DE102010024850A1

DE102010024850A1 - Method for determining rotation speed of e.g. rotatable shaft that is rotated opposite to e.g. outer ring in tachogenerator, involves determining rotation speed based on detected signal patterns of output signal at piezoresistive transducer

Info

Publication number: DE102010024850A1
Application number: DE102010024850A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Rumprecht Timo; Dipl.-Ing. Biehl Saskia
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2011-12-29

Abstract

The method involves detecting characteristics of signal patterns of an output signal at a piezoresistive transducer (9) during rotation of a rotatable component. Rotation speed of the rotatable component is determined based on the detected signal patterns. Characteristic points are detected in the signal patterns, and the rotation speed is determined as function of time based on the detected number of characteristics points. The signal patterns are transformed from a time domain to a frequency domain, and the rotation speed is determined based on characteristic values of a frequency spectrum. The rotatable component is designed as a rotatable shaft (2), a rotatable inner arrangement (4), an inner ring (5) and a rolling member (6). Independent claims are also included for the following: (1) a device for determining rotation speed of a rotatable component, comprising a piezoresistive transducer (2) a rotatable component.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Drehzahl eines rotierbaren Bauelementes mit wenigstens einem piezoresistiven Messaufnehmer gemäß dem Anspruch 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Einrichtung mit einer Lagerstelle und einem gegenüber der Lagerstelle rotierbaren Bauelement und mit wenigstens einem piezoresistiven Messaufnehmer gemäß dem Anspruch 11.The invention relates to a method for determining the rotational speed of a rotatable component with at least one piezoresistive sensor according to claim 1. The invention also relates to a device with a bearing point and a rotatable relative to the bearing component and at least one piezoresistive transducer according to claim 11.

In vielen Steuer- und Regelsystemen besteht der Bedarf der Bestimmung der Drehzahl von Wellen und anderen rotierenden Teilen mit Hilfe von fest eingebauten Messaufnehmern.In many control systems, there is a need to determine the speed of shafts and other rotating parts by means of built-in transducers.

Ein gängiges Messprinzip beruht auf der Verwendung von Tachogeneratoren, die häufig auf das Prinzip des Impulsabgriffs zurückgreifen. Hierbei werden an der rotierenden Komponente befestigte Inkrementscheiben eingesetzt, die durch externe, statische Abtastvorrichtungen ausgelesen werden. Es existieren verschiedene Ausführungsformen von Inkrementscheiben, die je nach Aus führungsform optisch, magnetisch oder induktiv abgetastet werden. Die Anzahl der so erzeugten Pulse pro Zeiteinheit ist dann ein Maß für die Drehzahl.A common measuring principle is based on the use of tachogenerators, which often rely on the principle of pulse tapping. In this case, incremental disks attached to the rotating component are used, which are read out by external, static scanning devices. There are various embodiments of incremental disks, which are optically, magnetically or inductively scanned depending on the imple mentation from. The number of pulses thus generated per unit time is then a measure of the speed.

Ein Verfahren dieser Art ist beispielsweise in DE 42 37 194 A1 und in DE 697 32 183 T3 beschrieben.A method of this kind is for example in DE 42 37 194 A1 and in DE 697 32 183 T3 described.

Aus DE 10 2007 036 271 A1 ist die Benutzung eines solchen Drehgebers zur Überwachung des Lagerverschleißes bekannt.Out DE 10 2007 036 271 A1 is the use of such a rotary encoder for monitoring the bearing wear known.

DE 103 13 060 A1 sowie DE 102 43 095 B4 offenbaren Wälzlager mit einer integrierten Zustandsmessung. Hierbei sind kraftsensitive Messschichten zwischen sich gegeneinander oder aufeinander bewegenden Flächen eines Wälz- oder Gleitlagers angeordnet. Die Messschicht ist in Form von Dünnschichtelektroden ausgebildet, wie sie in der DE 199 54 164 A1 beschrieben sind. DE 103 13 060 A1 such as DE 102 43 095 B4 disclose bearings with an integrated condition measurement. In this case, force-sensitive measuring layers are arranged between surfaces of a rolling or plain bearing which move against one another or one another. The measuring layer is in the form of thin-film electrodes, as in the DE 199 54 164 A1 are described.

Ein piezoresistiver Dünnschichtsensor bestehend aus einer auf einem Träger angeordneten Kohlenwasserstoffschicht mit piezoresistiven Eigenschaften und Elektrodenstrukturen auf der piezoresistiven Sensorschicht ist zudem aus der DE 10 2006 019 942 A1 bekannt.A piezoresistive thin-film sensor comprising a hydrocarbon layer with piezoresistive properties and electrode structures on the piezoresistive sensor layer arranged on a support is also known from US Pat DE 10 2006 019 942 A1 known.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zur Ermittlung der Drehzahl eines rotierbaren Bauelementes sowie ein verbessertes rotierbares Bauelement mit Drehzahlermittlungseinheit zu schaffen.The object of the present invention is to provide an improved method for determining the rotational speed of a rotatable component as well as an improved rotatable component having a rotational speed determination unit.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 11 angegebene Erfindung gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung an.This object is solved by the invention specified in claims 1 and 11. The subclaims indicate advantageous embodiments of the invention.

Es wurde erkannt, dass durch an einer Lagerstelle vorgesehene, in Form einer Beschichtung aufgebrachte piezoresistive Messaufnehmer vorteilhaft eine Drehzahlerfassung bei rotierenden Bauelementen möglich ist. Die Drehzahlerfassung ist prinzipiell mit einem einzigen Messaufnehmer durchführbar. Eine Verbesserung der Messgenauigkeit und eine Erhöhung der Redundanz des Systems kann durch Verwendung einer Mehrzahl von über den Umfang der Lagerstelle um das rotierbare Bauelement herum verteilten piezoresistiven Messaufnehmern realisiert werden. Hierbei können mehrere verschiedene Messmethoden zum Einsatz kommen. Durch Herstellung der Messaufnehmer in Form einer Beschichtung in Dünnschichttechnik kann bei nur geringer Erhöhung des Aufwands eine Mehrzahl von Messaufnehmern realisiert werden. Die Herstellung der entsprechenden Einrichtung ist daher relativ kostengünstig möglich.It has been recognized that rotational speed detection in rotating components is advantageously possible by means of a piezoresistive sensor provided in the form of a coating at a bearing point. The speed detection is in principle feasible with a single sensor. An improvement in the measurement accuracy and an increase in the redundancy of the system can be realized by using a plurality of distributed over the circumference of the bearing around the rotatable component around piezoresistive sensors. Several different measuring methods can be used here. By manufacturing the sensor in the form of a coating in thin-film technology can be realized with only a small increase in the cost of a plurality of sensors. The preparation of the corresponding device is therefore relatively inexpensive possible.

Die Beschichtung in Dünnschichttechnik ist an wenigstens einer Oberfläche der Lagerstelle vorgesehen. Vorteilhaft ist die Beschichtung an einer nicht mit dem rotierenden Bauteil mitrotierenden Wand der Lagerstelle vorgesehen. Die Beschichtung kann auch an einander gegenüberliegenden Wänden der Lagerstelle vorgesehen sein.The thin-film coating is provided on at least one surface of the bearing. Advantageously, the coating is provided on a not rotating with the rotating component wall of the bearing. The coating may also be provided on opposite walls of the bearing.

Es wurde erkannt, dass über den einen Messaufnehmer oder eine Mehrzahl von über den Umfang verteilt angeordneten piezoresistiven Messaufnehmern charakteristische Signalmuster in den Ausgangssignalen der Messaufnehmer auftreten, durch das die Drehzahl des rotierbaren Bauelements präzise und eindeutig bestimmt werden kann. Die charakteristischen Signalmuster treten dabei auch auf, wenn die piezoresistive Beschichtung des Messaufnehmers an einer nicht direkt mit dem rotierbaren Bauelement in Kontakt stehenden Wand eines statischen Lagers angeordnet ist.It has been recognized that characteristic signal patterns occur in the output signals of the measuring sensors via the one sensor or a plurality of piezoresistive sensors distributed over the circumference, by means of which the rotational speed of the rotatable component can be precisely and unambiguously determined. The characteristic signal patterns also occur when the piezoresistive coating of the measuring sensor is arranged on a wall of a static bearing which is not in direct contact with the rotatable component.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die piezoresistiven Sensorschichten vor übermäßigem Verschleiß geschützt sind, da sie bei der Rotation des Bauelements nicht direkt in Kontakt mit dem rotierenden Bauelement stehen. Über ein Lagerelement besteht jedoch eine Kraftwirkung auf die Sensorschicht, da der Kraftfluss von einem Wälzkörper des Lagers durch die Wandung eines Außenrings des Lagers auf die Sensorschicht gerichtet ist. Obwohl keine direkte Kraftwirkung zwischen dem rotierbaren Bauelement und den piezoresistiven Sensorschichten vorhanden ist, wird dennoch ein zur Bestimmung der Drehzahl geeignetes charakteristisches Signalmuster zur Verfügung gestellt. An advantage of the invention is that the piezoresistive sensor layers are protected from excessive wear because they are not directly in contact with the rotating component during rotation of the device. However, a force acting on the sensor layer via a bearing element, since the power flow is directed by a rolling element of the bearing through the wall of an outer ring of the bearing on the sensor layer. Although there is no direct force action between the rotatable component and the piezoresistive sensor layers, a characteristic signal pattern suitable for determining the rotational speed is nevertheless provided.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden charakteristische Punkte in den Signalmustern erfasst. Die Drehzahl wird in Abhängigkeit der über eine festgelegte Zeit erfassten Anzahl von charakteristischen Punkten bestimmt. Im einfachsten Fall kann die Anzahl erfasster charakteristischer Punkte pro Zeiteinheit als Drehzahl bestimmt werden.According to an advantageous development of the invention, characteristic points in the signal patterns are detected. The speed is determined as a function of the number of characteristic points detected over a set time. In the simplest case, the number of detected characteristic points per unit of time can be determined as the speed.

Als charakteristisches Signalmuster werden vorteilhaft charakteristische Punkte erfasst, beispielsweise durch positive oder negative Signalspitzen in Form von lokalen Signalmaxima oder -minima. Die Drehzahl wird dann in Abhängigkeit der über eine festgelegte Zeit erfassten Anzahl von Pulsen bestimmt. Die Drehzahlermittlung ist dabei von der Geometrie des Wälzlagers abhängig. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann eine Transformation der mehreren Sensorsignale aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich erfolgen. Die Drehzahl wird dann in Abhängigkeit von charakteristischen Werten des ermittelten Frequenzspektrums und der bekannten Geometrie des rotierbaren Bauelementes bestimmt. Für die Auswertung kann beispielsweise das Ausgangssignal über eine Fourier-Transformation, z. B. nach dem FFT-Verfahren, in den Frequenzbereich überführt werden. Die Drehzahl kann dann z. B. aus dem Frequenzwert mit der größten Amplitude bestimmt werden. Der Einfluss der Geometrie kann auch empirisch ermittelt werden, indem bei bekannten Drehzahlen eine Kalibrierung durch Messung der hierbei auftretenden zugehörigen Impulswiederholfrequenzen vorgenommen wird.As a characteristic signal pattern advantageously characteristic points are detected, for example by positive or negative signal peaks in the form of local signal maxima or minima. The speed is then determined as a function of the number of pulses detected over a fixed time. The speed determination is dependent on the geometry of the bearing. In an advantageous embodiment of the invention, a transformation of the plurality of sensor signals from the time domain into the frequency domain. The speed is then determined as a function of characteristic values of the determined frequency spectrum and the known geometry of the rotatable component. For the evaluation, for example, the output signal via a Fourier transform, z. B. by the FFT method in the frequency domain. The speed can then z. B. be determined from the frequency value with the largest amplitude. The influence of the geometry can also be determined empirically by calibrating at known speeds by measuring the associated pulse repetition frequencies occurring in this case.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine Mehrzahl von piezoresistiven Messaufnehmern vorgesehen, die durch Beschichtung wenigstens eines von bei der Rotation des Bauelements kraftbeaufschlagten Bereichs einer bezüglich der Rotation des Bauelements statischen Oberfläche der Lagerstelle in Dünnschichttechnik hergestellt ist. Hierbei sind die Messaufnehmer über den Umfang der Lagerstelle um das rotierbare Bauelement herum verteilt angeordnet. Die verteilte Anordnung der Messaufnehmer kann in gleichen Abständen oder auch in unregelmäßigen Abständen vorgesehen sein. Es erfolgt ein Erfassen charakteristischer, bei der Rotation des rotierbaren Bauelements wiederkehrender Signalmuster der mehreren Ausgangssignale der mehreren piezoresistiven Messaufnehmer und ein Bestimmen der Drehzahl in Abhängigkeit der erfassten Signalmuster der mehreren Ausgangssignale. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden charakteristische Punkte in den Signalmustern erfasst. Die Drehzahl wird anhand der Zeitdifferenz vergleichbarer charakteristischer Punkte in den Signalmustern verschiedener Messaufnehmer und anhand von dem geometrischen Winkelabstand der Messaufnehmer voneinander bestimmt.According to an advantageous embodiment of the invention, a plurality of piezoresistive sensors is provided, which is produced by coating at least one of the force-applied during the rotation of the device portion of a static with respect to the rotation of the component surface of the bearing in thin-film technology. Here, the sensors are arranged distributed around the rotatable component around the circumference of the bearing. The distributed arrangement of the sensor can be provided at equal intervals or at irregular intervals. There is a detection of characteristic, in the rotation of the rotatable component recurring signal pattern of the plurality of output signals of the plurality of piezoresistive sensors and determining the speed in dependence of the detected signal pattern of the plurality of output signals. In an advantageous embodiment of the invention, characteristic points are detected in the signal patterns. The speed is determined based on the time difference of comparable characteristic points in the signal patterns of different sensors and on the basis of the geometric angular distance of the sensor from each other.

Die Drehrichtung des rotierbaren Bauelementes kann vorteilhaft in Abhängigkeit von der Lage eines lokalen Signalmaximums und/oder lokalen Signalminimums des Signals (lokale Impulsspitze) zu einem angrenzenden Sattelpunkt im Sensorsignal bestimmt werden. Dabei wird ausgenutzt, dass das charakteristische Signalmuster abwechselnd lokale Signalmaxima und Signalminima hat, wobei sich der Sattelpunkt je nach Drehrichtung entweder im Übergang zwischen Signalmaximum zum Signalminimum oder im Übergang zwischen Signalminimum zum Signalmaximum befindet.The direction of rotation of the rotatable component can advantageously be determined as a function of the position of a local signal maximum and / or local signal minimum of the signal (local pulse peak) to an adjacent saddle point in the sensor signal. It is exploited that the characteristic signal pattern has alternately local signal maxima and signal minimums, wherein the saddle point is depending on the direction of rotation either in the transition between the maximum signal to the signal minimum or in the transition between the signal minimum to the maximum signal.

Auf diese Weise kann z. B. eine positive Drehrichtung erkannt werden, wenn der Sattelpunkt im Übergang eines Signalminimums zum Signalmaximum liegt. Eine negative Drehrichtung wird hingegen erkannt, wenn der Sattelpunkt im Übergang eines Signalmaximums zu einem Signalminimum liegt.In this way, z. B. a positive direction of rotation are detected when the saddle point is in the transition of a signal minimum to the maximum signal. A negative direction of rotation, however, is detected when the saddle point is in the transition of a signal maximum to a signal minimum.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt ein Bestimmen der Drehrichtung des rotierbaren Bauelements in Abhängigkeit von der Reihenfolge des Auftretens charakteristischer Punkte in den Signalmustern verschiedener Messaufnehmer. Als charakteristische Punkte können beispielsweise lokale Signalmaxima und/oder lokale Signalminima und/oder Sattelpunkte verwendet werden. Anhand der Reihenfolge des Auftretens solcher charakteristischer Punkte kann zwischen der positiven und der negativen Drehrichtung unterschieden werden.According to an advantageous development of the invention, the rotational direction of the rotatable component is determined as a function of the sequence of occurrence of characteristic points in the signal patterns of different sensors. For example, local signal maxima and / or local signal minima and / or saddle points can be used as characteristic points. Based on the order of occurrence of such characteristic points can be distinguished between the positive and the negative direction of rotation.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Temperaturkompensation der jeweiligen Sensorsignale in Abhängigkeit einer erfassten Temperatur vorgenommen wird. Dabei ist es vorteilhaft, mindestens zwei Elektroden vorzusehen, von denen mindestens eine im Kraftfluss und mindestens eine außerhalb des Kraftflusses der rotierbaren Läuferanordnung liegt. Die Elektroden unterliegen dabei annähernd dem gleichen Temperatureinfluss und werden mit einer Brückenschaltung so miteinander verschaltet, dass der Temperatureinfluss im Signal der kraftbeeinflussten Elektroden kompensiert wird. Hierzu kann beispielsweise eine Viertelbrückenschaltung mit externen Widerständen genutzt werden.It is particularly advantageous if a temperature compensation of the respective sensor signals is carried out as a function of a detected temperature. It is advantageous to provide at least two electrodes, of which at least one in the power flow and at least one outside the power flow the rotatable rotor assembly is located. The electrodes are subject to approximately the same temperature influence and are interconnected with a bridge circuit so that the influence of temperature in the signal of the force-affected electrodes is compensated. For this purpose, for example, a quarter-bridge circuit can be used with external resistors.

Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Einrichtung gemäß Anspruch 11 gelöst. Die Drehzahlermittlungseinheit ist entweder durch Hardware und/oder Programmierung zur Ermittlung der Drehzahl nach dem oben beschriebenen Verfahren eingerichtet. Die Elektroden haben vorteilhaft eine derartige Struktur, dass ein im Lasteinflussbereich des rotierbaren Bauelements liegender abgerundeter Bereich und ein vorzugsweise außerhalb des Lasteinflussbereichs liegender viereckiger Bereich angrenzend an den abgerundeten Bereich vorgesehen ist, wobei die Verkabelung der Messaufnehmer durch elektrisch leitende Verbindungen von Messleitungen mit dem viereckigen Bereich erfolgt. Durch die Kombination des abgerundeten mit dem viereckigen Bereich wird eine Temperaturkompensationsschaltung ermöglicht. Der abgerundete Bereich kann dabei z. B. oval bzw. elliptisch oder kreisrund sein. Der viereckige Bereich kann beispielsweise rechteckig oder quadratisch ausgebildet sein.The object is further achieved by a device according to claim 11. The speed detection unit is configured either by hardware and / or programming to determine the speed according to the method described above. The electrodes advantageously have such a structure that a rounded region located in the load-influencing region of the rotatable component and a quadrangular region preferably located outside the load-influencing region are provided adjacent to the rounded region, the cabling of the measuring sensors being provided by electrically conductive connections of measuring leads to the quadrangular region he follows. The combination of the rounded and square areas allows a temperature compensation circuit. The rounded area can be z. B. oval or elliptical or circular. The quadrangular region can be rectangular or square, for example.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to embodiments with the accompanying drawings. Show it:

1 – Schematische Darstellung eines rotierbaren Bauelementes mit piezoresistiven Messaufnehmern; 1 - Schematic representation of a rotatable component with piezoresistive sensors;

2 – schematische Darstellung einer möglichen Verteilung von piezoresistiven Messaufnehmern auf dem Umfang eines Lagerrings; 2 - Schematic representation of a possible distribution of piezoresistive sensors on the circumference of a bearing ring;

3a – Skizze mit Schaltdiagramm zur Temperaturkompensierten Drehzahlmessung; 3a - sketch with circuit diagram for temperature-compensated speed measurement;

3b – Schaltbild einer Viertelbrücke zur Temperaturkompensation; 3b - Circuit diagram of a quarter bridge for temperature compensation;

4 – schematische Schnittansicht durch das sensorische Schichtsystem; 4 - Schematic sectional view through the sensory layer system;

5 – beispielhaftes Diagramm eines aufgenommenen Sensorsignals eines piezoresistiven Messaufnehmers als Maß für den Kraftverlauf an dem Sensorpunkt bei positiver Drehrichtung; 5 - Exemplary diagram of a recorded sensor signal of a piezoresistive sensor as a measure of the force curve at the sensor point in the positive direction of rotation;

6 – beispielhaftes Diagramm eines aufgenommenen Sensorsignals eines piezoresistiven Messaufnehmers als Maß für den Kraftverlauf an dem Sensorpunkt bei negativer Drehrichtung; 6 - Exemplary diagram of a recorded sensor signal of a piezoresistive sensor as a measure of the force curve at the sensor point in the negative direction of rotation;

7 – schematische Darstellung einer weiteren möglichen Verteilung von piezoresistiven Messaufnehmern auf dem Umfang eines Lagerrings; 7 - Schematic representation of another possible distribution of piezoresistive sensors on the circumference of a bearing ring;

8 – schematische Darstellung der Kontaktsituation zwischen Sensoren und Wälzkörpern in Abhängigkeit der Käfig-Drehrichtung; 8th - Schematic representation of the contact situation between sensors and rolling elements as a function of the cage rotation direction;

9 – beispielhafte Spannungssignale der Sensoren 1 bis 5 bei einer positiven Käfigdrehrichtung. 9 - Exemplary voltage signals of the sensors 1 to 5 in a positive cage rotation direction.

1 lässt eine schematische Darstellung einer Einrichtung 1 erkennen, die eine rotierbare Welle 2 hat, die an einem Lager 3 gelagert ist. Das Lager 3 hat eine rotierbare Läuferanordnung 4, die durch einen Innenring 5 und eine Vielzahl auf den Umfang verteilt angeordnete Wälzkörper 6 hat. Die Wälzkörper 6 werden durch einen äußeren Umfang durch einen Außenring 7 umschlossen, so dass eine Relativbewegung zwischen Innenring 5 und Außenring 7 unter Abrollen der Wälzkörper 6 in den für die Wälzkörper 6 vorgesehen Mulden im Innen- und Außenring 5 und 7 möglich ist. Der Außenring 7 bildet ein Gegenlager zur rotierbaren Läuferanordnung. Das Gegenlager bzw. der Außenring 7 ist in ein Gehäuse 8 fest eingebaut, so dass das Gegenlager in Bezug zur rotierbaren Läuferanordnung 4 statisch ist. 1 lets a schematic representation of a device 1 recognize that a rotatable shaft 2 has that at a warehouse 3 is stored. The warehouse 3 has a rotatable rotor arrangement 4 passing through an inner ring 5 and a plurality of circumferentially spaced rolling elements 6 Has. The rolling elements 6 be through an outer circumference through an outer ring 7 enclosed, allowing a relative movement between inner ring 5 and outer ring 7 under rolling of the rolling elements 6 in the for the rolling elements 6 provided hollows in the inner and outer ring 5 and 7 is possible. The outer ring 7 forms an abutment to the rotatable rotor assembly. The counter bearing or the outer ring 7 is in a housing 8th firmly installed, so that the counter bearing in relation to the rotatable rotor assembly 4 is static.

Hierbei sind der Außenring 7 und das Gehäuse 8 Teile der Lagerstelle des rotierbaren Bauelements. Die Welle 2, die Läuferanordnung 4, der Innenring 5 und die Wälzkörper 6 sind Teile des rotierbaren Bauelements.Here are the outer ring 7 and the case 8th Parts of the bearing of the rotatable component. The wave 2 , the runner arrangement 4 , the inner ring 5 and the rolling elements 6 are parts of the rotatable component.

An mindestens einer Seitenwand des Außenrings angrenzend an das Gehäuse 8 sind mehrere über den Umfang des Außenrings 7 verteilt angeordnete piezoresistive Messaufnehmer 9 angeordnet, die drahtlos oder mittels Kabel 10 mit einer Drehzahlermittlungseinheit 11 verbunden sind. Die Drehzahlermittlungseinheit 11 hat Signalauswertelogik, um charakteristische, bei der Rotation der Läuferanordnung 4 bestehend aus Wälzkörper 6 und Innenring 5 wiederkehrende Signalmuster der mehreren Sensorsignale der piezoresistiven Messaufnehmer 9 zur erfassen und in Abhängigkeit dieser erfassten Signalmuster die Drehzahl der rotierbaren Welle 2 zu bestimmen.At least one side wall of the outer ring adjacent to the housing 8th are several over the circumference of the outer ring 7 distributed piezoresistive sensors 9 arranged, the wireless or by cable 10 with a speed detection unit 11 are connected. The speed detection unit 11 has Signalauswertelogik to characteristic, during rotation of the rotor assembly 4 consisting of rolling elements 6 and inner ring 5 Recurring signal pattern of the multiple sensor signals of the piezoresistive sensor 9 to detect and in dependence of this detected signal pattern, the rotational speed of the rotatable shaft 2 to determine.

2 lässt eine mögliche Ausführungsform in einer schematischen Darstellung des Außenrings 7 als Aufsicht von der Seite erkennen. Deutlich wird, dass mehrere piezoresistive Messaufnehmer 9 über den Umfang verteilt ähnlich wie bei einer Inkrementscheibe angeordnet sind. Dabei ist in der dargestellten Ansicht in dem oberen Segment kein piezoresistiver Messaufnehmer 9 vorgesehen, während in dem übrigen Segment die piezoresistiven Messaufnehmer 9 vorzugsweise äquidistant voneinander beabstandet sind. 2 leaves a possible embodiment in a schematic representation of the outer ring 7 recognize as a supervision from the side. It becomes clear that several piezoresistive sensors 9 distributed over the circumference are arranged similar to an incremental disk. In this case, in the illustrated view in the upper segment no piezoresistive sensor 9 provided, while in the remaining segment, the piezoresistive sensor 9 are preferably equidistant from each other.

Erkennbar ist, dass jeder piezoresistiver Messaufnehmer 9 aus zwei Strukturen 21 und 22 besteht. Die Struktur 22 hat einen Bereich 12, der im Lasteinflussbereich der rotierenden Lageranordnung 4 liegt, sowie einen Bereich 13 der ausserhalb des Lasteinflussbereichs liegt und zur Ankontaktierung dient. Die Struktur 21 liegt vollständig ausserhalb des Lasteinflussbereichs und dient sowohl zur Temperaturkompensation des Messaufnehmenrs wie auch zur Ankontanktierung dieser Struktur. Die in den Strukturen 21, 22 gebildeten piezoresistiven Messaufnehmer 9 werden jeweils mittels Kabel 10 mit der Drehzahlermittlungseinheit 11 verbunden. Die piezoresistiven Messaufnehmer 9 werden mittels einer geeigneten Konstantspannungsquelle mit Energie versorgt. Die eigentliche Temperaturkompensation der piezoresistiven Messaufnehmer 9 erfolgt über eine geeignete Verschaltung der Strukturen 21 und 22 z. B. mit einer Viertelbrücke.It can be seen that every piezoresistive sensor 9 from two structures 21 and 22 consists. The structure 22 has an area 12 in the load-influencing area of the rotating bearing assembly 4 lies, as well as an area 13 which lies outside the load influence range and serves for contacting. The structure 21 is completely outside of the load influence range and serves both for temperature compensation of the sensor as well as for the annealing of this structure. The in the structures 21 . 22 formed piezoresistive sensor 9 are each using cables 10 with the speed detection unit 11 connected. The piezoresistive sensors 9 are powered by a suitable constant voltage source with energy. The actual temperature compensation of piezoresistive sensors 9 takes place via a suitable interconnection of the structures 21 and 22 z. B. with a quarter bridge.

Die piezoresistive Sensorschicht kann homogen auf einen Grundkörper, hier z. B. den Außenring 7, aufgetragen werden. Zur Ausbildung einzelner piezoresistiver Messaufnehmer ist es notwendig, Bereiche zu definieren, in denen die eigentliche Messung der Kontaktkräfte stattfinden soll. Hierfür kann vorteilhaft eine leitfähige Beschichtung in dedizierten Bereichen des Grundkörpers vorgesehen werden, und zwar in Form der anhand der 2 dargestellten Strukturen 21 und 22. Die 3a, die hinsichtlich der dort dargestellten elektronischen Schaltung später noch eingehender erläutert wird, zeigt ausschnittsweise einen Sektor des als Grundkörper verwendeten Außenrings 7 sowie darauf aufgebrachter Bereiche 10, 12, 13 mit elektrisch leitfähiger Beschichtung. Vorteilhaft besteht jeder Sensorbereich aus zwei Elektroden F(22), T(21). Die für die Kraftmessung ausgebildete Elektrode F ist als Kombination zwischen einem rechteckigem Bereich 13 und einem gerundeten Bereich 12 ausgestaltet, wobei der gerundete Bereich vorteilhaft in Form eines Ovals ausgebildet sein kann. Wie in 3a zu erkennen ist, befindet sich nur der ovale Bereich 12 der Elektrode innerhalb eines kraftbeaufschlagten Bereichs 30, nämlich innerhalb eines Flächenbereichs, in dem die Flanke des Außenrings 7 am Gehäuse 8 anliegt. Der Bereich 13 sowie die Struktur 21 der Elektroden befinden sich in einem nicht kraftbeaufschlagten Bereich 31 des Außenrings 7. Somit befindet sich von der gesamten Sensoranordnung nur der ovale Bereich 12 im Kraftfluss der mechanischen Konstruktion. Die zusätzlich neben der Elektrode F angeordnete rechteckförmige Elektrode T befindet sich vorteilhaft in unmittelbarer Nähe zur Elektrode F, ist mit dieser jedoch nicht leitfähig verbunden. Die rechteckförmigen Bereiche 21, 13 der Elektroden dienen dabei zugleich der Kontaktierung der Anschlussdrähte zur Verbindung mit einer Messschaltung. Hierbei ist es vorteilhaft, dass die Struktur 21 der Elektrode T den gleichen Flächenbereich einnimmt wie die Struktur 22 der Elektrode F. Hierdurch ist mittels der Elektrode T eine optimale Temperaturkompensation möglich.The piezoresistive sensor layer can be homogeneously applied to a base body, here z. B. the outer ring 7 , are applied. To form individual piezoresistive sensors, it is necessary to define areas in which the actual measurement of the contact forces should take place. For this purpose, a conductive coating can advantageously be provided in dedicated areas of the base body, in the form of the basis of the 2 represented structures 21 and 22 , The 3a , which will be explained later in more detail with regard to the electronic circuit shown there, shows a section of a sector of the outer ring used as the main body 7 as well as applied areas 10 . 12 . 13 with electrically conductive coating. Advantageously, each sensor region consists of two electrodes F (22), T (21). The force measuring electrode F is a combination between a rectangular area 13 and a rounded area 12 configured, wherein the rounded portion can be advantageously formed in the form of an oval. As in 3a can be seen, there is only the oval area 12 the electrode within a force-loaded area 30 , namely within a surface area in which the flank of the outer ring 7 on the housing 8th is applied. The area 13 as well as the structure 21 the electrodes are in a non-force loaded area 31 of the outer ring 7 , Thus, of the entire sensor array is only the oval area 12 in the power flow of mechanical construction. The additionally arranged next to the electrode F rectangular electrode T is advantageously located in close proximity to the electrode F, but is not connected to conductive. The rectangular areas 21 . 13 At the same time, the electrodes serve to make contact with the connecting wires for connection to a measuring circuit. It is advantageous that the structure 21 the electrode T occupies the same area as the structure 22 the electrode F. By means of the electrode T, an optimal temperature compensation is possible.

Wie in der 3a ebenfalls erkennbar ist, ist der Außenring 7 als metallischer Grundkörper eine elektrische Referenz für die Erfassung der Sensorsignale. Der Außenring 7 liegt dabei beispielsweise auf Massepotenzial. Die Elektroden F, T werden über eine Messschaltung mit einer Spannungsquelle verbunden, deren Potenzial höher liegt als das der elektrischen Masse des Außenrings 7. Hierdurch bildet sich ein Stromfluss aus, bei dem die Ladungsträger zunächst über eine Verbindungsstelle in die Elektroden T, F fließen und von dort durch die Sensorschicht zur elektrischen Masse, d. h. über den metallischen Grundkörper des Außenrings 7 zur Masse der Spannungsversorgung. Für die Funktion als Messaufnehmer kommen die Bereiche der Anordnung in Frage, in denen ein Stromfluss durch die piezoresistive Beschichtung fließt und eine Widerstandsänderung der Beschichtung messtechnisch erfasst werden kann. Die piezoresistive Sensorschicht ist prinzipbedingt sehr hochohmig. Aus diesem Grund kommt es nicht zu einem relevanten Stromfluss von einer Elektrode zur anderen, d. h. die Messungen an den einzelnen Elektroden beeinflussen sich gegenseitig nicht. Aufgrund des hohen spezifischen Widerstands der piezoresistiven Sensorschicht fließen die Ladungsträger, sozusagen nach dem Prinzip des Wegs des geringsten Widerstands, von einer Elektrode durch die relativ dünne Sensorschicht zur elektrischen Masse des Grundkörpers. Ein Stromfluss über den wesentlich hochohmigeren Weg über benachbarte Elektroden ist vernachlässigbar. Daher kann jede Elektrode als ein separater, veränderlicher ohmscher Widerstand betrachtet werden.Like in the 3a Also recognizable is the outer ring 7 as metallic base an electrical reference for the detection of the sensor signals. The outer ring 7 is for example at ground potential. The electrodes F, T are connected via a measuring circuit to a voltage source whose potential is higher than that of the electrical ground of the outer ring 7 , This forms a current flow, in which the charge carriers initially flow via a connection point into the electrodes T, F and from there through the sensor layer to the electrical ground, ie via the metallic main body of the outer ring 7 to the ground of the power supply. For the function as a sensor, the areas of the arrangement in question in which a current flow through the piezoresistive coating flows and a change in resistance of the coating can be detected by measurement. The piezoresistive sensor layer is inherently very high impedance. For this reason, there is no relevant current flow from one electrode to the other, ie the measurements on the individual electrodes do not influence each other. Due to the high resistivity of the piezoresistive sensor layer, the charge carriers flow, so to speak, on the principle of the path of least resistance, from one electrode through the relatively thin sensor layer to the electrical ground of the main body. A current flow over the much higher impedance path via adjacent electrodes is negligible. Therefore, each electrode can be considered as a separate, variable resistive resistor.

Kommt es durch den Einfluss von Druck bzw. Kraft oder Temperatur zu einer Veränderung des elektrischen Widerstands der Sensorschicht, kann dieser lokal im Bereich der Elektroden erfasst werden, da er den Stromfluss dort direkt beeinflusst. Für die Anwendung zur Drehzahlmessung besteht ein Bedarf daran, dass die Messung nicht durch Temperatureinflüsse ungenau wird. Es ist daher eine temperaturstabilisierte Messung anzustreben. Zu diesem Zweck wird eine Messschaltung gemäß 3a bzw. 3b verwendet. Bei dieser Messschaltung wird in Reihe zu jeder Elektrode ein externer Widerstand geschaltet. Ergänzt mit einer Spannungsquelle kann dann eine Brückenschaltung aufgebaut werden. Die Querspannung U_b der Brückenschaltung steht dabei in folgendem Zusammenhang mit den übrigen Größen der Messschaltung:

If there is a change in the electrical resistance of the sensor layer due to the influence of pressure or force or temperature, it can be detected locally in the area of the electrodes, since it directly influences the current flow there. For the application for speed measurement, there is a need for the measurement not to become inaccurate due to temperature influences. It is therefore desirable to have a temperature-stabilized measurement. For this purpose, a measuring circuit according to 3a respectively. 3b used. In this measurement circuit, an external resistor is connected in series with each electrode. Supplemented with a voltage source, a bridge circuit can then be set up. The transverse voltage U _{b of} the bridge circuit is in the following context with the other variables of the measuring circuit:

Eine Änderung der Schichtwiderstände in der Sensorschicht macht sich daher in einer Änderung der Querspannung bemerkbar. Man kann erkennen, dass durch Anpassen des externen Widerstands R_trimm die Größenverhältnisse so eingestellt werden können, dass die Querspannung zwischen den Brückenzweigen zu Null wird. Ein solcher Abgleich kann einmalig erfolgen, z. B. im unbelasteten Zustand des Lagers. Kommt es nun zu einer Krafteinwirkung auf die Elektrode F, reduziert sich an dieser Stelle der elektrische Widerstand der Sensorschicht. An der Elektrode T kann dies nicht erfolgen, da sie sich nicht innerhalb des Kontaktbereichs des Außenrings befindet. Die Elektrode T verändert daher ihren Widerstand kraftbedingt nicht. Beide Elektroden F, T unterliegen aber zusätzlich einer temperaturbedingten Widerstandsänderung. Durch in etwa flächenmäßig gleich große Ausbildung der Strukturen 21, 22 und die Anordnung der Strukturen 21, 22 nah beieinander kann eine effiziente Temperaturkompensation erfolgen.A change in the sheet resistances in the sensor layer therefore manifests itself in a change in the transverse voltage. It can be seen that by adjusting the external resistance R _trim, the proportions can be adjusted so that the cross _voltage between the bridge branches becomes zero. Such an adjustment can be done once, for. B. in the unloaded condition of the camp. If there is now a force acting on the electrode F, the electrical resistance of the sensor layer is reduced at this point. This can not be done on the electrode T since it is not within the contact area of the outer ring. The electrode T therefore does not change its resistance due to the force. However, both electrodes F, T are additionally subject to a temperature-induced change in resistance. By approximately the same size in terms of surface area of the structures 21 . 22 and the arrangement of the structures 21 . 22 close to each other, an efficient temperature compensation can take place.

Als Folge der Kraftbeaufschlagung des Bereichs 12 ändert sich der Widerstand der darunter befindlichen Sensorschicht. Hierdurch sind die Widerstandsverhältnisse der Brückenschaltung nicht mehr so abgestimmt, dass die Querspannung U_b den Wert Null hat. Es ergibt sich somit eine von Null verschiedene Querspannung. Dieser Spannungswert ist dann ein Maß für die einwirkende Kraft auf die Elektrode F, was von einer angeschlossenen Messeinheit bzw. einer Drehzahlermittlungseinheit 11 erfasst und verarbeitet werden kann.As a result of the application of force to the area 12 the resistance of the underlying sensor layer changes. As a result, the resistance ratios of the bridge circuit are no longer adjusted so that the transverse voltage U _{b has} the value zero. This results in a non-zero transverse stress. This voltage value is then a measure of the force acting on the electrode F, which is a connected measuring unit or a rotational speed determination unit 11 can be captured and processed.

Kommt es zu einer Temperaturveränderung im Bereich der Sensoren, wirkt sich diese Temperaturveränderung auf die gesamte Sensorschicht in diesem Bereich aus. Entsprechend ändert sich der Widerstand der Sensorschicht in diesem Bereich. Durch die identische Größe der Strukturen 21, 22 der Elektroden kommt es dabei nicht zu einem Ungleichgewicht in der Messung, sondern zu einer Kompensation innerhalb der Brückenschaltung. Es bleibt das Widerstandsverhältnis in den Brückenzweigen gleich, so dass es auch nicht zu einer temperaturbedingten Änderung der Querspannung kommt. Die Schaltung ist somit automatisch temperaturkompensiert.If there is a temperature change in the area of the sensors, this temperature change affects the entire sensor layer in this area. Accordingly, the resistance of the sensor layer changes in this area. Due to the identical size of the structures 21 . 22 The electrodes do not lead to an imbalance in the measurement, but to a compensation within the bridge circuit. It remains the same resistance ratio in the bridge arms, so that it does not lead to a temperature-induced change in the transverse stress. The circuit is thus automatically temperature compensated.

3a und 3b zeigen eine Skizze mit einem Schaltdiagramm zur temperaturkompensierten Drehzahlmessung mit einem Schaltbild einer Viertelbrücke zur Temperaturkompensation. 3a and 3b show a sketch with a circuit diagram for temperature-compensated speed measurement with a circuit diagram of a quarter bridge for temperature compensation.

In der Skizze gemäß 3a ist ein Ausschnitt des Außenrings 7 mit dem ersten im Kraftfluss liegenden Bereich 12 und dem zweiten außerhalb des Kraftflusses der rotierbaren Lageranordnung 4 liegenden Bereich 13 mit den dort gebildeten piezoresistiven Strukturen erkennen. Der Außenring 7 ist auf Bezugspotential, zum Beispiel Masse gelegt und wird mit einer Konstantspannungsquelle U mit einer konstanten Spannung versorgt.In the sketch according to 3a is a section of the outer ring 7 with the first area lying in the power flow 12 and the second outside the power flow of the rotatable bearing assembly 4 lying area 13 recognize with the piezoresistive structures formed there. The outer ring 7 is connected to reference potential, for example ground and is supplied with a constant voltage source U with a constant voltage.

Deutlich wird, dass die Signale der beiden piezoresistiven Strukturen jeweils an eine Drehzahlermittlungseinheit 11 geführt werden. Die piezoresistiven Strukturen sind zudem über elektrische Widerstände R_trimm und R_e an die Konstantspannungsquelle U angeschlossen. Statt einer Konstantspannungsquelle kann auch eine Konstantstromquelle verwendet werden. Eine Konstantstromquelle bietet verschiedene Vorteile bei der Übertragung der Messsignale in die Messschaltung, wie z. B. die Möglichkeit zur Erkennung von Leitungsbrüchen oder ausgefallenen Sensoren.It is clear that the signals of the two piezoresistive structures each to a speed detection unit 11 be guided. The piezoresistive structures are also connected via electrical resistors R _trim and R _e to the constant _{voltage source} U. Instead of a constant voltage source, a constant current source can also be used. A constant current source offers various advantages in the transmission of the measurement signals in the measuring circuit, such. B. the possibility of detecting line breaks or failed sensors.

3b lässt mit dem Schaltdiagramm erkennen, dass die durch die piezoresistiven Strukturen gebildeten Elektroden T, F mit den Widerständen R_trimm und R_e in einer Viertelbrückenschaltung (Wheatstone-Brücke) verschaltet sind. Hierbei entspricht der dargestellte Widerstand R_F dem Widerstand der Elektrode F, der Widerstand R_T entspricht dem Widerstand der Elektrode T. 3b can be seen with the _{circuit diagram} that the electrodes formed by the piezoresistive structures T, F with the resistors R _trim and R _e in a quarter-bridge _circuit (Wheatstone bridge) are connected. Here, the illustrated resistance R _F corresponds to the resistance of the electrode F, the resistance R _T corresponds to the resistance of the electrode T.

Hiermit wird eine Temperaturkompensation der Messung erreicht, die notwendig ist, da die Temperatur im Einsatzbereich des Messsystems in der Regel beträchtlichen Schwankungen unterworfen sein kann. This temperature compensation of the measurement is achieved, which is necessary because the temperature in the application of the measuring system usually can be subject to considerable fluctuations.

Die in Kraftfluss der rotierbaren Lageranordnung 4 liegende piezoresistive Struktur mit R_F ist dem Einfluss von Kraft und Temperatur unterworfen. Die zweite, außerhalb des Kontaktbereichs des Lager-Außenrings 7 und Gehäuses liegende piezoresistive Struktur mit der Elektrode R_T ist hingegen nur gegenüber Temperaturänderungen empfindlich. Die Temperaturkompensation der Messung wird durch die Anwendung einer Viertelbrückenschaltung realisiert. Hierbei werden die elektrischen Widerstände R_T und R_F des jeweiligen Sensorpunktes durch zwei externe Widerstände R_trimm und R_e ergänzt, die in einem separaten Modul zusammen mit der zur Signalerfassung und -auswertung notwendigen Elektronik untergebracht sind und unter anderem auch die Abstimmung der Brückenspannung ermöglichen. Bei dieser Art der Temperaturkompensation wird davon ausgegangen, dass sowohl die externen Widerstände R_trimm und R_e wie auch die Strukturen des Sensorpunktes jeweils ein weitgehend identisches Temperaturverhalten zeigen und auch gleichen Temperaturen ausgesetzt sind. Auf diese Weise bleibt die Brückenspannung auch bei Änderung der Temperatur entweder im Elektronikmodul oder am Wälzlager konstant. Neben der Temperaturkompensation ist die Störunempfindlichkeit dieser Schaltung ein weiterer Vorteil. Insbesondere Störungen im Massepotential koppeln durch den Aufbau als Brückenschaltung als Gleichtaktstörungen in beide Brückenzweige synchron ein und verfälschen so nicht die gemessene Brückenspannung. Ein geringfügiger Nachteil hingegen ist die nicht lineare Kraft-Spannungs-Kennlinie. Der Linearitätsverlust beträgt je nach Schaltung circa 10%. Dieser kann jedoch elektronisch oder, nach erfolgter Analog-Digital-Wandlung des Messsignals, softwaretechnisch korrigiert werden, um eine lineare Kennlinie zu erhalten.The in force flow of the rotatable bearing assembly 4 lying piezoresistive structure with R _F is subject to the influence of force and temperature. The second, outside the contact area of the bearing outer ring 7 and housing piezoresistive structure with the electrode R _T , however, is sensitive only to changes in temperature. The temperature compensation of the measurement is realized by the application of a quarter-bridge circuit. Here, the electrical resistances R _T and R _{F of} the respective sensor point are complemented by two external resistors R _trimmed and R _e , which are housed in a separate module together with the necessary for signal detection and evaluation electronics and among other things allow the vote of the bridge voltage , In this type of temperature _compensation , it is assumed that both the external resistors R _trim and R _e as well as the structures of the sensor point each exhibit a largely identical temperature behavior and are also exposed to the same temperatures. In this way, the bridge voltage remains constant even when changing the temperature either in the electronic module or the rolling bearing. In addition to the temperature compensation, the noise immunity of this circuit is another advantage. In particular, disturbances in the ground potential coupled by the structure as a bridge circuit as common mode noise in both bridge arms synchronously and so do not distort the measured bridge voltage. A minor disadvantage, however, is the non-linear force-voltage characteristic. The linearity loss is about 10%, depending on the circuit. However, this can be corrected by software or, after the analog-to-digital conversion of the measurement signal, software-technically to obtain a linear characteristic.

Der Stromfluss in dieser Viertelbrücken-Schaltung ist derart, dass an den piezoresistiven Sensorstrukturen der Strom durch die Kontaktstellen in die piezoresistive Schicht eintritt, diese durchdringt und über den metallischen Außenring 7, der als elektrische Masse dient, wieder abfließt. Da sich der Strom hierbei bedingt durch das Prinzip des geringsten Widerstands den kürzesten Weg, das heißt senkrecht durch die Schicht, sucht, kommt es trotz der homogen auf den Außenring 7 aufgetragenen piezoresistiven Sensorschicht nicht zu einer gegenseitigen Beeinflussung der einzelnen Sensorstrukturen.The current flow in this quarter-bridge circuit is such that at the piezoresistive sensor structures, the current enters through the contact points in the piezoresistive layer, penetrates them and through the metallic outer ring 7 , which serves as electrical mass, flows off again. Since the current due to the principle of least resistance seeks the shortest path, that is perpendicular through the layer, it comes despite the homogeneous on the outer ring 7 applied piezoresistive sensor layer does not interfere with each other of the individual sensor structures.

Jeder piezoresistive Messaufnehmer 9 bestehend aus Struktur 21 zur Temperaturkompensation sowie Struktur 22 mit dem durch den außerhalb des Kraftflusses liegenden. Bereich 13 und dem innerhalb des Kraftflusses liegenden Bereich 12 liefert eine temperaturkompensierte Messung der an der Messstelle herrschenden Kontaktkraft zwischen Außenring 7 und dem Gehäuse 8. Die auf dem piezoresistive Messprinzip beruhende Widerstandsänderung wird über die elektrische Spannung an jedem Sensorpaar gemessen, die als Maß für die einwirkende Kraft dient. Die Kontaktkraft wird durch die an den piezoresistiven Messaufnehmern 9 vorbeirollenden Wälzkörper 6 beeinflusst. Die aus der Pressung der Wälzkörper 6 gegen den Lager-Außenring 7 resultierende, lokale Verformung des Außenrings 7 führt zu einem charakteristischen, drehrichtungsabhängigen Kontaktkraftverlauf.Each piezoresistive sensor 9 consisting of structure 21 for temperature compensation and structure 22 with the one lying outside of the power flow. Area 13 and the area within the power flow 12 provides a temperature-compensated measurement of the contact force between the outer ring at the measuring point 7 and the housing 8th , The resistance change based on the piezoresistive measuring principle is measured by the electrical voltage at each sensor pair, which serves as a measure of the applied force. The contact force is due to the piezoresistive sensors 9 passing rolling elements 6 affected. The from the pressing of the rolling elements 6 against the bearing outer ring 7 resulting, local deformation of the outer ring 7 leads to a characteristic direction of rotation dependent contact force.

Der Aufbau der piezoresistiven Messaufnehmer 9 ist in der 4 skizziert. Die Oberfläche der Seitenwand des Außenrings 7 dient als Substrat für eine flächig aufgebrachte piezoresistive Sensorschicht 14 bestehend aus einer dotierten oder undotierten Kohlenwasserstoffschicht. Als Dotierungsmaterialien kommen beispielsweise Metalle, wie Wolfram, Chrom, Silber, Titan, Gold, Platin etc. in Rage. Als Material für die Sensorschicht 14 sind auch reine Kohlenstoffschichten möglich.The structure of piezoresistive sensors 9 is in the 4 outlined. The surface of the sidewall of the outer ring 7 serves as a substrate for a piezoresistive sensor layer applied in a planar manner 14 consisting of a doped or undoped hydrocarbon layer. Examples of suitable doping materials include metals such as tungsten, chromium, silver, titanium, gold, platinum, etc. As material for the sensor layer 14 are also pure carbon layers possible.

Auf die piezoresistive Sensorschicht 14 sind strukturierte Elektroden 15 zur Kraftmessung und zur Temperaturkompensation aufgebracht. Diese strukturierten Elektroden 15 bestehen aus einer dünnen Metallschicht, wie z. B. Chrom, Titan, Chrom-Nickel-Verbindungen etc. Die strukturierten Elektroden haben die in 2 gezeigte und diskutierte Form und bilden die Strukturen 21 und 22 aus.On the piezoresistive sensor layer 14 are structured electrodes 15 applied for force measurement and temperature compensation. These structured electrodes 15 consist of a thin metal layer, such. As chrome, titanium, chrome-nickel compounds, etc. The structured electrodes have the in 2 shown and discussed form and form the structures 21 and 22 out.

Die piezoresistive Sensorschicht 14 sowie die strukturierten Elektroden 15 sind mit einer Isolations- und Verschleißschutzschicht abgedeckt, die z. B. aus einer siliziumdotieren Kohlenwasserstoffschicht gebildet ist. Denkbar ist auch die Verwendung von Silizium-Sauerstoff-, Aluminiumoxid oder Aluminiumnitriddotierten Kohlenwasserstoffschichten.The piezoresistive sensor layer 14 as well as the structured electrodes 15 are covered with an insulation and wear protection layer, the z. B. is formed from a silicon-doped hydrocarbon layer. It is also conceivable to use silicon-oxygen, aluminum oxide or aluminum nitride-doped hydrocarbon layers.

Bei dem dargestellten Schichtsystem haben alle Sensorstrukturen der piezoelektrischen Messaufnehmer 9 das selbe elektrische Potential, für die das metallische Ringsubstrat verwendet wird.In the illustrated layer system, all sensor structures of the piezoelectric sensors 9 the same electrical potential for which the metallic ring substrate is used.

Der Aufbau der piezoelektrischen Messaufnehmer 9 sowie das Herstellungsverfahren ist im Prinzip hinreichend z. B. aus der in der Beschreibungseinleitung genannten Literatur bekannt.The construction of piezoelectric sensors 9 and the manufacturing process is in principle sufficiently z. B. from the literature mentioned in the introduction.

5 lässt ein exemplarisches Diagramm eines Sensorsignals in Form einer kraftproportionalen Spannung eines piezoresistiven Messaufnehmers 9 über der Zeit in Sekunden erkennen. Die Messspannung des piezoresistiven Messaufnehmers 9 ist in Volt aufgetragen. Deutlich zu erkennen ist eine Oszillation des Spannungssignals, die durch das Abrollen der einzelnen Wälzkörper 6 im Bereich des piezoresistiven Messaufnehmers 9 hervorgerufen wird. Bedingt durch die Verschaltung der Elektroden 15 des piezoresistiven Messaufnehmers 9 markiert ein Minimum der Spannung ein Maximum der Kontaktkraft und umgekehrt. Die nach unten gerichteten Impulsspitzen weisen auf eine Belastung des Sensors hin, während die nach oben gerichteten Impulsspitzen den Zustand des entlasteten Sensors kennzeichnen. Im Übergang zwischen den Impulsspitzen S_min und S_max ist ein Sattelpunkt SP zu erkennen. Dieser entsteht beim Abrollen der Wälzkörper 6 bedingt durch die mechanische Spannungsverteilung am Sensor. Die Lage dieses Sattelpunktes SP ist relativ zu einem Impulsmaximum S_max bzw. Impulsminimum S_min und abhängig von der Drehrichtung der Welle 2 und kann somit als Indikator für die Drehrichtung verwendet werden. 5 leaves an exemplary diagram of a sensor signal in the form of a force-proportional voltage of a piezoresistive sensor 9 Recognize over time in seconds. The measuring voltage of the piezoresistive sensor 9 is plotted in volts. Clearly visible is an oscillation of the voltage signal caused by the rolling of the individual rolling elements 6 in the area of the piezoresistive sensor 9 is caused. Due to the interconnection of the electrodes 15 of the piezoresistive sensor 9 a minimum of tension marks a maximum of contact force and vice versa. The downward pulse peaks indicate a load on the sensor, while the upward pulse peaks indicate the condition of the unloaded sensor. In the transition between the pulse peaks S _min and S _max a saddle point SP can be seen. This arises when rolling the rolling elements 6 due to the mechanical stress distribution at the sensor. The location of this saddle point SP is relative to a pulse _maximum S _max or pulse minimum S _min and depending on the direction of rotation of the shaft 2 and can thus be used as an indicator of the direction of rotation.

6 lässt eine der 5 entsprechende exemplarische Darstellung des Kraftverlaufs an einem Sensorpunkt bei einer negativen Drehrichtung erkennen, während 5 die positive Drehrichtung zeigt. 6 leaves one of the 5 recognize corresponding exemplary representation of the force curve at a sensor point in a negative direction of rotation, while 5 shows the positive direction of rotation.

Deutlich wird, dass sich der Sattelpunkt bei der positiven Drehrichtung im Übergang von einem Signalminima S_min zum Signalmaximum S_max befindet, während der Sattelpunkt SP bei einer negativen Drehrichtung jeweils beim Übergang vom Signalmaximum S_max zum Signalminimum S_min zu beobachten ist.It is clear that the saddle point is in the positive direction of rotation in the transition from a signal _minimum S _min to the signal _maximum S _max , while the saddle point SP is observed at a negative direction of rotation in each case at the transition from the signal _maximum S _max to the signal _minimum S _min .

Die Bestimmung der Drehzahl erfolgt mit Hilfe der Drehzahlermittlungseinheit über einen geeigneten Algorithmus. Hierbei sind z. B. zwei Möglichkeiten denkbar:The speed is determined by means of the speed determination unit via a suitable algorithm. Here are z. For example, two options are conceivable:

a) Auswertung im Zeitbereich:a) Evaluation in the time domain:

Die Anzahl der Impulse wird gezählt, indem die Signalminima S_min und/oder Signalmaxima S_max innerhalb eines bestimmten Zeitfensters Δt gezählt werden. Diese Methode ist mit der Auswertung der Signale herkömmlicher Inkrementscheiben vergleichbar. Aus der Anzahl der Impulse in Abhängigkeit von dem Zeitfenster und der Geometrie des rotierbaren Bauelementes 1 kann dann auf die Drehzahl geschlossen werden.The number of pulses is counted by counting the signal minima S _min and / or signal maxima S _max within a specific time window Δt. This method is comparable to the evaluation of the signals of conventional incremental disks. From the number of pulses as a function of the time window and the geometry of the rotatable component 1 can then be closed to the speed.

b) Auswertung im Frequenzbereich:b) Evaluation in the frequency domain:

Die Ermittlung der Drehzahl kann auch im Frequenzbereich mittels einer Fast-Fourier-Transformation FFT durchgeführt werden. Bei der Darstellung des Spannungssignals im Frequenzbereich mittels einer Fast-Fourier-Transformation FFT zeigt sich die Überrollfrequenz der Wälzkörper 6 am Sensor als charakteristische, einfach zuzuordnende Signalspitze in Frequenzspektrum. Da der Zusammenhang zwischen der Drehzahl der Welle 2 und der Überrollfrequenz der Wälzkörper 6 am Außenring 7 über die Geometrie des Lagers 3 bekannt ist, lässt sich über die Frequenz dieser Signalspitze auf die Drehzahl der Welle 2 schließen. Die Methode der Fast-Fourier-Transformation FFT findet oftmals auch bei der Diagnose von Lagern 3 Anwendung, so dass die Drehzahlmessung einfach in einen bestehenden Diagnosealgorithmus integriert werden kann.The determination of the rotational speed can also be carried out in the frequency domain by means of a fast Fourier transformation FFT. In the representation of the voltage signal in the frequency domain by means of a fast Fourier transform FFT, the rollover frequency of the rolling elements shows 6 on the sensor as a characteristic, easily assignable signal peak in frequency spectrum. Because the relationship between the speed of the shaft 2 and the rollover frequency of the rolling elements 6 on the outer ring 7 about the geometry of the bearing 3 is known, can be on the frequency of this signal peak on the speed of the shaft 2 shut down. The Fast Fourier Transformation FFT method often finds its way into the diagnosis of bearings 3 Application, so that the speed measurement can be easily integrated into an existing diagnostic algorithm.

7 lässt schematische Darstellung einer weiteren möglichen Verteilung von piezoresistiven Messaufnehmern auf dem Umfang eines Außenrings 7 eines Lagers 3 erkennen. Das exemplarische Ausführungsbeispiel beruht wiederum auf einem axial belasteten und über Wälzlager abgestützten Wellenstrang. Als Wälzlager kommen zum Beispiel Vierpunktlager zum Einsatz, auf deren einen Seite des Außenrings 7 das oben bereits beschriebene Sensorsystem aufgebracht wurde. Das so aufgebaute Lager 3 wird derart in den Wellenstrang eingebaut, dass die den Wellenstrang belastende Axialkraft das Dünnschicht-Sensorsystem auf dem Lager-Außenring 7 gegen die Wandung des Lagergehäuses presst. So ist sichergestellt, dass genügend große Kräfte durch die einzelnen Wälzkörper 6 auf den Lager-Außenring 7 ausgeübt werden, um deren Detektion durch die einzelnen Sensoren zu ermöglichen. In der beschriebenen Anwendung ist der Lager-Außenring 7 in ein statisches Gehäuse 8 eingebaut. 7 shows a schematic representation of another possible distribution of piezoresistive sensors on the circumference of an outer ring 7 a warehouse 3 detect. The exemplary embodiment in turn is based on an axially loaded and supported via rolling shaft train. For example, four-point bearings are used as rolling bearings, on one side of the outer ring 7 the sensor system already described above has been applied. The warehouse constructed in this way 3 is installed in the shaft train in such a way that the axial force loading the shaft strand causes the thin-film sensor system on the bearing outer ring 7 pressed against the wall of the bearing housing. This ensures that enough large forces through the individual rolling elements 6 on the bearing outer ring 7 be exercised to allow their detection by the individual sensors. In the application described is the bearing outer ring 7 in a static housing 8th built-in.

Lediglich der Wellenstrang und damit der Lager-Innenring 5 drehen sich relativ zum statischen Gehäuse 8.Only the shaft strand and thus the bearing inner ring 5 rotate relative to the static housing 8th ,

In der Ausführungsform gemäß 7 besteht das Sensorsystem aus insgesamt fünf einzelnen Sensorpunkten S1, S2, S3, S4 und S5, die einen Winkelbereich von 120° abdecken. Der Winkelabstand zwischen benachbarten Sensorpunkten beträgt dabei jeweils 30°. Die Winkelabstände können jedoch auch anders und basierend auf der Kugelzahl des verwendeten Wälzlagers, das heißt basierend auf den Winkelabständen der Wälzkörper 6 des Lagers im Käfig angepasst gewählt werden. Zum Beispiel besitzt ein Vierpunktlager des Typs QJ212TVP 15 kugelförmige Wälzkörper 6 mit einem Winkelabstand von 24°. Die Kontaktsituation zwischen einzelnen Wälzkörpern 6 und den Sensorpunkten S_i gestaltet sich dann wie in 8 skizziert ist. Aus Gründen der einfachen Darstellbarkeit wurde die gekrümmte Kugelbahn hier als Gerade wiedergegeben. Dabei stehen die Markierungen der oberen Geraden für die Position der fünf Sensorpunkte S1, S2, S3, S4, S5 auf der Schulter des Lager-Außenringes 7. Die Markierungen der unteren Geraden symbolisieren die Kontaktpunkte der einzelnen Wälzkörper 6 auf der Laufbahn des Außenrings 7 im Winkelbereich von 120°, der von den Sensoren S_i mit i gleich 1 bis 5 abgedeckt wird. Als Referenz für die angegebenen Positionswinkel dient dabei die Lage von Sensorpunkt 1 auf dem Außenring 7.In the embodiment according to 7 The sensor system consists of a total of five individual sensor points S1, S2, S3, S4 and S5, covering an angular range of 120 °. The angular distance between adjacent sensor points is in each case 30 °. However, the angular distances may also be different and based on the ball number of the rolling bearing used, that is based on the angular distances of the rolling elements 6 be adjusted in the cage adapted to the camp. For example, has a four-point bearing of the type QJ212TVP 15 spherical rolling elements 6 with an angular distance of 24 °. The contact situation between individual rolling elements 6 and the sensor points S _i then designed as in 8th outlined. For reasons of ease of presentation, the curved ball track has been reproduced here as a straight line. The marks of the upper straight line for the position of the five sensor points S1, S2, S3, S4, S5 are on the shoulder of the bearing outer ring 7 , The markings of the lower straight lines symbolize the contact points of the individual rolling elements 6 on the track of the outer ring 7 in the angular range of 120 °, which is covered by the sensors S _i with i equal to 1 to 5. The position of the sensor point serves as a reference for the specified position angle 1 on the outer ring 7 ,

Die Wälzkörper 6 sind in der 8 kurz als Kugel i mit i = 1 bis 6 bezeichnet. Ausgehend von einer Situation, in der der Kontaktbereich der Kugel 1 direkt unterhalb des Sensors 1 liegt, ergibt sich damit die in 8 dargestellte Kontaktsituation. Die restlichen, sich im Kontaktbereich befindlichen Wälzkörper 6 werden ausgehend von Kugel 1 aufsteigend bis Kugel 15 durchnummeriert. Es ist zu erkennen, dass in dieser Situation an dem Sensor 5 wiederum der Kontaktpunkt einer Kugel (Kugel 6) direkt unterhalb des Sensorpunktes liegt. Eine komplette Beschichtung des Lager-Außenringes 7 mit für diesen Winkelabstand theoretisch möglichen 12 Sensoren erübrigt sich damit, da sich das Muster dieser Kontaktsituation ab Sensor 5 wiederholt.The rolling elements 6 are in the 8th briefly referred to as ball i with i = 1 to 6. Starting from a situation where the contact area of the ball 1 directly below the sensor 1 is, this results in the in 8th illustrated contact situation. The remaining, located in the contact area rolling elements 6 be starting from sphere 1 ascending to ball 15 numbered. It can be seen that in this situation on the sensor 5 again the contact point of a sphere (sphere 6 ) is located directly below the sensor point. A complete coating of the bearing outer ring 7 with 12 sensors theoretically possible for this angular distance is unnecessary, since the pattern of this contact situation from the sensor 5 repeated.

Die Einleitung der maximalen Kontaktkraft, die aus der relativen Lage zwischen Kugel 1 und Sensor 1 in der beschriebenen Situation resultiert, führt zu einem Minimum der am Sensorpunkt 1 gemessenen elektrischen Spannung. Bei einer positiven Drehrichtung des Wälzkörper-Käfigs und damit des Lager-Innenrings 5 verlässt Kugel 1 die Position von Sensor 1. Die führt entsprechend zu einem Anstieg der elektrischen Spannung an diesem Sensor 1. Gleichzeitig nähert sich die Kugel 2 der Position des Sensors 2 und ruft dementsprechend einen Abfall der Sensorspannung am Sensor 2 hervor, bevor nach einer Käfig-Drehung von 6° die Kugel 2 direkt unterhalb des Sensorpunktes 2 zum liegen kommt. Der Sensor 2 erreicht in diesem Moment seinen minimalen Spannungswert. Bei einer fortgesetzten positiven Drehung des Lager-Innenrings 5 kommt es nach einer Drehung des Wälzkörper-Käfigs von jeweils 6° zum Vorbeirollen eines Wälzkörpers 6 direkt unterhalb eines Sensorpunktes. Dies geschieht sukzessiv an jedem der fünf Sensorpunkte.The initiation of the maximum contact force resulting from the relative position between ball 1 and sensor 1 results in the situation described leads to a minimum of the sensor point 1 measured electrical voltage. In a positive direction of rotation of the rolling element cage and thus the bearing inner ring 5 leaves ball 1 the position of sensor 1 , The leads accordingly to an increase in the electrical voltage at this sensor 1 , At the same time the ball approaches 2 the position of the sensor 2 and accordingly calls for a drop in the sensor voltage at the sensor 2 before, after a cage turn of 6 ° the ball 2 directly below the sensor point 2 comes to rest. The sensor 2 reaches its minimum voltage value at this moment. At a continued positive rotation of the bearing inner ring 5 it comes after a rotation of the rolling element cage by 6 ° to Vorbeirollen a rolling element 6 directly below a sensor point. This happens successively at each of the five sensor points.

Für die positive Drehung ergibt sich damit eine charakteristische Abfolge der Kontakte zwischen Kugeln und Sensorpunkten wie folgt: Kontakt-Nr. K 1 2 ... 5 6 7 ... 10 11 12 ... 15 16 17 ... Sensor. Nr. 1/5 2 ... 1/5 2 3 ... 1/5 2 3 ... 1/5 2 3 ... Kugel-Nr. 1/6 2 ... 15/5 1 2 ... 14/4 15 1 ... 13/3 14 15 ... For positive rotation, this results in a characteristic sequence of contacts between balls and sensor points as follows: Contact no. K 1 2 ... 5 6 7 ... 10 11 12 ... 15 16 17 ... Sensor. No. 1.5 2 ... 1.5 2 3 ... 1.5 2 3 ... 1.5 2 3 ... Ball number. 1.6 2 ... 5.15 1 2 ... 4.14 15 1 ... 13.3 14 15 ...

Die Abfolge der Kontakte ändert sich hingegen bei negativer Drehrichtung des Lager-Innenrings 5. Für diesen Fall erfolgt der nächste Kontakt, nachdem Kugel 1 die Position von Sensorpunkt 1 verlassen hat, am Sensorpunkt 4. Die Abfolge der Kugelkontakte an den jeweiligen Sensoren ist demnach ein Indikator für die Drehrichtung des Lager-Innenrings 5. Die nachfolgende Tabelle gibt für eine Anzahl von Kontakten wie Sensor-Kugel-Paarungen jedes Kontaktes für das beschriebene Ausführungsbeispiel an: Kontakt-Nr. 1 2 3 4 5 6 7 ... 10 11 ... 15 16 17 ... Sensor Nr. 1/5 4 3 2 1/5 4 3 ... 1/5 4 ... 1/5 4 3 ... Kugel-Nr. 1/6 5 4 3 2/7 6 5 ... 3/8 7 ... 4/9 8 7 ... The sequence of contacts, however, changes in the negative direction of rotation of the bearing inner ring 5 , In this case, the next contact is made after ball 1 the position of sensor point 1 left, at the sensor point 4 , The sequence of the ball contacts on the respective sensors is therefore an indicator of the direction of rotation of the bearing inner ring 5 , The following table indicates, for a number of contacts such as sensor-ball pairings of each contact for the described embodiment: Contact no. 1 2 3 4 5 6 7 ... 10 11 ... 15 16 17 ... Sensor no. 1.5 4 3 2 1.5 4 3 ... 1.5 4 ... 1.5 4 3 ... Ball number. 1.6 5 4 3 2.7 6 5 ... 3.8 7 ... 9.4 8th 7 ...

Bei Betrachtung der Spannungssignale der fünf Sensorpunkte ist das Weiterwandern des Spannungsminimums, das heißt Vorbeirollen einer Kugel an der Sensorposition von einem Sensorpunkt zum nächsten gut erkennbar. Dies ist aus der beispielhaften Darstellung von Spannungsantworten in 9 dargestellt. Deutlich wird dabei, dass das Spannungssignal des Sensors 1 und 5 synchron verläuft, wie dies auch aus der Skizze der Kontaktsituation in 8 deutlich wird.When considering the voltage signals of the five sensor points, the further migration of the voltage minimum, that is to say rolling past a ball at the sensor position from one sensor point to the next, is easily recognizable. This is from the exemplary representation of stress responses in 9 shown. It becomes clear that the voltage signal of the sensor 1 and 5 runs synchronously, as can be seen from the sketch of the contact situation in 8th becomes clear.

Zur Ermittlung der eigentlichen Drehzahl bieten sich insgesamt drei unterschiedliche Methoden an:

1. Flankenzählung an einem Sensor über feste Zeitabschnitte,
2. Auswertung eines Sensorsignals mittels Zeit-Frequenz-Analyse (z. B. FFT),
3. Messung der Zeitintervalle zwischen Kugelkontakt über mehrere Sensoren.

To determine the actual speed offer a total of three different methods:

1. Edge counting on a sensor over fixed time periods,
2. evaluation of a sensor signal by means of time-frequency analysis (eg FFT),
3. Measurement of the time intervals between ball contact via several sensors.

Die oben bereits beschriebenen Methoden der Flankenzählung und Auswertung der Zeit-Frequenz-Analyse beruhen auf der charakteristischen Form der Sensorsignale. Zur Anwendung dieser Methoden ist prinzipiell lediglich ein einziger Sensor am Lager-Außenring 7 notwendig. Dabei gilt es jedoch zu beachten, dass die Winkelauflösung dann nicht unter den Wert des Winkelabstands der Wälzkörper 6 im Käfig sinken kann, im beschriebenen Ausführungsbeispiel also 24°. Während diese Genauigkeit bei vielen Anwendungen und Drehzahlen ausreichend ist, kann dies aber insbesondere bei geringen Drehzahlen zu schlecht aufgelösten Messergebnissen führen.The methods of edge counting and evaluation of the time-frequency analysis already described above are based on the characteristic shape of the sensor signals. For the application of these methods is in principle only a single sensor on the bearing outer ring 7 necessary. However, it should be noted that the angular resolution is then not below the value of the angular distance the rolling elements 6 can fall in the cage, in the described embodiment, ie 24 °. While this accuracy is sufficient for many applications and speeds, this can lead to poorly resolved measurement results, especially at low speeds.

Die Winkelauflösung kann erhöht werden, wenn der oben beschriebene Zusammenhang der von Sensorpunkt zu Sensorpunkt weiterwandernden Kugelkontakte ausgenutzt wird. Diese Methode setzt die Anwendung eines Algorithmus voraus, der in der Lage ist, in Echtzeit die in jedem Sensorsignal auftretenden, lokalen Minima zu detektieren. Unter Ausnutzung eines derartigen Algorithmus lässt sich die Drehzahlmessung zum Beispiel mit Hilfe von Zählern wie folgt realisieren.The angular resolution can be increased if the above-described relationship between the ball contacts moving further from sensor point to sensor point is utilized. This method requires the application of an algorithm capable of detecting in real time the local minima occurring in each sensor signal. Taking advantage of such an algorithm, the speed measurement can be realized, for example, by means of counters as follows.

Es werden zwei separate Zähler verwendet, die wechselseitig gestartet und gestoppt werden. Als Triggersignal für Start und Stopp der Zähler werden die in den jeweiligen Sensorsignalen ermittelten lokalen Minima genutzt. Wichtig ist hierbei der Fokus auf ein spezifisches Sensorsignal, der mit jedem detektierten Minimum im Spannungsverlauf zum jeweils nächsten Sensor weiterschaltet. Gemessen wird somit lediglich die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Kugelkontakten an jeweils benachbarten Sensorpunkten. Mit dem bekannten Winkelabstand zwischen den Sensorpunkten und der gemessenen Zeitdifferenz lässt sich dann die Drehzahl des Lager-Innenrings ermitteln. Wie bei den erstgenannten Methoden ist auch hier die Kenntnis der Lagergeometrie nötig, um ausgehend von Winkeldifferenz und Zeitunterschied auf die Wellendrehzahl zurückrechnen zu können. Mit der beschriebenen Methode lässt sich die Winkelauflösung der Messung auf einen Wert steigern, der folgender Gleichung gehorcht: Δα = Δα_s – Δα_K. Two separate meters are used, which are alternately started and stopped. As a trigger signal for start and stop of the counters, the local minima determined in the respective sensor signals are used. Important here is the focus on a specific sensor signal, which advances with each detected minimum in the voltage curve to the next sensor. Thus, only the time between two successive ball contacts at respectively adjacent sensor points is measured. With the known angular distance between the sensor points and the measured time difference can then determine the speed of the bearing inner ring. As with the first-mentioned methods, the knowledge of the bearing geometry is necessary in order to be able to calculate back to the shaft speed based on the angular difference and the time difference. Using the described method, the angular resolution of the measurement can be increased to a value that obeys the following equation: Δα = Δα _s - Δα _K.

In dieser Gleichung steht Δα für die maximal mögliche Winkelauflösung, Δα für den Winkelabstand der Sensoren und Δα_K für den Winkelabstand der Kugeln im Käfig.In this equation, Δα stands for the maximum possible angular resolution, Δα for the angular distance of the sensors and Δα _K for the angular spacing of the balls in the cage.

Für das dargestellte Ausführungsbeispiel beträgt die maximale Auflösung demnach 6°, wobei sich dieser Wert auf die Winkelauflösung des Käfig-Drehwinkels bezieht. Diese Winkelauflösung ist nicht identisch mit derjenigen des Innenrings, beziehungsweise der Welle. Bedingt durch die Kinematik des Wälzlagers liegt diese stets unterhalb der Auflösung des Käfig-Winkels, wobei die Differenz zwischen den beiden Werten abhängig von der Lagergeometrie ist. Die so erzielte Auflösung liegt jedoch bereits im Bereich von Drehzahlsensoren, wie sie standardmäßig zur Ermittlung der Kurbelwellengeschwindigkeit in Verbrennungsmotoren zum Einsatz kommen.For the illustrated embodiment, the maximum resolution is therefore 6 °, this value refers to the angular resolution of the cage rotation angle. This angular resolution is not identical to that of the inner ring, or the shaft. Due to the kinematics of the rolling bearing, this is always below the resolution of the cage angle, the difference between the two values being dependent on the bearing geometry. However, the resolution thus achieved is already in the range of speed sensors, as they come standard for determining the crankshaft speed in internal combustion engines used.

Zur letztendlichen Umsetzung des Systems können alle drei Methoden der Drehzahlermittlung in einem intelligenten Komplettsystem integriert werden. Dieses führt zu mehreren Vorteilen, so kann bei niedrigen Drehzahlen, wie zum Beispiel nach dem Anlaufen des Wellenstrangs, die Messung der Drehzahl zunächst über mehrere Sensoren erfolgen. Wird eine bestimmte Grenzdrehzahl überschritten, kann auf die Methode der Flankenzählung beziehungsweise der Zeit-Frequenz-Analyse umgeschaltet werden, die lediglich die Verwendung eines einzelnen Sensorpunktes benötigen und bei hohen Drehzahlen eine hinreichende Genauigkeit bieten. Welche der Methoden in diesem Drehzahlbereich zur Anwendung kommt, hängt nicht zuletzt vom Einsatzbereich des Messsystems ab. Es gilt zu beachten, dass die Methode der Flankenzählung bezüglich der nötigen Rechenleistung deutliche Vorteile gegenüber der Methode der Zeit-Frequenz-Analyse bietet. Ein wichtiger Aspekt eines solchen integrierten Messsystems ist zudem die integrierte Redundanz beim Ausfall einzelner Sensorpunkte. Für den Fall, indem die Messung mit mehreren Sensoren nicht mehr durchführbar ist, kann dann automatisch auf eine der beiden anderen Methoden umgeschaltet werden, um die Funktion des Drehzahlsensors mit eingeschränkter Genauigkeit, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen, weiterhin zu gewährleisten.For the final implementation of the system, all three methods of speed detection can be integrated in one intelligent complete system. This leads to several advantages, it can be done at low speeds, such as after the start of the shaft train, the measurement of speed initially over several sensors. If a certain limit speed is exceeded, you can switch to the method of edge counting or the time-frequency analysis, which only require the use of a single sensor point and provide sufficient accuracy at high speeds. Which of the methods used in this speed range depends not least on the field of application of the measuring system. It should be noted that the method of edge counting offers significant advantages over the method of time-frequency analysis with regard to the required computing power. An important aspect of such an integrated measuring system is also the integrated redundancy in case of failure of individual sensor points. In the event that the measurement with multiple sensors is no longer feasible, then can be automatically switched to one of the other two methods to continue to ensure the function of the speed sensor with limited accuracy, especially at low speeds.

Grundsätzlich ist anzumerken, dass die Geometrie der Sensoranordnung primär durch die Anzahl der Wälzkörper in Lager bestimmt wird. Generell lässt sich für jede beliebige Anzahl an Wälzkörpern in einem Lager eine vergleichbare Anordnung der Sensoren auf dem Außenring ermitteln, wobei die mögliche maximale Auflösung innerhalb gewisser Grenzen einstellbar ist, indem die Anzahl der verwendeten Sensorpunkte erhöht wird. Bei der Festlegung der Sensoranzahl gilt es zu beachten, dass ein gewisser minimaler Winkelabstand nicht unterschritten wird, um ein Überlappen der einzelnen Sensoren auf dem Außenring zu vermeiden. Der zulässige minimale Winkelabstand ergibt sich für jeden Lagertyp individuell abhängig von der Geometrie des Lagers beziehungsweise der Sensorpunkte.In principle, it should be noted that the geometry of the sensor arrangement is primarily determined by the number of rolling elements in bearings. In general, a comparable arrangement of the sensors on the outer ring can be determined for any number of rolling elements in a bearing, the maximum possible Resolution is adjustable within certain limits by the number of sensor points used is increased. When determining the number of sensors, it should be noted that a certain minimum angular distance is not undershot, in order to avoid overlapping of the individual sensors on the outer ring. The permissible minimum angular distance results for each bearing type individually depending on the geometry of the bearing or the sensor points.

Damit eine Messung über mehrere Sensorpunkte zur Anwendung kommen kann ist es notwendig, in dem durch die Sensoren abgedeckten Winkelbereich stets einen Sensorpunkt weniger anzuordnen, als sich Wälzkörper in diesem Bereich befinden. Zudem ist der Winkelabstand der Sensorpunkte so zu wählen, dass der jeweils erste und letzte Sensorpunkt synchron durch die Wälzkörper belastet werden.In order to be able to use a measurement over a plurality of sensor points, it is always necessary to arrange one sensor point less in the angular range covered by the sensors than there are rolling elements in this range. In addition, the angular distance of the sensor points should be selected so that the respective first and last sensor point are loaded synchronously by the rolling elements.

In der nachfolgenden Tabelle werden beispielhaft mögliche Sensoranordnungen und deren Eigenschaften in Form der maximalen Auflösung und des sensorbestückten Winkelbereichs für eine Anzahl bestimmter Wälzkörperzahlen angegeben. Die Auswahl basiert auf einer gewählten Sensoranzahl von fünf Sensoren und der Annahme von sechs Wälzkörpern im Sensorbereich. Wälzkörper im Lager Winkelabstand der Wälzkörper [°] Winkelabstand der Sensorpunkte [°] Sensorbestückter Winkelbereich [°] Maximale Auflösung [°] 7 51,43 64,29 257,14 12,86 8 45,00 56,25 225,00 11,25 9 40,00 50,00 200,00 10,00 10 36,00 45,00 180,00 9,00 11 32,73 40,91 163,64 8,18 12 30,00 37,50 150,00 7,50 13 27,69 34,62 138,46 6,92 14 25,71 32,14 128,57 6,43 15 24,00 30,00 120,00 6,00 16 22,50 28,13 112,50 5,63 17 21,18 26,47 105,88 5,29 18 20,00 25,00 100,00 5,00 19 18,95 23,68 94,74 4,74 20 18,00 22,50 90,00 4,50 21 17,14 21,43 81,82 4,09 22 16,36 20,45 81,82 4,09 The following table shows examples of possible sensor arrangements and their properties in the form of the maximum resolution and the sensor-fitted angle range for a number of specific number of rolling elements. The selection is based on a selected number of sensors from five sensors and the assumption of six rolling elements in the sensor area. Rolling elements in the bearing Angular distance of the rolling elements [°] Angular distance of the sensor points [°] Sensor-equipped angle range [°] Maximum resolution [°] 7 51.43 64.29 257.14 12.86 8th 45,00 56.25 225.00 11.25 9 40,00 50,00 200.00 10.00 10 36,00 45,00 180.00 9.00 11 32.73 40.91 163.64 8.18 12 30.00 37.50 150.00 7.50 13 27.69 34.62 138.46 6.92 14 25.71 32.14 128.57 6.43 15 24.00 30.00 120.00 6.00 16 22,50 28.13 112.50 5.63 17 21.18 26.47 105.88 5.29 18 20.00 25,00 100.00 5.00 19 18,95 23,68 94.74 4.74 20 18,00 22,50 90.00 4.50 21 17.14 21.43 81.82 4.09 22 16.36 20.45 81,82 4.09

Das Verfahren zur Drehzahlermittlung kann als eine Vielzahl von rotierbaren Bauelementen unterschiedlichster Bauart genutzt werden und eignet sich insbesondere für stationäre Anlagen, wie z. B. Windkraftwerke, Walzstraßen und Ähnliches.The method for speed determination can be used as a variety of rotatable components of various designs and is particularly suitable for stationary systems, such. As wind power plants, rolling mills and the like.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims

Method for determining the speed of rotation of a bearing ( 7 . 8th ) rotatable component ( 2 . 4 . 5 . 6 ) with at least one piezoresistive sensor ( 9 ), wherein the at least one piezoresistive sensor ( 9 ) by coating at least one of during the rotation of the component ( 2 . 4 . 5 . 6 ) force-loaded portion of a relative to the rotation of the component ( 2 . 4 . 5 . 6 ) static surface of the bearing is made in thin-film technology, characterized by - detecting more characteristic, in the rotation of the rotatable component ( 2 . 4 . 5 . 6 ) recurring signal pattern of the output signal of the at least one piezoresistive sensor ( 9 ), and - determining the rotational speed as a function of the detected signal patterns of the output signal.

A method according to claim 1, characterized by detecting characteristic points in the signal patterns and determining the rotational speed in dependence on the number of characteristic points detected over a fixed time.

Method according to one of the preceding claims, characterized by transforming the signal pattern from the time domain into the frequency domain and determining the rotational speed based on characteristic values of the determined frequency spectrum.

Method according to one of the preceding claims, characterized by a plurality of piezoresistive sensors ( 9 ) by coating at least one of during rotation of the component ( 2 . 4 . 5 . 6 ) force-loaded portion of a relative to the rotation of the component ( 2 . 4 . 5 . 6 ) static surface of the bearing are made in thin-film technology, whereby the sensors ( 9 ) about the circumference of the bearing about the rotatable component ( 2 . 4 . 5 . 6 ) are arranged distributed around, and - detecting more characteristic, during the rotation of the rotatable component ( 2 . 4 . 5 . 6 ) recurrent signal pattern of the plurality of output signals of the plurality of piezoresistive sensors ( 9 ), and determining the rotational speed as a function of the detected signal patterns of the plurality of output signals.

Method according to claim 4, characterized by detecting characteristic points in the signal patterns and determining the rotational speed on the basis of the time difference of comparable characteristic points in the signal patterns of different sensors ( 9 ) and by their angular distance from each other.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the piezoresistive sensor ( 9 ) is produced by coating with the following layers: a) a piezoresistive sensor layer formed with doped or undoped hydrocarbon or pure carbon ( 14 ) on the surface of the bearing, b) at least one on the piezoresistive sensor layer ( 14 ) applied electrode ( 15 ) and c) a piezoresistive sensor layer ( 14 ) and the electrode ( 15 ) covering insulation and wear protection layer ( 16 ).

Method according to one of the preceding claims, characterized by determining the direction of rotation of the rotatable component ( 2 . 4 . 5 . 6 ) depending on the location of a local signal maximum and / or local signal minimum to an adjacent saddle point in the respective output signal.

A method according to claim 7, characterized in that a first direction of rotation is detected when the saddle point is in the transition of a local signal minimum to a local signal maximum, and a second direction of rotation, which is opposite to the first direction of rotation, is detected when the saddle point in the transition of a local signal maximum to a local signal minimum.

Method according to one of the preceding claims, characterized by determining the direction of rotation of the rotatable component ( 2 . 4 . 5 . 6 ) depending on the order of occurrence of characteristic points, e.g. B. local signal maxima and / or local signal minimums and / or saddle points, in the signal patterns of different sensors ( 9 ).

Method according to one of the preceding claims, characterized by detecting sensor signals in the force flow of the rotatable component ( 2 . 4 . 5 . 6 ) lying electrodes ( 15 ) and simultaneous detection of sensor signals from outside the force flow of the rotatable component ( 2 . 4 . 5 . 6 ) lying electrodes ( 15 ) and compensation of the temperature influence in the at least one of the force flow of the rotatable component ( 2 . 4 . 5 . 6 ) influenced sensor signal by means of at least one of the power flow of the rotatable component ( 2 . 4 . 5 . 6 ) uninfluenced sensor signal.

Establishment with a depository and one opposite the depository ( 7 . 8th ) rotatable component ( 2 . 4 . 5 . 6 ), with at least one piezoresistive sensor ( 9 ), wherein the at least one piezoresistive sensor ( 9 ) by coating at least one of during the rotation of the component ( 2 . 4 . 5 . 6 ) force-loaded portion of a relative to the rotation of the component ( 2 . 4 . 5 . 6 ) static surface of the bearing is made in thin-film technology, with a speed determination unit ( 11 ) for determining the rotational speed of the rotatable component ( 2 . 4 . 5 . 6 ), wherein the rotational speed determination unit ( 11 ) is arranged to carry out the method according to any preceding claim.

Device according to claim 11, characterized in that the piezoresistive sensor ( 9 ) is produced by coating with the following layers: a) a piezoresistive sensor layer formed with doped or undoped hydrocarbon or pure carbon ( 14 ) on the surface of the. Bearing point, b) at least one on the piezoresistive sensor layer ( 14 ) applied electrode ( 15 ) and c) a piezoresistive sensor layer ( 14 ) and the electrode ( 15 ) covering insulation and wear protection layer ( 16 ).

Device according to claim 11 or 12, characterized by a plurality of piezoresistive sensors ( 9 ) by coating at least one of during rotation of the component ( 2 . 4 . 5 . 6 ) are made of a force-bearing region of a surface of the bearing in thin-film technology, wherein the sensors ( 9 ) about the circumference of the bearing about the rotatable component ( 2 . 4 . 5 . 6 ) are distributed around.

Rotatable component ( 2 . 4 . 5 . 6 ) according to one of claims 11 to 13, characterized in that the electrodes ( 15 ) have such a structure that in the load influence region of the rotatable component ( 2 . 4 . 5 . 6 ) lying rounded area ( 12 ) and a quadrilateral area outside the load influence area ( 13 ) adjacent to the rounded area ( 12 ), the wiring of the sensors ( 9 ) by electrically conductive connections of test leads ( 10 ) with the quadrilateral area ( 13 ) he follows.