobei eine Mehrzahl von Magnetpolen zum Erzeugen von magnetischen Signalen auf der Oberfläche dieser Teile ausgebildet ist, und durch einen magnetischen Sensor (305), der angeordnet ist, um der Oberfläche der Drehtrommeln oder Scheiben gegenüberzuliegen, und magnetische Widerstandseffektelemente aufweist, die ihren Innenwiderstand in Reaktion auf den Magnetismus der Magnetpole, die darauf vorgesehen sind, ändern, wobei der Magnetsensor zwei Sätze von Ausgangssignalen von virtuell sinusförmigen Signalverläufen in Abhängigkeit von den Winkeln der Drehtrommeln oder Scheiben erzeugt, wobei eine Winkeldifferenz von zwei Sätzen von sinusförmigen Ausgangssignalen berechnet wird, um ein Drehmoment zu erfassen.

9. Drehmomenterfassungsgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Satz von sinusförmigen Ausgangssignalen Viel-Phasen-Ausgangssignale mit verschiedenen Phasen aufweist.

10. Drehmomenterfassungsgerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Viel-Phasen-Ausgangssignale zum Berechnen von Winkeln verwendet werden.

11. Drehmomenterfassungsgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkeldifferenz zwischen der Mehrzahl von Drehtrommeln oder Scheiben bei Anlegen eines maximalen Drehmomentes innerhalb eines Zyklus der sinusförmigen Ausgangssignale liegt.

12. Drehmomenterfassungsgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zyklus der sinusförmigen Ausgangssignale in eine Mehrzahl von Bereichen zum Realisieren der Winkelberechnung unterteilt ist.

13. Drehmomenterfassungsgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetsensor Ausgangssignale aufweist, die durch Berechnung die Lage oder Geschwindigkeit der Drehwelle zusätzlich zur Drehmomenterfassung berechnen.

14. Drehmomenterfassungsgerät, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Winkeldetektoren, die mit einem vorbestimmten Abstand auf einer Drehwelle (301) befestigt sind, die eine Antriebsquelle und eine Last miteinander verbindet und zum Erfassen eines Lastdrehmomentes aufgrund der Winkeldifferenz der Winkel, die durch die Winkeldetektoren gemessen werden, dient, wobei das Gerät eine Mehrzahl von Drehtrommeln oder Drehscheiben (303, 303′) aufweist, die mit einem bestimmten Abstand auf der Antriebsseite und Lastseite der Drehwelle befestigt sind, und eine Mehrzahl von Magnetpolen zum Erzeugen von magnetischen Signalen, die auf deren Oberfläche ausgebildet sind, aufweist, und einen magnetischen Sensor (305) enthält, der der Oberfläche der Drehtrommeln oder Scheiben gegenüberliegt, und magnetische Widerstandseffektelemente aufweist, die ihren Innenwiderstand in Reaktion auf den Magnetismus der auf diesen Teilen vorgesehenen Magnetpole ändern, wobei der Magnetsensor zwei Sätze von Ausgangssignalen erzeugt, die eine virtuelle Dreieckssignalform in Abhängigkeit von den Winkeln der Drehtrommeln oder Scheiben haben, wobei die Winkeldifferenz zwischen den beiden Sätzen von dreiecksförmigen Ausgangssignalen berechnet wird, um ein Drehmoment zu messen.

15. Drehmomenterfassungsgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Satz von Ausgangssignalen Viel-Phasen-Ausgangssignale mit verschiedenen Phasen aufweist.

16. Drehmomenterfassungsgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Viel-Phasen-Ausgangssignale zum Winkelberechnen verwendet werden.

17. Drehmomenterfassungsgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkeldifferenz zwischen der Mehrzahl von Drehtrommeln oder Scheiben bei Anlegen eines maximalen Drehmomentes innerhalb eines Zyklus des Ausgangssignales liegt.

18. Drehmomenterfassungsgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zyklus des Ausgangssignales in eine Mehrzahl von Abschnitten zum Realisieren der Winkelberechnung unterteilt ist.

19. Drehmomenterfassungsgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetsensor Ausgangssignale hat, die die Lage oder Drehzahl der Drehwelle zusätzlich zum Drehmoment berechnen.

20. Drehmomenterfassungsgerät, gekennzeichnet durch: eine Mehrzahl von Winkeldetektoren, die mit einem bestimmten Abstand auf einer Drehwelle (301) befestigt sind, die eine Last mit einer Antriebsquelle verbindet und zum Erfassen eines Lastdrehmomentes aufgrund einer relativen Winkeldifferenz der durch die Winkeldetektoren erfaßten Winkel dient, wobei das Gerät eine Mehrzahl von Drehtrommeln oder Drehscheiben (303, 303′) aufweist, die mit einem bestimmten Abstand auf der Antriebsseite und der Lastseite der Drehwelle befestigt sind, und eine Mehrzahl von Magentpolen zum Erzeugen von magnetischen Signalen hat, die auf der Oberfläche dieser Teile ausgebildet sind und einen magnetischen Sensor (305) aufweist, der gegenüber der Oberfläche der Drehtrommeln oder Scheiben angeordnet ist, und magnetische Widerstandseffektelemente aufweist, die ihren Innenwiderstand in Reaktion auf den Magnetismus der magnetischen Pole, die hierauf vorgesehen sind, ändern, wobei der magnetische Sensor zwei Sätze von Ausgangssignalen in Abhängigkeit von dem Winkel der Drehtrommeln oder Scheiben erzeugt, wobei das Gerät ferner einen Festwertspeicher (ROM) enthält, der Winkel entsprechend des Signalverlaufes der Ausgangssignale speichert, wobei die Winkeldifferenz zwischen zwei Sätzen von Ausgangssignalen aufgrund des Ausgangssignales des Festwertspeichers berechnet wird.

21. Drehmomenterfassungsgerät nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Satz von Ausgangssignalen Viel-Phasen-Ausgangssignale mit verschiedenen Phasen aufweist.

22. Drehmomenterfassungsgerät nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Viel-Phasen-Ausgangssignale zum Berechnen des Winkels verwendet werden.

23. Drehmomenterfassungsgerät nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkeldifferenz zwischen der Mehrzahl von Drehtrommeln oder Scheiben bei Anlegen eines maximalen Drehmomentes innerhalb eines Zyklus des dreiecksförmigen Ausgangssignales bleibt.

24. Drehmomenterfassungsgerät nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zyklus des dreieckförmigen Ausgangssignales in eine Mehrzahl von Abschnitte zum Realisieren der Winkelberechnung unterteilt ist.

25. Drehmomenterfassungsgerät nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetsensor Ausgangssignale hat, die die Lage oder Drehzahl der Drehwelle zusätzlich zur Drehmomenterfassung berechnen.