DE60105503T2

DE60105503T2 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung des Drehmoments eines sich drehenden Körpers

Info

Publication number: DE60105503T2
Application number: DE60105503T
Authority: DE
Inventors: Tooru 1-1-1 Katase Arai
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2000-07-03
Filing date: 2001-07-02
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2021-07-03
Also published as: US6472656B2; EP1170577A2; EP1170577A3; DE60105503D1; JP3448738B2; JP2002022566A; EP1170577B1; US20020000513A1

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehmomentmessvorrichtung, welche ein Drehmoment eines rotierenden Körpers misst, insbesondere eine Vorrichtung zum Messen eines Drehmoments eines rotierenden Körpers, bei welcher Elektrizitäts- und Messsignale auf berührungsfreie Weise zwischen einem rotierenden Abschnitt und einem stationären Abschnitt zum Messen eines Drehmoments des rotierenden Körpers mit einem Dehnmessstreifen übertragen und empfangen werden und ein Verfahren zum Messen des Drehmoments.
2. Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Herkömmlich ist eine Vorrichtung, bei welcher eine Vielzahl von Dehnmessstreifen derart verbunden sind, dass sie eine Wheatstone'sche Brückenschaltung bilden und die mittels Klebemittel an einem zylindrischen Verwindungerzeugenden Körper, verbunden zwischen einer rotierenden Achse und einer Lastachse und angetrieben von der rotierenden Achse, angebracht sind und bei welchen dabei eine Torsionsgrösse, erzeugt in dem Verwindung-erzeugenden Körper, in eine elektrische Grösse als Drehmomentgrösse des rotierenden Körpers umgewandelt und zu einem stationären Abschnitt übertragen wird, für die Messung des Drehmoments des rotierenden Körpers benutzt worden. Wichtig ist bei dieser Messvorrichtung ein Verfahren zum Übertragen benötigter elektrischer Energie von einem stationären Abschnitt zu einer Schaltung in einem rotierenden Abschnitt und ein Verfahren zur Übertragung eines elektrischen Signals, verstärkt durch die Umwandlung der Drehmomentgrösse des rotierenden Abschnitts in eine elektrische Grösse an den stationären Abschnitt, wobei verschiedene Probleme bei konventionellen mechanischen Kontaktverfahren aufgezeigt worden sind.
Um die oben genannten Probleme mit den mechanischen Verfahren zu lösen, ist ein Verfahren zur Umwandlung eines elektrischen Signals eines rotierenden Körpers in ein optisches Signal und Übertragung des optischen Signals zu einem stationären Abschnitt: "Detektionssignal-Übertragungsvorrichtung" für physikalische Grössen – elektrische Grössen Konverter für rotierende Körper" vorgeschlagen worden (japanisches Patent Publikationsnummer Hei 6-301881). Nachfolgend wird die Messvorrichtung der konventionellen "Detektionssignal-Übertragungsvorrichtung für physikalische Grössen – elektrische Grössen Konverter für rotierende Körper" anhand von 7 beschrieben.
Die Messvorrichtung weist fünf Hauptteile, einschliesslich eines Drehmomentübertragungsteils, eines Fotokopplungsteils, eines Drehmomentdetektionsteils, eines Signalverarbeitungsschaltungsteils und eines elektrischen Empfängerteils auf. Die Hauptteile, die sich auf die Erfindung beziehen, werden im Folgenden erklärt.
Das Drehmomentübertragungsteil in 7 ist als ein sogenannter flexibler Kopplungsmechanismus ausgebildet, der eine Verbindungsfunktion mit Flexibilität bereitstellt. Der Hauptmechanismus davon ist symmetrisch bezüglich eines Verwindung-erzeugenden Körpers 701 ausgeformt.
Das Fotokopplungsteil ist ein Mechanismus, der ein gemessenes Signal von einem rotierenden Abschnitt zu einem stationären Abschnitt überträgt. Ein Signalübertragungsteil am rotierenden Abschnitt wird durch einen lichtemittierenden Seitenring 714, der an dem Verwindung-erzeugenden Körper 701 befestigt ist, und eine Vielzahl von lichtemittierenden Dioden 721 gebildet, die Elektrizität-in-Licht-Umwandlungselemente sind und an dem lichtemittierenden Seitenring 714 befestigt sind.
Ausserdem ist ein Signalempfangsteil beim stationären Abschnitt durch einen lichtempfangenden Seitenring 713 und eine Vielzahl von Fotodioden 720, welche an den lichtempfangenden Seitenring 713 angeschlosse Licht-in-Elektrizität-Umwandlungselemente sind, gebildet. Der lichtemittierende Seitenring 714 des Signalübertragungsteils ist derart ausgeformt, dass seine innere Peripherie am Verwindung-erzeugenden Körper 701 befestigt ist, und seine äussere Peripherie ist im Querschnitt im Wesentlichen schalenförmig gestaltet. Die lichtemittierenden Dioden 721 sind an einem Bodenteil der Schalenform angebracht.
Andererseits ist der Ring 713 des Signalempfangsteils derart geformt, dass seine innere Peripherie im Wesentlichen schalenförmig gestaltet ist und die Fotodioden 720 an einem Bodenteil der Schalenform angebracht sind. Diese zwei Arten von Ringen, nämlich der lichtempfangende Seitenring 713 und der lichtemittierende Seitenring 714, sind so angeordnet, dass sich die im Wesentlichen schalenförmigen Öffnungsabschnitte gegenüberliegen und nahe zueinander positioniert sind. Acht Fotodioden 720 sind an der inneren Peripherie des lichtempfangenden Rings 713 angebracht. Fünf lichtemittierende Dioden 721 sind entlang der gesamten Peripherie des Rings angebracht und leuchten gleichzeitig.
Der Verwindung-erzeugende Körper 701 ist ein Zylinder mit einem im Ganzen grossen Durchmesser, wobei ein Verwindungerzeugendes Teil 701a in seinem Zentrumsbereich in der axialen Richtung eine reduzierte Dicke hat und in dem Gebiet mit der reduzierten Dicke zwei Seitenoberflächen, die symmetrisch bezüglich der Achse des Zylinders sind, in ebene Oberflächen abgehobelt sind. Dehnmessstreifen 723 sind in den ebenen Bereichen angebracht und zu einer Wheatstone'schen Brückenschaltung 723, die zwei angebrachte Streifen (ein Paar) von Dehnmessstreifen 723 an gegenüberliegenden Seiten hat, verbunden.
Die Signalverarbeitungsschaltung 722 schliesst eine Schaltung ein, wo ein Detektionssignal, detektiert durch die Dehnmessstreifen 723, die an dem Verwindungerzeugenden Teil 701a als das Drehmoment detektierende Teil angebracht sind, entsprechend verstärkt wird, Wellenform gestaltet und Signal verarbeitet wird, und wo das verarbeitete Signal zum Fotokopplungsteil, das die lichtemittierenden Dioden 721 und die Fotodioden 720 aufweist, ausgegeben wird.
Das elektrische Empfangsteil ist durch einen Drehtransformator eines berührungslosen Typs gebildet. Ein Elektrizität-übertragender Ring 711 am stationären Abschnitt und ein Elektrizität-empfangender Ring 712 am rotierenden Abschnitt sind sich gegenüberliegend und nahe zueinander angeordnet. An gegenüberliegenden Seitenoberflächen der Ringe 711, 712 ist ein Paar von im Wesentlichen U-förmigen Ferritkernen (nicht gezeigt) mit ihren sich gegenüberliegenden Öffnungen montiert. Eine Elektrizität-übertragende Spule 716 und eine Elektrizitätempfangende Spule 717 sind auf ringförmige Weise in den entsprechenden Räumen in den im Wesentlichen U-förmigen Ferritkernen gewunden.
Bei den konventionellen Verfahren zum Umwandeln eines elektrischen Signals des rotierenden Abschnitts in ein optisches Signal und Übertragen des optischen Signals zu einem stationären Abschnitt gibt es das Problem, dass eine Vielzahl von Elektrizität-in-Licht umwandelnden Elementen in dem rotierenden Abschnitt angeordnet sind, was zu einem steigenden Energieverbrauch am rotierenden Abschnitt führt und daher die Grösse eines Drehtransformators, welcher elektrische Energie vom stationären Abschnitt zum rotierenden Abschnitt überträgt, vergrössert werden muss. Es gibt ein anderes Problem, dass der Drehtransformator zur Energieübertragung und ein Lichtumwandlungsteil zur Übertragung eines Drehmomentsignals vom rotierenden Abschnitt zum stationären Abschnitt separat aufgebaut sind, mit dem Resultat, dass die Grösse der Vorrichtung erhöht werden musste und dass es schwierig war, jedes Teil korrekt zu positionieren.
Da weiterhin acht Stück von lichtempfangenden Ringen in gleichen Abständen und fünf Stück von lichtemittierenden Dioden in gleichen Abständen im gesamten Ring montiert worden sind usw., war die Herstellung schwierig und es war erforderlich, Elemente auszuwählen, die eine geringe Varianz in ihrer Charakteristik zueinander haben und die in einem weiten Bereich (z.B. +/–100 Grad) der Richtungscharakteristik gleichmässig Licht aussenden.
Ausser, dass weiterhin die fünf lichtemittierenden Dioden gleichzeitig leuchten, ist der lichtemittierende Bereich nicht in einem bogenförmigen Band von etwa 45° geformt, was die Steuerung einer Antriebsschaltung dazu zwingt, kompliziert zu sein. In dem Fall, dass eine oder mehrere der lichtemittierenden Dioden oder der lichtempfangenden Dioden nicht korrekt funktionieren, kann das Drehmoment an einigen Orten nicht detektiert werden, was ein Problem verursacht.
Weiterhin ist der Verwindung-erzeugende Körper ein Zylinder mit einem im Ganzen grossen Durchmesser, wobei das Verwindung-erzeugende Teil, welches ein Drehmoment detektierendes Teil ist, hat eine reduzierte Dicke an seinem Zentrumsbereich in axialer Richtung und in diesem Gebiet mit der reduzierten Dicke ist an zwei Seitenoberflächen, die symmetrisch bezüglich der Achse des Zylinders, und zu ebenen Oberflächen abgehobelt sind, eine ein Kraftproblem verursachende Belastung konzentriert.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, die einen Aufbau hat, bei welchem elektrische Energie effizient von einem stationären Abschnitt zu einem mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Abschnitt und einer Schaltung übertragen wird, in welcher ein Signal einer elektrischen Grösse, das aus einer im rotierenden Abschnitt detektierten Drehmomentgrösse umgewandelt wurde, zum stationären Abschnitt ohne Verschlechterung des Signal-zu-Rausch Verhältnisses übertragen wird.
Entsprechend ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Drehmomentmessvorrichtung zum Messen eines Drehmoments bereitzustellen und gleichzeitig ein Verfahren zum Messen des Drehmoments eines rotierenden Körpers mit dieser Drehmomentmessvorrichtung zu erschaffen, um die oben erwähnten Probleme zu lösen.
Um das oben erwähnte Ziel zu erreichen, weist eine Drehmomentmessvorrichtung der Erfindung einen rotierenden Abschnitt einschliesslich eines antreibenden Flansches und eines angetriebenen Flansches an beiden Enden davon; einen einseitig geschlossenen Hohlzylinder mit einer umlaufenden Wand, die im Schnitt derart ausgebildet ist, dass sie einen U-förmig begrenzten Zwischenraum zwischen den Flanschen formt und die am unteren Boden des Zwischenraums eine vorbestimmte Dicke und einen vorbestimmten Durchmesser hat; ein Mittel zum Erfassen eines Drehmoments, das an einer inneren umlaufenden Fläche des Zylinders angeordnet ist und dazu angepasst ist, um eine physikalische Grösse, die einem Wert eines auf den Zylinderabschnitt einwirkenden Drehmoments entspricht, in ein elektrisches Signal umzuwandeln; einen stationären Abschnitt, der einem äusseren Umfang des angetriebenen Flansches gegenüberliegt; ein Satz von Drehtransformatoren, umfassend einen ersten Transformatorkern, der auf dem äusseren Umfang des angetriebenen Flansches geformt ist, und eine erste Nut aufweist, sowie einen zweiten Transformatorkern, der auf einem inneren Umfang des stationären Abschnitts geformt ist und eine zweite Nut aufweist; ein Mittel zur optischen Signalumwandlung, bestehend wenigstens aus einem Elektrizität-in-Licht-Umwandlungselement, das in der ersten Nut angeordnet ist und eingepasst ist, um entsprechend dem Ausgang der Mittel zum Erfassen eines Drehmoments Licht zu emittieren; ein Mittel zur Lichtübertragung, bestehend aus einer optischen Faser, die in der zweiten Nut angeordnet ist und angepasst ist, um das Licht von dem Mittel zur optischen Signalumwandlung zu empfangen; und ein Mittel zum Detektieren von Licht, um das von dem Mittel zur Lichtübertragung übertragene Licht zu empfangen, auf.
Entsprechend ist bei dem Drehtransformator, bei welchem die Belastung nicht unerwünscht auf einen dünnen Abschnitt konzentriert ist, die Festigkeit des dünnen Abschnitts nicht vermindert und er kann bei einer hohen Torsionssteifigkeit für eine grosse Antwort auf einen plötzlichen Drehmomentwechsel mit kompakten Abmassen aufgebaut werden. Da die Anzahl von Umwandlungselementen reduziert werden kann, ist es ausserdem möglich, den Energieverbrauch an beiden, dem stationären Abschnitt und dem rotierenden Abschnitt zu reduzieren, und die mittlere Zeit zwischen zwei Fehlerzuständen signifikant zu erhöhen, was zu einer Verbesserung der Zuverlässigkeit führt.
Bei der Drehmomentmessvorrichtung kann das Lichtdetektionsmittel ein Licht-in-Elektrizität-Umwandlungselement, das an wenigstens einer Endfläche der optischen Faser bereitgestellt ist, aufweisen. Im Ergebnis wird die Anzahl von Teilen signifikant reduziert.
Bei der Drehmomentmessvorrichtung kann das Lichtdetektionsmittel zusammen mit dem Lichtübertragungsmittel in der zweiten Nut, ausgeformt an einem zweiten Transformatorkern, welcher dem angetriebenen Flansch gegenüberliegt und den Satz von Drehtransformatoren mit dem ersten Transformatorkern komplettiert, angeordnet sein. Entsprechend dieser Ausführung ist es möglich, sichtbares Licht, das in der Umgebung des Verbindungspunktes des Lichtübertragungsmittels und des Lichtdetektionsmittels austritt, zu eliminieren.
Bei der Drehmomentmessvorrichtung wird das optische Signalumwandlungselement in der ersten Nut bereitgestellt und beide, das Lichtübertragungsmittel und das Lichtdetektionsmittel, bereitgestellt in der zweiten Nut, können so angeordnet sein, dass sie nicht über eine Zwischenfläche, definiert durch den ersten und zweiten Transformatorkern, hervorstehen. Daher kann eine effiziente Übertragung und Empfang von elektrischer Energie durchgeführt werden, ohne die Effizienz der Drehtransformatoren zu vermindern.
Bei der Drehmomentmessvorrichtung können das Lichtübertragungsmittel und das Lichtdetektionsmittel, beide bereitgestellt in der zweiten Nut, mit einem Filter zum Herausfiltern von sichtbarem Licht bedeckt sein. Entsprechend kann ein hohes Signal-zu-Rausch Verhältnis erreicht werden.
Bei der Drehmomentmessvorrichtung kann das Lichtübertragungsmittel derart angeordnet sein, dass es in wenigstens einer Windung innerhalb und entlang der zweiten Nut gewunden ist. Daraus ergibt sich, dass das Drehmoment überall unabhängig von der Position des rotierenden Körpers detektierbar ist.
Ein Verfahren zum Messen eines Drehmoments der vorliegenden Erfindung weist die Schritte auf:
Anbringen eines Mittels zum Erfassen vom Drehmoment, welches eine physikalische Grösse entsprechend einem Wert eines Drehmoments in ein elektrisches Signal umwandelt, an einer inneren umlaufenden Fläche eines Zylinderabschnitts an eine Stelle, an der der Zylinderabschnitt eine geringste Dicke in seiner umlaufenden Wand zwischen einem antreibenden und einem angetriebenen Flansch aufweist;
Umwandlung des elektrischen Signals vom Mittel zum Erfassen des Drehmoments in ein optisches Signal durch ein Elektrizität-in-Licht-Signalumwandlungsmittel und Übertragen des optischen Signals an einen stationären Abschnitt; Richten des von einem rotierenden Abschnitt abgegebenen optischen Signals auf eine Seitenfläche einer optischen Faser, die in einer Nut bereitgestellt ist, die an einem Transformatorkern ausgeformt ist, der derart im stationären Abschnitt vorgesehen ist, dass er dem angetriebenen Flansch gegenüberliegt, wodurch das optische Signal in ein elektrisches Signal umgewandelt wird; das elektrische Signal einem vorbestimmten Wellenform-Formumgsprozess für ein frequenzmoduliertes Signal unterziehen; Demodulieren des frequenzmodulierten Signals; und Abrufen des demodulierten Signals als ein analoges Signal mittels einer vorgeschriebenen Schaltung.
Entsprechend diesem Verfahren ist es möglich einen Aufbau zu erhalten, um effizient elektrische Energie vom stationären Abschnitt zum mit einer Hochgeschwindigkeit rotierenden Abschnitt zu übertragen und das Drehmoment zu messen, ohne das Signal-zu-Rausch Verhältnis des Signals, umgewandelt aus einer am rotierenden Abschnitt detektierten Drehmomentgrösse in eine elektrische Grösse, zu verschlechtern.
Bei der Erfindung ist ein Sensor mit einem Dehnmessstreifen an der inneren Umfangsoberfläche des Hohlzylinders, dessen umfangsseitige Wand in einen Abschnitt zum Formen eines U-förmig definierten offenen Raumes zwischen dem an einem rotierenden Körper befestigten Antriebsflansch und dem angetriebenen Flansch konfiguriert ist, angeordnet und hat eine vorschriftsmässige Dicke am unteren Boden des offenen Raumes. Der Sensor wandelt eine physikalische Grösse, die einem Wert des an dem Hohlzylinder angreifenden Drehmoments entspricht, in ein elektrisches Signal um. Das elektrische Signal wird weiter in ein optisches Signal umgewandelt. Dann wird durch das optische Signalumwandlungsmittel, bestehend aus wenigstens einem Elektrizität-in-Licht-Umwandlungselement, angeordnet in der ersten Nut und angepasst zum Emittieren von Licht, entsprechend einer Ausgabe des Drehmomentdetektionsmittels, das optische Signal einfallend auf die Seitenfläche der optischen Faser, die in der zweiten Nut, ausgeformt am zweiten Transformatorkern, der im stationären Abschnitt gegenüberliegend des angetriebenen Flansches vorgesehen ist, bereitgestellt ist, gemacht. Das einfallend auf die Seitenfläche der optischen Faser gemachte optische Signal wird dann in ein elektrisches Signal durch das Lichtdetektionsmittel, welches dazu angepasst ist, um Licht, welches die Endfläche der optischen Faser erreicht, zu empfangen, umgewandelt, wodurch ein gemessener Drehmomentwert erhalten wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
1(a) ist eine Seitenquerschnittsansicht eines rotierenden Bereichs und eines stationären Bereichs einer Drehmomentmessvorrichtung entsprechend der Erfindung und 1(b) ist eine Frontansicht der Drehmomentmessvorrichtung;
2(a) und 2(b) sind vergrösserte Darstellungen von Seitenabschnitten des rotierenden Abschnitts und des stationären Abschnitts in einer Drehmomentmessvorrichtung entsprechend der Erfindung;
3(a) und 3(b) zeigen Positionen von an einem inneren Umfang eines Zylinders angebrachten Dehnmessstreifen;
4 zeigt die Beziehung zwischen den Dehnmessstreifen, die an einer inneren Fläche des Zylinders angebracht sind, und jede Seite der Wheatstone'schen Brückenschaltung;
5(a), 5(b) und 5(c) sind erläuternde Darstellungen der Positionsbeziehung zwischen einer optischen Faser und daran angebrachten Licht-in-Elektrizität-Umwandlungselementen;
6 ist ein Blockdiagramm der Schaltungskonfiguration des rotierenden Abschnitts und des stationären Abschnitts in einem Drehmomentvorrichtung entsprechend der Erfindung; und
7 ist eine Schnittdarstellung eines Beispiels einer konventionellen "Detektionssignal-Übertragungsvorrichtung für physikalische Grössen – elektrische Grössen Konverter für rotierende Körper".
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Im Folgenden werden Ausführungsformen einer Drehmomentmessvorrichtung entsprechend der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
1(a) ist eine Querschnittsdarstellung, die eine Drehmomentmessvorrichtung der Erfindung, die sich wie folgt zusammensetzt, zeigt. Es ist ein Verwindungerzeugender Körper 100 bereitgestellt, welcher ein einseitig geschlossener Hohlzylinder ist, der eine vorgeschriebene Dicke und einen vorgeschriebenen Durchmesser an seinem unteren Boden eines offenen Raumes, der zwischen einem antreibenden Flansch 101 und einem angetriebenen Flansch 102 ausgeformt ist, hat. An eine äussere Endfläche des antreibenden Flansches 101 ist ein Verbindungsglied zur Verbindung mit einer Antriebseinrichtung zwischen einer Messwalze eines Rollprüfstandes, die rotiert wird beispielsweise durch ein Rad eines Fahrzeugs und einer Belastung, wie etwa von einem Dynamometer, einem Bremsmechanismus oder ähnlichem, an einer Antriebsseite mittels einem Gewindeloch 103 angekoppelt. Eine Gruppe von Drehtransformatoren 111 weist einen magnetischen Kern (erster Transformatorkern) 112, ausgeformt an einem äusseren Umfang des angetriebenen Flansches 102, und einen anderen magnetischen Kern (zweiter Tranformatorkern) 114, ausgeformt an einem inneren Umfang des stationären Abschnitts, auf. Der erste Transformatorkern 112 hat eine Nut (erste Nut) 119a (gezeigt in 2(a) und 2(b)), die wenigstens ein Elektrizität-in-Licht-Umwandlungselement 113 (optisches Signalumwandlungsmittel) hat, wie später erwähnt wird. Ein Lastglied der Antriebseinrichtung ist mit dem angetriebenen Flansch 102 mittels eines Gewindelochs 104 verbunden.
Der zweite Transformatorkern 114 des Drehtransformators, der am stationären Abschnitt bereitgestellt ist und eine Nut (zweite Nut) 119b, gegenüberliegend dem angetriebenen Flansch 102 hat, ist in einem Kreis derart bereitgestellt, dass er mit einem schmalen Spalt dem angetriebenen Flansch 102 gegenüberliegt. Eine optische Faser 114 (Lichtübertragungsmittel), welche später beschrieben wird, ist dazu bestimmt, derart aufgewickelt zu werden, dass sie in wenigstens einem Umlauf in und entlang der zweiten Nut 119b (gezeigt in 2(a) und 2(b)) in dem zweiten Transformatorkern 114 am stationären Abschnitt bereitgestellt ist, und ein Filter 118 zum Herausfiltern von sichtbarem Licht ist zum Verschliessen der zweiten Nut 119b angeordnet. 1(b) ist eine Frontansicht, die eine Vorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei die optische Faser 115 (Lichtübertragungsmittel) dazu bestimmt ist, mit wenigstens einem Umlauf in und entlang der zweiten Nut 119b, bereitgestellt im zweiten Transformatorkern 114 im stationären Abschnitt, aufgewickelt zu werden.
Wie oben erwähnt, weist der Drehtransformator 111 Teile 113, 115 zum Übertragen und Empfangen eines optischen Signals zwischen dem stationären Abschnitt und dem rotierenden Abschnitt und Teilen 116, 117 zum Übertragen elektrischer Energie vom stationären Abschnitt zum rotierenden Abschnitt auf.
Das Teil 116 im ersten Transformatorkern am stationären Abschnitt bezeichnet eine Primärwindung zum Übertragen elektrischer Energie zur Benutzung für eine elektrische Schaltung im rotierenden Abschnitt, und das Teil 117 im zweiten Transformatorkern am rotierenden Abschnitt bezeichnet eine Sekundärwindung zum Empfangen von magnetischem Fluss von der Primärwindung 116.
Der antreibende Flansch 101 und der angetriebene Flansch 102 bilden einzelne Elemente des Verwindung-erzeugenden Körpers 100 und sie haben einen grösseren äusseren Durchmesser und Dicke, um eine hohe Torsionssteifigkeit zu erhalten, als der Verwindung-erzeugende Körper 100, welcher ein einseitig geschlossener Hohlzylinder ist, der eine vorgeschriebene Dicke und Durchmesser in einem Gebiet zwischen dem antreibenden Flansch 101 und dem angetriebenen Flansch 102 hat. Ein Boden eines offenen Raumes, ausgeformt zwischen dem antreibenden Flansch 101 und dem angetriebenen Flansch 102, wo der die Verwindungerzeugende Körper 100 eine vorgeschriebene Dicke und Durchmesser hat, ist, um bogenförmig zu werden, durch Schneiden oder Schleifen bearbeitet, um eine Konzentration von Spannungen an in Kontakt stehenden Teilen zwischen den Flanschen 101, 102 und dem zylindrischen Verwindungerzeugenden Körper 100 zu verhindern. Wie aus 2(a) und 2(b) zu sehen, verringert sich die Dicke graduell vom antreibenden Flansch 101 in Richtung des Zentrums des Bodens des offenen Raumes, eine Dicke verringert sich graduell vom angetriebenen Flansch 102 in Richtung des Zentrums des Bodens des offenen Raumes und die Bodenoberfläche ist im Schnitt bogenförmig mit einer schmalsten Dicke in ihrem Zentrum positioniert. Die Bodenoberfläche ist wie ein Kreis, ein Oval, eine Hyperbel, eine Parabel usw. entsprechend einem Durchmesser, Material und Länge des Zylinders, des Drehmomentwertes usw. geformt. Ein Dehnmessstreifen 106 ist, wie später erwähnt, an der inneren Umfangsfläche des Zylinders, an einem Platz gegenüberliegend dem Zentrum des Bodens des offenen Raumes, angebracht.
Da der offene Raum zwischen den Flanschen 101, 102 eine bogenförmige Bodenfläche hat, ist die Belastung so adaptiert, dass sie sich auf ein Gebiet entsprechend dem Zentrum der Bodenfläche konzentriert. Im Hinblick, dass die Belastung auf das eine Gebiet fokussiert ist, kann der Verwindung-erzeugende Köper 100 so konstruiert sein, dass er eine grössere Dicke zwischen den Flanschen als konventionelle hat, welche eine ebene Bodenfläche an ihrem offenen Raum haben. Da weiterhin eine Torsion oder eine Auslenkung einer Achse, wie oben erwähnt vermindert ist, ist es möglich, eine hohe Messgenauigkeit zu erreichen und gleichzeitig kann eine hohe Torsionssteifigkeit, um eine grosse Antwort auf plötzliche Änderungen des Drehmoments zu haben, erlangt werden. Obwohl sich die Dicke des Verwindung-erzeugenden Körpers 100 mit seinem Abstand vom Zentrum des Bodens erhöht und dadurch die Empfindlichkeit zum Detektieren von Belastungen verringert wird, kann eine genaue Belastungsgrösse mit einem Aufbau zum Bestimmen der Dicke ordentlich detektiert werden und dabei eine Verminderung der Empfindlichkeit erlauben.
Um einen nachteiligen Einfluss auf die angebrachten Dehnmessstreifen durch die Windbelastung und Zentrifugalkraft, hervorgerufen durch die Hochgeschwindigkeitsrotation zu vermeiden, ist ein Schaltungssubstrat 109, an welchem eine später zu erwähnende elektronische Schaltung montiert ist, am Boden 108 eines offenen Raums 107 des zylindrischen Verwindungerzeugenden Körpers 100 befestigt.
Um zu verhindern, dass die Dehnmessstreifen eine nachteilige Wirkung durch die Windkraft, verursacht durch die Hochgeschwindigkeitsrotation und eine Verschlechterung aufgrund von Feuchtigkeit, Staub oder ähnlichem von aussen erfahren, ist ein Deckel 110 vorgesehen, um den oberen Raum 107 des Verwindung-erzeugenden Körpers 100 zu bedecken.
2(a) und 2(b) sind vergrösserte Schnittdarstellungen von Teilen der Drehmomentmessvorrichtung entsprechend der Erfindung von 1(a). 2(a) und 2(b) zeigen verschiedene Ausführungsformen. In 2(a) ist eine Primärwindung 116 am stationären Abschnitt und eine Sekundärwindung 117 am rotierenden Abschnitt jeweils an zwei verschiedenen Orten im Drehtransformator gewunden, während in 2(b) die Primärwindung 116 am stationären Abschnitt und die Sekundärwindung 117 am rotierenden Abschnitt jeweils an einem Ort des Drehtransformators gewunden sind. Ansonsten gibt es keine Unterschiede zwischen 2(a) und 2(b) , so dass die Details der Erfindung in Bezug zu 2(a) erklärt werden. In 2(b) sind beide, die Primärwindung 116 am stationären Abschnitt und die Sekundärwindung 117 am rotierenden Abschnitt an einem zum antreibenden Flansch 101 näheren Ort gewunden, aber es ist nicht nötig zu sagen, dass sie auch an einem anderen Ort, entfernt vom antreibenden Flansch 101, gewunden sein können.
Der Drehtransformator 111, gezeigt in 2(a) und 2(b) , ist an beiden, dem stationären Abschnitt und dem rotierenden Abschnitt aus einem magnetischen Material hergestellt und mit verschiedenen Elementen zum Übertragen eines optischen Signals und Übertragen elektrischer Energie ausgestattet. Wie auch immer, ein Drehtransformator zum Übertragen von Energie und eine Vorrichtung zum Übertragen eines optischen Signals können auch separate Körper sein, die aus verschiedenen Materialien hergestellt und zusammengesetzt sind.
Zum Beispiel kann elektrische Energie durch elektromagnetische Kopplung, bei welcher eine Hochfrequenz für eine Übertragung ohne Einbeziehen eines magnetischen Körpers am stationären Abschnitt zum Vereinfachen der äusseren Abmasse und des Aufbaus am stationären Abschnitt benutzt wird, übertragen werden.
Alternativ kann die Primärwindung weggelassen werden, wenn bei einer Benutzung eines energieübertragenden Verfahrens, bei welchem ein zweiter Transformatorkern 114 in 2(a) und 2(b), gefertigt in einem Kreis aus einem nichtmagnetischen Metall, der eine Nut zum Einlegen einer optischen Faser und einen Filter zum Herausfiltern von sichtbarem Licht hat, als Primärwindung mit einem Umlauf benutzt wird und mit der Sekundärwindung am rotierenden Abschnitt verbunden ist, ein Energieübertragungstransformator gebildet wird.
Wie in 2(a) gezeigt, ist der Drehtransformator am rotierenden Abschnitt an der äusseren Peripherie des angetriebenen Flansches angeordnet und der erste Transformatorkern 112 hat die erste Nut 119a, welche darin mit wenigstens einem Elektrizität-in-Licht-Umwandlungselement 113 (optisches Signalumwandlungsmittel) wie etwa eine rotfarbige, lichtemittierende Diode, die eine Spitze der Lichtemissionseffizienz um 660 nm in Übereinstimmung mit den Eigenschaften der optischen Faser 115 (Lichtübertragungsmittel), wie später erwähnt wird, hat, ausgestattet ist.
Der ringförmige Körper des Drehtransformators am stationären Abschnitt, gegenüberliegend dem Elektrizität-in-Licht-Umwandlungselement 113, hat auch die zweite Nut 119b im zweiten Transformatorkern 114 und ist bearbeitet, um z.B. eine im Querschnitt bogenförmige Oberfläche zu haben. Die zweite Nut 119b ist darin mit der optischen Faser 115, wie später erwähnt, ausgestattet. Ein Licht-in- Elektrizität-Umwandlungselement 131, wie später erwähnt, ist an der Endfläche der optischen Faser 115 angeordnet und weiter ist ein Filter 118 zum Herausfiltern von sichtbarem Licht bereitgestellt, um die zweite Nut 119b abzudecken, damit sichtbares Licht am Eintreten von der Umgebung in die optische Faser 115 gehindert wird und dadurch einer Verschlechterung des Signal-zu-Rausch Verhältnisses (S/N Verhältnis) verhindert wird. Der Filter 118 hat die Eigenschaft, eine Wellenlänge aus dem Empfindlichkeitsbereich des Elektrizität-in-Licht-Umwandlungselements 113, der optischen Faser 115 und des Licht-in-Elektrizität-Umwandlungselements 131 (Lichtdetektionsmittel), wie später erwähnt, z.B. eine Wellenlänge von 600 nm oder weniger, herauszunehmen.
Darüber hinaus ist die zweite Nut 119b bearbeitet, um eine bogenförmige Oberfläche zu haben, wobei Licht, welches vom später erwähnten Elektrizität-in-Licht-Umwandlungselement 113, wie später erwähnt, emittiert wird aber nicht direkt effizient in die optische Faser eintritt, zum Eintritt in die optische Faser 115 von der Umgebung aufgrund von Reflektionen an der bogenförmigen Oberfläche angepasst wird. Daher gibt es, sogar wenn die Genauigkeit der Positionierung des rotierenden Abschnitts und des stationären Abschnitts verringert ist oder sogar wenn der rotierende Abschnitt und der stationäre Abschnitt in der axialen Richtung verschoben sind, nur einen kleinen Einfluss auf die Genauigkeit der Drehmomentmessung.
Die hierin erwähnte optische Faser umfasst z.B. einen Kern, hergestellt aus einem Norbonenharz, welches ein Fotopigment enthält, und einen Mantel, der ausserhalb des Kerns bereitgestellt ist und einen geringeren Brechungsindex als der Kern hat, und weiter eine transparente oder durchscheinende Schutzschicht, die ausserhalb des Mantels bereitgestellt ist und antikorrodierende und wärmeresistente Eigenschaften hat. Diese optische Faser hat die Eigenschaften, Licht durch den Kern zu übertragen, wenn Licht auf die Seitenoberfläche dieser optischen Faser fällt, und zeigt einen Spitzenwert der Lichtübertragungseffizienz bei einer Wellenlänge von etwa 650 nm.
3(a) und 3(b) zeigen Positionen von Dehnmessstreifen 106 am inneren Umfang des Verwindung-erzeugenden Körpers 100, 3(a) zeigt eine Darstellung einer Schnittebene des Hohlzylinders am Boden des offenen Raums und 3(b) zeigt eine Darstellung eines inneren Umfangs des Hohlzylinders. Der dünnste Teil des Verwindung-erzeugenden Körpers 100 ist am unteren Boden des U-förmig begrenzten offenen Raums positioniert. Die Dehnmessstreifen 106 sind in gleichen Abständen an der inneren Umfangsoberfläche des Zylinders an dem Ort, lokalisiert entsprechend dem dünnsten Teil, welches das Zentrum der bogenförmigen Bodenoberfläche ist, angebracht. Es sind vier Paare von Dehnmessstreifen, jedes Paar bestehend aus Messstreifen A und B, angebracht und jedes ist an einem der folgenden vier Positionen angeordnet: eine Position A1/B1, eine Position A3/B3 gegenüberliegend der Position A1/B1 gegenüberliegend der zentralen Achse des Zylinders, eine Position A2/B2 rotiert um die zentrale Achse um 90° von der Position A1/B1 aus und eine Position A4/B4 gegenüberliegend der Position A2/B2. So sind im gesamten acht Stück von Dehnmessstreifen angebracht. Die Dehnmessstreifen sind überzogen mit Butylkautschuk, um Feuchte resistent zu sein, und dann festgehaftet mit Silikon.
4 zeigt die Beziehung zwischen einer Wheatstone'schen Brückenschaltung 618, bestehend aus angebrachten Dehnmessstreifen und den verbindenden Leiterbahnen. Die Wheatstone'sche Brückenschaltung 618 ist ausgebildet, um einen Dehnmessstreifen für eine Druckbelastung von einem Dehnmessstreifen für eine Zugbelastung zu unterscheiden, wenn eine Schubkraft auf den Verwindung-erzeugenden Körper 100 angewendet wird, und kombiniert Ausgabewerte von Änderungen des Widerstands von beiden Dehnmessstreifen.
Mit anderen Worten, das Paar von Messstreifen A bzw. B hat ein in die Richtung von 45° geneigtes Muster, um die Druckbelastungen und die Zugbelastungen, die durch Torsion erzeugt werden zu detektieren und sind so angeordnet, dass bei gegen den Uhrzeigersinn gerichtetem Drehmoment T1, GAn (n=1–4) die Zugbelastung empfangen und GBn (n=1–4) die Druckbelastung empfangen, wobei bei in Uhrzeigerrichtung wirkendem Drehmoment T2, GBn (n=1–4) die Zugbelastung empfangen und GAn (n=1–4) die Druckbelastung empfangen.
Solche Messstreifen bilden eine Wheatstone'sche Brückenschaltung 618 mit den Messstreifen, die die gleiche Belastung empfangen und jeweils an sich gegenüberliegenden Seiten positioniert sind. Mit anderen Worten, die Messstreifen GA1 bzw. GA3 sind an der Position A1 und der Position A3 gegenüberliegend der Position A1 angebracht, Messstreifen GB1 bzw. GB3 sind an der Position B1 benachbart zur Position A1 und der Position B3, gegenüberliegend der Position B1 angebracht, Messstreifen GA2 bzw. GA4 sind an der Position A2, um 90° um die zentrale Achse von der Position A1 aus rotiert, und die Position A4 gegenüberliegend der Position A2, angebracht und Messstreifen GB2 bzw. GB4 sind an der Position B2 benachbart zur Position A2 und der Position B4 gegenüberliegend der Position B2 angebracht, die Messstreifen GA1 und GA3 sind untereinander in Serie verbunden, um eine Seite zu formen, und die Messstreifen GA2 und GA4 sind untereinander in Serie verbunden, um eine gegenüberliegende Seite zu formen. Ähnlich sind die Messstreifen GB1 und GB3 untereinander in Serie verbunden, um eine andere Seite zu formen, und die Messstreifen GB2 und GB4 sind untereinander in Serie verbunden, um eine andere gegenüberliegende Seite zu formen, wodurch die Wheatstone'sche Brückenschaltung 618 gebildet wird.
Der Messstreifen GA1 ist verbunden zum Messstreifen GB2 und der Messstreifen GB1 ist verbunden zum Messstreifen GA2 und die Energie einer Energieversorgungsschaltung 617 für den Dehnmessstreifen, gezeigt in 6, ist, wie später erwähnt, an jede Verbindung angelegt, um als Energiequelle für die Wheatstone'sche Brückenschaltung 618 zu dienen. Ähnlich ist der Messstreifen GA3 verbunden mit GB3 und GB4 ist verbunden zu GA4 und die Eingangsanschlüsse eines Verstärkers 619, gezeigt in 6, sind verbunden zu jeder Verbindung, um eine Ausgabe der Wheatstone'schen Brückenschaltung 618 zu bilden.
5(a), 5(b) und 5(c) sind erläuternde Darstellungen der Positionsbeziehung zwischen der optischen Faser und den Licht-in-Elektrizität-Umwandlungselementen 131. Wie in 5(a) gezeigt, sind die Licht-in-Elektrizität-Umwandlungselemente 131, wie Fototransistoren oder Fotodioden, die in einer Region der Wellenlänge des sichtbaren Lichts empfindlich sind, z.B. einer Region der Lichtumwandlungseffizienz bei einer Spitze der Wellenlänge von 900 nm oder einer Region eines Bereichs von Lichtempfangswellenlängen von 420 nm bis 1100 nm, dicht an einem Ende der optischen Faser 115 angeordnet.
Um Rauschen, hervorgerufen durch sichtbares Licht, das von aussen an der Verbindung zwischen den Licht-in-Elektrizität-Umwandlungselementen 131 und der optischen Faser 115 kommt, fernzuhalten, sind die Licht-in-Elektrizität-Umwandlungselemente 131 und die optische Faser 115 beide in der zweiten Nut 119b in einem zweiten Transformatorkern 114 am stationären Abschnitt angeordnet.
Signallicht von dem Elektrizität-in-Licht-Umwandlungselement 113, einfallend auf den Umfang der optischen Faser 115, geht durch seinen Kern und wird von einem optischen Signal in ein elektrisches Signal mit dem Licht-in-Elektrizität-Umwandlungselement 131, wie einer Fotodiode, umgewandelt.
Es ist unnötig zu sagen, dass das Licht-in-Elektrizität-Umwandlungselement 131 an einem Ende der optischen Faser 115 oder an beiden Enden, wie in 5 gezeigt, bereitgestellt werden kann, um die Empfindlichkeit zu erhöhen.
In 6, einer Anordnung von Schaltungen am rotierenden Abschnitt und am stationären Abschnitt, die später beschrieben werden, ist es nötig, das eine AGC Schaltung 652 in Übereinstimmung mit der Anzahl von Licht-in-Elektrizität-Umwandlungselementen 131, eins oder zwei, zum Funktionieren gebracht wird.
Weiterhin kann die Empfindlichkeit des Elektrizität-in-Licht-Umwandlungselements 113 durch die Bereitstellung einer Vielzahl von Elektrizität-in-Licht-Umwandlungselementen 113 am Umfang des rotierenden Abschnitts verbessert werden. In diesem Fall sind die Positionen der Elektrizität-in-Licht-Umwandlungselemente 113 am Umfang des rotierenden Abschnitts nicht speziell festgelegt, aber sie können im Hinblick auf die Einfachheit bei der Produktion und die Laufruhe bei der Rotation gleichmässig am Umfang positioniert werden. In einem Fall, wo nur eine Windung der optischen Faser 115 in Bezug zu den Licht-in-Elektrizität-Umwandlungselementen 131, wie in 5(a) gezeigt, in der zweiten Nut 119b des ringförmigen Körpers am stationären Abschnitt angeordnet ist, gibt es zwangsläufig erzeugt ein Teil (nicht-empfangendes Teil) 150, wo ein optischen Signal von dem Elektrizität-in-Licht-Umwandlungselement 113 nicht empfangen werden kann. Das nicht-empfangende Teil 150 kann wie folgt eliminiert werden.
Wie in Fig. 5(d) gezeigt, ist die optische Faser mit einem Überlapp und am Teil 150, gezeigt in 5(a), gekreuzt angeordnet. Oder, wie in 5(c) gezeigt, ist die optische Faser 115 mit einer Vielzahl von Windungen in der zweiten Nut 119b gewunden, was nicht nur das nicht-empfangende Teil eliminiert, sondern auch die Effizienz zum Empfangen eines optischen Signals von den Elektrizität-in-Licht-Umwandlungselementen erhöht.
Es ist unnötig zu sagen, dass das Licht-in-Elektrizität-Umwandlungselement 131 nicht zusammen mit der optischen Faser in der zweiten Nut 119b, bereitgestellt im zweiten Transformatorkern 114 am stationären Abschnitt, angeordnet sein muss. Wenn nicht, ist ein Teil, das dem umgebenden sichtbaren Licht um das Anschlussteil mit dem Licht-in-Elektrizität-Umwandlungselement 131 herum ausgesetzt ist so konstruiert, dass es bedeckt wird z.B. mit einem Schutzband, einer undurchsichtigen Hülse oder ähnlichem, wodurch das umgebende sichtbare Licht abgefangen wird, so dass die optische Faser und die Elektrizität-in-Licht-Umwandlungselemente kein anderes Licht als ein optisches Signal absorbieren.
Wenn die Dehnmessstreifen GAn und GBn (n=1–4), angebracht am rotierenden Abschnitt, einem Wechsel des Widerstands aufgrund von Variationen des Drehmoments ausgesetzt sind, ändert sich die Ausgabespannung der Wheatstone'schen Brückenschaltung 618, die durch die Dehnmessstreifen gebildet ist. Wie die Umwandlung dieser Ausgabespannungsänderung in ein optisches Signal, das vom Elektrizität-in-Licht-Umwandlungselement 113 am rotierenden Abschnitt emittiert wird, erfolgt, wird im Zusammenhang mit 6 erklärt.
6 ist ein Blockdiagramm, das eine Schaltungsanordnung am rotierenden Abschnitt und am stationären Abschnitt zeigt. Die Zahl 618 in 6 bezeichnet die Wheatstone'sche Brückenschaltung 618, hergestellt durch die Dehnmessstreifen GAn und GBn (n=1–4). Die Energieversorgung der Wheatstone'schen Brückenschaltung 618 wird durch eine Energieversorgungsschaltung 617 für Dehnmessstreifen erhalten, wobei alternierende Spannungen, induziert in den Sekundärwindungen 117, gezeigt in 2, d.h. die Spannung den Sekundärwindungen 117 am rotierenden Abschnitt in 6 wird in einer Schaltung 615 gleichgerichtet und geglättet in einen Gleichstrom mit einer kleinen Spannungswelligkeit, und weiter werden Fluktuationen der Spannung der Spannungsquelle durch eine Stabilisierungsenergiequellenschaltung 616 minimiert, wodurch eine Spannung, die für die Wheatstone'sche Brückenschaltung 618 benötigt wird, bereitgestellt ist.
Energie wird zu einer sekundären Windung 117 des Drehtransformators von einer primären Windung 116 des Drehtransformators, gegenüberliegend der Sekundärwindung 117, übertragen und Energie wird der Primärwindung 116 durch eine oszillierende Spannung in einem Frequenzband von etwa 15 bis 20 kHz von einer Oszillatorschaltung 612, die Energie von einer Energieversorgung 611 empfängt, bereitgestellt.
Die Ausgabe der Wheatstone'schen Brückenschaltung 618 wird mit dem Verstärker 619 verstärkt und Rauschen übermässiger Frequenzkomponenten wird in einer Filterschaltung 620 eliminiert, dann umgewandelt in ein frequenzmoduliertes Signal durch einen Spannung-in-Frequenz-Konverter (V/F Konverter) 621, der Spannungen in Frequenzen umwandelt, um den Einfluss einer nichtlinearen Gestalt der lichtemittierenden Diode 113, der optischen Faser 115 und der Fotodiode 131 als Licht-in-Elektrizität-Umwandlungselement, welches nachfolgend verwendet wird, zu entfernen.
Am stationären Abschnitt sind, wie oben erwähnt, die optischen Fasern 115 angeordnet, um im Wesentlichen den äusseren Umfang des Elektrizität-in-Licht-Umwandlungselements 113 am rotierenden Abschnitt, rotierend um die Achse, zu umgeben. Entsprechend wird ein optisches Signal, das vom Elektrizität-in-Licht-Umwandlungselement 113 emittiert wird, immer durch die optische Faser empfangen und ein frequenzmoduliertes optisches Signal wird in ein elektrisches Signal durch die Fotodiode 131, als Licht-in-Elektrizität-Umwandlungselement, bereitgestellt an der in 5 gezeigten Endfläche, umgewandelt.
Da das empfangene elektrische Signal eine kleine Amplitude hat, werden die Amplitudenfluktuationen an einer AGC Schaltung (automatische Verstärkungssteuerungsschaltung) 625 angepasst und die Amplitude wird auf ein Logik-Niveau verstärkt. Das verstärkte Signal passiert eine Wellenform-Formungsschaltung 626, seine Frequenzänderung wird in eine Spannungsänderung an einem Frequenz-in-Spannung-Konverter (F/V Konverter) 627 umgewandelt und unnötige Rauschkomponenten werden an einer Tiefpassfilterschaltung 628 entfernt. Für den Tiefpassfilter 628 wird z.B. ein bekannter sekundärer oder tertiärer Butterworth-Filter oder ähnliches benutzt. Der Tiefpassfilter 628 ist mit einer Ausgabepufferschaltung 629 verbunden und ein gemessener Wert des Drehmoments wird an einem Ausgabeterminal OS erhalten.
Durch die Benutzung einer oben beschriebenen Vorrichtungen zur Messung des Drehmoments eines rotierenden Körpers wird das Drehmoment wie folgt gemessen. Ein Verbindungsglied an einer Antriebsseite, verbunden zu einer Antriebseinrichtung zwischen einer Messwalze eines Rollprüfstandes, rotiert z.B. durch ein Rad eines Fahrzeuges und einer Belastung, wie etwa einem Dynamometer, einem Bremsmechanismus oder ähnlichem, ist verbunden mit dem äusseren Ende des Antriebsflansches 101 mittels eines Gewindelochs 103. Eine Zahl 102 bezeichnet einen angetriebenen Flansch, an welchem ein Lastglied der Antriebseinrichtung mittels eines Gewindelochs 104 verbunden ist. Ein Sensor mit einem Dehnmesssteifen 618 ist an der inneren Umfangsoberfläche eines halbseitig geschlossenen Hohlzylinders, der eine umfangsseitige Wand hat, die konfiguriert ist, um im Schnitt einen U-förmig definierten offenen Raum zwischen den Flanschen zu formen, und die eine vorgeschriebene Dicke und einen vorgeschriebenen Durchmesser an einem unteren Boden des offenen Raums hat, angeordnet. Der Sensor wandelt eine physikalische Grösse entsprechend dem auf den Hohlzylinder wirkenden Drehmoment in ein elektrisches Signal um.
Das elektrische Signal wird mit einem Spannung-in-Frequenz-Konverters 621 frequenzmoduliert und dann in ein optisches Signal umgewandelt, und wird zum stationären Abschnitt durch das optische Signalumwandlungsmittel 113, das wenigstens ein Elektrizität-in-Licht-Umwandlungselement aufweist, welches in der ersten Nut 119a des am äusseren Umfang des angetriebenen Flansches bereitgestellten ersten Transformatorkerns bereitgestellt ist, und welches Licht entsprechend der Ausgabe eines Drehmomentdetektionsmittels emittiert, übertragen. Das vom rotierenden Abschnitt übertragene optische Signal wird auf den Umfang der optischen Faser 115, bereitgestellt in der zweiten Nut 119b des dem angetriebenen Flansch gegenüberliegenden zweiten Transformatorkerns, einfallend gemacht. Das auf den Umfang der optischen Faser einfallende Licht wird zum Ende der optischen Faser übertragen. Das optische Signaldetektionsmittel 131 zum Empfangen von Licht, welches das Ende erreicht hat, konvertiert das Licht in ein elektrisches Signal. Die Wellenform des elektrischen Signals wird dann an der Wellenform-Formungsschaltung 626 geformt und das frequenzmodulierte Signal wird in eine analoge Spannung durch den Frequenz-in-Spannung-Konverter 627 demoduliert und durch die Tiefpassschaltung 628 und die Ausgabepufferschaltung 629 geleitet, um als ein analoges Signal für eine Drehmomentmessung empfangen zu werden.

Claims

Vorrichtung zur Messung eines Drehmoments eines rotierenden Körpers, enthaltend: einen rotierenden Abschnitt mit einem antreibenden Flansch und einem angetriebenen Flansch an beiden Enden des rotierenden Abschnitts; einen einseitig geschlossenen Hohlzylinder mit einer umlaufenden Wand, die im Schnitt derart ausgebildet ist, dass sie einen U-förmig begrenzten Zwischenraum zwischen den Flanschen formt, und die gerade am Boden des Zwischenraums eine vorbestimmte Dicke und einen vorbestimmten Durchmesser hat; ein Mittel zum Erfassen eines Drehmoments, das an einer inneren umlaufenden Fläche des Zylinderabschnitts angeordnet ist und das angepasst ist, um eine physikalische Grösse, die einem Wert eines auf den Zylinderabschnitt einwirkenden Drehmoments entspricht, in ein elektrisches Signal umzuwandeln; einen stationären Abschnitt, der einem äusseren Umfang des angetriebenen Flansches gegenüberliegt; einen Satz von Drehtransformatoren, umfassend einen ersten Transformatorkern, der auf dem äusseren Umfang des angetriebenen Flansches geformt ist und eine erste Nut aufweist, sowie einen zweiten Transformatorkern, der auf einem inneren Umfang des stationären Abschnitts geformt ist und eine zweite Nut aufweist; ein Mittel zur optischen Signalumwandlung, bestehend wenigstens aus einem Elektrizität-in-Licht-Umwandlungselement, das in der ersten Nut angeordnet ist und angepasst ist, um entsprechend dem Ausgang der Mittel zum Erfassen eines Drehmoments Licht zu emittieren; ein Mittel zur Lichtübertragung, bestehend aus einer optischen Faser, die in der zweiten Nut angeordnet ist und angepasst ist, um das Licht von dem Mittel zur optischen Signalumwandlung zu empfangen; und ein Mittel zum Detektieren von Licht, um das von dem Mittel zur Lichtübertragung übertragene Licht zu empfangen.
Vorrichtung zur Messung eines Drehmoments eines rotierenden Körpers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Detektieren von Licht ein Licht-in-Elektrizität-Umwandlungselement umfasst, welches an wenigstens einer Endfläche der optischen Faser angeordnet ist.
Vorrichtung zur Messung eines Drehmoments eines rotierenden Körpers nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Detektieren von Licht zusammen mit dem Mittel zur Lichtübertragung in der zweiten Nut angeordnet ist, die auf dem zweiten Transformatorkern gebildet ist, der dem antreibenden Flansch gegenüberliegt und den Satz von Drehtransformatoren mit dem ersten Transformatorkern vervollständigt.
Vorrichtung zur Messung eines Drehmoments eines rotierenden Körpers nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur optischen Signalumwandlung, das in der ersten Nut vorgesehen ist, und das Mittel zur Lichtübertragung und das Mittel zum Detektieren von Licht, die beide in der zweiten Nut vorgesehen sind, derart angeordnet sind, dass sie nicht über eine Zwischenfläche hervorstehen, welche durch die ersten und zweiten Transformatorkerne definiert ist.
Vorrichtung zur Messung eines Drehmoments eines rotierenden Körpers nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Lichtübertragung und das Mittel zum Detektieren von Licht, die beide in der zweiten Nut vorgesehen sind, mit einem Filter zum Herausfiltern von sichtbarem Licht bedeckt sind.
Vorrichtung zur Messung eines Drehmoments eines rotierenden Körpers nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Lichtübertragung derart gewählt ist, dass es in wenigstens einer Windung innerhalb und entlang der zweiten Nut gewunden ist.
Verfahren zum Messen eines Drehmoments, mit folgenden Schritten: Setzen eines Mittels zum Erfassen von Drehmoment, das eine einem Wert eines Drehmoments entsprechende physikalische Grösse in ein elektrisches Signal umwandelt, an einer inneren umlaufenden Fläche eines Zylinderabschnitts an eine Stelle, an der der Zylinderabschnitt eine geringste Dicke in seiner umlaufenden Wand zwischen einem antreibenden und einem angetriebenen Flansch aufweist; Umwandeln des elektrischen Signals von dem Mittel zum Erfassen von Drehmoment in ein optisches Signal mit einem Elektrizität-in-Licht-Signalumwandlungsmittel und Übertragen des optischen Signals an einen stationären Abschnitt; Richten des von einem rotierenden Abschnitt abgegebenen optischen Signals auf eine Seitenfläche einer optischen Faser, die in einer Nut vorgesehen ist, die an einem Transformatorkern ausgeformt ist, der derart im stationären Abschnitt angeordnet ist, dass er dem angetriebenen Flansch gegenüberliegt, wodurch das optische Signal in ein elektrisches Signal umgewandelt wird; Aussetzen des elektrischen Signals einem vorbestimmten Wellenform-Formungsprozess für ein frequenzmoduliertes Signal; Demodulieren des frequenzmodulierten Signals; und Abrufen des demodulierten Signals als ein analoges Signal mittels eines vorbestimmten Schaltung.