DE112017003008T5

DE112017003008T5 - Drehmomenterfassungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112017003008T5
Application number: DE112017003008.0T
Authority: DE
Inventors: Takashi Koike; Yasuyuki Fukushima
Original assignee: NTN Corp; NTN Toyo Bearing Co Ltd
Current assignee: NTN Corp
Priority date: 2016-06-15
Filing date: 2017-06-07
Publication date: 2019-02-28
Also published as: CN109313092A; JP2017223528A; WO2017217298A1; CN109313092B

Abstract

Es wird eine Drehmomenterfassungsvorrichtung bereitgestellt, die eine mechanische Justierung bei einer Ersteinstellung überflüssig macht und die eine stabile Drehmomenterfassung mit einem einfachen Mechanismus erreicht. Eine Drehmomenterfassungsvorrichtung (1) weist einen äußeren Ring (2) und einen inneren Ring (3) auf, die in Bezug aufeinander drehbar sind, und erfasst das Drehmoment, das zwischen dem äußeren Ring (2) und dem inneren Ring (3) wirkt. Ein elastisches Element (4) verkoppelt direkt oder indirekt den äußeren Ring (2) und den inneren Ring (3). Das elastische Element (4) wird gemäß einer Drehabweichung zwischen dem äußeren Ring (2) und dem inneren Ring (3) verformt. Ein Winkelsensor (4) erfasst einen Drehwinkel zwischen dem äußeren Ring (2) und dem inneren Ring (3). Eine Drehmomentermittlungseinrichtung (10) ermittelt das Drehmoment aus dem Drehwinkel, der vom Winkelsensor (40) erfasst wird.

Description

VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung basiert auf der am 15. Juni 2016 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2016-118618 und beansprucht deren Priorität, wobei deren gesamte Offenbarung als Teil dieser Anmeldung hierin aufgenommen ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
(Gebiet der Erfindung)
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehmomenterfassungsvorrichtung, die zur Erfassung eines Drehmoments verwendet wird, das an eine Welle angelegt wird, und insbesondere betrifft sie eine Technologie zur Erfassung eines Drehmoments, das beispielsweise an ein Gelenk eines Industrieroboters angelegt wird.
(Beschreibung der verwandten Technik)
Das Patentdokument 1 offenbart eine Drehmomenterfassungsvorrichtung, die ein Drehmoment erfasst, das an ein Gelenkbauteil eines Industrieroboters angelegt wird. Ein äußerer Ring und ein innerer Ring sind durch mehrere elastische Träger miteinander verbunden. Die Drehmomenterfassungsvorrichtung misst mittels zweier Abweichungssensoren separat die Abweichungsbeträge, die zwischen dem äußeren Ring und zwei vorstehenden Innenringteilen erzeugt werden, wobei letztere so angeordnet sind, dass sie vom inneren Ring radial zum äußeren Ring vorstehen, und erfasst ein axiales Drehmoment, das auf den inneren und den äußeren Ring wirkt, aus den beiden gemessenen Abweichungsbeträgen.
[Dokument des Standes der Technik]
[Patentdokument]
[Patentdokument 1] JP-Patent Nr. 3136816
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
In der Drehmomenterfassungsvorrichtung, die im Patentdokument 1 offenbart ist, messen die zwei Abweichungssensoren separat die Abweichungsbeträge, die zwischen dem äußeren Ring und den beiden vorstehenden Innenringteilen erzeugt werden, wodurch es schwierig ist, eine mechanische Lücke zwischen dem äußeren Ring und den beiden vorstehenden Innenringteilen bei der Anfangseinrichtung einzustellen. Ferner sagt das Patentdokument 1 nichts über ein Verfahren zum Berechnen des Drehmoments aus Ausgabewerten der beiden Abweichungssensoren. Jedoch ist ein Prozess notwendig, um beispielsweise den Drehabweichungsbetrag zwischen dem äußeren Ring und dem inneren Ring aus den Ausgabewerten der beiden Abweichungssensoren zu bestimmen. Somit wird eine Verarbeitungsschaltung dafür als komplex betrachtet.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Drehmomenterfassungsvorrichtung, die eine mechanische Justierung bei der Ersteinstellung überflüssig macht und die eine stabile Drehmomenterfassung mit einem einfachen Mechanismus ermöglicht.
Zum besseren Verständnis und der Einfachheit halber bezieht sich die folgende Erläuterung gegebenenfalls auf Bezugszahlen, die in den Ausführungsbeispielen verwendet werden.
Eine Drehmomenterfassungsvorrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, die einen äußeren Ring und einen inneren Ring aufweist, die in Bezug aufeinander drehbar sind, erfasst ein Drehmoment, das zwischen dem äußeren Ring und dem inneren Ring wirkt. Die Drehmomenterfassungsvorrichtung weist auf: ein elastisches Element, das direkt oder indirekt den äußeren Ring und den inneren Ring koppelt, wobei das elastische Element dafür ausgelegt ist, gemäß einer Drehabweichung zwischen dem äußeren Ring und dem inneren Ring verformt zu werden; einen Winkelsensor, der dafür ausgelegt ist, einen Drehwinkel zwischen dem äußeren Ring und dem inneren Ring zu erfassen; und eine Drehmomentermittlungseinrichtung (eine Drehmomentberechnungseinrichtung) 10, die dafür ausgelegt ist, das Drehmoment aus dem vom Winkelsensor erfassten Drehwinkel zu ermitteln.
Gemäß dieser Konfiguration wird das elastische Element, das den äußeren Ring und den inneren Ring koppelt, verformt, wenn ein Drehmoment zwischen dem äußeren Ring und dem inneren Ring angelegt wird. Somit wird eine Drehabweichung zwischen dem äußeren Ring und dem inneren Ring bewirkt. Der Winkel der Drehabweichung wird vom Winkelsensor erfasst, und die Drehmomentermittlungseinrichtung 10 ermittelt das Drehmoment aus dem erfassten Drehwinkel. Da die Drehabweichung zwischen dem äußeren Ring und dem inneren Ring auf diese Weise direkt erfasst wird, ist ein herkömmlicher Prozess der Bestimmung eines Drehabweichungsbetrags zwischen einem äußeren Ring und einem inneren Ring aus Werten, die jeweils von zwei Abweichungssensoren oder dergleichen erfasst werden, nicht nötig, wodurch die Verarbeitungsschaltung dafür vereinfacht wird. Durch das Messen einer feinen Drehabweichung zwischen dem äußeren Ring und dem inneren Ring, die in ein Drehmoment umzuwandeln ist, wird eine mechanische Justierung nach einer Installation des Winkelsensors überflüssig.
Der Winkelsensor kann aufweisen: einen Magnetkodierer, der an einem vom äußeren Ring und vom inneren Ring bereitgestellt ist, wobei der Magnetkodierer Magnetpole aufweist, die in einer Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind; und einen Magnetsensor, der am anderen vom äußeren Ring und vom inneren Ring bereitgestellt ist, wobei der Magnetsensor dafür ausgelegt ist, ein Magnetfeld des Magnetkodierers zu erfassen.
Wenn der Winkelsensor den Magnetkodierer und den Magnetsensor aufweist, wird die Winkelinformation über die Drehabweichung als digitaler Wert erfasst. Daher kann ein Drehmoment stabil ausgegeben werden, ohne einen Ausgabe-Offset wie bei einem analogen Signal.
In einem Fall, wo der Winkelsensor den Magnetkodierer und den Magnetsensor aufweist, kann der Magnetkodierer mindestens eine Magnetkodiererspur aufweisen, wobei die Magnetkodiererspur mit einem N-Pol und einem S-Pol magnetisiert ist, die abwechselnd angeordnet sind, und
der Winkelsensor kann aufweisen: eine Multiplikationsschaltung 61, die dafür ausgelegt ist, ein hochaufgelöstes Impulssignal durch elektrisches Multiplizieren eines Winkels eine Polpaars, das aus dem N-Pol und dem S-Pol der Magnetkodiererspur besteht, mit einem Magnetsignal, das vom Magnetsensor ausgegeben wird, zu erzeugen, wobei das Magnetsignal von einer Drehabweichung zwischen dem Magnetkodierer und dem Magnetsensor abhängt; und einen Zähler 62, der dafür ausgelegt ist, das Impulssignal zu zählen, das von der Multiplikationsschaltung 61 erzeugt wird, um Winkelinformationen, die vom gezählten Impulssignal angegeben werden, an die Drehmomentermittlungseinrichtung 10 zu senden.
Gemäß dieser Konfiguration kann der Drehwinkel zwischen dem äußeren Ring und dem inneren Ring mit hoher Auflösung erfasst werden, und somit kann das Drehmoment, das zwischen dem äußeren Ring und dem inneren Ring wirkt, exakt erfasst werden.
In einem Fall, wo der Winkelsensor den Magnetkodierer und den Magnetsensor aufweist, kann der Magnetkodierer stattdessen mehrere Magnetkodiererspuren aufweisen, wobei jede von den Magnetkodiererspuren mit einem N-Pol und einem S-Pol magnetisiert ist, die abwechselnd angeordnet sind, wobei die Magnetkodiererspuren unterschiedlich viele Magnetisierungspolpaare aufweisen, wobei der Magnetsensor mehrere Erfassungseinheiten aufweisen kann, die dafür ausgelegt sind, jeweilige Magnetfelder der jeweiligen Magnetkodiererspuren zu erfassen, und
der Winkelsensor kann aufweisen: ein Phasendifferenzerfassungsmodul 51, das dafür ausgelegt ist, eine Phasendifferenz zwischen Magnetsignalen, die von den jeweiligen Erfassungseinheiten des Magnetsensors ausgegeben werden, zu erfassen, wobei die Phasendifferenz von einer Drehabweichung zwischen dem Magnetkodierer und dem Magnetsensor abhängt; ein Absolutwinkelberechnungsmodul 52, das dafür ausgelegt ist, einen absoluten Winkel der Drehabweichung gemäß der vom Phasendifferenzerfassungsmodul 51 erfassten Phasendifferenz zu berechnen; und ein Sendemodul 53, das dafür ausgelegt ist, Absolutwinkelinformationen über den absoluten Winkel, der vom Absolutwinkelberechnungsmodul 52 berechnet wird, an die Drehmomentberechnungseinrichtung 10 zu senden.
Gemäß dieser Konfiguration haben die mehreren Magnetkodiererspuren unterschiedlich viele Magnetisierungspolpaaren, und die mehreren Erfassungseinheiten des Magnetsensors werden relativ gedreht, und somit wird die Phasenverschiebung zwischen den Erfassungssignalen aus den mehreren Erfassungseinheiten erzeugt. Diese Phasendifferenz wird vom Phasendifferenzerfassungsmodul 51 erfasst, und der absolute Winkel der Drehabweichung zwischen dem äußeren Ring und dem inneren Ring wird vom Absolutwinkelberechnungsmodul 52 gemäß der Phasendifferenz berechnet. Die berechneten Absolutwinkelinformationen werden durch das Sendemodul 53 an die Drehmomentberechnungseinrichtung 10 gesendet. Da der absolute Winkel zwischen dem äußeren Ring und dem inneren Ring in ein Drehmoment umgewandelt wird, kann das Drehmoment exakt erhalten werden.
Ein Winkelbereich des Magnetkodierers, wo das Magnetfeld erfassbar ist, kann ein Teil des gesamten Umfangs des Magnetkodierers sein. Der äußere Ring und der innere Ring sind mittels des elastischen Elements verkoppelt und werden in Bezug aufeinander nur fein oder nur etwas gedreht. Daher reicht ein Teil des gesamten Umfangs für den Bereich des Magnetkodierers, wo das Magnetfeld erfassbar ist, aus.
Der äußere Ring und der innere Ring können ein Lageraußenring bzw. ein Lagerinnenring eines Lagers sein, der Winkelsensor kann als Einheit mit dem Lager bereitgestellt sein, und das Lager und der Winkel sensor können ein mit einem Winkel sensor ausgestattetes Lager bilden. Auf diese Weise kann die Drehmomenterfassungsvorrichtung unter Verwendung der gespeicherten Konfigurationsdaten des bereits vorhandenen mit einem Winkelsensor ausgestatteten Lagers gestaltet werden.
Jede Kombination aus mindestens zwei Konstruktionen, die in den beigefügten Ansprüchen und/oder der Beschreibung und/oder den begleitenden Zeichnungen offenbart sind, sollte als im Bereich der vorliegenden Erfindung eingeschlossen betrachtet werden. Insbesondere sollte jede Kombination aus zwei oder mehr der beigefügten Ansprüche ebenfalls als im Bereich der vorliegenden Erfindung liegend betrachtet werden.
Figurenliste
Auf jeden Fall wird die vorliegende Erfindung anhand der folgenden Beschreibung ihrer bevorzugten Ausführungsbeispiele in Zusammenschau mit den begleitenden Zeichnungen besser verständlich. Jedoch werden die Ausführungsbeispiele und die Zeichnungen nur zum Zwecke der Erläuterung und zur Erklärung angegeben und sollen in keiner Weise als Beschränkung des Bereichs der vorliegenden Erfindung aufgefasst werden, da dieser Bereich von den beigefügten Ansprüchen bestimmt wird. In den beigefügten Zeichnungen werden gleiche Bezugszahlen verwendet, um gleiche Teile in den mehreren Ansichten zu bezeichnen, und:

1 ist eine Längsschnittansicht entlang einer Ebene, die durch die Achse des Erfassungsmechanismus einer Drehmomenterfassungsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verläuft;
2 ist eine Querschnittansicht entlang einer Linie II-II von 1;
3 ist ein Schema, das ein Magnetisierungsmuster eines Magnetkodierers der Drehmomenterfassungsvorrichtung in 1, gesehen von einem Schnitt III-III von 1 aus, darstellt;
4 ist ein Schema, das ein Beispiel für einen Winkelsensor der Drehmomenterfassungsvorrichtung in 1 darstellt;
5 ist ein Schema, das die Beziehung zwischen dem Magnetisierungsmuster von Magnetkodiererspuren und einem Magnetsignal, das von einem Magnetsensor der Drehmomenterfassungsvorrichtung in 1 ausgegeben wird, zeigt;
6 ist ein Blockschema einer Drehmomentberechnungseinrichtung der Drehmomenterfassungsvorrichtung in 1;
7 ist eine Längsschnittansicht entlang einer Ebene, die durch die Achse des Erfassungsmechanismus einer Drehmomenterfassungsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verläuft;
8 ist eine Querschnittansicht entlang einer Linie VIII-VIII von 7;
9 ist ein Schema, das ein Magnetisierungsmuster eines Magnetkodierers der Drehmomenterfassungsvorrichtung in 7, gesehen von einem Schnitt IX-IX von 7 aus, darstellt;
10 ist eine Längsschnittansicht entlang einer Ebene, die durch die Achse des Erfassungsmechanismus einer Drehmomenterfassungsvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verläuft;
11 ist eine Ansicht, die von einem Pfeil XI von 10 aus gesehen wird;
12 ist eine Längsschnittansicht entlang einer Ebene, die durch die Achse des Erfassungsmechanismus einer Drehmomenterfassungsvorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verläuft;
13 ist eine Querschnittansicht entlang einer Linie XIII-XIII von 12;
14 ist ein Schema, das ein Magnetisierungsmuster eines Magnetkodierers eines Winkelsensors darstellt, der vom Winkelsensor von 9 verschieden ist; und
15 ist ein Blockschema, das ein Beispiel für den Winkelsensor in 14 darstellt.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine Längsschnittansicht entlang einer Ebene, die durch die Achse des Erfassungsmechanismus einer Drehmomenterfassungsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verläuft. 2 ist eine Querschnittansicht entlang einer Linie II-II von 1. Eine Drehmomenterfassungsvorrichtung 1 weist einen Erfassungsmechanismus 1a und eine Verarbeitungsschaltung 1b auf. Die Verarbeitungsschaltung 1b weist eine Winkelberechnungseinrichtung 50 und eine Drehmomentberechnungseinrichtung (Drehmomentermittlungseinrichtung) 10 auf Die Winkelberechnungseinrichtung 50 und die Drehmomentberechnungseinrichtung 10 werden jeweils durch Montieren eines Mikrocomputers und einer elektronischen Schaltung auf eine Leiterplatte ausgebildet oder durch einen Personal Computer implementiert. Die Verarbeitungsschaltung 1b kann im Erfassungsmechanismus 1a bereitgestellt sein oder kann in einer externen Einheit bereitgestellt sein, die über einen Draht mit diesem verbunden ist. Die Einzelheiten der Verarbeitungsschaltung 1b werden weiter unten beschrieben.
Der Erfassungsmechanismus 1a weist einen äußeren Ring 2 und einen inneren Ring 3 auf. Eine Innendurchmesseroberfläche 2a des äußeren Rings 2 und eine Außendurchmesseroberfläche 3a des inneren Rings 3 stehen so miteinander in Kontakt, dass sie in der Umfangsrichtung gleiten können, und der äußere Ring 2 und der innere Ring 3 in Bezug aufeinander drehbar sind. Wie in 2 dargestellt ist, sind der äußere Ring 2 und der innere Ring 3 mittels mehrerer elastischer Elemente 4 miteinander gekoppelt. In dem Beispiel, das in 2 dargestellt ist, sind vier elastische Elemente 4 in einem gleichmäßigen Intervall in der Umfangsrichtung angeordnet. Beide Enden der elastischen Elemente 4 sind in eine Befestigungsnut 2b des äußeren Rings 2 bzw. eine Befestigungsnut 3b des inneren Rings 3 eingeführt. Die Befestigungsnut 2b des äußeren Rings 2 ist im Boden eines ausgeschnittenen Abschnitts 2c, der in der Innendurchmesseroberfläche 2a des äußeren Rings 2 ausgebildet ist, positioniert. Die Befestigungsnut 3b des inneren Rings 3 ist im Boden eines ausgeschnittenen Abschnitts 3c, der in der Außendurchmesseroberfläche 3a des inneren Rings 3 ausgebildet ist, positioniert. Auf diese Weise stehen die mittleren Abschnitte der elastischen Elemente 4, die in den ausgeschnittenen Abschnitten 2c, 3c positioniert sind, nicht mit dem äußeren Ring 2 oder dem inneren Ring 3 in Kontakt, so dass eine Verformung der elastischen Elemente 4 nicht behindert wird.
Jedes elastische Element 4 kann ein beliebiges elastisch verformbares Element sein, das heißt, ein beliebiges Element, das flexibel ist. Das elastische Element 4 kann eine Tellerfeder, einen Gummi usw. einschließen. Die Umfangsdicke des elastischen Elements 4, die Umfangsbreite der Befestigungsnut 2b des äußeren Rings 2 und die Umfangsbreite der Befestigungsnut 3b des inneren Rings 3 können gemäß einem Drehmoment oder dergleichen, das von der Drehmomenterfassungsvorrichtung 1 voraussichtlich erfasst werden wird, geeignet eingerichtet werden.
Wie in 1 dargestellt ist, weist der äußere Ring 2 an einem in der axialen Richtung ersten Endabschnitt einen Flansch-Schulterabschnitt 2d auf, der sich radial auswärts erstreckt. Eine Stirnfläche 3e des inneren Rings 3 stößt an einer Seitenfläche des Schulterabschnitts 2d an, das heißt an einer Stirnfläche in der axialen Richtung des Schulterabschnitts 2d. Eine Abdeckung 5 ist an einem in der axialen Richtung zweiten Endabschnitt des äußeren Rings 2 befestigt. Eine Stirnfläche 5a der Abdeckung 5 drückt in der axialen Richtung auf eine Absatzfläche 3f des inneren Rings 3. Somit wird verhindert, dass sich der innere Ring 3 in der axialen Richtung ablöst. Ähnlich wie die Innendurchmesseroberfläche 2a des äußeren Rings 2 und die Außendurchmesseroberfläche 3a des inneren Rings 3 können die Seitenfläche des Schulterabschnitts 2d des äußeren Rings 2 und die Stirnfläche 3c des inneren Rings 3 in Bezug aufeinander gleiten und können die Stirnfläche 5a der Abdeckung 5 und die Absatzfläche 3f des inneren Rings 3 in Bezug aufeinander gleiten.
Jede der Gleitflächen kann mit einem Material beschichtet sein, das eine ausgezeichnete Gleitfähigkeit aufweist, wie etwa Fluorharz. Alternativ zur Beschichtung der Gleitflächen mit Gleitmaterialien kann ein Lager (nicht dargestellt) zwischen jeweiligen Oberflächen des äußeren Rings 2 und des inneren Rings 3, die in Bezug aufeinander drehverlagert werden, angeordnet sein.
In 1 und 2 ist ein Magnetsensor 6 an einem ersten Abschnitt der Innendurchmesseroberfläche 2a des äußeren Rings 2 bereitgestellt. Der Magnetsensor 6 ist auf einer Unterlage 7 montiert, die an der Innendurchmesseroberfläche 2a des äußeren Rings 2 fixiert ist. Der Magnetsensor 6 weist zwei Erfassungseinheiten 6a, 6b auf, die in der axialen Richtung nebeneinander angeordnet sind (1).
Eine Aussparung 3d ist in einem ersten Abschnitt der Außendurchmesseroberfläche 3a des inneren Rings 3 ausgebildet, der dem ersten Abschnitt der Innendurchmesseroberfläche 2a des äußeren Rings 2 entspricht. Ein Magnetkodierer 8, der in der radialen Richtung dem Magnetsensor 6 zugewandt ist und sich in der Umfangsrichtung erstreckt, ist in der Aussparung 3d bereitgestellt. Der Magnetkodierer 8 weist eine erste Magnetkodiererspur 8a (1) und eine zweite Magnetkodiererspur 8b (1) auf, die in der axialen Richtung nebeneinander angeordnet sind. Der Magnetkodierer 8 weist eine Bogenform auf und ist nur in einem Teilbereich des Umfangs vorgesehen. Der äußere Ring 2 und der innere Ring 3 sind mittels der elastischen Elemente 4 verkoppelt, so dass sie in Bezug aufeinander nur fein oder nur etwas gedreht werden. Daher reicht ein Teil des gesamten Umfangs für den Bereich des Magnetkodierers, wo das Magnetfeld erfassbar ist, aus.
Die Erfassungseinheit 6a des Magnetsensors 6 erfasst das Magnetfeld der ersten Magnetkodiererspur 8a, und die Erfassungseinheit 6b des Magnetsensors 6 erfasst das Magnetfeld der zweiten Magnetkodiererspur 8b. Wie in 4 dargestellt ist, bilden der Magnetsensor 6 und der Magnetkodierer 8 eine Winkelerfassungseinheit 40a. Die Winkelerfassungseinheit 40a und die Winkelberechnungseinrichtung 50 der Verarbeitungsschaltung 1b bilden einen Winkelsensor 40, der den Drehwinkel zwischen dem äußeren Ring 2 und dem inneren Ring 3 erfasst.
In 1 und 2 ist eine Passfeder 9 an einem zweiten Abschnitt der Außendurchmesseroberfläche 3a des inneren Rings 3 bereitgestellt. Eine Passfedernut 2e, die in der Umfangsrichtung breiter ist als die Passfeder 9, ist in einem zweiten Abschnitt der Innendurchmesseroberfläche 2a des äußeren Rings 2 ausgebildet, der dem zweiten Abschnitt der Außendurchmesseroberfläche 3a des inneren Rings 3 entspricht. Auf diese Weise ist ein Drehbereich des inneren Rings 3 in Bezug auf den äußeren Ring 2 auf einen Bereich der Differenz zwischen den Breiten der Passfedernut 2e und der Passfeder 9 in der Umfangsrichtung beschränkt.
3 stellt das Magnetisierungsmuster der Magnetkodiererspuren 8a, 8b des Magnetkodierers 8, gesehen von einem Schnitt III-III von 1 aus, dar. Die erste und die zweite Magnetkodiererspur 8a, 8b sind jeweils mitN-Polen und mit S-Polen, die abwechselnd angeordnet sind, magnetisiert. Die Magnetkodiererspuren 8a, 8b unterscheiden sich voneinander in der Anzahl der Magnetisierungspole. In dem Beispiel von 3 weist die erste Magnetkodiererspur 8a eine größere Anzahl von Magnetisierungspolen auf als die zweite Magnetkodiererspur 8b. Wenn beispielsweise der Magnetkodierer 8 in einem Bereich von 360 Grad vorhanden wäre, dann hätte die erste Magnetkodiererspur 8a 32 Paare der Magnetisierungspole, während die zweite Magnetkodiererspur 8b 31 Paare der Magnetisierungspole aufweisen würde.
4 ist ein Blockschema, das ein Beispiel für die Winkelberechnungseinrichtung 50 des Winkelsensors 40 darstellt. Die Winkelberechnungseinrichtung 50 weist ein Phasendifferenzerfassungsmodul 51, ein Absolutwinkelberechnungsmodul 52 und ein Sendemodul 53 auf. Magnetsignale (siehe die Diagramme (A) und (B) von 5), die von den jeweiligen Erfassungseinheiten 6a, 6b des Magnetsensors 6 ausgegeben werden, werden an die Winkelberechnungseinrichtung 50 gesendet. Zum Beispiel kommt es in dem oben beschriebenen Fall, wo die erste Magnetkodiererspur 8a 32 Paare der Magnetisierungspole pro Umfang aufweisen würde und die zweite Magnetkodiererspur 8b 31 Paare der Magnetisierungspole pro Umfang aufweisen würde, zu einer Phasendifferenz, wenn der Magnetsensor 6 und der Magnetkodierer 8 in Bezug aufeinander gedreht werden. Die Phasendifferenz ist ein Maß für eine Phase eines Magnetpolpaars, wenn eine volle Drehung durchgeführt wird (siehe das Diagramm (C) von 5). Die Phasendifferenz wird vom Phasendifferenzerfassungsmodul 51 erfasst, und das Absolutwinkelberechnungsmodul 52 berechnet den absoluten Winkel der Drehabweichung auf Basis der erfassten Phasendifferenz. Die ermittelten Absolutwinkelinformationen werden durch das Sendemodul 53 an die Drehmomentberechnungseinrichtung 10 gesendet, die noch beschrieben wird. Falls die Magnetsignale, die von den Erfassungseinheiten 6a, 6b ausgegeben werden, von einer Multiplikationsschaltung (nicht dargestellt) elektrisch multipliziert werden, werden hoch aufgelöste Absolutwinkelinformationen erhalten.
6 ist ein Blockschema der Drehmomentberechnungseinrichtung 10. Die Drehmomentberechnungseinrichtung 10 weist eine Tabelle 12, ein Drehmomentberechnungsmodul 13 und ein Ausgabemodul 14 auf. In der Drehmomentberechnungseinrichtung 10 berechnet das Drehmomentberechnungsmodul 13 das Drehmoment, das zwischen dem äußeren Ring 2 und dem inneren Ring 3 wirkt, auf Basis der Absolutwinkelinformationen, die vom Winkelsensor 40 gesendet werden, und von Informationen, die in der Tabelle 12 gespeichert sind. Die Tabelle 12 speichert die Korrelation zwischen dem Drehmoment und dem Drehwinkel zwischen dem äußeren Ring 2 und dem inneren Ring 3. Der Drehmomentwert, der vom Drehmomentberechnungsmodul 13 berechnet wird, wird über das Ausgabemodul 14 nach außen ausgegeben. Das Ausgabemodul 14 gibt den Drehmomentwert mit einer Ausgabespezifikation, die aus PWM-Ausgabe, serieller Kommunikation und dergleichen ausgewählt wird, nach außen aus.
Zum Beispiel wird in dem Fall, wo die erste Magnetkodiererspur 8a 32 Paare der Magnetisierungspole pro Umfang aufweisen würde und die zweite Magnetkodiererspur 8b 31 Paare der Magnetisierungspole pro Umfang aufweisen würde, eine Winkelauflösung von ungefähr 16 bis 18 Bits für den Magnetsensor 6 erhalten. Falls die Auflösung 18 Bits pro Umdrehung beträgt, kann der Änderungsbetrag von 728 Impulsen 218/360) durch eine Winkeldifferenz von 1 Grad zwischen dem äußeren Ring 2 und dem inneren Ring 3 erhalten werden. Das Ausgangssignal ist ein digitales Signal, so dass ein Ausgabe-Offset wegen einer Umgebungsänderung unterdrückt wird.
Die oben beschriebene Drehmomenterfassungsvorrichtung 1 arbeitet wie folgt. Wenn ein Drehmoment zwischen dem äußeren Ring 2 und dem inneren Ring 3 angelegt wird, werden die elastischen Elemente 4, die den äußeren Ring 2 und den inneren Ring 3 verkoppeln, verformt. Somit wird eine Drehabweichung zwischen dem äußeren Ring 2 und dem inneren Ring 3 bewirkt. Der Winkel der Drehabweichung wird vom Winkelsensor 40 erfasst, und dann berechnet die Drehmomentberechnungseinrichtung 10 das Drehmoment aus dem erfassten Wert.
Anders ausgedrückt erfasst die Drehmomenterfassungsvorrichtung 1 den Ablenkungsbetrag der elastischen Elemente 4 als Änderung des absoluten Winkels zwischen dem äußeren Ring 2 und dem inneren Ring 3 und wandelt den Winkel in ein Drehmoment um. Die Korrelation zwischen dem Betrag der Winkeländerung zwischen dem äußeren Ring 2 und dem inneren Ring 3 und dem Drehmoment variiert abhängig von der Steifigkeit der elastischen Elemente 4. Auch wenn ein kleiner Winkeländerungsbetrag typischerweise entwickelt wird, ermöglicht der absolute Winkel, der mit hoher Auflösung erfasst wird, eine Erfassung des Drehmoments mit hoher Genauigkeit und geringer Temperaturdrift.
Die Drehabweichung zwischen dem äußeren Ring 2 und dem inneren Ring 3 wird vom Winkelsensor 40 direkt erfasst, wie oben beschrieben. Daher ist anders als in einem Fall, wo das Drehmoment auf Basis einer Abweichung ermittelt wird, die nicht die Drehabweichung ist, ein Prozess der Änderung der Abweichung, die keine Drehabweichung ist, in eine Drehabweichung nicht erforderlich. Somit ist die Verarbeitungsschaltung 1b vereinfacht. Durch das Messen der feinen Drehabweichung zwischen dem äußeren Ring 2 und dem inneren Ring 3, die in ein Drehmoment umzuwandeln ist, wird eine mechanische Justierung nach einer Installation des Winkelsensors 40 überflüssig. Ferner ist es in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel möglich, ein exaktes Drehmoment durch Umwandeln des absoluten Winkels zwischen dem äußeren Ring 2 und dem inneren Ring 3 in das Drehmoment zu ermitteln.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel zeigt das Beispiel, in dem ein Winkelsensor, der in der Lage ist, den absoluten Winkel einer vollen Drehung zu erfassen, als magnetischer Winkelsensor 40 verwendet wird. Jedoch kann auch ein Sensor verwendet werden, der in der Lage ist, einen Drehwinkelbereich von 90 Grad oder 180 Grad durch einen absoluten Winkel zu erfassen. Zum Beispiel entspricht ein Drehmelder, der einen doppelten Axialwinkel von 2X oder 4X aufweist, einem solchen Sensor.
7 ist eine Längsschnittansicht entlang einer Ebene, die durch die Achse des Erfassungsmechanismus einer Drehmomenterfassungsvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verläuft. 8 ist eine Querschnittansicht entlang einer Linie VIII-VIII von 7. Eine Drehmomenterfassungsvorrichtung 15 ist vom axialen Typ, bei dem der Magnetkodierer 8 dem Magnetsensor 6 axial zugewandt ist. 9 stellt das Magnetisierungsmuster der Magnetkodiererspuren 8a, 8b des Magnetkodierers 8, gesehen von einem Querschnitt IX-IX von 7 aus, dar. In dem dargestellten Beispiel wird der Magnetkodierer 8 bereitgestellt, der eine Einrundenlänge in der Umfangsrichtung aufweist. Wie in 1 und 2 dargestellt ist, kann der Magnetkodierer 8 jedoch eine Fächerforma aufweisen, die nur auf einen notwendigen Bereich in der Umfangsrichtung beschränkt ist. Abgesehen davon ist die Gestaltung derjenigen der Drehmomenterfassungsvorrichtung 1 in 1 und 2 gleich, und es kann die gleiche Wirkung erhalten werden wie sie von der Drehmomenterfassungsvorrichtung 1 in 1 und 2 erhalten wird.
10 ist eine Längsschnittansicht entlang einer Ebene, die durch die Achse des Erfassungsmechanismus einer Drehmomenterfassungsvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verläuft. 11 ist eine Ansicht, die von einem Pfeil XI von 10 aus gesehen wird. In einer Drehmomenterfassungsvorrichtung 16 gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist ein Lager 17 installiert, das mit einem Winkelsensor ausgestattet ist. Das Lager 17, das mit einem Winkelsensor ausgestattet ist, fungiert als die Winkelerfassungseinheit.
Das Lager 17, das mit einem Winkelsensor ausgestattet ist, weist ein Lager 23 und den Winkelsensor 40 auf. Das Lager 23 weist einen inneren Ring 18, der ein Drehring ist, einen äußeren Ring 19, der ein feststehender Ring ist, mehrere Wälzelemente 20, eine Halterung 21 und eine Dichtung 22 auf. Der Winkelsensor 40 weist einen Magnetkodierer 24, den Magnetsensor 6 und die Winkelberechnungseinrichtung 50 auf (4).
Der Magnetkodierer 24, der ein Drehelement ist, ist an der Außendurchmesseroberfläche eines Endabschnitts des inneren Rings 18 befestigt. Der Magnetkodierer 24 weist ein Kernmetall 25 und einen mehrreihigen Magnetkodierer 26 auf, der zwei Magnetkodiererspuren 26a, 26b aufweist. Die zwei Magnetkodiererspuren 26a, 26b sind jeweils mitN-Polen und mit S-Polen, die abwechselnd angeordnet sind, magnetisiert.
Ein Endabschnitt eines Metallrings 27 ist an die Innendurchmesseroberfläche eines Endabschnitts des äußeren Rings 19 gepasst. Ein ringförmiges Sensorgehäuse 28 aus Harz ist am Metallring 27 befestigt. Eine Leiterplatte 29, auf welcher der Magnetsensor 6 montiert ist, ist im Inneren des Sensorgehäuses 28 befestigt. Der Magnetsensor 6 ist mit der Winkelberechnungseinrichtung 50 (siehe 4) verbunden, und die Winkelberechnungseinrichtung 50 ist mit der Drehmomentberechnungseinrichtung 10 (siehe 6) verbunden). Die Winkelberechnungseinrichtung 50 und die Drehmomentberechnungseinrichtung 10 können am Sensorgehäuse 28 bereitgestellt sein oder können außerhalb des mit einem Winkelsensor ausgestatteten Lagers 17 bereitgestellt sein.
Der äußere Ring 19 des Lagers 23 ist im Innendurchmesserloch 30b installiert, und stößt dabei am Schulterabschnitt 30a des Gehäuses 30 an, und eine Lagerabdeckung 31 ist mit einem Bolzen (nicht dargestellt) am Gehäuse 30 angebracht, so dass der äußere Ring 19 in das Gehäuse 30 integriert ist. Eine Welle 32 ist nach Art einer Presspassung in einem Innendurchmesserloch 18a des inneren Rings 18 fixiert, so dass der innere Ring 18 mit der Welle 32 eine Einheit bildet.
Ein Endabschnitt 32a der Welle 32 und das Gehäuse 30 sind über die mehreren elastischen Elemente 4 miteinander gekoppelt. Enden der einzelnen elastischen Elemente 4 sind jeweils nach Art einer Presspassung oder mit einem Klebstoff in einer axialen Nut 32b, die in der Außendurchmesseroberfläche des Endabschnitts der Welle 32 bereitgestellt ist, und in einer axialen Nut 30c, die in der Innendurchmesseroberfläche des Endabschnitts des Gehäuses 30 bereitgestellt ist, fixiert. Jeder beliebige Endabschnitt von jedem der elastischen Elemente 4 kann entlang der axialen Nut 32b oder 30c gleiten können, solange ein Rattern in der Umfangsrichtung verhindert werden kann. Die Welle 32 und das Gehäuse 30 sind über die elastischen Elemente 4 auf diese Weise verkoppelt, wodurch der innere Ring 18 und der äußere Ring 19 des Lagers 23 über die elastischen Elemente 4 indirekt verkoppelt sind.
Wenn ein Drehmoment an die Welle 32 angelegt wird, werden die elastischen Elemente 4 verformt. Somit wird die Welle 32 fein oder nur wenig gedreht. Diese Drehung wird vom Winkelsensor 40 erfasst, und Winkelinformationen über die Drehung werden von der Drehmomentberechnungseinrichtung 10 (siehe 6) in ein Drehmoment umgewandelt. Auf diese Weise wird das Drehmoment erfasst. Die Ausgabe des mit dem Winkelsensor ausgestatteten Lagers 17 in einem Zustand, wo kein Lastmoment angelegt wird und die elastischen Elemente 4 nicht abgelenkt werden, kann auf null Grad eingestellt werden. In diesem Fall können Offset-Korrekturen weggelassen werden, wenn die Umwandlung in ein Drehmoment durchgeführt wird.
12 ist eine Querschnittansicht entlang einer Ebene, die durch die Achse des Erfassungsmechanismus einer Drehmomenterfassungsvorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verläuft. 13 ist eine Querschnittansicht entlang einer Linie XIII-XIII von 12. In einer Drehmomentermittlungseinrichtung 33 sind das Gehäuse 30 und die Welle 32 mittels einer Einheit aus elastischen Elementen 36 verkoppelt. Wie in 13 dargestellt ist, weist die Einheit 36 aus elastischen Elementen 34, die an einer Stirnfläche des Gehäuses 30 (12) fixiert ist, einen Innendurchmesserring 35, der an einem Ende der Welle 32 (12) fixiert ist, und die mehreren elastischen Elemente 4, die den Außendurchmesserring 34 und den Innendurchmesserring 35 verkoppeln, auf Bolzen (nicht dargestellt) werden verwendet, um das Gehäuse 30 und den Außendurchmesserring 34 zu fixieren und um die Welle 32 und den Innendurchmesserring 35 zu fixieren. Davon abgesehen, ist diese Gestaltung mit derjenigen der Drehmomenterfassungsvorrichtung 16 von 10 und 11 identisch.
Die Drehmomenterfassungsvorrichtung 1, 15, 16 33 der obigen Ausführungsbeispiele erfasst einen Ablenkungsbetrag der elastischen Elemente 4 mit einer Änderung des absoluten Winkels zwischen dem äußeren Ring 2, 19 und dem inneren Ring 3, 18 und wandelt den Winkel in ein Drehmoment um. Auch wenn die Funktion der Erkennung eines absoluten Winkels fehlt, ermöglicht ein Zähler (umkehrbarer Zähler), der hochaufgelöste Impulsausgaben zählt (A-Phasen-, B-Phasenausgaben mit einer 90-Grad-Phasendifferenz), dass der Drehwinkel erhalten wird, wodurch das Drehmoment berechnet werden kann.
14 stellt ein Beispiel für den Magnetkodierer und den Magnetsensor dar, die dafür ausgelegt sind, hochaufgelöste Impulssignale auszugeben. Im Magnetkodierer 8 ist die einreihige Magnetkodiererspur 8a ausgebildet, die mit N-Polen und S-Polen magnetisiert ist, die abwechselnd angeordnet sind. Der Magnetsensor 6 multipliziert elektrisch Magnetsignale, die von den N-Polen und den S-Polen erhalten werden, und gibt hochaufgelöste Impulssignale aus.
In 15 ist gezeigt, dass die Winkelerfassungseinheit 40a den Magnetkodierer 8 und den Magnetsensor 6 aufweist. Die Winkelerfassungseinheit 40a und die Winkelberechnungseinrichtung 60 bilden den Winkelsensor 40. Die Winkelberechnungseinrichtung 60 ändert die Magnetsignale, die vom Magnetsensor 6 gesendet werden, in Winkelinformationen um. Genauer multipliziert zunächst die Multiplikationsschaltung 61 elektrisch den Winkel von genau einem Paar aus N- und S-Polpaaren der Magnetkodiererspur 8a und erzeugt die hochaufgelösten Impulssignale. Wenn beispielsweise die Breite von einem Paar aus N- und S-Pol 2,54 mm beträgt, dann wird der Winkel zwischen dem einen Polpaar mit eins durch 4096 multipliziert, so dass ein Polsignal mit einer hohen Auflösung wie 0,625 µm pro Impuls erhalten werden kann. Das erzeugte Impulssignal wird von einem Zähler 62 gezählt, und somit werden Winkelinformationen erhalten. In diesem Fall kann der Zähler 62 zurückgesetzt werden, wenn kein Drehmoment angelegt wird. Die so erhaltenen Winkelinformationen werden mittels der Drehmomentermittlungseinrichtung 10, die der in 6 gleich ist, in ein Drehmoment umgewandelt.
Auch wenn die vorliegende Erfindung vollständig in Verbindung mit ihren bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben wurde, die nur für den Zweck der Erläuterung verwendet werden, werden dem Fachmann innerhalb des Rahmens der Offensichtlichkeit zahlreiche Änderungen und Modifikationen einfallen, wenn er die hierin vorgelegte Beschreibung der vorliegenden Erfindung liest. Solche Änderungen und Modifikationen sind daher als hierin eingeschlossen zu betrachten, wenn sie nicht vom Bereich der vorliegenden Erfindung abweichen, der aus den beigefügten Ansprüchen zu ersehen ist.
Bezugszeichenliste

1, 15, 16, 33: Drehmomenterfassungsvorrichtung
2, 19: äußerer Ring
3, 18: innerer Ring
4: elastisches Element
10: Drehmomentermittlungseinrichtung (Drehmomentberechnungseinrichtung)
40: Winkel sensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 3136816 [0004]

Claims

Drehmomenterfassungsvorrichtung, die einen äußeren Ring und einen inneren Ring aufweist, die in Bezug aufeinander drehbar und dafür ausgelegt sind, ein Drehmoment zu erfassen, das zwischen dem äußeren Ring und dem inneren Ring wirkt, gekennzeichnet durch: ein elastisches Element, das den äußeren Ring und den inneren Ring direkt oder indirekt verkoppelt, wobei das elastische Element dafür ausgelegt ist, gemäß einer Drehabweichung zwischen dem äußeren Ring und dem inneren Ring verformt zu werden; einen Winkelsensor, der dafür ausgelegt ist, einen Drehwinkel zwischen dem äußeren Ring und dem inneren Ring zu erfassen; und eine Drehmomentermittlungseinrichtung, die dafür ausgelegt ist, das Drehmoment aus dem Drehwinkel zu ermitteln, der vom Winkelsensor erfasst wird.
Drehmomenterfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: der Winkelsensor aufweist: einen Magnetkodierer, der entweder an dem äußeren Ring oder dem inneren Ring vorgesehen ist, wobei der Magnetkodierer Magnetpole aufweist, die in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet sind; und einen Magnetsensor, der an dem jeweils anderem Bauteil bereitgestellt ist, wobei der Magnetsensor dafür ausgelegt ist, ein Magnetfeld des Magnetkodierers zu erfassen.
Drehmomenterfassungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkodierer mindestens eine Magnetkodiererspur aufweist, wobei die Magnetkodiererspur mit einem N-Pol und einem S-Pol magnetisiert ist, die abwechselnd angeordnet sind, und der Winkelsensor aufweist: eine Multiplikationsschaltung, die dafür ausgelegt ist, ein hochaufgelöstes Impulssignal durch elektrisches Multiplizieren eines Winkels eine Polpaars, das aus dem N-Pol und dem S-Pol der Magnetkodiererspur besteht, mit einem Magnetsignal, das vom Magnetsensor ausgegeben wird, zu erzeugen, wobei das Magnetsignal von einer Drehabweichung zwischen dem Magnetkodierer und dem Magnetsensor abhängt; und einen Zähler, der dafür ausgelegt ist, das Impulssignal zu zählen, das von der Multiplikationsschaltung erzeugt wird, um Winkelinformationen, die vom gezählten Impulssignal angegeben werden, an die Drehmomentermittlungseinrichtung zu senden.
Drehmomenterfassungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkodierer mehrere Magnetkodiererspuren aufweist, wobei jede Magnetkodiererspur mit einem N-Pol und einem S-Pol magnetisiert ist, die abwechselnd angeordnet sind, wobei die mehreren Magnetkodiererspuren eine andere Anzahl von Magnetisierungspolpaaren aufweisen, der Magnetsensor mehrere Erfassungseinheiten aufweist, die dafür ausgelegt sind, jeweilige Magnetfelder der jeweiligen Magnetkodiererspuren zu erfassen, und der Winkelsensor aufweist: ein Phasendifferenzerfassungsmodul, das dafür ausgelegt ist, eine Phasendifferenz zwischen Magnetsignalen zu erfassen, die von den jeweiligen Erfassungseinheiten des Magnetsensors ausgegeben werden, wobei die Phasendifferenz von einer Drehabweichung zwischen dem Magnetkodierer und dem Magnetsensor abhängt; ein Absolutwinkelberechnungsmodul, das dafür ausgelegt ist, einen absoluten Winkel der Drehabweichung gemäß der vom Phasendifferenzerfassungsmodul erfassten Phasendifferenz zu berechnen, und ein Sendemodul, das dafür ausgelegt ist, Absolutwinkelinformationen über den absoluten Winkel, der vom Absolutwinkelberechnungsmodul berechnet wird, an die Drehmomentermittlungseinrichtung zu senden.
Drehmomenterfassungsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Winkelbereich des Magnetkodierers, wo das Magnetfeld erfassbar ist, ein Teil des gesamten Umfangs des Magnetkodierers ist.
Drehmomenterfassungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Ring und der innere Ring ein Lageraußenring bzw. ein Lagerinnenring eines Lagers sind, der Winkelsensor als Einheit mit dem Lager bereitgestellt ist, und das Lager und der Winkelsensor ein mit einem Winkelsensor ausgestattetes Lager bilden.