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Dokumentenidentifikation DE19932965A1 25.01.2001
Titel Optischer Drehmomentsensor mit Moiré-Musterdetektion und Nullpunktabgleich
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Bechtold, Mario, Dipl.-Ing., 91341 Röttenbach, DE;
Willsch, Michael, Dipl.-Phys., 90762 Fürth, DE
DE-Anmeldedatum 14.07.1999
DE-Aktenzeichen 19932965
Offenlegungstag 25.01.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.01.2001
IPC-Hauptklasse G01L 3/12
IPC-Nebenklasse G01B 11/25   
Zusammenfassung Der optische Drehmomentsensor für eine um eine Drehachse (21) drehbare Welle (20) umfaßt eine Skaleneinheit (30) mit einer ersten Doppelskala (31) aus einer ersten und einer zweiten in Umfangsrichtung der Welle (20) angeordneten Strichskala, wobei eine Überlagerung beider Strichskalen ein von dem Drehmoment abhängiges, optisch detektierbares erstes Moir1-Muster erzeugt. Detektionsmittel (40) erfassen einen Teilbereich des ersten Moir1-Musters (330a) optisch. In einer Auswerteeinheit wird daraus ein Abbild einer Periode des ersten Moir1-Musters (330a) ermittelt und dem bei stillstehender Welle (20) vorliegenden Nullpunkt des Drehmoments zugeordnet.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen optischen Drehmomentsensor für eine um eine Drehachse drehbare Welle, der mindestens eine Skaleneinheit mit einer ersten Doppelskala aus einer ersten und einer zweiten in Umfangsrichtung der Welle angeordneten Strichskala, die über jeweils einen Träger mechanisch fest und axial durch eine vorgegebene Meßstrecke voneinander beabstandet mit der Welle verbunden und so zueinander benachbart angeordnet sind, daß eine Überlagerung beider Strichskalen ein von dem auf die Meßstrecke einwirkenden Drehmoment abhängiges erstes Moiré-Muster erzeugt, umfaßt. Ein solcher optischer Drehmomentsensor ist aus der GB 2 162 309 A bekannt.

In dem "Handbuch der Sensortechnik - Messen mechanischer Größen", Verlag Moderne Industrie, Landsberg/Lech, 1989, Kapitel 6.6, Seiten 419 bis 443, findet sich eine allgemeine Zusammenstellung über derzeit übliche und bekannte Ausführungsformen eines Drehmomentsensors. Das Drehmoment einer rotierenden Welle oder eines rotierenden Stäbs wird insbesondere über eine Verdrillung (= Torsion) der Welle ermittelt. Die Verdrillung ist nämlich proportional zum Drehmoment und zur Länge des betreffenden Wellenabschnitts sowie umgekehrt proportional zum Wellenquerschnitt und einer materialspezifischen Torsionssteifigkeit. Bis auf die Verdrillung sind dies Parameter, die vor Beginn der Messung bekannt sind. Deshalb läßt sich das Drehmoment dann durch eine Erfassung der Wellentorsion in einem bestimmten Wellenabschnitt ermitteln.

In dem genannten Handbuch wird unter anderem ein optoelektronischer Drehmomentsensor mit Codier-/Lochscheiben beschrieben, wobei eine Detektion der Torsion optisch und damit berührungslos erfolgt. Ein anderer offenbarter Drehmomentsensor bedient sich eines Wirbelstromeffekts zwischen zwei geschlitzten Hülsen oder Scheiben, die aufgrund der torsionsbedingten Verdrehung zu einer detektierbaren Impedanzänderung führen. Auch dieser Sensor arbeitet berührungslos. Weiterhin gibt es einen Drehmomentsensor, der über die Verstimmung einer Resonanzfrequenz einer resonanten Struktur z. B. einer Schwingsaite funktioniert. Die offenbarten Drehmomentsensoren sind je nach Ausführungsform jedoch stets mehr oder weniger störgrößenanfällig und/oder sie haben einen sehr komplexen Aufbau.

In dem Buch "Sensors - A Comprehensive Survey", Vol. 6, Optical Sensors, VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim, 1992, Kapitel 22.4.4, Seiten 570 bis 585, sowie in dem Buch "Grundlagen der Sensorik - Eine Instrumentenkunde für Vermessungsingenieure", Wichmann, 1996, Seiten 113 bis 118, Seiten 292 bis 294 sowie Seiten 442 bis 447, wird das sog. Moiré-Verfahren im Zusammenhang mit der Sensortechnik beschrieben. Ein auswertbares Moiré-Muster entsteht durch eine Überlagerung zweier Strichskalen, wobei sich Hell- und Dunkelmaxima ausbilden, die einen deutlich größeren Periodenabstand aufweisen als eine Gitterperiode (= Periode zwischen den Strichen der Strichskala) der zugrunde liegenden Strichskalen. Dadurch vereinfacht sich eine Detektion erheblich, da eine eingesetzte Detektoreinheit mit einer niedrigeren Grenzfrequenz betrieben werden kann.

Man unterscheidet zwischen zwei grundsätzlichen Moiré-Verfahren. Beim ersten Verfahren werden die beiden Strichskalen gegeneinander verdreht. Deshalb wird dieses Verfahren auch als Verdrehungsmoiré-Verfahren bezeichnet. Beim zweiten Verfahren haben die beiden Strichskalen eine geringfügig voneinander abweichende Gitterperiode. Dadurch ergibt sich ein Moiré-Muster, das sich unter einem Meßgrößeneinfluß, der z. B. zu einer Dehnung einer der beiden Strichskalen führt, verändert. Dieses zweite Verfahren wird auch als Teilungsmoiré- Verfahren bezeichnet. Allgemein erreicht man mit einem solchen Moiré-Verfahren eine einfache und preiswerte Erfassung einer mechanischen Dehnung oder einer mechanischen Deformation.

Mit der GB 2 162 309 A1 wird ein optischer Drehmomentsensor offenbart, der die Torsion in einem als Meßstrecke ausgebildeten Abschnitt einer rotierenden Welle über ein Moiré-Muster erfaßt. Die beiden zur Überlagerung gebrachten Strichskalen sind jeweils mittels eines Trägers mechanisch fest an gegenüberliegenden Enden der Meßstrecke mit der rotierenden Welle verbunden. Kommt es auf der Meßstrecke infolge eines anliegenden Drehmoments zu einer Torsion, so resultiert eine optisch erfaßbare Veränderung des Moiré-Musters. Der offenbarte Drehmomentsensor funktioniert allerdings nur bei rotierender Welle, da nur ein an einem Abtastpunkt eines Eingangslichtsignals vorbeilaufendes Moiré-Muster detektiert werden kann. Bei Wellenstillstand ist es dagegen unmöglich, festzustellen, welcher Bereich des Moiré-Musters sich am Abtastpunkt befindet. Da aber gerade bei Wellenstillstand der Nullpunkt des Drehmoments vorliegt, kann folglich auch kein Nullpunktabgleich durchgeführt werden.

Bei einem Drehmomentsensor insbesondere mit einer hohen Genauigkeit besteht jedoch im allgemeinen die Forderung nach einer Kalibrierbarkeit. Dadurch läßt sich die notwendige Präzision beim Einbau erheblich reduzieren, da ein solcher Sensor auch noch nachträglich auf seinen Nullpunkt kalibriert werden kann. Darüber hinaus ist es unter Umständen auch erforderlich, einen hochgenauen Drehmomentsensor im Laufe seiner Betriebsdauer immer wieder zu kalibrieren, um alterungsbedingte Einflüsse zu eliminieren. Insbesondere ein in der Kraftfahrzeugtechnik eingesetzter Drehmomentsensor sollte deshalb die Möglichkeit zum Nullpunktabgleich bei stillstehender Welle bieten.

Es ist nun die Aufgabe der Erfindung, einen optischen Drehmomentsensor der eingangs bezeichneten Art anzugeben, mit dem ein Nullpunktabgleich bei Wellenstillstand möglich ist. Der optische Drehmomentsensor soll außerdem einfach und preiswert herzustellen sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein optischer Drehmomentsensor entsprechend den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs angegeben.

Der erfindungsgemäße optische Drehmomentsensor für eine um eine Drehachse drehbare Welle umfaßt mindestens

  • - eine Skaleneinheit mit einer ersten Doppelskala aus einer ersten und einer zweiten in Umfangsrichtung der Welle angeordneten Strichskala, die über jeweils einen Träger mechanisch fest und axial durch eine vorgegebene Meßstrecke voneinander beabstandet mit der Welle verbunden und so zueinander benachbart angeordnet sind, daß eine Überlagerung beider Strichskalen ein von dem auf die Meßstrecke einwirkenden Drehmoment abhängiges erstes Moiré-Muster erzeugt,
  • - Detektionsmittel zur optischen Erfassung eines ersten Moiré-Musterteilbereichs des ersten Moiré-Musters bei stillstehender Welle über mindestens ein auf den ersten Moiré-Musterteilbereich gerichtetes Eingangslichtsignal und
  • - eine Auswerteeinheit zur Erzeugung eines ersten Abbilds mindestens einer Periode des ersten Moiré-Musters aus dem optisch erfaßten ersten Moiré-Musterteilbereich und zur Zuordnung des ersten Abbilds zu dem bei stillstehender Welle vorliegenden Nullpunkt des Drehmoments.

Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, daß sich ein optischer Drehmomentsensor, der das Drehmoment in einfacher Weise über eine optische Detektion eines Moiré-Musters erfaßt, mit wenigen zusätzlichen Mitteln auch für einen Nullpunktabgleich oder eine Kalibrierung bei stillstehender Welle ertüchtigen läßt. Dazu sind lediglich einfache und preiswerte Detektionsmittel erforderlich, die in der Lage sind, einen ersten Moiré-Musterteilbereich des ersten Moiré-Musters bei stillstehender Welle zu erfassen. Das mindestens eine zur optischen Erfassung verwendete Eingangslichtsignal wird von dem ersten Moiré-Musterteilbereich insbesondere in seiner Intensität beeinflußt. In einer Auswerteeinheit wird dann aus dem optisch erfaßten ersten Moiré-Musterteilbereich eine komplette Periode des bei Wellenstillstand vorliegenden ersten Moiré-Musters in Form des ersten Abbilds rekonstruiert. Da bei Wellenstillstand auch kein Drehmoment vorhanden ist, liegen damit vor Beginn des eigentlichen Sensorbetriebs alle für einen aktuellen Nullpunktabgleich benötigten Informationen vor.

Insbesondere lassen sich in der Auswerteeinheit auf diese Weise die aktuellen Lagen von Hell- und Dunkelbereichen (Hell- und Dunkelmaxima) im ersten Moiré-Muster und damit auch die aktuelle Position eines Abtastpunkts des Eingangslichtsignals relativ zu diesen Extremwerten des ersten Moiré- Musters bestimmen. Das Hell- und das Dunkelmaximum des ersten Moiré-Musters werden nämlich unmittelbar in einen maximalen bzw. minimalen Intensitätswert in einem Ausgangslichtsignal abgebildet. Das auf das erste Moiré-Muster gerichtete Eingangslichtsignal erfährt beim Passieren des ersten Moiré- Musters oder bei einer Reflexion an dem ersten Moiré-Muster eine entsprechende Variation in der Lichtintensität. Nach Passieren des ersten Moiré-Musters liegt ein Ausgangslichtsignal mit einer Intensitätsmodulation vor, die der Hell- /Dunkelvariation im ersten Moiré-Muster entspricht.

Da die Intensität des Eingangslichtsignals einer meßgrößenunabhängigen alterungsbedingten Variation unterliegen und auch die aktuelle Lage des ersten Moiré-Musters in Relation zum Drehwinkel z. B. temperaturbedingt variieren kann, ist eine aktuelle, der momentanen Hell-/Dunkelverteilung des ersten Moiré-Musters zugeordnete Intensitätsverteilung im Ausgangslichtsignal eine wichtige Größe für den Nullpunktabgleich. Besonders wichtige Parameter sind dabei die den momentanen Hell- und Dunkelbereichen des ersten Moiré-Musters zugeordneten Intensitätsextremwerte.

Um die für den Nullpunktabgleich besonders wichtigen Intensitätsextremwerte zu erhalten, ist es günstig, wenn in der Auswerteeinheit ein Abbild zumindest einer kompletten Periode des ersten Moiré-Musters vorliegt. Dieses erste Abbild kann dann beispielsweise eine über eine komplette Periode des ersten Moiré-Musters ermittelte Intensitätsverteilung des Ausgangslichtsignal darstellen. Die Ermittlung kann dabei entweder durch optisches Abtasten eines entsprechend großen Ausschnitts des ersten Moiré-Musters oder durch optisches Abtasten eines kleineren Ausschnitts mit nachfolgender Signalrekonstruktion in der Auswerteeinheit erfolgen.

Für die Signalrekonstruktion kann man auch Kenntnisse über den prinzipiellen Verlauf des ersten Moiré-Musters verwenden. Die Helligkeitsverteilung des ersten Moiré-Musters hat nämlich stets einen im wesentlichen sinusförmigen Verlauf. Die Signalrekonstruktion kann sich deshalb z. B. eines entsprechenden Korrelationsverfahrens oder auch eines Sinus-Fits bedienen.

Der optisch erfaßte erste Moiré-Musterteilbereich kann somit sowohl größer als auch kleiner als eine Periode des ersten Moiré-Musters sein. Er muß auch nicht aus einem einzigen zusammenhängenden Ausschnitt des ersten Moiré-Musters bestehen. Er ist jedoch stets größer als ein einziger, Verglichen mit der Periode des ersten Moiré-Musters kleiner Abtastpunkt eines z. B. fokussierten, von einer LED (Lumineszenzdiode) erzeugten Eingangslichtsignals. Entscheidend für die Größe des optisch zu erfassenden ersten Moiré-Musterteilbereichs ist die Rekonstruierbarkeit einer kompletten Periode des ersten Moiré-Musters in der Auswerteeinheit, wobei auch Zusatzkenntnisse miteinfließen können.

Es ist nun möglich, entweder das komplette erste Abbild in Form der über eine Periode des ersten Moiré-Musters ermittelten Intensitätsverteilung des Ausgangslichtsignals oder auch nur die Intensitätsextremwerte dieser Intensitätsverteilung in einem z. B. elektronischen Speicher der Auswerteeinheit zu hinterlegen. Diese Informationen stehen damit dann neben den gegebenenfalls auch gespeicherten jeweils zugehörigen Drehwinkelpositionen für die Kalibrierung, d. h. den Nullpunktabgleich, zur Verfügung.

Unter einer "Überlagerung der beiden Strichskalen", durch die sich das erste Moiré-Muster ergibt, ist in diesem Zusammenhang ein echtes lokales "Übereinanderanordnen" zu verstehen. Ebenso soll darunter jedoch auch der allgemeinere Fall verstanden werden, bei dem das Eingangslichtsignal die beiden Strichskalen nacheinander durchläuft oder nacheinander an beiden Strichskalen reflektiert wird. Eine Kombination von Transmission durch eine Strichskala und Reflexion an der anderen Strichskala ist ebenso möglich.

Besondere Ausgestaltungen des optischen Drehmomentsensors ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Bevorzugt ist ein einfacher Verstellmechanismus für einen optischen Abtastpunkt des Eingangslichtsignals auf dem ersten Moiré-Muster vorgesehen, so daß der Abtastpunkt um die Länge des optisch zu erfassenden ersten Moiré-Musterteilbereichs auf dem ersten Moiré-Muster verschoben werden kann. Bei einer Verschiebelänge von z. B. mindestens einer halben Periodenlänge des ersten Moiré-Musters überstreicht der Abtastpunkt alle möglichen Helligkeitsabstufungen innerhalb des ersten Moiré-Musters.

Bei einer ersten Ausführungsform läßt sich der Abtastpunkt durch Positionierungsmittel in Umfangsrichtung der Welle auf dem ersten Moiré-Muster verschieben. Dies bietet besonders dann Vorteile, wenn die Hell- und Dunkelbereiche des ersten Moiré-Musters im wesentlichen parallel zur Drehachse verlaufen, da der Abtastpunkt dann im wesentlichen senkrecht zu einer Hauptrichtung des ersten Moiré-Musters verschoben werden kann. Alle für den Nullpunktabgleich erforderlichen Informationen sind dann problemlos bestimmbar.

Eine zweite Ausführungsform ist so ausgebildet, daß die Positionierungsmittel eine Verschiebung eines Abtastpunkts in Richtung der Drehachse, d. h. in axialer Richtung, ermöglichen. Diese Ausführungsform bietet insbesondere dann Vorteile, wenn das erste Moiré-Muster Hell- und Dunkelbereiche umfaßt, die unter einem gewissen Winkel zur Drehachse verlaufen. In Umfangsrichtung betrachtet ergibt sich eine schräge Anordnung der Hell- und Dunkelbereiche. Dann wird auch mit einer axialen Verschiebung des Abtastpunkts ein entsprechender Abschnitt des ersten Moiré-Musters überstrichen, so daß alle für die Kalibrierung notwendigen Informationen ermittelt werden können.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß die Positionierungsmittel eine mechanisch verschiebbare Detektoreinheit umfassen. Je nach gewählter Ausbildung des ersten Moiré-Musters kann diese Detektoreinheit um die Drehachse drehbar auf der Welle gelagert sein oder längs der Drehachse verschiebbar angeordnet sein, so daß entweder eine Verschiebung in Umfangsrichtung oder eine Verschiebung in axialer Richtung möglich ist. Eine Ausführungsform mit Verschiebungsmöglichkeit sowohl in Umfangsrichtung als auch in axialer Richtung ist ebenfalls möglich. Über eine solche Detektoreinheit läßt sich der Abtastpunkt besonders einfach auf dem ersten Moiré-Muster verschieben. Außerdem stellt die verschiebbare Detektoreinheit eine sehr preiswerte Lösung dar, da keine aufwendigen Komponenten erforderlich sind.

Die Detektoreinheit enthält vorteilhafterweise elektrooptische Sendemittel, beispielsweise in Form einer Laserdiode oder einer Lumineszenzdiode (LED), zum Aussenden des Eingangslichtsignals und außerdem auch optoelektrische Empfangsmittel, beispielsweise in Form einer oder mehrerer Photodioden oder einer CCD-Zeile (Charge Coupled Device), zum Empfangen des mindestens einen Ausgangslichtsignals.

Vorteilhaft ist eine weitere Ausführungsform, bei der eine Positioniereinheit die genaue mechanische Positionierung der verschiebbaren Detektoreinheit steuert. Diese Positioniereinheit stellt die aktuelle Position des Abtastpunkts auf dem ersten Moiré-Muster ein und liefert zugleich auch entsprechende Positionsangaben, die gespeichert und dann für die Kalibrierung verwendet werden können. Die Positioniereinheit kann einen mechanischen Schieber, z. B. in Gestalt eines Magnetschiebers oder eines Piezoaktors, zum Positionieren der verschiebbaren Detektoreinheit enthalten. Andere mechanische Schieber sind ebenfalls denkbar.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung setzt sich der optisch zu erfassende erste Moiré-Musterteilbereich aus mindestens zwei voneinander unabhängigen Segmenten des ersten Moiré- Musters zusammen. Alle Segmente werden dann über jeweils gesonderte Eingangslichtsignale optisch erfaßt. Durch die Verwendung mehrerer Eingangslichtsignale, d. h. auch mehrerer Abtastpunkte, läßt sich die für die Ermittlung des ersten Abbilds erforderliche Verschiebelänge der verschiebbaren Detektoreinheit reduzieren.

Günstig ist auch eine Variante, bei der sich der optisch zu erfassende erste Moiré-Musterteilbereich aus zwei Segmenten zusammensetzt, die im Abstand einer Viertelperiode des ersten Moiré-Musters angeordnet sind. Durch diesen günstigen Abstand wird erreicht, daß sich nie beide zugehörige Abtastpunkte zugleich an einer Stelle des ersten Moiré-Musters befinden, die einen niedrigen Kontrast, d. h. einen niedrigen lokalen Gradienten der Helligkeitsverteilung, aufweist. Dadurch ist eine weitere Reduktion der erforderlichen Verschiebelänge der verschiebbaren Detektoreinheit möglich.

Eine weitere günstige Ausgestaltung ist mit Beleuchtungsmitteln ausgestattet, die eine komplette Beleuchtung zumindest des optisch zu erfassenden ersten Moiré-Musterteilbereichs ermöglichen. Die Beleuchtung kann z. B. über einen großflächigen Lichtpunkt erfolgen, der den für den Nullpunktabgleich optisch zu erfassenden ersten Moiré-Musterteilbereich komplett erfaßt. Von dem ersten Moiré-Musterteilbereich wird dann praktisch ein einer Photographie vergleichbares Abbild erstellt, dessen Auswertung die für den Nullpunktabgleich benötigten Informationen liefert. Eine hierfür geeignete Lichtquelle kann z. B. auch eine einfache Glühlampe mit ggf. nachgeschalteter Lochblende sein. Möglich ist auch eine Vielzahl einzelner LEDs. Zur Erfassung des zurückreflektierten Lichts dient beispielsweise eine CCD-Zeile. Bei dieser Ausgestaltung wird der Abschnitt des ersten Moiré-Musters rein elektronisch erfaßt. Insbesondere ist keine mechanische Verschiebung vorgesehen.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind Beleuchtungsmittel vorgesehen, die mehrere separate Eingangslichtsignale emittieren. Abtastpunkte dieser Eingangslichtsignale überdecken den für den Nullpunktabgleich optisch zu erfassenden ersten Moiré-Musterteilbereich. Dazu sind die einzelnen Abtastpunkte nebeneinander längs des längs des optisch zu erfassenden ersten Moiré-Musterteilbereichs angeordnet. Die separaten Eingangslichtsignale werden z. B. von einer entsprechenden Anzahl insbesondere einzeln ansteuerbarer Lichtquellen in Form von Laserdioden oder LEDs erzeugt. Die einzelnen Lichtquellen können auch zu einer einzigen Baueinheit zusammengefaßt sein. Entsprechend der gewünschten Überdeckung des gesamten auszuwertenden Abschnitts durch die einzelnen Abtastpunkte sind auch die Foki der einzelnen Lichtquellen seitlich etwas gegenüber dem jeweiligen Nachbarfokus versetzt. Die einzelnen Lichtquellen können gleichzeitig oder auch sukzessive angesteuert werden. Entsprechend ergibt sich das zu erstellende Abbild des optisch zu erfassenden ersten Moiré-Musterteilbereichs unmittelbar oder es wird erst nachträglich in der Auswerteeinheit zusammengesetzt.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsvariante unterscheiden sich die Strichzahlen der beiden Strichskalen nur geringfügig voneinander. Eine relative Differenz zwischen den Strichzahlen von höchstens 10% führt nämlich zu einem ersten Moiré- Muster mit einer großen Periodenlänge, so daß sich eine Verstärkung des Meßeffekts ergibt. Unter dem Einfluß eines Drehmoments wird das erste Moiré-Muster dann über einen großen Drehwinkelbereich verschoben, wohingegen die Strichskalen selbst aufgrund der Torsion nur eine kleine Verschiebung erfahren. Da außerdem auch die Hell- und Dunkelbereiche eine wesentlich größere räumliche Ausdehnung als die einzelnen Striche der beiden Strichskalen aufweisen, kann die Detektion mit einer wesentlich niedrigeren Grenzfrequenz als bei einer Detektion der einzelnen Striche der beiden Strichskalen erfolgen.

Günstig ist außerdem eine Ausgestaltung, bei der die Skaleneinheit eine zweite Doppelskala mit einer dritten und vierten Strichskala enthält. Aus einer Überlagerung der dritten und vierten Strichskala resultiert ein zweites Moiré-Muster, das analog zum ersten Moiré-Muster eine Meßinformation über das auf die Meßstrecke einwirkende Drehmoment beinhaltet. Das zweite Moiré-Muster kann sowohl über das gleiche Eingangslichtsignal wie das erste Moiré-Muster als auch über ein separates zweites Eingangslichtsignal detektiert werden. Immer liegen jedoch zwei separate Ausgangslichtsignale vor - das eine für das erste und das andere für das zweite Moiré- Muster. Analog zum ersten Moiré-Muster läßt sich über die Detektionsmittel auch vom zweiten Moiré-Muster bei stillstehender Welle ein zweiter Moiré-Musterteilbereich optisch erfassen. Die Auswerteeinheit erzeugt dann aus dem optisch erfaßten zweiten Moiré-Musterteilbereich ein zweites Abbild für mindestens eine Periode des zweiten Moiré-Musters. Das zweite Abbild wird in der Auswerteeinheit dann ebenfalls dem bei stillstehender Welle vorliegenden Nullpunkt des Drehmoments zugeordnet. Mit den dann in der Auswerteeinheit vorliegenden, voneinander unabhängigen Meßinformationen aus den beiden Moiré-Mustern läßt sich dann beispielsweise die Signaldynamik erhöhen oder auch eine Störgrößenkompensation durchführen. Alle vorstehend für die Auswertung des ersten Moiré-Musters beschriebenen Ausführungsformen, Ausgestaltungen oder Varianten lassen sich ebenso für die Auswertung des zweiten Moiré-Musters verwenden.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsvariante, bei der die erste Strichskala der ersten Doppelskala und die vierte Strichskala der zweiten Doppelskala eine identische erste Strichzahl aufweisen. Außerdem haben die zweite Strichskala der ersten Doppelskala und die dritte Strichskala der zweiten Doppelskala ebenfalls eine identische zweite Strichzahl. Dadurch erreicht man, daß die beiden Moiré-Muster bei sich drehender Welle in entgegengesetzter Richtung um die Drehachse umlaufen. Wertet man dann die Differenz zwischen den beiden Moiré-Mustern aus, so erhält man eine größere Signaldynamik als bei Auswertung nur eines Moiré-Musters. Außerdem wird als zusätzliche Information für die Auswertung nicht mehr der aktuelle Drehwinkel, sondern lediglich ein Zeitversatz zwischen den beiden Moiré-Mustern benötigt.

Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei der alle Oberflächen, die von einem Lichtsignal passiert werden oder an denen ein Lichtsignal reflektiert wird, schmutzabweisend ausgebildet sind. Dazu weisen diese Oberflächen eine selbstreinigende Nanostruktur auf. Sich anlagernder Schmutz wird bei diesen Oberflächen unter dem Einfluß der Umgebungsfeuchtigkeit wieder abgewaschen. Diese Ausgestaltung ist folglich besonders in einer Umgebung, die einer starken Verschmutzung, wie z. B. im Motorraum eines Kraftfahrzeugs, unterliegt, günstig. Eine bei einer weiteren Ausführungsform zur Verhinderung einer unerwünschten Verschmutzung zumindest innerhalb des Bereichs zwischen den Detektionsmitteln und der Skaleneinheit vorgesehene Befüllung mit einer Flüssigkeit kann bei der Ausgestaltung mit den nanostrukturierten Oberflächen entfallen.

Die vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen und Prinzipien lassen sich auch analog einsetzen, wenn die einzelnen Strichskalen nicht mit konstanter, sondern mit variabler Periodenlänge zwischen den einzelnen Strichen ausgebildet sind.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen optischen Drehmomentsensors werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Verdeutlichung ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt, und gewisse Merkmale sind schematisiert dargestellt. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen optischen Drehmomentsensor in einem Längsschnitt,

Fig. 2 die Skaleneinheit des optischen Drehmomentsensors von Fig. 1,

Fig. 3 den optischen Drehmomentsensor von Fig. 1 in einem Querschnitt,

Fig. 4 zwei Strichskalen einer Doppelskala,

Fig. 5 Moiré-Muster bei drei verschiedenen Relativpositionen der beiden Strichskalen von Fig. 4,

Fig. 6 einen Intensitätsverlauf des Ausgangslichtsignals über dem Drehwinkel,

Fig. 7 Intensitätsverläufe zweier Ausgangslichtsignale über der Zeit,

Fig. 8 ein Moiré-Muster mit parallel zur Drehachse angeordneten Hell- und Dunkelbereichen,

Fig. 9 ein Moiré-Muster mit schräg zur Drehachse angeordneten Hell- und Dunkelbereichen,

Fig. 10 ein Moiré-Muster mit zwei im Abstand einer Viertelperiode des Moiré-Musters angeordneten Abtastpunkten,

Fig. 11 einen optischen Drehmomentsensor mit auf zwei Trägerplatten angeordneten Strichskalen,

Fig. 12 einen Drehmomentsensor mit auf 45°-Phasen von Trägerrohren angeordneten Strichskalen und

Fig. 13 einen optischen Drehmomentsensor mit Mitteln zur Beleuchtung eines Abschnitts des Moiré-Musters.

Einander entsprechende Teile sind in den Fig. 1 bis 13 mit denselben Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist ein optischer Drehmomentsensor 100 dargestellt, der das Drehmoment, das innerhalb einer Meßstrecke 35 auf eine drehbare Welle 20 einwirkt, erfaßt. Die Welle 20 dreht sich mit einer Winkelgeschwindigkeit ω um eine Drehachse 21. Eine Anfangswinkelposition der Welle 20 ist mit α0 bezeichnet und der aktuelle Drehwinkel mit α. Die Welle 20 kann auch mit variabler Winkelgeschwindigkeit ω rotieren. Insbesondere kann die Welle 20 auch stillstehen, wobei dann kein Drehmoment an der Meßstrecke 35 angreift.

Der optische Drehmomentsensor 100 ist für eine hohe Genauigkeit bei einer rauhen Umgebungsbedingung, wie z. B. bei einem Einsatz im Motorinnenraum eines Kraftfahrzeugs, konzipiert. Die Eigenschaften des optischen Drehmomentsensors 100 bleiben dabei über einen Zeitraum von mehreren Jahren hinweg erhalten. Dazu ist es möglich, einen Nullpunkt des optischen Drehmomentsensors 100 abzugleichen (= zu kalibrieren). Bei einem Einsatz in einem Kraftfahrzeug ist eine solche Nullpunkt-Kalibrierung günstig, da im Augenblick des Drehmomentnullpunkts ein weiches und getriebeschonendes Schalten möglich ist. Um nun im normalen Betriebszustand, also bei rotierender Welle 20, einen Drehmomentnullpunkt sicher zu erkennen, wird der optische Drehmomentsensor 100 bei stillstehender Welle 20 auf den dann ebenfalls vorliegenden Drehmomentnullpunkt abgeglichen. Dazu umfaßt der optische Drehmomentsensor 100 zusätzliche, jedoch sehr einfache und damit preiswerte Mittel.

Der optische Drehmomentsensor 100 befindet sich in einem Sensorgehäuse 44, das drehbar auf der Welle 20 gelagert ist. Zum Nullpunktabgleich bei stillstehender Welle wird nun im Prinzip eine kleine Drehbewegung der Welle 20 dadurch nachgebildet, daß anstelle der Welle 20 das Gehäuse 44 um eine kleine Wegstrecke in Umfangsrichtung um die stillstehende Welle 20 bewegt wird. Die dabei gewonnenen Meßinformationen dienen dann zum Nullpunktabgleich.

Der optische Drehmomentsensor 100 erfaßt das Drehmoment über den Umweg einer Torsionsmessung. Diese erfolgt mit Hilfe zweier Moiré-Muster 330a und 330b, die sich jeweils durch eine Überlagerung zweier Strichskalen einer ersten bzw. einer zweiten Doppelskala 31 bzw. 32 ergeben. Beide Doppelskalen 31 und 32 sind Bestandteil einer Skaleneinheit 30.

Die beiden Doppelskalen 31 und 32 sind an zwei Trägern 33 und 34 angeordnet, die axial durch die Meßstrecke 35 voneinander beabstandet mechanisch fest mit der Welle 20 verbunden sind. Kommt es nun auf der Meßstrecke 35 aufgrund eines anliegenden Drehmoments zu einer Torsion, so verschiebt sich auch die relative Position des Trägers 33 zu der des Trägers 34. Damit ergibt sich auch eine Veränderung der beiden durch die zwei Doppelskalen 31 und 32 gebildeten Moiré-Muster 330a bzw. 330b, die optisch detektiert und zur Ermittlung des zugrunde liegenden Drehmoments herangezogen werden.

Die Träger 33 und 34 enthalten jeweils ein Trägerrohr 331 bzw. 341. Der Träger 34 umfaßt außerdem an einem Ende des Trägerrohres 341 einen transparenten Endabschnitt 340. Dieser transparente Endabschnitt 340 ist über das ihm zugewandte Ende des Trägerrohrs 331 geschoben, so daß in einem Überlappungsbereich eine Innenseite des transparenten Endabschnitts 341 und eine Außenseite des Trägerrohrs 331 eng benachbart jedoch immer noch kontaktfrei angeordnet sind.

In diesem Überlappungsbereich, der in Fig. 2 vergrößert dargestellt ist, sind die beiden Doppelskalen 31 und 32 der Skaleneinheit 30 angeordnet. Die erste Doppelskala 31 umfaßt eine erste Strichskala 311 und eine zweite Strichskala 312. Die zweite Doppelskala 32 umfaßt eine dritte Strichskala 321 und eine vierte Strichskala 322. Im Überlappungsbereich sind an der Innenseite des transparenten Endabschnitts 340 die erste und die dritte Strichskala 311 bzw. 321 und an der Außenseite des Trägerrohrs 331 die zweite und die vierte Strichskala 312 bzw. 322 so angeordnet, daß die erste und die zweite Strichskala 311 bzw. 312 sowie die dritte und die vierte Strichskala 321 bzw. 322 jeweils einander gegenüberliegen.

Durch die Überlagerung der ersten und zweiten Strichskala 311 bzw. 312 der ersten Doppelskala 31 sowie durch die Überlagerung der dritten und vierten Strichskala 321 bzw. 322 der zweiten Doppelskala 32 bilden sich das erste bzw. das zweite Moiré-Muster 330a bzw. 330b. Im vorliegenden Fall weisen die erste und die vierte Strichskala 311 bzw. 322 eine Strichzahl von 100 auf, wohingegen die zweite und die dritte Strichskala 312 bzw. 321 jeweils eine Strichzahl von 101 haben. Die Einzelstriche sind mit axialer Ausrichtung in Umfangsrichtung um die Welle 20 angeordnet. Durch den kleinen Unterschied in der Strichzahl bilden sich die beiden Moiré-Muster 330a und 330b mit Hell- und Dunkelbereichen aus, die eine wesentlich größere Ausdehnung aufweisen als die Einzelstriche der zugrunde liegenden Strichskalen 311, 312, 321 bzw. 322.

Bei nicht dargestellten Ausführungsformen des optischen Drehmomentsensors 100 sind auch andere Werte für die Strichzahlen sowie für die Abweichung zwischen den Strichzahlen vorgesehen. Außerdem können die Striche einer Strichskala auch unter einem bestimmten Winkel zur Drehachse 21, d. h. schräg, angeordnet sein.

Wie in Fig. 1 dargestellt werden das erste und das zweite Moiré-Muster 330a und 330b über ein gemeinsames Eingangslichtsignal LS0 optisch abgetastet. Das in einer Detektoreinheit 40 mittels einer Lichtquelle 41, im vorliegenden Fall mittels einer LED, erzeugte Lichtsignal LS0 passiert den transparenten Endabschnitt 340 sowie die beiden Strichskalen 311 und 321, um dann an den anderen beiden Strichskalen 312 und 322 zur Detektoreinheit 40 zurückreflektiert zu werden. Nach Durchlaufen beider Doppelskalen 31 und 32 liegen ein erstes und ein zweites Ausgangslichtsignal LS1 bzw. LS2 vor. Das erste Ausgangslichtsignal LS1 ist dabei durch das erste Moiré-Muster 330a und das zweite Ausgangslichtsignal LS2 durch das zweite Moiré-Muster 330b in der Intensität beeinflußt. Hell- bzw. Dunkelbereiche der beiden Moiré-Muster 330a und 330b, die sich unter einem Abtastpunkt des Eingangslichtsignals LS0 aufgrund der Drehbewegung der Welle 20 hinwegbewegen, bewirken in den beiden Ausgangslichtsignalen LS1 und LS2 eine entsprechende Intensitätsmodulation. Diese läßt sich dann als Maß für die Torsion der Meßstrecke 25 und damit als Maß für das gesuchte Drehmoment auswerten.

In der Detektoreinheit 40 werden die beiden Ausgangslichtsignale LS1 und LS2 durch einen ersten und einen zweiten Lichtempfänger 42 bzw. 43 empfangen und jeweils in ein zugehöriges elektrisches Signal umgewandelt. Die Lichtempfänger 42 und 43 sind hier einfache Photodioden. In einem nicht dargestellten anderen Ausführungsbeispiel können die Lichtempfänger 42 und 43 jedoch auch jeweils als CCD-Zeile ausgebildet sein.

Ein Innenraum 46 des Sensorgehäuses 44 ist mit einem Silikonöl 47 gefüllt, um eine Verschmutzung vor allem der Oberflächen, die von einem Lichtsignal passiert werden oder an denen ein Lichtsignal reflektiert wird, zu verhindern. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann anstelle des Silikonöls 47 eine andere optisch transparente Flüssigkeit zum Einsatz kommen.

Im Bereich der Detektoreinheit 40 weist das Sensorgehäuse 44 einen Vorsprung 45 auf, der der mechanischen Verschiebung des drehbar gelagerten Sensorgehäuses 44 insbesondere während des Nullpunktabgleichs bei stillstehender Welle 20 dient.

In Fig. 3 ist ein Querschnitt des optischen Drehmomentsensors 100 gezeigt, wobei die Darstellung zusätzlich eine Positioniereinheit 50 und eine Auswerteeinheit 60 umfaßt. Die Positioniereinheit 50 steuert die Verschiebung des Sensorgehäuses 44 in Umfangsrichtung um die Drehachse 21. Sie enthält einen Magnetschieber 51, der an dem Vorsprung 45 des Sensorgehäuses 44 angreift und das Sensorgehäuse 44 in Umfangsrichtung um die Drehachse 21 in seiner Position verändern kann. Die Positioniereinheit 50 enthält außerdem einen Anschlag 52, gegen den der Vorsprung 45 über eine Feder 43 gedrückt wird. Die Rückstellkraft der Feder 53 bewirkt dann bei einer Zurückpositionierung des Magnetschiebers 51 auch ein Zurückdrehen des Sensorgehäuses 44. Ein Verschiebeweg des Magnetschiebers 51 ist nun so ausgelegt, daß das Sensorgehäuse 44 so weit um die stillstehende Welle 20 gedreht werden kann, daß das Eingangslichtsignal LS0 auf dem ersten Moiré- Muster 330a einen ersten Moiré-Musterteilbereich und auf dem zweiten Moiré-Muster 330b einen zweiten Moiré-Musterteilbereich überstreicht und optisch erfaßt.

Aus dem ersten und dem zweiten Moiré-Musterteilbereich werden dann in der Auswerteeinheit 60, die elektrisch sowohl mit der Detektoreinheit 40 als auch mit der Positioniereinheit 50 verbunden ist, ein erstes bzw. ein zweites Abbild einer Periode des ersten Moiré-Musters 330a bzw. des zweiten Moiré- Musters 330b ermittelt. In der Auswerteeinheit 60 liegen damit sämtliche für den Nullpunktabgleich benötigten Informationen vor.

Die aktuelle Positionen des jeweiligen Abtastpunkts des Eingangslichtsignals LS0 auf den beiden Moiré-Mustern 330a und 330b läßt sich aus dem aktuellen Verschiebeweg des Magnetschiebers 51 ermitteln. Auch die aktuellen Intensitätsverteilungen der beiden Ausgangslichtsignale LS1 und LS2, die sich bei optischem Abtasten jeweils einer Periode der beiden Moiré-Muster 330a bzw. 330b ergeben, sind bekannt. Die Intensitätsverteilungen beider Ausgangslichtsignale LS1 und LS2 sind den jeweiligen Helligkeitsverteilungen beider Moiré- Muster 330a bzw. 330b zugeordnet. Insbesondere lassen sich damit auch die den jeweiligen Hell- und Dunkelbereichen beider Moiré-Muster 330a und 330b zugeordneten Intensitätsextremwerte in den beiden Ausgangslichtsignalen LS1 und LS2 ermitteln. Diese Parameter werden in der Auswerteeinheit 60 elektronisch gespeichert und zum Nullpunktabgleich herangezogen.

Anhand der Fig. 4 und 5 wird die Entstehung eines Moiré- Musters durch eine Überlagerung zweier Strichskalen am Beispiel des ersten Moiré-Musters 330a erläutert. Ausgangspunkt sind die in Fig. 4 dargestellte erste Strichskala 311 hier mit insgesamt 41 Einzelstrichen und die zweite Strichskala 312 hier mit insgesamt 40 Einzelstrichen.

Die erste und die zweite Strichskala 311 und 312 sind gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3 bei dem optischen Drehmomentsensor 100 als geschlossene Kreisringe in Umfangsrichtung um die Welle 20 angeordnet. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit ist für die Fig. 4 und 5 eine ungekrümmte Darstellungsform gewählt, bei der die an sich kreisringförmigen Strichskalen 311 und 312 fiktiv an einer beliebigen Stelle aufgetrennt und gerade gebogen sind.

Durch die Überlagerung beider Strichskalen 311 und 312 ergibt sich das in Fig. 5 dargestellte erste Moiré-Muster 330a. Dieses weist im vorliegenden Beispiel jeweils einen Hellbereich 336 und einen Dunkelbereich 337 auf. Die Periodenlänge des ersten Moiré-Musters 330a entspricht somit der kompletten Umfangslänge der Welle 20. Bei dem ersten Moiré- Muster 330a von Fig. 5 ist vorausgesetzt, daß die Überlagerung in der in Fig. 4 dargestellten relativen Position beider Strichskalen 311 und 312 erfolgt ist. Verschiebt sich die relative Lage der Strichskalen 311 und 312 durch eine Torsion der Meßstrecke 35, so resultiert daraus auch eine Veränderung im ersten Moiré-Muster 330a.

Werden die beiden Strichskalen 311 und 312 beispielsweise um etwa das 0,33-fache einer Einzelstrichbreite gegeneinander verschoben, so ergibt sich ein verändertes erstes Moiré- Muster 331a. Bei einer Verschiebung um das 0,66-fache einer Einzelstrichbreite ergibt sich dann ein weiter verändertes erstes Moiré-Muster 332a.

Die Veränderung in den beiden ersten Moiré-Mustern 331a und 332a gegenüber dem ursprünglichen ersten Moiré-Muster 330a manifestiert sich in einer Verschiebung des Hell- und Dunkelbereichs 336 bzw. 337. Bei zunehmender relativer Verschiebung der beiden Strichskalen 311 und 312 bewegt sich somit auch das erste Moiré-Muster 330a in Umfangsrichtung um die Drehachse 21.

In den Fig. 4 und 5 ist deutlich zu erkennen, daß der Hell- oder der Dunkelbereich 336 bzw. 337 jeweils eine wesentlich größere lokale Abmessung aufweist als die Zwischenräume bzw. die Einzelstriche beider Strichskalen 311 und 312. Dadurch resultiert eine leichtere Detektierbarkeit, da für das optische Abtasten eine wesentlich niedrigere Grenzfrequenz vorgesehen werden kann. Außerdem führt eine geringe torsionsbedingte Verschiebung zu einer deutlich größeren Verschiebung des Hell- und Dunkelbereichs 336 bzw. 337 im ersten Moiré-Muster 330a. Der Meßeffekt wird verstärkt und ist auch dadurch leichter optisch zu detektieren.

Abweichend vom Ausführungsbeispiel der Fig. 4 und 5 können die Strichskalen 311 und 312 auch jeweils eine andere Anzahl an Einzelstrichen umfassen. Gesamtanzahl und Differenz der Einzelstriche beider Strichskalen 311 und 312 bestimmen dann Lage und Anzahl der Hell- und Dunkelbereiche 336 bzw. 337, die das erste Moiré-Muster 330a in Umfangsrichtung aufweist. Insbesondere kann das erste Moiré-Muster 330a dann auch mehrere Perioden über eine Umfangslänge enthalten.

In den Fig. 6 und 7 ist die Ermittlung eines Meßwerts M für die Torsion der Meßstrecke 35 und damit auch für das eigentlich gesuchte Drehmoment dargestellt. Der Meßwert M wird aus Intensitäten I1 und I2 des ersten bzw. zweiten Ausgangslichtsignals LS1 bzw. LS2 ermittelt. Beide Ausgangslichtsignale LS1 und LS2 weisen nämlich eine Modulation in ihren Intensitäten I1 bzw. I2 auf, die im wesentlichen der in Fig. 5 dargestellten Verteilung der Hell- und Dunkelbereiche 336 bzw. 337 im zugehörigen abgetasteten ersten oder zweiten Moiré-Muster 330a bzw. 330b entspricht. Diese Intensitätsmodulation erkennt man sowohl bei einer Darstellung des lokalen Verlaufs gemäß Fig. 6, bei der die Intensität I1 über dem aktuellen Drehwinkel α aufgetragen ist, als auch bei der Darstellung des zeitlichen Verlaufs gemäß Fig. 7, bei der die beiden Intensitäten I1 (durchgezogene Linie) und I2 (gestrichelte Linie) über der Zeit t aufgetragen sind.

Fig. 6 veranschaulicht die Bestimmung des Meßwerts M anhand eines einzigen Moiré-Musters, d. h. anhand eines einzigen Ausgangslichtsignals LS1 mit der Intensität I1. Neben der Messung der Intensität I1, die die Meßinformation darüber trägt, wie weit sich das erste Moiré-Muster 330a in Umfangsrichtung bewegt hat, ist auch die Erfassung des aktuellen Drehwinkels α erforderlich. Beim Nullpunktabgleich wird beispielsweise die Winkelposition des Hellbereichs 336, der zu einer maximalen Intensität I1 führt, als Anfangsposition α0 festgelegt. Die Verschiebung dieses Hellbereichs 336 in Umfangsrichtung, ausgedrückt als auf die Anfangswinkelposition α0 bezogenen Drehwinkel α, dient dann als Meßwert.

Bei einer Detektion zweier Moiré-Muster, beispielsweise der beiden Moiré-Muster 330a und 330b, über die beiden Ausgangslichtsignale LS1 und LS2 mit den jeweils zugehörigen Intensitäten I1 bzw. I2 erfolgt eine Meßwerterfassung gemäß der Darstellung von Fig. 7 ohne eine zusätzliche Bestimmung des Drehwinkels α. Als wichtiger Parameter für die Bestimmung des Meßwerts M dient hierbei ein Zeitversatz Δt zwischen den beiden Intensitäten I1 und I2, der ein Maß für die Relativverschiebung zwischen den beiden Moiré-Mustern 330a und 330b ist. Der Zeitversatz Δt ist damit auch proportional zu dem zu bestimmenden Drehmoment.

Aus den Fig. 6 und 7 ist ersichtlich, daß als wichtige Parameter für die Meßgrößenermittlung die Extremwerte der Intensitäten I1 und I2 sowie gegebenenfalls auch die Position der zugehörigen Hell- und Dunkelbereiche 336 bzw. 337 der beiden Moiré-Muster 330a und 330b dienen. Diese Informationen werden nun vor Beginn der Messung im Rahmen des Nullpunktabgleichs jeweils neu ermittelt, so daß eine beispielsweise alterungsbedingte Variation der Intensität des Eingangslichtsignals LS0 zu keiner Verfälschung des ermittelten Meßwerts M führt.

In Fig. 8 ist perspektivisch und in Draufsicht dargestellt, wie ein Abtastpunkt 334 des Eingangslichtsignals LS0 bei stillstehender Welle 20 in Umfangsrichtung über das erste Moiré-Muster 330a hinwegbewegt wird. Der Abtastpunkt 334 läßt sich dabei während dem Nullpunktabgleich über mindestens eine ganze Periode des ersten Moiré-Musters 330a, d. h. über mindestens einen Hellbereich 336 und einen Dunkelbereich 337, hinwegbewegen. Bei dem Ausführungsbeispiel des optischen Drehmomentsensors 100 gemäß den Fig. 1 bis 3 ist dies dank des drehbar auf der Welle 20 gelagerten Gehäuses 44 leicht möglich. Es gibt aber auch andere Ausführungsbeispiele, bei denen der Abtastpunkt 334 nur über einen kleineren Teil beider Moiré-Muster 330a und 330b, z. B. nur über eine halbe Periode, hinwegbewegt wird. Dann wird in der Auswerteeinheit 60 durch entsprechende Maßnahmen zur Signalrekonstruktion ein Abbild einer ganzen Periode des ersten oder des zweiten Moiré-Musters 330a bzw. 330b erzeugt.

In einer alternativen Ausführungsform gemäß Fig. 9 läßt sich jedoch auch ein Nullpunktabgleich durchführen, indem ein Abtastpunkt 335 nicht in Umfangsrichtung, sondern in axialer Richtung über ein erstes Moiré-Muster 333a hinwegbewegt wird. Dazu weist das erste Moiré-Muster 333a Hell- und Dunkelbereiche 338 bzw. 339 auf, die in bezug zur Drehachse 21 schräg verlaufen. Damit ist auch durch ein axiales Verschieben des Abtastpunkts 335 das Überstreichen einer Periode des ersten Moiré-Musters 333a und damit die Ermittlung der für den Nullpunktabgleich benötigten Informationen möglich.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 10 kann ein besonders kleiner Verschiebeweg des verschiebbaren Sensorgehäuses 44 vorgesehen werden, ohne dabei die Möglichkeit zum Nullpunktabgleich in Frage zu stellen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das erste Moiré-Muster 330a zusätzlich zu dem Abtastpunkt 334 über einen weiteren Abtastpunkts 334' eines nicht dargestellten weiteren Eingangslichtsignals optisch erfaßt. Die für den Nullpunktabgleich benötigten Informationen lassen sich damit über einen erheblich kürzeren Verschiebeweg als bei den Ausführungsbeispielen mit nur einem einzigen Abtastpunkt 334 erfassen. Die beiden Abtastpunkte 334 und 334' sind in einem Abstand 36 voneinander auf dem ersten Moiré-Muster 330a angeordnet. Besonders günstig ist es, wenn der Abstand 36 etwa so groß wie eine Viertelperiode des ersten Moiré- Musters 330a ist. Dann ist sichergestellt, daß sich nie beide Abtastpunkte 334 und 334' gleichzeitig an einer kontrastarmen Stelle des ersten Moiré-Musters 330a befinden.

In den Fig. 11 und 12 sind alternative Ausführungsformen für einen optischen Drehmomentsensor 101 bzw. 102 dargestellt. Der optische Drehmomentsensor 101 von Fig. 11 unterscheidet sich von dem optischen Drehmomentsensor 100 nur dadurch, daß die Skaleneinheit 30 anstelle innerhalb eines Überlappungsbereiches zweier übereinandergeschobener Trägerrohre 331 und 341 auf zwei Trägerplatten 332 und 342 angeordnet ist. Beide Trägerplatten 332 und 342 stehen senkrecht zur Drehachse 21. Sie werden beide von dem Eingangslichtsignal LS0 durchstrahlt. Im Bereich der Skaleneinheit 30 sind die Trägerplatten 332 und 342 optisch transparent ausgebildet. Der optische Drehmomentsensor 101 hat eine rein transmissiv ausgebildete optische Detektion.

Demgegenüber ist der optische Drehmomentsensor 102 von Fig. 12 mit einer rein reflexiven optischen Detektion ausgeführt. Beide Trägerrohre 331 und 341 weisen an den einander zugewandten Enden jeweils eine 45°-Phase 333 bzw. 343 auf. Die Doppelskalen 31 und 32 sind auf diesen 45°-Phasen 333 und 343 angeordnet. Das Eingangslichtsignal LS0 trifft dann zunächst auf die zweite und vierte Strichskala 312 bzw. 322 und wird aufgrund der 45°-Phase 343 um 90° umgelenkt und zur ersten und dritten Strichskala 311 bzw. 321 gelenkt. Hier erfolgt aufgrund der 45°-Phase 333 eine weitere 90°-Umlenkung, so daß die beiden Ausgangslichtsignale LS1 und LS2 zur Detektoreinheit 40 zurücklaufen.

Anstelle der Befüllung des Innenraums 46 mit einem Silikonöl 47 entsprechend der Ausführungsform des optischen Sensors 100 von Fig. 1 und 2 hat der optische Drehmomentsensor 102 von Fig. 12 an allen Oberflächen 48, die von den Lichtsignalen LS0, LS1 und LS2 tangiert werden, eine Nanostruktur. Der nicht dargestellte Innenraum 46 kann dann auch mit Luft befüllt sein. Schmutz, der sich gegebenenfalls an den Oberflächen 48 anlagert, wird dann durch die natürliche Feuchtigkeit und aufgrund der speziellen Nanostruktur wieder abgewaschen. Der optische Drehmomentsensor 102 ist folglich mit einer Selbstreinigung an den für die optische Detektion wichtigen Oberflächen 48 ausgestattet.

Die optischen Drehmomentsensoren 101 und 102 der Fig. 11 und 12 umfassen im übrigen analog zum optischen Drehmomentsensor 100 von Fig. 1 und 2 Mittel zum Nullpunktabgleich. Diese Mittel sind aus Übersichtlichkeitsgründen in den Fig. 11 und 12 jedoch nicht dargestellt.

In Fig. 13 ist ein weiterer optischer Drehmomentsensor 103 dargestellt, bei dem die Informationen für den Nullpunktabgleich durch Beleuchtung eines entsprechenden Teilbereichs des hier nur gezeigten ersten Moiré-Musters 330a ermittelt werden. In Fig. 13 ist dieser beleuchtete erste Moiré- Musterteilbereich etwa so groß wie eine Periode des ersten Moiré-Musters 330a.

Der optische Drehmomentsensor 103 beinhaltet Beleuchtungsmittel 410, die mehrere Eingangslichtsignale LS0, LS0', LS0'', . . . über separat ansteuerbare Lichtquellen 41, 41', 41'', . . . erzeugen. Die Lichtquellen 41, 41', 41'', . . . sind als LEDs ausgebildet und in eine einzige Baueinheit integriert. Wegen der separaten Ansteuerungsmöglichkeit kann die Beleuchtung des ersten Moiré-Musterteilbereichs sowohl gleichzeitig als auch sukzessive erfolgen.

Jeweils zugehörige Abtastpunkte 334, 334', 334'', . . ., der Eingangslichtsignale LS0, LS0', LS0'', . . ., sind so auf dem ersten Moiré-Muster 330a verteilt, daß der optisch zu erfassende erste Moiré-Musterteilbereich komplett durch die nebeneinander angeordneten Abtastpunkte 334, 334', 334'', . . . abgedeckt wird. Die Eingangslichtsignale LS0, LS0', LS0'', . . . erfahren eine Intensitätsmodulation entsprechend dem jeweils am Ort des zugehörigen Abtastpunkts 334, 334', 334'', . . . vorliegenden Helligkeitswert des ersten Moiré-Musters 330a.

Nach Reflexion am ersten Moiré-Muster 330a werden Ausgangslichtsignale LS1, LS1', . . . mittels einer CCD-Zeile 420 detektiert. Die CCD-Zeile 420 ist benachbart zu den Beleuchtungsmitteln 410 angeordnet. Optional kann auch eine nicht dargestellte zweite CCD-Zeile auf der von der dargestellten CCD-Zeile 420 abgewandten Seite der Beleuchtungsmittel 410 angeordnet sein. Aus den nicht dargestellten elektrischen Ausgangssignalen der CCD-Zeile 420 wird in einer ebenfalls nicht dargestellten Auswerteeinheit ein erstes Abbild des abgetasteten Moiré-Musterteilbereichs erzeugt. Das erste Abbild wird gespeichert und zur Ermittlung der für den Nullpunktabgleich benötigten Informationen herangezogen.

Bei dem optischen Drehmomentsensor 103 erfolgt der Nullpunktabgleich auf rein elektronischem Wege. Für den Nullpunktabgleich sind keinerlei mechanisch bewegte Teile vorgesehen.

Die optischen Drehmomentsensoren 100, 101, 102 und 103 können jeweils als Zwischenteil in die Welle 20 eingesetzt oder als gegebenenfalls stabilisiertes Aufsteckteil auf die Welle 20 aufgesetzt werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Optischer Drehmomentsensor für eine um eine Drehachse (21) drehbare Welle (20) umfassend mindestens
    1. - eine Skaleneinheit (30) mit einer ersten Doppelskala (31) aus einer ersten und einer zweiten in Umfangsrichtung der Welle (20) angeordneten Strichskala (311, 312), die über jeweils einen Träger (33, 34) mechanisch fest und axial durch eine vorgegebene Meßstrecke (35) voneinander beabstandet mit der Welle (20) verbunden und so zueinander benachbart angeordnet sind, daß eine Überlagerung beider Strichskalen (311, 312) ein von dem auf die Meßstrecke (35) einwirkenden Drehmoment abhängiges erstes Moiré-Muster (330a, 331a, 332a, 333a) erzeugt,
    gekennzeichnet durch
    1. - Detektionsmittel (40, 50, 410) zur optischen Erfassung eines ersten Moiré-Musterteilbereichs des ersten Moiré- Musters (330a, 331a, 332a, 333a) bei stillstehender Welle (20) über mindestens ein auf den ersten Moiré-Musterteilbereich gerichtetes Eingangslichtsignal (LS0) und
    2. - eine Auswerteeinheit (60) zur Erzeugung eines ersten Abbilds mindestens einer Periode des ersten Moiré-Musters (330a, 331a, 332a, 333a) aus dem optisch erfaßten ersten Moiré-Musterteilbereich und zur Zuordnung des ersten Abbilds zu dem bei stillstehender Welle (20) vorliegenden Nullpunkt des Drehmoments.
  2. 2. Optischer Drehmomentsensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel (40, 50) zur in Umfangsrichtung veränderbaren Positionierung eines Abtastpunkts (334) des Eingangslichtsignals (LS0) auf dem optisch zu erfassenden ersten Moiré-Musterteilbereich.
  3. 3. Optischer Drehmomentsensor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Mittel (40, 50) zur axial veränderbaren Positionierung eines Abtastpunkts (335) des Eingangslichtsignals (LS0) auf dem optisch zu erfassenden ersten Moiré-Musterteilbereich.
  4. 4. Optischer Drehmomentsensor nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine in ihrer Position veränderbare Detektoreinheit (40) mit elektrooptischen Sendemitteln (41) für das mindestens eine Eingangslichtsignal (LS0) und optoelektrischen Empfangsmitteln (42, 43) für mindestens ein Ausgangslichtsignal (LS1, LS2), das sich durch Beeinflussung des mindestens einen Eingangslichtsignals (LS0) am ersten Moiré-Muster (330a, 331a, 332a, 333a) ergibt.
  5. 5. Optischer Drehmomentsensor nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Positioniereinheit (50), über die die mechanische Position der Detektoreinheit (40) steuerbar ist.
  6. 6. Optischer Drehmomentsensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich der erste Moiré-Musterteilbereich aus mindestens zwei Segmenten zusammensetzt, denen zur optischen Erfassung jeweils gesonderte Eingangslichtsignale (LS0, LS0') zugeordnet sind.
  7. 7. Optischer Drehmomentsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich der optisch zu erfassende erste Moiré-Musterteilbereich aus zwei Segmenten zusammensetzt, die im Abstand einer Viertelperiode des ersten Moiré-Musters (330a, 331a, 332a, 333a) angeordnet sind.
  8. 8. Optischer Drehmomentsensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Beleuchtungsmittel (410), mit denen der komplette optisch zu erfassende erste Moiré-Musterteilbereich beleuchtbar ist.
  9. 9. Optischer Drehmomentsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsmittel (410) ausgelegt sind zur Emission mehrerer Eingangslichtsignale (LS0, LSO', LS0",. . .), von denen jeweils zugehörige Abtastpunkte (334, 334', 334'', . . .) auf dem ersten Moiré-Muster (330a, 331a, 332a, 333a) längs des optisch zu erfassenden ersten Moiré-Musterteilbereichs nebeneinander angeordnet sind.
  10. 10. Optischer Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die erste und die zweite Strichskala (311, 312) in ihrer Strichzahl geringfügig, insbesondere um weniger als 10% voneinander unterscheiden.
  11. 11. Optischer Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Skaleneinheit (30) eine zweite Doppelskala (32) aus einer dritten und vierten Strichskala (321, 322) umfaßt, deren Überlagerung ein von dem auf die Meßstrecke (35) einwirkenden Drehmoment abhängiges zweites Moiré-Muster (330b) erzeugt, wobei
    1. - die Detektionsmittel (40, 50, 410) zur optischen Erfassung eines zweiten Moiré-Musterteilbereichs des zweiten Moiré- Musters (330b) bei stillstehender Welle (20) und
    2. - die Auswerteeinheit (60) zur Erzeugung eines zweiten Abbilds mindestens einer Periode des zweiten Moiré-Musters (330b) aus dem optisch erfaßten zweiten Moiré-Musterteilbereich und zur Zuordnung des zweiten Abbilds zu dem bei stillstehender Welle (20) vorliegenden Nullpunkt des Drehmoments
    ausgelegt sind.
  12. 12. Optischer Drehmomentsensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die vierte Strichskala (311, 322) eine übereinstimmende erste Strichzahl sowie die zweite und die dritte Strichskala (312, 321) eine übereinstimmende zweite Strichzahl haben.
  13. 13. Optischer Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Träger (33, 34) jeweils eine senkrecht zur Drehachse (21) angeordnete Trägerplatte (332, 342) enthalten, auf denen die jeweiligen Strichskalen (311, 312, 321, 322) angeordnet sind.
  14. 14. Optischer Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Träger (33, 34) jeweils ein konzentrisch zur Drehachse (21) angeordnetes Trägerrohr (331, 341) enthalten,
  15. 15. Optischer Drehmomentsensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eines der beiden Trägerrohre (331, 341) einen optisch transparenten Endabschnitt (340) hat, der über das andere der beiden Trägerrohre (331, 341) geschoben ist, so daß sich ein Überlappungsbereich zwischen beiden Trägerrohren (331, 341) ergibt, wobei die Strichskalen (311, 312, 321, 322) im Überlappungsbereich angeordnet sind.
  16. 16. Optischer Drehmomentsensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Trägerrohre (331, 341) an den einander zugewandten Enden jeweils eine 45°-Phase (333, 343) aufweisen und die Strichskalen (311, 312, 321, 322) auf den 45°-Phasen (333, 343) angeordnet sind.
  17. 17. Optischer Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Innenraum (46) zwischen den Detektionsmitteln (40, 410) und der Skaleneinheit (30) mit Flüssigkeit, insbesondere mit Silikonöl (47), gefüllt ist.
  18. 18. Optischer Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Oberflächen (48), durch die ein Lichtsignal (LS0, LS1, LS2) hindurchtritt oder an denen ein Lichtsignal (LS0, LS1, LS2) reflektiert wird, eine schmutzabweisende Nanostruktur aufweisen.






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