DE19942661C2 - Drehmomentwandler - Google Patents

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehmomentwandler zur berührungslosen Erfassung eines Drehmoments in einer Servolenkung eines Kraftfahrzeugs oder dgl., wenn eine externe Kraft auf eine rotierende Welle wirkt.

Beschreibung des betreffenden Standes der Technik

In einer Servolenkung eines Kraftfahrzeugs muß das auf das Lenkrad wirkende Drehmoment erfaßt werden, um den Betrag der Unterstützungskraft zu bestimmen. Aus der japanischen Offenlegungsschrift NO 63-65331 ist ein Drehmomentwandler als Beispiel eines Drehmomentsensors genannt, der für diese Zwecke verwendet wird. Der Aufbau dieser Einrichtung wird mit Bezugnahme auf die Fig. 10 bis 12 beschrieben.

In diesen Figuren bezeichnet Bezugszeichen 1A eine einer Messung unterliegenden Welle, 10 und 11 ein Paar von Elektrodensockeln, die gegenüber der Welle 1A befestigt sind, 12 und 13 Elektroden, die jeweils an den Elektrodensockeln 10 und 11 befestigt sind, 16 einen rotierenden Umformer, der aus einem rotierenden Kern 16a und einem feststehenden Kern 16b besteht, 17a und 18a Kerne, die in dem rotierenden Kern 16a integriert sind, und 17b und 18b Kerne, die in dem feststehenden Kern 16b integriert sind. Wie in Fig. 11 gezeigt, besteht die Elektrode 12 aus Elektroden 12a bis 12d und die Elektrode 13 besteht aus Elektroden 13a bis 13b, die fächerartig mit der Welle 1A als Mittelpunkt ausgebildet sind. Ein Kondensator C1 ist durch einen überlappenden Bereich zwischen den Elektroden 12a und 13a ausgebildet, ein Kondensator C2 ist durch einen überlappenden Bereich zwischen den Elektroden 12b und 13a ausgebildet, ein Kondensator C3 ist durch einen überlappenden Bereich zwischen den Elektroden 12c und 13b ausgebildet, und ein Kondensator C4 ist durch einen überlappenden Bereich zwischen den Elektroden 12d und 13b ausgebildet. Diese Kondensatoren sind miteinander verbunden, um so eine Wheatstone-Brückenschaltung gemäß Fig. 12 zu bilden. Die Anschlußklemmen "c" und "d" der Wheatstone- Brückenschaltung sind mit beiden Enden der Spule 17a des rotierenden Umformers 16 und die Anschlußklemmen "a" und "b" sind mit beiden Enden der Spule 18a des rotierenden Umformers 16 verbunden. Die Spulen 17b und 18b sind magnetisch mit den Spulen 17a und 18b gekoppelt und sind mit einer nicht gezeigten Erfassungsschaltung verbunden.

Nachfolgend wird die Betriebsweise des Drehmomentwandlers beschrieben. Sobald ein Drehmoment auf die Welle 1A seitens des Lenkrads wirkt, entsteht eine Torsionsdeformation der Welle 1A und eine relativte Torsionsverschiebung zwischen den Elektrodensockeln 12 und 13. Wenn z. B. sich die Elektroden 13a und 13b im Uhrzeigersinn gegenüber den Elektroden 12a bis 12d gemäß Fig. 11 verschieben, ändern sich die Flächen der sich überlappenden Bereiche, wodurch die Kapazität jedes Kondensators C1 und C3 sich verringert und die Kapazität jedes Kondensators C2 und C4 vergrößert. Da die Wheatstone- Brückenschaltung hierdurch ins Ungleichgewicht gerät, wird eine AC-Spannung e0 zwischen den Anschlüssen "a" und "b" aufgrund der anliegenden AC-Spannung eB zwischen den Anschlüssen "c" und "d" erzeugt. Da diese Spannung proportional zu dem Betrag der Torsionsdeformation der Welle und dem auf die Welle wirkenden Drehmoment ist, kann das Drehmoment von der Spannung zwischen den Anschlüssen "a" und "b" abgeleitet werden. Da die Anschlüsse "a" bis "d" mit der Erfassungsschaltung über den rotierenden Umformer 16 berührungslos verbunden sind, kann ein Signal übermittelt werden, auch wenn die Welle 1A sich dreht.

Zusammenfassung der Erfindung

Da der Drehmomentwandler gemäß dem Stand der Technik dafür ausgelegt ist, ein Signal von einer in der sich drehenden Welle 1A vorgesehenen Erfassungseinheit zu einer feststehenden Erfassungsschaltung zu übermitteln, muss der rotierende Umformer wie in dem oben beschriebenen Fall verwendet werden oder es muss, wie aus anderen Beispielen bekannt, ein Schleifring verwendet werden, was dazu führt, dass der Drehmomentwandler einen komplizierten Aufbau erhält.

Gemäß einem anderen Drehmomentwandler nach dem Stand der Technik wird ein beweglicher Magnet aufgrund der Verdrehung eines Torsionsstabes oder einer Welle aufgrund eines Drehmoments verschoben, und diese Verschiebung wird aus einer Änderung der Induktivität einer Spule abgeleitet, die um die Welle gewickelt ist. Da die magnetischen Eigenschaften des magnetischen Teils, wie etwa eines Poljoches oder eines beweglichen Magneten in einem rotierenden Umformer oder einer Spule Temperaturabhängigkeiten aufweisen, kann leicht ein Fehler bei der Drehmomenterfassung entstehen.

Aus DE 37 08 103 A1, DE 39 07 707 A1, DE 40 14 521 A1 und DE 41 10 280 A1 ist jeweils ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung eines Drehmomentes bekannt, bei dem die Relativdrehung zweier Wellen in eine verstärkte Axialbewegung übersetzt wird. Bei der DE 37 08 103 A1 erfolgt die mechanische Messung vorzugsweise über ein Kniehebelgelenk. Bei der DE 39 07 707 A1 erfolgt die Messung der Relativbewegung durch gabelförmige Hebel eines Stellringes. Dabei ist der gabelförmige Hebel zumindest zusammen mit den beiden sich relativ zueinander verdrehenden Teilen zu einem einheitlichen Gussteil kombiniert. Bei der DE 40 14 521 A1 werden gabelförmige Übersetzungshebel verwendet, deren Gabelzinken mit zwei bei Durchleitung eines Drehmomentes relativ zueinander elastisch verdrehenden Teilen verbunden sind und deren Gabelstiel an einem Geberring angelegt ist, so dass die Relativbewegung zwischen den beiden vorgenannten Teilen eine verstärkte Axialbewegung des Geberringes erzeugt, die als Maß für das Drehmoment erfasst wird. Um eine Überlastung der Messeinrichtung und einen Bruch ihrer Bestandteile bei unzulässig hohen Drehmomentstößen zu vermeiden, sind Anschläge vorgesehen, die die Relativbewegung der beiden bei Drehmomentübertragung sich relativ zueinander verdrehenden Teile auf ein Maß beschränkt, welches maximal der zulässigen Materialbeanspruchung der Messvorrichtung entspricht. Bei der DE 41 10 280 A1 erfolgt die Messung mittels gabelförmiger Hebel eines Geberringes, welche jeweils als Stanzteile ausgebildet sind, wobei zumindest die Hebel zusätzlich geprägt sind und alle genannten Teile durch Schweißen miteinander verbunden sind.

Aus DE 43 23 960 A1 und DE 41 10 727 A1 ist ein Drehmomentaufnehmer bekannt, der die Relativverdrehung zweier Achsenteile in eine Axialverschiebung umwandelt. Die axiale Verschiebung wird durch induktive Verschiebungsfühler detektiert.

Aus DE 29 39 620 A1 ist ein Verfahren zur Drehmomentmessung an einer Welle bekannt, bei dem die axiale Verschiebung der Relativbewegung zweier entgegenstehender Wellen durch induktive Geber ausgewertet werden, die in einer Wheat Stone- Brückenschaltung verschaltet sind.

Aus DE 39 18 862 C2 ist eine Drehmomentmesseinrichtung bekannt, die die axiale Verschiebung einer Welle nach dem generatorischen Prinzip aufgrund der magnetischen Kupplung zwischen einer Primärspule und einer Sekundärspule auswertet.

Aus der DE 38 02 684 A1 ist eine entsprechende Anordnung bekannt, bei der zur Genauigkeitssteigerung ein Differentialtransformator verwendet wird.

Aus der US 2,432,900, US 2,737,049 und US 2,754,683 ist jeweils eine Drehmomentmessanordnung bekannt, die nach dem induktiven Verschiebungsprinzip arbeitet.

Aus der DE 41 37 647 A1 ist eine Drehmoment-Messeinrichtung bekannt, bei der eine relative Verdrehung zweier Wellenenden ebenfalls in einer axialen Verschiebung resultiert. Um eine Beeinflussung des Magnetfeldes durch die zumeist aus Stahl bestehende Welle zu vermeiden, ist zwischen der Hülse und der Welle eine die Welle umgebende, magnetisch leitende Folie angeordnet, die als Abschirmung zwischen der Welle und Magnetfeld dient.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben genannten Probleme des Standes der Technik zu lösen, um einen Drehmomentwandler bereitzustellen, der einen einfachen Aufbau und eine hohe Genauigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird durch einen Drehmomentwandler gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 2 gelöst.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist ein elastisches Zwischenglied mit einer ersten Gruppe elastischer Streifen vorgesehen, die gegenüber der ersten Welle mit einem vorbestimmten Winkel geneigt sind und die in vorbestimmten Intervallen auf einer gegenüber der ersten Welle feststehenden Seite ausgebildet sind, und eine zweite Gruppe elastischer Streifen, die im selben vorbestimmten Winkel in entgegengesetzter Richtung zu der der ersten Gruppe elastischer Streifen im Hinblick auf die zweite Welle geneigt sind, die in vorbestimmten Intervallen auf einer gegenüber der zweiten Welle feststehenden Seite ausgebildet sind. Die bewegliche Elektrode ist zwischen der ersten Gruppe elastischer Streifen und der zweiten Gruppe elastischer Streifen direkt oder indirekt abgestützt.

Diese und weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im folgenden mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Drehmomentwandlers gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Drehmomentwandlers gemäß Ausführungsbeispiel 1;

Fig. 3 ist eine Draufsicht eines Drehmomentwandlers gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 ist ein Frontschnittbild des Drehmomentwandlers gemäß Ausführungsbeispiel 2;

Fig. 5 ist ein Seitenschnittbild des Drehmomentwandlers gemäß Ausführungsbeispiel 2;

Fig. 6 ist ein Blockschaltbild des Drehmomentwandlers gemäß Ausführungsbeispiel 2;

Fig. 7 ist eine Draufsicht eines Drehmomentwandlers gemäß Ausführungsbeispiel 3 der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 ist eine schematische Vorderansicht des Drehmomentsensors gemäß Ausführungsbeispiel 3;

Fig. 9 ist eine schematische Vorderansicht eines Drehmomentsensors gemäß Ausführungsbeispiel 4 der vorliegenden Erfindung;

Fig. 10 ist ein teilweises Frontschnittbild eines Drehmomentsensors nach dem Stand der Technik;

Fig. 11 ist eine Seitenansicht der Elektroden des Drehmomentsensors gemäß dem Stand der Technik und

Fig. 12 ist ein Blockschaltdiagramm des Drehmomentwandlers nach dem Stand der Technik.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele Ausführungsbeispiel 1

Fig. 1 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines Drehmomentwandlers gemäß Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung. Bezugszeichen 1 bezeichnet eine erste Welle, die mit einem (nicht gezeigten) Lenkrad verbunden ist, und 2 bezeichnet eine zweite Welle, die mit dem (nicht gezeigten) Getriebe des Lenkmechanismus verbunden ist. Die erste Welle und die zweite Welle sind koaxial zueinander angeordnet, und zwar mit einem vorbestimmten Abstand zueinander derart, daß die Enden sich gegenüberstehen und miteinander durch einen als elastisches Zwischenglied ausgebildeten Torsionsstab 6 miteinander verbunden sind, der entlang der Mittelachsen der Wellen 1 und 2 vorgesehen ist. Mit Bezugszeichen 3 ist ein Ring bezeichnet, der an einer Verbindung 12j zwischen der ersten Welle 1 und der zweiten Welle 2 derart befestigt ist, daß dieser sich in axialer Richtung aufgrund eines relativen Torsionswinkels zwischen der ersten Welle 1 und der zweiten Welle 2 verschiebt, wobei der Ring eine bewegliche Elektrode 4 befestigt und abstützt sowie zylindrisch ausgebildet ist und aus isolierendem Material besteht. Bezugszeichen 4 bezeichnet eine ringförmige, bewegliche Elektrode, die durch den Ring 3 befestigt und abgestützt ist, mit einem in der Mitte ausgebildeten Loch und aus leitfähigem Material hergestellt. Somit ist die bewegliche Elektrode 4 über den Ring 3 an den Wellen befestigt, so daß diese sich in axialer Richtung gemäß einem relativen Torsionswinkel zwischen der ersten Welle 1 und der zweiten Welle 2 verschiebt. Fig. 1 zeigt einen teilweisen Ausschnitt des Ringes 3 und der beweglichen Elektrode 4, um deren abschnittsweise Form zu zeigen. Bezugszeichen 5a und 5b bezeichnen eine erste und eine zweite feststehende Elektrode, die zueinander entgegengesetzte Oberflächen zu der linksseitigen Oberfläche 41 gemäß Fig. 1 der beweglichen Elektrode 4 aufweisen (zwei feststehende Elektroden sind somit gegenüber einer Oberfläche einer beweglichen Elektrode 4 angeordnet). Die erste feststehende Elektrode 5a und die zweite feststehende Elektrode 5b sind in einem (nicht gezeigten) Gehäuse zur Aufnahme einer Erfassungsschaltung befestigt, die im folgenden beschrieben wird (eine erste feststehende Elektrode 5a und eine zweite feststehende Elektrode 5b sind somit an einer Stelle vorgesehen, an der sie sich nicht mit den Wellen 1 und 2 bewegen, wobei deren Elektrodenoberflächen der Oberfläche der beweglichen Elektrode gegenübersteht). Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels 1. Gemäß der Figur bezeichnet 7a einen Kondensator mit einer Kapazität Ca, der durch die feststehende Elektrode 5a und die bewegliche Elektrode 4 gebildet ist, 7b einen Kondensator mit einer Kapazität Cb, der durch die zweite feststehende Elektrode 5b und die bewegliche Elektrode 4 gebildet wird, und eine Erfassungsschaltung 20.

Im folgenden wird die Betriebsweise des Ausführungsbeispiels 1 beschrieben.

Wenn ein Drehmoment in einer rechten Richtung aufgrund der Bedienung des Lenkrads durch den Fahrer zwischen der ersten Welle 1 und der zweiten Welle 2 wie durch den Pfeil gemäß Fig. 1 gezeigt wirkt, wird der Torsionsstab 6 verdreht, und es entsteht eine Torsionsverschiebung zwischen der ersten Welle 1 und der zweiten Welle 2. Der Ring 3 verschiebt sich sodann in eine linke Richtung, wie dies durch die Pfeile gemäß Fig. 1 gezeigt ist, in Abhängigkeit zu dem relativen Torsionswinkel. Hierbei vergrößert sich die Kapazität der Kondensatoren 7a und 7b, da der Abstand zwischen den Elektroden sich verringert. Da die Kondensatoren 7a und 7b in Reihe geschaltet sind, vergrößert sich die Kapazität zwischen der ersten feststehenden Elektrode 5a und der zweiten feststehenden Elektrode 5b. Daher kann durch die Erfassung der Kapazität zwischen der ersten feststehenden Elektrode 5a und der zweiten feststehenden Elektrode 5b durch die Erfassungsschaltung 20 sowohl der Abstand zwischen der beweglichen Elektrode 4 und der ersten feststehenden Elektrode 5a sowie der Abstand zwischen der beweglichen Elektrode 4 und der zweiten feststehenden Elektrode 5b, als auch der Betrag des eingeprägten Drehmoments erhalten werden.

Die Erfassung der Kapazität kann durch bekannte Methoden, wie etwa die Erfassung und Berechnung einer Spannungsänderung, die Erfassung und Berechnung einer Stromänderung, die Erfassung und Berechnung der Änderung der Resonanzfrequenz einer LC-Schwingung oder einer CR-Schwingung, oder durch eine Wheatstone-Brückenschaltung erfolgen, wobei die Wheatstone- Brückenschaltung mit Kondensatoren gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 aufgebaut ist.

Da bei der Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik gemäß den Fig. 10 bis 12 beide Elektroden des Kondensators mit der Welle zusammen rotieren, wird ein rotierender Umformer benötigt, um diese mit der Erfassungsschaltung zu verbinden. Gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 der vorliegenden Erfindung bewegen sich die feststehenden Elektroden 5a und 5b, die Teil der Erfassungseinheit sind, nicht (Kondensatoren 7a und 7b bestehen aus den feststehenden Elektroden 5a und 5b und der beweglichen Elektrode 4), wodurch es möglich wird, auf einen rotierenden Umformer oder einen Schleifring zum Verbinden der Erfassungseinheit mit der Erfassungsschaltung 20 zu verzichten, und wodurch ein Drehmomentwandler mit einem einfachen Aufbau erhalten werden kann.

Da ein magnetisches Zwischenglied nicht verwendet wird, haben die Temperatureigenschaften oder die magnetischen Eigenschaften des magnetischen Zwischengliedes keinen Einfluß auf die Drehmomenterfassungsgenauigkeit, wodurch ein hochgenauer Drehmomentwandler erhalten werden kann.

Da der Ring 3 sich nur in axialer Richtung bewegen muß, kann der Ring 3 getrennt von der Verbindung 12j zwischen der ersten Welle 1 und der zweiten Welle 2 befestigt werden.

Ausführungsbeispiel 2

Ein Drehmomentwandler gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 der vorliegenden Erfindung wird mit Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 6 beschrieben. In diesen Figuren sind dieselben oder entsprechenden Teile oder Elemente gemäß den Fig. 1 und 2 mit den gleichen Bezugszeichen angegeben.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht eines Drehmomentwandlers gemäß dem Ausführungsbeispiel 2, Fig. 4 zeigt ein Frontschnittbild entlang der Linie A-A gemäß Fig. 3, Fig. 5 zeigt ein Seitenschnittbild entlang der Linie B-B von Fig. 4 und Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild.

Bezugszeichen 5c und 5d gemäß Fig. 3 und 4 bezeichnen dritte und vierte, feststehende Elektroden, die symmetrisch zueinander angeordnet sind und die an einer Seite vorgesehen sind, die zu den ersten und zweiten feststehenden Elektroden 5a und 5b der beweglichen Elektrode 4d entgegengesetzt sind.

Bezugszeichen 30 bezeichnet ein im wesentlichen zylindrisches, elastisches Zwischenglied, dessen beide Endbereiche 30L und 30R an der ersten Welle 1 und der zweiten Welle 2 jeweils befestigt sind, wobei diese aus Metall bestehen. Bezugszeichen 31A bezeichnet eine erste Gruppe elastischer Streifen, die in einem positiven Winkel θ im Hinblick auf die erste Welle 1 geneigt sind und in gleichen Abständen an dem Endbereich 30L des elastischen Zwischengliedes 30 durch Druckpassung in eine Gruppe von Fenstern 32a eingesetzt sind. Bezugszeichen 31b bezeichnet eine zweite Gruppe elastischer Streifen, die mit einem negativen Winkel θ in Bezug auf die zweite Welle 2 geneigt sind und in gleichen Intervallen an einem Endbereich 30R an der Seite des elastischen Zwischengliedes 30 durch Preßpassung in einer Gruppe von Fenstern 32b eingesetzt sind. Bezugszeichen 33 bezeichnet eine zylindrisch zentrierte Welle, die an dem Ende der zweiten Welle 2 vorgesehen ist, und 34 eine zylindrische Buchse, die an der zweiten Welle 2 vorgesehen ist, um die zentrierte Welle 33 während des Drehens abzustützen, so daß die Zentren der ersten Welle 1 und der zweiten Welle 2 davon abgehalten werden, sich gegeneinander zu verschieben. Mit 35 ist eine Aufnahme der ersten Welle 1 und mit 36 eine Auskragung der zweiten Welle 2 bezeichnet. Wie in Fig. 5 gezeigt, bilden die Aufnahme 35 und die Auskragung 36 einen Anschlag zur Begrenzung des Rotationswinkels, um das elastische Zwischenglied 30 davor zu bewahren, daß dieses übermäßig verdreht wird. Die Durchmesser auf den Verbindungsseiten der ersten Welle 1 und der zweiten Welle 2 sind geringfügig kleiner als die auf den anderen Seiten zur Ausbildung des Spaltes 37 zwischen dem elastischen Zwischenglied 30 und der ersten Welle 1 und zwischen dem elastischen Zwischenglied 30 und der zweiten Welle 2, so daß eine Ausweichmöglichkeit verbleibt, wenn das elastische Zwischenglied 30 sich verbiegt. Der Ring 3 und die bewegliche Elektrode 4 sind in der Mitte des elastischen Zwischengliedes 30 befestigt, wo die Gruppe der Fenster 32a und 32b nicht ausgebildet sind.

Gemäß Fig. 6 bezeichnet Bezugszeichen 7c einen Kondensator mit einer Kapazität Cc, der durch die dritte feststehende Elektrode 5c und die bewegliche Elektrode 4 ausgebildet ist, 7d einen Kondensator mit einer Kapazität Cd, die durch die vierte feststehende Elektrode 5d und die bewegliche Elektrode 4 ausgebildet ist, 21 eine Treiberschaltung zum Erzeugen einer AC-Spannung und 8a und 8b jeweils Kondensatoren, die mit feststehenden Elektroden 5b und 5c verbunden sind. Die Kondensatoren 7b und 7c bilden eine Wheatstone- Brückenschaltung. Bezugszeichen 22a bezeichnet eine erste Abnehmerschaltung, die mit dem Kondensator 7b und dem Kondensator 8a verbunden ist, und 22b eine zweite Abnehmerschaltung, die mit dem Kondensator 7c und dem Kondensator 8b verbunden ist. Im folgenden wird eine Beschreibung der Betriebsweise des Ausführungsbeispiels 2 gegeben.

Wenn ein Drehmoment in einer rechten Richtung zwischen der ersten Welle 1 und der zweiten Welle 2 aufgrund der Bedienung eines Lenkrades durch einen Fahrer, wie durch den Pfeil gemäß Fig. 3 angeordnet, wirkt, vergrößert sich der Neigungswinkel θ mit dem Niederdrücken der ersten Gruppe 31a der elastischen Streifen, und der Absolutwert des Neigungswinkels A verringert sich mit dem Ziehen und Aufrichten der zweiten Gruppe 31b der elastischen Streifen. Dadurch werden der Ring 3 und die bewegliche Elektrode 4, die an dem Ring 3 befestigt ist, in Richtung der linken Seite verschoben. Daher vergrößert sich die Kapazität jeder der Kondensatoren 7a und 7b und die Kapazität jeder der Kondensatoren 7c und 7d verringert sich wie in Ausführungsbeispiel 1. Da die Kondensatoren 7a und 7d zu der Treiberschaltung 21 und der beweglichen Elektrode 4 parallelgeschaltet sind, können die folgenden Beziehungen hergeleitet werden, wobei die integrierte Kapazität mit Ct, die dielektrische Konstante von Luft mit ξ, die Flächen der feststehenden Elektroden 5a bis 5d, die der beweglichen Elektrode 4 gegenüberstehen mit S und die Abstände zwischen den feststehenden Elektroden 5a bis 5d und den beweglichen Elektroden 4 mit La bis Ld bezeichnet sind.

Ca = ξS/La

Cd = ξS/Ld

Ct = 1/(1(Ca + 1/Cd) = ξS/(La + Ld)

Wenn daher die bewegliche Elektrode 4 sich verschiebt, ändert sich La + Ld nicht und daher ändert sich auch nicht Ct. Da allerdings die Kapazität Cb des Kondensators 7b, die die Wheatstone-Brücke bildet, sich vergrößert und die Kapazität Cc des Kondensators 7c sich verringert, sobald eine AC- Spannung seitens der Treiberschaltung 21 über Ct anliegt, wird die Amplitude der Eingangsspannung in die Abnehmerschaltung 1 größer und die Amplitude der Eingangsspannung in die Abnehmerschaltung 2 kleiner. Die Verschiebung der beweglichen Elektrode 4 und der Betrag des vorgegebenen Drehmoments kann durch die Erfassung der Amplitude dieser Spannung erhalten werden.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 gibt es nur eine Erfassungsschaltung. In Ausführungsbeispiel 2 sind dagegen zwei Erfassungsschaltungen vorgesehen. Wenn daher eine von diesen ausfällt, kann die andere als Reserve verwendet werden oder kann dazu verwendet werden, einen Ausfall zu detektieren.

Gemäß Ausführungsbeispiel 1 wird der Torsionsstab 6 als ein elastisches Zwischenglied zur Verschiebung des Ringes 3 in eine axiale Richtung gemäß einem relativen Torsionswinkel zwischen der ersten Welle 1 und der zweiten Welle 2 verwendet. Gemäß Ausführungsbeispiel 2 ist das elastische Zwischenglied 30 im wesentlichen zylindrisch ausgeführt, das durch Formpressen zu geringen Kosten hergestellt werden kann und das dazu verwendet wird, um den Ring 3 zu verschieben und die bewegliche Elektrode 4 in eine axiale Richtung zu verschieben, indem der Ring 3 an das elastische Zwischenglied 30 direkt angebracht ist, wodurch die Produktion vereinfacht und die Kosten reduziert werden.

Gemäß dem obigen Ausführungsbeispiel 2 ist die feststehende Elektrode 5d dazu vorgesehen, um den Kondensator 7d auszubilden, um so eine Symmetrierung zu erreichen. Dies ist nicht immer notwendig, da die feststehende Elektrode 5d weggelassen werden kann, um einen einfacheren Aufbau zu erreichen, wobei die Ansteuerung nur über den Kondensator 7a bewirkt werden kann.

Gemäß dem obigen Ausführungsbeispiel 2 sind Fensterbereiche zwischen der ersten Gruppe 31a elastischer Streifenglieder und der zweiten Gruppe 31b elastischer Streifenglieder vorgesehen, wobei der Ring 3 in diesem Bereich befestigt ist. Gruppen 32a und 32b der Fenster können ununterbrochen zueinander angeordnet sein, wobei das linke Ende der elastischen Streifen der zweiten Gruppe 31b mit den jeweils rechten Enden der elastischen Streifen der ersten Gruppe 31a verbunden sein kann. In diesem Fall ist es verhältnismäßig schwierig, die Maschinengenauigkeit aufrecht zu erhalten, aber die Bewegung der beweglichen Elektrode gegen dieselbe Torsionsdeformation wird größer und die Empfindlichkeit wird ebenfalls größer.

Das oben beschriebene elastische Zwischenglied 30 kann aus einem Material mit einer bestimmten Stärke und Elastizität hergestellt sein, wie etwa Gummi, Keramik, Kunstharz, Holz oder dgl..

Da das elastische Zwischenglied 30 gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 aus Metall besteht, ist die bewegliche Elektrode 4 mit dem elastischen Zwischenglied 30 über den Ring 3 indirekt verbunden. Wenn das elastische Zwischenglied 30 aus einem isolierenden Material, wie etwa Gummi, gefertigt ist, kann das bewegliche Teil 4 an das elastische Teil 30 direkt befestigt werden.

Ausführungsbeispiel 3

In den obigen Ausführungsbeispielen werden verstellbare Kondensatoren dadurch ausgebildet, daß die Oberfläche in einer axialen Richtung der beweglichen Elektrode einer Oberfläche in einer axialen Richtung einer feststehenden Elektrode gegenübersteht. Wie in Fig. 7 und Fig. 8 gezeigt (Fig. 7 zeigt eine Draufsicht und Fig. 8 im wesentlichen eine Vorderansicht des Positionsverhältnisses zwischen der beweglichen Elektrode und den feststehenden Elektroden), ist eine bewegliche Elektrode 4a mit einer zylindrischen Außenfläche koaxial zu den Wellen 1 und 2 vorgesehen und feststehende Elektroden 5a bis 5d sind als Bogen-Elektroden ausgebildet und stehen der beweglichen Elektrode 4a mit einem vorgegebenen Spalt dazwischen gegenüber. Wenn die bewegliche Elektrode 4a sich zur linken Seite wie in Fig. 7 gezeigt verschiebt, vergrößern sich die Flächen der Kondensatoren, die durch die feststehenden Elektroden 5a und 5b ausgebildet sind und die bewegliche Elektrode 4a vergrößert sich mit dem Ergebnis einer Vergrößerung der Kapazität, und die Flächen der Kondensatoren, die durch die feststehenden Elektroden 5c und 5d und die bewegliche Elektrode 4a ausgebildet sind, verringern sich mit dem Ergebnis einer Reduktion der Kapazität. Daher kann derselbe Effekt wie bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen erreicht werden.

Ausführungsbeispiel 4

Wie in Fig. 9 gezeigt (im wesentlichen eine Vorderansicht, die die Positionsbeziehung zwischen der beweglichen Elektrode und den feststehenden Elektroden zeigt), kann eine bewegliche Elektrode 4b vorgesehen sein, deren Elektrodenoberflächen als Teil eines Kegelstumpfes mit einer Spitze in der Mitte der Achse ausgebildet sind. Mit anderen Worten kann eine bewegliche Elektrode vorgesehen sein, die wie ein Wulst eines Abakus ausgebildet ist, und feststehende Elektroden 5a bis 5d können vorgesehen sein, um den konischen Oberflächen 4x und 4y auf beiden Seiten der beweglichen Elektrode 4b gegenüberzustehen. In diesem Fall kann der gleiche Effekt wie der gemäß den obigen Ausführungsbeispielen erreicht werden.

In den obigen Ausführungsbeispielen sind eine Vielzahl feststehender Elektroden vorgesehen. Die Kapazität zwischen einer beweglichen Elektrode und einer feststehenden Elektrode kann erfaßt werden. Beispielsweise gibt es Musikinstrumente, die die Tonstufen verändern durch Veränderung der nicht geerdeten Kapazität einer Antenne mit sich bewegenden Händen vor einer einzelnen Antenne, oder es gibt Fälle, bei denen eine nicht geerdete Kapazität um Eisen herum gemessen wird, indem ein Gesenk in den Boden eines Ölfelds abgelassen wird. Dies ist der Fall, bei dem der menschliche Körper oder der Boden als andere Elektrode dient. Basierend auf dem gleichen Prinzip kann die Kapazität zwischen einer beweglichen Elektrode und einer feststehenden Elektrode erfaßt werden, indem die bewegliche Elektrode und die feststehende Elektrode einander gegenüberstehen.

Da wie oben beschrieben erfindungsgemäß die feststehenden Elektroden sich nicht drehen, selbst wenn die Wellen und die bewegliche Elektrode sich drehen, wird ein rotierender Umformer oder ein Schleifring nicht benötigt, um die feststehenden Elektroden mit der Erfassungsschaltung zu verbinden. Daher kann ein Drehmomentwandler mit einem einfachen Aufbau erhalten werden.

Da ein magnetisches Zwischenglied nicht verwendet wird, haben die Temperatureigenschaften und die magnetischen Eigenschaften des magnetischen Zwischengliedes keinen Einfluß auf die Erfassungsgenauigkeit des Drehmoments. Somit kann ein Drehmomentwandler mit einer hohen Genauigkeit erhalten werden.

Da eine dritte feststehende Elektrode vorgesehen ist, sind zwei Abnehmerschaltungen vorgesehen, wodurch eine Reservemöglichkeit und eine Fehlererfassung bereitgestellt wird, wenn eine dieser ausfällt.

Da ein elastisches Zwischenglied bestehend aus einer ersten Gruppe elastischer Streifen und einer zweiten Gruppe elastischer Streifen verwendet wird, um die bewegliche Elektrode zwischen der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe elastischer Streifen direkt oder indirekt abzustützen, vereinfacht sich die Produktion und die Kosten können reduziert werden.

Claims (3)

1. Drehmomentwandler zum Erfassen eines Drehmoments, das zwischen einer ersten Welle (1) und einer zweiten Welle (2) wirkt, wobei die Wellen koaxial derart zueinander angeordnet sind, dass ein Ende der ersten Welle (1) und ein Ende der zweiten Welle (2) stirnseitig einander gegenüberstehen, umfassend:
ein elastisches Zwischenglied (6, 3) zum Verbinden der ersten Welle (1) mit der zweiten Welle (2) und zum Erzeugen einer Torsionsverschiebung zwischen der ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2) aufgrund eines Drehmoments zwischen der ersten und der zweiten Welle (1, 2);
eine scheibenförmige, bewegliche Elektrode (4), die die Wellen ringförmig umgibt und die an den Wellen derart befestigt ist, dass diese sich in Abhängigkeit zu einem relativen Torsionswinkel zwischen der ersten und der zweiten Welle (1, 2) in axialer Richtung verschiebt;
eine erste feststehende Elektrode (5a), die derart befestigt ist, dass deren Oberfläche der Oberfläche der beweglichen Elektrode (4) gegenüberliegt, sowie eine zweite feststehende Elektrode (5b), die in axialer Richtung auf derselben Seite wie die erste feststehende Elektrode (5a) derart befestigt ist, dass deren Oberfläche der Oberfläche der beweglichen Elektrode (4) gegenüberliegt; und
Erfassungsmittel (20) zum Erfassen der Kapazität der kapazitiven Reihenschaltung gebildet aus der ersten feststehenden Elektrode (5a), der beweglichen Elektrode (4) und der zweiten feststehenden Elektrode (5b).

2. Drehmomentwandler zum Erfassen eines Drehmoments, das zwischen einer ersten Welle (1) und einer zweiten Welle (2) wirkt, wobei die Wellen koaxial derart zueinander angeordnet sind, dass ein Ende der ersten Welle (1) und ein Ende der zweiten Welle (2) stirnseitig einander gegenüberstehen, umfassend:
ein elastisches Zwischenglied (6, 3) zum Verbinden der ersten Welle (1) mit der zweiten Welle (2) und zum Erzeugen einer Torsionsverschiebung zwischen der ersten Welle (1) und der zweiten Welle (2) aufgrund eines Drehmoments zwischen der ersten und der zweiten Welle (1, 2);
eine scheibenförmige, bewegliche Elektrode (4), die die Wellen ringförmig umgibt und die an den Wellen derart befestigt ist, dass diese sich in Abhängigkeit zu einem relativen Torsionswinkel zwischen der ersten und der zweiten Welle (1, 2) in axialer Richtung verschiebt;
eine erste feststehende Elektrode (5a), die derart befestigt ist, dass deren Oberfläche der Oberfläche der beweglichen Elektrode (4) gegenüberliegt, eine zweite feststehende Elektrode (5b), die in axialer Richtung auf derselben Seite wie die erste feststehende Elektrode (5a) derart befestigt ist, dass deren Oberfläche der Oberfläche der beweglichen Elektrode (4) gegenüberliegt, sowie eine dritte feststehende Elektrode (5c), die in axialer Richtung auf der entgegengesetzten Seite wie die erste feststehende Elektrode (5a) befestigt ist;
wobei die erste feststehende Elektrode (5a) mit einer Treiberschaltung (21) verbunden ist,
wobei die zweite feststehende Elektrode (5b) und die dritte feststehende Elektrode (5c) mit zwei weiteren Kondensatoren (8a, 8b) sowie mit der beweglichen Elektrode (4) als Wheatstone-Brückenschaltung verschaltet sind, und
wobei die kapazitive Änderung der zweiten feststehenden Elektrode (5b) und der dritten feststehenden Elektrode (5c) durch mindestens eine Abnehmerschaltung (22a, 22b) erfassbar ist.

3. Drehmomentwandler nach Anspruch 2, wobei eine vierte feststehende Elektrode (5d) vorgesehen ist, die in axialer Richtung auf der entgegengesetzten Seite wie die erste feststehende Elektrode (5a) befestigt ist und die ebenfalls mit der Steuerschaltung (21) verbunden ist.