專利名稱：具有傳感器單元的滾動軸承裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有用于檢測旋轉(zhuǎn)的軸承部件的角度位置和/或轉(zhuǎn)速的電容式傳感器單元的滾動軸承裝置。
背景技術(shù)：
無論是用于檢測物體的角度位置和轉(zhuǎn)速的傳感器，還是具有這種傳感器的滾動軸承裝置早就都被現(xiàn)有技術(shù)充分地公開。在這些已知的傳感器中應(yīng)用了磁阻的、光學(xué)的或電感的系統(tǒng)。例如EP 0 395 783 Al公開了將滾動軸承中本來存在的部件(例如保持架)用作為交變極性的偶數(shù)個離散磁場的載體。這些部件的旋轉(zhuǎn)通過一個或多個安裝在本來存在的靜止部件(例如靜態(tài)的軸承環(huán))上的霍爾效應(yīng)傳感器轉(zhuǎn)化成電信號。DE 101 05 824 Al公開了一種滾動軸承，通過它可以檢測兩個軸承環(huán)相對的旋轉(zhuǎn)角度。所描述的軸承包括具有測量范圍大于360°的旋轉(zhuǎn)角度傳感器。該傳感器裝置包括設(shè)置在滾動軸承的保持架上的第一刻度元件和與內(nèi)環(huán)或外環(huán)抗旋轉(zhuǎn)地連接的第二刻度元件。這些刻度元件具有光學(xué)編碼并且通過光學(xué)傳感器可探測。該系統(tǒng)非常容易受到污染影響。DE 197 48 996 Cl也涉及一種具有集成的傳感器的球軸承。該傳感器用于檢測兩個軸承環(huán)彼此間的相對運動。對此設(shè)置一個至少局部構(gòu)造的磁極轉(zhuǎn)子5，其與旋轉(zhuǎn)的軸承部件相連。此外還有用于探測磁極轉(zhuǎn)子的傳感器。該磁極轉(zhuǎn)子優(yōu)選由可磁化的材料構(gòu)成并且?guī)в写艠?biāo)記，這些磁標(biāo)記可被磁阻傳感器探測。此外，已知借助加速度傳感器求得滾動軸承的狀態(tài)功能，這些加速傳感器檢測和分析滾動的滾動軸承的固體聲。分析首要地用于識別滾動軸承的損壞。另外現(xiàn)有技術(shù)公開了電容式接近開關(guān)，其例如用于區(qū)域監(jiān)控或允許檢測轉(zhuǎn)速或旋轉(zhuǎn)角度。在此，電容器板之間的電介質(zhì)的變化引起電容量變化，該變化被相應(yīng)地分析。為了在該方法中(轉(zhuǎn)速測量)獲得可用的結(jié)果，電容式傳感器需要相對大的面積。DE 600 16 395 T2公開了一種用于電容式地確定運動物體位置的改進(jìn)的裝置和方法。在此，在靜電場中設(shè)置一個固定元件和一個運動元件。兩個元件之一帶有電作用的圖案，其在運動元件旋轉(zhuǎn)時調(diào)制元件之間的靜電場。該場的變化被相應(yīng)地分析。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是實現(xiàn)一種具有傳感器單元的滾動軸承，該傳感器單元具有簡單且非磁敏的結(jié)構(gòu)以及不易受環(huán)境影響和污染影響。該任務(wù)通過具有權(quán)利要求1的特征的滾動軸承裝置解決。本發(fā)明的有利的實施形式在從屬權(quán)利要求中說明。根據(jù)本發(fā)明的滾動軸承裝置包括可旋轉(zhuǎn)的軸承部件、固定的軸承部件和電容式傳感器單元。傳感器單元包括可旋轉(zhuǎn)地支承的第一傳感器元件(轉(zhuǎn)子)，其與可旋轉(zhuǎn)的軸承部件連接，此外還包括至少一個位置固定的導(dǎo)電的第二傳感器元件(定子)。這樣地構(gòu)造電容式傳感器單元，即通過轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)電介質(zhì)的局部變化。在此轉(zhuǎn)子本身為電介質(zhì)的組成成分。另外傳感器單元還包括用于產(chǎn)生優(yōu)選為周期性的靜電場的構(gòu)件，該構(gòu)件設(shè)置在電容器上。定子和轉(zhuǎn)子優(yōu)選根據(jù)DE 600 16 395 T2所描述的電容式位移傳感器的實施方式之一來構(gòu)造。此文獻(xiàn)已被明確地引用到本專利申請的公開內(nèi)容中，因此這里可以不對定子和轉(zhuǎn)子以及其相互作用進(jìn)行詳細(xì)描述。定子例如可以包括兩個板或盤，在它們之間設(shè)置轉(zhuǎn)子。在此兩個板構(gòu)成電容器，轉(zhuǎn)子構(gòu)成電容器的電介質(zhì)(與之間的空氣層一起)。定子也可僅由一個元件構(gòu)成，轉(zhuǎn)子設(shè)置在該元件對面。在此，兩個電容器板設(shè)置在該一個定子元件上，而轉(zhuǎn)子具有耦合板，其傳導(dǎo)電場。兩個構(gòu)造在定子上的電容器板之一包括多個分布在圓周上的分段。其中一個電容器板用作靜電場發(fā)送器，另一個用作接收器。當(dāng)發(fā)送器被分成多個分段時，通過將交流電壓在發(fā)送器的各個分段中相位移動地 (phasenverschoben)饋入來產(chǎn)生靜電場。當(dāng)接收器被分成多個分段時，在認(rèn)識饋入的場的情況下可以從電容器的輸出功率中求出轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度的正弦和余弦。兩個傳感器元件可相對旋轉(zhuǎn)。兩個傳感器元件之一、優(yōu)選轉(zhuǎn)子具有實物量具
(MaBverkorperung ),其在傳感器元件相對運動時引起電容器電容量的變化或者說
靜電場的調(diào)制。在此，該實物量具由傳感器元件的幾何形狀或例如由具有導(dǎo)電能力的、設(shè)有相應(yīng)圖案的覆蓋層來構(gòu)造。此外傳感器單元還有用于分析電容量變化的處理和放大電子裝置。本發(fā)明的優(yōu)點尤其在于具有集成的傳感器單元的軸承裝置的結(jié)構(gòu)特別簡單，可物美價廉地制造，而且不易受環(huán)境影響和污染影響，例如在潤滑劑中的污染。有利的是，在許多應(yīng)用中取消了單獨的角度測量系統(tǒng)，這樣可以減少結(jié)構(gòu)空間、成本以及安裝時間。根據(jù)本發(fā)明的滾動軸承裝置，即軸承-測量系統(tǒng)-結(jié)合體例如也可在同步電動機(jī)或異步電動機(jī)中為了電子換向以及確定增量的和絕對的角度而直接安裝在電動機(jī)軸的軸承中。在本發(fā)明的一種優(yōu)選的實施方式中，實物量具由正弦形循環(huán)構(gòu)成，該實物量具優(yōu)選作為多個切口、凹部或通過不同的厚度分布、質(zhì)量分布或傳感器面之一或兩個上的覆蓋層來形成。實物量具的循環(huán)數(shù)目確定測量參數(shù)的基本分辨率。然后由基本分辨率乘以每個循環(huán)的內(nèi)插系數(shù)可確定總分辨率。在一些特別優(yōu)選的實施方式中，第二實物量具設(shè)置在傳感器面之一上。當(dāng)?shù)诙嵨锪烤邽?60°結(jié)構(gòu)時，可以求出絕對角度位置。這點在第二實物量具的結(jié)構(gòu)為這樣的時候也是可能的，即構(gòu)造其循環(huán)數(shù)目，使得細(xì)結(jié)構(gòu)與粗結(jié)構(gòu)的比例關(guān)于360°始終是單義的(例如16個循環(huán)的細(xì)結(jié)構(gòu)、3個循環(huán)的粗結(jié)構(gòu))。這樣的一種實施方式也是可能的，即其僅設(shè)置了所描述的第二實物量具，而在此不存在被稱為第一實物量具的那個。于是在精度較小的情況下例如在360°或120°上獲得單義的角度配屬，這在一些應(yīng)用情況下是完全足夠的。通過結(jié)合實物量具可得到具有高精度和分辨率的單義的轉(zhuǎn)子位置。
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再通過其它的實物量具可以進(jìn)行多通道的精調(diào)以及檢測其它的軸承振動。于是這些實物量具應(yīng)該從粗到細(xì)分級。此外，電容器面的不同分段中的靜電場具有不同的(例如相位移動的)分布被證明是有利的。按本發(fā)明軸承裝置承擔(dān)引導(dǎo)實物量具或運動的傳感器元件的任務(wù)以及接納旋轉(zhuǎn)的軸或旋轉(zhuǎn)的部件，同時傳感器單元直接耦聯(lián)到軸承上。所以在許多應(yīng)用情況下取消單獨用于檢測轉(zhuǎn)速或旋轉(zhuǎn)方向的傳感器方案。在本發(fā)明的一種有利的實施方式中，傳感器單元被設(shè)置在單獨的殼體中，該殼體完成安裝地與滾動軸承可結(jié)合，傳感器元件之一抗旋轉(zhuǎn)地與滾動軸承的旋轉(zhuǎn)的軸承部件連接。在這種情況下，有利的是通過該殼體可以實現(xiàn)傳感器單元良好的電屏蔽。通過穩(wěn)定的殼體部件將軸承預(yù)緊或者說將力軸向傳遞到軸承上。有利的是，傳感器殼體和實物量具可以與軸承分開。例如出于維修目的或回收可需要這樣做。在本發(fā)明的一種特別有利的實施方式中，傳感器單元直接集成到滾動軸承中。對此，具有實物量具的傳感器元件可以設(shè)置在軸承環(huán)之間的間隙中。有利的是，滾動軸承包括用于位置的數(shù)字的絕對值輸出端和/或用于檢測轉(zhuǎn)速的模擬的正弦/余弦輸出端。當(dāng)然，滾動軸承可以包括其它的傳感器，處理電子裝置附加地處理它們的信號。這些其它的傳感器例如可以檢測滾動軸承的溫度、振動和/或運行時間。由于由上述傳感器元件提供的測量值也與可能出現(xiàn)在軸承上的振動有關(guān)，所以有利的是，在適當(dāng)分析測量信號時將這些影響作為振動的量度過濾掉，使得可以放棄附加的傳感器，例如加速度傳感器。在此，從與相位無關(guān)的電容量變化可以推出頻率變化(例如通過軸承損壞引起)。DE 600 16 395 T2公開了用于構(gòu)造傳感器元件和分析方法的其它例子，這些都包含在本發(fā)明的公開范圍之內(nèi)。


下面借助附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的優(yōu)選的實施方式。附圖如下圖1具有電容式傳感器單元的滾動軸承的立體視圖；圖2根據(jù)圖1的縱向剖面視圖；圖3電容式傳感器的轉(zhuǎn)子的實物量具。
具體實施例方式圖1示出了一種根據(jù)本發(fā)明的作為滾動軸承01與電容式傳感器單元02的結(jié)合體的滾動軸承裝置。傳感器單元02在滾動軸承01的側(cè)面上大約整面地與滾動軸承連接并且優(yōu)選包括用于被支承的軸(未示出)的通孔。傳感器單元和滾動軸承之間的連接例如可以通過粘接、力鎖合的(kraftschlilssig)和/或形鎖合的(formschlilssig)安裝來進(jìn)行。在該實施例中，形鎖合在軸承環(huán)上在用于密封環(huán)(未示出)的切口上實現(xiàn)。在此傳感器單元 02的外直徑優(yōu)選略小于滾動軸承01的外直徑。傳感器單元02包括電輸入裝置03，通過該電輸入裝置一方面向傳感器單元供電，另一方面將所檢測到的信號送出用語后續(xù)處理。這些信號例如可以通過數(shù)字接口被傳輸?shù)娇刂破鳌D2示出了圖1中所示的滾動軸承01與傳感器單元02的結(jié)合體的縱向剖面圖。 已知滾動軸承01包括內(nèi)環(huán)04、外環(huán)05以及設(shè)置在它們之間的滾動體06，這些滾動體在保持架07中引導(dǎo)。傳感器單元02包括作為可旋轉(zhuǎn)地被支承的第一傳感器元件的轉(zhuǎn)子08，該轉(zhuǎn)子與可旋轉(zhuǎn)的內(nèi)環(huán)04抗旋轉(zhuǎn)地連接。定子09作為位置固定的第二傳感器元件抗旋轉(zhuǎn)地與傳感器殼體10連接。定子09包括兩個板11、12，它們構(gòu)成電容器，電容器的電容量持續(xù)地在處理和放大電子裝置13中被測量，該處理和放大電子裝置優(yōu)選也被設(shè)置在傳感器殼體10中。 將兩個板的至少一個分段，即在圓周方向上分成不同的多個分段。通過與角度相關(guān)的覆蓋兩個板11、12中之一上的分段來調(diào)制電容量，來產(chǎn)生常見的正弦/余弦信號。該信號用于確定位置并且與120°結(jié)構(gòu)一起構(gòu)成用于確定絕對位置的基礎(chǔ)(圖3)。實物量具(參見圖3)設(shè)置在轉(zhuǎn)子08上。通過實物量具的形狀來影響位置確定的精度。此外傳感器元件08、09的形狀還允許檢測確定的振動頻率，這些確定的振動頻率允許說明軸承的磨損和負(fù)荷。在外環(huán)可旋轉(zhuǎn)的情況下，配置可簡單地進(jìn)行適配。圖3舉例示出作為第一傳感器元件的轉(zhuǎn)子08的可能形狀的俯視圖。所示的轉(zhuǎn)子 08在其外圓周區(qū)域中具有16個正弦形循環(huán)，以致產(chǎn)生轉(zhuǎn)子08的類似齒輪的形狀。第一實物量具由這些循環(huán)或者說循環(huán)數(shù)目構(gòu)成。在轉(zhuǎn)子08的徑向內(nèi)部區(qū)域中可看到具有材料加強部的結(jié)構(gòu)16。該結(jié)構(gòu)為第二實物量具，其由三個在圓周上分布的正弦形循環(huán)構(gòu)成，借助它們充分準(zhǔn)確地確定360°結(jié)構(gòu) (3X120° )。由此可確定轉(zhuǎn)子08的絕對的轉(zhuǎn)動角度位置。如果在轉(zhuǎn)子上設(shè)置多個實物量具，那么優(yōu)選為每個實物量具在定子上進(jìn)行單獨分段。處理和放大電子裝置產(chǎn)生用于求得轉(zhuǎn)速的模擬的正弦/余弦信號，并且也優(yōu)選產(chǎn)生用于確定絕對位置的數(shù)字信號。但原則上也可以使用任意的信號形式來傳輸和分析信號。這兩種信號形式通過測量系統(tǒng)導(dǎo)線被傳輸給外部控制器?？梢杂猛耆珨?shù)字的信號來代替一般用于調(diào)整位置的模擬的正弦/余弦信號。于是僅通過電動機(jī)導(dǎo)線就可將信號傳輸?shù)娇刂破?。也就是說，在電動機(jī)中使用的情況下可以節(jié)約測量系統(tǒng)導(dǎo)線。在本發(fā)明另外一些實施方式中，可借助相同的傳感器面狀裝置并行地確定軸承外環(huán)與內(nèi)環(huán)之間的振動及軸承溫度。出現(xiàn)的振動也會導(dǎo)致疊加的電容量變化，使得在適當(dāng)過濾的情況下可以得到代表產(chǎn)生的振動的信號。附圖標(biāo)記列表01滾動軸承02電容式傳感器單元03輸入裝置04 內(nèi)環(huán)
05外環(huán)
06滾動體
07保持架
08轉(zhuǎn)子
09定子
10傳感器殼體
11板
12板
13電子裝置
14正弦形循環(huán)，第
15結(jié)構(gòu)，第二實物
權(quán)利要求
1.滾動軸承(01)，其具有可旋轉(zhuǎn)的軸承部件(04)和固定的軸承部件(0 以及與滾動軸承(01)固定連接的或直接集成到滾動軸承(01)中的傳感器單元(02)，其特征在于所述傳感器單元(0 包括可旋轉(zhuǎn)地支承的第一傳感器元件(08)，該第一傳感器元件與可旋轉(zhuǎn)的軸承部件(04)連接；位置固定的導(dǎo)電的第二傳感器元件(09)，該第二傳感器元件通過至少兩個電容器板(11、12)構(gòu)成電容器；用于在電容器板之間產(chǎn)生靜電場的構(gòu)件； 用于分析電容器的電容量變化的處理和放大電子裝置(13)；第一傳感器元件(08)設(shè)置在構(gòu)成的電容器的電介質(zhì)中，并且傳感器元件(08、09)中的至少一個帶有第一實物量具(14)，使得在傳感器元件(08、09)相對運動時產(chǎn)生電容器的電容量的變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的滾動軸承(01)，其特征在于所述第一實物量具通過材料凹部、不同的厚度分布，質(zhì)量分布或在通過第一傳感器元件(08)上的覆蓋層來構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的滾動軸承(01)，其特征在于所述第一實物量具為120°或 360°的結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一的滾動軸承，其特征在于所述第二傳感器元件(09)通過兩個平行設(shè)置的電容器板(11、1幻構(gòu)成，第一傳感器元件(08)設(shè)置在兩個電容器板之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的滾動軸承，其特征在于這兩個板(11、1幻之一具有分段，靜電場相位移動地饋入到該板(11、12)的各分段中，或者檢測在該板的各分段中電容器變化的相位移動的曲線。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一的滾動軸承(01)，只要不引用權(quán)利要求3，其特征在于所述第一傳感器元件(08)包括第二實物量具(16)，優(yōu)選該第二實物量具為360°結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6之一的滾動軸承(01)，其特征在于至少第一實物量具(14)具有正弦形循環(huán)(13)的形狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7之一的滾動軸承(01)，其特征在于所述第一實物量具(14)通過可旋轉(zhuǎn)的軸承部件(04)引導(dǎo)，并且可旋轉(zhuǎn)的軸承部件(04)接納要被確定轉(zhuǎn)速或旋轉(zhuǎn)角度的軸或部件。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8之一的滾動軸承(01)，其特征在于所述滾動軸承包括數(shù)字的絕對值輸出端。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9之一的滾動軸承(01)，其特征在于所述滾動軸承包括其它的傳感器，尤其是用于檢測滾動軸承的溫度、振動和/或運行時間，處理電子裝置附加地處理這些其它的傳感器的信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種滾動軸承(01)，具有可旋轉(zhuǎn)的軸承部件(04)和固定的軸承部件(05)以及與滾動軸承固定連接或直接集成到滾動軸承中的傳感器單元(02)。所述傳感器單元包括可旋轉(zhuǎn)地支承的第一傳感器元件(08)，該第一傳感器元件與可旋轉(zhuǎn)的軸承部件(04)連接；位置固定的導(dǎo)電的第二傳感器元件(09)，該第二傳感器元件通過至少兩個電容器板(11、12)構(gòu)成電容器；用于在電容器板之間產(chǎn)生靜電場的構(gòu)件；用于分析電容器的電容量變化的處理和放大電子裝置(13)。第一傳感器元件設(shè)置在構(gòu)成的電容器的電介質(zhì)中，并且傳感器元件中的至少一個帶有第一實物量具，使得在傳感器元件相對運動時產(chǎn)生電容器的電容量的變化。
文檔編號F16C41/00GK102252029SQ20101055121
公開日2011年11月23日 申請日期2010年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月16日
發(fā)明者D·施密特, J·科格勒, J·西拉基 申請人:伊納驅(qū)動及機(jī)電一體化有限及兩合公司, 施克斯特格曼有限公司, 謝夫勒科技有限責(zé)任兩合公司