用于确定转矩的设备以及用于操纵机器元件的驱动装置的制作方法

本发明涉及一种用于光电式地确定转矩的设备以及一种用于操纵机器元件或配件、尤其是滑动件配件的驱动装置。

背景技术：

用于确定在轴或耦合器上作用的转矩的测量设备以极不同的实施形式已知。例如转矩测量可以借助应变仪进行，所述应变仪紧固在轴或机轴的表面上。在圆柱体表面上的应变与轴或机轴的转矩成正比。为了也可测量轴的转动或扭转，必需的是，所述轴具有确定的长度。测量值传递例如通过受制于高的磨损的滑环实现。

此外已知用于确定转矩的光电式方法，其中，测量被加载转矩的构件、例如轴的扭转，其方式为：测量两个并排安装在轴上的盘的重叠度。这些盘分别具有径向在其周边上均匀分布的空隙部或窗口。两个盘的空隙部或窗口这样设置，使得它们在没有转矩的情况下完全重叠。在轴转动或扭转时，这两个盘也相对于彼此转动。由此产生在两个盘的空隙部或窗口之间的对应于转动的大的开口。测量穿透盘的空隙部的光强，其中，在盘的一侧上设置有光源并且在盘的对置侧上设置有光度计。透光性与转矩成比例地改变。

最接近的现有技术

由de19849225c1已知一种用于在机器元件上的光电式地确定转矩的设备，其使用两个在机器元件上安装的平行的编码盘，所述编码盘分别包括径向在其周边上分布的栅格线条或采光窗。栅格线条在两个同心的区域中设置。在编码盘的一侧上设置有光源，所述光源在盘的对置侧上配置有以光电二极管形式的光度计。在以轴形式的机器元件上设置有减少的直径的扭转区段，套筒热装在所述扭转区段上。套筒的相邻的、自由端部承载编码盘。在出现转矩时，所述轴的两个外端部相互扭转。所述套筒将所述扭转传递到在其自由端部上安置的编码盘上，各编码盘以相同的程度相互转动。由此改变用于穿透的光的穿透横截面。与扭转成比例地改变的穿过的光量由光电二极管接收并且转化成电压。在随后的电子再处理中，最后确定用于转矩的测量数据。

ep3032233a1公开了一种用于光电式地确定转矩的设备，所述设备包括与驱动侧的第一轴连接的第一耦合法兰以及与输出侧的第二轴连接的第二耦合法兰，其中，两个轴之一沿轴向方向可移动地设置。第一耦合法兰以及第二耦合法兰的相应的端面具有至少一个斜的平面。相对置的端面的斜的平面在初始位置中形成传递转矩的复合体。在转矩提高时，可检测耦合法兰彼此的旋转角位置的变化并且由此可确定转矩。

技术实现要素：

本发明的任务在于，提供一种用于光电式地确定转矩的新型的设备，其在没有大的花费的情况下能够实现精确的转矩检测。

所述任务的解决方案

上述任务通过权利要求1的整个教导解决。独立权利要求18涉及一种用于操纵机器元件或配件、尤其是滑动件配件的驱动装置，其装备有按照本发明的用于光电式地确定转矩的设备。本发明的适宜的设计在从属权利要求中要求保护。

按照本发明，在第一构件和第二构件之间设置有至少一个弹性元件，该弹性元件根据作用于其上的转矩可变形，并且在转矩变化时可检测构件相对于彼此的旋转角位置的变化并且由此可确定转矩。因为第一构件和第二构件的相对转动直接依赖于所施加的转矩进行，所以测量可以以高的精度进行。第一构件和第二构件彼此的转动克服所述至少一个弹性元件的力进行，由此能够实现反应非常迅速的测量，即弹性元件的变形并且由此转矩的确定直接响应于转矩变化。相应的构件的旋转角位置通过光栅检测。最后，由各构件的旋转角位置的旋转角偏差或由此造成的时间偏差确定转矩。不仅非常小的转矩的确定而且相对高的转矩的确定是可能的，而无须实施显著的结构上的变化或不需要特殊构件。仅弹性元件的弹性力或弹簧力可以按照待传递的转矩选择。因为弹性元件直接响应于转矩变化，所以所述布置结构几乎无摩擦。由此可以实现转矩的立即的并且无误差的确定。按照本发明的设备借助光栅此外能够实现：也以简单的并且非常精确的方式实施转矩测量。

所述设备能以有利的方式在结构上这样设计，即，第一构件具有接片，所述接片相对于第二构件在确定的角度范围上可偏转，而第二构件包括弹性元件，接片作用在所述弹性元件上，并且弹性元件在接片偏转时可被加载力。不需要插入其它的传递转矩的元件。由此实现相对简单的、但非常稳定的结构。此外，在第一构件上设置的接片到弹性元件上的直接作用能够实现时间精确的并且直接的转矩检测。

在该结构的设计中，第二构件可以具有至少一个空隙部，弹性元件伸入所述空隙部中并且接片嵌接到所述空隙部中。所述空隙部由此构成用于接片的接纳部，在所述接纳部中，接片在确定的区域内可转动或可偏转并且由此对应于偏转的角度范围对弹性元件加载。所述至少一个弹性元件在此可以设置在另一个空隙部或槽中并且从那里伸入接片也嵌接到其中的空隙部中。

有利地，接片嵌接到其中的所述空隙部同时构成用于限定接片的角度范围的止挡部。由此保证，两个构件不经受彼此过高的转动。同时也确保，基于止挡部不会出现弹性元件的过载。如果在其上设有用于确定转矩的设备的机器元件或配件例如会卡住，则利用所述设备也可以将卡住的机器元件或卡住的配件分开，只要马达的转矩足够的话。

所述空隙部可以设置在第二构件的面向第一构件的端侧上并且接片可以设置在第一构件的面向第二构件的端侧上。由此实现简单的制造和装配。

有利地，转矩经由弹性元件的变化可以不依赖于旋转方向，从而沿两个旋转方向在相同的转矩作用时传递相同的力。因此，不仅沿顺时针反向而且沿逆时针方向所述设备并且因而转矩检测是可能的。

特别有利地，至少一个、优选至少两个弹性元件可以在接片的两侧设置。因此可以总共设置尤其是四个弹性元件。按照需要，例如与要传递的转矩适配地，可以设置任意数量的弹性元件。通过弹性元件在接片两侧设置，能够实现不依赖于旋转方向的转矩确定。根据接片沿着何方向转动并且由此对弹性元件加载压力，对置的弹性元件以对应的方式减负荷。

有利地，弹性元件可以在构件的每个旋转角位置中借助接片被加载压力。由此确保，弹簧压力总是也在减负荷的弹簧上存在。减负荷的弹簧由此也在稳定的位置中保持固定。

适宜地，弹性元件可以相对于接片点对称或镜像对称地设置。有利地，弹性元件也可以相对于接片的中垂线点对称或镜像对称地设置。由此转矩的检测可以不依赖于旋转方向并且沿两个旋转方向在相同的转矩作用时传递相同的力。此外实现在两个构件的耦合区域中的对称均匀的力作用。

接片和/或空隙部可以分别朝向第一构件或第二构件的相应的边缘区域扩宽。这能够实现各个构件和元件的简单的装配、尤其是简单的组装。

有利地，所述弹性元件可以关于其纵轴线沿着旋转角位置的变化的方向定向。由此实现弹性元件沿着构件的转动方向的优化的压力加载。

适宜地可以设置弹簧、尤其是螺旋弹簧、优选螺旋压力弹簧作为弹性元件。对应的螺旋弹簧或螺旋压力弹簧具有如下优点，即，其是低成本的，按照弹簧常数在相对大的范围内承受作用的压力，能以简单的方式嵌入为其设置的空隙部中以及突出之处在于高的耐久性和稳定性。

第一构件和第二构件可以在该设备中这样设计，使得它们在耦合状态中不可沿轴向方向相对移动。即，不需要构件彼此的轴向运动。由此得到如下优点，即，耦合器可以非常一般性地使用，而不需要特殊构件。

接片可以相对于第二构件在+/-30°的角度范围上、优选在+/-20°的角度范围上、特别优选在+/-10°的角度范围上可偏转。由此可以确定对应大的转矩。

有利地，第一编码元件和/或第二编码元件可以构造为编码盘。这样的商业通用的编码盘可以以简单的方式紧固到第一构件和第二构件上。

为了使编码盘的旋转运动以及编码盘彼此的转动或其它编码元件彼此的旋转运动和转动可以借助光栅检测，编码盘或编码元件可以以规则的布置围绕其周边具有空隙部。光栅的光可以穿透所述空隙部，由此旋转运动的检测是可能的。最后，由光栅信号的时间偏差可以确定转矩。

所述设备可以具有壳体，所述壳体包围第一构件和第二构件。光栅也可以紧固在该壳体上，其中，所述光栅相对于编码盘正确地定向。

按照本发明的用于操纵机器元件或配件、尤其是滑动件配件的驱动装置具有马达，该马达具有定子、转子以及马达轴，其中，马达轴装备有用于光电式地确定转矩的设备–如其在上面说明的。对应的滑动件配件例如可以接纳在大约150nm的范围内的转矩，用于确定转矩的设备也可以检测所述转矩。

在用于操纵机器元件或配件的对应的驱动装置中，马达轴和/或转子沿轴向方向不可移动。至少不需要马达轴和/或转子沿轴向方向可移动。转矩检测仅通过第一构件和第二构件彼此的旋转运动实现。

马达可以具有壳体，然而用于光电式地确定转矩的设备处于壳体外部。通过这种方式，用于确定转矩的设备可容易地接近并且提供足够的空间以用于安装编码盘以及光栅。

附图说明

借助有利的实施例按照附图详细解释本发明。在附图中：

图1部分地以剖视图(图2的部分)示出用于光电式地确定转矩的设备的原理图，该设备包括电子的分析单元；

图2部分地以剖视图示出用于操纵机器元件的驱动装置的原理图；以及

图3示出在第一构件和第二构件的区域中的三个透视图(图3a–3c)，其中，所述构件在图3a和3b中不耦合，而在图3c中耦合。

具体实施方式

附图标记1表示按照本发明的用于光电式地确定转矩的设备的整体。如由图1得出，所述设备包括第一构件2以及第二构件3。第一构件2与驱动元件连接并且第二构件3与输出元件连接。此外设置有第一编码盘4，所述第一编码盘不可相对旋转地设置在第一构件2上。第二编码盘5不可相对旋转地设置在第二构件3上。第一光栅6探测第一编码盘4的旋转运动并且第二光栅7探测第二编码盘5的旋转运动。电子的分析单元8用于检测和分析出自第一光栅6以及第二光栅7的信号。此外，所述分析单元用于存储确定的转矩特性曲线。这允许，将当前的测量与较早的测量进行比较。

此外，在第一构件2和第二构件3之间设置有四个弹簧13，这些弹簧按照在其上作用的转矩可变形，并且在转矩变化时可检测构件2、3彼此的旋转角位置的变化并且由此可确定转矩。第一和第二构件2、3在此在耦合状态中不可沿轴向方向相对移动。

第一和第二构件2、3在图3a-c中详细地示出。第一构件2具有接片11，所述接片相对于第二构件3在确定的角度范围上可偏转。接片11在构件2、3转动时作用于弹簧13上。总体上两个构件2、3连同其接片11和弹簧13形成传递转矩的复合体。图3a和3b示出在未耦合的状态中的两个构件2、3，从而各个设计和元件可见。图3c示出在耦合的状态中的两个构件2、3。

在转矩提高时，例如当有旋转力作用在与第一构件2连接的驱动元件上时，接片11将力沿一个方向传递到弹簧13上，所述弹簧根据作用的力变形。这意味着，两个弹簧13被压缩，而另外的两个弹簧13伸长。由此实现的构件2、3彼此的旋转角位置借助编码盘4、5和在其上设置的光栅6、7可检测。通过光栅6、7的信号的时间偏差，能够实现换算成作用的转矩。借助弹簧13以及直接通过接片11传递的力，所述布置结构几乎无摩擦并且响应非常迅速。

第二构件3具有空隙部12，弹簧13伸入所述空隙部中并且接片11在两个构件的耦合状态中嵌接到所述空隙部中。接片11于是在空隙部12内在确定的角度范围内可偏转并且根据转矩对弹簧13加载或多或少的力。空隙部12同时形成用于限定接片11的可偏转的角度范围的止挡部。

空隙部12设置在第二构件3的面向第一构件2的端侧10上。接片11设置在第一构件2的面向第二构件3的端侧9上。弹簧13处于空隙部14中，这些空隙部通入空隙部12中。在空隙部14中设置的弹簧13在此伸入到空隙部12中，使得这些弹簧可利用接片11被加载。

各弹簧13在接片11的两侧镜像对称地设置。转矩的变化由此不依赖于旋转方向并且不仅适用于顺时针旋转而且适用于逆时针旋转。

各弹簧13在构件2、3的每个旋转角位置中都借助接片11加载压力。由此在相对减负荷的弹簧13上也始终存在弹簧压力。

接片11以及空隙部12分别朝向第一或第二构件2、3的相应的边缘区域扩宽。该设计具有如下优点，即，由此使装配变得容易。

各弹簧13关于其纵轴线沿旋转角位置的变化的方向定向或定位并且因而接纳通过接片11作用的力直接用于其沿纵向方向的变形。

接片11能够相对于第二构件3在+/-30°的角度范围上、优选在+/-20°的角度范围上、特别优选在+/-10°的角度范围上可偏转。由此检测对应的转矩范围。

如果在必要情况下需要检测较高的转矩，则弹簧的数量可以任意增加和/或使用具有较高的弹簧常数的弹簧。

如此外由图3a-c得出的，编码盘4、5分别直接对置地具有空隙部14，光栅6、7的光投射穿过这些空隙部。在电子的分析单元8中，由所检测到的编码盘4和5的光栅信号的时间偏差确定或换算成转矩。

设备1此外具有壳体15，所述壳体包围第一和第二构件2、3。编码盘4、5也可以因而适宜地设置在壳体15内部并且因此被保护免受外部影响。

在图2中示出用于操纵机器元件或配件、尤其是滑动件配件的驱动装置。该驱动装置可以具有马达16，所述马达可以包括定子17、转子18以及马达轴19。马达轴19在其前端部上装备有上面所述的用于光电式地确定转矩的设备1。在所示出的实施例中，不仅马达轴19和转子18沿轴向方向不可移动，这对于转矩检测也不是必需的。

利用所示出的驱动装置，例如可以操纵滑动件配件(未示出)、例如用于闭塞管或通道导管的水流的无壳体的滑动件配件。借助用于确定转矩的设备可以确定最大的转矩，由此例如滑动件配件例如在阻碍的情况下不会损坏。在超过确定的转矩时例如可以触发警报。

附图标记列表

1设备

2第一构件

3第二构件

4第一编码盘

5第二编码盘

6第一光栅

7第二光栅

8电子的分析单元

9端侧

10端侧

11接片

12空隙部

13弹簧

14空隙部

15壳体

16马达

17定子

18转子

19马达轴

20壳体