DE69330985T2

DE69330985T2 - Winkelbeschleunigungsdetektor

Info

Publication number: DE69330985T2
Application number: DE69330985T
Authority: DE
Inventors: Akira Akahane; Ivan Godler
Original assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Current assignee: Harmonic Drive Systems Inc
Priority date: 1992-03-29
Filing date: 1993-03-26
Publication date: 2002-04-04
Anticipated expiration: 2013-03-27
Also published as: CA2103369C; DE69330985D1; EP0586712A1; WO1993020451A1; KR100277139B1; JP3504265B2; EP0586712B1; TW222326B; EP0586712A4; US5537874A; CA2103369A1

Description

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Winkelbeschleunigungsdetektor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder 2, der eine Winkelbeschleunigung eines Drehkörpers, beispielsweise einer Motorwelle oder dergleichen, über einen unendlich großen Drehwinkelbereich des Drehkörpers berührungslos ermittelt. Ein Winkelbeschleunigungsdetektor dieser Art ist in der US-A-2 579 349 offenbart.

Technischer Hintergrund

Üblicherweise sind als Winkelbeschleunigungsdetektor zum Nachweisen einer Winkelbeschleunigung eines Drehkörpers ein Flüssigkeitsrotortyp-Tachometer und ein Wirbelstromtachometer bekannt.
Der Flüssigkeitsrotor-Tachometer, dessen Struktur in Fig. 15 dargestellt ist, erfaßt Bewegungen einer Flüssigkeit anstelle des Pendels bei einem Servo-Beschleunigungsdetektor und er mißt einen Wert eines rückgekoppelten elektrischen Stroms, der in ein Servosystem eingespeist wird, damit das Servosystem einen Balance- Zustand bezüglich der Flüssigkeitsbewegung herbeiführt, um auf diesem Wege eine Winkelbeschleunigung anhand des gemessenen elektrischen Rückkopplungssignals zu erfassen.
Genauer gesagt: Die in einer ringförmigen Röhre 1 eingeschlossene Flüssigkeit 2 ist durch ein Paddel 3 unterteilt. Wenn der Tachometer selbst sich zu drehen beginnt, neigt die Flüssigkeit zum Verharren, demzufolge das die Flüssigkeit unterteilende Paddel einer Winkelauslenkung unterliegt aufgrund einer auf es ausgeübten Kraft. Ein Auslenkungsdetektor 4 erfaßt diese Auslenkung und liefert ein Drehmoment mit Hilfe eines elektrischen Rückkopplungsstroms, um das Paddel 3 in die Nullstellung zu bringen. Da der Wert des elektrischen Rückkopplungsstroms proportional ist zu dem Ausmaß der erfolgten Winkelbeschleunigung, läßt sich die erfolgte Winkelbeschleunigung nach Maßgabe des derzeitigen elektrischen Rückkopplungssignals bestimmen.
Andererseits ist gemäß Fig. 16 der Wirbelstromtachometer so aufgebaut, daß ein Permanentmagnet zur Bildung eines magnetischen Kreises verwendet wird, und ein zylindrischer Aluminiumrotor in diesem Kreis angeordnet ist, so daß eine Winkelbeschleunigung basierend auf einer magnetischen elektromotorischen Kraft nachgewiesen wird, die entsprechend einer Änderung der Rotordrehzahl zustande kommt.
Da allerdings der Flüssigkeitsrotor-Tachometer in seinem Drehwinkel-Meßbereich beschränkt ist, leidet er unter dem Nachteil, daß er eine Winkelbeschleunigung nicht in einem unendlichen Drehbereich erfassen kann. Der Wirbelstromtachometer hingegen benötigt eine hochempfindliche Signalverarbeitungsschaltung, da die detektierten Signale extrem schwach sind.
Im Hinblick auf die obigen Unzulänglichkeiten wird vorgesehen, einen Winkelbeschleunigungsdetektor zu schaffen, der imstande ist, eine Winkelbeschleunigung eines Drehkörpers über einen unendlichen Drehwinkel hinweg zu erfassen.
Der in der US-A-2 579 349 offenbarte Beschleunigungsdetektor enthält eine erste Scheibe, die starr mit einer Drehwelle verbunden ist, und eine zweite Scheibe, die an der Drehwelle über eine schlanke Torsionswelle angebracht ist, die elastisch in Umfangsrichtung verformbar ist. Über den Umfang der ersten Scheibe sind in einem vorbestimmten Intervall erste Schlitze gebildet, und über den Umfang der zweiten Scheibe sind in einem vorbestimmten Winkel zweite Schlitze gebildet. Die ersten und die zweiten Schlitze sind jeweils entlang einer Archimedes-Spirale geformt, so daß sie einander kreuzen. Die Kreuzungsstelle hängt ab von dem Auftreten und dem Ausmaß einer Winkelbeschleunigung, erfaßt wird sie mit Hilfe einer Detektoranordnung, die eine Lichtquelle und einen Lichtempfänger aufweist, welche auf verschiedenen Seiten der beiden Scheiben angeordnet sind.
Ein Winkelbeschleunigungsdetektor, wie er in der US-A-4 077 266 offenbart ist, enthält zwei koaxial angeordnete Zylinder, deren Zylinderwände mit Schlitzen versehen sind, welche in der Weise ausgebildet sind, daß im beschleunigungsfreien Zustand die Schlitze eine geringfügige außerphasige Beziehung zueinander aufweisen, hingegen in eine Überlappungsbeziehung zueinander treten, wenn es zu einer Winkelbeschleunigung kommt. Einer der Zylinder ist fest an einem Drehkörper gelagert, während der andere Zylinder an dem Drehkörper über Blattfedern gelagert ist, die eine Relativ-Drehung zwischen den beiden Zylindern zulassen, wenn eine Winkelbeschleunigung stattfindet. Der mit dem Drehkörper über die Blattfedern gekoppelte Zylinder ist mit einem Sensorgewicht ausgestattet. Die Zylinderwände beider Zylinder befinden sich zwischen einer Lichtquelle und einem Lichtempfänger, wobei das von dem Lichtempfänger empfangene Licht abhängt vom Auftreten und dem Ausmaß einer Winkelbeschleunigung.
Die US-A-2 290 589 offenbart einen Winkelbeschleunigungsdetektor mit einem ringförmigen Trägheitselement, dessen äußere Ringfläche mit einem Steuerkurvenabschnitt ausgestattet ist, der mit einem Steuerkurvenfolger zusammenarbeitet, welcher als Schalter-Betätigungsglied ausgebildet ist. Das Trägheitsringelement ist mit einer Drehwelle über eine Reihe von speichenförmigen flachen Federelementen gekoppelt. Jedes Federelement ist mit einem inneren Ende in einem Schlitz der Drehwelle fixiert, während das äußere Ende mit einer länglichen Öffnung zur Aufnahme eines Stifts ausgestattet ist, der sich durch eine Lasche an einer entsprechenden Stelle am Innenumfang des Trägheitsringelements angeordnet ist.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Winkelbeschleunigungsdetektors, der sich einfach herstellen läßt.

Offenbarung der Erfindung

Winkelbeschleunigungsdetektoren gemäß der Erfindung, die dieses Ziel erreichen, sind in den Ansprüchen 1, 2, 9 und 10 angegeben. Ausführungsformen solcher Beschleunigungsdetektoren sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein Winkelbeschleunigungsdetektor gemäß der Erfindung besitzt zwei Schlitze enthaltende Scheiben (eine erste und eine zweite Scheibe), die starr und koaxial in gegenüberstehender Lage an einem Drehkörper gelagert sind, und eine Halbleiter-Stellungsdetektoreinheit, die als Detektoreinrichtung ausgebildet ist und beispielsweise aus einem Licht emittierenden Element und einem Halbleiter-Positionsdetektorelement besteht, die einander über die Schlitze der jeweiligen Scheiben gegenüberliegend angeordnet sind, wobei eine Winkelbeschleunigung des Drehkörpers mit Hilfe dieser Detektoreinrichtung erfaßt wird. Die Schlitze in der zweiten Scheibe kreuzen die Schlitze der ersten Scheibe unter einem vorbestimmten Winkel. Die zweite Scheibe besitzt einen ringförmigen Gewichtsbereich an der radial äußeren oder radial inneren Seite eines Schlitzbildungsbereichs, und ein elastisch verformbarer Federbereich ist über den Umfang an der Innenseite der Gewichts- und Schlitzbildungsbereiche angeordnet.
Wenn sich der Drehkörper dreht, drehen sich die beiden Scheiben zusammen mit dem Drehkörper. Während der Drehung wird der Federbereich elastisch und geringfügig in Umfangsrichtung durch die Trägheit des Gewichtsbereichs der zweiten Scheibe abhängig von der Änderung der Drehkörper-Drehzahl verformt. Im Ergebnis bewegen sich auch die radial außerhalb des Federbereichs befindlichen Schlitze etwas in Umfangsrichtung, demzufolge die Kreuzungsstelle der Schlitze der zweiten Scheibe relativ zu der ersten Scheibe abhängig von den Bewegungen der Schlitze der zweiten Scheibe bewegt werden. Die Bewegungen der Kreuzungsstellen der Schlitze werden von der Halbleiter-Positionsdetektoreinheit nachgewiesen. Die nachgewiesene Bewegungslage (Bewegungshub) entspricht der Winkelbeschleunigung des Drehkörpers. Aus diesem Grund läßt sich die Winkelbeschleunigung des Drehkörpers messen.
Der Gewichtsbereich der zweiten Scheibe kann durch Erhöhung der Dicke dieses Bereichs der Scheibe gebildet werden. Zur Schaffung des Gewichtsbereichs kann auch eine Scheibe konstanter Dicke verwendet werden.
Darüber hinaus kann die zweite Scheibe eine Scheibe aus einem einzigen Material sein, in der die zweiten Schlitze und der Gewichtsbereich ausgebildet sind, alternativ können diese Bereiche in separaten Elementen ausgebildet sein, die dann zusammengebaut werden, um die zweite Scheibe zu bilden. Bei diesem Aufbau ist es von Vorteil, daß feine Schlitze in einfacher Weise exakt ausgebildet werden können, beispielsweise durch Verwendung von Glasmaterial, um den Schlitzbereich zu bilden.
Als nächstes können die ersten und die zweiten Schlitze derart gebildet werden, daß sie zueinander geneigt sind. Insbesondere dann, wenn die ersten Schlitze um einen vorbestimmten Winkel relativ zu der radialen Richtung der Scheibe geneigt sind und die zweiten Schlitze mit gleichem Winkel zu der radialen Richtung in entgegengesetztem Sinn geneigt sind, bewegt sich der Schwerpunkt der Kreuzungsstellen der ersten und zweiten Schlitze in Umfangsrichtung.
Was die Form der Schlitze angeht, so könne diese Geraden entsprechen, bevorzugt haben sie jedoch die Form einer Archimedes-Spirale.
Die Detektoreinheit befindet sich vorzugsweise in Umfangsrichtung an mehreren Stellen, wodurch eine nicht exakte Scheibenbefestigung, ungenaue Schlitzausbildung oder dergleichen kompensiert werden können, indem man die Ausgangssignale der Detektoreinheiten hernimmt.
Als die ersten und die zweiten Schlitze kann von solchen Schlitzen Gebrauch gemacht werden, die in demselben Intervall angeordnet sind, zwischen sich allerdings eine geringfügige Phasenversetzung besitzen. In diesem Fall wird die Änderung des Überlappungsbereichs der ersten und der zweiten Schlitze, hervorgerufen durch Drehung des Drehkörpers, mittels der Detektoreinheit erfaßt, und basierend auf der erfaßten Änderung kann die Winkelbeschleunigung des Drehkörpers ermittelt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht, die den Aufbau eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Winkelbeschleunigungsdetektors zeigt;
Fig. 2 ist eine Schnittansicht, die die Form einer Scheibe des Detektors nach Fig. 1 zeigt;
Fig. 3 ist eine Draufsicht, die die Form der Scheibe des Detektors nach Fig. 1 zeigt;
Fig. 4 veranschaulicht die Beziehung zwischen den Schlitzen des Detektors nach Fig. 1.
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm, das ein Steuersystem für den Detektor nach Fig. 1 zeigt;
Fig. 6(A) und 6(B) sind eine Draufsicht bzw. eine Schnittansicht, welche eine Scheibe mit einer anderen Querschnittsform zeigen, die sich für die vorliegende Erfindung eignet;
Fig. 7(A) und 7(B) sind eine Draufsicht bzw. eine Schnittansicht, die eine Scheibe einer noch weiteren Struktur zeigen, welche sich für die vorliegende Erfindung eignet;
Fig. 8 veranschaulicht die Form des Kreuzungsbereichs (Überlappungsbereichs) der Schlitze des Detektors nach Fig. 1;
Fig. 9(A) und 9(B) veranschaulichen Schlitze, die relativ zueinander entgegengesetzt geneigt sind und sich für die vorliegende Erfindung eignen;
Fig. 10 veranschaulicht die Form des Kreuzungsbereichs (Überlappungsbereichs), der durch die Schlitze nach Fig. 9 gebildet wird;
Fig. 11 veranschaulicht Schlitze einer anderen Form, die sich für die vorliegende Erfindung eignet;
Fig. 12 veranschaulicht ein Beispiel für die Anordnung von Detektoreinheiten;
Fig. 13 veranschaulicht ein weiteres Beispiel für die Anordnung von Detektoreinheiten;
Fig. 14 veranschaulicht einen Hauptteil eines weiteren Beispiels der Erfindung;
Fig. 15 zeigt einen herkömmlichen Winkelbeschleunigungsdetektor;
Fig. 16 veranschaulicht einen anderen Winkelbeschleunigungsdetektor üblicher Bauart.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Beispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines Winkelbeschleunigungsdetektors gemäß dem vorliegenden Beispiel. Der Winkelbeschleunigungsdetektor 10 hat bei diesem Beispiel ein ringförmiges Gehäuse 11 und eine zu messende Drehachse 13, die durch die Mitte des Gehäuses 11 verläuft, wobei sie mittels eines Lagers 12 drehbar ist. Zwei Scheiben 14 und 15 sind fest in einander gegenüberliegendem Zustand an der Außenfläche der Drehachse 13 innerhalb des Gehäuses 11 angebracht. Diese Scheiben 14 und 15 sind an ihren radial außen gelegenen Seiten mit Schlitzen 16 und 17 ausgestattet, die bei gleichmäßigem Abstand über den Umfang hinweg angeordnet sind. Ein Halbleiter-Stellungsdetektorteil 19 einer Halbleiter-Stellungsdetektoreinheit ist die Schlitze 16 und 17 übergreifend angeordnet. Der Detektorteil 19 enthält eine Leuchtdiode 20 und ein Halbleiter-Stellungsdetektorelement 21.
Fig. 2 und 3 zeigen die Form der obigen Scheibe 15. Wie in diesen Figuren gezeigt ist, besitzt die Scheibe 15 dieses Beispiels einen dünnen ringförmigen Bereich 15a, der sich an der radial am weitesten außen liegenden Seite der Scheibe befindet, und in der die Schlitze 17 ausgebildet sind. Ein dicker ringförmiger Gewichtsbereich 15b ist an der radial innen gelegenen Seite bezüglich des dünnen ringförmigen Bereichs 15a ausgebildet. Der Gewichtsbereich 15b wird von Rippen 15c gehaltert, die sich in gleichen Winkeln von 90º von der Innenfläche des Gewichtsbereichs in Richtung der Mitte der Scheibe erstrecken. Die mittleren Enden dieser Rippen 15c sind mit der Außenfläche eines Flansches 15d verbunden und werden davon gehaltert, wobei der Flansch an der Drehachse 13 fixiert ist. Die Rippen 15c bilden einen Federbereich, der elastisch in Umfangsrichtung verformbar ist. Die Kennlinie des Federbereichs ist eingestellt durch Variieren der Dicke, der Breite und der Anzahl der Rippen. Demgegenüber ist die andere Scheibe 14 eine starre Scheibe mit im wesentlichen konstanter Dicke.
Als nächstes sollen die in den Scheiben 14 und 15 ausgebildeten Schlitze 16 und 17 erläutert werden. Diese in der Scheibe 14 ausgebildeten Schlitze 16 sind die, die in gleichen Abständen ausgebildet sind und sich radial erstrecken. Andererseits sind die Schlitze 17 in der Scheibe 15 diejenigen, die mit gleichem Mittenabstand ausgebildet sind, die sich aber in einer Richtung erstrecken, welche um einen vorbestimmten Winkel gegenüber der radialen Richtung geneigt ist.
Fig. 4 zeigt die Schlitze 16 und 17 in der Weise, daß sie in seitlicher Richtung gegenüber der Umfangsrichtung aufgeweitet sind. In der Zeichnung sind die durch gestrichelte Linien dargestellten Schlitze die Schlitze 16 in der Scheibe 14, die durch ausgezogene Linien dargestellten Schlitze sind die Schlitze 17 in der Scheibe 15. Eine durch eine angedeutete Linie dargestellte Fläche ist eine Detektorfläche oder ein Detektorbereich für das Positionsdetektorelement 21. Die Schlitze 16 bestehen aus mehreren Schlitzen 16a mit einem Mittenabstand oder einer Teilung p, während die übrigen Schlitze 17 aus mehreren Schlitzen 16a bestehen, die um einen vorbestimmten Winkel gegenüber den Schlitzen 16a geneigt sind. Die Kreuzungs- oder Überlappungsstellen A der Schlitze 16a und 17a definieren Lichtwegbereiche. Wenn die jeweiligen Schlitze 16a und 17a seitlich zueinander bewegt werden, bewegen sich die Kreuzungsstellen A in ihrer Gesamtheit in vertikaler Richtung. Die Bewegungsstellen der Stellen A werden von dem Halbleiter-Stellungsdetektorelement 21 erfaßt.
Fig. 5 zeigt ein Steuersystem für den Winkelbeschleunigungsdetektor 10 des vorliegenden Beispiels. Paralleles Licht von der Leuchtdiode 20 läuft durch die Kreuzungsstellen A und gelangt auf die Detektorfläche 21a des Halbleiter-Stellungsdetektorelements 21, demzufolge photoelektrische Ausgangssignale 11 und 12, dividiert durch ein Verhältnis entsprechend der Bestrahlungsstelle des Lichts von dem Detektorelement 21 erzeugt werden. Beim vorliegenden Beispiel wird die von der Leuchtdiode 20 abgegebene Lichtmenge derart gesteuert, daß die Summe der Ausgangssignale 11 und 12 konstant gehalten wird und damit die bewegten Stellen A abhängig von der Ausgangssignalen des Detektorelements 21 gemessen werden können.
Bei dem Winkelbeschleunigungsdetektor 10 gemäß dem oben erläuterten Beispiel weichen, wenn die Drehachse 13 sich zu drehen beginnt oder die Drehzahl der Drehachse sich ändert, die Schlitze 17 der Scheibe 15 am Umfang relativ gegenüber den Schlitzen 16 der anderen Scheibe 14 ab. Das heißt: Aufgrund der Trägheitskraft des ringförmigen Gewichtsbereichs 15b, der in der Scheibe 15 ausgebildet ist, wird deren Federbereich 15d elastisch in Umfangsrichtung verformt, so daß die Schlitze 17 dementsprechend eine Abweichung erfahren. Im Ergebnis weichen die Kreuzungsstellen (die Lichtwegstellen) A, die zwischen den Schlitzen 16 und 17 gebildet sind, in radialer Richtung aus. Deshalb bewegt sich auch die Lichtempfangsstelle (der Schwerpunkt des Lichts) der Halbleiter-Stellungsdetektoreinheit 21. Durch die Bewegung der Lichtaufnahmestelle variieren die Ausgangssignale des Detektorelements 21. Dadurch läßt sich die Winkelbeschleunigung der Drehachse 13 abhängig von den Ausgangssignalen des Detektorelements messen.
Zur Bezugnahme soll ein Beispiel für das Verfahren der Ausgestaltung des Winkelbeschleunigungsdetektors 10 nach diesem Beispiel erläutert werden. Zunächst sei die maximale Winkelversetzung ansprechend auf eine gegebene maximale Winkelbeschleunigung δm (rad/s²) definiert durch φm (rad). Wenn das Trägheitsmoment des Detektors J beträgt und eine Federkonstante des Federbereichs der Scheibe 15 mit k bezeichnet wird, so beträgt das durch die Beschleunigung hervorgerufene Drehmoment
Tm = δm·J
und der durch den Federbereicher hervorgerufene Versatz beträgt
Tm = φm·k
Da beide Drehmomente im stationären oder konstanten Drehzustand gleich sind, gilt
δm·J = φm·k
Aus obiger Gleichung ist ein Verhältnis von k zu J zu gewinnen:
k/J = δm/φm
Das Verhältnis k/J ist proportional zu einem Quadrat der mechanischen Eigenfrequenz.
k/J = ωn²
Wenn eine Beschleunigung, die imstande ist, die Drehzahl von 0 Upm auf 3000 Upm in einer Zeitspanne von 10 ms zu erhöhen, die maximale Winkelbeschleunigung ist, so gilt
δm = (ω1 - ω0)/Δt = [(3000 - 1)/0,01]·2π/60 = 31416 (rad/s²)
Wenn der maximale Winkelversatz eine Minute beträgt, so gilt
φm = (1/60)·(π/1180) = 2,91 · 10&supmin;&sup4; (rad)
Damit wird das Verhältnis von k zu J
k/J = δm/φm = 31416/(2,91 · 10&supmin;&sup4;) = 1,08 · 10&sup8; (1/s²)
Die Eigenfrequenz wird zu
ωn = (k/J)1/2 = 10392 (rad/a) = 1654 Hz
Dementsprechend läßt sich die Bandbreite, die für den Detektor gefordert wird, definieren durch die maximale Winkelbeschleunigung und den maximalen Winkelversatz. Das Trägheitsmoment J und die Federkonstante k können so eingestellt werden, daß das obige Verhältnis von k/J erfüllt ist.
Bei dem vorliegenden Beispiel ist die Scheibe 15 mit vier Rippen 15c ausgestattet. Alternativ können bei gleichem Winkel drei oder mehr als vier Rippen vorhanden sein. Die Anzahl der Rippen bestimmt sich durch die geforderte Federkonstante. Typischerweise beträgt die Anzahl der Rippen drei bis zwölf. Darüber hinaus ist bei diesem Beispiel die Scheibe 14 mit sich radial erstreckenden Schlitzen gebildet, während die Scheibe 15 mit darin geneigten Schlitzen ausgebildet ist, wobei die Schlitze die Schlitze der Scheibe 14 kreuzen. Im Gegensatz dazu können die sich radial erstreckenden Schlitze in der Scheibe 15 ausgebildet sein, während die geneigten Schlitze dann in der Scheibe 14 gebildet sind. Darüber hinaus können, wenngleich die Schlitze 16 und 17 der Scheiben 14 und 15 an ihren am weitesten außen gelegenen Seiten bei dem obigen Beispiel gebildet sind, die Schlitze auch auf ihren Innenseiten gebildet sein. Beispielsweise können die Schlitze 17 in der Scheibe 15 an der Innenseite des Gewichtsbereichs 15b liegen, und die Schlitze 16 können in einem Bereich der Scheibe 14 ausgebildet sein, der diesen Schlitzen gegenüberliegt.

Form des Gewichtsbereichs

Bei dem obigen Beispiel ist die Querschnittsform der Scheibe 15 dort, wo der Gewichtsbereich 15b eingerichtet ist, gemäß Fig. 2 verdickt. Alternativ kann, wie in den Fig. 6(A) und 6(B) gezeigt ist, die Scheibe 15 aus einer Scheibe 151 konstanter Dicke bestehen. In diesen Figuren sind entsprechende Teile wie in den Fig. 2 und 3 mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Scheibe 151 ist mit drei Rippen ausgestattet, die in gleichmäßigen Winkelabständen angeordnet sind. Die Scheibe 151 besitzt Abschnitte oder Bereiche 15a und 15b, die als der Gewichtsbereich fungieren. Wird die Scheibe konstanter Dicke verwendet, so hat dies den Vorteil, daß sich die Scheibe einfach herstellen läßt und sich die Federkennlinie der Scheibe einfach einstellen läßt, und dergleichen.

Struktur der Scheibe

Fig. 7(A) und 7(B) zeigen ein weiteres Beispiel für die Scheibe 15. Die in diesen Figuren dargestellte Scheibe 152 besitzt ein Ringplatte oder ringförmige Platte 153 aus Glas, in der Schlitze 17 gebildet sind, und eine Ringplatte 54 aus Metall ist fest und koaxial an der Seite der Ringplatte 153 angebracht. Die ringförmige Metallplatte 154 besitzt einen äußeren Umfangsbereich 154a, der als Gewichtsbereich fungiert und über drei Rippen 15c mit dem fest an dem (nicht gezeigten) zu messenden Drehteil gehalterten Flanschteil verbunden ist.
Wie oben erläutert, läßt sich durch die Scheibe 152 dieses Beispiels, da das Glasmaterial, welches sich mit feinen Schlitzen exakt fertigen läßt, zur Bildung eines Schlitz tragenden Teils verwendet wird, die Detektorgenauigkeit verbessern. Da außerdem das Metallmaterial zur Bildung des Gewichts- und des Federbereichs verwendet wird, lassen sich diese Teile einfach fertigen. Als Material für den Schlitze tragenden Teil kommen außer Glas noch Keramik, Kunststoff und dergleichen in Betracht. Die metallischen Werkstoffe enthalten Aluminium, Stahl, rostfreien Stahl, Nickel und dergleichen. Außerdem können Gewichts- und Federbereich auch aus Kunststoff oder Keramik bestehen. Beim Zusammenbau unterschiedlicher Materialien müssen die verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten dieser Werkstoffe berücksichtigt werden.

Neigung der Schlitze

Wenn jeder Schlitz von entweder den Schlitzen 16 oder 17 um einen vorbestimmten Winkel gegenüber der radialen Richtung gemäß Fig. 4 geneigt ist, sind gemäß Fig. 8 die Kreuzungsstellen (Lichtdurchgangsbereiche) A von Parallelogrammform. Wenn die Schlitze sich relativ verschieben, bewegt sich der Schwerpunkt des durch jede der Kreuzungsstellen gehenden Lichts in der Weise, wie es in Fig. 8 durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist.
Wenn andererseits beide Schlitze 16a und 17a um einen vorbestimmten Winkel α/2 (in der Zeichnung, k = ¹/&sub2;) entgegengesetzt geneigt sind bezüglich der radialen Richtung, so hat der Kreuzungsbereich der Schlitze die Form eines Rombus, wie in den Fig. 9(A) und 9(B) gezeigt ist. Im Ergebnis bewegt sich bei einer Relativbewegung der beiden Schlitze der Schwerpunkt des Lichtdurchgangs durch den Kreuzungsbereich in Umfangsrichtung. Dementsprechend läßt sich durch Neigen der Schlitze in entgegengesetzte Richtungen der Vorteil erzielen, daß der Schwerpunkt des durch den Kreuzungsbereich gehenden Lichts sich nicht radial bewegt.

Form der Schlitze

Bei den obigen Beispielen sind die Schlitze 16a und 17a geradlinig mit konstanter Breite. Statt dessen kann man gemäß Fig. 11 auch eine Archimedes-Spirale wählen. Der Schlitz gemäß dieser Kurve besitzt eine Mittellinie, deren Radius r(φ) durch folgenden Ausdruck definiert ist:
r(φ) = (R2 - R1)φ/α + R1
wobei R2: Radius der Außenseite des Schlitzes
R1: Radius der Innenseite des Schlitzes
φ: Winkel
α: Abweichungswinkel
r(φ): ein Radius der Mittellinie, welcher die Form des Schlitzes definiert.
Durch Wahl einer solchen Kurve für die Form des Schlitzes läßt sich die Empfindlichkeit des Detektors unabhängig von Winkelabweichungen der Scheiben konstant halten.

Unterbringung des Detektors

Es ist bevorzugt, zwei Detektorelemente zum Erfassen des durch den Schlitz- Kreuzungsbereichs gehenden Lichts in einem Intervall von 90º oder 180º anzuordnen, wie dies in Fig. 12 und 13 gezeigt ist. Durch solche Ausgestaltung kann die Detektor-Ungenauigkeit, verursacht durch eine Ungenauigkeit der Scheibenbefestigung, eine Schlitzabweichung oder dergleichen, unter Verwendung der Ausgangssignale dieser Detektorelemente kompensiert werden.

Weiteres Beispiel

Fig. 14 zeigt einen Hauptteil eines weiteren Beispiels gemäß der Erfindung. Beim vorliegenden Beispiel sind die Scheiben 14 und 15 mit Schlitzen 16 ausgebildet (dargestellt durch ausgezogene Linien in der Zeichnung) sowie Schlitzen 17 (in der Zeichnung durch gestrichelte Linien dargestellt). Die Schlitze 16 und 17 sind in gleichen Abständen angeordnet, allerdings mit einem geringfügigen Phasenversatz zwischen sich. Wenn die Schlitze relativ zueinander bewegt werden, ändert sich die Menge des durch den durch die Schlitze definierten Kreuzungsbereich gehenden Lichts. Basierend auf der Änderung der Lichtmenge läßt sich die Winkelbeschleunigung des auszumessenden Drehkörpers nachweisen. Die übrigen Teile dieses Beispiels sind die gleichen wie bei den zuvor erläuterten Beispielen, so daß hier die Erläuterung entfällt.

Industrielle Anwendbarkeit

Wie oben erwähnt, sind bei dem erfindungsgemäßen Winkelbeschleunigungsdetektor zwei Schlitz tragende Scheiben fest an dem zu messenden Drehkörper gelagert, wobei die Schlitze in einer der Scheiben elastisch in Umfangsrichtung ansprechend auf die Winkelbeschleunigung des Drehkörpers ausweichen, und das Ausweichen der Schlitze wird von der Detektoreinrichtung erfaßt, wodurch die Winkelbeschleunigung des Drehkörpers gemessen wird. Erfindungsgemäß kann mit einem einfachen Aufbau die Winkelbeschleunigung des Drehkörpers in einem unendlichen Drehwinkelbereich des Drehkörpers erfaßt werden.

Claims

1. Winkelbeschleunigungsdetektor (10) umfassend:

a) eine erste Scheibe (14), koaxial und fest an einem Drehkörper (13) gelagert, um sich zusammen mit diesem zu drehen;

b) eine zweite Scheibe (15; 151), die gegenüber der ersten Scheibe (14) angeordnet und koaxial an dem Drehkörper (13) gelagert ist, um sich zusammen mit diesem zu drehen;

c) erste Schlitze (16), die entlang dem Umfang in der ersten Scheibe (14) in einem vorbestimmten Intervall gebildet sind;

d) zweite Schlitze (17), die entlang dem Umfang in einem Schlitzbildungsbereich der zweiten Scheibe (15, 151) gegenüber den ersten Schlitzen (16) gebildet sind, und die sich in einer Richtung erstrecken, welche die ersten Schlitze (16) unter einem vorbestimmten Winkel kreuzt;

e) einen ringförmigen Gewichtsbereich (15a, 15b), der an einer radial außen liegenden und/oder an einer radial innen liegenden Seite des Schlitzbildungsbereichs der zweiten Scheibe (15; 151) gebildet ist;

f) eine Federeinrichtung (15c), die nachgiebig in Umfangsrichtung verformbar ist, und die an einer radial innen gelegenen Seite der Schlitzbildungs- und Gewichtsbereiche (15a, 15b) der zweiten Scheibe (15; 151) angeordet ist; und

g) eine Detektoreinrichtung (19) zum Detektieren einer Lageänderung der Kreuzungsbereiche der zweiten Schlitze (17) bezüglich der ersten Schlitze (16), wobei eine solche Änderung durch Drehung des Drehkörpers (13) zustande kommt;

h) wobei eine Winkelbeschleunigung des Drehkörpers (13) basierend auf einer Erfassung durch die Detektoreinrichtung (19) festgestellt wird; dadurch gekennzeichnet, daß:

i) die zweite Scheibe (15; 151) fest an dem Drehkörper (13) angebracht ist; und

j) die zweite Scheibe (15; 151) aus einer Scheibe aus einem einzigen Material gebildet ist, in welcher die zweiten Schlitze (17), der ringförmige Gewichtsbereich (15a, 15b) und die Federeinrichtung (15c) ausgebildet sind.

2. Winkelbeschleunigungsdetektor (10) umfassend:

b) eine zweite Scheibe (152), die gegenüber der ersten Scheibe (14) angeordnet und koaxial an dem Drehkörper (13) gelagert ist, um sich zusammen mit diesem zu drehen;

d) zweite Schlitze (17), die entlang dem Umfang in einem Schlitzbildungsbereich der zweiten Scheibe (152) gegenüber den ersten Schlitzen (16) gebildet sind, und die sich in einer Richtung erstrecken, welche die ersten Schlitze (16) unter einem vorbestimmten Winkel kreuzt;

e) einen ringförmigen Gewichtsbereich (154a), der an einer radial außen liegenden und/oder an einer radial innen liegenden Seite des Schlitzbildungsbereichs der zweiten Scheibe (152) gebildet ist;

f) eine Federeinrichtung (15c), die nachgiebig in Umfangsrichtung verformbar ist, und die an einer radial innen gelegenen Seite der Schlitzbildungs- und Gewichtsbereiche (154) der zweiten Scheibe (152) angeordet ist; und

i) die zweite Scheibe (152) fest an dem Drehkörper (13) angebracht ist; und

j) die zweite Scheibe (152) eine erste ringförmige Platte (153), die mit dem Schlitzbildungsbereich versehen ist, und eine zweite ringförmige Platte (154), die fest und koaxial an der ersten ringförmigen Platte (153) befestigt ist, und in der die Gewichts- und Federbereiche (154a, 15c) ausgebildet sind, aufweist.

3. Winkelbeschleunigungsdetektor (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die zweite Scheibe (151) eine konstante Dicke aufweist.

4. Winkelbeschleunigungsdetektor (10) nach Anspruch 2, bei dem die erste und die zweite ringförmige Platte (153, 154) aus verschiedenen Materialien gefertigt sind.

5. Winkelbeschleunigungsdetektor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die ersten Schlitze (16) gegenüber einer radialen Richtung der ersten Scheibe (14) um einen vorbestimmten Winkel geneigt sind, und die zweiten Schlitze (17) um denselben Winkel in die entgegengesetzte Richtung geneigt sind.

6. Winkelbeschleunigungsdetektor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem zumindest einer von den ersten und den zweiten Schlitzen (16, 17) entlang einer Archimedes-Spirale geformt ist.

7. Winkelbeschleunigungsdetektor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Detektoreinrichtung (19) ein Licht emittierendes Element und ein Halbleiter-Positionsdetektorelement quer über die ersten und die zweiten Schlitze (16, 17) verlaufend aufweist, wobei die Detektoreinrichtung (19) den Schwerpunkt von Licht erfaßt, welches durch die ersten und die zweiten Schlitze (16, 17) hindurchtritt.

8. Winkelbeschleunigungsdetektor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Detektoreinrichtung (19) an mehreren Stellen in Umfangsrichtung der Scheiben (14, 15; 151; 152) angeordnet ist.

9. Winkelbeschleunigungsdetektor (10), umfassend:

f) eine Federeinrichtung (15c), die nachgiebig in Umfangsrichtung verformbar ist, und die an einer radial innen gelegenen Seite der Schlitzbildungs- und Gewichtsbereiche (15a, 15b, 17) der zweiten Scheibe (15; 151) angeordet ist; und

h) wobei eine Winkelbeschleunigung des Drehkörpers (13) basierend auf einer Erfassung durch die Detektoreinrichtung (19) festgestellt wird; dadurch gekennzeichnet:

i) die zweite Scheibe (15; 151) fest an dem Drehkörper (13) montiert ist;

j) die zweite Scheibe (15; 151) aus einer Scheibe aus einem einzigen Material gebildet ist, in der die zweiten Schlitze (17), der ringförmige Gewichtsbereich (15a, 15b) und der Federbereich (15c) gebildet sind; und

k) die zweiten Schlitze (17) in einer Weise geformt sind, daß im beschleunigungsfreien Zustand sie eine geringfügige außerphasige Lagebeziehung bezüglich der ersten Schlitze (16) aufweisen.

10. Winkelbeschleunigungsdetektor (10), umfassend

c) erste Schlitze (16), die entlang dem Umfang in der ersten Scheibe (14) in einem, vorbestimmten Intervall gebildet sind;

d) zweite Schlitze (17); die entlang dem Umfang in einem Schlitzbildungsbereich (17) der zweiten Scheibe (152) in einem Schlitzbildungsbereich (17) gebildet sind, und die sich in einem vorbestimmten Intervall erstrecken;

f) eine Federeinrichtung (15c), die nachgiebig in Umfangsrichtung verformbar ist, und die an einer radial innen gelegenen Seite der Schlitzbildungs- und Gewichtsbereiche (15a, 15b, 17) der zweiten Scheibe (152) angeordet ist; und

i) die zweite Scheibe (152) fest an dem Drehkörper (13) angebracht ist;

j) die zweite Scheibe (152) eine erste ringförmige Platte (153), die mit dem Schlitzbildungsbereich versehen ist, und eine zweite ringförmige Platte (154), die fest und koaxial an der ersten ringförmigen Platte (153) befestigt ist, und in der die Gewichts- und Federbereiche (154a, 15c) ausgebildet sind aufweist; und

11. Winkelbeschleunigungsdetektor (10) nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die zweite Scheibe (152) eine konstante Dicke aufweist.

12. Winkelbeschleunigungsdetektor (10) nach Anspruch 10 oder 11, bei dem die erste und die zweite kreisförmige Platte (151, 154) aus verschiedenen Materialien gefertigt sind.

13. Winkelbeschleunigungsdetektor (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem die Detektoreinrichtung (19) an mehreren Positionen in Umfangsrichtung der Scheiben (14, 15) angeordnet ist.