DE10151179A1

DE10151179A1 - Absolutsensor

Info

Publication number: DE10151179A1
Application number: DE10151179A
Authority: DE
Inventors: Yoshinori Ito; Hiroshi Kameda; Toshiyuki Abe; Toshiaki Kamata
Original assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Current assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Priority date: 2000-10-17
Filing date: 2001-10-17
Publication date: 2002-04-25
Anticipated expiration: 2021-10-18
Also published as: JP4845255B2; JP2002122444A; DE10151179B4; US20020088293A1; US6524209B2

Abstract

Ein Absolutsensor 1 zum Feststellen einer Absolutdrehwinkelposition einer Drehwelle weist auf: eine der Seite der hohen Drehzahl zugeordnete Kodiereinrichtung 13, die an einer Hochdrehzahl-Drehwelle 6 angebracht ist, eine Niedrigdrehzahl-Drehwelle 11, die mit der Hochdrehzahl-Drehwelle 6 koaxial angeordnet ist, einen Planetengetriebemechanismus 10 zum Reduzieren der Drehzahl der Hochdrehzahl-Drehwelle 6 und zum Abgeben einer Drehung mit reduzierter Drehzahl an die Niedrigdrehzahl-Drehwelle 11, wobei eine der Seite der niedrigen Drehzahl zugeordnete Kodiereinrichtung 12 vorgesehen ist. Der Planetengetriebemechanismus 10 weist ein feststehendes Sonnenrad mit Innenverzahnung a, ein der vorderen Stufe zugeordnetes Planetenrad b, ein der hinteren Stufe zugeordnetes Planetenrad c und ein Ausgangssonnenrad mit Innenverzahnung d auf, das mit dem der hinteren Stufe zugeordneten Planetenrad c und der Niedrigdrehzahl-Drehwelle 11 verbunden ist, wobei die Planetenräder b und c durch einen exzentrischen Wellenbereich 23 der Welle 6 drehbar gelagert sind. Der Planetengetriebemechanismus 10 kann so ausgebildet sein, dass die Eingangswelle und die Ausgangswelle koaxial angeordnet sind, und kann klein ausgebildet sind und ein großes Reduktionsverhältnis im Vergleich mit einem herkömmlichen Reduktionsmechanismus aufweisen, der Stirnzahnräder aufweist. Darüber hinaus können, weil der Wert des Reduktionsverhältnisses auf eine Zweierpotenz eingestellt ist, die Ausgangssignale der ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Absolutsensor, insbesondere einen Absolut sensor zum Feststellen einer Absolutdrehwinkelposition einer Drehwelle.

Stand der Technik

Es ist ein herkömmlicher Absolutsensor zum Feststellen einer Absolutdrehwinkel position einer Drehwelle bekannt, der einen Reduktionsmechanismus aufweist, der durch Stirnzahnräder gebildet ist. Der Sensor von dieser Art weist in typischer Weise einen Reduktionsmechanismus auf, der gebildet ist durch eine Kombination aus Stirnzahnrädern, einer Hochdrehzahl-Drehwelle zum Eingeben einer Rotation mit hoher Drehzahl in den Reduktionsmechanismus, einer Niedrigdrehzahl-Dreh welle, zu der eine Rotation mit niedriger Drehzahl übertragen wird, die mittels des Reduktionsmechanismus erhalten wird, und Kodiereinrichtungen zum Feststellen eines Drehwinkels oder einer Drehzahl der Hochdrehzahl-Drehwelle bzw. der Niedrigdrehzahl-Drehwelle. Auf der Grundlage der jeweiligen Ausgänge der Ko diereinrichtungen kann z. B. eine Absolutdrehwinkelposition der Niedrigdrehzahl- Drehwelle festgestellt werden, wobei die Auflösung der Feststellung dem Redukti onsverhältnis des Reduktionsmechanismus entspricht.

Der herkömmliche Absolutsensor von diesem Typ weist jedoch die folgenden Mängel auf. Zunächst kann nicht, weil der Reduktionsmechanismus durch eine Mehrzahl von Stirnzahnrädern gebildet ist, die Hochdrehzahl-Drehwelle an der Eingangsseite koaxial mit der Niedrigdrehzahl-Drehwelle an der Ausgangsseite mit der reduzierten Drehzahl ausgerichtet werden. Zweitens ist es für den Reduk tionsmechanismus, der durch die Kombination einer Mehrzahl von Stirnzahnrädern gebildet ist, schwierig, ein hohes Reduktionsverhältnis zu erhalten, so dass ein Sensor mit hoher Auflösung nicht verwirklicht werden kann. Drittens muss eine Mehrzahl von Zahnrädern miteinander verbunden sein, um ein erwünschtes Re duktionsverhältnis zu erhalten, was gegen eine Herabsetzung der Bemessung des Sensors ist.

Im Hinblick auf die obigen Ausführungen liegt der vorliegenden Erfindung die Auf gabe zugrunde, einen Absolutsensor zu schaffen, bei dem die Drehwelle der Ein gangsseite und die Drehwelle der Ausgangsseite koaxial ausgerichtet werden können, ferner einen relativ kleinen Absolutsensor zu schaffen, der eine hohe Auf lösung aufweist, und schließlich einen Absolutsensor zu schaffen, dessen Reduk tionsverhältnis auf eine Zweierpotenz eingestellt ist, so dass Ausgangssignale der Kodiereinrichtungen des Absolutsensors durch ein Computersystem leicht verar beitet werden können.

Die wie oben definierte Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass ein Absolutsensor geschaffen wird, der in Kombination folgende Merkmale auf weist: eine Hochdrehzahl-Drehwelle; einen Planetengetriebemechanismus zum Reduzieren einer hohen Drehzahl, die von der Hochdrehzahl-Drehwelle erzeugt wird; eine koaxial mit der Hochdrehzahl-Drehwelle ausgerichtete Niedrigdrehzahl- Drehwelle, die mit einer Rotation mit reduzierter Drehzahl von dem Planetenge triebemechanismus beaufschlagt wird; eine der Seite der hohen Drehzahl zuge ordnete Kodiereinrichtung zum Feststellen einer Drehzahl oder eines Drehwinkels der Hochdrehzahl-Drehwelle; und eine der Seite der niedrigen Drehzahl zugeord nete Kodiereinrichtung zum Feststellen einer Drehzahl oder eines Drehwinkels der Niedrigdrehzahl-Drehwelle;
wobei der Planetengetriebemechanismus so ausgebildet ist, um aufzuweisen: ein feststehendes Sonnenrad mit Innenverzahnung, ein der vorderen Stufe zugeord netes Planetenrad, ein der hinteren Stufe zugeordnetes Planetenrad, das integral mit dem der vorderen Stufe zugeordneten Planetenrad rotierbar ist, und ein Aus gangssonnenrad mit Innenverzahnung, das mit dem der hinteren Stufe zugeord neten Planetenrad in Eingriff ist; und
wobei das der vorderen Stufe zugeordnete Planetenrad und das der hinteren Stufe zugeordnete Planetenrad durch einen exzentrischen Wellenbereich drehbar gela gert sind, der an der Hochdrehzahl-Drehwelle ausgebildet ist, und in einem Zu stand des Eingriffs mit dem feststehenden Sonnenrad mit Innenverzahnung bzw. dem Ausgangssonnenrad mit Innenverzahnung gehalten sind, wohingegen das Ausgangssonnenrad mit Innenverzahnung mit der Niedrigdrehzahl-Drehwelle ver bunden ist;
wodurch ein Absolutdrehwinkel der Niedrigdrehzahl-Drehwelle bzw. der Hoch drehzahl-Drehwelle auf der Grundlage von Ausgängen der der Seite der niedrigen Drehzahl zugeordneten Kodiereinrichtung bzw. der der Seite der hohen Drehzahl zugeordneten Kodiereinrichtung festgestellt wird.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnah me auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in welchen zeigen

Fig. 1 eine Teil-Schnittansicht eines Absolutsensors entsprechend der vorliegen den Erfindung.

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Planetengetriebemechanismus, der in dem Absolutsensor nach Fig. 1 eingebaut ist.

Im Folgenden wird nunmehr ein Ausführungsbeispiel eines Absolutsensors ent sprechend der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine Teil-Schnittansicht eines solchen Absolutsensors, wobei aus Fig. 1 zu ersehen ist, dass der Absolutsensor 1 ein Gehäuse 2 aufweist, das insgesamt eine ringförmige Gestalt aufweist und durch einen ringförmigen Körperbereich 3 und Endplatten 4 und 5 gebildet ist, die an den beiden Enden an dem Körperbe reich 3 befestigt sind. Eine Hochdrehzahl-Drehwelle 6 erstreckt sich so, dass sie durch die Mitte des Gehäuses 2 verläuft, wobei diese Hochdrehzahl-Drehwelle 6 an dem Gehäuse 2 mit Hilfe von Lagern 7 und 8 drehbar gelagert ist und wobei das Lager 7 an einer inneren Umfangsfläche eines in der Endplatte 4 ausgebilde ten mittleren Lochs und das Lager 8 an einer inneren Umfangsfläche eines in der Endplatte 5 ausgebildeten mittleren Lochs angeordnet sind.

Innerhalb des Gehäuses 2 ist ein Planetengetriebemechanismus 10 vom Typ mit Innendrehung zum Reduzieren der Drehzahl der Hochdrehzahl-Drehwelle 6 ein gebaut. Der Planetengetriebemechanismus 10 weist eine Niedrigdrehzahl-Dreh welle auf, von der eine Rotation mit reduzierter Drehzahl abgegeben wird und die in diesem Ausführungsbeispiel eine hohle Niedrigdrehzahl-Drehwelle 11 ist, die um eine äußere Umfangsfläche der Hochdrehzahl-Drehwelle 6 koaxial angeordnet ist. Die Drehzahl oder der Drehwinkel der hohlen Niedrigdrehzahl-Drehwelle 11 wird mittels einer der Seite der niedrigen Drehzahl zugeordneten Kodiereinrichtung 12 festgestellt, die in dem Gehäuse 2 untergebracht ist.

Die Hochdrehzahl-Drehwelle 6 weist einen Endbereich 61 auf, der von der End platte 5 des Gehäuses nach auswärts vorsteht, wobei an diesem Endbereich 61 eine der Seite der hohen Drehzahl zugeordnete Kodiereinrichtung 13 zum Fest stellen der Drehzahl oder des Drehwinkels der Hochdrehzahl-Drehwelle 6 ange ordnet ist. Die Hochdrehzahl-Kodiereinrichtung 13 ist mittels einer topfförmigen Kodiereinrichtungsummantelung 14 abgedeckt, die an dem Gehäuse 2 befestigt ist.

Aus Fig. 2 ist eine schematische Darstellung des Planetengetriebemechanismus 10 ersichtlich, der innerhalb des Gehäuses 2 eingebaut ist. Ferner wird unter Be zugnahme auf diese Figur der Planetengetriebemechanismus 10 in näheren Ein zelheiten erläutert. Der Planetengetriebemechanismus 10 weist auf: ein festste hendes Sonnenrad mit Innenverzahnung a (seine Anzahl der Zähne ist Z_a), ein der vorderen Stufe zugeordnetes Planetenrad b (seine Anzahl der Zähne ist Z_b), ein der hinteren Stufe zugeordnetes Planetenrad c (seine Anzahl der Zähne ist Z_c) und ein Ausgangssonnenrad mit Innenverzahnung d (seine Anzahl der Zähne ist Z_d). Die Planetenräder c und d gemäß diesem Ausführungsbeispiel können jeweils ein zusammengesetztes Zahnrad sein, beispielsweise ein Zahnrad vom bzw. mit Pfeilverzahnung. Das feststehende Sonnenrad mit Innenverzahnung a ist an der inneren Umfangsfläche des Körperbereichs 3 des Gehäuses befestigt, und das der vorderen Stufe zugeordnete Planetenrad b ist innerhalb des feststehenden Son nenrads mit Innenverzahnung a angeordnet und mit diesem in Eingriff. Das der hinteren Stufe zugeordnete Planetenrad c ist benachbart zu dem der vorderen Stufe zugeordneten Planetenrad b angeordnet und dreht sich einstückig mit die sem. Darüber hinaus ist das Ausgangssonnenrad mit Innenverzahnung d um das der hinteren Stufe zugeordnete Planetenrad c angeordnet und mit diesem in Ein griff. Das Ausgangssonnenrad mit Innenverzahnung d ist an der inneren Um fangsfläche des Körperbereichs 3 des Gehäuses mittels eines Lagers 21 drehbar gelagert. Das Ausgangssonnenrad mit Innenverzahnung d weist eine ringförmige Endseite auf, die mit einem hiervon vorstehenden, scheibenförmigen Verbin dungsbereich 22 versehen ist, und ein innerer Endbereich des Verbindungsbe reichs 22 ist mit der hohlen Niedrigdrehzahl-Drehwelle 11 einstückig verbunden.

Die Hochdrehzahl-Drehwelle 6 ist mit einem exzentrischen Wellenbereich 23 ver sehen und das der vorderen Stufe zugeordnete Planetenrad b und das der hinte ren Stufe zugeordnete Planetenrad c sind durch diesen exzentrischen Wellenbe reich 23 jeweils drehbar gelagert. Somit drehen sich, wenn sich die Hochdrehzahl- Drehwelle 6 dreht, das Planetenrad b und das Planetenrad c um die mittlere axiale Linie 6a.

Der auf diese Art ausgebildete Planetengetriebemechanismus 10 weist ein Re duktionsverhältnis i auf, das durch die in Fig. 2 gezeigte Formel erhalten werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Anzahl der Zähne eines jeden Zahn rads so eingestellt, wie in der zweiten Zeile gemäß Tabelle 1 angegeben, und die Differenz in der Anzahl der Zähne an der Seite der vorderen Stufe und in der An zahl der Zähne an der Seite der hinteren Stufe ist auf vier eingestellt. In diesem Fall beträgt das Reduktionsverhältnis i 256, was eine Zweierpotenz ist. In ähnlicher Weise ist, wie in der dritten Zeile bzw. der vierten Zeile nach Tabelle 1 angegeben, das Reduktionsverhältnis 1024, wenn die Differenz in der Anzahl der Zähne zwei ist, bzw. 4096, wenn die Differenz in der Anzahl der Zähne eins ist, wobei in bei den Fällen eine Zweierpotenz vorliegt.

Darüber hinaus werden, wie in Tabelle 2 gezeigt, wenn die Differenz in der Anzahl der Zähne acht und neun ist, das Reduktionsverhältnis zu 512 und, wenn die Dif ferenz in der Anzahl der Zähne 25 und 18 ist, das Reduktionsverhältnis zu 2048. Somit ist in beiden Fällen der jeweilige Wert des Reduktionsverhältnisses eine Zweierpotenz.

Tabelle 1

Tabelle 2

Ferner wird erläutert, dass die der Seite der niedrigen Drehzahl zugeordnete Ko diereinrichtung 12 und die der Seite der hohen Drehzahl zugeordnete Kodierein richtung 13 jeweils von irgendeinem Detektionstyp sein können. Beispielsweise können ein Potentiometer, eine Foto-Kodiereinrichtung, ein Resolver, ein Positi onssensor vom Typ magnetischer Induktion und andere Arten von Kodiereinrich tungen verwendet werden.

Weil der Planetengetriebemechanismus 10 des Absolutsensors 1 ein Reduktions verhältnis von 256 aufweist, wird die Niedrigdrehzahl-Drehwelle 11 angetrieben, um sich einmal zu drehen, wenn sich die Hochdrehzahl-Drehwelle 6 256mal dreht. Jede der Drehwinkelpositionen der jeweiligen Drehwelle 6 bzw. 11 kann unter Zu grundelegung eines jeden der Detektionssignale der jeweiligen Kodiereinrichtung 13 bzw. 12 festgestellt werden. Darüber hinaus kann die absolute Drehposition der Drehwelle 11 auf der Grundlage der Detektionssignale der beiden Kodiereinrich tungen 13 und 12 genau festgestellt werden.

Wie oben erläutert, ist der Absolutsensor gemäß dieser Erfindung mit einem Pla netengetriebemechanismus vom Innenumdrehungstyp versehen, der dazu befä higt ist, die Ausgangswelle und die Eingangswelle koaxial auszurichten und der ein Reduktionsverhältnis mit einer Zweierpotenz aufweist. Dementsprechend kann, verglichen mit dem herkömmlichen Absolutsensor mit dem Reduktionsmechanis mus, der Stirnzahnräder aufweist, das Reduktionsverhältnis mit einer geringen Anzahl von Zahnrädern erhöht werden, so dass eine Herabsetzung der Abmes sungen des Sensors erzielt werden kann und die Absolutdrehwinkelposition der Drehwelle genau festgestellt werden kann. Ferner ist es, weil der Wert des Re duktionsverhältnisses des Planetengetriebemechanismus eine Zweierpotenz ist, für ein Computersystem leicht, die Ausgangssignale der Kodiereinrichtungen zu verarbeiten, was vorteilhaft ist.

Claims

1. Absolutsensor, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
eine Hochdrehzahl-Drehwelle (6);
ein Planetengetriebemechanismus (10) zum Reduzieren einer hohen Dreh zahl, die von der Hochdrehzahl-Drehwelle (6) erzeugt wird;
eine koaxial mit der Hochdrehzahl-Drehwelle (6) ausgerichtete Niedrigdreh zahl-Drehwelle (11), die mit einer Rotation mit reduzierter Drehzahl von dem Planetengetriebemechanismus (10) beaufschlagt wird;
eine der Seite der hohen Drehzahl zugeordnete Kodiereinrichtung (13) zum Feststellen einer Drehzahl oder eines Drehwinkels der Hochdrehzahl-Dreh welle (6); und
eine der Seite der niedrigen Drehzahl zugeordnete Kodiereinrichtung (12) zum Feststellen einer Drehzahl oder eines Drehwinkels der Niedrigdrehzahl-Dreh welle (11);
wobei der Planetengetriebemechanismus (10) so ausgebildet ist, um aufzu weisen: ein feststehendes Sonnenrad mit Innenverzahnung (a), ein der vorde ren Stufe zugeordnetes Planetenrad (b), ein der hinteren Stufe zugeordnetes Planetenrad (c), das integral mit dem der vorderen Stufe zugeordneten Plane tenrad (b) rotierbar ist, und ein Ausgangssonnenrad mit Innenverzahnung (d), das mit dem der hinteren Stufe zugeordneten Planetenrad (c) in Eingriff ist; und
wobei das der vorderen Stufe zugeordnete Planetenrad (b) und das der hinte ren Stufe zugeordnete Planetenrad (c) durch einen exzentrischen Wellenbe reich (23) drehbar gelagert sind, der an der Hochdrehzahl-Drehwelle (6) aus gebildet ist, und in einem Zustand des Eingriffs mit dem feststehenden Son nenrad mit Innenverzahnung (a) bzw. dem Ausgangssonnenrad mit Innenver zahnung (d) gehalten sind, wohingegen das Ausgangssonnenrad mit Innen verzahnung (d) mit der Niedrigdrehzahl-Drehwelle (11) verbunden ist;
wodurch ein Absolutdrehwinkel der Niedrigdrehzahl-Drehwelle (11) bzw. der Hochdrehzahl-Drehwelle (6) auf der Grundlage von Ausgängen der der Seite der niedrigen Drehzahl zugeordneten Kodiereinrichtung (12) bzw. der Seite der hohen Drehzahl zugeordneten Kodiereinrichtung (13) festgestellt wird.