DE4232040C2 - Drehmomenterfassungssystem - Google Patents
DrehmomenterfassungssystemInfo
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- DE4232040C2 DE4232040C2 DE4232040A DE4232040A DE4232040C2 DE 4232040 C2 DE4232040 C2 DE 4232040C2 DE 4232040 A DE4232040 A DE 4232040A DE 4232040 A DE4232040 A DE 4232040A DE 4232040 C2 DE4232040 C2 DE 4232040C2
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- G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Drehmomenterfassungssystem zum Erfassen
eines auf ein Rotationselement wirkenden Drehmomentes. Insbesondere betrifft die
Erfindung ein solches Drehmomenterfassungssystem, das das Drehmoment auf der
Basis des Torsionswinkels des Rotationselementes erfaßt.
In jüngster Zeit besteht immer mehr Nachfrage nach Drehmomenterfassungen. Um
z. B. die Drehmomentverteilung auf die Vorderräder und die Hinterräder bei einem
vierradgetriebenen Fahrzeug genau zu steuern, muß das auf jedes Rotationsele
ment wirkende Drehmoment mit hoher Genauigkeit erfaßt werden.
Es ist ein Drehmomenterfassungssystem bekannt, welches den Torsionswinkel des
Rotationselementes aufgrund des darauf wirkenden Drehmomentes erfaßt und die
Größe des Drehmomentes auf der Basis des Torsionswinkels bestimmt. Es können
z. B. zumindest ein Paar von Drehkodierern an dem Rotationselement vorgesehen
werden und der Torsionswinkel wird auf der Basis der Phasendifferenz Δt der Erfas
sungssignale der Kodierer gemessen und der Torsionswinkel wird dann in das
Drehmoment umgewandelt.
Als solche Winkel- bzw. Drehkodierer sind solche bekannt, die optische Einrichtun
gen verwenden, und solche, die magnetische Einrichtungen verwenden. In der japa
nischen, nicht geprüften Patentveröffentlichung Nr. 62(1987)-239031 ist z. B. ein
Drehmomenterfassungssystem offenbart, welches magnetische Drehkodierer ver
wendet. Um jedoch den Torsionswinkel durch Verwendung derartiger Drehkodierer
zu erfassen, muß das Drehmoment mit einem Schlitz, einem Zahnrad oder
dergleichen versehen sein, was sich nachteilig auf die Größe und das Gewicht des
Systems auswirkt. Weiterhin werden beim Montieren der Drehkodierer inhärent
Montagefehler erzeugt. Wenn sich weiterhin die verbleibende bzw. Resttorsionsbela
stung des Rotationselementes akkumuliert, verändern sich die relativen Positionen
der Drehkodierer graduell und die Drehmomenterfassungsgenauigkeit verschlechtert
sich mit der Zeit.
Das auf ein Rotationselement wirkende Drehmoment kann auch erfaßt werden unter
Verwendung eines Belastungsfeinmeßinstrumentes oder eines magnetostriktiven
Materials. Die Verwendung des Feinmeßinstrumentes führt jedoch zu Schwierigkei
ten beim Anbringen bzw. Bondieren des Belastungsfeinmeßgerätes an dem Rotati
onselement und beim Abnehmen eines Signals von dem Belastungsfeinmeßinstru
ment. Die Verwendung von magnetostriktivem Material ist nachteilig dahingehend,
daß das magnetostriktive Material an dem Rotationselement angebracht bzw. bon
diert werden muß oder das Rotationselement unter Ausbildung einer Vertiefung oder
dergleichen hergestellt werden muß.
Es ist in der japanischen, nicht geprüften Patentveröffentlichung Nr. 3(1991)-115940
ein Drehmomenterfassungssystem vorgeschlagen worden, welches das Drehmo
ment auf ein Rotationselement auf die folgende Art und Weise erfaßt.
Bei dem Drehmomenterfassungssystem ist ein Paar von magnetischen Aufzeich
nungsmedien wie Magnetplatten oder -scheiben an dem Rotationselement unter Be
abstandung voneinander um eine vorbestimmte Entfernung L in Längsrichtung des
Rotationselementes angebracht, ein Paar von Magnetköpfen ist jeweils gegenüber
stehend zu den magnetischen Aufzeichnungsmedien vorgesehen, periodische Si
gnale, die phasengleich sind, werden auf die Medien durch die Köpfe aufgezeichnet,
während keine Last auf das Rotationselement wirkt, die periodischen Signale werden
durch die Köpfe reproduziert, wenn eine Belastung auf das Rotationselement wirkt,
eine Phasendifferenz Δt zwischen den erzeugten Signalen wird erfaßt und das
Drehmoment T auf das Rotationselement wird berechnet gemäß der folgenden For
mel auf der Basis der Phasendifferenz Δt.
T = π2Gd4 . Δt . (f/fo) . No/16L (1)
wobei G das Schubmodul bzw. Stirnmodul des Rotationselementes darstellt, d den
Durchmesser des Rotationselementes darstellt, f die Frequenz des wiedergegebe
nen Signals darstellt, fo die Frequenz des aufgezeichneten Signals darstellt und No
die Rotationsgeschwindigkeit des Rotationselementes beim Aufzeichnen des Signals
darstellt.
Das Drehmomenterfassungssystem kann das Drehmoment ohne Veränderung mit
der Zeit genau erfassen, da die periodischen Signale zu jeder Zeit neu geschrieben
werden können. Das System führt jedoch zu einem anderen Problem dahingehend,
daß, wenn die Rotationsgeschwindigkeit des Rotationselementes fluktuiert bzw.
schwankt, die periodischen Signale nicht mit Genauigkeit aufgezeichnet werden
können und ein Fehler in dem berechneten Wert des Drehmomentes erzeugt wird.
Die Geschwindigkeit eines Rotationselementes in dem Antriebssystem eines Fahr
zeuges schwankt generell häufig und es ist sehr schwierig, die Schwankung zu un
terdrücken.
Aus der EP 0 284 508 A2 ist ein Drehmomenterfassungssystem zum Erfassen eines
auf ein Rotationselement wirkenden Drehmomentes bekannt, mit einem ersten Ma
gnetkopf, der nahe der Umfangsoberfläche des Rotationselementes angeordnet ist,
und einem ersten magnetischen Aufzeichnungsabschnitt gegenübersteht, der auf
der Umfangsoberfläche des Rotationselementes vorgesehen ist, einem zweiten Ma
gnetkopf, der nahe der Umfangsoberfläche des Rotationselementes angeordnet ist,
und einem zweiten magnetischen Aufzeichnungsabschnitt gegenübersteht, der auf
der Umfangsoberfläche des Rotationselementes vorgesehen ist, wobei der zweite
Magnetkopf von dem ersten Magnetkopf um eine vorbestimmte Entfernung in Längs
richtung des Rotationselementes beabstandet ist, einem dritten Magnetkopf, der na
he der Umfangsoberfläche des Rotationselementes angeordnet ist, und dem ersten
magnetischen Aufzeichnungsabschnitt gegenübersteht, wobei der dritte Magnetkopf
von dem ersten Magnetkopf um einen vorbestimmten Winkel in umfänglicher Rich
tung des Rotationselementes winkelmäßig beabstandet ist, einer Wiedergabeein
richtung, die ein erstes Positionssignal über den ersten und den dritten Mangetkopf
und ein zweites Postionssignal über den zweiten Magnetkopf wiedergibt, während
sich das Rotationselement belastet dreht, einer Phasendifferenzerfassungseinrich
tung, die die Phasendifferenz zwischen den Positionssignalen erfaßt, die von dem
ersten und dem zweiten Magnetkopf wiedergegeben werden, und einer Drehmo
menteinrichtung, die das auf das Rotationselement wirkende Drehmoment auf der
Basis der Phasendifferenz berechnet. Dort wird eine Phasenverschiebung zwischen
den beiden Ausgangssignalen erfaßt und die Rotationsrichtung des Rotationsele
mentes bestimmt. Insbesondere bei schwankender Drehzahl des Rotationselemen
tes ist bei diesem bekannten Drehmomenterfassungssystem eine Ermittlung des auf
das Rotationselement wirkenden Drehmomentes nicht sehr genau.
Aus der JP-3-113 332 ist ein ähnliches Drehmomenterfassungssystem bekannt, wel
ches das Drehmoment nur aufgrund einer Phasenverschiebung zwischen zwei Posi
tionssignalen erfaßt, die an axial voneinander beabstandeten Orten abgegriffen wer
den.
Aus der DE 38 44 577 C2 ist ein Drehmomenterfassungssystem bekannt bei wel
chem zwar die Rotationsgeschwindigkeit des Rotationselementes erfaßt wird, was
jedoch lediglich zur Drehzahlermittlung erfolgt. Bei der Bestimmung des Drehmo
mentes, die aufgrund der Phasenverschiebung erfolgt, bleibt die Drehzahl hingegen
unberücksichtigt.
Aus der US 4,208,904 ist ein Verfahren zum Messen eines Drehmoments einer lan
gen Welle bekannt, bei dem zwei Mangetbänder über Luftspalte mit gleichen konti
nuierlichen Sinuswellensignalen bespielt und anschließend in axialem Abstand als
Schleifen um die Welle herum angebracht werden, während die Welle keiner
Drehmomentlast unterliegt. Im Betrieb der Welle werden die Informationen auf den
Magnetbändern ausgelesen und aus der Phasenverschiebung wird der Torsionswin
kel der Welle ermittelt.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Drehmomenterfassungssy
stem der eingangs genannten Gattung so auszubilden, daß auch bei schwankender
Drehzahl des Rotationselementes eine genaue Ermittlung des auf das Rotation
selementes wirkenden Drehmomentes möglich ist. Es ist somit ein Drehmomenter
fassungssystem zu schaffen, welches einfach im Aufbau und klein in der Größe ist
und das Drehmoment eines Rotationselementes mit einer hohen Genauigkeit frei
von Fehlern aufgrund von Alterungserscheinungen bzw. -änderungen oder aufgrund
von Montagefehlern erfassen kann.
Weiterhin soll mit der vorliegenden Erfindung ein Drehmomenterfassungssystem
angegeben werden, welches das Drehmoment eines Rotationselementes mit einer
hohen Genauigkeit erfassen kann, selbst wenn die Rotationsgeschwindigkeit des
Rotationselementes schwankt.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Drehmomenterfassungssy
stem anzugeben, welches das Drehmoment eines Rotationselementes mit einer ho
hen Genauigkeit erfassen kann, und zwar unabhängig von der Richtung der Belas
tung, die auf das Rotationselement wirkt.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Drehmomenterfassungssy
stem anzugeben, welches die Richtung der Belastung leicht erfassen kann, die auf
das Rotationselement wirkt.
Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Drehmomenterfassungssystem
zum Erfassen eines auf ein Rotationselement wirkenden Drehmomentes angegeben,
mit einem ersten Magnetkopf, der nahe der Umfangsoberfläche des Rotationsele
mentes angeordnet ist und einem ersten magnetischen Aufzeichnungsabschnitt ge
genübersteht, der auf der Umfangsoberfläche des Rotationselementes vorgesehen
ist, einem zweiten Magnetkopf, der nahe der Umfangsoberfläche des Rotationsele
mentes angeordnet ist und einem zweiten magnetischen Aufzeichnungsabschnitt
gegenübersteht, der auf der Umfangsoberfläche des Rotationselementes vorgese
hen ist, wobei der zweite Magnetkopf von dem ersten Magnetkopf um eine vorbe
stimmte Entfernung in Längsrichtung des Rotationselementes beabstandet ist, ei
nem dritten Magnetkopf, der nahe der Umfangsoberfläche des Rotationselementes
angeordnet ist und dem ersten magnetischen Aufzeichnungsabschnitt gegenüber
steht, wobei der dritte Magnetkopf von dem ersten Magnetkopf um einen vorbe
stimmten Winkel in umfänglicher Richtung des Rotationselementes winkelmäßig be
abstandet ist, einer Wiedergabeeinrichtung, die ein erstes Positionssignal über den
ersten und den dritten Magnetkopf und ein zweites Positionssignal über den zweiten
Magnetkopf wiedergibt, während sich das Rotationselement belastet dreht, einer
Phasendifferenzerfassungseinrichtung, die die Phasendifferenz zwischen den Positi
onssignalen erfaßt, die von dem ersten und dem zweiten Magnetkopf wiedergege
ben werden, einer Aufzeichnungseinrichtung, die das erste und das zweite Positi
onssignal jeweils über den ersten und den zweiten Magnetkopf auf dem ersten und
dem zweiten magnetischen Aufzeichnungsabschnitt aufzeichnet, während sich das
Rotationselement unbelastet dreht, einer Einrichtung, die die Zeitdifferenz zwischen
dem ersten und dem dritten Positionssignal erfaßt und die die Phasendifferenz zwi
schen dem ersten und dem zweiten Positionssignal erfaßt, nachdem das erste und
zweite Positionssignal auf dem ersten und dem zweiten Aufnahmeabschnitt unter
Verwendung der Aufzeichnungseinrichtung aufgezeichnet worden sind, und einer
Torsionswinkelberechnungseinrichtung, die den Torsionswinkel des Rotationsele
ments unter Drehbelastung gemäß der Formel
Θ = (Δt/t) . Θo
berechnet, wobei die Drehmomentberechnungseinrichtung das auf das Rotation
selement wirkende Drehmoment auf der Basis des Torsionswinkels berechnet.
Somit sind ein erster und ein zweiter Magnetkopf voneinander in axialer Richtung
des Rotationselementes beabstandet und ein dritter Magnetkopf ist von dem ersten
Magnetkopf um einen vorbestimmten Winkel Θo in umfänglicher Richtung des Rota
tionselementes beabstandet. Die Phasendifferenz Δt zwischen den Positionssigna
len, die durch den ersten und den zweiten Magnetkopf wiedergegeben werden, wird
erfaßt und zur selben Zeit wird die Zeitdifferenz t zwischen den Positionssignalen,
die durch den ersten und den dritten Magnetkopf wiedergegeben werden, erfaßt. Der
Winkel der Torsion Θ des Rotationselementes und das darauf wirkende Dreh
moment T werden berechnet unter Verwendung der Zeitdifferenz t und der Phasen
differenz Δt.
Die magnetischen Aufzeichnungsabschnitte können z. B. durch Aufbringung oder
Plasma-Sprühüberziehen von magnetischem Material auf die Umfangsfläche des
Rotationselementes gebildet werden. Weiterhin können die magnetischen Auf
zeichnungs-abschnitte Teile des Rotationselementes selbst sein, wenn das Rotati
onselement aus magnetischem Material gebildet ist. Der erste und der zweite ma
gnetische Aufzeichnungsabschnitt müssen nicht getrennt voneinander ausgebildet
sein, sondern können einstückig miteinander ausgebildet sein.
Der erste und der dritte Magnetkopf können einen einzelnen Mehrspalt-Magnetkopf
mit einem Paar von Spalten aufweisen.
Der Winkel der Torsion O des Rotationselementes kann auf der Basis des Winkels
Θo zwischen dem ersten und dem dritten Magnetkopf, der Phasendifferenz Δt und
der Zeitdifferenz t z. B. gemäß der folgenden Formel (2) berechnet werden und das
Drehmoment T, welches auf das Rotationselement wirkt, kann auf der Basis des
Winkels der Torsion Θ z. B. gemäß der folgenden Formel (3) berechnet werden:
Θ = (Δt/t) . Θo (2)
T = π2Gd4 . Θ/64L (3)
wobei G das Quer- bzw. Stirnmodul des Rotationselementes
darstellt, d den Durchmesser des Rotationselementes dar
stellt und L die Entfernung zwischen dem ersten und dem
zweiten Magnetkopf darstellt.
Vorzugsweise werden die auf der ersten Magnetschicht aufge
zeichneten Positionssignale mit regulären Abständen bzw.
gleichmäßigen Intervallen aufgezeichnet in so großer Anzahl
wie möglich, wie oben beschrieben.
Die Intervalle bzw. Wellenlängen, mit denen die Positions
ignale aufgezeichnet werden, sollten größer sein als der
Winkel Θo zwischen dem ersten und dem dritten Magnetkopf, um
die Zeitdifferenz t korrekt erfassen zu können.
Hierzu hat das Drehmomenterfassungssystem gemäß einer Aus
führungsform der vorliegenden Erfindung eine Rotationsge
schwindigkeitserfassungseinrichtung zum Erfassen der Rota
tionsgeschwindigkeit des Rotationselementes. Weiterhin ist
die Aufzeichnungsschaltungseinrichtung ausgelegt, die Eigen
schaften der auf der ersten Magnetschicht aufgezeichneten
Positionssignale gemäß der Rotationsgeschwindigkeit des
Rotationselementes derart zu verändern, daß das Drehmoment
mit einer hohen Genauigkeit erfaßt werden kann, ohne durch
Schwankungen der Rotationsgeschwindigkeit des Rotationsele
mentes beeinflußt zu werden.
Die Rotationsgeschwindigkeitserfassungseinrichtung weist
z. B. eine Signalaufzeichnungs- und Wiedergabeeinrichtung
auf, die ein Positionssignal auf einem magnetischen Auf
zeichnungsabschnitt, der auf dem Rotationselement vorgesehen
ist, über einen Magnetkopf aufzeichnet und das Positions
signal über einen Magnetkopf wiedergibt, und weist eine
Rotationsgeschwindigkeitsberechnungseinrichtung auf, die die
Rotationsgeschwindigkeit auf der Basis des wiedergegebenen
Positionssignals berechnet.
Die Signalaufzeichnungs- und Wiedergabeeinrichtung kann ein
Paar von Magnetköpfen aufweisen, die winkelmäßig voneinander
um einen vorbestimmten Winkel in umfänglicher Richtung des
Rotationselementes beabstandet sind und die Rotationsge
schwindigkeitsberechnungseinrichtung berechnet die Rota
tionsgeschwindigkeit auf der Basis des vorbestimmten Winkels
und der Zeitdifferenz zwischen wiedergegebenen Positionssi
gnalen, die erhalten werden durch Wiedergeben des über einen
der Magnetköpfe aufgezeichneten Positionssignals über beide
der Magnetköpfe.
Der erste Magnetkopf kann den einen der Magnetköpfe verdop
peln bzw. gleichzeitig bilden und der dritte Magnetkopf kann
den anderen der Magnetköpfe verdoppeln bzw. gleichzeitig
bilden.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
umfaßt das Drehmomenterfassungssystem weiterhin eine
Lastrichtungsbestimmungseinrichtung, die die Richtung der
Last bestimmt, die auf das Rotationselement wirkt.
Z. B. kann die Richtung der Last, die auf das Rotationsele
ment wirkt, bestimmt werden auf der Basis eines Vergleichs
der Differenz zwischen den Zeiten, zu denen die wiedergege
benen Positionssignale, die jeweils durch den ersten und den
zweiten Magnetkopf wiedergegeben werden, erfaßt werden, und
der Differenz zwischen den Zeiten, zu denen die wiedergege
benen Positionssignale, die jeweils durch den zweiten und
den dritten Magnetkopf wiedergegeben werden, erfaßt werden.
Die Richtung der Last, die auf das Rotationselement wirkt,
kann auch bestimmt werden gemäß der Erfassungszeit der wie
dergegebenen Positionssignale, die jeweils durch den ersten
und den zweiten Magnetkopf widergegeben werden.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben.
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die ein Drehmoment
erfassungssystem gemäß einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 2 und 3 sind Zeitdiagramme zum Erläutern des Be
triebs des Drehmomenterfassungssystems,
Fig. 4 ist eine schematische Ansicht, die den in der ersten
Ausführungsform verwendeten Magnetkopf zeigt,
Fig. 5 ist eine schematische Ansicht, die eine Modifikation
des Magnetkopfes zeigt,
Fig. 6 ist eine Ansicht zum Erläutern des Betriebs des in
Fig. 5 gezeigten Magnetkopfes,
Fig. 7 ist eine schematische Ansicht, die eine weitere
Modifikation des Magnetkopfes zeigt,
Fig. 8 ist eine schematische Ansicht, die ein Drehmoment
erfassungssystem gemäß einer zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 9 und 10 sind Zeitdiagramme zum Erläutern des Be
triebs des Drehmomenterfassungssystems,
Fig. 11 ist eine schematische Ansicht, die das in einer
Modifikation der zweiten Ausführungsform verwendete Rota
tionsgeschwindigkeitserfassungssystem zeigt,
Fig. 12 ist ein Schaltungsdiagramm, welches ein Beispiel
der Zeitdifferenzerfassungsschaltung zeigt, die in dem Rota
tionsgeschwindigkeitserfassungssystem verwendet wird,
Fig. 13 ist ein Schaltungsdiagramm, welches ein Beispiel
der Rotationsgeschwindigkeitsberechnungsschaltung zeigt, die
in dem Rotationsgeschwindigkeitserfassungssystem verwendet
wird,
Fig. 14 ist ein Flußdiagramm zum Erläutern des Betriebs der
Zeitdifferenzerfassungsschaltung und der Rotationsgeschwin
digkeitsberechnungsschaltung,
Fig. 15 ist eine schematische Ansicht, die ein Drehmoment
erfassungssystem gemäß einer dritten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 16 und 17 sind Zeitdiagramme zum Erläutern bzw.
Darstellen des Problems, welches durch die dritte Ausfüh
rungsform zu lösen ist,
Fig. 18 und 19 sind Zeitdiagramme zum Erläutern des Be
triebs der dritten Ausführungsform,
Fig. 20 ist eine schematische Ansicht, die ein Drehmoment
erfassungssystem gemäß einer vierten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 21 ist ein Schaltungsdiagramm der Zeichen- bzw. Vor
zeichenbestimmungsschaltung, die in der vierten Ausführungs
form verwendet wird,
Fig. 22 ist ein Zeitdiagramm zum Darstellen des Betriebs
der Vorzeichenbestimmungsschaltung, während sich das Rota
tionselement unbelastet dreht,
Fig. 23 ist ein Zeitdiagramm zum Erläutern des Betriebs der
Vorzeichenbestimmungsschaltung, während sich das Rotations
element unter einem negativen Drehmoment dreht,
Fig. 24 ist ein Zeitdiagramm zum Darstellen des Betriebs
der Vorzeichenbestimmungsschaltung, während sich das Rota
tionselement unter einem positiven Drehmoment dreht,
Fig. 25 ist eine schematische Ansicht, die ein Drehmoment
erfassungssystem gemäß einer fünften Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 26 und 27 sind Zeitdiagramme zum Erläutern des Be
triebs der fünften Ausführungsform,
Fig. 28 ist eine schematische Ansicht, die ein Drehmoment
erfassungssystem gemäß einer sechsten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 29 ist ein Schaltungsdiagramm der in der sechsten
Ausführungsform verwendeten Vorzeichenbestimmungsschaltung,
und
Fig. 30 und 31 sind Zeitdiagramme zum Erläutern des Be
triebs der sechsten Ausführungsform.
In Fig. 1 ist ein Drehmomenterfassungssystem gemäß einer
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt,
welches ein Drehmoment auf ein Rotationselement 10 (z. B.
eine Ausgangswelle eines automatischen Fahrzeuggetriebes)
erfaßt, welches am linken Ende mit einer (nicht gezeigten)
Antriebsquelle und am rechten Ende mit einer Last verbunden
ist. Das Drehmomenterfassungssystem weist eine erste und
eine zweite ringförmige Magnetschicht 12a bzw. 12b auf, die
auf der äußeren Umfangsfläche des Rotationselement 10 ausge
bildet sind. Ein erster und ein zweiter Magnetkopf 14a bzw.
14b sind nahe der äußeren Oberfläche des Rotationselement 10
jeweils gegenüberliegend der ersten bzw. der zweiten Magnet
schicht 12a bzw. 12b angeordnet. Der erste und der zweite
Magnetkopf 14a und 14b sind voneinander um eine vorbestimmte
Entfernung L in axialer Richtung des Rotationselement 10
beabstandet. Ein dritter Magnetkopf 14c ist nahe der äußeren
Oberfläche des Rotationselement 10 gegenüber der ersten
Magnetschicht 12a angeordnet. Der dritte Magnetkopf 14c ist
gegenüber dem ersten Magnetkopf 14a um einen vorbestimmten
Winkel Θo (10 Grad in dieser Ausführungsform) in einer um
fänglichen Richtung des Rotationselement 10 winkelmäßig
beabstandet. Eine Aufzeichnungsschaltung 16 zeichnet Posi
tionssignale Sw in denselben Phasen bzw. phasengleich auf
der ersten und der zweiten Magnetschicht 12a und 12b über
den ersten bzw. zweiten Magnetkopf 14a und 14b auf. Das
Drehmomenterfassungssystem umfaßt weiterhin eine Kombination
eines Verstärkers 18, einer Filterschaltung 20 und einer
Wellenformgestaltungsschaltung bzw. Signalverlaufformungs
schaltung 22, die die Positionssignale Sw über die Magnet
köpfe eins bis drei 14a, 14b und 14c widergibt, einer Pha
sendifferenzerfassungsschaltung 24, die die Phasendifferenz
Δt zwischen den Positionssignalen erfaßt, die durch den
ersten und den zweiten Magnetkopf 14a und 14b wiedergegeben
werden, einer Zeitdifferenzerfassungschaltung 26, die die
Zeitdifferenz t zwischen den Positionssignalen erfaßt, die
durch den ersten und den dritten Magnetkopf 14a und 14c
wiedergegeben werden, und einer Drehmomentberechnungsschal
tung 28, die den Winkel der Torsion Θ des Rotationselementes
10 auf der Basis des Winkels Θo, der Phasendifferenz Δt und
der Zeitdifferenz t berechnet und das auf das Rotationsele
ment 10 wirkende Drehmoment T auf der Basis des Winkels der
Torsion Θ berechnet.
Die Magnetschichten 12a und 12b können z. B. durch Aufbringen
magnetischer Farbe, z. B. Farbe, die ausgebildet wird durch
Verteilen von magnetischem Pulver wie Ferrit in einem Harz
bindemittel wie Epoxitharz, auf der äußeren Oberfläche des
Rotationselementes 10 oder durch Plattieren einer Magnet
schicht, etwa aus Kobalt, auf die äußere Oberfläche des
Rotationselementes 10 gebildet sein.
Das Spiel bzw. die Zwischenräume zwischen den Magnetköpfen
14a, 14b und 14c und der äußeren Oberfläche des Rotations
elementes 10 betragen etwa 10 µm.
Der Betrieb dieser Ausführungsform wird nachstehend be
schrieben.
Während sich das Rotationselement 10 unbelastet dreht, er
zeugt die Aufzeichnungsschaltung 16 ein vorbestimmtes Im
pulssignal und schickt es gleichzeitig an den ersten und den
zweiten Magnetkopf 14a und 14b, wodurch Positionssignale
(magnetische Muster) derselben Phase auf den Magnetschichten
12a und 12b aufgezeichnet werden. Die Positionssignale müs
sen nicht in gleichmäßigen Intervallen in Umfangsrichtung
des Rotationselementes 10 aufgezeichnet werden, sondern
können mit jeglichen Intervallen aufgezeichnet werden, so
lange jedes Intervall breiter ist als ein Raum bzw. ein Ab
stand, der durch den Winkel 60 zwischen dem ersten und dem
dritten Magnetkopf 14a und 14c bestimmt ist. Obwohl das
Positionssignal theoretisch ein einzelner Impuls sein kann,
ist es oder besteht es vorzugsweise aus einer Anzahl von
Impulsen, die in regelmäßigen Intervallen unter Berücksich
tigung der Abtastzeit bei der darauffolgenden Berechnung des
Drehmomentes, der Erfassungsgenauigkeit, der Rotationsge
schwindigkeit des Rotationselementes 10 und dergleichen
aufgezeichnet werden.
In dem unbelasteten Zustand sind die wiedergegebenen Signale
Sa1 und Sb1, erhalten durch Wiedergeben der auf den magneti
schen Schichten 12a und 12b aufgezeichneten Positionssignale
über den ersten und den zweiten Magnetkopf 14a und 14b,
phasengleich, wie es in Fig. 2 gezeigt ist.
Wenn andererseits die Positionssignale auf den Magnetschich
ten 12a und 12b über den ersten und den zweiten Magnetkopf
14a und 14b wiedergegeben werden, während sich das Rota
tionselement 10 unter einer Belastung (Drehmoment) dreht,
haben die wiedergegebenen Signale Signalverläufe, die eine
Phasendifferenz Δt relativ zueinander zeigen, wie es in
Fig. 3 zu sehen ist. Weiterhin hat das wiedergegebene Si
gnal Sc1, welches erhalten wird durch Wiedergeben des auf
der Magnetschicht 12a aufgezeichneten Positionssignals über
den dritten Magnetkopf 14c, einen Signalverlauf, der eine
Zeitdifferenz t relativ zu dem wiedergegebenen Signal Sa1
aufweist, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Die wiedergegebenen
Signale Sa1, Sb1 und Sc1 werden in den Verstärker 18 einge
geben, um darin verstärkt zu werden, und dann werden hoch
frequente Rauschkomponenten in der Filterschaltung 20 ent
fernt. Hiernach werden sie der Signalverlaufformungs
schaltung 22 eingegeben und in Rechtecksignale Sa2, Sb2 und
Sc2 umgewandelt. Die Rechtecksignale Sa2 und Sb2, die erhal
ten werden aus den Signalen Sa1 und Sb1, die durch den er
sten und den zweiten Magnetkopf 14a und 14b wiedergegeben
sind, werden in die Phasendifferenzerfassungsschaltung 24
eingegeben. Die Rechtecksignale Sa2 und Sc2, die erhalten
werden aus den Signalen Sa1 und Sc1, die durch den ersten
und den dritten Magnetkopf 14a und 14c wiedergegeben werden,
werden in die Zeitdifferenzerfassungsschaltung 26 eingege
ben. Die Phasendifferenz Δt zwischen den Rechtecksignalen
Sa2 und Sb2 wird durch die Phasendifferenzerfassungsschal
tung 24 erfaßt und ein Erfassungssignal S3, welches die
Phasendifferenz Δt darstellt, wird an die Drehmomentberech
nungsschaltung 28 gesendet. Die Zeitdifferenz t zwischen den
Rechtecksignalen Sa2 und Sc2 wird durch die Zeitdifferenz
erfassungschaltung 26 erfaßt und ein Erfassungssignal S4,
welches die Zeitdifferenz t darstellt, wird an die Drehmo
mentberechnungsschaltung 28 gesendet.
Die Drehmomentberechnungsschaltung 28 berechnet den Winkel
der Torsion Θ des Rotationselementes 10 auf der Basis des
Winkels Θo, der Phasendifferenz Δt und der Zeitdifferenz t
gemäß der folgenden Formel (2) und berechnet das Drehmoment
T, welches auf das Rotationselement 10 wirkt, auf der Basis
des Winkels der Torsion Θ gemäß der folgenden Formel (3).
Θ = (Δt/t) . Θo (2)
T = π2Gd4 . Θ/64L (3)
wobei G das Quer- bzw. Stirnmodul darstellt, d den Durch
messer des Rotationselementes 10 darstellt und L die Entfer
nung zwischen dem ersten und dem zweiten Magnetkopf 14a und
14b darstellt.
Gemäß der Formel (2) wird der Zeitfaktor durch den Ausdruck
(Δt/t) ausgelöscht. Demgemäß kann der Winkel der Torsion 6
ohne Fehler erfaßt werden, selbst wenn die Positionssignale
nicht als genau periodische Signale aufgezeigt werden. D. h.,
das Drehmoment kann auf der Basis des Winkels Θo zwischen
dem ersten und dem dritten Magnetkopf 14a und 14c erfaßt
werden, ohne durch die Rotationsgeschwindigkeit des Rota
tionselementes 10 oder eine Schwankung derselben bei der
Aufzeichnung beeinflußt zu werden.
Wie es sich aus der obigen Beschreibung ergibt, ist erfin
dungsgemäß ein Bearbeiten oder Oberflächenbehandeln des
Rotationselementes 10 oder eines zusätzlichen mechanischen
Teiles wie eines Schlupfringes nicht erforderlich.
Demgemäß kann das Drehmomenterfassungssystem dieser Ausfüh
rungsform klein sein und einfach in seinem Aufbau und kann
das Drehmoment ohne Erfassungsfehler aufgrund von Montage
fehlern oder Alterungserscheinungen erfassen. Selbst wenn
die relativen Positionen des ersten und des zweiten Magnet
kopfes 14a und 14b sich graduell bzw. allmählich aufgrund
von Resttorsionsbelastungen des Rotationselementes 10 ver
ändern, kann dies leicht durch neues Schreiben der Posi
tionssignale kompensiert werden.
Obwohl in der ersten Ausführungsform der erste und der zwei
te Magnetkopf 14a und 14b miteinander in axialer Richtung
des Rotationselementes 10 ausgerichtet sind, können sie
voneinander in umfänglicher Richtung des Rotationselementes
10 winkelmäßig versetzt sein.
Obwohl in dieser besonderen Ausführungsform die Positions
signale, die auf der ersten und der zweiten Magnetschicht
12a und 12b aufgezeichnet werden, phasengleich sind, können
sie unterschiedliche Phasen haben.
Obwohl in der ersten Ausführungsform die erste und die zwei
te Magnetschicht 12a und 12b separat ausgebildet sind, kön
nen sie einstückig ausgebildet werden.
Wenn das Rotationselement 10 selbst aus magnetischem Materi
al wie einem Konstruktionsstahl S45C ausgebildet ist, müssen
die Magnetschichten 12a und 12b nicht ausgebildet werden und
die Positionssignale können direkt auf dem Rotationselement
10 aufgezeichnet werden.
Obwohl jeder der Magnetköpfe 14a bis 14c ein gewöhnlicher
Magnetkopf sein kann, der einen Kern mit einem einzelnen
Spalt 32 und eine Wicklung 36 aufweist, wie es in Fig. 4
gezeigt ist, kann ein Mehrspalt-Magnetkopf 40 mit einem Paar
von Spalten 38a und 38c, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, als
der erste und der dritte Magnetkopf 14a und 14c verwendet
werden. Der Mehrspalt-Magnetkopf 40 hat eine Abschirmungs
platte 42 zwischen den Spalten 38a und 38c. Der Raum bzw.
Abstand W zwischen den Spalten 38a und 38c ist etwa 200 µm.
Der Mehrspalt-Magnetkopf 40 wird verwendet, wie es in Fig.
6 gezeigt ist. Das Bezugszeichen S gibt ein über den Spalt
38a aufgezeichnetes Positionssignal an. Wie es aus Fig. 6
zu sehen ist, ist der Winkel Θo zwischen den Spalten 38a und
38c durch die folgende Formel gegeben.
Θo = 2tan-1(W/d)
Unter Verwendung eines solchen Mehrspalt-Magnetkopfes kann
die Zeitdifferenz t leicht erfaßt werden und das Drehmoment
erfassungssystem kann kleiner aufgebaut werden. In dem Mehr
spalt-Magnetkopf 40 kann der Abstand W zwischen den Spalten
38a und 38c hinreichend klein relativ zu dem Durchmesser d
des Rotationselementes 10 sein und kann mit einer hohen
Genauigkeit in der Größenordnung von µm gesteuert werden.
Demgemäß kann das auf das Rotationselement 10 wirkende Dreh
moment T mit einem minimalen Montagefehler genau erfaßt
werden. Obwohl der Mehrspalt-Magnetkopf 40, der in Fig. 5
gezeigt ist, vom sogenannten Drei-in-eins-Typ mit einer
Abschirmungsplatte zwischen den zwei Spalten ist, kann ein
sogenannter Mehrspalt-Magnetkopf 40' vom Zwei-Spalt-Typ ohne
Abschirmplatte auch verwendet werden, wie er in Fig. 7 ge
zeigt ist.
Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 8 bis 10 be
schrieben.
Vorzugsweise werden die auf der ersten Magnetschicht 12a
aufgezeichneten Positionssignale mit regelmäßigen Interval
len und in so großer Anzahl wie möglich aufgezeichnet, wie
oben beschrieben. Die Intervalle, mit denen die Positions
signale aufgezeichnet werden, sollten größer sein als der
Winkel Θo zwischen dem ersten und dem dritten Magnetkopf 14a
und 14c, um die Zeitdifferenz t korrekt zu erfassen.
Zu diesem Zweck hat das Drehmomenterfassungssystem dieser
Ausführungsform eine Rotationsgeschwindigkeitserfassungs
schaltung 52 zum Erfassen der Rotationsgeschwindigkeit V des
Rotationselementes 10, wie es in Fig. 8 gezeigt ist, und
zwar zusätzlich zu den Elementen der ersten Ausführungsform,
die in Fig. 1 gezeigt ist. Weiterhin ist die Aufzeichnungs
schaltung 16 bei dieser Ausführungsform ausgelegt, die Ei
genschaften der auf der ersten Magnetschicht 12a aufgezeich
neten Positionssignale gemäß der Rotationsgeschwindigkeit V
des Rotationselement 10 derart zu verändern, daß das Dreh
moment mit einer hohen Genauigkeit erfaßt werden kann, ohne
durch Schwankungen der Rotationsgeschwindigkeit des Rota
tionselementes 10 beeinflußt zu werden.
D. h., die Aufzeichnungsschaltung 16 gibt ein Referenzsignal
Sw' in der Form eines einzelnen Impulssignals aus, wie es in
Fig. 9 gezeigt ist, und zwar an den ersten Magnetkopf 14a,
während sich das Rotationselement 10 unbelastet dreht, und
zeichnet das Referenzsignal Sw' auf der ersten Magnetschicht
12a über den ersten Magnetkopf 14a auf. Zur selben Zeit wird
das Referenzsignal Sw' auch an die Rotationsgeschwindig
keitserfassungsschaltung ausgegeben. In der Rotationsge
schwindigkeitserfassungsschaltung 52 beginnt ein Zeitmeß
zähler in Antwort auf den Eingang des Referenzsignals Sw' zu
zählen. Das auf der ersten Magnetschicht 12a aufgezeichnete
Referenzsignal Sw' wird durch den dritten Magnetkopf 14c
wiedergegeben, wenn sich das Rotationselement 10 dreht, und
das in Fig. 9 gezeigte wiedergegebene Signal SR' wird der
Rotationsgeschwindigkeitserfassungsschaltung 52 eingegeben.
Der Zeitmeßzähler hält in Antwort auf die Eingabe des wie
dergegebenen Signals SR' an und mißt die Zeit to, die das
Rotationselement 10 braucht, um durch den Winkel Θo zwischen
dem ersten und dem dritten Magnetkopf 14a und 14c zu drehen.
Dann berechnet die Rotationsgeschwindigkeitserfassungs
schaltung 52 die Rotationsgeschwindigkeit V des Rotations
elementes 10 gemäß der Formel
V = Θo . d/2to (Θo in Radian) (4)
und gibt an die Aufzeichnungsschaltung 16 ein Rotationsge
schwindigkeitssignal aus, welches die Rotationsgeschwindig
keit V des Rotationselementes 10 darstellt.
Die Aufzeichnungsschaltung 16 löscht zunächst das Referenz
signal Sw' durch den ersten Magnetkopf 14a und zeichnet eine
Vielzahl von Positionssignalen Sw (n1 bis n12) auf der er
sten und der zweiten Magnetschicht 12a und 12b mit derselben
Phase über den ersten und den zweiten Magnetkopf 12a und 12b
auf, wie es in Fig. 10 gezeigt ist. Die Aufzeichnungsschal
tung 16 bestimmt die Intervalle I (periodisch), die Impuls
breite W und die Signalintensität H der Positionssignale Sw
gemäß dem Rotationsgeschwindigkeitssignal und der Zahl der
Impulse n, die für eine Umdrehung des Rotationselementes 10
aufzuzeichnen sind (n = 12 bei dieser besonderen Ausführungs
form).
Auf diese Weise können wiedergegebene Signale Sa1 und Sb1,
die ähnlich zu jenen sind, die in Fig. 2 gezeigt sind,
erhalten werden, während sich das Rotationselement 10 unbe
lastet dreht, wie es in Fig. 10 gezeigt ist.
Dann wird das Drehmoment T auf das Rotationselement 10 auf
dieselbe Weise berechnet wie in der ersten Ausführungsform.
Durch Bestimmen des Intervalls I (periodisch) der Positions
signale Sw und der Zahl der Impulse n, die für eine Umdre
hung des Rotationselementes 10 aufzuzeichnen sind, und zwar
unter Erfüllung der folgenden Formeln, können die Intervalle
der Positionssignale Sw, wie auf dem Rotationselement 10
aufgezeichnet, nicht schmaler sein als der Winkel Θo zwi
schen dem ersten und dem dritten Magnetkopf 14a und 14b und
die Zeitdifferenz t kann unabhängig von der Rotationsge
schwindigkeit des Rotationselementes 10 korrekt erfaßt wer
den.
I < Θo . d/2V (= to)
n < 2π/Θo
n < 2π/Θo
Wie es aus der obigen Beschreibung zu verstehen ist, kann
bei dieser Ausführungsform, da die Intervalle I (periodisch)
der Positionssignale Sw gemäß der Rotationsgeschwindigkeit
V des Rotationselementes 10 so bestimmt werden, daß sie
nicht kleiner sind als die Entfernung zwischen dem ersten
und dem dritten Magnetkopf 14a und 14b, das Drehmoment mit
einer hohen Genauigkeit unabhängig von der Drehung des Rota
tionselementes 10 korrigiert bzw. berechnet werden. Da die
Impulsbreite W und die Signalintensität H weiterhin gemäß
der Rotationsgeschwindigkeit V des Rotationselementes 10
bestimmt werden, können sie geeignet eingestellt werden, und
zwar unabhängig von der Drehung des Rotationselementes 10,
und eine Deformation bzw. Veränderung der wiedergegebenen
Signale kann vermieden werden.
Obwohl in dieser Ausführungsform das Referenzsignal Sw' in
der Form eines einzelnen Impulses ausgebildet ist, kann es
eine Vielzahl von Impulssignalen oder ein kontinuierliches
Wellensignal aufweisen. Im letzteren Fall wird die Frequenz
des wiedergegebenen Signals als die Referenz verwendet.
Obwohl in der zweiten Ausführungsform die Rotationsgeschwin
digkeitserfassungsschaltung 52 mit dem ersten und dem drit
ten Magnetkopf 14a und 14c des Drehmomenterfassungssystems
verbunden ist, kann die Rotationsgeschwindigkeitserfassungs
schaltung getrennt von dem Drehmomenterfassungssystem vor
gesehen werden, wie es in Fig. 11 gezeigt ist.
In Fig. 11 umfaßt ein Rotationsgeschwindigkeitserfassungs
system 62 eine ringförmige Magnetschicht 112, die auf der
Umfangsoberfläche des Rotationselementes 10 vorgesehen ist,
und zwar zusätzlich zu den Magnetschichtes 12a und 12b des
Drehmomenterfassungssystems (obwohl das Drehmomenterfas
sungssystem in Fig. 11 nicht gezeigt ist), einen vierten
und einen fünften Magnetkopf 114d und 114e, die der Magnet
schicht 12 gegenüberstehen und voneinander in umfänglicher
Richtung des Rotationselementes 10 um einen vorbestimmten
Winkel Θ1 winkelmäßig voneinander beabstandet sind, eine
Aufzeichnungsschaltung 116, die ein Referenzsignal Sd1 auf
der Magnetschicht 112 über den vierten Magnetkopf 114d auf
zeichnet, eine Kombination eines Verstärkers 118, einer
Filterschaltung 120 und einer Signalverlaufformungsschaltung
122, die das Referenzsignal Sd1 als reproduzierte Signale
Sd2 und Se2 über den vierten und fünften Magnetkopf 114d und
114e wiedergibt, einer Zeitdifferenzerfassungsschaltung 126,
die die Zeitdifferenz to zwischen den wiedergegebenen Signa
len erfaßt, und einer Rotationsgeschwindigkeitserfassungs
schaltung 64, die die Rotationsgeschwindigkeit V auf der
Basis des Winkels Θ1 und der Zeitdifferenz to berechnet.
Die Aufzeichnungsschaltung 116, der Verstärker 118, die
Filterschaltung 120, die Signalverlaufformungsschaltung 122
und die Zeitdifferenzerfassungsschaltung 126 sind bezüglich
Anordnung und Funktion ähnlich zu jenen in der ersten Aus
führungsform und werden hier nicht beschrieben. Die Zeitdif
ferenzerfassungsschaltung 126 und die Rotationsgeschwindig
keitsberechnungsschaltung 64 sind in den Fig. 12 bzw. 13
gezeigt.
Das wiedergegebene Signal Sd2, welches durch den vierten
Magnetkopf 114d wiedergegeben ist und in der Form eines
Rechtecksignals vorliegt, wird in einen Setzanschluß eines
Flip-Flops 76 der Rotationsgeschwindigkeitserfassungs
schaltung 126 eingegeben, die in Fig. 12 gezeigt ist. Das
wiedergegebene Signal Se2, welches durch den fünften Magnet
kopf 114e wiedergegeben ist und in der Form eines Rechteck
signals vorliegt, wird in einen Rücksetzanschluß des Flip-
Flops 76 eingegeben. Der Ausgangsanschluß des Flip-Flops 76
ist mit einem Setzanschluß eines weiteren Flip-Flops 78
verbunden und der Q-Anschluß des Flip-Flops 78 ist mit einem
der Eingangsanschlüsse einer UND-Schaltung 80 verbunden. Ein
10 MHz-Referenztakt, der durch einen Taktoszillator 66 er
zeugt ist, wird in den anderen Eingangsanschluß der UND-
Schaltung 80 eingegeben. Der Ausgangsanschluß der UND-Schal
tung 80 ist mit einem Taktanschluß eines Zählers 70 verbun
den. Der Zähler 70 zählt die Zeitdifferenz to zwischen den
Signalen Sd2 und Se2 mit dem Referenztakt und gibt das Er
gebnis des Zählens an die Rotationsgeschwindigkeitserfas
sungsschaltung 64 in der Form von parallelen 12 bit-Signalen
aus.
Das Rotationsgeschwindigkeitserfassungssystem erfaßt die
Rotationsgeschwindigkeit V des Rotationselementes 10 auf die
Weise, wie es in Fig. 13 gezeigt ist.
Ein Mikrocomputer 68 der Rotationsgeschwindigkeitberech
nungsschaltung 64 führt zuerst eine Initialisierung aus und
gibt ein Zählstartsignal START an den Zähler 70 der Zeitdif
ferenzerfassungschaltung 126 aus. Der Zähler 70 wird durch
das Zählstartsignal START gesetzt und beginnt die Zeitdiffe
renz to zwischen den Signalen Sd2 und Se2 zu zählen. Der
Mikrocomputer 68 wartet auf ein Zählstopsignal STOP von dem
Zähler 70 und liest die Zeitdifferenz to über eine Schnitt
stelle IC 72 in Antwort auf den Empfang des Zählstopsignals
STOP und berechnet dann die Rotationsgeschwindigkeit V auf
der Basis der Zeitdifferenz to gemäß der oben in Zusammenhang
mit der zweiten Ausführungsform beschriebenen Formel (4).
Hiernach transferiert der Mikrocomputer 68 das Ergebnis der
Berechnung an einen D/A-Wandler 70, der die Rotationsge
schwindigkeit V als ein Analogsignal ausgibt. Dann gibt der
Mikrocomputer 68 das Zählstartsignal START erneut aus, um
den oben beschriebenen Betrieb zu wiederholen.
Nun wird eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfin
dung unter Bezug auf die Fig. 15 bis 19 beschrieben.
In der ersten und der zweiten Ausführungsform sind die Posi
tionssignale Sw, die über den ersten und den zweiten Magnet
kopf 14a und 14b auf der ersten und der zweiten Magnet
schicht 12a und 12b aufgezeichnet sind, phasengleich. Sie
müssen jedoch nicht phasengleich sein, sondern es ist von
Vorzug, daß das Positionssignal Sw, welches durch den zwei
ten Magnetkopf 12b aufgezeichnet ist, in der Phase um eine
vorbestimmte Zeit relativ zu dem Positionssignal Sw verzö
gert ist, welches durch den ersten Magnetkopf 12a aufge
zeichnet ist.
D. H., wenn die Positionssignale Sw, die auf der ersten und
der zweiten Magnetschicht 12a und 12b aufgezeichnet sind,
phasengleich bzw. -verschieden sind, verzögern sich die
wiedergegebenen Signale Sb1 von dem zweiten Magnetkopf 14b
um eine Phasendifferenz Δt relativ zu dem von dem ersten
Magnetkopf 14a wiedergebenen Signalen Sa1, solange ein posi
tives Drehmoment auf das Rotationselement 10 wirkt, wie es
in Fig. 16 gezeigt ist. Die Phasenverzögerung ist hinrei
chend klein relativ zu der Verzögerung (um einen Betrag
entsprechend zu der Zeitdifferenz t) der Phase der von dem
dritten Magnetkopf 14c wiedergebenen Signale Sc1 relativ zu
den von dem ersten Magnetkopf 14a wiedergegebenen Signalen
Sa1. Demgemäß kann, solange ein positives Drehmoment auf das
Rotationselement 10 wirkt, eine korrekte Kombination der
wiedergegebenen Signale Sa1, Sb1 und Sc1 erhalten werden
durch Auswählen der Signale auf der Basis der wiedergegebe
nen Signale Sa1, wenn sich das Rotationselement 10 in der
regulären Richtung dreht, und auf der Basis der wiedergege
benen Signale Sc1, wenn sich das Rotationselement 10 in die
entgegengesetzte Richtung dreht. Wenn jedoch ein negatives
Drehmoment auf das Rotationselement 10 wirkt, gehen die
wiedergegebenen Signale Sb1 relativ zu den wiedergegebenen
Signalen Sa1 um die Zeitdifferenz t vor, wie es in Fig. 17
gezeigt ist, und demgemäß, wenn die Signale auf die oben be
schriebene Weise ausgewählt werden, kann eine korrekte Kom
bination der wiedergegebenen Signale Sa1, Sb1 und Sc1 nicht
erhalten werden.
Bei dieser Ausführungsform wird eine Verzögerungsschaltung
54 zusätzlich zu den Elementen der zweiten Ausführungsform,
die in Fig. 8 gezeigt ist, vorgesehen und die über den
zweiten Magnetkopf 14b aufgezeichneten Positionssignale
werden absichtlich um eine vorbestimmte Zeit Δto relativ zu
den Positionssignalen phasenverzögert, die durch den ersten
Magnetkopf 14a aufgezeichnet sind, so daß die wiedergegebe
nen Signale Sb1 um eine vorbestimmte Zeit Δto relativ zu den
wiedergegebenen Signalen Sa1 phasenverzögert sind, während
sich das Rotationselement 10 unbelastet dreht. Bei dieser
Anordnung kann eine korrekte Kombination der wiedergegebenen
Signale Sa1, Sb1 und Sc1 unabhängig davon erhalten werden,
ob das auf das Rotationselement 10 wirkende Drehmoment posi
tiv oder negativ ist.
Fig. 18 zeigt die Erfassungszeit der wiedergegebenen Signa
le Sa1, Sb1 und Sc1, während sich das Rotationselement 10
bei dieser Ausführungsform unbelastet dreht. D. h., da die
Positionssignale auf der zweiten Magnetschicht 12b relativ
zu den Positionssignalen auf der ersten Magnetschicht 12a um
Δto bei der Aufzeichnung phasenverzögert sind, liegen die
wiedergegebenen Signale Sb1 immer zwischen den wiedergegebe
nen Signalen Sa1 und Sc1, und zwar unabhängig davon, ob sich
das Rotationselement 10 belastet oder unbelastet dreht.
Demgemäß kann bestimmt werden, daß die Kombination der wie
dergegebenen Signale nur korrekt ist, wenn ein wiedergegebe
nes Signal Sb1 erfaßt wird, nachdem ein wiedergegebenes
Signal Sa1 erfaßt wird (oder ein wiedergegebenes Signal Sc1
in Abhängigkeit von der Drehrichtung des Rotationselementes
10).
Wenn die Zeit Δto jedoch ein festgelegter Wert ist, kann das
wiedergegebene Signal Sb1, das einem gegebenen wiedergege
benen Signal Sa1 entspricht, nach dem wiedergegebenen Signal
Sa1, welches nächst dem gegebenen wiedergegebenen Signal Sa1
liegt, erfaßt werden, wie es in Fig. 19 gezeigt ist, wenn
die Rotationsgeschwindigkeit V des Rotationselementes 10 an
steigt und die Ausgangsperioden der wiedergegebenen Signale
Sa1, Sb1 und Sc1 über eine vorbestimmte Grenze verkürzt
werden. Dies führt zu einer falschen Kombination der wie
dergegebenen Signale.
Demgemäß wird bei dieser Ausführungsform die Zeit Δto gemäß
der Rotationsgeschwindigkeit V des Rotationselementes 10
verändert. Die Zeit Δto muß nur kürzer sein als die Ausgang
speriode der wiedergegebenen Signale Sa1, es ist jedoch von
Vorzug, daß die Zeit Δto so eingestellt wird, daß die wie
dergegebenen Signale Sb1 immer zwischen den wiedergegebenen
Signalen Sa1 und Sc1 liegen, d. h., die Zeit Δto ist kürzer
als die Zeitdifferenz t und größer als 0. Wenn die Zeit Δto
so eingestellt wird, kann bestimmt werden, daß die Kombina
tion der wiedergegebenen Signale nur korrekt ist, wenn ein
wiedergegebenes Signal Sb1 nach der Erfassung eines wieder
gegebenen Signals Sa1 erfaßt wird (oder nach der Erfassung
eines wiedergegebenen Signals Sc1 in Abhängigkeit von der
Rotationsrichtung des Rotationselementes 10).
Bei dieser Ausführungsform wird ein Rotationsgeschwindig
keitssignal, welches die Rotationsgeschwindigkeit V dar
stellt, wie sie gemäß der Formel (4) berechnet ist, von der
Rotationsgeschwindigkeiterfassungsschaltung 52 an die Ver
zögerungsschaltung 54 ausgegeben. Die Verzögerungsschaltung
54 bestimmt die Zeit Δto auf der Basis des Rotationsgeschwin
digkeitssignals und des Winkels Θo und gibt das von der
Aufzeichnungsschaltung 16 gegebene Positionssignal Sw nach
einer Zeitverzögerung Δto an den zweiten Magnetkopf 14b aus.
Wenn die Zeit Δto auf die Hälfte der Zeitdifferenz (Δto = t/2)
eingestellt wird, kann der Erfassungsbereich der Phasendif
ferenz Δt gleichförmig sein, und zwar unabhängig davon, ob
das auf das Rotationselement 10 wirkende Drehmoment positiv
oder negativ ist. Die Zeit Δto kann jedoch auch in Abhängig
keit von den Eigenschaften des Rotationselementes 10 einge
stellt werden. D. h., in dem Fall, bei dem das positive Dreh
moment groß, das negative Drehmoment jedoch nicht groß sein
kann, kann die Zeit Δto so eingestellt werden, daß sie etwas
kürzer ist als eine Hälfte der Zeitdifferenz t.
Nun wird eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfin
dung unter Bezugnahme auf die Fig. 20 bis 26 beschrieben.
Bei dieser Ausführungsform ist eine Vorzeichenbestimmungs
schaltung 56, die die Richtung der Belastung (des Drehmomen
tes), das auf das Rotationselement 10 wirkt, bestimmt, zu
sätzlich zu den Elementen der dritten Ausführungsform vor
gesehen, die in Fig. 15 gezeigt ist. Die Rechtecksignale
Sa2 bis Sc2, die erhalten werden durch Formen der wiederge
gebenen Signale Sa1 bis Sc1, die durch die Magnetköpfe eins
bis drei 14a bis 14c wiedergegeben sind, werden der Vorzei
chenbestimmungsschaltung 56 eingegeben. Der Ausgang der
Vorzeichenbestimmungsschaltung 56 wird der Drehmomentberech
nungsschaltung 28 als ein Vorzeichenbestimmungsflag F einge
geben.
Fig. 21 zeigt ein Beispiel der Vorzeichenbestimmungsschal
tung 56 und die Fig. 22 bis 24 sind Zeitdiagramme zum
Erläutern des Betriebs der Vorzeichenbestimmungsschaltung
56. Die Vorzeichenbestimmungsschaltung 56 umfaßt drei Flip-
Flops 82, 84 und 86, einen Taktoszillator 88, ein Paar von
UND-Schaltungen 90 und 92, vier Inverter 94, 96, 98 und 100
und einen Aufwärts/Abwärtszähler 102.
Bei dieser Ausführungsform setzt die Verzögerungsschaltung
54 die Verzögerungszeit Δto auf die Hälfte der Zeitdifferenz
t zwischen den wiedergegebenen Signalen Sa1 und Sc1, die
durch den ersten und den dritten Magnetkopf 14a und 14c
wiedergegeben werden. Während sich das Rotationselement 10
unbelastet dreht, ist die Beziehung bzw. Relation der wie
dergegebenen Signale Sa1 bis Sc1 und der Rechtecksignale Sa2
bis Sc1 so wie es in Fig. 22 gezeigt ist und die Phasendif
ferenz Δt12 zwischen den wiedergegebenen Signalen Sa1 und Sb1
und die Phasendifferenz Δt23 zwischen den wiedergegebenen
Signalen Sb1 und Sc1 ist gleich der Verzögerungszeit Δto, die
gleich der Hälfte der Zeitdifferenz t ist.
Das Rechtecksignal Sa2 wird an einen Setzanschluß des Flip-
Flops 82 (Fig. 21) über die Inverter-Schaltung 94 angelegt
und das Rechtecksignal Sb2 wird an einen Rücksetzanschluß
des Flip-Flops 82 und einen Setzanschluß des Flip-Flops 84
über den Inverter 96 angelegt. Weiterhin wird das Rechteck
signal Sc2 an einen Rücksetzanschluß des Flip-Flops 84 über
den Inverter 98 angelegt.
Der Ausgang des Flip-Flops 82 wird der UND-Schaltung 92
zusammen mit dem Ausgang des Taktoszillators 88 zugeführt
und der Ausgang der UND-Schaltung 90 wird einem Aufwärts
zählanschluß des Zählers 102 zugeführt. Der Ausgang des
Flip-Flops 84 wird der UND-Schaltung 92 zusammen mit dem
Ausgang des Taktoszillators 88 zugeführt und der Ausgang der
UND-Schaltung 92 wird einem Abwärtszählanschluß des Zählers
102 zugeführt.
Weiterhin wird das Rechtecksignal Sa2 an einen Rücksetzan
schluß des Zählers 102 und einen Rücksetzanschluß des Flip-
Flops 86 über die Inverter-Schaltung 100 angelegt und ein
Übertrag (borrow)-Signalausgang des Zählers 102 wird an
einem Setzanschluß des Flip-Flops 86 angelegt.
Wenn das Rechtecksignal Sa2 in die Vorzeichenbestimmungs
schaltung 56 eingegeben wird, werden der Zähler 102 und das
Flip-Flop 86 zurückgesetzt und zur selben Zeit beginnt der
Zähler 102 sofort mit dem Aufwärtszählen. Wenn darauffolgend
das Rechtecksignal Sb2 eingegeben wird, wird das Zählen des
Zählers 102 auf das Abwärtszählen umgesetzt und das Abwärts
zählen wird in Antwort auf die darauffolgende Eingabe des
Rechtecksignals Sc2 beendet.
Demgemäß sind im unbelasteten Zustand Δt12, Δt23 und Δto gleich
und es wird kein Übertragsignal von dem Zähler 102 ausgege
ben, wie in Fig. 22 gezeigt, wodurch das Flip-Flop 86 zu
rückgesetzt bleibt und das Vorzeichenbestimmungsflag F 0
bleibt.
Wenn ein negatives Drehmoment auf das Rotationselement 10
wirkt, sind die Werte von Δt12, Δt23 und Δto in dieser Reihen
folge größer werdend (Δt12 < Δt23 < Δto) und der Wert des Zählers
102 ist negativ, wodurch das Übertragsignal erzeugt wird, um
das Flip-Flop 86 zu setzen und das Vorzeichenbestimmungsflag
F auf eins zu setzen. Daß das Vorzeichenbestimmungsflag F
gleich eins ist, stellt dar, daß das Drehmoment auf das
Rotationselement 10 negativ ist.
Wenn andererseits ein positives Drehmoment auf das Rota
tionselement 10 wirkt, sind die Werte von Δt12, Δt23 und Δto
absteigend in dieser Reihenfolge (Δt12 < Δt23 < Δto) und der Wert
des Zählers 102 ist positiv, wodurch kein Übertragsignal
erzeugt wird. Demgemäß bleibt das Flip-Flop 86 zurückgesetzt
und das Vorzeichenbestimmungsflag F bleibt auf 0. Daß das
Vorzeichenbestimmungsflag F 0 ist, stellt dar, daß das auf
das Rotationselement 10 wirkende Drehmoment positiv ist.
Die Drehmomentberechnungsschaltung 28 berechnet den Winkel
der Torsion Θ auf der Basis der Phasendifferenz Δt (gleich
dem absoluten Wert der Differenz zwischen Δt12 und Δto), der
Zeitdifferenz t, des Winkels Θo und des Vorzeichenbestim
mungsflags F aus der Vorzeichenbestimmungsschaltung 56 gemäß
der folgenden Formel.
Θ = K . (Δt/t) . Δo (5)
wobei K ist gleich -1, wenn das Vorzeichenbestimmungsflag F
gleich 1 ist, und ist gleich +1, wenn das Vorzeichenbestim
mungsflag 0 ist. Dann berechnet die Drehmomentberechnungs
schaltung 28 das Drehmoment T, welches auf das Rotations
element 10 wirkt, auf der Basis des Winkels der Torsion Θ
gemäß der zuvorgenannten Formel (2).
Wie es aus der obigen Beschreibung zu verstehen ist, kann
nicht nur die Größe des Drehmomentes auf das Rotationsele
ment 10 sondern auch dessen Richtung mit einer hohen Genau
igkeit erfaßt werden.
Obwohl in dieser Ausführungsform die Verzögerungszeit Δto
gleich t/2 gesetzt ist, muß dies nicht so sein, solange der
anfängliche Wert des Zählers 102 so eingestellt ist, daß er
der eingestellten Verzögerungszeit Δto entspricht. Bei dieser
Ausführungsform ist der anfängliche Wert des Zählers 102 auf
0 gestellt.
Nunmehr wird eine fünfte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 25 bis 27 be
schrieben.
Um einen Fehler bei der Berechnung des Drehmomentes durch
die Drehmomentberechnungsschaltung 28 bei der ersten Aus
führungsform zu verhindern, müssen die Phasendifferenz Δt,
die durch die Phasendifferenzerfassungsschaltung 24 erfaßt
wird, und die Zeitdifferenz t, die durch die Zeitdifferenz
erfassungsschaltung 26 erfaßt wird, richtig eins zu eins
kombiniert werden. Im Ergebnis kann gemäß der ersten Aus
führungsform das auf das Rotationselement 10 wirkende Dreh
moment nur erfaßt werden, wenn eine Last in einer bestimmten
Richtung wirkt, die durch die relative Position zwischen dem
ersten und dem dritten Magnetkopf 14a und 14c bestimmt ist.
Bei dieser Ausführungsform ist eine Zählersteuerschaltung 30
zusätzlich zu den Elementen der ersten Ausführungsform vor
gesehen. Die wiedergegebenen Signale Sa1 bis Sc1 und die
Rechtecksignale Sa2 bis Sc2 werden der Zählersteuerschaltung
30 eingegeben. Die Zählersteuerschaltung 30 steuert die
Zähler der Phasendifferenzerfassungschaltung 24 und der
Zeitdifferenzerfassungschaltung 26 synchron mit einem der
wiedergegebenen Signale Sa1 bis Sc1, welches zuerst erfaßt
wird, und mit einem von demselben, das zuletzt erfaßt wird.
Der Betrieb des Drehmomenterfassungssystems dieser Ausfüh
rungsform ist wie folgt.
Es wird zunächst angenommen, daß sich das Rotationselement
10 in der durch den Pfeil in Fig. 4 gezeigten Richtung
dreht, d. h., von dem ersten Magnetkopf 14a zu dem dritten
Magnetkopf 14c.
In diesem Fall gibt die Zählersteuerschaltung 30 ein Rück
setzsignal an die Phasendifferenzerfassungsschaltung 24 und
die Zeitdifferenzerfassungsschaltung 26 synchron zu der
Erfassung eines wiedergegebenen Signals Sc1 aus, wie es in
Fig. 26 gezeigt ist, während sich das Rotationselement 10
unbelastet dreht. Bei dieser Verarbeitung kann, falls ein
Zeitgabefehler auftritt, ein solcher durch das Rücksetzsi
gnal gelöscht werden.
Wenn eine Belastung auf das Rotationselement 10 wirkt, so
daß eine Torsion in dem Rotationselement 10 in Richtung des
Pfeils in Fig. 25 (ein negatives Drehmoment) erzeugt wird,
wird eine Phasendifferenz Δt zwischen den wiedergegebenen
Signalen Sa1 und Sb1 erzeugt, wie es als Erfassungssignale
S3 in Fig. 27 gezeigt ist. Weiterhin wird eine Zeitdiffe
renz t zwischen den wiedergegebenen Signalen Sa1 und Sc1
erzeugt, wie es als Erfassungssignale S4 in Fig. 27 gezeigt
ist.
Die wiedergegebenen Signale Sa1, Sb1 und Sc1, die jeweils
durch die Magnetköpfe eins bis drei 14a, 14b und 14c wie
dergegeben werden, werden durch den Verstärker 18 verstärkt,
und durch die Filterschaltung 20 der Signalverlaufformungs
schaltung 22 eingegeben. Die Signalverlaufformungsschaltung
22 formt diese in Rechtecksignale Sa2, Sb2 und Sc2.
Die Rechtecksignale Sa2 und Sb2 werden der Phasendifferenz
erfassungsschaltung 24 eingegeben und die Rechtecksignale
Sa2 und Sc2 werden der Zeitdifferenzerfassungsschaltung 26
eingegeben. Weiterhin werden alle Rechtecksignale Sa2 bis
Sc2 der Zählersteuerschaltung 30 eingegeben. Die Zählersteu
erschaltung 30 erzeugt ein Zählersteuersignal S5 (Fig. 27)
auf der Basis von einem der wiedergegebenen Signale Sa1 bis
Sc1, und zwar jenem, welches zuerst erfaßt wird, und einem
von demselben, welches zuletzt erfaßt wird, und gibt es an
die Phasendifferenzerfassungsschaltung 24 und die Zeitdiffe
renzerfassungschaltung 26 aus.
Der Zähler der Phasendifferenzerfassungsschaltung 24 arbei
tet synchron zu dem Zählersteuersignal S5 und erfaßt die
Phasendifferenz Δt zwischen den wiedergegebenen Signalen Sa1
und Sb1 (Erfassungssignal S3 in Fig. 27). Der Zähler der
Zeitdifferenzerfassungsschaltung 26 arbeitet synchron zu dem
Zählersteuersignal S5 und erfaßt die Zeitdifferenz t zwi
schen den wiedergegebenen Signalen Sa1 und Sc1 (Erfassungs
signal S4 in Fig. 27). Die Erfassungssignale S3 und S4
werden der Drehmomentberechnungsschaltung 28 eingegeben.
In der ersten Ausführungsform arbeitet die Phasendifferenz
erfassungsschaltung 24 synchron zu der Zeitdifferenz t zwi
schen den wiedergegebenen Signalen Sa1 und Sc1, wie es sich
aus Fig. 3 ergibt, und demgemäß kann, wenn das wiedergege
bene Signal Sb1 vor dem wiedergegebenen Signal Sa1 erfaßt
wird, die Phasendifferenz Δt zwischen den wiedergegebenen
Signalen Sa1 und Sb1 nicht erfaßt werden. Da andererseits
bei dieser Ausführungsform das Phasendifferenzsignal S3
synchron zu dem Zählersteuersignal S5 ist, können die Pha
sendifferenz Δt und die Zeitdifferenz t sicher korrekt eins
zu eins kombiniert werden.
Auch bei dieser Ausführungsform wird das Drehmoment T gemäß
der Formel (3) berechnet.
Obwohl das Rotationselement 10 sich in der obigen Beschrei
bung in Richtung des Pfeils in Fig. 25 dreht, kann, wenn
sich das Rotationselement 10 in der entgegengesetzten Rich
tung dreht, ein Erfassungsfehler aufgrund eines Zeitgabe
fehlers vermieden werden durch Ausgeben des Rücksetzsignals
der Zählersteuerschaltung 30, und zwar unbelastet, synchron
zu den wiedergegebenen Signalen Sa1. Obwohl weiterhin in der
obigen Beschreibung der Betrieb des Drehmomenterfassungs
system der fünften Ausführungsform in Verbindung mit einer
Belastung in einer Richtung beschrieben worden ist, kann das
Drehmoment mit hoher Genauigkeit unabhängig von der Richtung
der auf das Rotationselement 10 wirkenden Belastung gemäß
der fünften Ausführungsform erfaßt werden.
Nun wird eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Er
findung unter Bezug auf die Fig. 28 bis 31 beschrieben.
Bei dieser Ausführungsform ist eine Vorzeichenbestimmungs
schaltung 58, die die Richtung der Belastung auf das Rota
tionselement 10 auf der Basis der Erfassungszeitgabe bzw.
der Erfassungszeitpunkte der wiedergegebenen Signale Sa1 und
Sb1 bestimmt, zusätzlich zu den Elementen der fünften Aus
führungsform vorgesehen, die in Fig. 25 gezeigt ist.
Die Rechtecksignale Sa2 und Sb2 werden der Vorzeichenbestim
mungsschaltung 58 eingegeben und das von der Vorzeichenbe
stimmungsschaltung 58 ausgegebene Vorzeichenbestimmungsflag
F wird der Drehmomentberechnungsschaltung eingegeben.
Wie es in Fig. 29 gezeigt ist, umfaßt die Vorzeichenbestim
mungsschaltung 58 ein Flip-Flop 104 zum Ausgeben des Vor
zeichenbestimmungsflags F und ein Paar von Invertern 106 und
108, die jeweils mit einem Paar von Eingangsanschlüssen des
Flip-Flops 104 verbunden sind. Das Rechtecksignal Sa2 wird
in einen Setzanschluß des Flip-Flops 104 über den Inverter
106 eingegeben und das Rechtecksignal Sb2 wird in einen
Rücksetzanschluß des Flip-Flops 104 über den Inverter 108
eingegeben.
Nun wird der Betrieb der Vorzeichenbestimmungschaltung 58
unter Bezug auf die Zeitdiagramme beschrieben, die in den
Fig. 30 und 31 gezeigt sind.
Wenn ein negatives Drehmoment auf das Rotationselement 10
wirkt, wird das wiedergegebene Signal Sb1 vor dem wiederge
gebenen Signal Sa1 erfaßt und demgemäß wird das Rechtecksi
gnal Sb1 der Vorzeichenbestimmungsschaltung 58 vor dem Rech
tecksignal Sa2 eingegeben. Demgemäß wird das Flip-Flop 104
zuerst durch das Rechtecksignal Sb2 zurückgesetzt und dann
durch das Rechtecksignal Sa2 gesetzt, wodurch das Vorzei
chenbestimmungsflag F mit dem Wert 1 an die Drehmomentbe
rechnungsschaltung 28 ausgegeben wird.
Wenn andererseits ein positives Drehmoment auf das Rota
tionselement 10 wirkt, wird das wiedergegebene Signal Sa1
vor dem wiedergegebenen Signal Sb1 erfaßt und demgemäß wird
das Rechtecksignal Sa2 der Vorzeichenbestimmungsschaltung 58
vor dem Rechtecksignal Sb2 eingegeben. Demgemäß wird das
Flip-Flop 104 zuerst durch das Rechtecksignal Sa2 gesetzt
und dann durch das Rechtecksignal Sb2 zurückgesetzt, wodurch
das Vorzeichenbestimmungsflag F mit dem Wert 0 an die Dreh
momentberechnungsschaltung 28 ausgegeben wird.
Die Drehmomentberechnungsschaltung 28 berechnet den Winkel
der Torsion Θ gemäß der Formel (5) und berechnet das Drehmo
ment T auf das Rotationselement 10 gemäß der Formel (3).
Claims (21)
1. Drehmomenterfassungssystem zum Erfassen eines auf ein Rotationselement
(10) wirkenden Drehmomentes (T), mit
- 1. einem ersten Magnetkopf (14a), der nahe der Umfangsoberfläche des Rotationselementes (10) angeordnet ist und einem ersten magnetischen Aufzeichnungsabschnitt (12a) gegenübersteht, der auf der Umfangsoberfläche des Rotationselementes (10) vorgesehen ist,
- 2. einem zweiten Magnetkopf (14b), der nahe der Umfangsoberfläche des Rotationselementes (10) angeordnet ist und einem zweiten magnetischen Aufzeichnungsabschnitt (12b) gegenübersteht, der auf der Umfangsoberfläche des Rotationselementes (10) vorgesehen ist, wobei der zweite Magnetkopf (14b) von dem ersten Magnetkopf (14a) um eine vorbestimmte Entfernung (L) in Längsrichtung des Rotationselementes (10) beabstandet ist,
- 3. einem dritten Magnetkopf (14c), der nahe der Umfangsoberfläche des Rotationselementes (10) angeordnet ist und dem ersten magnetischen Aufzeichnungsabschnitt (12a) gegenübersteht, wobei der dritte Magnetkopf (14c) von dem ersten Magnetkopf (14a) um einen vorbestimmten Winkel (Θo) in umfänglicher Richtung des Rotationselementes (10) winkelmäßig beabstandet ist,
- 4. einer Wiedergabeeinrichtung (14a-14c), die ein erstes Positionssignal über den ersten und den dritten Magnetkopf (14a, 14c) und ein zweites Positionssignal über den zweiten Magnetkopf (14b) wiedergibt, während sich das Rotationselement (10) belastet dreht,
- 5. einer Phasendifferenzerfassungseinrichtung (24), die die Phasendifferenz (Δt) zwischen den Positionssignalen (Sa1, Sb1) erfaßt, die von dem ersten und dem zweiten Magnetkopf (14a, 14b) wiedergegeben werden,
- 6. einer Aufzeichnungseinrichtung (16), die das erste und das zweite Positionssignal (Sw) jeweils über den ersten und den zweiten Magnetkopf (14a, 14b) auf dem ersten und dem zweiten magnetischen Aufzeichnungsabschnitt (12a, 12b) aufzeichnet, während sich das Rotationselement (10) unbelastet dreht,
- 7. einer Einrichtung, die die Zeitdifferenz (t) zwischen dem ersten und dem dritten Positionssignal (Sa1, Sc1) erfaßt und die die Phasendifferenz (Δt) zwischen dem ersten und dem zweiten Positionssignal (Sa1, Sb1) erfaßt, nachdem das erste und zweite Positionssignal auf dem ersten und dem zweiten Aufnahmeabschnitt (12a, 12b) unter Verwendung der Aufzeichnungseinrichtung (16) aufgezeichnet worden sind, und
- 8. einer Torsionswinkelberechnungseinrichtung (28), die den
Torsionswinkel (Θ) des Rotationselements (10) unter Drehbelastung
gemäß der Formel
Θ = (Δt/t) . Θo
berechnet, wobei die Drehmomentberechnungseinrichtung (28) das auf das Rotationselement (10) wirkende Drehmoment (T) auf der Basis des Torsionswinkels (Θ) berechnet.
2. Drehmomenterfassungssystem nach Anspruch 1, bei dem das auf das Rotati
onselement (10) wirkende Drehmoment (T) auf der Basis des Winkels der
Torsion (θ) gemäß folgender Formel berechnet wird:
T = π2Gd4 . θ/64L,
wobei G das Schubmodul des Rotationselementes (10) darstellt, wobei d den Durchmesser des Rotationselementes (10) darstellt und wobei L die Entfer nung zwischen dem ersten und dem zweiten Magnetkopf (14a, 14b) darstellt.
T = π2Gd4 . θ/64L,
wobei G das Schubmodul des Rotationselementes (10) darstellt, wobei d den Durchmesser des Rotationselementes (10) darstellt und wobei L die Entfer nung zwischen dem ersten und dem zweiten Magnetkopf (14a, 14b) darstellt.
3. Drehmomenterfassungssystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die mange
tischen Aufzeichnungsabschnitte (12a, 12b) ausgebildet sind durch Ausbilden
von Schichten von magnetischem Material auf der Umfangsoberfläche des
Rotationselementes (10).
4. Drehmomenterfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem das Rotationselement (10) aus magnetischem Material hergestellt ist
und die magnetischen Aufzeichnungsabschnitte (12a, 12b) Teile der Um
fangsoberfläche des Rotationselementes (10) sind.
5. Drehmomenterfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem der erste und der dritte Magnetknopf (14a, 14c) in der Form eines
einzelnen Mehrspaltmagnetkopfes (40) mit einem Paar von Spalten (38a, 38c)
ausgebildet sind.
6. Drehmomenterfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
welches weiterhin eine Rotationsgeschwindigkeitserfassungseinrichtung (52;
62) aufweist, die die Rotationsgeschwindigkeit (V) des Rotationselementes
(10) erfaßt, und eine Signaleigenschaftveränderungseinrichtung aufweist, die
die Eigenschaften der auf dem ersten und dem zweiten magnetischen Auf
zeichnungsabschnitt (12a, 12b) aufgezeichneten Positionssignale (Sa1-Sc1)
gemäß der Rotationsgeschwindigkeit (V) des Rotationselementes (10) verän
dert.
7. Drehmomenterfassungssystem nach Anspruch 6, bei dem die Signaleigen
schaftveränderungseinrichtung die Ausgabeintervalle der Positionssignale
(Sa1-Sc1) verändert.
8. Drehmomenterfassungssystem nach Anspruch 6, bei dem die Signaleigen
schaftveränderungseinrichtung die Impulsbreiten der Positionssignale (Sa1-
Sc1) verändert.
9. Drehmomenterfassungssystem nach Anspruch 6, bei dem die Signaleigen
schaftveränderungseinrichtung die Intensitäten der Positionssignale (Sa1-Sc1)
verändert.
10. Drehmomenterfassungssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem
die Rotationsgeschwindigkeitserfassungseinrichtung (62) eine Signalaufzeich
nungs- und Wiedergabeeinrichtung (116, 114d, 114e) aufweist, die ein Positi
onssignal über einen Magnetkopf (114d) auf einem magnetischen Aufzeich
nungsabschnitt (112) aufzeichnet, der auf dem Rotationselement (10) vorge
sehen ist, und das Positionssignal durch einen Magnetkopf (114d, 114e) wie
dergibt, und eine Rotationsgeschwindigkeitsberechnungseinrichtung (64) auf
weist, die die Rotationsgeschwindigkeit (V) auf der Basis des bzw. der wieder
gegebenen Positionssignal(e) (Se2, Sd2) berechnet.
11. Drehmomenterfassungssystem nach Anspruch 10, bei dem die Signalauf
zeichnungs- und Wiedergabeeinrichtung ein Paar von Magnetknöpfen (114d,
114e) aufweist, die windkelmäßig voneinander um einen vorbestimmten Win
kel (θo) in umfänglicher Richtung des Rotationselementes (10) beabstandet
sind, und wobei die Rotationsgeschwindigkeitsberechnungseinrichtung (64)
die Rotationsgeschwindigkeit (V) auf der Basis des vorbestimmten Winkels
(θo) und der Zeitdifferenz (to) zwischen wiedergegebenen Positionssignalen
(Sd2, Se2) berechnet, die erhalten werden durch Wiedergeben des Positions
signals über beide Magnetköpfe (114d, 114e), welches durch einen der Ma
gnetköpfe (114d) aufgezeichnet worden ist.
12. Drehmomenterfassungssystem nach Anspruch 11, bei dem der erste Magnet
kopf (14a) auch den einen der Magnetköpfe (114d) bildet und der dritte Ma
gnetkopf (14c) den anderen der Magnetköpfe (114e) bildet.
13. Drehmomenterfassungssystem nach Anspruch 11, bei dem der magnetische
Aufzeichnungsabschnitt (122), auf dem die Signalaufzeichnungs- und Wie
dergabeeinrichtung (116, 114e, 114d) des Positionssignal aufzeichnet, zu
sätzlich zu dem ersten und dem zweiten magnetischen Aufzeichnungsab
schnitt (12a, 12b) auf der Umfangsoberfläche des Rotationselementes (10)
ausgebildet ist und das Paar von Magnetköpfen (114d, 114e) der Rotations
geschwindigkeitserfassungseinrichtung zusätzlich zu dem ersten und dem
dritten Magnetkopf (14a, 14c) vorgesehen ist.
14. Drehmomenterfassungssystem nach einem der Ansprüche 6 bis 13, welches
weiterhin eine Verzögerungseinrichtung (54) aufweist, die das durch den
zweiten Magnetkopf (14b) aufgezeichnete Positionssignal (Sb1) in der Phase
um eine vorbestimmte Zeit (Δt0) relativ zu dem Positionssignal (Sa1) verzö
gert, welches durch den ersten Magnetkopf (14a) aufgezeichnet ist, so daß
das durch den zweiten Magnetkopf (14b) wiedergegebene Wiedergabesignal
(Sb1) eine vorbestimmte anfängliche Phasendifferenz (Δt0) relativ zu den
durch den ersten Magnetkopf (14a) wiedergegebenen Signalen (Sa1) auf
weist.
15. Drehmomenterfassungssystem nach Anspruch 14, weiches weiterhin eine
Belastungsrichtungsbestimmungseinrichtung (56) aufweist, die die Richtung
der auf das Rotationselement (10) wirkenden Belastung bestimmt.
16. Drehmomenterfassungssystem nach Anspruch 15, bei dem die Belastungs
richtungsbestimmungseinrichtung (56) die Richtung der auf das Rotation
selement (10) wirkenden Belastung auf der Basis eines Vergleichs der an
fänglichen Phasendifferenz und der Phasendifferenz (Δt0) zwischen den wie
dergegebenen Positionssignalen (Sa1, Sb1) bestimmt, die jeweils durch den
ersten und zweiten Magnetkopf (14a, 14b) wiedergegeben sind.
17. Drehmomenterfassungssystem nach Anspruch 15, dem die Belastungsrich
tungsbestimmungseinrichtung (56) die Richtung der Belastung, die auf das
Rotationselement (10) wirkt, auf der Basis des Vergleiches der Differenz (t12)
zwischen den Zeiten, bei denen die durch den ersten und den zweiten Ma
gnetkopf (14a, 14b) wiedergegebenen Positionssignale (Sa1, Sb1) erfaßt
werden, und der Differenz (t23) zwischen den Zeiten bestimmt, bei denen die
durch den zweiten und den dritten Magnetkopf (14b, 14c) wiedergegebenen
Positionssignale (Sb1, Sc1) erfaßt werden.
18. Drehmomenterfassungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
welches eine Erfassungszeitsteuereinrichtung (30) aufweist, die die Erfas
sungszeiten der Phasendifferenzerfassungseinrichtung (24) und der Zeitdiffe
renzerfassungseinrichtung (26) in Synchronisation zu einem der durch den er
sten bis dritten Magnetkopf (14a-14c) wiedergegebenen Signale (Sa1-Sc1),
welches zuerst erfaßt ist, und zu einem der durch den ersten bis dritten Ma
gnetkopf (14a-14c) wiedergegebenen Signale (Sa1-Sc1) steuert, welches zu
letzt erfaßt wird.
19. Drehmomenterfassungssystem nach Anspruch 18, bei dem die Erfassungs
zeitsteuereinrichtung (30) Zähler (70) in der Phasendifferenzerfassungsein
richtung (24) und der Zeitdifferenzerfassungseinrichtung (26) steuert.
20. Drehmomenterfassungssystem nach Anspruch 18 oder 19, welches weiter
eine Belastungsrichtungsbestimmungseinrichtung (58) aufweist, die die Rich
tung der auf das Rotationselement (10) wirkenden Belastung bestimmt.
21. Drehmomenterfassungssystem nach Anspruch 20, bei dem die Belastungs
richtungsbestimmungseinrichtung (58) die Richtung der auf das Rotation
selement (10) wirkenden Belastung gemäß der Erfassungszeit der wiederge
gebenen Positionssignale (Sa1, Sb1) bestimmt, die jeweils durch den ersten
und zweiten Magnetkopf (14a, 14b) wiedergegeben werden.
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D2 | Grant after examination | ||
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8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |