DE60215414T2

DE60215414T2 - Apparat zur Erfassung einer relativen Winkelpositionsänderung

Info

Publication number: DE60215414T2
Application number: DE60215414T
Authority: DE
Inventors: Atsutoshi Fuchu-shi Goto; Kazuya Hamura-shi Sakamoto; Hiroshi Kawagoe-shi Sakamoto
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-04-11
Filing date: 2002-04-08
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2022-04-09
Also published as: JP5016165B2; HK1047973B; US6581479B2; EP1249693A2; JP2002310816A; US20020148304A1; DE60215414D1; HK1047973A1; EP1249693B1; EP1249693A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte Vorrichtung zum Detektieren einer Relativrotationsposition zwischen zwei Wellen, die zur Verwendung zum Beispiel als ein Drehmomentsensor zum Detektieren einer Torsionskraft oder einer Last geeignet ist, die an eine Servolenkwelle eines Kraftfahrzeugs angelegt wird.
Unter verschiedenen Arten von Verfahren zum Detektieren von Verdrehungsgraden zweier relativ zueinander rotierbaren Wellen sind solche bekannt, die durch das Vorsehen von Erfassungsvorrichtungen, wie zum Beispiel Potentiometer- oder Drehwinkelgebervorrichtungen, an Eingangs- und Ausgangswellen, die über einen Torsionsstab miteinander verbunden sind, gekennzeichnet sind. Gemäß dem oben erwähnten ein Potentiometer verwendenden Verfahren ist auf der Eingangswelle ein Schieber angebracht, während ein Widerstand auf der Ausgangswelle angebracht ist, so dass eine Position des den Widerstand kontaktierenden Schiebers gemäß einer Variation in einer Relativrotationsposition zwischen der Eingangs- und der Ausgangswelle variiert, um so eine analoge Spannung zu liefern, die der Relativrotationsposition entspricht. Gemäß dem Verfahren, das Drehwinkelgeber verwendet, sind getrennte Drehwinkelgebervorrichtungen sowohl auf der Eingangs- als auch auf der Ausgangswelle vorgesehen, um so einen relativen Rotationsgrad (Torsionsgrad) zwischen den beiden Wellen auf der Grundlage von Winkelsignalen zu detektieren, die von den beiden Drehwinkelgebervorrichtungen erzeugt werden. Ferner wurde als ein Mittel zum Detektieren einer relativen Rotationsverschiebung zwischen zwei zueinander rotierbaren Wellen ein kontaktfrei arbeitender Drehmomentsensor für Servolenkungen entwickelt, der eine Induktionsspule verwendet.
Das herkömmliche Verfahren, bei dem ein Potentiometer eingesetzt wird, leidet immer unter einem schlechten elektrischen Kontakt, einem Versagen und/oder anderen Problem, da der elektrische Kontakt über eine mechanische Kontaktstruktur umgesetzt wird. Weil ferner aufgrund von Temperaturveränderungen Impedanzvariationen auftreten, ist es nötig, eine Temperaturdrift entsprechend zu kompensieren. Ferner ist die Rotationsverschiebungs-Detektionsvorrichtung, die als ein kontaktfreier Drehmomentsensor für eine elektrische Servolenkung bekannt ist, der die Induktionsspule verwendet, so angeordnet, dass ein im Ansprechen auf eine winzige relative Rotationsverschiebung erzeugtes analoges Spannungsniveau gemessen wird, so dass er lediglich eine sehr schlechte Detektionsauflösung erzielt. Ferner besteht zusätzlich zur Notwendigkeit zum Kompensieren von Temperaturdriftcharakteristiken der Spule eine Notwendigkeit, Temperaturdriftcharakteristiken, die in der Reluktanz von magnetischen Substanzen vorhanden sind, welche die magnetische Kopplung mit der Spule im Ansprechen auf eine sich verändernde Relativrotationsposition variieren, sowie auch einen Wirbelstromverlust elektrisch leitender Substanzen entsprechend zu kompensieren. Ferner ist es wünschenswert, dass die Drehmomentsensoren für Kraftfahrzeuge aus Sicherheitsgründen als eine doppelt erfassende Struktur angeordnet sind.
Außerdem offenbart das US-Patent Nr. 5,083,468 eine Messvorrichtung zur kontaktlosen Messung eines Rotationswinkels und/oder eines Drehmoments einer Welle.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Relativrotationspositions-Detektionsvorrichtung vorzusehen, die eine bessere Temperaturcharakteristik-Kompensationsleistung erzielt und auch leicht als eine doppelt erfassende Struktur angeordnet werden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Relativrotationspositions-Detektionsvorrichtung vorzusehen, die zu einer Detektion mit einer hohen Auflösung fähig ist, selbst wenn die zu detektierende relative Rotationsverschiebung sehr klein ist.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Relativrotationspositions-Detektionsvorrichtung zum Detektieren einer Relativrotationsposition zwischen einer ersten Welle und einer zweiten Welle, die in Bezug aufeinander rotierbar sind, vorgesehen, welche Folgendes aufweist: einen äußeren Zylinderabschnitt, der mit der ersten Welle rotierbar ist, wobei der äußere Zylinderabschnitt aus einer magnetisch abschirmenden Substanz oder antimagnetischen Substanz gebildet ist und Muster von offenen Fenstern von ersten bis vierten Kanälen aufweist; einen inneren Zylinderabschnitt, der in den äußeren Zylinderabschnitt eingesetzt ist und mit der zweiten Welle rotierbar ist, wobei der innere Zylinderabschnitt aus einer magnetischen Substanz ausgebildet ist und Muster von nichtmagnetischen Fenstern von ersten bis vierten Kanälen aufweist; und erste bis vierte Spulen, die in korrespondierender Beziehung zu den ersten bis vierten Kanälen vorgesehen sind und durch ein vorgegebenes Wechselstromsignal erregbar sind. Für jeden der Kanäle sind das Muster des offenen Fensters in dem äußeren Zylinderabschnitt und das Muster des nichtmagnetischen Fensters in dem inneren Zylinderabschnitt so angeordnet, dass sie sich gegenseitig überlappen, und eine Anordnung (d.h. ein Muster) der offenen Fenster und der nichtmagnetischen Fenster in den Kanälen derart eingestellt ist, dass: ein Überlappungsgrad zwischen dem Muster des offenen Fensters und dem Muster des nichtmagnetischen Fensters in jedem der Kanäle in Entsprechung zu einer Variation einer Relativrotationsposition innerhalb eines vorgegebenen Bereichs zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle variiert; eine Variation des Überlappungsgrads in dem zweiten Kanal einer Differentialkurve in Bezug auf eine Variation des Überlappungsgrads in dem ersten Kanal präsentiert; eine Variation des Überlappungsgrads in dem vierten Kanal eine Differentialkurve in Bezug auf eine Variation des Überlappungsgrads in dem zweiten Kanal präsentiert; und Variationen in den dritten und vierten Kanälen eine vorgegebene Differenz von Variationen in den ersten und zweiten Kanälen präsentieren. Daher können gemäß der vorliegenden Erfindung die ersten bis vierten Spulen, die zu den ersten bis vierten Kanälen korrespondieren, eine Impedanz präsentieren, die dem Überlappungsgrad zwischen den offenen Fenstern und den nichtmagnetischen Fenstern der entsprechenden Kanäle entspricht.
Die Relativrotationspositions-Detektionsvorrichtung der vorliegenden Erfindung, die durch das Vorsehen der vier Detektionskanäle charakterisiert ist, die jeweils eine Kombination des relativ verschiebbaren offenen Fensters und nichtmagnetischen Fensters aufweist, ist dahingehend extrem nützlich, dass sie eine genaue Detektion ermöglicht, indem Temperaturdriftcharakteristiken entsprechend kompensiert werden und indem sie zum Vorsehen zweifacher Detektionsausgangssignale konstruiert werden kann.
In einer bevorzugten Umsetzung wird ein erstes Wechselstromausgangssignal erzeugt durch Erhalten einer Differenz zwischen Ausgängen der dem ersten Kanal entsprechenden ersten Spule und der dem zweiten Kanal entsprechenden zweiten Spule, wird ein zweites Wechselstrom-Ausgangssignal erzeugt durch Erhalten einer Differenz zwischen Ausgängen der dem dritten Kanal entsprechenden dritten Spule und der dem vierten Kanal entsprechenden vierten Spule, und ist die Anordnung der offenen Fenster und nicht magnetischen Fenster von einzelnen der Kanäle in einer solchen Art und Weise eingestellt, dass die Amplituden der ersten und zweiten Wechselstoom-Ausgangssignale mit unterschiedlichen Charakteristiken in Entsprechung zu einer Variation der Relativrotationsposition innerhalb des vorgegebenen Bereichs variieren. Durch ein Erhalten einer Differenz zwischen zwei Kanälen auf diese Weise ist es möglich, Temperaturdriftfehler in der Spulenimpedanz zu beseitigen. Ferner können das erste und das zweite Wechselstrom-Ausgangssignal als zweifache Detektionsausgangssignale verwendet werden. Die Relativrotationspositions-Detektionsvorrichtung kann ferner eine erste Schaltung zum Synthetisieren der ersten und zweiten Wechselstrom-Ausgangssignale, um dabei ein Wechselstromsignal zu erzeugen, das für eine Phase repräsentativ ist, und eine zweite Schaltung aufweisen, zum Auswählen von einem der ersten und zweiten Wechselstrom-Augangssignale. Hier kann die Relativrotationsposition entweder auf der Grundlage des Wechselstromsignals, das für eine Phase repräsentativ ist, die der Relativrotationsposition entspricht, die durch die erste Schaltung erhalten wird, oder auf der Grundlage eines Amplitudenniveaus des einen von den ersten oder zweiten Wechselstrom-Ausgangssignalen detektiert werden, das durch die zweite Schaltung ausgewählt wird. Zum Beispiel kann normalerweise die Relativrotationsposition mit einem Phasendetektionsverfahren mit einer höheren Genauigkeit unter der Verwendung des ersten Wechselstrom-Ausgangssignals detektiert werden. Wenn entweder im ersten oder im zweiten Wechselstrom-Ausgangssignal eine Anomalie aufgetreten ist, kann die zweite Schaltung das jeweils andere des ersten und des zweiten Wechselstrom-Ausgangssignals auswählen, das keine Anomalie aufweist, so dass die Relativrotationsposition auf der Grundlage eines Amplitudenniveaus des von der zweiten Schaltung ausgewählten Wechselstrom-Ausgangssignals detektiert werden kann. Auf diese Weise kann die Relativrotationspositions-Detektionsvorrichtung der vorliegenden Erfindung zuverlässig die Anforderungen erfüllen, die sowohl an ihre Detektionsgenauigkeit als auch an ihre Sicherheit gestellt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Relativrotationspositions-Detektionsvorrichtung zum Detektieren einer Relativrotationsposition zwischen einer ersten Welle und einer zweiten Welle vorgesehen, die in Bezug aufeinander rotierbar sind, welche Folgendes aufweist: einen äußeren Zylinderabschnitt, der mit der ersten Welle rotierbar ist, wobei der äußere Zylinderabschnitt aus einer magnetisch abschirmenden Substanz oder antimagnetischen Substanz gebildet ist und Muster von offenen Fenstern von ersten und zweiten Kanälen aufweist; einen inneren Zylinderabschnitt, der in den äußeren Zylinderabschnitt eingesetzt ist, und mit der zweiten Welle rotierbar ist, wobei der innere Zylinderabschnitt aus einer magnetischen Substanz ausgebildet ist und Muster von nicht magnetischen Fenstern von ersten und zweiten Kanälen aufweist; und einen Spulenabschnitt, der wenigstens zwei Spulen für jeden der ersten und zweiten Kanäle enthält und durch ein vorgegebenes Wechselstromsignal erregbar sind. Für jeden der Kanäle ist das Muster vom offenen Fenster in dem äußeren Zylinderabschnitt und das Muster vom nichtmagnetischen Fenster des inneren Zylinderabschnitts so angeordnet, dass sie sich gegenseitig überlappen, und ist eine Anordnung der offenen Fenster und nichtmagnetischen Fenster in den Kanälen derart eingestellt, dass ein Überlappungsgrad zwischen dem Muster des offenen Fensters und dem Muster des nichtmagnetischen Fensters in jedem der Kanäle in Entsprechung zu einer Variation einer Relativrotationsposition innerhalb eines vorgegebenen Bereichen zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle variiert und eine Variation des Überlappungsgrads des zweiten Kanals eine vorgegebene Differenz von einer Variation des Überlappungsgrads in dem ersten Kanal präsentiert. Hierbei präsentieren die Spulen, die zu den ersten und zweiten Kanälen korrespondieren, eine Impedanz, die dem Überlappungsgrad zwischen den offenen Fenstern und den nichtmagnetischen Fenstern der entsprechenden Kanäle entspricht.
Während die beschriebenen Ausführungsformen die bevorzugte Form der vorliegenden Erfindung repräsentieren, so versteht es sich, dass dem Fachmann auf diesem Gebiet auch verschiedene Modifikationen einfallen werden, ohne dass dadurch vom Umfang der Erfindung abgewichen wird. Der Umfang der vorliegenden Erfindung soll daher lediglich durch die beiliegenden Ansprüche bestimmt werden.
Zum besseren Verständnis der Aufgabe und anderer Merkmale der vorliegenden Erfindung werden ihre Ausführungsformen in größerem Detail hiernach anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
1. eine perspektivische Teilschnittansicht, die eine Relativrotationspositions-Detektionsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 eine schematische Entwicklungsansicht, die beispielhafte Anordnungsmuster offener Fenster in einem äußeren Zylinderabschnitt und nichtmagnetischer Fenster in einem inneren Zylinderabschnitt zeigt, die mehreren Spuren entsprechen;
3 ist eine schematische Darstellung, die Korrelationen zwischen den Fenstern des äußeren und des inneren Zylinderabschnitts in entsprechender Zuordnung zu unterschiedlichen Relativrotationspositionen zeigt;
4 einen Schaltplan, der ein Beispiel für elektrische Schaltungen zeigt, die auf die in 1 gezeigte Relativrotationspositions-Detektionsvorrichtung anwendbar sind;
5 eine Kurvendarstellung, die in den einzelnen Spulen von 1 erzeugten Spannungen lediglich in Abhängigkeit von einer θ-Komponente zeigt sowie auch Beispiele synthetisierter Ausgangssignale von zwei Spuren, die einer Sinusphase entsprechen, und zwei Spuren, die einer Cosinusphase entsprechen, zeigt;
6 eine schematische Entwickungsansicht, die ein weiteres Beispiel der Anordnungsmuster von offenen Fenstern im äußeren Zylinderabschnitt und nichtmagnetischen Fenstern im inneren Zylinderabschnitt zeigt, die in 1 dargestellt sind;
7 eine perspektivische Teilschnittansicht, die eine Modifikation der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform darstellt;
8A eine perspektivische Teilschnittansicht, die eine Relativrotationspositions-Detektionsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 eine Querschnittdarstellung der Relativrotationspositions-Detektionsvorrichtung von 8A im Querschnitt durch die Vorrichtung;
9 eine Querschnittsdarstellung, die eine Modifikation der in 8B dargestellten Relativrotationspositions-Detektionsvorrichtung zeigt, die quer durch einen Teil des Spulenabschnitts geht, der einer der Spulen entspricht;
10A eine perspektivische Teilschnittansicht, die eine weitere Modifikation der Relativrotationspositions-Detektionsvorrichtung von 8A darstellt, die durch eine Zweispurkonstruktion charakterisiert ist;
die 10B und 10C beide Querschnittsdarstellungen, die quer durch die Detektionsvorrichtung von 10A gehen;
11 eine schematische Entwicklungsansicht, die eine Relativrotationspositions-Detektionsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der insbesondere Anordnungsmuster der offenen Fenster im äußeren Zylinderabschnitt und der nichtmagnetischen Fenster im inneren Zylinderabschnitt zeigt;
12A einen Schaltplan, der ein Beispiel für elektrische Schaltungen zeigt, die auf die in 11 gezeigte Ausführungsform anwendbar sind;
12B eine Kurvendarstellung, welche den Betrieb der in 12A gezeigten Ausführungsform erläutert;
13A eine perspektivische Teilschnittansicht, die eine Modifikation der Ausführungsform von 11 zeigt, die durch eine Zweispurkonstruktion charakterisiert ist;
13B eine schematische Entwicklungsansicht, die ein weiteres Beispiel der spurenweise angeordneten Fensteranordnungsmuster von 13A zeigt;
13C einen Schaltplan der Relativrotationspositions-Detektionsvorrichtung von 13A;
13D eine Kurvendarstellung, die den Betrieb der in 13A dargestellten Vorrichtung erläutert;
14 einen Schaltplan, der eine Relativrotationspositions-Detektionsvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei ein Zeitteilungs-Anregungsverfahren verwendet wird; und
15A eine perspektivische Teilschnittansicht, die noch eine weitere Modifikation der Relativrotationspositions-Detektionsvorrichtung der Erfindung zeigt, und 15B eine schematische Entwicklungsansicht der in 15A dargestellten Detektionsvorrichtung.
(1) Konstruktion der ersten Ausführungsform:
1 ist eine perspektivische Teilschnittansicht, in der eine Relativrotationspositions-Detektionsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt ist. Wie zu sehen ist, weist die Relativrotationspositions-Detektionsvorrichtung einen äußeren Zylinderabschnitt 11, einen inneren Zylinderabschnitt 12, der in berührungsloser Weise in den äußeren Zylinderabschnitt 11 eingesetzt ist, auf, wobei zwischen den Zylinderabschnitten 11 und 12 ein ringförmiger Spalt gebildet wird, sowie einen Spulenabschnitt 10, der um den äußeren Umfang des äußeren Zylinderabschnitts 11 in kontaktloser Weise angeordnet ist, wobei zwischen dem Spulenabschnitt 10 und dem äußeren Zylinderabschnitt 11 ein ringförmiger Spalt gebildet wird. Der Spulenabschnitt 10 weist vier Spulen 10A, 10B, 10C und 10D in entsprechender Anordnung zu vier Spuren (oder Detektionskanälen) auf, die in der Form von Fenstern sind, die im äußeren und im inneren Zylinderabschnitt 11 bzw. 12 ausgebildet sind. In der ersten Ausführungsform ist der äußere Zylinderabschnitt 11 in einem zylindrischen Raum angeordnet, der durch die Innenoberflächen der Spulen 10A, 10B, 10C und 10D definiert wird, so dass der magnetische Fluss in einer axialen Richtung des äußeren und des inneren Zylinderabschnitts 11 und 12 erzeugt wird. In 1 sind die einzelnen Spulen 10A bis 10D im Schnitt dargestellt.
Der äußere Zylinderabschnitt 11 ist mit einer der relativ zueinander rotierbaren ersten und zweiten Welle 1 und 2 (z.B. der ersten Welle 1) zur Drehung mit der einen Welle 1 verbunden, während der innere Zylinderabschnitt 12 mit der jeweils anderen der ersten oder der zweiten Welle 1 bzw. 2 (z.B. der zweiten Welle 2) zur Drehung mit der anderen Welle 2 verbunden ist. Zum Beispiel sind die erste und die zweite Welle 1 und 2 über einen (nicht gezeigten) Torsionsstab miteinander verbunden, und diese Wellen 1 und 2 sind innerhalb eines begrenzten Winkelbereichs, der durch eine mögliche Torsionsverformung des Torsionsstabs erlaubt wird, relativ zueinander verdrehbar. Eine Konstruktion dieser beiden Wellen (Eingangs- und Ausgangswelle), die über einen Torsionsstab miteinander verbunden sind, ist an sich bekannt, zum Beispiel auf dem Gebiet von Servolenkungsmechanismen von Kraftfahrzeugen, und die hier beschriebene erfindungsgemäße Relativrotationspositions-Detektionsvorrichtung kann in geeigneter Weise als ein Drehmomentsensor zum Detektieren eines an den Torsionsstab des Servolenkungsmechanismus angelegten Drehmoments verwendet werden.
Der äußere Zylinderabschnitt 11 ist aus einem Metallmaterial gebildet, der eine magnetisch abschirmende (antimagnetische oder diamagnetische) Eigenschaft hat, und in einen Zylinder mit einer kleinen Wanddicke geformt. Zum Beispiel kann die Metallsubstanz eine magnetische, jedoch elektrisch höchst leitfähige Substanz, wie zum Beispiel Kupfer, Aluminium, Messing oder nichtmagnetischer Edelstahl, sein. Der äußere Zylinderabschnitt 11 hat vier Reihen (vier Spuren) offener Fenster 21a, 21b, 21c und 21d, die sich in dessen Umfangsrichtung erstrecken. Wie in einer Entwicklungsansicht von 2 veranschaulichend gezeigt, besteht jede der Reihen (Spuren), die in einer axialen Richtung des Zylinderabschnitts 11 voneinander beabstandet sind, aus mehreren offenen Fenstern 21a, 21b, 21c und 21d, die in vorbestimmten Abständen in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass jede der Reihen (Spuren) auch aus lediglich einem derartigen offenen Fenster bestehen könnte.
Der innere Zylinderabschnitt 12 ist aus einer magnetischen Substanz, wie zum Beispiel einer ferromagnetischen Substanz, wie Eisen oder Ferrit, in einen Zylinder mit einer entsprechend großen Wanddicke geformt. Der innere Zylinderabschnitt 12 hat vier Reihen nichtmagnetischer Fenster 22a, 22b, 22c und 22d, die daran an vorbestimmten Positionen in Entsprechung zu den vier Reihen (Spuren) der offenen Fenster 21a, 21b, 21c und 21d ausgebildet sind. Zum Beispiel sind die nichtmagnetischen Fenster 22a, 22b, 22c und 22d offene Fenster, die im Körper des inneren Zylinderabschnitts 12, der aus der magnetischen Substanz hergestellt ist, ausgebildet sind. Die nichtmagnetischen Fenster 22a, 22b, 22c und 22d können jedoch auch die Form von Fenstern haben, die aus einem Metallmaterial ausgebildet sind, das magnetisch abschirmende oder antimagnetische, d.h. diamagnetische, Eigenschaften hat, und nicht als offene Fenster ausgebildet sein. Wie in der Entwicklungsansicht von 2 veranschaulichend gezeigt, besteht jede der Reihen (Spuren) aus mehreren nichtmagnetischen Fenstern 22a, 22b, 22c oder 22d, die in vorbestimmten Abständen in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind. Die vorbestimmten Abstände brauchen nicht notwendigerweise gleichmäßig zu sein; es ist lediglich nötig, dass Korrelationen zwischen den offenen Fenstern im äußeren Zylinderabschnitt 11 und den nichtmagnetischen Fenstern im inneren Zylinderabschnitt 12 vorbestimmte spurenweise Relationsbedingungen zueinander erfüllen, wie später noch beschrieben wird. Es wird darauf hingewiesen, dass, wenn der äußere Zylinderabschnitt 11 lediglich ein offenes Fenster 21a, 21b, 21c oder 21d pro Zeile aufweist, der innere Zylinderabschnitt 12 lediglich nur ein nichtmagnetisches Fenster 22a, 22b, 22c oder 22d entsprechend dem offenen Fenster des äußeren Zylinderabschnitts 11 aufweisen kann.
Der Umfang, entlang dem die offenen Fenster 21a im äußeren Zylinderabschnitt 11 ausgebildet sind, überlagert den Umfang, entlang dem die nichtmagnetischen Fenster 22a im inneren Zylinderabschnitt 12 ausgebildet sind, so dass die Fenster 21a des äußeren Zylinderabschnitts 11 und die nichtmagnetischen Fenster 22a des inneren Zylinderabschnitts 12 zusammen eine Spur (die hiernach zur einfacheren Beschreibung auch als "Spur A" bezeichnet wird) bilden. Die Spule 10a ist so angeordnet, dass sie den Umfang von Spur A umgibt. Der Umfang, entlang dem die offenen Fenster 21b im äußeren Zylinderabschnitt 11 ausgebildet sind, überlagert den Umfang, entlang dem das nichtmagnetische Fenster 22b im inneren Zylinderabschnitt 12 ausgebildet ist, so dass die offenen Fenster 21b des äußeren Zylinderabschnitts 11 und die nichtmagnetischen Fenster 22b des inneren Zylinderabschnitts 12 zusammen eine weitere Spur (die hiernach als "Spur B bezeichnet wird) bilden. Die Spule 10b ist so positioniert, dass sie den Umfang von Spur B umgibt. Der Umfang, entlang dem die äußeren Fenster 11c im äußeren Zylinderabschnitt 11 ausgebildet sind, der den Umfang überlagert, entlang dem das nichtmagnetische Fenster 22b im inneren Zylinderabschnitt 12 ausgebildet ist, so dass die offenen Fenster 21c des äußeren Zylinderabschnitts 11 und die nichtmagnetischen Fenster 22c des inneren Zylinderabschnitts 12 zusammen noch eine weitere Spur (die hiernach als "Spur C" bezeichnet wird) bilden. Die Spule 10c ist so angeordnet, dass sie den Umfang von Spur C umgibt. Ferner überlagert der Umfang, entlang dem die äußeren Fenster 21d im äußeren Zylinderabschnitt 11 ausgebildet sind, den Umfang, entlang dem die nichtmagnetischen Fenster 22d im inneren Zylinderabschnitt 12 ausgebildet sind, so dass die offenen Fenster 21d des äußeren Zylinderabschnitts 11 und die nichtmagnetischen Fenster 22d des inneren Zylinderabschnitts 12 zusammen noch eine weiter Spur (die hiernach als "Spur D" bezeichnet wird) bilden. Die Spule 10d ist so angeordnet, dass sie den Umfang der Spur D umgibt. Die Spulen 10a bis 10d sind in magnetischen oder antimagnetischen Gehäusen 13a-13d untergebracht, so dass ein von den jeweiligen Spulen 10A-10d erzeugtes Magnetfeld keine Auswirkungen auf die anderen Spulen hat.
Aufgrund der magnetischen abschirmenden (antimagnetischen) Eigenschaft des äußeren Zylinderabschnitts 11 bestimmt ein Grad der Überlappung zwischen den äußeren Fenstern 21a-21d des äußeren Zylinderabschnitts 11 und den nichtmagnetischen Fenstern 22a-22d des inneren Zylinderabschnitts 12 die Impedanz der entsprechenden Spulen 10a-10d. Für jede der Spuren bestimmt nämlich ein Grad des Offenliegens gegenüber den offenen Fenstern des darüber liegenden äußeren Zylinderabschnitts 11 der magnetischen Substanz des inneren Zylinderabschnitts 12 die Induktanz, d.h. Impedanz, der entsprechenden Spule. Wenn zum Beispiel die nichtmagnetischen Fenster 22a des inneren Zylinderabschnitts 12 sich vollständig mit den offenen Fenstern 21 des äußeren Zylinderabschnitts 11 auf der Spur A überlagern, präsentiert die entsprechende Spule 10a die kleinste Induktanz bzw. Impedanz. Wenn die nichtmagnetischen Fenster 22a des inneren Zylinderabschnitts 12 sich nicht auch nur geringfügig mit den offenen Fenstern 21 des äußeren Zylinderabschnitts 11 überlagern, d.h. wenn die magnetische Substanz des inneren Zylinderabschnitts 12 vollständig den offenen Fenstern des äußeren Zylinderabschnitts 11 ausgesetzt sind, präsentiert die Spule 10a die größte Induktanz oder Impedanz. Wenn ferner die nichtmagnetischen Fenster 22a des inneren Zylinderabschnitts 12 jeweils lediglich mit einer Hälfte der Fläche des entsprechenden offenen Fensters des äußeren Zylinderabschnitts 11 überlagert sind, d.h. wenn die magnetische Substanz des inneren Zylinderabschnitts 12 zu einer Hälfte der Fläche der jeweiligen offenen Fenster 12a ausgesetzt ist, präsentiert die Spule 10a einen mittleren Impedanzwert zwischen dem größten und dem kleinsten Wert der Induktanz bzw. Impedanz. Auf diese Weise variiert die Induktanz bzw. Impedanz der Spule 10a zwischen dem größten und dem kleinsten Wert je nach dem Grad, zu dem die nichtmagnetischen Fenster 22a des inneren Zylinderabschnitts 12 sich mit den offenen Fenstern 21 des äußeren Zylinderabschnitts 11 überlagern. Der Grad der Überlagerung zwischen den nichtmagnetischen Fenstern 22a des inneren Zylinderabschnitts 12 und den offenen Fenstern 21 des äußeren Zylinderabschnitts 11 entspricht einer relativen Rotationsposition zwischen der ersten und der zweiten Welle 1 bzw. 2, der hier Gegenstand der Detektion ist, und daher präsentiert die Induktanz bzw. Impedanz der Spule 10a einen Wert, der einer zu detektierenden Relativrotationsposition entspricht.
Beziehungen zwischen den offenen Fenstern 21b bis 21d des äußeren Zylinderabschnitts 11 und der nichtmagnetischen Fenster 22b-22d des inneren Zylinderabschnitts 12 auf anderen Spulen B-D sind dieselben, wie sie oben für die Spur A beschrieben wurden; die offenen Fenster 21b-21d und die nichtmagnetischen Fenster 22b-22d sind nämlich so positioniert, dass die Induktanz bzw. Impedanz der entsprechenden Spulen 10b-10d Werte präsentiert, die einer zu detektierenden Relativrotationsposition entsprechen. Die Ausführungsform ist nämlich in einer solchen Weise aufgebaut, dass der Grad der Überlagerung zwischen den offenen Fenstern 21a-21d des äußeren Zylinderabschnitts 11 und den nichtmagnetischen Fenstern 22a-22d des inneren Zylinderabschnitts 12 auf den Spuren A-D mit vorbestimmten Phasendifferenzen einer zu detektierenden Relativrotationsposition variiert.
3 ist eine schematische Darstellung, die Korrelationen zwischen den Fenstern des äußeren und des inneren Zylinderabschnitts 11 bzw. 12 auf den Spuren A-D zeigt. Spezifisch zeigt in dieser Figur (b) Korrelationen zwischen den Fenstern auf den Spuren A-D, wenn die Relativrotationsposition der ersten und der zweiten Welle 1 und 2 "0", d.h. neutral, ist. Es wird darauf hingewiesen, dass die Relativrotationsposition sich von der neutralen Position innerhalb eines vorbestimmten Bereichs nach links und nach rechts (im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn) bewegt. (a) zeigt Korrelationen zwischen den Fenstern auf den Spuren A-D, wenn die Relativrotationsposition der ersten und der zweiten Welle 1 bzw. 2 am weitesten links ist, und (c) Korrelationen zwischen den Fenstern auf den Spuren A-D, wenn die Relativrotationsposition der ersten und der zweiten Welle 1 bzw. 2 am weitesten rechts ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform können die erste und die zweite Welle 1 und 2 in einen Bereich relativ zueinander verdreht werden, der ungefähr der Hälfte der Länge w eines jeden der offenen Fenster 21A-21D des äußeren Zylinderabschnitts 11 oder eines jeden der nichtmagnetischen Fenster 22a-22d des inneren Zylinderabschnitts 12 in Umfangsrichtung entspricht. Wenn wir uns wieder auf Spur A beziehen, so überlagern sich nämlich die offenen Fenster 21a des äußeren Zylinderabschnitts 11 und die nichtmagnetischen Fenster 22a des inneren Zylinderabschnitts 12 in der bei (a) von 3 gezeigten am weitesten links gelegenen Relativrotationsposition überhaupt nicht, so dass die Spule 10a in der am weitesten links gelegenen Relativrotationsposition die maximale Impedanz präsentiert. In der neutralen Relativrotationsposition, die bei (b) gezeigt ist, überlagert sich ein jedes der nichtmagnetischen Fenster 22a des inneren Zylinderabschnitts 12 mit dem entsprechenden offenen Fenster 21a des äußeren Zylinderabschnitts 11 um einen Grad, der ungefähr w/4 (einem Viertel der Länge w in Umfangsrichtung) entspricht. In der in (c) gezeigten am weitesten rechts gelegenen Position überlagert sich ein jedes der nichtmagnetischen Fenster 22a des inneren Zylinderabschnitts 12 mit dem entsprechenden offenen Fenster 21a des äußeren Zylinderabschnitts 11 um einen Grad, der ungefähr w/2 betrifft.
In dem Fall von Spur B überlagert sich jedes der nichtmagnetischen Fenster 22b des inneren Zylinderabschnitts 12 in der bei (a) von 3 gezeigten am weitesten links gelegenen Relativrotationsposition mit dem entsprechenden Fenster 21b des äußeren Zylinderabschnitts 11 um einen Grad, der ungefähr w/2 entspricht. In der in (b) gezeigten neutralen Relativrotationsposition überlagert sich jedes der nichtmagnetischen Fenster 22b des inneren Zylinderabschnitts 12 mit dem entsprechenden offenen Fenster 21b des äußeren Zylinderabschnitts 11 um einen Grad, der ungefähr 3w/4 entspricht. In der am weitesten rechts gelegenen Relativrotationsposition, die bei (c) gezeigt ist, überlagern sich die offenen Fenster 21b des äußeren Zylinderabschnitts 11 und die nichtmagnetischen Fenster 22b des inneren Zylinderabschnitts 12 vollständig miteinander.
Im Fall der Spur C überlagern sich die offenen Fenster 21c des äußeren Zylinderabschnitts 11 und die nichtmagnetischen Fenster 22c des inneren Zylinderabschnitts 12 in der bei (a) von 3 gezeigten am weitesten links gelegenen Relativrotationsposition vollständig. In der neutralen Relativrotationsposition, die in (b) gezeigt ist, überlagert sich jedes der nichtmagnetischen Fenster 22c des inneren Zylinderabschnitts 12 mit den entsprechenden offenen Fenstern 21c des äußeren Zylinderabschnitts 11 um einen Grad, der ungefähr w/4 entspricht. In der bei (c) gezeigten am weitesten rechts gelegenen Relativrotationsposition überlagert sich jedes der nichtmagnetischen Fenster 22c des inneren Zylinderabschnitts 12 mit dem entsprechenden offenen Fenster 21c des äußeren Zylinderabschnitts 11 um einen Grad, der ungefähr w/2 entspricht.
Ferner überlagert sich im Fall der Spur D in der am weitesten links gelegenen Relativrotationsposition, die bei (a) von 3 gezeigt ist, jedes der nichtmagnetischen Fenster 22d des inneren Zylinderabschnitts 12 mit dem entsprechenden offenen Fenster 21d des äußeren Zylinderabschnitts 11 um einen Grad, der ungefähr w/2 entspricht. In der bei (b) gezeigten neutralen Relativrotationsposition überlagert sich jedes der nichtmagnetischen Fenster 22d des inneren Zylinderabschnitts 12 mit dem entsprechenden offenen Fenster 21d des äußeren Zylinderabschnitts 11 um einen Grad, der ungefähr w/4 entspricht. In der bei (c) gezeigten am weitesten rechts gelegenen Relativrotationsposition überlagern sich die offenen Fenster 21d des äußeren Zylinderabschnitts 11 und die nichtmagnetischen Fenster 22d des inneren Zylinderabschnitts 12 nicht einmal geringfügig.
Wie aus dem Obigen klar wird, ist eine Variation im Grad der Überlagerung zwischen den offenen Fenstern 21c und den nichtmagnetischen Fenstern 22c auf der Spur C bezüglich einer Relativrotationsposition zwischen den Wellen 1 und 2 in der gegenläufigen Phase oder im Differential bezüglich einer Variation im Grad der Überlagerung zwischen den offenen Fenstern 21a und den nichtmagnetischen Fenstern 22a auf der Spur A. In ähnlicher Weise ist eine Variation im Grad der Überlagerung zwischen den offenen Fenstern 21d und den nichtmagnetischen Fenstern 22d auf der Spur D bezüglich einer Relativrotationsposition zwischen den Wellen 1 und 2 in gegenläufiger Phase oder im Differential bezüglich einer Variation im Grad der Überlagerung zwischen den offenen Fenstern 21b und den nichtmagnetischen Fenstern 22b auf der Spur B. Ferner präsentiert eine Variation im Grad der Überlagerung zwischen den offenen Fenstern 12b und den nichtmagnetischen Fenstern 22b auf der Spur A bezüglich einer Relativrotationsposition zwischen den Wellen 1 und 2 eine Differenz eines Viertel Zyklus (eines elektrischen Winkels von 90°) gegenüber einer Variation im Grad der Überlagerung zwischen den offenen Fenstern 21a und den nichtmagnetischen Fenstern 22a auf der Spur A.
Zum Beispiel kann die Form des offenen Fensters 21a und des nichtmagnetischen Fensters 22a auf der Spur A entsprechend so gewählt oder eingestellt werden, dass eine in der Spule 10a erzeugte und der Spur A entsprechende Impedanz eine Variation über einen Bereich von einem Viertel Zyklus einer Sinus-(oder Cosinus-) Funktion aufweist, während die erste und die zweite Welle 1 bzw. 2 sich über eine Länge von ungefähr w/2 von der am weitesten links gelegenen Position der Fenster 21a und 22a auf der Spur A zur am weitesten rechts gelegenen Relativrotationsposition verschieben. Bei dem veranschaulichten Beispiel haben die offenen Fenster 21a des äußeren Zylinderabschnitts 11 jeweils eine rundliche Form ohne scharfe Ecken, während die nichtmagnetischen Fenster 22d des inneren Zylinderabschnitts 12 jeweils eine rechteckige Form aufweisen; es sollte jedoch offensichtlich sein, dass die Formen der offenen Fenster und nichtmagnetischen Fenster hierauf nicht eingeschränkt sind.
Wenn eine Winkelvariable, die einer Relativrotationsposition zwischen der ersten und der zweiten Welle 1 und 2 durch θ repräsentiert wird, kann eine Impedanzvariation A(θ) einer idealen Sinusfunktionscharakteristik, die in der Spule 10a, die der Spur A entspricht, auftritt, durch den folgenden mathematischen Ausdruck äquivalent ausgedrückt werden: A(θ) = P0 + Psinθ
Weil die Impedanzvariation keinen negativen Wert annimmt (in keinen negativen Wertebereich eintritt), ist der Versatzwert P₀ größer oder gleich dem Amplitudenkoeffizient P (P₀ ≥ P), und nimmt "P₀ + Psinθ" in dem oben angegebenen mathematischen Ausdruck keinen negativen Wert an. Hier korreliert die Winkelvariable θ mit einer zu detektierenden Relativrotationsposition bzw. verändert sich proportional zu ihr, mit einem derartigen Verhältnis, dass die Länge w/2, die dem Variationsbereich der Überlagerung zwischen den Fenstern 21a und 22a entspricht, dem Phasenwinkel π/2 entspricht. Weil der maximale Verschiebungsbereich w/2 ist, wird hier davon ausgegangen, dass die Winkelvariable θ lediglich innerhalb eines Bereichs von 0-π/2 oder ungefähr 90° elektrischem Winkel variiert.
Im Gegensatz dazu kann eine ideale Impedanzvariation C(θ), die in der Spule 10c, welche der Spur C entspricht, auftritt, die eine Differentialvariation zur Variation auf der Spur A präsentiert, äquivalent durch den folgenden mathematischen Ausdruck einer Minus-Sinus-Funktionscharakteristik ausgedrückt werden: C(θ) = P0 – Psinθ
Ferner kann eine ideale Impedanzvariation B(θ), die in der Spule 10b, die der Spur B entspricht, auftritt, die eine Differenz eines Viertel Zyklus (einem elektrischen Winkel von π/2) gegenüber der Variation auf der Spur A präsentiert, äquivalent durch den folgenden mathematischen Ausdruck einer Cosinusfunktionscharakteristik ausgedrückt werden: B(θ) = P0 + Pcosθ
Ferner kann eine ideale Impedanzvariation D(θ), die in der Spule 10d, die der Spur D entspricht, auftritt, die eine Differentialvariation zur Variation auf der Spur B präsentiert, äquivalent durch den folgenden mathematischen Ausdruck einer Minus-Cosinus-Funktionscharakteristik ausgedrückt werden: D(θ) = P0 – Pcosθ
Der Amplitudenkoeffizient P wird aus der folgenden Beschreibung weggelassen, weil er als ein Wert "1" angenommen werden kann, und die Auslassung des Koeffizienten P scheint bei der Beschreibung der Erfindung zu keinen Unannehmlichkeiten zu führen.
(2) Beispiel des Schaltungsaufbaus:
4 zeigt ein Beispiel für eine elektrische Schaltung, die auf die Relativrotationspositions-Detektionsvorrichtung von 1 anwendbar ist. Es wird darauf hingewiesen, dass diese elektrische Schaltung auch auf beliebige andere später beschriebene Ausführungsformen der Relativrotationspositions-Detektionsvorrichtung in der gleichen Weise wie auf die in 1 gezeigte Ausführungsform anwendbar ist. In 4 ist jede der Spulen 10a-10d äquivalent als ein variables Induktanzelement gezeigt. Die Spulen 10a-10d werden durch ein vorbestimmtes Hochfrequenz-Wechselstromsignal (das der Einfachheit halber mit Esin bezeichnet ist) in einer einzigen Phase mit einer konstanten Spannung oder einem konstanten Strom angeregt. Wie unten angegeben, präsentieren die Spannungen Va, Vb, Vc und Vd, die von den Spulen 10a, 10b, 10c bzw. 10d erzeugt werden, eine Intensität, die den Impedanzwerten der Spuren A bis D entspricht, die der oben erwähnten Winkelvariable θ entspricht, in Reaktion auf eine zu detektierende Relativrotationsposition. Va = (P0 + sinθ)sinωt Vb = (P0 + cosθ)sinωt Vc = (P0 – sinθ)sinωt Vd = (P0 – cosθ)sinωt
Der Abschnitt (a) von 5 ist eine Kurvendarstellung, die Spannungen Va, Vb, Vc und Vd, die in den Spulen 10a, 10b, 10c bzw. 10d erzeugt werden, lediglich bezüglich ihrer "θ" – Komponente zeigt (die Komponente der Zeit t ist nicht gezeigt).
Der arithmetische Operator 31 in 4 berechnet eine Differenz zwischen der Ausgangsspannung Va der Spule 10a, die der Spur A entspricht, und der Ausgangsspannung Vc der Spule 10c, die der Spur C entspricht, die differentiell relativ zur Ausgangsspannung Va variiert, und erzeugt dadurch ein Wechselstromausgangssignal, das einen Amplitudenkoeffizienten einer Sinusfunktionscharakteristik der Winkelvariable θ, wie unten ausgedrückt, aufweist. Va – Vc = (P0 + sinθ)sinωt – (P0 – sinθ)sinωt = 2sinθsinωt
Der arithmetische Operator 32 berechnet eine Differenz zwischen der Ausgangsspannung Vb der Spule 10b, die der Spur B entspricht, und der Ausgangsspannung Vd der Spule 10d, die der Spur D entspricht, die differentiell bezüglich der Ausgangsspannung Vb variiert, und erzeugt so ein Wechselstromausgangssignal mit einem Amplitudenkoeffizienten einer Cosinusfunktionscharakteristik der Winkelvariable θ, wie unten ausgedrückt. Vb – Vd = (P0 + cosθsinωt – (P0 – cosθsinωt = 2cosθsinωt
Auf diese Weise können zwei Wechselstrom-Ausgangssignale "2sinθsinωt" und "2cosθsinωt" erhalten werden, die mit zwei zyklischen Amplitudenfunktionen (sinθ bzw. cosθ) moduliert wurden, welche die Winkelvariable θ, die mit einer zu detektierenden Relativrotationsposition korreliert, enthalten; hiernach wird der Koeffizient "2" der Einfachheit halber weggelassen. Die auf diese Weise erhaltenen Wechselstrom-Ausgangssignale sind ähnlich einem Sinus-Phasen-Ausgangssignal "sinθsinωt" und einem Cosinus-Phasen-Ausgangssignal "cosθsinωt", die durch einen Detektor erzeugt werden, der allgemein als ein Drehwinkelgeber bekannt ist. Der Abschnitt (b) von 5 ist eine Kurvendarstellung, die schematisch das Sinus-Phasen-Ausgangssignal "sinθsinωt" und das Cosinus-Phasen-Ausgangssignal "cosθsinωt" zeigt, die von den arithmetischen Operatoren 31 und 32 ausgegeben werden, lediglich hinsichtlich der θ-Komponente (die Komponente der Zeit t ist nicht gezeigt). Es wird darauf hingewiesen, dass die Bezeichnungen "Sinus-Phase" und "Cosinus-Phase" und die Darstellungen der Amplitudenfunktionen "Sinus" und "Cosinus" der beiden Wechselstrom-Ausgangssignale lediglich veranschaulichenden Charakter haben, und "Sinus" und "Cosinus" auch durch "Cosinus" bzw. "Sinus" ersetzt werden könnten; es ist nämlich lediglich notwendig, dass eine der Amplitudenfunktionen "Sinus" und die andere Amplitudenfunktion "Cosinus" ist. Mit anderen Worten können die Ausgangssignale der arithmetischen Operatoren 31 und 32 als "Va – Vc = cosθsinωt" bzw. "Vb – Vd = sinθsinωt" ausgedrückt werden.
Wenn nun die Kompensation der Temperaturdriftcharakteristiken beschrieben wird, dann ändert sich die Impedanz der einzelnen Spulen 10a-10d in Reaktion auf die Umgebungstemperatur, so dass die Ausgangsspannungen Va-Vd der Spulen 10a-10d sich ebenfalls in Reaktion auf die Umgebungstemperatur ändern. Die Wechselstrom-Ausgangssignale der Sinus- und Cosinus-Funktionscharakteristiken "sinθsinωt" und "cosθsinωt", die durch ein arithmetisches Synthetisieren der Ausgangsspannungen Va-Vd erhalten werden, können jedoch daran gehindert werden, durch die von einer Temperaturdrift verursachten Impedanzvariationen beeinflusst zu werden, weil Temperaturdriftfehler der Spulen 10a-10d durch die arithmetischen Operationen von "Va-Vc" und "Vb-Vd vollständig kompensiert werden. Hieraus ergibt sich, dass die vorliegende Ausführungsform eine Detektion mit hoher Genauigkeit erlaubt.
Die vorliegende Ausführungsform kann eine Relativrotationsposition (oder ein Drehmoment in dem Fall, bei dem die Ausführungsform als ein Drehmomentsensor angewendet wird) auf der Grundlage der beiden Wechselstrom-Ausgangssignale "sinθsinωt" und "cosθsinωt", die durch die arithmetischen Operatoren 31 und 32 erzeugt wurden, entweder unter der Verwendung des Phasendetektionsverfahrens oder des Spannungsdetektionsverfahrens detektieren.
Als das Phasendetektionsverfahren kann das Verfahren verwendet werden, das vom Rechtsnachfolger der folgenden Anmeldung in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. HEI-9-126809 offenbart wurde. Zum Beispiel wird ein Wechselstromsignal sinθcosωt durch eine Verschiebungsschaltung 33 erzeugt, die eines der Wechselstrom-Ausgangssignale sinθsinωt, um einen elektrischen Winkel von 90° verschiebt, und dann eine additive und subtraktive Synthese über einen Addierer 34 und einen Subtrahierer 35 zwischen dem auf diese Weise erzeugten Wechselstromsignal sinθcosωt und dem anderen Wechselstrom-Ausgangssignal cosθsinωt durchgeführt wird, um so zwei Wechselstromsignale zu erzeugen, die gegeneinander in einer der Phase vorauslaufenden und einer der Phase hinterherlaufenden Richtung gemäß der Winkelvariable θ phasenverschoben sind (d.h. Signale, bei denen die Phasenkomponente θ in einen Wechselstrom-Phasenverschiebungsgrad umgewandelt wurde). Dann werden Nullübergangspunkte der phasenverschobenen Wechselstromsignale sin(ωt + θ) und sin(wt – θ) durch Komparatoren 36 und 37 detektiert, um einen Nullübergangserfassungsimpuls Lp zu erzeugen, der den detektierten Wechselstromsignalen sin(wt + θ), die der Phase vorauslaufen, sowie einen Nullübergangserfassungsimpuls Lm zu erzeugen, der den erfassten Wechselstromsignalen sin(wt – θ), die in ihrer Phase hinterherlaufen, entspricht, und die auf diese Weise erzeugten Nullübergangsertassungsimpulse Lp und Lm werden dann an die Digitalverarbeitungsvorrichtung 40 gesendet. Die Digitalverarbeitungsvorrichtung 40 misst eine Zeitdifferenz des Erzeugungszeitpunkts der Nullübergangserfassungsimpulse Lp des der Phase vorauslaufenden Wechselstromsignals gegenüber einem Nullübergangszeitpunkt des Referenzsignals sinωt, um dadurch einen Phasenverschiebungsgrad +θ des in seiner Phase vorauslaufenden Wechselstromsignals digital zu erfassen. In ähnlicher Weise misst die digitale Verarbeitungsvorrichtung 40 eine Zeitdifferenz des Erzeugungszeitpunkts des Nullübergangserfassungsimpulses Lm des in seiner Phase verzögerten Wechselstromsignals vom Nullphasenzeitpunkt des Referenzsignals sinωt, um dadurch einen Phasenverschiebungsgrad –θ des in seiner Phase verzögerten Wechselstromsignals digital zu erfassen. Weil ein Fehler ±δ, der von einer Temperaturdrift herrührt, und andere Faktoren sowohl im Phasenverschiebungsgrad +θ als auch im Phasenverschiebungsgrad –θ des der Phase vorauslaufenden und der Phase hinterherlaufenden Wechselstromsignals in derselben Richtung und vom selben Wert enthalten ist, können genaue Phasenerfassungsdaten θ, bei denen ein solcher Fehler ±δ entfernt wurde, von der digitalen Verarbeitungsvorrichtung 40 erhalten werden, die dann vorbestimmte arithmetische Operationen durchführt, die eine Addition oder Subtraktion zwischen den erfassten Phasenwerten +θ und –θ des in der Phase vorauslaufenden Wechselstromsignals und des der Phase nachlaufenden Wechselstromsignals enthalten. Zum Beispiel kann die digitale Verarbeitungsvorrichtung 40 einen Allzweckmikrocomputer umfassen.
Durch die kompensierenden arithmetischen Operationen unter der Verwendung der oben erwähnten detektierten Phasenwerte +θ und –θ des der Phase vorauslaufenden und des der Phase hinterherlaufenden Wechselstromsignals ist es möglich, die Temperaturdrift-Fehlerkomponenten vollständig zu entfernen, die durch die arithmetischen Differentialoperationen nicht entfernt werden konnten. Auch wenn nämlich die arithmetischen Differentialoperationen durch die arithmetischen Operatoren 31 und 32 die Temperaturdriftfehler der Spulenimpedanz kompensieren können, so können sie doch keine Temperaturdrift-Fehlerkomponenten, die von Wirbelstromverlusten der antimagnetischen Metalle herrühren, welche den äußeren und den inneren Zylinderabschnitt 11 bzw. 12 bilden, oder Kernverluste des magnetischen Metalls kompensieren. Die kompensierenden arithmetischen Operationen auf der Grundlage des Phasendetektionsverfahrens und unter der Verwendung der oben erwähnten erfassten Phasenwerte +θ und –θ des der Phase vorauslaufenden bzw. des der Phase hinterherlaufenden Wechselstromsignals können jedoch die Temperaturdrift-Fehlerkomponenten vollständig entfernen, die durch die arithmetischen Differentialoperationen nicht entfernt werden konnten.
Elektrische Schaltungen für das Spannungsdetektionsverfahren werden durch ein Gleichrichten, über Gleichrichter 38 und 39, der beiden Wechselstrom-Ausgangssignalen sinθsinωt und cosθsinωt, die von den arithmetischen Operatoren 31 und 32 erzeugt werden, und dadurch durch ein Erhalten von analogen Spannungen V(sinθ) und V(cosθ), die den entsprechenden Amplitudenkoeffizientenkomponenten sinθ und cosθ entsprechen, aufgebaut. In diesem Fall kann die Relativrotationspositions-Detektion einfach dadurch ausgeführt werden, dass lediglich eines der beiden Wechselstrom-Ausgangssignale sinθsinωt oder cosθsinωt gleichgerichtet wird. Um jedoch die doppelte Sensorfunktion zu implementieren ist die vorliegende Ausführungsform so angeordnet, dass beide Wechselstromausgangssignale sinθsinωt und cosθsinωt gleichgerichtet werden, um so im Ansprechen auf die Winkelvariable θ, die mit einer zu detektierenden Relativrotationsposition korreliert, zwei analoge Spannungen V(sinθ) und V(cosθ) zu erzeugen, die entgegengesetzte Funktionscharakteristiken aufweisen. Die Charakteristiken der beiden analogen Spannungen V(sinθ) und V(cosθ) sind nämlich dieselben wie die Variationscharakteristiken von "Va-Vc" und "Vb-Vd", die im Abschnitt (b) von 5 gezeigt sind. Solche zwei Erfassungsspannungen mit entgegengesetzten Charakteristiken können in entsprechender Weise eine doppelte Sensorleistung erbringen, die oft als eine redundante Sicherheitsmaßnahme bei Drehmomentsensoren erforderlich ist, die in Kraftfahrzeuge eingebaut werden. In einem Fall, bei dem eine der analogen Erfassungsspannungen V(sinθ) oder V(cosθ) verwendet wird, und wenn ein Fehler oder eine Anomalie in einem Detektionssystem aufgetreten ist, das der einen analogen Spannung V(sinθ) oder V(cosθ) zugeordnet ist, wird dann nämlich die andere der Detektionsspannung V(cosθ) oder V(sinθ) aus dem fehlerfrei funktionierenden Detektionssystem verwendet. Zum Beispiel kann die vorliegende Ausführungsform auch in einer solchen Weise angeordnet sein, dass eine Fehlerfassungsschaltung 42 entsprechende Zustände der beiden Detektionsspannungen V(sinθ) und V(cosθ) der beiden Detektionssysteme überwacht, um so die Anwesenheit/Abwesenheit eines abnormalen Zustands zu erkennen, so dass eine Ausgangsauswahlschaltung 41 normal selektiv eine vorbestimmte der analogen Detektionsspannungen V(sinθ) oder V(cosθ) ausgibt, und wenn ein abnormaler Zustand, wie zum Beispiel ein Pegelabfall aufgrund eines gebrochenen Drahts, einer der analogen Detektionsspannungen V(sinθ) oder V(cosθ) erfasst wurde, die Ausgangsauswahlschaltung 41 so gesteuert wird, dass sie die andere Spannung V(cosθ) oder V(sinθ), bei der es keine Anomalie gibt, selektiv ausgibt. Die analoge Spannung, die auf diese Weise über die Ausgangsauswahlschaltung 41 ausgegeben wird, kann entweder direkt oder nach ihrer Umwandlung in digitale Form verwendet werden. Wie vorher anhand von 3 erklärt, ist der variable Bereich (d.h. der detektierbare Bereich) der jeweiligen Amplitudenfunktionen sinθ und cosθ der Wechselstrom-Ausgangssignale sinθsinωt und cosθsinωt ungefähr ein Viertel eines Zyklus (ungefähr π/2 oder 90° elektrischer Winkel) und nicht ein voller Zyklus (2π). 5 zeigt solche detektierbare Bereiche in durchgezogenen Linien. Durch ein solches Begrenzen des variablen Bereichs (d.h. des detektierbaren Bereichs) der jeweiligen Amplitudenfunktionen sinθ und cosθ der Wechselstrom-Ausgangssignale sinθsinωt und cosθsinωt auf ungefähr ein Viertel eines Zyklus (ungefähr π/2 oder 90° elektrischer Winkel) ist die vorliegende Ausführungsform dazu fähig, zwei effektive Detektionsspannungen V(sinθ) und V(cosθ) zu erzeugen. Obwohl der messbare Phasenbereich auch ungefähr ein Viertel eines Zyklus (ungefähr π/2 oder 90° elektrischer Winkel) im Phasendetektionsverfahren beträgt, kann auf diese Weise die vorliegende Ausführungsform mit dem Phasendetektionsverfahren eine Phasendetektion mit hoher Genauigkeit durchführen, weil der relativ rotierbare Bereich, d.h. der Relativrotationspositions-Detektionsbereich, in diesem Fall beträchtlich eingeschränkt ist.
Die hier verwendeten elektrischen Schaltungen können durch eine Verbindung der Spulen 10a und 10c in gegenläufigen Phasen und auch eine Verbindung der Spulen 10b und 10d in gegenläufigen Phasen vereinfacht werden, so dass die den entsprechenden Differenzen "Va-Vc" und "Vb-Vd" entsprechende Wechselstrom-Ausgangssignale erhalten werden können, ohne die besonderen arithmetischen Operatoren 31 und 32 zu verwenden.
(3) Modifikation von Fenstermustern:
Die Formen und Anordnungsmuster der offenen Fenster 21a-21d im äußeren Zylinderabschnitt 11 und die Formen und die Anordnungsmuster der nichtmagnetischen Fenster 22a-22b im inneren Zylinderabschnitt 12 können in verschiedenster Weise modifiziert werden. Es sind nämlich eine Vielzahl von Variationen der Fensterformen und Anordnungsmuster möglich, solange die Korrelationen zwischen den offenen Fenstern 21a-21d und den nichtmagnetischen Fenstern 22a-22d auf unterschiedlichen Spuren A-D den oben erwähnten vorbestimmten Relationsbedingungen (d.h. Sinus- und Cosinusfunktionscharakteristiken) genügen können. 6 ist eine Entwicklungsansicht, die ein weiteres Beispiel der Fenstermuster zeigt. Wie in der Figur gezeigt, brauchen die Spuren A-D nicht notwendigerweise in exakter alphabetischer Reihenfolge angeordnet zu sein; diese Spuren können in einer beliebigen anderen geeigneten Reihenfolge angeordnet werden, wobei eine Ausgewogenheit zwischen den Fenstermustern (z.B. eine Ausgewogenheit in dem Fall, bei dem die Muster der offenen Fenster durch das Ausbilden von Löchern vorgesehen werden können) berücksichtigt werden. Ferner können die Fenster auch in eine beliebige andere Form als die rechteckige Form, wie zum Beispiel eine kreisförmige, ovale oder Dreiecksform gebracht werden.
(4) Beispiel eines Verfahrens zum Ausbilden der nichtmagnetischen Fenster:
Es folgt eine Beschreibung von Beispielen für ein Verfahren, durch das die nichtmagnetischen Fenster 22a bis 22d im inneren Zylinderabschnitt 12 aus einem Material oder einer Substanz mit einer magnetisch abschirmenden oder antimagnetischen Eigenschaft ausgebildet werden.
Bei diesem Beispiel für ein Ausbildungsverfahren der nichtmagnetischen Fenster ist der Körper des inneren Zylinderabschnitts 12 aus einer ferromagnetischen Substanz, wie zum Beispiel Eisen, in einen Zylinder mit einer dünnen Wanddicke geformt. Dann wird die Außenumfangsfläche des Körpers mit einem vorbestimmten antimagnetischen Material, wie zum Beispiel Kupfer beschichtet. Hiernach wird die antimagnetische Substanz von unnötigen Teilen des Körpers durch Ätzen entfernt, so dass nur die antimagnetische Substanz mit den Mustern der nichtmagnetischen Fenster 22a-22d, die letztendlich auszubilden sind, auf der Außenumfangsfläche des Körpers verbleiben kann.
Gemäß einem weiteren Beispiel für das Verfahren zum Ausbilden der nichtmagnetischen Fenster ist der innere Zylinderabschnitt 12 als eine Doppelzylinderstruktur mit einem inneren und einem äußeren Zylinderteil ausgebildet. Der innere Zylinder des inneren Zylinderabschnitts 12 ist aus einer ferromagnetischen Substanz, wie zum Beispiel Eisen, während der äußere Zylinder des inneren Zylinderabschnitts 12 aus einem antimagnetischen Metall, wie zum Beispiel Kupfer oder Messing mit einer kleinen Wanddicke geformt ist. Offene Fenster werden im dünnen äußeren Zylinder aus antimagnetischem Metall ausgebildet, so dass die Muster der nichtmagnetischen Fenster 22a-22d, die letztendlich auszubilden sind, auf dem äußeren Zylinder des inneren Zylinderabschnitts 12 verbleiben und der ferromagnetische Innenzylinder durch die offenen Fenster hindurch offen liegt. In diesem Fall können sowohl der innere als auch der äußere Zylinder des inneren Zylinderabschnitts 12 so angeordnet sein, dass sie zusammen als eine Einheit rotieren, oder es kann lediglich der dünne äußere Zylinder aus antimagnetischem (oder diamagnetischem) Metall zum Rotieren angeordnet sein, wobei der ferromagnetische innere Zylinder so angeordnet ist, dass er nicht rotierbar ist.
Gemäß noch einem weiteren Beispiel für das Verfahren zum Ausbilden der nichtmagnetischen Fenster ist der Körper des inneren Zylinderabschnitts 12 als ein Zylinder aus einer nichtmagnetischen Substanz, wie zum Beispiel einen Kunststoff, oder als ein Zylinder aus einem antimagnetischen Metall, wie zum Beispiel Kupfer oder Messing, geformt und hat eine kleine Wanddicke. Eine ferromagnetische Substanz, wie zum Beispiel Eisen, ist in vorbestimmten Mustern auf der äußeren Umfangsfläche eines derartigen Zylinders ausgebildet, so dass die Muster der nichtmagnetischen Fenster 22a-22d, die auszubilden sind, auf dem Zylinder als nichtmagnetische oder antimagnetische (oder diamagnetische) Muster verbleiben können. In diesem Fall wird als eine Weise zum Ausbilden der vorbestimmten Muster aus der ferromagnetischen Substanz die gesamte äußere Umfangsfläche des Zylinders zunächst mit einer ferromagnetischen Substanz, wie zum Beispiel Eisen beschichtet und dann geätzt, um die ferromagnetische Substanz zu entfernen, so dass die Muster der nichtmagnetischen Fenster 22a-22d, die darauf auszubilden sind, auf der Außenumfangsfläche des Zylinders verbleiben können. Als eine weitere Weise zum Ausbilden der vorbestimmten Muster aus der ferromagnetischen Substanz werden Pulver einer ferromagnetischen Substanz, wie zum Beispiel Ferrit, in vorbestimmten Mustern auf der Außenumfangsfläche des Zylinders aufgeschweißt oder gesintert, so dass die Muster der nichtmagnetischen Fenster 22a-22d, die auszubilden sind, auf der Außenumfangsfläche des Zylinders verbleiben können.
Gemäß einem noch weiteren Beispiel für das Verfahren zum Ausbilden der nichtmagnetischen Fenster ist der Körper des inneren Zylinderabschnitts 12 als ein Zylinder aus einer ferromagnetischen Substanz, wie zum Beispiel Eisen, ausgebildet. In vorbestimmten Mustern wird auf der Außenumfangsfläche des Zylinders ein Laserbacken durchgeführt, so dass die lasergebackenen Teile entmagnetisiert sind und auf diese Weise die Muster der auszubildenden nichtmagnetischen Fenster 22a-22d auf der Außenumfangsfläche des Zylinders verbleiben können.
(5) Modifizierte Konstruktion:
In dem Fall, bei dem die Relativrotationspositions-Detektionsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform als ein Drehmomentssensor in einem Servolenkungsmechanismus eines Kraftfahrzeugs eingesetzt wird, sind die erste und die zweite Welle 1 bzw. 2 über einen Torsionsstab miteinander verbunden, wie schon erwähnt. In manchen Fällen ist der Torsionsstab aus einem magnetischen Metall, wie zum Beispiel Eisen hergestellt. In einem solchen Fall ist nämlich der magnetische Torsionsstab im Inneren des inneren Zylinderabschnitts 12 der Relativrotationspositions-Detektionsvorrichtung eingeführt, und auf diese Weise kann es sein, dass der Wirkungsgrad der nichtmagnetischen Fenster 22a-22d (d.h. die Detektionsempfindlichkeit) aufgrund einer an die nichtmagnetischen Fenster 22a-22d angelegten Vorspannung verschlechtert wird. Zur Bewältigung einer solchen möglichen Verschlechterung der Detektionsempfindlichkeit kann ein Zylinder 14 aus einem antimagnetischen Metall wie zum Beispiel Kupfer oder Eisen, und mit einer dünnen Wanddicke in das Innere des inneren Zylinderabschnitts 12, jedoch außerhalb des Torsionsstab 3 aus magnetischem Metall eingeführt werden. Mit solchen Anordnungen kann der Torsionsstab 3, der aus magnetischem Metall ist und mittig im inneren Zylinderabschnitt 12 angeordnet ist, in einer solchen Weise magnetisch abgeschirmt werden, dass die Detektionsempfindlichkeit nicht nachteilig beeinflusst wird.
(6) Zweite Ausführungsform:
8 zeigt eine Relativrotationspositions-Detektionsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die der ersten Ausführungsform von 1 allgemein ähnlich ist, außer dass der Spulenabschnitt 10 anders als derjenige von 1 konstruiert ist. Spezifisch ist 8a eine schematische perspektivische Ansicht der zweiten Ausführungsform und ist 8b eine Schnittansicht quer durch einen Teil des Spulenabschnitts 10, der einer der Spuren (z.B. der Spur A) entspricht. Auf der einen Spur (z.B. der Spur A) sind mehrere (im vorliegenden Beispiel 2) Eisenkerne 16a1 und 16a2 vorgesehen und im Umfang durch ein vorbestimmtes Winkelintervall (z.B. ein Intervall von 180°, wie in 8B gezeigt) voneinander beabstandet. Die Spulen 10a1 und 10a2 sind auf den Eisenkernen 16a1 bzw. 16a2 angebracht. Ein magnetischer Fluss wird durch die Spulen 10a1 und 10a2 in einer radialen Richtung von Enden der Eisenkerne 16a1 und 16a2 zum äußeren und inneren Zylinderabschnitt 11 bzw. 12 hin erzeugt. Die Umfangslänge eines jeden der offenen Fenster 21a im äußeren Zylinderabschnitt 11 entspricht allgemein einer Länge w eines jeden der Eisenkerne 16a1 und 16a2. Ferner wird, wie gezeigt, ein Anordnungsmuster der offenen Fenster 21a so bestimmt, dass, wenn sich die entgegengesetzten Enden eines der Eisenkerne 16a1 vollständig mit dem offenen Fenster 21a überlagert, sich die entgegengesetzten Enden des anderen Eisenkerns 16a2 überhaupt nicht mit dem offenen Fenster 21a überlagern. Dann bleibt nämlich unabhängig von einer Rotationsposition des äußeren Zylinderabschnitts 11 eine Gesamtmenge der Überlagerung der Eisenkerne 16a1 und 16a2 mit dem offenen Fenster 21a konstant. Daher weist ein durch Addieren der entsprechenden Ausgangssignale der beiden Spulen 10a1 und 10a2 erhaltenes Signal dieselben Charakteristiken wie das Ausgangssignal der einen Spule 10a in der Ausführungsform von 1 auf. Auf diese Weise repräsentiert das durch Addieren der entsprechenden Ausgangssignale der beiden Spulen 10a1 und 10a2 der beiden Spulen 10a1 und 10a2 auf der Spur A im in 8 gezeigten Beispiel erhaltene Signal einen Grad der Überlagerung zwischen dem offenen Fenster 21a und dem nichtmagnetischen Fenster 22a, was einer Relativrotationsposition des äußeren und des inneren Zylinderabschnitts 11 und 12 in einer ähnlichen Weise zu dem Ausgangssignal Va der Spule 10a in der Ausführungsform von 1 entspricht.
Für jede der anderen Spuren B-D bilden ebenfalls zwei Spulen 10b1 und 10b2, 10c1 und 10c2 bzw. 10d1 und 10d2, die auf entsprechende Eisenkerne gewickelt sind, einen Spulenabschnitt, so dass ein durch Addieren der entsprechenden Ausgangssignale der beiden Spulen erhaltenes Signal zu einem Detektionsausgangssignal Vb, Vc oder Vd der entsprechenden Spur B, C bzw. D wird. Die Detektionsausgangssignale Va-Vd auf den Spuren A bis D werden allgemein in derselben Weise wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform von 1 verarbeitet.
Während die Spulen der Spuren A bis D in 8a so gezeigt sind, dass sie in denselben mechanischen Winkeln (in der axialen Richtung ausgerichtet) angeordnet sind, können diese Spulen und Spuren A bis D jedoch auch in anderen gewünschten Beziehungen zueinander angeordnet werden.
Ferner ist die Anzahl der Eisenkerne, d.h. der Spulen, auf jeder der Spuren A bis D nicht notwendigerweise auf zwei beschränkt; vielmehr kann sie eine größere gerade Zahl als zwei sein. In einem solchen Fall können die Spulen derselben Phase in gleichen Winkel- bzw. Umfangsintervallen angeordnet werden. Auf diese Weise können, auch wenn es eine Abweichung der Eisenkerne von der Rotationsmitte gibt, Fehler aufgrund der Abweichung durch eine Addition der Detektionsausgangssignale derselben Phase gelöscht werden. 9 ist eine Querschnittsansicht, die quer durch einen Teil des Spulenabschnitts 10, der der Spur A entspricht, gelegt ist, die ein Beispiel für eine solche modifizierte Konstruktion zeigt. Beim gezeigten Beispiel sind das Verhältnis zwischen der Spule 10a1 und den offenen Fenstern 21a des äußeren Zylinderabschnitts 11 und das Verhältnis zwischen der Spule 10a1' und dem offenen Fenster 21a des äußeren Zylinderabschnitts 11 phasengleich, und ist die Spule 10a1' um 180° von der Spule 10a1 versetzt (d.h. ist mit dieser in diametrischer Symmetrie angeordnet). Das Verhältnis zwischen der Spule 10a2 und dem offenen Fenster 21a des äußeren Zylinderabschnitts 11 und das Verhältnis zwischen der Spule 10a2' und den offenen Fenstern 21a des äußeren Zylinderabschnitts 11 sind phasengleich, und die Spule 10a2' ist gegenüber der Spule 10a2 um 180° versetzt (d.h. ist in diametraler Symmetrie mit dieser). Auch wenn 9 nur zwei Spulen mit derselben Phase bezüglich den offenen Fenstern 21a des äußeren Zylinderabschnitts 11 zeigt, können auch drei oder mehr Spulen mit derselben Phase bezüglich den offenen Fenstern 21a vorgesehen werden. In dem Fall, bei dem drei Spulen mit derselben Phase vorgesehen sind, sind die Spulen in Intervallen von 120° angeordnet, und eine entsprechende Länge w und Anzahl der offenen Fenster 21a wird entsprechend gewählt.
Mit den wie in den 8 und 9 gezeigten Anordnungen der Spulen wird es dem magnetischen Fluss der Spulen erlaubt, leicht durch die Oberfläche des inneren Zylinderabschnitts 12 zu gelangen; auch wenn der Torsionsstab aus einem magnetischen Material in der Nähe der Mitte des Spulenabschnitts 10 vorgesehen ist, kann deshalb der magnetische Fluss in vorteilhafter Weise dem Einfluss des Torsionsstab widerstehen. Deshalb besteht eine geringere Notwendigkeit, den Zylinder 14 aus antimagnetischem Metall, wie in 7 gezeigt, einzuführen.
(7) Modifikation der zweiten Ausführungsform:
Die zweite Ausführungsform von 8 kann so modifiziert werden, dass selbe Fensterreihen des äußeren und des inneren Zylinderabschnitts 11 und 12 von der Sinus-Phasen-Spur A und der Minus-Sinus-Phasen-Spur B und selbe Fensterreihen des äußeren und inneren Zylinderabschnitts 11 und 12 von der Cosinus-Phasen-Spur B und der Minus-Cosinus-Phasen-Spur D gemeinsam genutzt werden, wie veranschaulichend in 10 gezeigt. Wie in 10a gezeigt, hat der äußere Zylinderabschnitt 11 offensichtlich zwei Reihen der offenen Fenster: eine Reihe der offenen Fenster 21a, die der Spur A entspricht, und eine Reihe der offenen Fenster 21b, die der Spur B entspricht. In ähnlicher Weise hat der innere Zylinderabschnitt 12 offensichtlich zwei Reihen nichtmagnetischer Fenster; eine Reihe der nichtmagnetischen Fenster 22a, die der Spur A entspricht, und eine Reihe der nichtmagnetischen Fenster 22b, die der Spur B entspricht. 10b ist eine Schnittansicht quer zu einem Teil des Spulenabschnitts 10, der der Spur A entspricht, und 10c ist eine Querschnittsansicht quer zu einem Teil des Spulenabschnitts 10, der der Spur B entspricht.
Wie in 10b gezeigt, sind die Spulen 10c1 und 10c2, die der Spur C entsprechen, auf demselben Umfang wie die Spulen 10a1 und 10a2 angeordnet, die der Spur A entsprechen. In diesem Fall sind das Verhältnis der offenen Fenster 21a des äußeren Zylinderabschnitts 11 zu der Spule 10a1 und das Verhältnis der offenen Fenster 21a des äußeren Zylinderabschnitts 11 zur Spule 10c1 von gegenläufiger Phase, so dass das Sinus- und Minus-Cosinus-Verhältnis in diesem Fall erfüllt ist. Wie zuvor erwähnt, sind das Verhältnis der offenen Fenster 21a des äußeren Zylinderabschnitts 11 zur Spule 10a1 und das Verhältnis der offenen Fenster 21a des äußeren Zylinderabschnitts 11 zur Spule 10a2 von gegenläufiger Phase, und sind in ähnlicher Weise das Verhältnis der offenen Fenster 21a des äußeren Zylinderabschnitts 11 zur Spule 10c1 und das Verhältnis der offenen Fenster 21a des äußeren Zylinderabschnitts 11 zur Spule 10c2 von gegenläufiger Phase. Selbstverständlich werden in diesem Fall entsprechende Ausgangssignale der Spulen 10a1 und 10a2 summiert, um ein Ausgangssignal Va zur Verfügung zu stellen, das der Spur A entspricht, und werden entsprechende Ausgangssignale der Spulen 10c1 und 10c2 summiert, um ein Ausgangssignal Vc, das der Spur C entspricht, zur Verfügung zu stellen.
In ähnlicher Weise, wie in 10c gezeigt, sind die Spulen 10d1 und 10d2, die der Spur D entsprechen, auf demselben Umfang wie die Spulen 10b1 und 10b2 angeordnet, die der Spur B entsprechen. In diesem Fall sind das Verhältnis der offenen Fenster 10b des äußeren Zylinderabschnitts 11 zur Spule 10b1 und das Verhältnis der offenen Fenster 21b des äußeren Spulenabschnitts 11 zur Spule 10d1 von gegenläufiger Phase, so dass das Sinus- und Minus-Cosinus-Verhältnis in diesem Fall erfüllt ist. Wie zuvor bemerkt, sind das Verhältnis der offenen Fenster 21b des äußeren Zylinderabschnitts 11 zur Spule 10b1 und das Verhältnis der offenen Fenster 21b des äußeren Zylinderabschnitts 11 zur Spule 10b2 von gegenläufiger Phase und sind das Verhältnis der offenen Fenster 21b des äußeren Zylinderabschnitts 11 zur Spule 10d1 und das Verhältnis der offenen Fenster 21b des äußeren Zylinderabschnitts 11 zur Spule 10d2 von gegenläufiger Phase. Selbstverständlich werden die entsprechenden Ausgangssignale der Spulen 10b1 und 10b2 summiert, um ein Ausgangssignal Vb, das der Spur B entspricht, zur Verfügung zu stellen, und werden die entsprechenden Ausgangssignale der Spulen 10d1 und 10d2 summiert, um ein Ausgangssignal Vd, das der Spur D entspricht, zur Verfügung zu stellen.
(8) Dritte Ausführungsform:
Eine Relativrotationspositions-Detektionsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Detektionsvorrichtung, die lediglich das Doppelt-Analog-Spannungs-Detektionsverfahren verwendet, ohne dass dabei das Phasendetektionsverfahren zum Einsatz kommt. Die äußere Erscheinungsform der dritten Ausführungsform der Relativrotationspositions-Detektionsvorrichtung kann derjenigen von 1 oder 8 sehr ähnlich sein, weshalb eine Darstellung des äußeren Erscheinungsbilds hier entfällt. 11 ist eine Entwicklungsansicht, die ein Beispiel von Fenstermustern von Spuren A-D zeigt, die durch offene Fenster 23a-23d gebildet werden, sowie ein Beispiel für Fenstermuster von Spuren A-D, die durch nichtmagnetische Fenster 24a bis 24d gebildet werden. Jedes der offenen Fenster 23a und 23b der Spuren A und B hat eine Länge w, jedes der offenen Fenster 23c und 23d der Spuren C bzw. D hat ungefähr die Hälfte der Länge w (d.h. w/2), und jedes der nichtmagnetischen Fenster 24a bis 24d des inneren Zylinderabschnitts 12 hat dieselbe Länge w, wie jedes der offenen Fenster 23a und 23b. Auch in dieser Ausführungsform ist der relativ rotierbare Bereich, d.h. der Rotationspositionsdetektionsbereich die Hälfte der Länge w (w/2) eines jeden der offenen Fenster 23a. Weil die Länge eines jeden der offenen Fenster 23c und 23d der Spuren C und D ungefähr "w/2" ist, während die Länge eines jeden der entsprechenden nichtmagnetischen Fenster 24a bis 24d des inneren Zylinderabschnitts 12 "w" ist, variiert die Impedanz der Spulen 10c und 10d der Spuren C und D über den gesamten Detektionsbereich von "w/2" nicht.
In 11 sind veranschaulichend spurweise Verhältnisse zwischen den offenen Fenstern 23a bis 23d des äußeren Zylinderabschnitts 11 und den nichtmagnetischen Fenstern 24a bis 24d des inneren Zylinderabschnitts 12 gezeigt, wenn die Relativrotationsposition der ersten und der zweiten Welle 1 bzw. 2 am weitesten links ist. Hier besteht für die Spur A überhaupt keine Überlagerung zwischen den offenen Fenstern 23a, von denen jedes die Länge w aufweist, des äußeren Zylinderabschnitts 11 und den nichtmagnetischen Fenstern 24a, von denen jedes dieselbe Länge w aufweist, des inneren Zylinderabschnitts 12, so dass die Spule 10a die größte Impedanz aufweist. Wenn sich jetzt die Relativrotationsposition von der am weitesten links gelegenen zur am weitesten rechts gelegenen Position bewegt, überlagern sich die offenen Fenster 23a des äußeren Zylinderabschnitts 11 mit den nichtmagnetischen Fenstern 24a des inneren Zylinderabschnitts 12 und vergrößert sich die Überlagerungsfläche allmählich. In der am weitesten rechts gelegenen Position überlagert sich eine Hälfte der Länge eines jeden der offenen Fenster 23a mit einer Hälfte der Länge der nichtmagnetischen Fenster 24a. Auf diese Weise variiert die Impedanz der Spule 10a vom maximalen Wert zum mittleren Wert, wenn sich die Relativrotationsposition von der am weitesten links gelegenen Position zur am weitesten rechts gelegenen Position bewegt.
Wenn bei der Spur C die Relativrotationsposition die am weitesten links gelegene ist, überlagern sich die offenen Fenster 23c, die jeweils die Länge w/2 aufweisen, des äußeren Zylinderabschnitts 11 mit einer Hälfte der Länge w der nichtmagnetischen Fenster 24a des inneren Zylinderabschnitts 12. Weil alle offenen Fenster 23c auf diese Weise die nichtmagnetischen Fenster 24a überlagern, weist die Spule 10a die kleinste Impedanz auf. Auch wenn sich die Relativrotationsposition von der am weitesten links gelegenen Position zu der am weitesten rechts gelegenen Position bewegt, bewegt sich jedes der offenen Fenster 23c mit der Länge w/2 des äußeren Zylinderabschnitts 11 lediglich innerhalb des entsprechenden nichtmagnetischen Fensters 24a, so dass die Impedanz der Spule 10c auf ihrem minimalen Wert gehalten wird.
Wenn bei der Spur B die Relativrotationsposition am weitesten links ist, überlagern die offenen Fenster 23b, von denen jedes die Länge w hat, des äußeren Zylinderabschnitts 11 eine Hälfte der Länge w der nichtmagnetischen Fenster 24b des inneren Zylinderabschnitts 12n und weist die Spule 10b den Mittelwert auf. Bei der Bewegung der Relativrotationsposition von der am weitesten links gelegenen Position zur am weitesten rechts gelegenen Position wird die Überlagerungsfläche zwischen den offenen Fenstern 23b des äußeren Zylinderabschnitts 11 und den nichtmagnetischen Fenstern 24b des inneren Zylinderabschnitts 12 allmählich kleiner, wobei sich als Ergebnis hiervon die offenen Fenster 23b auch nicht mehr geringfügig mit den nichtmagnetischen Fenstern 24b überlagern, wenn die Relativrotationsposition in der am weitesten rechts gelegenen Richtung ist. Auf diese Weise variiert die Impedanz der Spule 10b vom Mittelwert zum maximalen Wert, wenn sich die Relativrotationsposition von der am weitesten links gelegenen Position zu der am weitesten rechts gelegenen Position bewegt.
Wenn bei der Spur D die Relativrotationsposition am weitesten links ist, überlagern sich die offenen Fenster 23d, von denen jedes die Länge w/2 hat, des äußeren Zylinderabschnitts 11 mit einer Hälfte der Länge w der nichtmagnetischen Fenster 24d des inneren Zylinderabschnitts 12. Weil alte offenen Fenster 23d auf diese Weise die nichtmagnetischen Fenster 24d überlagern, weist die Spule 10a die kleinste Impedanz auf. Auch wenn sich zwar die Relativrotationsposition von der am weitesten links gelegenen Position zu der am weitesten rechts gelegenen Position bewegt, so bewegt sich doch jedes der offenen Fenster 23d, welche die Länge w/2 aufweisen, des äußeren Zylinderabschnitts 11 lediglich innerhalb der entsprechenden nichtmagnetischen Fenster 24d des inneren Zylinderabschnitts 12, so dass die Impedanz der Spule 10c auf ihrem minimalen Wert gehalten wird.
12A ist ein Blockdiagramm, das beispielhafte elektrische Schaltungen der in 11 gezeigten dritten Ausführungsform zeigt. Hier sind die Spule 10a der Spur A und die Spule 10c der Spur C in Reihe miteinander geschaltet, und ein Ausgangssignal V(x)sinωt eines ersten Kanals wird von dem Verbindungspunkt zwischen den Spulen 10a und 10c ausgegeben. Ferner sind die Spule 10b der Spur B und die Spule 10d der Spur D miteinander in Reihe geschaltet, und ein Ausgangssignal V(–x)sinωt eines zweiten Kanals wird von dem Verbindungspunkt zwischen den Spulen 10b und 10d ausgegeben. Wie unten dargelegt, hat das erste Ausgangssignal V(x)sinωt einen Amplitudenpegel, der einem Verhältnis zwischen einer Spannung Va, die der Impedanz der Spule 10a der Spur A entspricht, und einer Spannung Vc entspricht, die der Impedanz der Spule 10c der Spur C entspricht. In ähnlicher Weise hat das zweite Ausgangssignal V(–x)sinωt einen Amplitudenpegel, der einem Verhältnis zwischen einer Spannung Vb, die der Impedanz der Spule 10b der Spur B entspricht, und einer Spannung Vd entspricht, die der Impedanz der Spule 10d der Spur D entspricht. Wie aus dem Vorhergehenden hervorgeht, nehmen die Spannungen Va und Vb variable Werte an, die einer Variation der zu detektierenden Relativrotationsposition entsprechen, während die Spannungen Vc und Vd konstante Werte annehmen. V(x)sinωt = [Va/(Va + Vc)]sinωt V(–x)sinωt = [Vb/(Vb + Vd)]sinωt
Weil der Amplitudenpegel des Ausgangssignals V(x)sinωt durch das Verhältnis zwischen der Impedanz der beiden Spulen 10a und 10c ausgedrückt werden kann, kann ein Ausgangssignal erhalten werden, von dem Temperaturdriftfehler der Spulenimpedanz entfernt wurden; in ähnlicher Weise können auch aus dem zweiten Ausgangssignal V(–x)sinωt Temperaturdriftfehler der Spulenimpedanz entfernt werden.
Das erste und das zweite Ausgangssignal V(x)sinωt und V(–x)sinωt werden durch entsprechende Gleichrichter 38 und 39 gleichgerichtet, so dass analoge Ausgangsspannungen V(x) und V(–x), die für eine zu detektierende Relativrotationsposition repräsentativ sind, bereitgestellt werden. Beispiele derartiger analoger Ausgangsspannungen V(x) und V(–x) sind in 12b gezeigt. Wie hier zu sehen ist, weist die analoge Ausgangsspannung V(–x) des zweiten Kanals, die dem Verhältnis zwischen den Spuren B und D entspricht, Variationscharakteristiken auf, die denjenigen der analogen Ausgangsspannung V(x) des ersten Kanals entgegengesetzt sind, die dem Verhältnis zwischen den Spuren A und C entspricht. Auf diese Weise können doppelte (Zwei-Kanal-) Ausgangssignale vorgesehen werden, die einer zu detektierenden Relativrotationsposition entsprechen, was in entsprechender Weise vorbestimmten Sicherheitskriterien in dem Fall genügen kann, wo die erfindungsgemäße Relativrotationspositions-Detektionsvorrichtung als ein Lenkwellen-Drehmomentsensor eines Kraftfahrzeugs verwendet wird. Diese analogen Ausgangsspannungen V(x) und V(–x) können in ähnlicher Weise wie oben erwähnt, verwendet werden, nachdem sie ferner in digitale Signale umgewandelt wurden. Es versteht sich auch bei der dritten Ausführungsform, dass die Anordnungsmuster der offenen Fenster des äußeren Zylinderabschnitts 11 und die nichtmagnetischen Fenster des inneren Zylinderabschnitts 12 in verschiedenster Weise modifiziert werden können, ohne auf das gezeigte Beispiel von 11 eingeschränkt zu sein, solange solche Modifikationen letztendlich Zwei-Kanal-Ausgangsspannungen V(x) und V(–x) entgegengesetzter Charakteristiken, wie oben erwähnt, bereitstellen können.
(9) Modifikation der dritten Ausführungsform:
13 zeigt eine Modifikation der oben beschriebenen dritten Ausführungsform, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Fenster des äußeren Zylinderabschnitts 11 und des inneren Zylinderabschnitts 12 so angeordnet sind, dass sie lediglich zwei Spuren bilden. Insbesondere ist 13a eine schematische perspektivische Ansicht einer Relativrotationspositions-Detektionsvorrichtung, bei der der Spulenabschnitt im Schnitt dargestellt ist, 13b eine Entwicklungsansicht des äußeren und des inneren Zylinderabschnitts 11 bzw. 12 und 13c ein Schaltplan, in dem elektrische Schaltungen der Detektionsvorrichtung gezeigt sind. Wie in 13 gezeigt, weist der äußere Zylinderabschnitt 11 offensichtlich zwei Reihen von Fenstern auf: eine Reihe offener Fenster 25a, die der Spur A entsprechen; und eine Reihe offener Fenster 25c, die der Spur C entsprechen. In ähnlicher Weise weist der innere Zylinderabschnitt 12 offensichtlich zwei Reihen von Fenstern auf: eine Reihe nichtmagnetischer Fenster 26a, die der Spur A entsprechen; und eine Reihe nichtmagnetischer Fenster 26c, die der Spur C entsprechen. Die Spule 10d, die der Spur D entspricht, ist konzentrisch mit der Spule 10a vorgesehen, die der Spur A entspricht, und die Spul 10b, die der Spur B entspricht, ist konzentrisch mit der Spule 10c vorgesehen, die der Spur C entspricht.
Hier sei nun angenommen, dass die Entwicklungsansicht von 13b einen Zustand zeigt, bei dem die Relativrotationsposition am weitesten links ist. Hier besteht für die Spur A überhaupt keine Überlagerung zwischen den offenen Fenstern 25a, von denen jedes die Länge w aufweist, des äußeren Zylinderabschnitts 11, und den nichtmagnetischen Fenstern 26a, von denen jedes die gleiche Länge w aufweist, des inneren Zylinderabschnitts 12, so dass die Spule 10a die größte Impedanz aufweist. Bei einer Bewegung der Relativrotationsposition von der am weitesten links gelegenen Position zu der am weitesten rechts gelegenen Position überlagern sich die offenen Fenster 25a des äußeren Zylinderabschnitts 11 und die nichtmagnetischen Fenster 26a des inneren Zylinderabschnitts 12 miteinander und wird die Überlagerungsfläche allmählich größer. In der am weitesten rechts gelegenen Position überlagert eine Hälfte eines jeden offenen Fensters 25a eine Hälfte der Länge der nichtmagnetischen Fenster 26a. Auf diese Weise variiert die Impedanz der Spule 10a vom maximalen Wert zum Mittelwert, während sich die Relativrotationsposition von der am weitesten links gelegenen Position zur am weitesten rechts gelegenen Position bewegt.
Wenn bei der Spur C die Relativrotationsposition am weitesten links ist, überlagert eine Hälfte der Länge w der offenen Fenster 25c des äußeren Zylinderabschnitts 11 eine Hälfte der Länge w der nichtmagnetischen Fenster 26c des inneren Zylinderabschnitts 12, so dass die Spule 10c den mittleren Impedanzwert aufweist. Bei einer Bewegung der Relativrotationsposition von der am weitesten links gelegenen Position zur am weitesten rechts gelegenen Position wird die Überlagerungsfläche zwischen den offenen Fenstern 25c des äußeren Zylinderabschnitts 11 und den nichtmagnetischen Fenstern 26c des inneren Zylinderabschnitts 12 allmählich größer. In der am weitesten rechts gelegenen Position überlagern alle offenen Fenster 27c vollständig die entsprechenden nichtmagnetischen Fenster 26c. Auf diese Weise variiert die Impedanz der Spule 10a bei einer Bewegung der Relativrotationsposition von der am weitesten links gelegenen Position zu der am weitesten rechts gelegenen Position vom Mittelwert zum minimalen Wert.
Die Impedanz der Spule 10d der Spur D, die in derselben Position wie oder konzentrisch mit der Spule 10a angeordnet ist, variiert vom maximalen Wert zum mittleren Wert, wenn sich die Relativrotationsposition von der am weitesten links gelegenen Position zu der am weitesten rechts gelegenen Position bewegt. Die Impedanz der Spule 10b der Spur B, die in derselben Position wie oder konzentrisch mit der Spule 10c angeordnet ist, variiert vom mittleren Wert zum minimalen Wert, wenn sich die Relativrotationsposition von der am weitesten links gelegenen Position zu der am weitesten rechts gelegenen Position bewegt.
Wie in 13c gezeigt, sind die Spulen 10a und 10c in einer Differenzschaltung miteinander verschaltet, deren Ausgangssignal über den Gleichrichter 38 gleichgerichtet wird. In ähnlicher Weise sind die Spulen 10b und 10d in einer Differenzschaltung miteinander verschaltet, deren Ausgangssignal über den anderen Gleichrichter 39 gleichgerichtet wird. Auf diese Weise weist das Differenz-Ausgangssignal V(–y) aus den Spulen 10b und 10d entgegengesetzte Charakteristiken zu denjenigen des Differenz-Ausgangssignals V(y) aus den Spulen 10a und 10c, wie aus 13d hervorgeht; es können hier nämlich Zwei-Kanal-Ausgangssignale geliefert werden. Ferner kann die Differenzschaltung zwischen den Spulen Temperaturdriftfehler der Spulenimpedanz beseitigen.
(10) Vierte Ausführungsform:
Bei der Ausführungsform von 1 oder dergleichen, bei der die ringförmigen Spulen 10a, 10b, 10c und 10d nebeneinander angeordnet sind, ist es wahrscheinlich, dass zwischen den Spulen ein unerwünschtes Quersprechen oder eine unerwünschte Interferenz auftritt. Die magnetischen Abschirmungsgehäuse 13a bis 13d, die aus einer magnetischen oder antimagnetischen Substanz gebildet sind, fungieren als ein Mittel zum Beseitigen des unerwünschten Quersprechens bzw. der unerwünschten Interferenz. Eine weitere mögliche Vorgehensweise zum Beseitigen des Quersprechens oder der Interferenz, auch wenn dies dem Vorsehen der Gehäuse 13a bis 13d ähnlich ist, ist das Anordnen derjenigen Spuren nebeneinander, für welche die Interferenz kein beträchtliches Problem darstellt. Im Fall von 1 sind nämlich die Spuren A und C nebeneinander angeordnet, da diese Spuren A und C durch die Interferenz nämlich nicht beeinträchtigt werden, und sind die Spulen 10a und 10c, die den Spuren A und C entsprechen, in einem gleichen magnetisch abschirmenden Gehäuse untergebracht, das aus einer magnetischen oder antimagnetischen Substanz gebildet ist. In ähnlicher Weise sind die Spuren B und D nebeneinander angeordnet, da diese Spuren B und D durch die Interferenz nicht beeinträchtigt werden, und sind die Spulen 10b und 10d, die den Spuren B und D entsprechen, in einem selben magnetisch abschirmenden Gehäuse untergebracht, das aus einer magnetischen oder antimagnetischen Substanz besteht. Die hier als eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Vorgehensweise soll das Quersprechen- oder Interferenzproblem durch eine Anregung der Spulen im Zeitteilungsverfahren lösen.
14 ist ein Schaltplan, der für ein Beispiel für eine derartige Anregung im Zeitteilungsverfahren erklärend ist. Ein Wechselstrom-Anregungssignal sinωt wird über einen Treiber 41 an ein Paar Spulen, nämlich die Sinus-Phasen-Spule 10a und die Minus-Sinus-Phasen-Spule 10c angelegt, die der Spur A bzw. Spur C entsprechen, während das Wechselstrom-Anregungssignal sinωt über einen Treiber 42 an ein Paar Spulen, nämlich die Cosinus-Phasen-Spule 10b und die Minus-Cosinus-Phasen-Spule 10d angelegt, die der Spur B bzw. der Spur D entsprechen. Das Zeitteilungs-Steuerimpulssignal TDM mit einer Qualitätszahl von 50% nimmt einen Wert "1" synchron mit einem vorbestimmten Zyklus des Wechselstrom-Anregungssignals sinωt an und nimmt synchron mit dem nächsten Zyklus des Wechselstrom-Anregungssignals sinωt einen Wert "0" an. Während das Zeitteilungssteuerungsimpulssignal TDM auf einem Wert "1" ist, wird ein analoger Schalter 43a eingeschaltet, um den Treiber 41 zu aktivieren, so dass ein dem Wechselstrom-Anregungssignal sinωt entsprechender Anregungsstrom an das aus der Sinus-Phasen-Spule 10a und der Minus-Sinus-Phasen-Spule 10c, die den Spuren A und C entsprechen, entsprechende Spulenpaar angelegt wird. Zu dieser Zeit wird kein Anregungsstrom an die Spulen 10b und 10d, die der Spur B bzw. der Spur D entsprechen, angelegt, so dass kein Quersprechen bzw. keine Interferenz auftritt. Der Differenzverstärker 45 erhält eine Differenz zwischen Ausgangssignalen der Spulen 10a und 10c und gibt dann ein Signal aus, das dem oben erwähnten Ausgangssignal sinθsinωt entspricht. Der analoge Schalter 44a, der mit dem Ausgang des Differenzverstärkers 45 verbunden ist, wird synchron mit einem analogen Schalter 43a eingeschaltet, während das Zeitteilungssteuerimpulssignal TDM auf den Wert "1" ist, um so aus dem Differenzverstärker 45 das Signal sinθsinωt auszugeben.
Auf der anderen Seite wird, während das Zeitteilungssteuerungsimpulssignal TDM bei dem Wert "0" ist, ein analoger Schalter 43b eingeschaltet, um den Treiber 42 zu aktivieren, so dass ein Anregungsstrom, der den Wechselstrom-Anregungssignal sinωt entspricht, an das aus der Cosinus- und der Minus-Cosinus-Phasen-Spule 10b und 10d bestehende Spulenpaar angelegt, das der Spur B und der Spur D entspricht. Zu dieser Zeit wird kein Anregungsstrom an die Spulen 10a und 10c, die den Spuren A und C entsprechen, angelegt, so dass kein Quersprechen oder auch keine Interferenz auftritt. Der Differenzverstärker 46 erhält eine Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Spulen 10b und 10d und gibt dann ein Signal aus, das dem oben erwähnten Ausgangssignal cosθsinωt entspricht. Der analoge Schalter 44b, der mit dem Ausgang des Differenzverstärkers 46 verbunden ist, wird synchron mit dem analogen Schalter 43b eingeschaltet, während das Zeitteilungssteuerungsimpulssignal TDM auf einem Wert "0" ist, so dass aus dem Differenzverstärker 46 das Signal cosθsinωt ausgegeben wird.
Die Ausgangssignale sinθsinωt und cosθsinωt aus den analogen Schaltern 44a und 44b werden durch entsprechende (nicht gezeigte) Gleichrichter gleichgerichtet und können auf diese Weise als analoge 2-Kanal-Ausgangsspannungen verwendet werden, die einer zu detektierenden Relativrotationsposition entsprechen. Wenn hier in einzelnen Zeitschlitzen die entsprechenden analogen Schalter ausgeschaltet sind, so genügt es, gegebenenfalls die Ausgangsspannung zu halten.
Die Ausgangssignale sinθsinωt und cosθsinωt aus den analogen Schaltern 44a und 44b können auch im Phasendektionsverfahren verwendet werden. Wenn zu diesem Zweck in Zeitschlitzen die entsprechenden analogen Schalter ausgeschaltet sind, können entsprechende Wellenformen der Ausgangssignale sinθsinωt und cosθsinωt in einem analogen Puffer gespeichert werden, so dass in der Zeit kontinuierliche Ausgangssignale sinθsinωt und cosθsinωt durch Auslesen der Wellenformen erzeugt werden können, die während der Zeitschlitze zuvor gespeichert wurden, wenn die entsprechenden analogen Schalter ausgeschaltet waren.
Die 15a und 15b zeigen noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; insbesondere ist 15a eine schematische perspektivische Darstellung der Relativrotationspositions-Detektionsvorrichtung, und ist 15b eine Entwicklungsansicht des äußeren und inneren Zylinderabschnitts 11 und 12. Bei der vorliegenden Ausführungsform weist der äußere Zylinderabschnitt 11 an seinen entgegengesetzten axialen Enden Ränder 50 und 51 auf, die zum Beispiel aus einer nichtmagnetischen und nichtleitfähigen Kunststoffsubstanz hergestellt sind, und es ist kein Ring der leitfähigen Substanz entlang der Ränder 50 und 51 ausgebildet. Zum Beispiel ist bei dem in 1 gezeigten Beispiel der äußere Zylinderabschnitt 11 mit den mehreren offenen Fenstern 21a bis 21d im leitfähigen Zylinder, wie oben beschrieben, ausgebildet. Diese Anordnung von 1 hinterlässt einen Ring der leitfähigen Substanz an den entgegengesetzten axialen Enden, und der Ring aus der leitfähigen Substanz fungiert als eine einfache Spule mit einer Windung, die unerwünschte Phänomena, wie zum Beispiel einen elektrischen Stromfluss durch sie hindurch, erzeugen würde, welche die Detektionsgenauigkeit beeinträchtigen würden. Wenn im Gegensatz dazu die Relativrotationspositions-Detektionsvorrichtung als eine zusammengesetzte Struktur wie im Beispiel von 15 angeordnet ist, bei der Ränder 50 und 51, die aus einem nichtmagnetischen und nichtleitfähigen Kunststoffmaterial ausgebildet sind, an den entgegengesetzten axialen Enden des äußeren Zylinderabschnitts 11 vorgesehen sind, um die entsprechenden Enden einer Vielzahl leitfähiger Bänder 111, 112, 113, 114, ... zusammen zu klemmen oder zu halten, um so Ringe aus der leitfähigen Substanz entlang den Rändern 50 und 51 zu verhindern, so ist es möglich, die Ausbildung von Ringen der leitfähigen Substanz an den entgegengesetzten axialen Enden des äußeren Zylinderabschnitts 11 zu vermeiden; als Folge hiervon kann die Ausführungsform die oben erwähnten Unannehmlichkeiten wirksam verhindern. Es wird darauf hingewiesen, dass der Spulenabschnitt 10 in der Ausführungsform von 15 in derselben Weise wie bei der Ausführungsform von 1 aufgebaut sein kann.
Wie in 15b veranschaulichend gezeigt, erstreckt sich jedes aus der Vielzahl der leitfähigen Bänder 111, 112, 113, 114, ... schräg zur Achse des äußeren Zylinderabschnitts 11, und Lücken zwischen diesen leitfähigen Bändern 111, 112, 113, 114, ... fungieren als offene Fenster 211, 212, 213, ... Auf diese Weise sind die offenen Fenster 211, 212, 213, ... in entsprechendem Verhältnis zu den Spuren A bis D nicht voneinander getrennt, und diese offenen Fenster 211, 212, 213, ... erstrecken sich schräg bezüglich der Achse und fungieren als offene Fenster, die den Spuren A bis D entsprechen, in entsprechenden Positionen, die den Spuren A bis D entsprechen. Daher ist im äußeren Zylinderabschnitt 11 der vorliegenden Ausführungsform kein Ring aus leitfähiger Substanz ausgebildet, selbst in dazwischenliegenden Teilen, welche nicht die Endränder 50 und 51 sind. Diese Anordnung erzielt ebenfalls eine verbesserte Detektionsgenauigkeit.
Beim inneren Zylinderabschnitt 12 der vorliegenden Ausführungsform erstrecken sich nichtmagnetische Fenster 221, 222, 223 parallel zur Achse in einer solchen Weise, dass nichtmagnetische Fenster, die den Spuren A bis D entsprechen, in einer selben Position relativ zu den Spuren A bis D vorgesehen werden. Für eine erhöhte Detektionsgenauigkeit auch im inneren Zylinderabschnitt 12 ist es vorzuziehen, jedoch nicht unbedingt notwendig, dass die nichtmagnetischen Fenster so wie gezeigt vorgesehen werden, wobei kein ringförmiger leitfähiger Teil auf dem inneren Zylinderabschnitt 12 ausgebildet ist. Weil die nichtmagnetischen Fenster durch eine Oberflächenbehandlung, wie zum Beispiel Plattieren oder Ätzen ausgebildet werden können, ist es nicht notwendig, dass der innere Zylinderabschnitt 12 Klemmelemente aufweist, die den Rändern 50 und 51 den äußeren Zylinderabschnitts 11 entsprechen, der als eine zusammengesetzte Struktur konstruiert ist. Jedoch kann auch der inner Zylinderabschnitt 12 gegebenenfalls auch als eine zusammengesetzte Struktur mit Rändern an ihren entgegengesetzten axialen Enden konstruiert werden.
Beim gezeigten Beispiel ist der Überlagerungsgrad zwischen den offenen Fenstern 211, 212, 213, ... des äußeren Zylinderabschnitts 11 und den nichtmagnetischen Fenstern 221, 222, 223 des inneren Zylinderabschnitts 12 auf der Spur A, die der Spule 10a entspricht, am größten und auf der Spur C, die der Spule 10c entspricht, am kleinsten. Angenommen, die Spur A, die der Spule 10a entspricht, repräsentiert die Sinusphase, die Spur C, die der Spule 10c entspricht, repräsentiert die Minus-Sinus-Phase. Ferner ist auf der Spur B, die der Spule 10b entspricht, der Grad der Überlagerung zwischen den offenen Fenstern 211, 212, 213, ... des äußeren Zylinderabschnitts 11 und den nichtmagnetischen Fenstern 221, 222, 223 des inneren Zylinderabschnitts 12 "1/2", was die Cosinusphase repräsentiert. Ferner ist auf der Spur D, die der Spule 10d entspricht, der Grad der Überlagerung zwischen den offenen Fenstern 211, 212, 213, ... des äußeren Zylinderabschnitts 11 und der nichtmagnetischen Fenster 221, 222, 223 des inneren Zylinderabschnitts 12 "1/2", was der Minus-Cosinus-Phase entspricht.
Während bei dem in 15 gezeigten Beispiel die offenen Fenster 211, 212, ... des äußeren Zylinderabschnitts 11 so ausgebildet sind, dass sie sich schräg zur Achse erstrecken, ist die vorliegende Erfindung hierauf jedoch nicht eingeschränkt; zum Beispiel können die nichtmagnetischen Fenster 221, 222, ... des inneren Zylinderabschnitts 12 so ausgebildet sein, dass sie sich bezüglich der Achse schräg erstrecken. In einer weiteren Alternative können die offenen Fenster 211, 212, ... und die nichtmagnetischen Fenster 221, 222, ... so ausgebildet sein, dass sie sich bezüglich der Achse in entgegengesetzten Richtungen schräg erstrecken. Der Neigungswinkel der offenen Fenster 211, 212, ... bezüglich der Achse und dergleichen kann wie gewünscht gewählt werden. Das Entscheidende hierbei ist, dass die entsprechende Impedanz der Spulen 10a bis 10d mit den Funktionscharakteristiken von Sinus, Cosinus, Minus Sinus und Minus Cosinus innerhalb eines vorbestimmten Bereichs (weniger als 90°) im Ansprechen auf eine Variation der zu detektierenden Relativrotationsposition innerhalb eines vorbestimmten Bereichs variieren. Die den Spulen 10a bis 10d in der Ausführungsform von 15 zugeordneten elektrischen Schaltungen können in einer ähnlichen Weise wie die oben Beschriebenen aufgebaut sein.
Während die Anzahl der Spuren in den oben beschriebenen Ausführungsformen der 1, 8, 15 usw. vier ist, können auch fünf oder mehr Spuren vorgesehen werden.
Außerdem sollte ersichtlich sein, dass die in der Ausführungsform von 15 verwendete Anordnung zum Vermeiden des Ausbildens von Ringen aus der leitfähigen Substanz auf dem äußeren und dem inneren zylindrischen Abschnitt 11 bzw. 12 nicht nur auf die Konstruktion mit vier Spuren anwendbar ist, sondern auch auf die in den 11 oder 13 gezeigte Konstruktion mit zwei Spuren.
Zusammengefasst ist die Relativrotationspositions-Detektionsvorrichtung der vorliegenden Erfindung durch das Vorsehen von vier Detektionskanälen gekennzeichnet, von denen jeder eine Kombination des relativ zueinander verschiebbaren offenen Fensters und des nichtmagnetischen Fensters aufweist. Deshalb erlaubt die vorliegende Erfindung eine genaue Detektion durch ein entsprechendes Kompensieren von Temperaturdriftcharakteristiken und kann so konstruiert werden, dass sie doppelte Detektionsausgangssignale zur erhöhten Sicherheit liefert. Ferner kann die Relativrotationspositions-Detektionsvorrichtung der vorliegenden Erfindung zur Verwendung entweder im Phasendetektionsverfahren oder im Spannungsdetektionsverfahren konstruiert werden und erzielt auf diese Weise eine gute Benutzbarkeit oder eine erhöhte Bequemlichkeit bei der Nutzung. Insbesondere in dem Fall, bei dem die Erfindung im Phasendetektionsverfahren verwendet wird, kann sie Temperaturdriftfehler nicht nur bei der Spulenimpedanz sondern auch beim Kernverlust oder Wirbelstromverlust wirksam verhindern.

Claims

Relativrotationsposition-Detektionsvorrichtung zum Detektieren einer Relativrotationsposition zwischen einer ersten Welle (1) und einer zweiten Welle (2), die in bezug aufeinander rotierbar sind, welche folgendes aufweist: einen äußeren Zylinderabschnitt (11), der mit der ersten Welle (1) rotierbar ist, wobei der äußere Zylinderabschnitt (11) aus einer magnetisch abschirmenden Substanz oder antimagnetischen Substanz gebildet ist und Muster von offenen Fenstern (21a-21d; 23a-23d; 211, 212, 213) von ersten bis vierten Kanälen aufweist; einen inneren Zylinderabschnitt (12), der in den äußeren Zylinderabschnitt (11) eingesetzt ist und mit der zweiten Welle (2) rotierbar ist, wobei der innere Zylinderabschnitt (12) aus einer magnetischen Substanz ausgebildet ist und Muster von nichtmagnetischen Fenstern (22a-22d; 24a-24d; 221, 222, 223) von ersten bis vierten Kanälen aufweist; und erste bis vierte Spulen (10a-10d; 10a1-10d1, 10a2-10d2), die in korrespondierender Beziehung zu den ersten bis vierten Kanälen vorgesehen sind und durch ein vorgegebenes Wechselstromsignal erregbar sind, und wobei für jeden der Kanäle das Muster des offenen Fensters in dem äußeren Zylinderabschnitt und das Muster des nichtmagnetischen Fensters in dem inneren Zylinderabschnitt so angeordnet sind, dass sie sich gegenseitig überlappen, eine Anordnung der offenen Fenster und nichtmagnetischen Fenster in den Kanälen derart eingestellt ist, dass: ein Überlappungsgrad zwischen dem Muster des offenen Fensters und dem Muster des nichtmagnetischen Fensters in jedem der Kanäle in Entsprechung zu einer Variation einer Realativrotationsposition innerhalb eines vorgegebenen Bereiches zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle variiert; eine Variation des Überlappungsgrads in dem zweiten Kanal eine Differentialkurve in bezug auf eine Variation des Überlappungsgrads in dem ersten Kanal präsentiert; eine Variation des Überlappungsgrads in dem vierten Kanal eine Differentialkurve in bezug auf eine Variation des Überlappungsgrads in dem dritten Kanal präsentiert; und Variationen in den dritten und vierten Kanälen eine vorgegebene Differenz von Variationen in den ersten und zweiten Kanälen präsentieren, und die ersten bis vierten Spulen, die zu den ersten bis vierten Kanälen korrespondieren, eine Impedanz präsentieren, die dem Überlappungsgrad zwischen den offenen Fenstern und den nichtmagnetischen Fenstern der entsprechenden Kanäle entspricht.
Relativrotationsposition-Detektionsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der ein erstes Wechselstrom-Ausgangssignal erzeugt wird durch Erhalten einer Differenz zwischen Ausgängen der dem ersten Kanal entsprechenden ersten Spule und der dem zweiten Kanal entsprechenden zweiten Spule, ein zweites Wechselstrom-Ausgangssignal erzeugt wird durch Erhalten einer Differenz zwischen Ausgängen der dem dritten Kanal entsprechenden dritten Spule und der dem vierten Kanal entsprechenden vierten Spule, und die Anordnung der offenen Fenster und nichtmagnetischen Fenster von einzelnen der Kanäle in einer solchen Art und Weise eingestellt ist, dass die Amplituden der ersten und zweiten Wechselstrom-Ausgangssignale m i t unterschiedlichen Charakteristiken in Entsprechung zu einer Variation der Relativrotationsposition innerhalb des vorgegebenen Bereiches variieren.
Relativrotationsposition-Detektionsvorrichtung nach Anspruch 2, bei der eine Anordnung der Muster der offenen Fenster und nichtmagnetischen Fenster in einer solchen Art und Weise eingestellt ist, dass die Amplituden der ersten und zweiten Wechselstrom-Ausgangssignale mit entgegengesetzten Kennlinien in Entsprechung zu der Variation der Relativrotationsposition innerhalb des vorgegebenen Bereiches variieren.
Relativrotationsposition-Detektionsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, die ferner eine erste Schaltung (33, 34, 35) zum Synthetisieren der ersten und zweiten Wechselstrom-Ausgangssignale, um dabei ein Wechselstromsignal zu erzeugen, das für eine Phase repräsentativ ist, und eine zweite Schaltung (41) aufweist zum Auswählen von einem der ersten und zweiten Wechselstrom-Ausgangssignale, und bei der die Relativrotationsposition entweder auf der Grundlage des Wechselstromsignals, das für eine Phase repräsentativ ist, die der Relativrotationsposition entspricht, die durch die erste Schaltung erhalten wird, oder auf der Grundlage eines Amplitudenniveaus des einen von den ersten oder zweiten Wechselstrom-Ausgangssignalen detektiert werden kann, das durch die zweite Schaltung ausgewählt wird.
Relativrotationsposition-Detektionsvorrichtung nach Anspruch 4, bei der, wenn eines von den ersten und zweiten Wechselstrom-Ausgangssignalen eine Anomalie aufweist, die zweite Schaltung ein anderes von den ersten und zweiten Wechselstrom-Ausgangssignalen, die keine Anomalie haben, auswählt, so dass die Relativrotationsposition auf der Grundlage des Amplitudenniveaus des durch die zweite Schaltung ausgewählten Wechselstrom-Ausgangssignals detektiert werden kann.
Relativrotationsposition-Detektionsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der ein erstes Wechselstrom-Ausgangssignal erzeugt wird durch Erhalten eines Verhältnisses zwischen Ausgängen der dem ersten Kanal entsprechenden ersten Spule und der dem zweiten Kanal entsprechenden zweiten Spule, ein zweites Wechselstrom-Ausgangssignal erzeugt wird durch Erhalten eines Verhältnisses zwischen Ausgängen der dem dritten Kanal entsprechenden dritten Spule und der dem vierten Kanal entsprechenden vierten Spule, und die Anordnung der offenen Fenster und nichtmagnetischen Fenster von einzelnen der Kanäle in einer solchen Art und Weise eingestellt ist, dass die Amplituden der ersten und zweiten Wechselstrom-Ausgangssignale m i t vorgegebenen unterschiedlichen Charakteristiken in Entsprechung zu der Variation der Relativrotationsposition innerhalb des vorgegebenen Bereiches variieren.
Relativrotationsposition-Detektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, bei der die ersten und zweiten Wellen (1, 2) über einen Torsionsstab (3) miteinander verbunden sind, so dass die Relativrotationsposition-Detektionsvorrichtung als Drehmomentsensor zum Detektieren eines an den Torsionsstabs angelegten Drehmoments durch Detektieren eines Torsionsgrades zwischen den ersten und zweiten Wellen als die Relativrotationsposition wirkt.
Relativrotationsposition-Detektionsvorrichtung nach Anspruch 7, bei der der innere Zylinderabschnitt (12) und der äußere Zylinderabschnitt (11) um den Torsionsstab (3) angeordnet sind und welche zudem einen zusätzlichen Zylinderabschnitt (14 aufweist, der aus einer magnetisch abschirmenden Substanz oder antimagnetischen Substanz ausgebildet ist und zwischen dem inneren Zylinderabschnitt und dem Torsionsstab angebracht ist.
Relativrotationsposition-Detektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, bei der die Spulen (10a-10d), die zu den ersten bis vierten Kanälen korrespondieren, in einer ringähnlichen Konfiguration um einen Außenumfang des äußeren Zylinderabschnittss angeordnet sind.
Relativrotationsposition-Detektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, bei der wenigstens zwei Spulen (10a1, 10a2; 10b1, 10b2; 10c1, 10c2; 10d1, 10d2) für jeden der Kanäle vorgesehen sind, die wenigstens zwei Spulen jeweils in wenigstens zwei Magnetkerne (16a, 16a2) passen, die voneinander durch einen vorgegebenen Winkelabstand längs des Außenumfangs des äußeren Zylinderabschnitts beabstandet sind, und die Magnetkerne jeweils eine Endfläche aufweisen, die einer Außenumfangsfläche des äußeren Zylinderabschnitts getrennt durch einen Luftspalt gegenüberliegen, und bei der ein Gesamtüberlappungsbereich zwischen den Endflächen der Magnetkerne und dem offenen Fenster des äußeren Zylinderabschnitts in jedem der Kanäle immer konstant ist, unabhängig von der Relativrotationsposition.
Relativrotationsposition-Detektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-10, bei der die nichtmagnetischen Fenster des inneren Zylinderabschnittes in Form von offenen Fenstern vorliegen.
Relativrotationsposition-Detektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1- 10, bei der die nichtmagnetischen Fenster des inneren Zylinderabschnittes aus einer vorgegebenen magnetisch abschirmenden Substanz oder antimagnetischen Substanz sind.
Relativrotationsposition-Detektionsvorrichtung nach Anspruch 12, bei der die nichtmagnetischen Fenster des inneren Zylinderabschnitts durch Fixieren einer vorgegebenen magnetisch abschirmenden Substanz oder antimagnetischen Substanz in einem vorgegebenen Anordnungsmuster auf eine Basis des inneren Zylinderabschnitts ausgebildet sind, der aus einer magnetischen Substanz hergestellt ist.
Relativrotationsposition-Detektionsvorrichtung nach Anspruch 13, bei der die nichtmagnetischen Fenster des inneren Zylinderabschnitts durch Platieren der Basis des inneren Zylinderabschnitts, der aus einer magnetischen Substanz hergestellt ist, mit einer vorgegebenen magnetisch abschirmenden Substanz oder antimagnetischen Substanz und nachfolgendem Entfernen von unnötig platierten Teilen von der Basis durch Ätzen derart ausgebildet sind, dass die vorgegebene magnetisch abschirmende Substanz oder antimagnetische Substanz in vorgegebenen Anordnungsmustern auf der Basis fixiert ist.
Relativrotationsposition-Detektionsvorrichtung nach Anspruch 12, bei der vorgegebene Anordnungsmuster einer vorgegebenen magnetischen Substanz auf einer Basis des inneren Zylinderanschnittes, der aus einer magnetisch abschirmenden Substanz oder antimagnetischen Substanz hergestellt ist, derart ausgebildet werden, dass Abschnitte der Basis, auf denen keine magnetische Substanz fixiert ist, als die nichtmagnetische Fenster des inneren Zylinderabschnitts ausgebildet sind.
Relativrotationsposition-Detektionsvorrichtung zum Detektieren einer Relativrotationsposition zwischen einer ersten Welle (1) und einer zweiten Welle (2), die in bezug aufeinander rotierbar sind, welche folgendes aufweist: einen äußeren Zylinderabschnitt (11), der mit der ersten Welle (1) rotierbar ist, wobei der äußere Zylinderabschnitt aus einer magnetisch abschirmenden Substanz oder antimagnetischen Substanz gebildet ist und Muster von offenen Fenstern (21a, 21b; 25a, 25c) von ersten und zweiten Kanälen aufweist; einen inneren Zylinderabschnitt (12), der in den äußeren Zylinderabschnitt (11) eingesetzt ist und mit der zweiten Welle (2) rotierbar ist, wobei der innere Zylinderabschnitt (12) aus einer magnetischen Substanz ausgebildet ist und Muster von nichtmagnetischen Fenstern (22a, 22b; 26a, 26c) von ersten und zweiten Kanälen aufweist; und einen Spulenabschnitt, der wenigsten zwei Spulen (10a1, 10a2; 10b1, 10b2; 10a, 10d; 10c, 10b) für jeden der ersten und zweiten Kanäle enthält und durch ein vorgegebenes Wechselstromsignal erregbar sind, und wobei für jeden der Kanäle das Muster von offenem Fenster in dem äußeren Zylinderabschnitt und das Muster von nichtmagnetischem Fenster des inneren Zylinderabschnitts so angeordnet sind, dass sie sich gegenseitig überlappen, eine Anordnung der offenen Fenster und nichtmagnetischen Fenster in den Kanälen derart eingestellt ist, dass ein Überlappungsgrad zwischen dem Muster des offenen Fensters und dem Muster des nichtmagnetischen Fensters in jeden der Kanäle in Entsprechung zu einer Variation einer Relativrotationsposition innerhalb eines vorgegebenen Bereiches zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle variiert und eine Variation des Überlappungsgrads des zweiten Kanals eine vorgegebene Differenz von einer Variation des Überlappungsgrads in dem ersten Kanal präsentiert, und die Spulen, die zu den ersten und zweiten Kanälen korrespondieren, eine Impedanz präsentieren, die dem Überlappungsgrad zwischen den offenen Fenstern und den nichtmagnetischen Fenstern der entsprechenden Kanäle entspricht.
Relativrotationsposition-Detektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-16, bei der die entsprechenden Spulen in wenigstens zwei Gruppen unterteilt werden, die durch ein Wechselstromsignal auf Zeitteilungsbasis angeregt werden.
Relativrotationsposition-Detektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-17, bei der die magnetisch abschirmende Substanz oder antimagnetische Substanz des äußeren Zylinderabschnitts (11) eine elektrisch leitende Substanz ist und der äußere Zylinderabschnitt (11) in solcher Art und Weise konstruiert ist, dass kein Ring der elektrisch leitenden Substanz wenigstens an seinen axial gegenüberliegenden Enden ausgebildet wird.
Relativrotationsposition-Detektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-18, welche zur Verwendung als Drehmomentssensor zum Detektieren eines Drehmoments, das auf die Servolenkwelle eines Kraftfahrzeuges wirkt, geeignet ist.