专利名称：具有无接触的转矩测量装置的电动工具以及在电动工具中测量转矩的方法
技术领域：
本发明涉及一种电动工具，特别是一种螺丝刀，具有无接触的转矩测量装置、容纳 在壳体中的电机、电机轴和用于测量转矩的转矩传感器，其中，电机轴驱动用于驱动工具的 驱动轴。本发明还涉及一种在电动工具中以无接触传递来测量转矩的方法。
背景技术：
对于螺丝刀来说，在起动螺栓紧固时越发常见地需要正确地保持固定的起动转 矩。为此必须使螺丝刀设置精确工作的系统，该系统确保了螺丝刀在达到固定的起动转矩 时被关断。为此在现有技术中公开了不同的机械解决方案，比如使用关断连接器或其它措 施，然而这些措施总是具有一定的不精确度。其原因除了机械解决方案以及其它解决方案 的本质上的不精确度之外，还有在软性螺栓紧固、即在接近螺栓紧固结束时转矩缓慢升高 的情况下，以及在硬性螺栓紧固、即在接近螺栓紧固结束时转矩突然升高的情况下的不同 的断开特性。因此原则上希望能够对转矩进行精确测量。测量转矩对于进行文件汇编也是有利 的。W02008/093625A1公开了一种用于在电机上检测转矩的装置，其中，通过行星轮传 动装置接收的反应矩通过伸长传感器获取并且提供用于测量转矩。不过这种结构的缺点在于，反应速度通过行星轮传动装置变慢且间接获取转矩使 得精确度变差。况且行星轮传动装置的使用仅针对一些使用情况是合适的。最后，硬性和 软性螺栓紧固情况会导致不同的结果。EP0482120B1公开了一种用于检测在待测量物体上的机械影响的无线传感器，其 中，使用一种由磁性弹力材料制成的元件，该元件利用电感地与其连接的电线圈解谐电气 谐振回路，其中，天线与谐振回路连接，用以传递测量信号。不过已知的结构需要无线信号的高频传递以及配设的天线。这种评价相对耗费， 特别是由于信号的非线性。根据US2003/0200814A1使用一种感应回线，其至少部分地由具有非线性的电 流-电压-关系的磁性伸缩材料构成。使用线圈用以将交流电压传递到感应回线上。诱导 电流的非线性响应借助于传感器线圈获取并且由此评价输出信号，用以获取所需的测量信 号。为了进行评价需要单独的接收线圈。具有多个线圈的结构导致了相对复杂的结构并且需要更大的空间。
发明内容
因此本发明的目的在于，提供一种具有无接触的转矩测量装置的电动工具以及一种在电动工具中测量转矩的方法，由此能够实现尽可能可靠的转矩测量以及同时实现更节 省空间的、更简单的以及成本更低的结构。该目的通过一种电动工具，特别是具有无接触的转矩测量装置的螺丝刀实现，该 电动工具具有容纳在壳体中的电机、电机轴、固定容纳的第一线圈以及容纳在驱动轴或电 机轴上的第二线圈，其中，电机轴驱动用于驱动工具的驱动轴，第二线圈与转矩传感器连 接，其中，两个线圈为了进行双向能量传递电感地相互连接，用以向转矩传感器供给能量并 且用以将转矩传感器的输出信号传递到第一线圈上并且为了产生转矩输出信号进行评价。本发明的目的还通过一种用于在电动工具中测量转矩的方法实现，其中，在固定 设置的第一线圈上传递一个信号，用以向与第一线圈电感连接的、设置在电机轴或设置在 与电机轴相连的驱动轴上的第二线圈供给能量，以及通过转矩传感器获取驱动轴的转矩并 且将该转矩调制到该信号上，用以将该信号传递到第一线圈上并且为了输出转矩输出信号 进行评价，该转矩输出信号代表转矩传感器的输出信号。本发明的目的通过这种方式完美地实现。根据本发明仅使用两个电感地相互连接的线圈，其双向工作，用以一方面实现旋 转的线圈的能量供给且另一方面实现将转矩测量信号通过旋转的线圈传递到固定线圈上。 根据本发明，代替两个分开的用以能量传递和用以测量信号传递的线圈对使用唯一的线圈 对也足够用以向转矩传感器供给能量且将测量信号传递到固定线圈上。这实现了特别简单和节省空间的结构。在本发明的有利的改进方案中，通过两个线圈传递载波信号，该载波信号以代表 转矩传感器的输出信号的频率进行调整。这里载波信号优选为高频率的信号，优选为具有至少1MHz的频率的矩形信号，且 调制信号是具有比载波信号的频率更低的频率的信号，优选为具有最高200KHZ的频率的 矩形信号。通过该措施可以使能量传递一方面与向旋转的线圈的能量供给另一方面与在相 反方向上的测量信号的传递特别好地相结合。通过在载波信号和调制信号之间使用足够的 频率间隔，可以实现将调制信号干净利落地分开和整理，用以获得精确的测量信号。根据本发明的另一个设计方案，第一线圈与第一驱动线路连接，通过第一驱动线 路将载波信号传递到第一线圈上，其中，第二线圈与供给线路连接，供给线路从载波信号中 产生供给电压，以及转矩传感器产生输出信号，通过第二驱动线路将该输出信号作为调制 信号调制到载波信号上，其中，第一线圈与评价线路连接，该评价线路评价调制信号，用以 产生转矩输出信号，该转矩输出信号代表作用在驱动轴上的转矩。因此可以以简单和有利的方式确保在固定线圈上的测量信号的传递和评价。根据本发明的另一个设计方案，转矩传感器被设计成电阻应变片。电阻应变片可在大量的实施方式中使用且实现了高精确度地获取伸长或扭转，用 以由此产生转矩测量信号。在本发明的优选的改进方案中，线圈具有以设计在电子印刷电路板上的印制电路 的形式的线圈匝。这里优选可以是两侧蚀刻的印刷电路板。通过这种方式可以确保线圈的非常简单和紧凑的结构。该线圈可以同时与各个电 子元件相结合地设计在一个或多个电子印刷电路板上。通过这种设计可以实现非常可靠和节省空间的结构。通过印刷电路板的工业化的制造过程确保了过程安全的、高精确度的以及可再生 的印刷电路板的生产。在本发明的另一个有利的设计方案中，两个线圈具有相同的匝数和几何尺寸且因 此可以相同地构建。由此实现了两个线圈之间的可靠和高效的电感连接。通过相同的结构可以实现简 单和节省空间的解决方案。根据本发明的另一个设计方案，线圈具有螺旋状延伸的线圈匝。这实现了作为印制电路设计在电子印刷电路板上的线圈匝的简单设计。根据本发明的另一个设计方案，第二线圈通过整流器与电压调节器相连，该电压 调节器产生基准电压。基准电压可以有利地用于向转矩传感器供给电压。在该实施方式的额外的改进方案中，基准电压与电阻应变片连接，该电阻应变片 的输出端与放大器连接。通过这种方式可以使用电阻应变片进行转矩测量，由此确保了高灵敏度地和精确 地获取转矩。根据本发明的另一个设计方案，转矩传感器的放大的输出信号通过电压-频 率-转换器转换成频率信号。通过这种方式可以将转矩传感器的输出信号以简单的方式调制到载波信号上并 且传递到第一线圈上。这里，在该实施方式的优选的改进方案中，载波信号通过负载电阻被调制到第二 线圈上的载波信号上。通过这种实施方式得出了特别简单的结构。在第二线圈的电流回路中得到了额外 的负载，该负载相应地也通过电感连接被传递到第一线圈上并且可以在此进行评价。在本发明的另一个设计方案中，第一驱动器具有振荡器，该振荡器的输出信号优 选通过M0SFET-驱动器和电容器与第一线圈连接。通过这种方式可以将不受干扰的、高频率的载波信号通过第一线圈传递到第二线 圈上。根据本发明的另一个设计方案，在第一线圈的电流回路中设置有电流传感器、优 选电流测量电阻，其与评价电子装置连接用于放大调制的信号。通过这种方式实现了调制的信号的简单的获取和整理，用以获得代表获取的转矩 的转矩输出信号。根据本发明的另一种设计方案，在电流传感器上下降的电压通过滤波器与比较仪 连接，该比较仪将与转矩成正比的测量频率作为转矩输出信号发出。通过滤波器可以实现将调制的信号从载波信号上分离并且借助于比较仪实现放 大，从而实现将与转矩成正比的具有足够的信号强度的测量频率作为输出信号。可以这样理解，产生的转矩输出信号可以以任意的方式进行评价且继续进行处 理，用以实现合适的控制功能或其它功能。因此转矩输出信号可以用来比如为了在达到固 定的起动转矩时关断螺丝刀。也可以标记、存储或显示信号，比如为了文件汇编。还可以使用转矩输出信号用于识别过载状态，用以达到电动工具的快速断开。可以这样理解，前述的以及接下来还将说明的本发明的特征不仅可以在各个给出 的结合中，也可以在其它的结合中使用或单独使用，而不会脱离本发明的范围。
本发明的其它特征和优点从下面参照附图的描述中给出。其中图1是根据本发明的电动工具的简化示图；图2是根据图1的转矩测量装置的线路图；图3是两个线路板和它们在电机轴上的布置的放大示图以及图4是第二线圈的放大视图。
具体实施例方式图1大大简化地展示了根据本发明的电动工具且该电动工具整体上用附图标记 10表示。其在所示的情况下为手枪式的螺丝刀。电动工具10具有壳体12，在壳体中容纳 电动机14，该电动机具有定子16和转子18。转子18与电机轴20连接，电机轴驱动传动装 置22，传动装置22传动驱动轴24。驱动轴24最后与工具容纳装置26连接，工具28可松 开地固定在工具容纳装置26上。该工具在所示的情况下其可以比如是螺丝刀位。根据本发明，公知的电动工具10现在额外设有无接触工作的转矩测量装置，该转 矩测量装置整体上用附图标记30表示。转矩测量装置30具有两个组件，固定在壳体12上 的第一固定组件32以及固定在驱动轴24上的第二旋转组件34。如下面还将详细描述的那 样，在每个组件32、34上设计有线圈。两个线圈相互以极小的间隔(大约0.5至2. 5mm)设 置，从而确保两个线圈之间的电感连接。两个线圈用于以对旋转组件34进行能量供给的载波信号以及以代表获取的转矩 以及被传递到固定线圈上的调制的测量信号进行双向能量传递。整个转矩测量装置30仅包括两个组件32、34以及以电阻应变片形式的转矩传感 器52 (图3)。整个电子元件安置在两个组件32、34上。组件32、34分别包括一个装配电 路板45、47以及与此相连的电路板，在该电路板上构建线圈44、46。装配电路板45、47和 在其上构建有线圈44、46的电路板被设计成两侧蚀刻的印刷电路板。如图4举例示出，线 圈44、46连同蚀刻的印制导线形状的线圈匝80设置在电路板上。线圈44、46在几何尺寸 上相同设计且具有相同的匝数，在所示的情况下分别为13匝(在图4中示例性展示了更少 的匝数)。线圈匝在两侧被设置成螺旋状，这简化了在印制电路板上的布置。可以这样理解，根据各个使用情况也可以使用其它的匝数以及其它的几何尺寸并 且两个线圈44、46原则上也可以不同地设计。然而在各个情况下两个线圈44、46在空间上 相邻地布置，从而确保线圈44、46之间的电感连接。在每个线圈44、46的电路板上设置有中央孔82 (图4)，从而可以由驱动轴24贯穿 安装，如图3所示。第一组件32包括带有电子构件的装配电路板45以及与此连接的线圈 电路板，在该线圈电路板上设置有第一线圈44。第一组件32借助于合适的保持件78固定 在壳体12上。第二组件34包括带有电子构件的装配电路板47以及与此连接的线圈电路 板，在该线圈电路板上设置有第二线圈46。根据图3，第二组件34借助于环件76固定在驱动轴24上，从而使线圈46相对于驱动轴24径向地以及与线圈44平行地以大约1. 5mm的 间隔设置。在驱动轴24上还粘接有以电阻应变片形式的转矩传感器52并且以粘接的钎焊点 布线。这里仅举例示出第一装配线路板45。其也可以从驱动轴24上拆卸下来置入壳体12 中并且借助于(尽可能短的)电线与第一线圈44连接。现在，借助于图2详细描述转矩测量装置30的功能。在第一固定组件32上设置有具有输入电压范围在7至25V的通用直流电源36。 其向整个组件32供给调节的5V电压。该实施方式对于蓄电池驱动的螺丝刀特别合适。如 果螺丝刀被电源驱动或已经提供了相应的稳定的5V直流电压，则可以使用合适的交流值 流-电源设备，或完全弃用电源设备。固定线圈44被以载波信号形式的4MHz的高频电压加载。为此振荡器38产生4MHz 的矩形电压。该矩形电压在可逆和不可逆的M0SFET-驱动级40上给出。该驱动级40在输 出端处供给具有10V和4MHz的差动输出信号。该输出信号通过电容器42传递到固定线圈 44上，该电容器被用来作为直流电压退耦器。4MHz的载波信号由固定线圈44通过电感连接被传递到旋转线圈46上。该信号借 助于快速整流器48整流并且借助于电容器滤波。未调节的电压大约为10V。其通过高精确 度和中性温度的电压调节器被转换为5V的基准电压，以该基准电压向第二开关线路板34 上的整个电子元件进行供给。以电阻应变片形式的转矩传感器52被设计成电阻测量电桥。其以四根绞合线连 接在第二开关线路板34上。两根绞合线具有用于向电阻应变片进行供给的5V的基准电压， 另外两根绞合线引导与转矩成正比的电阻应变片的传感器信号。电阻应变片的两个输出端 53,54被输送给精确放大器58，该精确放大器将测量信号整理到0至5V的输出电压中。放 大器58以56RV的电阻预先校准驱动轴24的特性。该0至5V的信号借助于电压_频率_转换器被转换成20KHz至80KHz (矩形-TTL) 的测量频率。以该频率将负载电阻64R^t通过电子开关器62以FET的形式(在整流器48 之后)接通到未调节的直流电压上。在线圈46中感应的且通过直流电压48整流的电压也 额外通过电阻64在测量频率的周期内被加载。虽然这对电压调节器50 (以其产生5V的基 准电压)没有影响，但是额外的负载导致了穿过固定线圈44的相应的电流升高。因此在 4MHz的载波信号下对20至80KHz测量信号进行调制。用于固定线圈44的驱动器40必须与测量频率同步地相应供给更多的电流。为了量出测量信号，驱动器40的地线接头66不是直接地、而是通过电流测量电阻 68尺 ^接地。因此在电流测量电阻68上下降具有4MHz载波频率的电压，载波频率以20KHz 至80KHz的测量频率叠加而成。因此为了整理信号，在后面连接200KHz低通滤波器70，用 以阻止4MHz的高频。如此获得的测量信号借助于比较仪72进行探测并且整理成5V-TTL 信号。因此转矩输出信号作为矩形信号以20至80KHz提供在比较仪72的集电极开路输出 端74上。80KHz. . . 50KHz. . . 20KHz的测量频率成正比地对应于转矩 (+100% ...0% ...-100% ) 因此测量频率与转矩直接成正比。转矩仅取决于电机轴20 的尺寸和材料。可以实施以Nm为单位的测量值的校准，由此可以相应地校正电子元件。
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在输出端74获得的测量频率可以被继续处理，用以比如确保在达到固定的转矩 时准确地断开螺丝刀并且可以比如被获取到存储器中，该存储器可以为了文件汇编进行读 取。
权利要求
一种电动工具，特别是一种螺丝刀，具有无接触的转矩测量装置(30)、容纳在壳体(12)中的电机(14)、电机轴(20)、固定容纳的第一线圈(44)、容纳在驱动轴(24)或电机轴(20)上的第二线圈(46)，电机轴驱动用于驱动工具(28)的驱动轴(24)，第二线圈与转矩传感器(52)连接，其中，两个线圈(44、46)为了双向传递能量电感地相互连接，用以向转矩传感器(52)供给能量并且用以将转矩传感器(52)的输出信号传递到第一线圈(44)上以及为了产生转矩输出信号进行评价。
2.按照权利要求1所述的电动工具，其中，通过两个线圈(44、46)传递载波信号，载波 信号以代表转矩传感器的输出信号的频率进行调制。
3.按照权利要求2所述的电动工具，其中，载波信号是高频信号，优选是具有至少1MHz 频率的矩形信号，且调制信号是具有比载波信号的频率更低的频率的信号，优选是具有最 高200KHz频率的矩形信号。
4.按照前述权利要求中任一项所述的电动工具，其中，第一线圈(44)与第一驱动线路 (38,40)连接，通过第一驱动器线路将载波信号传递到第一线圈(44)上，第二线圈(46)与 供给线路(48、50)连接，供给线路从载波信号中产生供给电压，转矩传感器(52)产生输出 信号，输出信号通过第二驱动线路(58、60、62)作为调制信号调制到载波信号上，以及第一 线圈(44)与评价线路(68、70、72)连接，评价线路评价调制信号，用以产生转矩输出信号， 转矩输出信号代表作用在驱动轴(24)上的转矩。
5.按照前述权利要求中任一项所述的电动工具，其中，转矩传感器(52)被设计成电阻 应变片。
6.按照前述权利要求中任一项所述的电动工具，其中，线圈(44、46)具有以在电子印 刷电路板上的印制电路的形式的线圈匝(80)。
7.按照前述权利要求中任一项所述的电动工具，其中，两个线圈(44、46)具有相同的 匝数和几何尺寸。
8.按照前述权利要求中任一项所述的电动工具，其中，两个线圈(44、46)具有螺旋状 设置的线圈匝(80)。
9.按照前述权利要求中任一项所述的电动工具，其中，第二线圈(46)通过整流器(48) 与产生基准电压的电压调节器(50)连接。
10.按照权利要求9所述的电动工具，其中，基准电压与电阻应变片(52)连接，电阻应 变片的输出端(53、54)与放大器(58)连接。
11.按照前述权利要求中任一项所述的电动工具，其中，转矩传感器(52)的输出信号 通过电压-频率-转换器(60)被转换成频率调制的信号。
12.按照权利要求10所述的电动工具，其中，电压-频率-转换器(60)的输出信号通 过负载电阻(64)被调制到第二线圈(46)上的载波信号上。
13.按照权利要求4至12中任一项所述的电动工具，其中，第一驱动线路具有振荡器 (38)，振荡器的输出信号优选通过M0SFET-驱动器(40)和电容器(42)与第一线圈(44)连 接。
14.按照权利要求13所述的电动工具，其中，在第一线圈的电流回路中设置有电流传 感器(68)、优选电流测量电阻，其与评价电子元件(70、72)连接用以放大调制的信号。
15.按照权利要求14所述的电动工具，其中，在电流传感器(68)上下降的电压通过滤波器(70)与电容器(72)连接，电容器发出与转矩成正比的测量频率作为转矩输出信号。
16. 一种用于在电动工具(10)中测量转矩的方法，其中，在固定设置的第一线圈(44) 上传递信号，用以向与第一线圈电感连接地设置在电机轴(20)或设置在与电机轴相连的 驱动轴(24)上的第二线圈(46)供给能量，驱动轴(24)的转矩通过转矩传感器(52)获取 并且被调制到信号上，用以将所述信号传递到第一线圈(44)上并且为了发出转矩输出信 号进行评价，转矩输出信号代表转矩传感器(52)的输出信号。
全文摘要
本发明涉及一种具有无接触的转矩测量装置(30)的电动工具，该电动工具具有容纳在壳体中的电机，电机具有定子和转子，电机驱动用于驱动工具的驱动轴，该电动工具还具有固定地容纳在定子或壳体上的第一线圈(44)，以及容纳在转子或驱动轴上的第二线圈(46)，第二线圈与转矩传感器(52)连接，其中，线圈(44、46)为了双向传递能量电感地相互连接，用以向转矩传感器(52)供给能量并且用以将转矩传感器(52)的输出信号传递到第一线圈(44)上以及为了产生转矩输出信号进行评价。
文档编号B25B21/00GK101875191SQ201010169839
公开日2010年11月3日 申请日期2010年4月29日 优先权日2009年4月30日
发明者莱纳·蔡比施 申请人:C.& E.泛音有限公司