DE102020125896A1

DE102020125896A1 - Drehmoment-messung unter verwendung von millimeter-wellen-metamaterial

Info

Publication number: DE102020125896A1
Application number: DE102020125896.8A
Authority: DE
Inventors: Dirk Hammerschmidt; Christof Michenthaler
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2019-10-03
Filing date: 2020-10-02
Publication date: 2021-04-08
Also published as: US20210102854A1; CN112611488A; US11435245B2

Abstract

Ein Drehmoment-Messsystem umfasst eine erste drehbare Trägerstruktur, mechanisch gekoppelt mit einer Rotationswelle; eine zweite drehbare Trägerstruktur, mechanisch gekoppelt mit der Rotationswelle; eine erste gegenseitig gekoppelte Struktur, umfassend eine erste Bahn, mechanisch gekoppelt mit der ersten drehbaren Trägerstruktur und eine zweite Bahn, mechanisch gekoppelt mit der zweiten drehbaren Trägerstruktur, wobei die erste Bahn und die zweite Bahn durch eine erste drehmomentabhängige Kopplung miteinander gekoppelt sind; eine zweite gegenseitig gekoppelte Struktur, umfassend eine dritte Bahn, mechanisch gekoppelt mit der ersten drehbaren Trägerstruktur und eine vierte Bahn, mechanisch gekoppelt mit der zweiten drehbaren Trägerstruktur, wobei die dritte Bahn und die vierte Bahn durch eine zweite drehmomentabhängige Kopplung miteinander gekoppelt sind. Als Antwort auf eine Rotation der Rotationswelle, ist die erste drehmomentabhängige Kopplung zur Zunahme ausgebildet und die zweite drehmomentabhängige Kopplung ist zur Abnahme ausgebildet.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf ein Drehmomentmesssystem und auf Verfahren zum Messen des Drehmoments eines drehbaren Objekts.
HINTERGRUND
Fahrzeuge weisen zahlreiche Sicherheits-, Karosserie- und Antriebsstranganwendungen auf, die auf Geschwindigkeitserfassung, Positionserfassung und/oder Winkelerfassung sowie auf Drehmomentmessungen angewiesen sind. Zum Beispiel können bei dem elektronischen Stabilitätsprogramm (EPS; Electronic Stability Programm) eines Fahrzeugs magnetische Winkelsensoren und lineare Hall-Sensoren verwendet werden, um den Lenkwinkel und das Lenkmoment zu messen. Moderne Antriebsstrangsysteme können auf magnetische Geschwindigkeitssensoren für Nockenwellen-, Kurbelwellen- und Übertragungsanwendungen zusammen mit Automobildrucksensoren angewiesen sein, um geforderte CO2-Ziele und intelligente Antriebsstrang-Lösungen zu erreichen. Ein Nachteil der bekannten Lösungen ist jedoch, dass sie empfindlich auf magnetische Störungen reagieren.
Störmagnetfelder sind in Fahrzeugen weit verbreitet, so dass magnetische Winkelmessungen oft rauen Umgebungen standhalten müssen. Besonders problematisch ist dies bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen, wo sich viele Leitungen mit hohen Strömen in der Nähe des Sensorsystems befinden. So können externe Störmagnetfelder durch Stromschienen in einem Fahrzeug erzeugt werden, die die Genauigkeit der magnetischen Winkelmessungen beeinflussen. Daher ist ein Drehmomentmesssensor wünschenswert, der robust gegenüber elektromagnetischen Streufeldern ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Es besteht ein Bedarf zum Bereitstellen eines verbesserten Konzepts für ein Drehmomentmesssystem, ein Verfahren zum Bestimmen auf eine drehbare Welle ausgeübten Drehmoments und ein Drehmomentmesssystem.
Ein solcher Bedarf kann durch den Gegenstand eines der Ansprüche erfüllt werden.
Ausführungsbeispiele stellen ein Drehmomentmesssystem bereit, umfassend: eine erste drehbare Trägerstruktur, mechanisch gekoppelt mit einer Rotationswelle und ausgebildet zum Rotieren um eine Rotationsachse in einer Rotationsrichtung; eine zweite drehbare Trägerstruktur, mechanisch gekoppelt mit der Rotationswelle und ausgebildet zum Rotieren um die Rotationsachse in der Rotationsrichtung, wobei die zweite drehbare Trägerstruktur von der ersten drehbaren Trägerstruktur beabstandet ist; eine erste Metamaterialbahn, mechanisch gekoppelt mit der ersten drehbaren Trägerstruktur, wobei die erste Metamaterialbahn ein erstes Array von Elementarstrukturen aufweist; eine zweite Metamaterialbahn, mechanisch gekoppelt mit der ersten drehbaren Trägerstruktur, wobei die zweite Metamaterialbahn ein zweites Array von Elementarstrukturen aufweist; eine dritte Metamaterialbahn, mechanisch gekoppelt mit der zweiten drehbaren Trägerstruktur, wobei die dritte Metamaterialbahn ein drittes Array von Elementarstrukturen aufweist, die geometrisch in einer ersten Umfangsrichtung relativ zu dem ersten Array von Elementarstrukturen verschoben sind, wenn kein Drehmoment (Null Drehmoment) auf die Rotationswelle ausgeübt wird, und eine vierte Metamaterialbahn, mechanisch gekoppelt mit der zweiten drehbaren Trägerstruktur, wobei die vierte Metamaterialbahn ein viertes Array von Elementarstrukturen aufweist, die geometrisch in einer zweiten Umfangsrichtung relativ zu dem zweiten Array von Elementarstrukturen verschoben sind, wenn kein Drehmoment auf die Rotationswelle ausgeübt wird, wobei die zweite Umfangsrichtung in Gegenrichtung zu der ersten Umfangsrichtung ist. Die erste Metamaterialbahn und die dritte Metamaterialbahn sind gegenseitig miteinander durch eine erste drehmomentabhängige Kopplung gekoppelt, wodurch eine erste gegenseitig gekoppelte Struktur gebildet wird. Die zweite Metamaterialbahn und die vierte Metamaterialbahn sind gegenseitig miteinander durch eine zweite drehmomentabhängige Kopplung gekoppelt, wodurch eine zweite gegenseitig gekoppelte Struktur gebildet wird.
Ausführungsbeispiele stellen ein Verfahren zum Bestimmen eines Drehmoments, ausgeübt auf eine Rotationswelle, bereit. Das Verfahren umfasst: Übertragen von elektromagnetischen Sendesignalen in Richtung einer ersten gegenseitig gekoppelten Struktur und einer zweiten gegenseitig gekoppelten Struktur, die mechanisch mit der drehbaren Welle gekoppelt sind; Umwandeln eines Ersten der elektromagnetischen Sendesignale in ein erstes elektromagnetisches Empfangssignal durch die erste gegenseitig gekoppelte Multi-Bahn-Struktur; Umwandeln eines Zweiten der elektromagnetischen Sendesignale in ein zweites elektromagnetisches Empfangssignal durch die zweite gegenseitig gekoppelte Multi-Bahn-Struktur; Empfangen des ersten elektromagnetischen Empfangssignals und des zweiten elektromagnetischen Empfangssignals in einer Zeitmultiplex-Weise; Bewerten des empfangenen ersten elektromagnetischen Empfangssignals und des empfangenen zweiten elektromagnetischen Empfangssignals; und Bestimmen des Drehmoments, das auf die drehbare Welle ausgeübt wird, basierend auf dem bewerteten ersten elektromagnetischen Empfangssignal und dem bewerteten zweiten elektromagnetischen Empfangssignal.
Ausführungsbeispiele stellen ein Drehmomentmesssystem bereit, umfassend: eine erste drehbare Trägerstruktur, mechanisch gekoppelt mit einer Rotationswelle und ausgebildet zum Rotieren um eine Rotationsachse in einer Rotationsrichtung; eine zweite drehbare Trägerstruktur, mechanisch gekoppelt mit der Rotationswelle und ausgebildet zum Rotieren um die Rotationsachse in der Rotationsrichtung, wobei die zweite drehbare Trägerstruktur von der ersten drehbaren Trägerstruktur beabstandet ist; eine erste gegenseitig gekoppelte Struktur, umfassend eine erste Bahn, mechanisch gekoppelt mit der ersten drehbaren Trägerstruktur und eine zweite Bahn, mechanisch gekoppelt mit der zweiten drehbaren Trägerstruktur, wobei die erste Bahn und die zweite Bahn durch eine erste drehmomentabhängige Kopplung miteinander gekoppelt sind; eine zweite gegenseitig gekoppelte Struktur, umfassend eine dritte Bahn, mechanisch gekoppelt mit der ersten drehbaren Trägerstruktur und eine vierte Bahn, mechanisch gekoppelt mit der zweiten drehbaren Trägerstruktur, wobei die dritte Bahn und die vierte Bahn durch eine zweite drehmomentabhängige Kopplung miteinander gekoppelt sind. Als Antwort auf eine Rotation der Rotationswelle, ist die erste drehmomentabhängige Kopplung zur Zunahme ausgebildet und die zweite drehmomentabhängige Kopplung ist zur Abnahme ausgebildet.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele werden hierin unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.

1 stellt eine Mehrzahl von möglichen Elementarstrukturen gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen dar;
2A und 2B stellen ein Segment einer mm-Welle-(mm-wave) Metamaterialbahn gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen dar;
3A-3G stellen unterschiedliche Anordnungen oder Muster von Elementarstrukturen eines Metamaterials gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen dar;
4A ist eine schematische Ansicht eines Drehmomentmesssystems gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
4B ist eine schematische Ansicht eines anderen Drehmomentmesssystems gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
4C ist eine schematische Ansicht eines anderen Drehmomentmesssystems gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
5 ist ein Blockdiagramm, das eine Sendeempfänger-Schaltung des Sendeempfängers gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen darstellt;
6A-6D sind schematische Ansichten von verschiedenen Antennen-Ausbildungen in einem Drehmomentmesssystem, gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
7 ist eine Querschnittansicht eines Drehmomentmesssystems gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
8 ist eine Querschnittansicht eines anderen Drehmomentmesssystems gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
9 ist eine Querschnittansicht eines anderen Drehmomentmesssystems gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
10 ist eine Querschnittansicht eines anderen Drehmomentmesssystems gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen;
11 zeigt zwei gegenseitig gekoppelte Strukturen, gebildet gemäß einem oder mehreren der vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele;
12 zeigt eine durchgehende gegenseitig gekoppelte Struktur, die teilweise durch die gegenseitig gekoppelten Strukturen, gezeigt in 11, gebildet wird; und
13A-13C zeigen schematische Diagramme von verschiedenen Antennen-Anordnungen eines Sendeempfängers, gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele detailliert Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Die Ausführungsbeispiele sind nur zu darstellenden Zwecken gegeben und sollen nicht als einschränkend betrachtet werden. Zum Beispiel, während Ausführungsbeispiele derart beschrieben sein können, dass sie eine Mehrzahl von Merkmalen oder Elementen aufweisen, können einige dieser Merkmale oder Elemente bei anderen Ausführungsbeispielen weggelassen sein und/oder können durch alternative Merkmale oder Elemente ersetzt sein. Bei anderen Ausführungsbeispielen können weitere Merkmale oder Elemente zusätzlich zu jenen bereitgestellt sein, die ausdrücklich gezeigt und beschrieben sind. Zusätzlich können Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele nachfolgend miteinander kombiniert werden, um weitere Ausführungsbeispiele zu bilden, außer dies ist spezifisch anderweitig angegeben. Zum Beispiel können Abänderungen oder Modifikationen, die in Bezug auf eines der Ausführungsbeispiele beschrieben sind, auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein, außer dies ist anderweitig angegeben.
Während sich weitere Beispiele für verschiedene Modifikationen und alternative Formen eignen, sind dementsprechend einige bestimmte Beispiele derselben in den Figuren gezeigt und werden nachfolgend ausführlich beschrieben. Allerdings beschränkt diese detaillierte Beschreibung weitere Beispiele nicht auf die beschriebenen bestimmten Formen. Weitere Beispiele können alle Modifikationen, Entsprechungen und Alternativen abdecken, die in den Schutzbereich der Offenbarung fallen.
Ferner werden entsprechende oder gleiche Elemente oder Elemente mit entsprechender oder gleicher Funktionalität in der nachfolgenden Beschreibung mit entsprechenden oder gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Da den entsprechenden oder gleichen Elementen in den Figuren dieselben Bezugszeichen gegeben werden, kann eine wiederholte Beschreibung für Elemente, die mit denselben Bezugszeichen versehen sind, weggelassen werden. Somit sind Beschreibungen für Elemente mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen gegenseitig austauschbar.
Wenn eine Singularform, z. B. „ein, eine“ und „der, die, das“ verwendet wird und die Verwendung nur eines einzelnen Elements weder explizit noch implizit als verpflichtend definiert ist, können weitere Beispiele auch Pluralelemente verwenden, um die gleiche Funktionalität zu implementieren. Ebenso, wenn eine Funktionalität nachfolgend als unter Verwendung mehrerer Elemente implementiert beschrieben ist, können weitere Beispiele die gleiche Funktionalität unter Verwendung eines einzelnen Elements oder einer einzelnen Verarbeitungsentität implementieren. Es versteht sich ferner, dass die Ausdrücke „umfasst“, „umfassend“, „weist auf‟ und/oder „aufweisend“ bei Verwendung die Anwesenheit der angegebenen Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Handlungen, Elemente und/oder Komponenten spezifizieren, aber nicht die Anwesenheit oder Hinzufügung eines/einer oder mehrerer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Prozesse, Handlungen, Elemente, Komponenten und/oder einer beliebigen Gruppe davon ausschließen.
Es wird darauf hingewiesen, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, das Element direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann oder Zwischenelemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz ein Element als „direkt“ mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, sind keine Zwischenelemente vorhanden. Sonstige zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen benutzte Ausdrücke sollen auf gleichartige Weise ausgelegt werden (z. B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „benachbart“ gegenüber „direkt benachbart“ etc.).
Bei Ausführungsbeispielen, die hierein beschrieben oder in den Zeichnungen gezeigt sind, kann irgendeine direkte elektrische Verbindung oder Kopplung, d.h. Irgendeine Verbindung oder Kopplung ohne zusätzliche dazwischen liegende Elemente, auch durch eine indirekte Verbindung oder Kopplung, d.h. eine Verbindung oder Kopplung mit einem oder mehreren dazwischen liegenden Elementen implementiert sein, oder umgekehrt, solange der allgemeine Zweck der Verbindung oder Kopplung, zum Beispiel, das Übertragen einer bestimmten Art von Signal oder das Übertragen einer bestimmten Art von Information im Wesentlichen beibehalten wird.
Die Zeichnungen sollen als schematische Repräsentationen betrachtet werden und Elemente, die in den Zeichnungen dargestellt sind, sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeigt. Stattdessen sind die verschiedenen Elemente derart dargestellt, dass ihre Funktion und ihr allgemeiner Zweck für einen Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich wird. Irgendeine Verbindung oder Kopplung zwischen funktionalen Blöcken, Vorrichtungen, Komponenten oder anderen physischen oder funktionalen Einheiten, die in den Zeichnungen gezeigt oder hierin beschrieben sind, können auch durch eine indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert sein. Funktionale Blöcke können in Hardware, Firmware, Software oder einer Kombination derselben implementiert sein.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Sensoren und Sensorsysteme, und das Erhalten von Informationen über Sensoren und Sensorsysteme. Ein Sensor kann sich auf eine Komponente beziehen, die eine physikalische Größe, die gemessen werden soll, in ein elektrisches Signal umwandelt, zum Beispiel ein Stromsignal oder ein Spannungssignal. Im Allgemeinen kann die physikalische Größe zum Beispiel ein Magnetfeld, ein elektrisches Feld, Radiowellen, einen Druck, eine Kraft, einen Strom oder eine Spannung aufweisen, ist aber nicht darauf beschränkt. Ein Sensorbauelement, wie hierin beschrieben ist, kann ein Winkelsensor, ein linearer Positionssensor, ein Geschwindigkeitssensor, ein Bewegungssensor und ähnliches sein.
Die Sensorschaltung kann als eine Signalverarbeitungsschaltung und/oder eine Signalkonditionierungsschaltung bezeichnet werden, die ein oder mehrere Signale (d.h. Sensorsignale) von einem oder mehreren Sensorelementen in der Form von Rohmessdaten empfängt und aus dem Sensorsignal ein Messsignal herleitet, das die physikalische Größe repräsentiert.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „Sensor“, „Sensorelement“ und „Erfassungselement“ in dieser Beschreibung durchgehend austauschbar verwendet werden können, und die Begriffe „Sensorsignal“ und „Messsignal“ in dieser Beschreibung auch durchgehend austauschbar verwendet werden können.
Signalkonditionierung, nach hiesigem Gebrauch, bezieht sich auf das Manipulieren eines analogen Signals auf solche Weise, dass das Signal die Anforderungen einer nächsten Stufe zur weiteren Verarbeitung erfüllt. Signalkonditionierung kann das Umwandeln von analog zu digital (z.B. über einen Analog-zu-Digital-Wandler), Verstärkung, Filtern, Umwandeln, Vorspannen, Bereichsanpassung, Isolation und irgendwelche anderen Prozesse umfassen, die erforderlich sind, um eine Sensorausgabe nach der Konditionierung geeignet zur Verarbeitung zu machen.
Somit kann die Sensorschaltung einen Analog-zu-Digital-Wandler (ADC; analog-to-digital converter) umfassen, der das analoge Signal aus dem einen oder den mehreren Sensorelementen in ein digitales Signal umwandelt. Die Sensorschaltung kann auch einen digitalen Signalprozessor (DSP; digital signal prozessor) umfassen, der eine Verarbeitung an dem digitalen Signal ausführt.
Daher kann das Sensor-Package eine Schaltung umfassen, die das Kleinsignal des Sensorelements über Signal-Verarbeitung und/oder Konditionierung konditioniert und verstärkt.
Ein Sensorbauelement, nach hiesigem Gebrauch, kann sich auf eine Vorrichtung beziehen, die einen Sensor und eine Sensorschaltung umfasst, wie vorangehend beschrieben wurde. Ein Sensorbauelement kann auf einem einzelnen Halbleiter-Die (z. B. Silizium-Die oder Chip) integriert sein, obwohl bei anderen Ausführungsbeispielen eine Mehrzahl von Dies zum Implementieren eines Sensorbauelements verwendet werden kann. Somit sind der Sensor und die Sensorschaltung entweder auf demselben Halbleiter-Die oder auf mehreren Dies in demselben Package angeordnet. Zum Beispiel kann der Sensor auf einem Die sein und die Sensorschaltung auf einem anderen Die, derart, dass sie elektrisch miteinander verbunden innerhalb des Packages sind. In diesem Fall können die Dies aus demselben oder aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien sein, wie zum Beispiel GaAs und Si, oder der Sensor könnte auf ein Keramik- oder Glas-Plättchen gesputtert sein, das kein Halbleiter ist.
Ausführungsbeispiele werden nachfolgend im Kontext eines Millimeterwellen- (mm-Welle) Sensor und mm-Wellen-Systemen erörtert, die einen mm-Wellen-Sender, einen mm-Wellen-Empfänger und/oder einen mm-Wellen-Sendeempfänger umfassen. Mm-Wellen sind Radiowellen, die in dem Band der Radiofrequenzen in dem elektromagnetischen Spektrum von 30 bis 300 Gigahertz (GHz) bezeichnet werden und auch als Radarwellen verwendet werden können. Daher kann ein hierin beschriebener mm-Wellen-Sensor, -System, -Sender, -Empfänger oder - Sendeempfänger auch als Radarsensor, -System, -Sender, -Empfänger oder -Sendeempfänger betrachtet werden, und eine mm-Welle kann als Radarsignal betrachtet werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Ausführungsbeispiele auch in Anwendungen angewendet werden können, die unterschiedlich zu Radar sind, wie beispielsweise Radiofrequenz (RF; radio frequency) -Sender, -Empfänger, oder -Sendeempfänger von RF-Kommunikationsvorrichtungen. Tatsächlich kann irgendeine RF-Schaltungsanordnung die hierin beschriebenen Konzepte nutzen. Ein mm-Wellen-Sensor oder mm-Wellen-System kann als ein Winkelsensor, ein linearer Positionssensor, ein Geschwindigkeitssensor, ein Bewegungssensor und ähnliches ausgebildet sein.
Ein Metamaterial ist ein Material, das ausgelegt ist, um eine Eigenschaft aufzuweisen, die in natürlich vorkommenden Materialien nicht auftritt. Sie bestehen aus Anordnungen mehrerer Strukturelemente, die aus Verbundwerkstoffen wie Metallen oder Kunststoffen gefertigt werden. Die Materialien können in sich wiederholenden oder periodischen Muster angeordnet sein, in Maßstäben, die kleiner sind als die Wellenlängen der Phänomene, die sie beeinflussen. Anders ausgedrückt erreichen Metamaterialien die gewünschten Effekte durch die Einbeziehung von Strukturelementen von Teil-Wellenlängengrößen, d.h. Merkmale, die tatsächlich kleiner sind als die Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen, auf die sie wirken.
Infolgedessen leiten Metamaterialien ihre Eigenschaften nicht notwendigerweise von den Eigenschaften der Basismaterialien her, sondern von ihren entwickelten Strukturen. Ihre präzise Form, Geometrie, Größe, Ausrichtung und Anordnung der Strukturelemente verleiht den Metamaterialien ihre besonderen Merkmale, die in der Lage sind, elektromagnetische Wellen zu manipulieren: durch Blockieren, Reflektieren, Absorbieren, Verstärken oder Biegen von Wellen, um Vorteile zu erzielen. Somit wird ein Metamaterial definiert als ein künstlicher Verbundwerkstoff, der seine elektrischen Eigenschaften aus seinen genau entworfenen Strukturen und deren Anordnung gewinnt, anstatt sie direkt von den Materialien zu übernehmen, aus denen er zusammengesetzt ist.
Ein Metamaterial kann eine Teilmenge einer größeren Gruppe heterogener Strukturen sein, die aus einem festen Basismaterial und Elementen aus einem anderen Material bestehen. Die Unterscheidung von Metamaterialien besteht darin, dass sie über ein begrenztes Frequenzband besondere, manchmal anomale Eigenschaften aufweisen. Zum Beispiel können mm-Wellen-Metamaterialien besondere Eigenschaften über ein Millimeterband aufweisen, welches das oben erwähnte Bandenspektrum zwischen 30 GHz und 300 GHz ist.
Im Kontext der beschriebenen Ausführungsbeispiele ist ein Metamaterial ein zweidimensionales (2D) oder dreidimensionales (3D) Array von Elementarstrukturen, die miteinander gekoppelt sind. „Elementarstrukturen“, wie sie hierin verwendet werden, können als diskrete Strukturen, Elementstrukturen oder eine Kombination davon bezeichnet werden. In einigen Fällen können die Elementarstruktur einfach als „Strukturen“ bezeichnet werden.
Das Gesamtarray stellt makroskopische Eigenschaften bereit, die durch die verwendeten Elementarstrukturen und ihre Kopplungspfade entworfen werden können. Metamaterialien sind für verschiedene Arten von Wellen ausgebildet, wie elektromagnetische Wellen (z.B. optische, Infrarot- (IR; infrared) und mm-Wellen) und mechanische Wellen (z.B. Ultraschall). Die Skala der Elementarstrukturen und ihre Gitterabstandsskala mit der Wellenlänge des Zielfrequenzbereichs.
Elementarstrukturen in mm-Wellen-Metamaterialien können Resonator-Elemente, AntennenElemente, Filter-Elemente, Wellenleiter-Elemente, Übertragungsleitungs-Elemente oder eine Kombination der in 1 gezeigten umfassen. Die Größe der Elementarstruktur kann bis zu mehreren Wellenlängen reichen, liegt aber üblicherweise unter einer Wellenlänge. Sie bestehen aus Teilen, die Magnetfelder erzeugen (z.B. Leiterringe) und anderen Teilen, die elektrische Felder erzeugen (z.B. Zwischenräume zwischen Leitern). Ferner können sie auch Elemente aufweisen, die elektromagnetische Welleneigenschaften aufweisen, wie z.B. ein kurzes Übertragungsleitungssegment.
Im Allgemeinen stellen diese Elementarstrukturen elektrisch resistive-induktive-kapazitive (RLC; resistive-inductive-capacitive) Netzwerke dar. In dem Frequenzbereich, in dem sie in dem Metamaterial verwendet werden, ist die Charakteristik ihrer resistiven, induktiven und kapazitiven Parameter über die Geometrie verteilt. Da Filter, Resonatoren, Übertragungsleitungen und Antennen unterschiedlich parametrisierte Repräsentanten identischer Strukturen sein können, ist es oft nicht eindeutig möglich, eine Struktur einer einzelnen Gruppe zuzuordnen. Somit versteht es sich, dass eine als Resonator beschriebene Struktur abhängig von ihrer Verwendung oder Implementierungsdetails auch als Antenne oder als Filter angesehen werden kann. Ferner kann sich das Verhalten auch mit der Frequenz ändern, bei der es betrieben wird, und eine Struktur, die sich bei einer Frequenz als Übertragungsleitung verhält, kann auch eine Filtercharakteristik freilegen oder eine Resonanz bei einer anderen Betriebsfrequenz erzeugen. Schließlich beeinflusst die Wahl des Materials das Verhalten, was bedeutet, dass die Wahl eines besseren Leiters ein Resonanzverhalten betont, während ein weniger leitfähiges Material die Dämpfung erhöht und eine Filtercharakteristik dominant macht.
1 stellt eine Mehrzahl von möglichen Elementarstrukturen gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen dar. Die Elementarstrukturen 1 umfassen einen geteilten Ring-Resonator 2 mit einer Kondensatorkopplung 2a, einen geteilten Ring-Resonator 3 mit zwei Kondensatorkopplungen 3a und 3b, einen geteilten Ring-Resonator 4 mit vier Kondensatorkopplungen 4a-4d, eine Antennenstruktur 5, eine Antennenspule 6, einen verschachtelten geteilten Ring-Resonator 7, eine Antennenstruktur 8, eine Antennenstruktur 9, eine Antennenstruktur 10, eine Übertragungsleitungsstruktur 11, eine Antennenstruktur 12, gekoppelte geteilten Ring-Resonatoren 13, einen geteilten Ring-Resonator 14, eine Teilring- oder Kopplungsstruktur 15 und einen gekoppelten geteilten Ring-Resonator 16.
Die Übertragungsleitungsstruktur 11 kann eine Dämpfungsstruktur oder eine Verzögerungsstruktur sein. Sie kann in einer wechselnden Ausbildung mit Resonatoren verwendet werden, um eine gedämpfte oder phasenverschobene Kopplung zwischen ihnen statt einer direkten Kopplung herzustellen. Die Kopplung an die Resonatoren kann kapazitiv oder galvanisch sein. Sie kann sich auch auf eine zweite Schicht erstrecken, zum Beispiel mit einer identischen Struktur, die eine echte Übertragungsleitung (d.h. zwei parallele Drähte) bildet.
Die Teilring- oder Kopplungsstruktur 15 kann als Teilringstruktur bezeichnet werden, da es sich dabei um die Hälfte eines geteilten Ring-Resonators 18 handelt. In diesem Kontext wird die Teilringstruktur 15 mit einer zweiten Schicht gekoppelt, um einen Resonator zu bilden. Die Teilring- oder Kopplungsstruktur 15 kann auch als eine Kopplungsstruktur wie in dem Beispiel in 3B verwendet werden. In diesem Kontext stellt sie eine kapazitive Kopplung zwischen Ringresonator-Elementen bereit, resoniert aber nicht wesentlich (zumindest bei der niedrigen Frequenz) so wie die gekoppelten geteilten Ring-Resonatoren nicht bemerkenswert resonieren.
Ferner können die Elementarstrukturen auch dreidimensional sein, wie z.B. Spiralspulen und verschachtelte geteilten Ring-Resonatoren, die in alle drei kartesischen Koordinatenrichtungen ausgerichtet sind. Ferner können dreidimensionale Strukturen erzeugt werden, indem zweidimensionale Elementarstrukturen in gestapelter Anordnung geschichtet werden. Zum Beispiel können zwei Elementarstrukturen in einer vertikalen Dimension übereinandergeschichtet werden, so dass sie einander überlappen. Auf diese Weise kann eine vertikale kapazitive Kopplung zwischen den beiden Elementarstrukturen erreicht werden und kann durch Variation des Überlappungsbetrages in horizontaler Dimension angepasst werden.
1 stellt ferner eine gestapelte geteilten Ring-Resonatorstruktur 17 mit drei aufeinander gestapelten geteilten Ring-Resonatoren dar. Die gestapelte geteilten Ring-Resonatorstruktur 17 kann durch Verwendung von drei aufeinander gestapelten Metallisierungsschichten gebildet werden. 1 stellt ferner einen geteilten Ring-Resonator 18, hergestellt aus zwei Halbringstrukturen 15, dar, die überlappen, sodass eine vertikale kapazitive Kopplung zwischen den beiden Halbringstrukturen besteht. Durch Variieren des Überlappungsbetrages kann die Schleifengröße größer (z.B. durch Verringerung des Überlappungsbetrages) oder kleiner (z.B. durch Vergrößerung des Überlappungsbetrages) gemacht werden, was wiederum jeweils zu einer niedrigeren vertikalen kapazitiven Kopplung oder einer höheren vertikalen kapazitiven Kopplung führt.
Um ein quasihomogenes makroskopisches Verhalten zu erreichen, werden die Elementarstrukturen in Arrays angeordnet, die üblicherweise Abmessungen aufweisen, die größer als eine Wellenlänge des Zielfrequenzbereichs sind und in jeder verwendeten Richtung eine Vielzahl von Elementarstrukturen umfassen.
2A und 2B stellen ein Segment einer mm-Wellen-Metamaterialbahn gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen dar. Eine mm-Wellen-Metamaterialbahn ist ein Streifen aus mm-Wellen-Metamaterial, der mehrere Elementarstrukturen aufweist, die sowohl in der Breite (transversal) als auch in der Länge (rotierend) angeordnet sind. Hier können die zu einer Rotationsrichtung orthogonalen Richtungen als eine radiale Richtung oder eine axiale Richtung bezeichnet werden.
Eine Umfangsrichtung oder eine Rotationsrichtung folgt einem Umfang einer Bahn oder einem Abschnitt davon, der eine vollständige oder teilweise Schleife um eine Rotationsachse bildet. So kann eine Umfangsrichtung oder eine Rotationsrichtung entweder eine Richtung im Uhrzeigersinn oder eine Richtung gegen den Uhrzeigersinn sein. Die radiale Richtung erstreckt sich entlang einer Oberfläche eines drehbaren Zielobjekts orthogonal zu der Rotationsachse. Anders ausgedrückt, kann die radiale Richtung verwendet werden, um einen Radius oder eine radiale Dimension von der Rotationsachse zu definieren. Die axiale Richtung erstreckt sich parallel zur Rotationsachse (z.B. von einem drehbaren Zielobjekt zu einem anderen drehbaren Zielobjekt). Eine transversale Richtung kann sich auf eine Breitendimension einer mm-Wellen-Metamaterialbahn beziehen, die sich abhängig von der Anordnung der Bahn um die Rotationsachse entweder in radialer Richtung oder in axialer Richtung erstrecken kann.
Insbesondere zeigt 2A ein Beispiel eines 2D-Arrays 20 von geteilten Ring-Resonatoren, von denen erwartet wird, dass sie sich sowohl in horizontaler als auch in Rotations- (Umfangs-) Richtung weiter erstrecken. Jedoch wird darauf hingewiesen, dass die geteilten Ring-Resonatoren gegen irgendeine Art von Elementarstruktur ausgetauscht werden können, zum Beispiel gegen irgendwelche der in 1 gezeigten. Jeder geteilten Ring-Resonator umfasst einen offenen Ring, der eine Induktivität (L) und einen Zwischenraum oder eine Öffnung, die eine kapazitive Kopplung (C) bereitstellt. Somit ist jeder geteilten Ring-Resonator eine Art von LC-Resonator.
Die Elementarstrukturen, die das in 2A gezeigte Segment einer mm-Wellen-Metamaterialbahn bilden, weisen eine feste Anordnung oder feste Eigenschaft entlang der Rotationsrichtung auf. Beispielsweise sind die geteilten Ring-Resonatoren in jeder Zeile in der gleichen Position und Ausrichtung angeordnet. Ferner ist die Beabstandung zwischen benachbarten geteilten Ring-Resonatoren in der Rotationsrichtung entlang der Bahn fest. Somit weist das Array 20 nicht irgendeine Veränderung der Eigenschaften der Metamaterialstrukturen entlang der Bahn in der Rotationsrichtung auf. Eine oder mehrere Eigenschaften zwischen den Strukturen, wie z.B. Beabstandung und Ausrichtung, können sich in der radialen Richtung ändern, solange jede Zeile von Strukturen das gleiche Muster aufweist.
Es besteht eine gegenseitige Kopplung der Strukturen in dem Array 20, die eine kapazitive Kopplung, eine induktive Kopplung oder beides sein kann. In diesem Fall liegen beide Arten der Kopplung vor. Zum Beispiel besteht eine kapazitive Kopplung zwischen Strukturen in der vertikalen Richtung (d.h. entlang der Rotationsrichtung) auf den Seiten, auf denen die Ringe dicht beieinander liegen. Zusätzlich wird die induktive Kopplung zwischen den Strukturen durch das von jedem geteilten Ring-Resonator erzeugte Feld bereitgestellt.
Somit, elektrisch, führt die Anordnung der Elementarstrukturen in einem Array eine gegenseitige Kopplung zwischen den Elementarstrukturen ein, wobei der Kopplungseffekt ein elektrisches Feld (kapazitive Nahfeldkopplung), ein magnetisches Feld (induktive Nahfeldkopplung), eine Wellenleiterkopplung oder elektromagnetische Wellen (Fernfeldkopplung) nutzen kann. Aufgrund der Dimensionen der Arrays und abhängig von der Art der verwendeten Elementarstrukturen setzt sich der Kopplungseffekt üblicherweise aus einer Mischung aller Mechanismen zusammen.
Die Weise, in der die Strukturen gekoppelt sind, beeinflusst das Kopplungsverhalten des Arrays oder eines Teils dieses Arrays. Dieses Kopplungsverhalten wiederum beeinflusst einen Effekt, den die individuellen Strukturen oder eine Gruppe von Strukturen auf eine Übertragungswelle oder ein einfallendes Signal auf dieser Struktur oder dieser Gruppe von Strukturen haben.
Ferner ist der Kopplungseffekt zwischen Strukturen unterschiedlich, wenn Zwischenräume oder Öffnungen benachbarter Strukturen einander gegenüberliegen oder wenn die Zwischenräume einem geschlossenen Segment einer benachbarten Struktur gegenüberliegen (d.h. benachbart sind). Zum Beispiel zeigt 2B ein Beispiel eines 2D-Arrays 21 von geteilten Ring-Resonatoren, bei dem sich eine Ausrichtung der geteilten Ring-Resonatoren sowohl in horizontaler (Breite) als auch in vertikaler (Länge) Richtung des Arrays 21 (d.h. der Metamaterialbahn) ändert. Anders ausgedrückt variiert die Lage des Zwischenraums von jedem geteilten Ring-Resonator entlang benachbarter Strukturen, und die Reihen von Strukturen weisen unterschiedliche Muster auf. Hier ist es zwar nicht erforderlich, aber möglich, dass jede Zeile von Strukturen ein einzigartiges Muster aufweist. Infolgedessen unterscheidet sich der Kopplungseffekt zwischen den Strukturen in 2B von dem Kopplungseffekt, der durch die in 2A gezeigten Strukturen erzeugt wird.
Ferner verändert sich der Kopplungseffekt zwischen Strukturen in 2B teilweise entlang des Arrays in der Rotationsrichtung, während sich der Kopplungseffekt zwischen Strukturen in 2A entlang des Arrays in der Rotationsrichtung nicht ändert. Die unterschiedlichen Formen (kreisförmig versus rechteckig) können sich auch auf die Charakteristik der Struktur selbst und den Kopplungseffekt auswirken.
Jede Elementarstruktur weist eine Größe (z.B. eine Breite oder einen Durchmesser) von 10% bis 100% der Wellenlänge einer übertragenen mm-Welle, für die die Struktur empfindlich ist, auf. Das Array 20 kann eine einzelne Metallisierungsschicht sein, die auf einen Film angeordnet oder gedruckt wird, sodass das Array 20 zweidimensional ist. Wie vorangehend erwähnt, kann es auch möglich sein, mehrere Metallisierungsschichten zu stapeln, um ein 3D-Array zu bilden.
Somit umfassen die hierin beschriebenen Arrays von Elementarstrukturen mehrfache Wiederholungen von Elementstrukturen mit gleichen oder unterschiedlichen Anordnungen im Hinblick auf einander, die aufgrund des Kopplungseffekts zwischen den Strukturen eine Eigenschaft auf einer Übertragungswelle oder einem darauf auftreffenden Signal induzieren. Wie aus 3A-3G ersichtlich wird, verändert sich zumindest eine Eigenschaft entlang des Arrays in der Rotationsrichtung, was verursacht, dass sich zumindest ein Kopplungseffekt zwischen Elementarstrukturen des Arrays durchgehend entlang des Arrays in der Rotationsrichtung ändert. Dies kann z.B. die Bestimmung einer Rotationspositionsänderung und/oder einer Rotationswinkelposition des Arrays erlauben. Im Gegensatz dazu sind für Array 20 die Eigenschaften entlang des Arrays in der Rotationsrichtung fest, so dass sich die Kopplungseffekte zwischen den Elementarstrukturen des Arrays nicht ändern und entlang des Arrays in der Rotationsrichtung fest bleiben.
Wie in der folgenden Beschreibung deutlich wird, können eine oder mehrere mm-Wellen-Metamaterialbahnen auch zur Durchführung von Drehmomentmessungen und/oder außeraxialen Winkelmessungen in Bezug auf ein drehbares Zielobjekt verwendet werden.
Eine mm-Wellen-Metamaterialbahn kann auf einem Zielobjekt bereitgestellt werden, sodass sie eine geschlossene Schleife um eine Rotationsachse bildet und dadurch ein periodisches Muster von 360° bildet. Auf diese Weise ist ein Zielobjekt eine Trägerstruktur für eine anzuordnende mm-Wellen-Metamaterialbahn. Beispielsweise können die Elementarstrukturen eines Arrays ein periodisches 360°-Muster aufweisen, die sich um den Umfang des drehbaren Ziels und/oder entlang des Umfangs der Metamaterialbahn kontinuierlich ändern kann oder auch nicht. Zum Beispiel weisen Bahnen, die für die direkte Drehmomentmessung verwendet werden, möglicherweise keine Eigenschaftsänderung der Metamaterialstrukturen entlang der Bahn in der Rotationsrichtung auf, wie dies z.B. bei Array 20 der Fall ist. Im Gegensatz dazu können Bahnen, die zur Winkelmessung, zur Änderung der Rotationsposition oder zur indirekten Drehmomentmessung verwendet werden, in Eigenschaften der Metamaterialstrukturen entlang der Bahn in der Rotationsrichtung übergehen, wie dies beispielsweise bei den in 3A-3G gezeigten Bahnen der Fall ist. Wenn sich das Muster entlang der Rotationsrichtung ändert, kann dies durch einen kontinuierlichen Wechsel von 0° auf 360° entlang der geschlossenen Schleife der Metamaterialbahn geschehen, und dann wiederholt werden.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, eine Metamaterialeigenschaft gemäß einem periodischen 360°-Muster zu verändern. Es wird auch darauf hingewiesen, dass ein Rotationssegment von weniger als 360° ebenfalls anwendbar sein kann. Beispielsweise können auch Anwendungen verwendet werden, die begrenzte Winkelbereiche messen (z.B. Drosselklappe, Fahrwerksebene, Gaspedal). In diesen Fällen muss das Zielmuster nicht 360° periodisch sein und kann einfach das Muster über den verwendeten Winkelbereich (z.B. 45°, 60°, 90°, 180° etc.) von einem Minimalwert auf einen Maximalwert ändern. Daraus folgt natürlich, dass das Zielobjekt auch keine vollständige Scheibe sein muss und auf ein Segment reduziert werden kann.
Eine Eigenschaft und/oder Anordnung des Metamaterials kann spezifisch für eine absolute Winkelposition entlang der Metamaterialbahn sein und ist somit auch spezifisch für eine absolute Winkelposition des drehbaren Zielobjekts. Eine absolute Winkelposition ist eine Winkelposition relativ zu einer vorbestimmten (d.h. Referenz-)Winkelposition des drehbaren Zielobjekts. Beispielsweise kann die Referenzwinkelposition null Grad betragen, und eine absolute Winkelposition kann eine bestimmte Position sein, gedreht von null Grad über eine Periode von 360°. Somit weist jede absolute Winkelposition einen absoluten Winkelwert von 0° bis 360° auf.
Die folgenden unterschiedlichen Variationen können verwendet werden, um das Verhalten von Metamaterial entlang einer Rotationsrichtung zu verändern. Somit stellen 3A-3G unterschiedliche Anordnungen oder Muster von Elementarstrukturen eines Metamaterials gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen dar. Diese Bahnen können für die Winkelmessung eines entsprechenden Trägersubstrats, eine Rotationspositionsänderung eines entsprechenden Trägersubstrats oder eine indirekte Drehmomentmessung eines auf eine Rotationswelle ausgeübten Drehmoments verwendet werden.
3A ist ein schematisches Diagramm eines Arrays von Elementarstrukturen 301 einer Metamaterialbahn gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Hier umfasst das Array mehrere Zeilen von geteilten Ring-Resonatoren 31a-34a, bei denen die Strukturen in jeder Zeile eine gleiche Ausbildung und Ausrichtung aufweisen. Die Strukturen in unterschiedlichen Reihen weisen jedoch unterschiedliche Ausbildungen auf.
Ein periodisches 360°-Muster kann verwendet werden, um die Kopplungskapazität der geteilten Ring-Resonatoren entlang der Rotationsrichtung zu ändern. Zum Beispiel kann die Kopplungskapazität in der Rotationsrichtung erhöht (oder verringert) werden. Hier wird dies durch Erhöhen (oder Verringern) der Länge der Leitungen innerhalb der Öffnung des geteilten Ring-Resonators erreicht, was zu einer allmählichen und durchgehenden Erhöhung (oder Verringerung) der Kopplungskapazität in der Rotationsrichtung führt. Diese Änderung der Kopplungskapazität entlang der Rotationsrichtung (d.h. entlang des Umfangs der Metamaterialbahn) verschiebt die Resonanzfrequenz, sodass die Änderung in der Phasenverschiebung oder der Amplitude eines Empfangssignals im Hinblick auf das Sendesignal gemessen werden kann. Jeder Phasenverschiebungswert oder Amplitudenwert ist spezifisch für eine absolute Winkelposition (d.h. einen Winkelwert) des drehbaren Zielobjekts.
3B ist ein schematisches Diagramm eines Arrays von Elementarstrukturen 302 einer Metamaterialbahn gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Hier umfasst das Array mehrere Zeilen von geteilten Ring-Resonatoren 31b- 34b, bei denen die Strukturen in jeder Zeile eine gleiche Ausbildung und Ausrichtung aufweisen. Die Strukturen in unterschiedlichen Zeilen weisen jedoch unterschiedliche Orientierungen auf.
Somit werden auf der Oberfläche des Zielobjekts die geteilten Ring-Resonatoren 31b-34b inkrementell in variierenden Graden entlang der Rotationsrichtung gedreht oder geschwenkt (z.B. im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn). Infolgedessen haben die Strukturen in jeder Zeile eine unterschiedliche gewinkelte Ausrichtung im Hinblick auf Strukturen in benachbarten Zeilen, was zu einer allmählichen und durchgehenden Erhöhung (oder Verringerung) der Kopplungskapazität in der Rotationsrichtung führt. Dies macht das Metamaterial empfindlich für eine Polarisation der mm-Welle und ändert speziell die Empfindlichkeit für die elektrische Feldkomponente der übertragenen Welle, die sich entlang der Rotationsrichtung ändert. Hier wird ein Einfluss auf die Polarisation realisiert, da sich die Richtung des dominanten E-Feldes in dem Zwischenraum ändert. Somit kann eine Polarisationsverschiebung gemessen werden, die spezifisch für die absolute Winkelposition (d.h. einem Winkelwert) des drehbaren Zielobjekts ist.
3C ist ein schematisches Diagramm eines Arrays von Elementarstrukturen 303 einer Metamaterialbahn gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Hier umfasst das Array mehrere Zeilen von geteilten Ring-Resonatoren 31c, bei denen die Strukturen in dem gesamten Array eine gleiche Ausbildung und Ausrichtung aufweisen.
Hier wird die gegenseitige kapazitive Kopplung der Strukturen allmählich und durchgehend in der Rotationsrichtung verändert, indem die Abstände d1, d2, d3 und so weiter zwischen den Strukturen entlang der Rotationsrichtung erhöht oder verringert werden. Daher liegen die Zeilen an der Oberseite näher beieinander als die Zeilen an der Unterseite des Arrays. Dies skaliert die Kapazität zwischen den Strukturen in einer Weise, die periodisch über 360° liegt.
3D ist ein schematisches Diagramm eines Arrays von Elementarstrukturen 304 einer Metamaterialbahn gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Hier umfasst das Array mehrere Zeilen von geteilten Ring-Resonatoren 31d- 34d, bei denen die Strukturen in jeder Zeile eine gleiche Ausbildung und Ausrichtung aufweisen. Die Strukturen in unterschiedlichen Reihen weisen jedoch unterschiedliche Ausbildungen auf.
In diesem Fall eine induktive Kopplung, skaliert durch Verkleinerung oder Vergrößerung des Schleifenbereichs entlang der Rotationsrichtung. Beispielsweise ändert sich die Schleifengröße aufeinander folgender Zeilen allmählich entlang der Rotationsrichtung. Somit ist die Schleifengröße der geteilten Ring-Resonatoren 31d größer als die Schleifengröße der geteilten Ring-Resonatoren 32d, die größer als die Schleifengröße der geteilten Ring-Resonatoren 33d ist, und so weiter. Dies führt auch zu einer Veränderung der Beabstandung zwischen den Strukturen in der Richtung senkrecht zur Rotationsrichtung, was die kapazitive Kopplung weiter verändern kann. Dies skaliert die induktive Kopplung und/oder die kapazitive Kopplung zwischen Strukturen in einer Weise, die periodisch über 360° liegt.
3E ist ein schematisches Diagramm eines Arrays von Elementarstrukturen 305 einer Metamaterialbahn gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Hier umfasst das Array mehrere Zeilen von geteilten Ring-Resonatoren 31e, bei denen die Strukturen in dem gesamten Array eine gleiche Ausbildung und Ausrichtung aufweisen. Die Dichte der Strukturen wird jedoch in der Roationsrichtung verändert, indem die Dichte der Strukturen entlang der Roationsrichtung allmählich und kontinuierlich erhöht oder verringert wird.
Zum Beispiel kann jede aufeinander folgende Zeile von Strukturen dichter oder weniger dicht bestückt sein als eine vorangehende Zeile von Strukturen. Zum Beispiel kann jede Position in einer ersten Zeile von einer Struktur belegt sein, die eine erste (volle) Dichte von Strukturen in dieser Zeile bildet. In einer zweiten Zeile ist weniger als jede Position von einer Struktur belegt, die eine zweite Dichte von Strukturen in dieser Zeile bildet, die weniger dicht ist als die erste Dichte. In einer dritten Reihe ist weniger als jede Position von einer Struktur belegt, die eine dritte Dichte von Strukturen in dieser Zeile bildet, die weniger dicht ist als die zweite Dichte, und so weiter. Dies skaliert die die induktive Kopplung und/oder die kapazitive Kopplung zwischen Strukturen in einer Weise, die periodisch über 360° liegt.
3F ist ein schematisches Diagramm eines Arrays von Elementarstrukturen 306 einer Metamaterialbahn gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Hier umfasst das Array mehrere Zeilen von geteilten Ring-Resonatoren 31f, bei denen die Strukturen in dem gesamten Array eine gleiche Ausbildung und Ausrichtung aufweisen. Die Dichte der Strukturen wird jedoch in der Roationsrichtung verändert, indem die Dichte der Strukturen entlang der Roationsrichtung allmählich und kontinuierlich erhöht oder verringert wird.
In diesem Beispiel kann ein seitlicher Abstand zwischen Strukturen in jeder aufeinander folgenden Zeile in der Rotationsrichtung verändert werden, indem die Beabstandung zwischen Strukturen entlang der Rotationsrichtung vergrößert oder verkleinert wird. Zum Beispiel kann jede Position in einer ersten Zeile von einer Struktur belegt sein, die eine erste (volle) Dichte von Strukturen in dieser Zeile bildet. In einer zweiten Zeile ist die Beabstandung zwischen benachbarten Strukturen im Vergleich zu der Beabstandung zwischen benachbarten Strukturen in der ersten Zeile erhöht, was eine zweite Dichte von Strukturen in dieser Zeile bildet, die weniger dicht als die erste Dichte ist. In einer dritten Zeile ist die Beabstandung zwischen benachbarten Strukturen im Vergleich zu der Beabstandung zwischen benachbarten Strukturen in der zweiten Zeile erhöht, was eine dritte Dichte von Strukturen in dieser Zeile bildet, die weniger dicht als die zweite Dichte ist und so weiter.
3G ist ein schematisches Diagramm eines Arrays von Elementarstrukturen 307 einer Metamaterialbahn gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Hier ist das Array ein heterogenes Array aus gemischten unterschiedlichen Strukturen, so dass die Strukturarten, die das Array bestücken, in unterschiedlichen Anordnungen durch das Array hindurch variiert werden. In diesem Fall werden zwei verschiedene Arten von Strukturen 31g und 32g in einem Muster verwendet, das die induktive Kopplung und/oder die kapazitive Kopplung zwischen den Strukturen allmählich und durchgehend in einer Weise ändert, die periodisch über 360° verläuft. Es wird darauf hingewiesen, dass auch zwei oder mehr Arten von Strukturen zur Bildung des heterogenen Arrays verwendet werden können.
Im Hinblick auf die vorangehenden Beispiele erfolgt die Skalierung einer Metamaterialeigenschaft mit einem Muster von Strukturen, das sich vollständig und durchgehend um den Umfang des drehbaren Ziels oder entlang des Umfangs der Metamaterialbahn wiederholt oder ändert, so dass eine Änderung des Reflexions- und/oder Übertragungsvermögens einem periodischen 360°-Muster folgt, wobei das Reflexions- und/oder Übertragungsvermögen für jeden diskreten Winkel einzigartig ist.
4A ist eine schematische Ansicht eines Drehmomentmesssystems 400 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Das Drehmomentmesssystem 400 umfasst ein erstes drehbares Zielobjekt 41 als eine erste drehbare Trägerstruktur und ein zweites drehbares Zielobjekt 42 als eine zweite drehbare Trägerstruktur. Beide Trägerstrukturen sind so ausgebildet, dass sie sich um eine Rotationsachse 43 (d.h. eine Drehachse) drehen. Die drehbaren Zielobjekte 41 und 42 können eine Scheibe oder ein Rad sein, gekoppelt mit einer Welle 44, die sich entlang der Rotationsachse 43 erstreckt. Wenn sich die Welle 44 dreht, drehen sich auch die drehbaren Zielobjekte 41 und 42. Die drehbaren Zielobjekte 41 und 42 stellen mechanische Ziele für einen oder mehrere mm-Wellenstrahlen dar. Zusätzlich sind die drehbaren Zielobjekte 41 und 42 seitlich durch einen Abstand entlang der Welle 44 voneinander getrennt. Insbesondere sind sie in einer Übertragungsrichtung von mm-Wellenstrahlen seitlich voneinander beabstandet.
Jedes drehbare Zielobjekt 41 und 42 umfasst jeweils eine mm-Wellen-Metamaterialbahn 45 und 46, die jeweils eine geschlossene Schleife um die Welle 44 bilden. Diesbezüglich ist jedes Zielobjekt 41 und 42 eine Trägerstruktur für seine jeweilige mm-Wellen-Metamaterialbahn. Die mm-Wellen-Metamaterialbahnen 45 und 46 sind an einem entsprechenden drehbaren Zielobjekt 41 oder 42 befestigt, sodass sie sich mit dem entsprechenden drehbaren Zielobjekt 41 oder 42 mitdrehen, wenn es sich dreht. Außerdem weisen die mm-Wellen-Metamaterialbahnen die gleiche Größe und Form auf. Somit, in ähnlicher Weise im Hinblick auf die drehbaren Zielobjekte 41 und 42, sind die Metamaterialbahnen 45 und 46 seitlich voneinander beabstandet und insbesondere sind sie in einer Übertragungsrichtung von mm-Wellenstrahlen seitlich voneinander beabstandet.
Gemäß zumindest einem Ausführungsbeispiel weisen die Metamaterialbahnen 45 und 46 jeweils ein Array von Strukturen auf, deren Eigenschaften sich in der Rotationsrichtung nicht ändern, wie oben in Bezug auf 2A erläutert. Ferner liegen die beiden Metamaterialbahnen 45 und 46 nahe genug beieinander, dass die beiden Bahnen eine gegenseitige Kopplung miteinander aufweisen, die durch einen Feldeffekt (z.B. eine elektrische Feldkopplung, eine magnetische Feldkopplung oder eine elektromagnetische Feldkopplung) induziert wird, wodurch eine resonante Multi-Bahn-Struktur (d.h. eine gegenseitig gekoppelte Struktur) gebildet wird. Die gegenseitige Kopplung zwischen den Bahnen 45 und 46 führt zu einem drehmomentabhängigen Verhalten oder einer Interaktion mit einer mm-Welle, wobei das drehmomentabhängige Verhalten oder die Interaktion eine drehmomentabhängige Reflexion, eine drehmomentabhängige Absorption, eine drehmomentabhängige Übertragung oder eine drehmomentabhängige Kombination davon ist.
Wenn sich die Welle 44 dreht, kommt es aufgrund des auf die Welle 44 ausgeübten Drehmoments zu einer drehmomentabhängigen Verschiebung der Winkelposition (d.h. einer Winkelverschiebung) zwischen den beiden Metamaterialbahnen 45 und 46. Dies führt zu einer drehmomentabhängigen Verschiebung der gegenseitigen Kopplung zwischen den beiden Metamaterialbahnen 45 und 46. Da sich mehrere der Metamaterialeigenschaften als Antwort auf das ausgeübte Drehmoment gleichzeitig ändern, hängen mehrere mm-Wellenparameter eines einzelnen Signals, das entweder übertragen, reflektiert oder von miteinander gekoppelten Metamaterialbahnen emittiert wird, von dem ausgeübten Drehmoment ab. Zwei oder mehr mm-Wellen-Parameter eines selben Signals oder unterschiedlicher Signale können gleichzeitig ausgewertet werden, um das ausgeübte Drehmoment zu unterscheiden. Ähnlich kann auch ein einzelner Parameter von zwei oder mehr Signalen ausgewertet werden, um das ausgeübte Drehmoment zu unterscheiden. Folglich kann eine Messung aller relevanten Variationen verwendet werden, um die Eindeutigkeit der Drehmomentbestimmung zu verbessern.
Das Drehmomentmesssystem 400 umfasst ferner einen Sendeempfänger TRX 47, der zum Senden und Empfangen von mm-Wellen ausgebildet ist, oder einen Sender 47a und einen Empfänger 47b, die zum Senden und Empfangen von mm-Wellen ausgebildet sind. Der Sender 47a und ein Empfänger 47b können so platziert werden, dass die beiden drehbaren Zielobjekte 41 und 42 und damit die beiden Bahnen 45 und 46 zwischen dem Sender 47a und einem Empfänger 47b angeordnet sind.
Der Sendeempfänger 47 umfasst eine Senderantennenausbildung 48, ausgebildet zum Übertragen eines mm-Wellenstrahls (d.h. ein elektromagnetisches Sendesignal) als ein drahtloses elektromagnetisches Signal, das auf die beiden Metamaterialbahnen 45 und 46 fokussiert ist. Die Sendeantennenausbildung 48 kann eine Antenne oder mehrere Antennen umfassen, die zur Bildung eines oder mehrerer Sendeantennen-Arrays verwendet werden können. In dem Fall, dass ein separater Sender 47a und Empfänger 47b verwendet wird, kann der Sender 47a mit der Senderantennenausbildung 48 ausgestattet werden.
Der Sendeempfänger 47 umfasst auch eine Empfängerantennenausbildung 49, ausgebildet zum Empfangen eines teilweise reflektierten mm-Wellenstrahls (d.h. ein elektromagnetisches Empfangssignal) als ein drahtloses elektromagnetisches Signal, von beiden Metamaterialbahnen 45 und 46. Es kann auch so implementiert werden, dass eine Antenne als Sende- und Empfangsantenne verwendet wird und ein Splitter die Energieübertragungspfade (z.B. einen Rat-Race-Koppler oder einen Hybrid-Ringkoppler) in dem RF-Teil trennt. Der Splitter ist ausgebildet, dass er die empfangene Welle von der Antenne an den Empfänger leitet, während er das Sendesignal von dem Sender zu der Antenne zur Übertragung leitet. Die Empfängerantennenausbildung 49 kann eine Antenne oder mehrere Antennen umfassen, die zur Bildung eines oder mehrerer Empfangsantennen-Arrays verwendet werden können.
In dem Fall, dass ein separater Sender 47a und Empfänger 47b verwendet wird, kann der Empfänger 48a mit der Empfängerantennenausbildung 49 ausgestattet werden. Hier ist das Drehmomentmesssystem 400 ausgebildet, um mm-Wellen zu überwachen, die durch die beiden Metamaterialbahnen 45 und 46 verlaufen, anstatt reflektierte mm-Wellen zu überwachen, wie es beim Sendeempfänger 47 der Fall war. Folglich ist die Empfängerantennenausbildung 49 ausgebildet, um teilweise gesendete mm-Wellen (d.h. elektromagnetische Empfangssignale) zu empfangen, als ein Ergebnis der gesendeten mm-Welle, die mit (d.h. teilweise absorbiert durch und übertragen durch) den Metamaterialbahnen 45 und 46 interagiert.
Es wird ferner darauf hingewiesen, dass zwei Sendeempfänger, einer für jede Metamaterialbahn, verwendet werden können. Es wird ferner darauf hingewiesen, dass zwei Empfänger- und Senderpaare, eines für jede Metamaterialbahn, anstelle von einem oder mehreren Sendeempfängern verwendet werden können. Es kann auch so implementiert werden, dass eine Antenne als Sende- und Empfangsantenne verwendet wird und ein Splitter die Energieübertragungspfade (z.B. einen Rat-Race-Koppler oder einen Hybrid-Ringkoppler) in dem RF-Teil trennt. Der Splitter ist ausgebildet, dass er die empfangene Welle von der Antenne an den Empfänger leitet, während er das Sendesignal von dem Sender zu der Antenne zur Übertragung leitet.
Unabhängig von der Ausbildung wird darauf hingewiesen, dass zumindest ein Sender und zumindest ein Empfänger für die Übertragung und Detektion von mm-Wellenstrahlen implementiert ist. Die Sender und Empfänger können elektrisch mit einer Systemsteuerung und/oder einem DSP gekoppelt sein.
Wie vorangehend erwähnt, liegen die beiden Metamaterialbahnen 45 und 46 nahe genug beieinander, dass die Bahnen eine gegenseitige Kopplung (z.B. eine elektrische Feldkopplung, eine Magnetfeldkopplung oder eine elektromagnetische Feldkopplung) miteinander aufweisen, wodurch eine resonante Struktur gebildet wird, die zu einer drehmomentabhängigen Verschiebung der Übertragung oder der Reflexion führt, die durch die resonante Struktur verursacht wird. Die drehmomentabhängige gegenseitige Kopplung zwischen den Metamaterialbahnen 45 und 46 kann kapazitiv, induktiv oder eine Kombination daraus sein. In letzterem Fall kann eine Kopplungsart dominant sein. Beispielsweise kann die kapazitive Kopplung zwischen den beiden Bahnen dominant sein.
Als ein Beispiel, im Fall wenn die beiden Metamaterialbahnen 45 und 46 aus den Elementarstrukturen 15 bestehen, koppeln sich die Elementarstrukturen 15 der beiden Metamaterialbahnen 45 und 46 zusammen, um einen geteilten Ring-Resonator 18 als eine Elementarstruktur zu bilden, umfassend zwei Pole, der ein Resonator ist, dessen Pole durch die Verschiebung zwischen den beiden Schichten aufgrund des ausgeübten Drehmoments verändert werden. Somit ändert sich die gegenseitige Kopplungscharakteristik zwischen den beiden Bahnen 45 und 46 basierend auf der Rotationsversetzung, der die beiden Bahnen als Ergebnis des ausgeübten Drehmoments unterzogen werden. Als Ergebnis ändert sich eine oder mehrere Eigenschaften (z.B. Amplitude und/oder Phase) des Signals, das von der resonanten Multi-Bahn-Struktur, gebildet durch die beiden Bahnen, emittiert wird, basierend auf der Rotationsversetzung, die sich somit basierend auf dem ausgeübten Drehmoment ändert.
Bei einem anderen Beispiel bestehen die beiden Metamaterialbahnen 45 und 46 aus den Elementarstrukturen 2, die Elementarstrukturen 2 der beiden Metamaterialbahnen 45 und 46 koppeln zusammen, um eine gestapelte geteilten Ring-Resonatorstruktur 17 zu bilden, umfassend vier Pole (2 Pole für jede Elementarstruktur 2), die ein Resonator ist, dessen Pole durch die Verschiebung zwischen den beiden Schichten aufgrund des ausgeübten Drehmoments verändert werden. Somit ändert sich die gegenseitige Kopplungscharakteristik zwischen den beiden Bahnen 45 und 46 basierend auf der Rotationsversetzung, der die beiden Bahnen als Ergebnis des ausgeübten Drehmoments unterzogen werden. Als Ergebnis ändert sich eine oder mehrere Eigenschaften (z.B. Amplitude und/oder Phase) des Signals, das von der resonanten Multi-Bahn-Struktur, die durch die beiden Bahnen gebildet wird, emittiert wird, basierend auf der Rotationsversetzung, die sich somit basierend auf dem ausgeübten Drehmoment ändert.
Es wird darauf hingewiesen, dass andere Kombinationen von Elementarstrukturen möglich sind, die verschiedene Arten von gegenseitig gekoppelten Strukturen bilden, die eine oder mehrere Charakteristika aufweisen, die sich basierend auf der durch das ausgeübte Drehmoment verursachten Rotationsversetzung ändern.
Es wird auch darauf hingewiesen, dass die mm-Welle, die eine elektromagnetische Welle ist, eine elektrische Feldkomponente aufweist, die die Kapazität einer Metamaterialbahn oder der resonanten Multi-Bahn-Struktur stimuliert, und eine Magnetfeldkomponente, die die Induktivität einer Metamaterialbahn oder der resonanten Multi-Bahn-Struktur stimuliert. Jede Elementarstruktur reflektiert einen Teil der mm-Welle direkt, sendet einen Teil der mm-Welle direkt und empfängt einen Teil der Energie und speichert ihn in ihrer Resonanzoszillation. Die durch die Übertragung verursachte Oszillation strahlt einen Teil der Energie in beide Richtungen ab. So absorbiert jede Metamaterialbahn einen Teil der Energie und speichert sie. Zusätzlich emittiert jede Metamaterialbahn schließlich die Energie, die absorbiert und gespeichert wurde.
Die resonante Multi-Bahn-Struktur, die auch als gegenseitig gekoppelte (Multi-Bahn-) Struktur bezeichnet wird, kann auch als eine einzelne Struktur betrachtet werden, die als Antwort auf die von dem Sendeempfänger 47 gesendete und auf sie auftreffende mm-Welle entweder als Reflexion und/oder als Übertragung eine mm-Welle emittiert. Diese emittierte Welle weist eine drehmomentabhängige Eigenschaft auf, die von der Empfängerschaltung ausgewertet werden kann, um das ausgeübte Drehmoment zu bestimmen. Zum Beispiel kann eine Phasenverschiebung und/oder eine Amplitudenverschiebung des empfangenen Signals im Hinblick auf die gesendete mm-Welle ermittelt und ausgewertet werden, um das ausgeübte Drehmoment zu bestimmen.
Genauer gesagt, wenn sich die Welle 44 dreht, kommt es aufgrund des auf die Welle 44 ausgeübten Drehmoments zu einer drehmomentabhängigen Verschiebung der Winkelposition (d.h. einer Winkelverschiebung) zwischen den beiden Metamaterialbahnen 45 und 46. Beispielsweise drehen sich die Zielobjekte 41 und 42 aufgrund des ausgeübten Drehmoments um unterschiedliche Beträge. Als Ergebnis unterscheidet sich die absolute Winkelposition oder der diskrete Winkel wert entsprechend Bahn 45 von der absoluten Winkelposition oder dem diskreten Winkelwert entsprechend Bahn 46, was zu einer Winkeldifferenz oder Winkelverschiebung führt, die proportional zu dem ausgeübten Drehmoment ist. Der Kopplungseffekt zwischen den Bahnen 45 und 46 ist drehmomentabhängig und ändert sich basierend auf ihrer Winkelverschiebung, die sich aus dem ausgeübten Drehmoment ergibt. Diese Kopplungsänderung wirkt sich wiederum auf zumindest eine kopplungsabhängige Eigenschaft eines Signals aus, das mit der gegenseitig gekoppelten Struktur interagiert, die zur Bestimmung des ausgeübten Drehmoments gemessen werden kann.
Ein Prozessor an dem Empfänger ist ausgebildet, um zumindest ein Signal von der gegenseitig gekoppelten Struktur zu empfangen und das ausgeübte Drehmoment basierend auf einer oder mehrerer ausgewerteter Eigenschaften des zumindest einen empfangenen Signals zu bestimmen. Der Prozessor kann das ausgeübte Drehmoment basierend auf der einen oder den mehreren ausgewerteten Eigenschaften bestimmen, zum Beispiel unter Verwendung einer Nachschlagetabelle oder eines Algorithmus.
Zum Beispiel kann das Signal, das von der gegenseitig gekoppelten Struktur, die durch die Bahnen 45 und 46 gebildet wird, emittiert wird, zumindest eine Eigenschaft oder eine Kombination von Eigenschaften aufweisen, die einzigartig für die Winkelverschiebung dazwischen und damit einzigartig für das ausgeübte Drehmoment ist. Dies wird als direkte Drehmomentmessung bezeichnet.
Alternativ kann der Prozessor Signale von jeder Bahn 45 und 46 der gegenseitig gekoppelten Struktur empfangen, eine drehmomentabhängige absolute Winkelposition bestimmen, entsprechend jeder Bahn, die Winkeldifferenz oder -verschiebung davon bestimmen und dann das ausgeübte Drehmoment basierend auf der bestimmten Winkeldifferenz zum Beispiel unter Verwendung einer Nachschlagetabelle oder eines Algorithmus bestimmen. In diesem Fall können die Bahnen 45 und 46, wie in Bezug auf 3A-3G beschrieben, Array-Strukturen aufweisen, die in der Rotationsrichtung variieren, so dass die Winkelposition jeder Bahn bestimmt werden kann. Dies wird als indirekte Drehmomentmessung bezeichnet.
Als Beispiel zum Bestimmen einer absoluten Winkelposition oder eines diskreten Winkelwertes für eine gegebene Metamaterialbahn kann der Sendeempfänger 47 eine durchgehende mm-Welle als ein Trägersignal mit konstanter Frequenz übertragen. Jede Metamaterialbahn, die das Trägersignal empfängt, kann das Signal teilweise an den Sendeempfänger 47 zurückreflektieren. Der Sendeempfänger 47 umfasst eine Empfängerschaltung, die zwei Demodulatoren (z.B. zwei Mischer) umfasst, die jeweils ausgebildet sind, um ein empfangenes Signal von einer entsprechenden Metamaterialbahn zu demodulieren. Alternativ kann die Empfängerschaltung einen mit einem einzelnen Demodulator gekoppelten Multiplexer umfassen, der zwei empfangene Signale in einer Multiplex-Weise demoduliert. In jedem Fall ist die Empfängerschaltung ausgebildet, um eine Phase und/oder eine Amplitude jedes empfangenen Signals zu bestimmen und die bestimmte Phase und/oder Amplitude mit der Phase und/oder Amplitude des Trägersignals zu vergleichen, um die absolute Winkelposition der entsprechenden Metamaterialbahn herzuleiten. Eine bestimmte Phasen- oder Amplitudenänderung relativ zu dem Trägersignal (d.h. eine Phasenverschiebung oder eine Amplitudenverschiebung) entspricht der absoluten Winkelposition der entsprechenden Metamaterialbahn. Es ist auch möglich, dass die Empfängerschaltung die Phasen- und/oder Amplitudendifferenzen zweier empfangener Signale (d.h. eines von jeder Bahn 45 und 46) direkt an das Drehmoment anpasst, ohne die absoluten Winkelpositionen zu berechnen, über eine Abbildung, eine Nachschlagetabelle oder dergleichen, die die Differenzwerte von Phase und/oder Amplitude auf verschiedene Beträge des Drehmoments (d.h. Drehmomentwerten) abbildet.
Ein ausgeübtes Drehmoment für eine gegebene gegenseitig gekoppelte Struktur kann auf ähnliche Weise für eine direkte Drehmomentmessung bestimmt werden. Zum Beispiel kann der Sendeempfänger 47 eine durchgehende mm-Welle als ein Trägersignal übertragen, die eine konstante Frequenz an der gegenseitig gekoppelten Struktur aufweist. Die gegenseitig gekoppelte Struktur, die das Trägersignal empfängt, kann das Signal teilweise an den Sendeempfänger 47 zurückreflektieren. Die gegenseitige Kopplung zwischen zwei Metamaterialbahnen der gegenseitig gekoppelten Struktur hängt von dem ausgeübten Drehmoment ab, das eine drehmomentabhängige Eigenschaft des reflektierten Signals beeinflusst.
Der Sendeempfänger 47 umfasst einen Demodulator, der ausgebildet ist, um das empfangene Signal zu demodulieren, und einen Prozessor, der ausgebildet ist, um eine Eigenschaft des empfangenen Signals unter Verwendung von zumindest einer aus Phasenanalyse, Amplitudenanalyse oder Spektralanalyse auszuwerten und das ausgeübte Drehmoment basierend auf der ausgewerteten Eigenschaft zu bestimmen.
Genauer gesagt ist der Prozessor ausgebildet, um eine Phase und/oder eine Amplitude jedes empfangenen Signals zu bestimmen und die bestimmte Phase und/oder Amplitude jeweils mit der Phase und/oder Amplitude des Trägersignals zu vergleichen, um das ausgeübte Drehmoment herzuleiten. Eine bestimmte Phasen- oder Amplitudenänderung relativ zu dem Trägersignal (d.h. eine Phasenverschiebung oder eine Amplitudenverschiebung) entspricht dem ausgeübten Drehmoment.
Zusammenfassend verwendet das Drehmomentmesssystem 400 zwei Zielobjekte (d.h. zwei Trägerstrukturen) 41 und 42 mit jeweils einem Metamaterialmuster 45 und 46 auf ihren benachbarten Oberflächen. Jede Trägerstruktur ist an einer Welle 44 innerhalb eines bestimmten Abstands zwischen den benachbarten Trägerstrukturen befestigt. Wenn ein Drehmoment auf die Welle 44 ausgeübt wird, windet sich die Welle 44 in Abhängigkeit von ihrer Dicke und ihrem Elastizitätsmodul. Der Abstand zwischen den Trägerstrukturen ist eng genug, um sicherzustellen, dass die beiden Metamaterialbahnen 45 und 46 gegenseitig koppeln. Abhängig von der Verschiebung der beiden Metamaterialmuster der beiden Metamaterialbahnen ändert sich der Kopplungseffekt zwischen den beiden Metamaterialbahnen. Dieser Kopplungseffekt ist einzigartig für den Betrag des angelegten Drehmoments. Als Ergebnis verursacht die Änderung des Kopplungseffekts eine Änderung einer Eigenschaft eines oder mehrerer Signale, die von den Metamaterialbahnen 45 und 46 zur Abänderung emittiert werden, welche zur Bestimmung des ausgeübten Drehmoments gemessen und analysiert werden können.
4B ist eine schematische Ansicht eines Drehmomentmesssystems 401 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Das Drehmomentmesssystem 401 ist ähnlich zu dem in 4A gezeigten Drehmomentmesssystem 400, mit der Ausnahme, dass das Drehmomentmesssystem 401 zusätzliche Metamaterialbahnen auf jedem drehbaren Zielobjekt 41 und 42 umfasst. Zwei Metamaterialbahnen 45a und 45b sind am drehbaren Zielobjekt 41 angebracht und zwei Metamaterialbahnen 46a und 46b sind am drehbaren Zielobjekt 42 angebracht. Die beiden mm-Wellen-Metamaterialbahnen 45a und 45b, die an dem drehbaren Zielobjekt 41 angebracht sind, sind konzentrische Schleifen, die sich in unterschiedlichen Abständen von der Rotationsachse 43 befinden. Ähnlich sind die beiden mm-Wellen-Metamaterialbahnen 46a und 46b, die an dem drehbaren Zielobjekt 42 angebracht sind, konzentrische Schleifen, die sich in unterschiedlichen Abständen von der Rotationsachse 43 befinden.
Ferner sind die Metamaterialbahnen 45a und 46a ausgerichtet (d.h. sie befinden sich im gleichen radialen Abstand von der Rotationsachse 43) und befinden sich in unmittelbarer Nähe, sodass sie gegenseitig gekoppelt sind. Ähnlich sind die Metamaterialbahnen 45b und 46b ausgerichtet (d.h. sie befinden sich im gleichen radialen Abstand von der Rotationsachse 43) und befinden sich in unmittelbarer Nähe, sodass sie gegenseitig gekoppelt sind. Somit werden zwei miteinander gekoppelte Strukturen gebildet, wobei die erste durch die Bahnen 45a und 46a gebildet wird und die zweite durch die Bahnen 45b und 46b gebildet wird.
Zusätzlich umfasst das Drehmomentmesssystem 401 zwei Antennen A1 und A2, die beide ausgebildet sind, um mm-Wellensignale zu senden und zu empfangen. Hier ist die Antenne A1 mit den Metamaterialbahnen 45a und 46a ausgerichtet und somit ausgebildet, um an diesen gegenseitig gekoppelten Bahnen einen mm-Wellenstrahl zu senden und von dort reflektierte Signale zu empfangen. Ähnlich ist die Antenne A2 mit den Metamaterialbahnen 45b und 46b ausgerichtet und somit ausgebildet, um an diesen gegenseitig gekoppelten Bahnen einen mm-Wellenstrahl zu senden und von dort reflektierte Signale zu empfangen.
Als Ergebnis können unterschiedliche Regionen von Metamaterialbahnen auf den Trägerstrukturen angeordnet werden und unterschiedliche Messungen bereitstellen. Vorzugsweise sind die unterschiedlichen Regionen, an denen die Metamaterialbahnen auf derselben Trägerstruktur befestigt sind, so voneinander beabstandet, dass die Kopplung zwischen einem inneren Ring und einem äußeren Ring im Vergleich zu der Kopplung zwischen den Ringen auf den unterschiedlichen Trägerstrukturen vernachlässigbar ist. Beispielsweise sind die Bahnen 45a und 46a stark durch einen Feldeffekt gekoppelt, während die Bahnen 45a und 45b schwach oder nicht durch einen Feldeffekt gekoppelt sind. Aus diesem Grund können die Bahnen 45a und 46a ein erstes gekoppeltes Bahnpaar bilden und die Bahnen 45b und 46b ein zweites gekoppeltes Bahnpaar bilden.
Jeder gegenseitig gekoppelten Struktur ist eine Antenne A1 oder A2 zugeordnet. Vorzugsweise sollten die Antennen A1 und A2 eine Richtcharakteristik aufweisen, die ihr Senden und Empfangen auf die zugeordneten Ringe der Metamaterialstrukturen fokussiert. So weist die Antenne A1 eine Richtcharakteristik auf, die den Bahnen 45a und 46a zugeordnet ist (d.h. eine erste gegenseitig gekoppelte Struktur), und die Antenne A2 weist eine Richtcharakteristik auf, die den Bahnen 45b und 46b zugeordnet ist (d.h. eine zweite gegenseitig gekoppelte Struktur).
Im Falle identischer Muster von Elementarstrukturen ist die Versetzung der Elementarstrukturen auf beiden Trägerstrukturen aufgrund des unterschiedlichen Radius (d1=r1*da; d2=r2*da) unterschiedlich. Folglich ist die Änderung der mm-Wellen-Eigenschaft auf der Innenbahn geringer als auf der Außenbahn. Anders ausgedrückt verursacht eine gleiche Winkelverschiebung der Welle 44 eine unterschiedliche Änderung der Kopplung der beiden Paare gekoppelter Bahnen, was zu zwei unterschiedlichen Signalmodulationen (d.h. Amplitude und/oder Phase) in den Empfangssignalen führt, die von dem unterschiedlich gekoppelten Paar von Bahnen erzeugt werden.
Die Empfängerschaltung des Sendeempfängers 47 kann dann eine Differenzialmessung zur Unterscheidung des ausgeübten Drehmoments verwenden, die robuster gegenüber äußeren Faktoren wie dem Einfluss von Abstandsänderungen ist. Beispielsweise kann die Empfängerschaltung die von den beiden gegenseitig gekoppelten Strukturen empfangenen Signale verwenden, um eine Differenzialmessung des ausgeübten Drehmoments über einen auf die beiden Signale angewandten Differenzialalgorithmus durchzuführen.
4C ist eine schematische Ansicht eines Drehmomentmesssystems 402 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Das Drehmomentmesssystem 402 ist ähnlich zu dem in 4A gezeigten Drehmomentmesssystem 400, mit der Ausnahme, dass das Drehmomentmesssystem 402 zusätzliche Metamaterialbahnen auf jedem drehbaren Zielobjekt 41 und 42 umfasst. Zwei Metamaterialbahnen 45a und 45c sind am drehbaren Zielobjekt 41 angebracht und zwei Metamaterialbahnen 46a und 46c sind am drehbaren Zielobjekt 42 angebracht. Somit bilden die Bahnen 45a und 46a eine einzelne gegenseitig gekoppelte Struktur.
Die beiden mm-Wellen-Metamaterialbahnen 45a und 45c, die an dem drehbaren Zielobjekt 41 angebracht sind, sind konzentrische Schleifen, die sich in unterschiedlichen Abständen von der Rotationsachse 43 befinden. Ähnlich sind die beiden mm-Wellen-Metamaterialbahnen 46a und 46c, die an dem drehbaren Zielobjekt 42 angebracht sind, konzentrische Schleifen, die sich in unterschiedlichen Abständen von der Rotationsachse 43 befinden. Ferner sind die Bahnen 45c und 46c in unterschiedlichen Abständen von der Rotationsachse 43 positioniert, so dass die gegenseitige Kopplung zwischen ihnen schwach oder gleich Null ist.
Diese Anordnung ähnelt dem in 4B dargestellten Drehmomentmesssystem 401, außer dass die zusätzlichen Bahnen 45c und 46c nicht miteinander oder mit irgendeiner anderen Bahn gekoppelt sind, wie dies bei den Bahnen 45b und 46b der Fall ist. Stattdessen sind die Bahnen 45c und 46c Referenzmetamaterialbahnen für ihr jeweiliges Zielobjekt (d.h. Trägerstruktur) 41 oder 42 und können zur Bestimmung einer absoluten Winkelposition ihres jeweiligen Zielobjekts 41 oder 42 verwendet werden.
Die Bahnen 45c und 46c können beide ein Array von Strukturen aufweisen, das zumindest eine Eigenschaft aufweist, die sich in der Rotationsrichtung ändert, wie oben in Bezug auf 3A-3G erläutert. Somit führt die Charakteristik oder die Eigenschaft des Metamaterials an einer bestimmten Position entlang der Bahn zu einem winkelabhängigen Verhalten oder einer Interaktion mit einer mm-Welle, wobei das winkelabhängige Verhalten oder die Interaktion eine winkelabhängige Reflexion, winkelabhängige Absorption, winkelabhängige Übertragung oder eine winkelabhängige Kombination davon ist. Da sich mehrere der Metamaterial-Eigenschaften gleichzeitig ändern, hängen mehrere mm-Wellenparameter eines einzelnen Signals, das entweder übertragen, reflektiert oder von einer Metamaterialbahnen emittiert wird, von dem Rotationswinkel ab. Zwei oder mehr mm-Wellen-Parameter eines selben Signals oder unterschiedlicher Signale können gleichzeitig ausgewertet werden, um die Rotationsposition zu unterscheiden. Ähnlich kann auch ein einzelner Parameter von zwei oder mehr Signalen ausgewertet werden, um die Rotationsposition zu unterscheiden. Folglich kann eine Messung aller relevanten Variationen verwendet werden, um die Eindeutigkeit der Winkelbestimmung zu verbessern.
Hier werden drei Antennen A1, A2 und A3 genutzt, jede aufweisend eine Richtungscharakteristik, die sich auf ihr Senden und Empfangen auf dem einen oder den mehreren zugeordneten Ringen der Metamaterial-Struktur fokussiert. Somit weist die Antenne A1 eine Richtcharakteristik auf, die den Bahnen 45a und 46a zugeordnet ist, die Antenne A2 weist eine Richtcharakteristik auf, die der Bahn 45c zugeordnet ist, und die Antenne A3 weist eine Richtcharakteristik auf, die der Bahn 46c zugeordnet ist
Somit liegt eine zusätzliche Metamaterialbahn 45c vor, gelesen von der Antenne A2, die auf der vorderen Trägerstruktur 41 ohne Kopplungsbahn auf der hinteren Trägerstruktur 42 hinzugefügt wird, und eine zusätzliche Metamaterialbahn 46c, gelesen von der Antenne A3, die der hinteren Trägerstruktur 42 ohne Koppelung an die vordere Trägerstruktur 41 hinzugefügt wird. Folglich werden die mm-Welleneigenschaften dieser Referenzbahnen 45c und 46c durch die Versetzung der beiden Trägerstrukturen relativ zueinander aufgrund der gegenseitigen Kopplung nicht beeinflusst und sind daher drehmomentunabhängig. Dagegen sind die gegenseitige Kopplung zwischen den Bahnen 45a und 46a und die gegenseitige Kopplung zwischen den Bahnen 45b und 46b drehmomentabhängig.
Diese Referenzbahnen 45c und 46c können durch die Empfängerschaltung des Sendeempfängers 47 als Referenzen für Messungen verwendet werden, die verwendet werden können, um Einflüsse, die sich aus dem Aufbau ergeben, z.B. Variationen des Abstands zwischen den Antennen und des Abstands zwischen den beiden Trägerstrukturen 41 und 42, zu eliminieren.
Beispielsweise kann die Empfängerschaltung des Sendeempfängers 47 ausgebildet sein, um eine drehmomentunabhängige absolute Winkelposition der Trägerstruktur 41 zu bestimmen, indem sie eine Amplitudenmodulation oder eine Phasenmodulation eines von Bahn 45c bei Antenne A2 empfangenen Empfangssignals in Bezug auf ein von der Antenne A2 gesendetes Trägersignal basierend auf den vorangehend beschriebenen Verfahren analysiert. Die Empfängerschaltung kann die drehmomentunabhängige absolute Winkelposition als die tatsächliche absolute Winkelposition der Trägerstruktur 41 verwenden, die ferner zur Berechnung ihrer Rotationsgeschwindigkeit verwendet werden kann. Zusätzlich kann die Empfängerschaltung die drehmomentunabhängige absolute Winkelposition nutzen, um bereits vorhandene Fehler in dem Aufbau zu detektieren und die drehmomentabhängigen Messungen zu kompensieren.
Ähnlich kann die Empfängerschaltung des Sendeempfängers 47 ausgebildet sein, um eine drehmomentunabhängige absolute Winkelposition der Trägerstruktur 42 zu bestimmen, indem sie eine Amplitudenmodulation oder Phasenmodulation eines von Bahn 46c bei Antenne A3 empfangenen Empfangssignals in Bezug auf ein von der Antenne A3 gesendetes Trägersignal basierend auf den vorangehend beschriebenen Verfahren analysiert. Der Empfängerschaltkreis kann die drehmomentunabhängige absolute Winkelposition als die tatsächliche absolute Winkelposition der Trägerstruktur 42 verwenden, die ferner zur Berechnung ihrer Rotationsgeschwindigkeit verwendet werden kann. Zusätzlich kann die Empfängerschaltung die drehmomentunabhängige absolute Winkelposition nutzen, um bereits vorhandene Fehler in dem Aufbau zu erkennen und die drehmomentabhängigen Messungen zu kompensieren.
Zusätzlich können die drehmomentunabhängigen Strukturen auch winkelunabhängig sein. Zum Beispiel können die Bahnen 45c und 46c ein homogenes Muster aufweisen, wie das in 2A gezeigte, mit bekanntem Verhalten für die Messung des Abstands zwischen der Bahn und der Antenne.
5 ist ein Blockdiagramm, das eine Sendeempfänger-Schaltung des Sendeempfängers 47 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen darstellt. Der Sendeempfänger 47 umfasst die für die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele relevanten Sendungs- und Empfängerschaltkreise. Es wird auch darauf hingewiesen, dass die relevanten Sendungs- und Empfängerschaltkreise gemäß der Implementierung zwischen Sender 47a und Empfänger 47b aufgeteilt werden können.
Frequenzmodulation kann auf der Senderseite verwendet werden, um die Übertragungsfunktion des Übertragungskanals umfassend das Metamaterial über der Frequenz zu charakterisieren. Es kann jedoch auch eine durchgehende Trägerwelle mit einer konstanten Frequenz verwendet werden.
Auf der Messseite (Empfängerseite) wären immer noch Umfang (Amplitude) und Phase oder I und Q, was die anspruchsvollste und flexibelste Lösung wäre. Im Hinblick auf die Kosten kann jedoch ein System mit einem Träger mit konstanter Frequenz vorzuziehen sein. In diesem Fall wird die Frequenz so gewählt, dass sie in einer definierten Region in Bezug auf die Pole und Nullen liegt, in dem die Phasen- oder Amplitudenübertragungsfunktion ein monotones Verhalten in Bezug auf die veränderte Eigenschaft des Metamaterials aufweist. Dann wird eine lokale Messung der Phasenverschiebung oder Amplitudendämpfung verwendet.
Dementsprechend sind zumindest eine Sendeantenne 48 (TX-Antennenausbildung) und eine Empfängerantenne 49 (RX-Antennenausbildung) mit einem RF-Frontend 51 verbunden, das in einen Chip integriert ist, wobei dieses Frontend alle Schaltungskomponenten umfassen kann, die für die RF-Signalverarbeitung erforderlich sind. Diese Schaltungskomponenten umfassen z.B. einen Lokaloszillator (LO; local oscillator), RF-Leistungsverstärker, rauscharme Verstärker (LNA; low noise amplifiers), Richtkoppler (z.B. Rate-Race-Koppler, Zirkulatoren usw.) und Mischer zur Abwärtsmischung (oder Abwärtskonvertierung) der RF-Signale in das Basisband oder ein Zwischenfrequenzband (IF-Band). Das RF-Frontend 51 kann - möglicherweise zusammen mit weiteren Schaltungskomponenten - in einen Chip integriert werden, der üblicherweise als monolithisch integrierte Mikrowellenschaltung (MMIC; monolithic microwave integrated circuit) bezeichnet wird.
Das dargestellte Beispiel zeigt ein bistatisches (oder pseudo-monostatisches) Radarsystem, das separate RX- und TX-Antennen aufweist. In dem Falle eines monostatischen Radarsystems würde eine einzelne Antenne sowohl zum Emittieren und zum Empfangen der elektromagnetischen (Radar-)Signale verwendet werden. In diesem Fall kann ein Richtkoppler (zum Beispiel ein Zirkulator) verwendet werden, um die zu emittierenden RF-Signale von den empfangenen RF-Signalen (Radarechosignale) zu trennen. In der Praxis verfügen Radarsysteme in der Regel über eine Mehrzahl von Sende- und Empfangskanälen (TX/RX-Kanäle) mit einer Mehrzahl von TX- und RX-Antennen, was es ermöglicht, inter alia, die Richtung (DoA) zu messen, aus der die Radarechos empfangen werden. In solchen Mehrere-Eingänge-Mehrere-Ausgänge (MIMO; multiple-input multiple-output) -Systemen weisen die individuellen TX-Kanäle und RX-Kanäle jeweils üblicherweise eine identische oder ähnliche Struktur auf.
Im Falle eines frequenzmodulierten Dauerstrich-(FMCW; frequency modulated continous wave) Radarsystems können die von der TX-Antennenausbildung 48 emittierten RF-Signale beispielsweise im Bereich von etwa 10 GHz bis 1 THz liegen. Die Frequenzbänder, die hier angebracht werden, hängen jedoch von den Strukturen ab, die für die Erzeugung des Metamaterial-Ziels verwendet werden sollen. Wie bereits erwähnt, umfasst das von der RX-Antennenausbildung 49 empfangene RF-Signal die Radarechos (Chirp-Echosignale), das bedeutet, die Signalkomponenten, die an einem oder an einer Mehrzahl von Radarzielen zurückgestreut werden. Das empfangene RF-Signal wird z.B. in das Basisband (oder ein IF-Band) abwärtsgemischt und mittels analoger Signalverarbeitung im Basisband weiterverarbeitet (siehe analoge Basisband-Signalverarbeitungskette 52).
Die analoge Signalverarbeitungsschaltungsanordnung 52 umfasst im Wesentlichen die Filterung und möglicherweise die Verstärkung des Basisbandsignals. Das Basisbandsignal wird schließlich digitalisiert (siehe Analog-zu-Digital-Wandler 53) und in der digitalen Domäne weiterverarbeitet. Die digitale Signalverarbeitungskette kann zumindest teilweise in Form von Software implementiert werden, die auf einem Prozessor, z.B. einem Mikrocontroller, einem digitalen Signalprozessor (DSP) 54 oder einer anderen Computereinheit, ausgeführt werden kann.
Das Gesamtsystem wird allgemein über eine Systemsteuerung 55 gesteuert, die ebenfalls zumindest teilweise in Form von Software implementiert sein kann, die auf einem Prozessor, wie z.B. einem Mikrocontroller, ausführbar ist. Das RF-Frontend 51 und die analoge Basisband-Signalverarbeitungskette 52 (optional auch der Analog-zu-Digital-Wandler 53) können zusammen in einer einzelnen MMIC (d.h. einem RF-Halbleiterchip) integriert werden. Alternativ können die individuellen Komponenten auch über eine Mehrzahl von integrierten Schaltkreisen verteilt sein.
Der DSP 54 ist ausgebildet, um eine Phasenverschiebung oder eine Amplitudenverschiebung eines oder mehrerer Signale zu analysieren, die von einer gegenseitig gekoppelten Struktur empfangen werden, um das ausgeübte Drehmoment zu bestimmen. Der DSP 54 ist ausgebildet, um die vorangehend genannte Phasenanalyse, Amplitudenanalyse und/oder Spektralanalyse durchzuführen, um ein ausgeübtes Drehmoment basierend auf der bestimmten Amplitudenmodulation und/oder Phasenmodulation zu bestimmen. Die Phasenmodulation eines empfangenen Signals kann eine Phasenverschiebung des empfangenen Signals im Hinblick auf eine Phase der übertragenen mm-Welle sein. Ähnlich kann die Amplitudenmodulation eines empfangenen Signals eine Amplitudenverschiebung des empfangenen Signals im Hinblick auf eine Amplitude der übertragenen mm-Welle sein. Der DSP 54 kann ausgebildet sein, um eine Phasenverschiebung und/oder eine Amplitudenverschiebung eines empfangenen Signals zu bestimmen und die Verschiebung in eine Winkelverschiebung zwischen den Bahnen 45 und 46 zu übersetzen, die sich aus dem ausgeübten Drehmoment ergibt, um das ausgeübte Drehmoment zu berechnen oder die Phasenverschiebung und/oder eine Amplitudenverschiebung direkt in das ausgeübte Drehmoment zu übersetzen. Beispielsweise kann sich der DSP 54 auf eine im Speicher bereitgestellte Nachschlagetabelle beziehen, die Drehmomentwerte relativ zu einer speziellen Amplitudenmodulation- und/oder Phasenmodulation speichert.
Zusätzlich kann der DSP 54 Signale von zwei unterschiedlichen gegenseitig gekoppelten Strukturen empfangen, aus den Signalen einen Differenzialmesswert berechnen und das ausgeübte Drehmoment basierend auf dem Differenzialmesswert bestimmen, z.B. durch Verwendung einer Nachschlagetabelle, in der Differenzialmesswerte mit unterschiedlichen ausgeübten Drehmomenten korreliert werden.
Zusätzlich kann der DSP 54 Signale von Referenzbahnen (z.B. Referenzbahnen 45c und 46c) empfangen, eine Amplitudenverschiebung und/oder eine Phasenverschiebung für jedes Empfangssignal im Hinblick auf das entsprechende gesendete Signal analysieren und eine absolute Winkelposition jeder Referenzbahn wie hierin beschrieben bestimmen. Der DSP 54 kann die Rotationsgeschwindigkeit auch durch Analyse der Änderungsrate der Winkelwerte berechnen. Zusätzlich kann durch das Erhalten von zwei Messsignalen (z.B. zwei um 90° phasenverschobene Signale) für zumindest eine der Referenzbahnen auch eine Rotationsrichtung des drehbaren Zielobjektes durch den DSP 54 bestimmt werden. Im Allgemeinen können zwei Signale erforderlich sein, um einen eindeutigen Messbereich von 360° zu erreichen. Bei einem System, das in einem begrenzten Bereich misst, muss die Eigenschaft des Metamaterials nicht notwendigerweise gemäß einem Sinus/Cosinus-System verändert werden. Für einen begrenzten Bereich (z.B. +/- 60°) wäre ein Sinus allein ausreichend.
6A-6D sind schematische Ansichten von verschiedenen Antennen-Ausbildungen in einem Drehmomentmesssystem, gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Die Antennenausbildungen können in irgendeinem der beschriebenen Ausführungsbeispiele, allein oder in Kombination, verwendet werden. Die Antennenausbildungen umfassen jeweils Sendeempfänger 60a-60d, die eine ähnliche Senderschaltungsanordnung und Empfängerschaltungsanordnung verwenden, wie sie im Hinblick auf den Sendeempfänger 47 beschrieben sind.
Bei 6A umfasst das Drehmomentmesssystem 600a ähnlich zu der in 3B gezeigten Anordnung einen Sendeempfänger 60a, der elektrisch mit zwei Antennen A1 und A2 gekoppelt ist, die in der Nähe (d.h. über einen Kopplungseffekt gekoppelt) einer entsprechenden Metamaterialbahn 45a oder 45b angeordnet sind. In diesem Fall ist jede Antenne A1 und A2 ausgebildet, um einen mm-Wellenstrahl zu senden und reflektierte mm-Wellenstrahlen von ihrem jeweiligen Paar von gegenseitig gekoppelten Metamaterialbahnen zu empfangen, um darauf eine Messung durchzuführen. Somit weist die Antenne A1 eine Richtcharakteristik auf, die den Bahnen 45a und 46a zugeordnet ist, und Antenne A2 weist eine Richtcharakteristik auf, die der Bahn 45b und 56b zugeordnet ist. Der Sendeempfänger 60a umfasst einen Richtkoppler, um Senden und Empfangen über eine gleiche Antenne durchzuführen.
Bei 6B umfasst das Drehmomentmesssystem 600b einen Sendeempfänger 60b, der elektrisch mit einem Paar von Sendeantennen Alt-A2t und einem Paar von Empfängerantennen Alr-A2r (d.h. insgesamt vier Antennen) gekoppelt ist. Diese Anordnung ähnelt der in 6A gezeigten Anordnung, mit der Ausnahme, dass für das Senden und Empfangen von mm-Wellen getrennte Antennen verwendet werden.
Bei 6C umfasst das Drehmomentmesssystem 600c einen Sendeempfänger 60c, der elektrisch mit zwei Antennenpaaren A1-A2 und A3-A4 (d.h. insgesamt vier Antennen) gekoppelt ist. Jedes Antennenpaar umfasst eine Antenne, die in der Nähe (d.h. über einen Kopplungseffekt gekoppelt) einer entsprechenden Metamaterialbahn 45a und 45b angeordnet ist. Somit werden zwei Antennen (z.B. A1-A3 und A2-A4) an jede gegenseitig gekoppelte Struktur gekoppelt. Die Antennen A1/A2 koppeln in ihre jeweilige gegenseitig gekoppelte Struktur, die als eine Übertragungsleitung agiert, und die Antennen A3/A4 koppeln das Signal (zumindest teilweise) wieder aus.
Als Ergebnis überträgt die Antenne A1 ein Signal in die Bahnen 45b und 46b, die Bahnen 45b und 46b, als eine gegenseitig gekoppelte Struktur, agieren als eine Übertragungsleitung und übertragen das Signal entlang der gegenseitig gekoppelten Struktur, wobei die Antenne A3 das übertragene Signal aufnimmt (d.h. auskoppelt), das aufgrund der Übertragung entlang der gegenseitig gekoppelten Struktur eine veränderte Eigenschaft aufweist.
Ähnlich überträgt die Antenne A2 ein Signal in die Bahnen 45a und 46a, die Bahnen 45a und 46a als eine gegenseitig gekoppelte Struktur, agieren als eine Übertragungsleitung und übertragen das Signal entlang der gegenseitig gekoppelten Struktur, wo die Antenne A4 das übertragene Signal mit einer veränderten Eigenschaft aufgrund der Übertragung entlang der gegenseitig gekoppelten Struktur aufnimmt (d.h. auskoppelt).
So koppelt ein gesendetes Signal in eine jeweils gegenseitig gekoppelte Struktur ein, die als Übertragungsleitung agiert, und in einem größeren Abstand (d.h. mehreren elementaren Metamaterial-Strukturgrößen) entnimmt eine Empfangsantenne einen Teil der Energie aus der jeweils gegenseitig gekoppelten Struktur.
Bei 6D umfasst das Drehmomentmesssystem 600d einen Sendeempfänger 60d, der elektrisch mit zwei Übertragungsleitungen T1 und T2 gekoppelt ist, die jeweils in der Nähe (d.h. über einen Kopplungseffekt gekoppelt) einer entsprechenden gegenseitig gekoppelten Struktur (d.h. gegenseitig gekoppelte Struktur 45a/46a oder gegenseitig gekoppelte Struktur 45b/46b) liegen. Die Übertragungsleitungen T1 und T2 verlaufen im Wesentlichen parallel zu einem Segment ihrer jeweiligen gegenseitig gekoppelten Struktur. Die Übertragungsleitungen T1 und T2 tragen eine elektromagnetische Welle von dem Sendeempfänger 60d, und die jeweilige gegenseitig gekoppelte Struktur befindet sich in der Region des elektromagnetischen Feldes, das die Übertragungsleitung umgibt (z.B. eine Kunststofffaser). Der drehmomentabhängige Kopplungseffekt zwischen zwei gegenseitig gekoppelten Bahnen (d.h. Bahnen 45a/46a oder Bahnen 45b/46b) beeinflusst die mm-Wellenimpedanz der Übertragungsleitung oder koppelt Energie teilweise aus, bevor sie das andere Ende der Übertragungsleitung erreicht. Dieser Einfluss ist einzigartig für die Winkelverschiebung zwischen den beiden Trägerstrukturen 41 und 42 und entspricht damit dem ausgeübten Drehmoment.
7 ist eine Querschnittansicht eines Drehmomentmesssystems 700 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Das Drehmomentmesssystem 700 umfasst zwei Trägerstrukturen 41 und 42, die an einer Welle 44 in einem vorbestimmten Abstand voneinander befestigt sind, wie vorangehend ähnlich beschrieben. Das Drehmomentmesssystem 700 umfasst auch zwei gegenseitig gekoppelte Metamaterialbahnen 45 und 46, wie vorangehend ähnlich beschrieben. Die Struktur des Drehmomentmesssystems 700 ist hergestellt, um sicherzustellen, dass die beiden Bahnen 45 und 46 in einem vorgegebenen Abstand zueinander ausgerichtet sind, sodass sichergestellt wird, dass die beiden Bahnen in einer bestimmten Positionsbeziehung zueinander stehen und eine gewünschte gegenseitige Kopplung zwischen ihnen erreicht wird.
Mechanisch müssen zwei gegenseitig gekoppelte Metamaterialbahnen auf unterschiedlichen Trägerstrukturen mit einem bestimmten Abstand auf der Welle 44 befestigt werden, da der Windungswinkel unter einem ausgeübten Drehmoment proportional zur Länge der Welle zwischen den beiden gegenseitig gekoppelten Metamaterialbahnen zunimmt. Andererseits müssen die beiden gegenseitig gekoppelten Metamaterialbahnen innerhalb einem Kopplungsabstand liegen. Ferner muss die mechanische Anordnung die Metamaterialbahnen in einer definierten Kein-Drehmoment Ausgangsposition (d.h. einer Referenzposition) im Hinblick aufeinander fixieren, damit eine Änderung von der Kein-Drehmoment Ausgangsposition gemessen werden kann. Mögliche Konstruktionen sind in 7-10 gezeigt.
Bei 7 wird ein flexibler Abstandhalter 71 zwischen die beiden Trägerstrukturen 41 und 42 positioniert und mit diesen (mechanisch) fest gekoppelt. Der flexible Abstandhalter 71 definiert den Abstand d1 zwischen zwei Trägerstrukturen 41 und 41. Somit definiert der flexible Abstandhalter 71 auch den Abstand d1 zwischen den beiden Bahnen 41 und 42. „Flexibel“ bedeutet hier, dass der „Drehmomentwiderstand“ oder die „Steifigkeit“ des flexiblen Abstandhalters 71 deutlich geringer ist als der Drehmomentwiderstand oder die Steifigkeit der Welle 44. Zum Beispiel kann die Welle 44 aus Stahl hergestellt sein und der flexible Abstandshalter 71 kann aus Kunststoff (d.h. aus einem Material, das flexibler oder weniger steif als Stahl ist) hergestellt sein. Ferner kann der flexible Abstandshalter 71 auch flexibler sein als die Trägerstrukturen, an die er mechanisch gekoppelt ist.
Der flexible Abstandhalter 71 kann nach der Anordnung jeder Trägerstruktur auf die Welle entfernt werden.
Der flexible Abstandhalter 71 kann durch eine Anzahl von diskreten Abstandsfedern (z.B. kleine Stahlausleger) ersetzt werden, die gleichmäßig um den Umfang der Trägerstrukturen 41 und 42 verteilt sind. Somit können anstelle eines festen Abstandhalter-Materials lokale Federn oder Säulen aus Abstandhalter-Material um die Welle verteilt sein. Selbst wenn also der flexible Abstandhalter 71 und die Trägerstrukturen aus dem gleichen Material oder einem steiferen Material als die Trägerstruktur bestehen, wäre der flexible Abstandhalter 71 insgesamt flexibler als die Trägerstrukturen, da er aus lokalen Federn oder Säulen besteht, die die Flexibilität des flexiblen Abstandhalters 71 erhöhen.
Zusätzlich umfasst das Drehmomentmesssystem 700 zwei Halterungen 72 und 73, die jeweils ausgebildet sind, um eine entsprechende Trägerstruktur 41 oder 42 fest (mechanisch) mit der Welle 44 zu koppeln. Die beiden Halterungen 72 und 73 sind mechanisch mit der Welle 44 gekoppelt und stellen einen Befestigungspunkt der Trägerstrukturen 41 und 42 an der Welle 44 dar. Wie ersichtlich ist, koppelt die Halterung 73 (mechanisch) die Trägerstruktur 42 direkt mit der Welle 44 fest. Die Halterung 72 kann auch verwendet werden, um die Trägerstruktur 41 direkt mit der Welle 44 fest (mechanisch) zu koppeln. In diesem Beispiel wird jedoch ein optionaler Abstandhalterring 74 verwendet, um die Halterung 72 fest (mechanisch) mit der Trägerstruktur 41 zu koppeln. Jede Halterung 72 und 73 und der optionale Abstandhalterring 74 können aus einem steifen Material, wie z.B. Stahl, hergestellt werden.
Durch Verwendung des optionalen Abstandhalterrings 74 wird ein größerer Abstand d2 auf der Welle 44 erreicht, an dem die Trägerstrukturen 41 und 42 befestigt werden. Der größere Abstand d2 führt als ein Ergebnis eines ausgeübten Drehmoments zu einer größeren Winkelverschiebung zwischen Trägerstrukturen, als wenn die Trägerstrukturen 41 und 42 im Abstand d1 an der Welle 44 befestigt wären. Die Winkelverschiebung zwischen den Trägerstrukturen 41 und 42 ist proportional zu dem seitlichen Abstand, mit dem sie an der Welle 44 befestigt sind. Somit verursacht der größere Abstand d2 eine ausgeprägtere Winkelverschiebung zwischen den Trägerstrukturen 41 und 42. Dies wiederum verursacht eine größere Verschiebung der mm-Wellen-Eigenschaften in einem Empfangssignal, das an der Empfängerschaltung detektiert wird und leichter zu detektieren, zu messen und in einen Drehmomentwert zu übersetzen ist, der dem ausgeübte Drehmoment entspricht.
8-10 stellen zusätzliche Varianten zu der Konstruktion bereit. 8 ist eine Querschnittansicht eines Drehmomentmesssystems 800 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Das Drehmomentmesssystem 800 umfasst mehrere Schichten von Trägerstrukturen und flexiblen Abstandshaltern. Hier umfasst das Drehmomentmesssystem 800 vier Trägerstrukturen 80a-80d, die in einem vorgegebenen Abstand voneinander an einer Welle 44 befestigt sind und zwischen denen jeweils flexible Abstandshalter 81a-81c positioniert sind.
Zusätzlich ist an jeder Trägerstruktur ein Paar Metamaterialbahnen angebracht. So sind acht Metamaterialbahnen 82a-82h bereitgestellt, wobei jede Bahn über einen Feldeffekt mit einer oder mehreren benachbarten Bahnen gegenseitig gekoppelt ist.
Wie ersichtlich ist, erstrecken sich die flexiblen Abstandshalter 81a-81c nur bis zu einem Innendurchmesserabschnitt der Trägerstrukturen 80a-80d und erstrecken sich nicht bis zu einem Außendurchmesserabschnitt der Trägerstrukturen 80a-80d, wo sich die Metamaterialbahnen 82a-82h befinden. Hier befindet sich zwischen den Metamaterialbahnen 82a-82h nur Luft, die keine signifikante Absorptions- oder Dämpfungscharakteristik aufweist.
Die Halterungen 72 und 73 sind entlang der Welle 44 durch einen Abstand d3 getrennt.
9 ist eine Querschnittansicht eines Drehmomentmesssystems 900 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. In diesem Fall kann die Drehmomentsensorstruktur verschachtelte Zylinder 91 und 92 als Trägerstrukturen anstelle von Scheiben mit einem flexiblen Abstandshalter 93 dazwischen umfassen. Die Trägerstruktur 91 ist mechanisch an der Welle 44 durch die Halterung 73 befestigt und die Trägerstruktur 92 ist mechanisch an der Welle 44 durch die Halterung 72 befestigt, wobei die Halterungen 72 und 73 entlang der Welle 44 durch einen Abstand d4 getrennt sind.
Das Drehmomentmesssystem 900 umfasst zusätzlich sechs Metamaterialbahnen 94a, 94b, 95, 96, 97a und 97b. Die Bahnen 94a und 94b stellen eine erste gegenseitig gekoppelte Struktur dar, die aufgrund eines darauf agierenden Feldeffekts eine drehmomentabhängige gegenseitige Kopplung aufweisen. Ähnlich stellen die Bahnen 97a und 97b eine zweite gegenseitig gekoppelte Struktur dar, die aufgrund eines Feldeffekts eine drehmomentabhängige gegenseitige Kopplung aufweisen. Die beiden gegenseitig gekoppelten Strukturen sind als redundante Messkanäle für die funktionale Sicherheit bereitgestellt.
Die Bahnen 95 und 96 sind drehmomentunabhängige Referenzbahnen für ihre jeweilige Trägerstruktur 91 und 92 und können winkelabhängig oder -unabhängig sein. Somit werden die Bahnen 95 und 96 in ähnlicher Weise verwendet, wie oben in Bezug auf die Bahnen 45c und 46c beschrieben. Zum Beispiel kann die Bahn 95 verwendet werden, um eine drehmomentunabhängige Winkelposition der Trägerstruktur 91 zu messen, und die Bahn 96 kann verwendet werden, um eine drehmomentunabhängige Winkelposition der Trägerstruktur 92 zu messen.
10 ist eine Querschnittansicht eines Drehmomentmesssystems 1000 gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Die Struktur des Drehmomentsensors des Systems 1000 weist eine ähnliche Konstruktion wie die in 9 gezeigte auf, außer dass auf beiden Seiten jeder gegenseitig gekoppelten Struktur RF-Abschirmungen bereitgestellt sind. Genauer gesagt sind die RF-Abschirmungen 83a, 83b, 84a, 84b, 85a, 85b, 86a und 86b (d.h. Isolationsbahnen) paarweise bereitgestellt und liegen jeweils neben einer entsprechenden Metamaterialbahn 94a, 94b, 97a oder 97b. Die RF-Abschirmungen können Metallstreifen sein, die zwischen den getrennten Metamaterialbahnen verwendet werden, um definierte Begrenzungsbedingungen zu schaffen und Übersprechen zu vermeiden.
Die RF-Abschirmungen können aus der gleichen Metallschicht wie die Metamaterialbahnen 94a, 94b, 97a und 97b erzeugt sein, sind jedoch unstrukturiert (d.h. ohne Elementarstrukturen) oder unterschiedlich als die Metamaterialbahnen 94a, 94b, 97a und 97b mit Elementarstrukturen strukturiert, deren Resonanz sich wesentlich von der Resonanz der Elementarstrukturen der Metamaterialbahnen 94a, 94b, 97a und 97b unterscheidet, so dass die RF-Abschirmungen die beiden gegenseitig gekoppelten Strukturen voneinander isolieren. Zum Beispiel können die RF-Abschirmungen aus Elementarstrukturen bestehen, die in Bezug auf mm-Wellen stark absorbierend sind (d.h. 80 % Absorption oder mehr) und die Metamaterialbahnen 94a, 94b, 97a und 97b können aus Elementarstrukturen bestehen, die in Bezug auf mm-Wellen stark reflektierend sind (d.h. 80 % Reflexionsvermögen oder mehr), oder umgekehrt. Somit isolieren die RF-Abschirmungen die beiden gegenseitig gekoppelten Strukturen voneinander.
11 zeigt zwei gegenseitig gekoppelte Strukturen, gebildet gemäß einem oder mehreren der vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele. Genauer gesagt wird eine erste gegenseitig gekoppelte Struktur 1101 über zwei Metamaterialbahnen gebildet, wobei jede Bahn mechanisch mit einer unterschiedlichen drehbaren Trägerstruktur gekoppelt ist. Ähnlich wird eine zweite gegenseitig gekoppelte Struktur 1102 über zwei zusätzliche Metamaterialbahnen gebildet, wobei jede Bahn mechanisch mit einer unterschiedlichen drehbaren Trägerstruktur gekoppelt ist.
Zum Beispiel kann die erste gegenseitig gekoppelte Struktur 1101 durch die Bahnen 45a und 46a gebildet werden und die zweite gegenseitig gekoppelte Struktur 1102 kann durch die Bahnen 45b und 46b gebildet werden, wie in Bezug auf 6A beschrieben.
Alternativ kann die erste gegenseitig gekoppelte Struktur 1101 durch die Bahnen 82b und 82c gebildet werden und die zweite gegenseitig gekoppelte Struktur 1102 kann durch die Bahnen 82d und 82e oder durch die Bahnen 82f und 82g gebildet werden, wie in Bezug auf 8 beschrieben.
Alternativ kann die erste gegenseitig gekoppelte Struktur 1101 durch die Bahnen 94a und 94b gebildet werden und die zweite gegenseitig gekoppelte Struktur 1102 kann durch die Bahnen 97a und 97b gebildet werden, wie in Bezug auf 9 und 10 beschrieben.
In jedem Fall erstrecken sich die Metamaterialbahnen umlaufend (d.h. längs) in einer Umfangsrichtung (d.h. in einer Rotationsrichtung) mit einer in der transversalen Richtung definierten Breite.
Zu Erklärungszwecken wird angenommen, dass die erste gegenseitig gekoppelte Struktur 1101 durch die Bahnen 45a und 46a gebildet wird und dass die zweite gegenseitig gekoppelte Struktur 1102 durch die Bahnen 45b und 46b gebildet wird. Wie vorangehend in Bezug auf 6A beschrieben, ist eine erste drehbare Trägerstruktur 41 mechanisch mit einer Rotationswelle 44 gekoppelt und ist ausgebildet zum Rotieren um eine Rotationsachse 43 in einer Rotationsrichtung. Ähnlich ist eine zweite drehbare Trägerstruktur 42 mechanisch mit der Rotationswelle 44 gekoppelt und ist ausgebildet zum Rotieren um die Rotationsachse 43 in der Rotationsrichtung, wobei die zweite drehbare Trägerstruktur von der ersten drehbaren Trägerstruktur beabstandet ist.
Die erste Metamaterialbahn 45a ist mechanisch mit der ersten drehbaren Trägerstruktur 41 gekoppelt, wobei die erste Metamaterialbahn 45a ein erstes Array von Elementarstrukturen aufweist. Die zweite Metamaterialbahn 45b ist mechanisch mit der ersten drehbaren Trägerstruktur 41 gekoppelt, wobei die zweite Metamaterialbahn 45b ein zweites Array von Elementarstrukturen aufweist.
Die dritte Metamaterialbahn 46a ist mechanisch mit der zweiten drehbaren Trägerstruktur 42 gekoppelt, wobei die dritte Metamaterialbahn 46a ein drittes Array von Elementarstrukturen aufweist, die geometrisch in einer ersten Umfangsrichtung relativ zu dem ersten Array von Elementarstrukturen verschoben sind, wenn kein Drehmoment auf die Rotationswelle 44 ausgeübt wird. Ein Fall, in dem kein Drehmoment auf die Rotationswelle 44 ausgeübt wird, kann als eine Standardposition der Array-Strukturen angesehen werden, und die Position der Array-Strukturen ändert sich, wenn eine Rotationskraft (d.h. ein Drehmoment) auf die Drehwelle 44 ausgeübt wird. Die erste Metamaterialbahn 45a und die dritte Metamaterialbahn 46a sind gegenseitig miteinander durch eine erste drehmomentabhängige Kopplung gekoppelt (z.B. eine elektrische Feldkopplung, eine magnetische Feldkopplung oder eine elektromagnetische Feldkopplung).
Wie in 11 ersichtlich ist, ist das dritte Array von Elementarstrukturen der dritten Metamaterialbahn 46a im Hinblick auf das erste Array der Elementarstrukturen der ersten Metamaterialbahn 45a nach unten (d.h. in negativer Umfangsrichtung) verschoben. Als ein Ergebnis überlappen die Elementarstrukturen der beiden Bahnen 45a und 46a nur teilweise gemäß einer ersten geometrischen Verschiebung in der ersten Umfangsrichtung, wenn kein Drehmoment auf die Rotationswelle ausgeübt wird.
Die vierte Metamaterialbahn 46b ist +mit der zweiten drehbaren Trägerstruktur 42 gekoppelt, wobei die vierte Metamaterialbahn 46b ein viertes Array von Elementarstrukturen aufweist, die geometrisch in einer zweiten Umfangsrichtung relativ zu dem zweiten Array von Elementarstrukturen verschoben sind, wenn kein Drehmoment auf die Rotationswelle 44 ausgeübt wird. Die zweite Umfangsrichtung ist gegenläufig zu der ersten Umfangsrichtung, d.h. eine Umfangsrichtung ist im Uhrzeigersinn und die andere Umfangsrichtung ist gegen den Uhrzeigersinn. Die zweite Metamaterialbahn 45b und die vierte Metamaterialbahn 46b sind gegenseitig miteinander durch eine zweite drehmomentabhängige Kopplung gekoppelt (z.B. eine elektrische Feldkopplung, eine magnetische Feldkopplung oder eine elektromagnetische Feldkopplung).
Wie in 11 ersichtlich ist, ist das vierte Array von Elementarstrukturen der vierten Metamaterialbahn 46b im Hinblick auf das zweite Array von Elementarstrukturen der zweiten Metamaterialbahn 45b nach oben (d.h. in positiver Umfangsrichtung) verschoben. Als ein Ergebnis überlappen die Elementarstrukturen der beiden Bahnen 45b und 46b nur teilweise gemäß einer zweiten geometrischen Verschiebung in der zweiten Umfangsrichtung, wenn kein Drehmoment auf die Rotationswelle ausgeübt wird. Somit liegt die geometrische Verschiebung und damit die Überlappung für die Bahnen 45b und 46b im Vergleich zu der geometrischen Verschiebung und der Überlappung der Bahnen 45a und 46a mechanisch in entgegengesetzter Umfangsrichtung.
Wenn ein Drehmoment auf die Rotationswelle 44 ausgeübt wird, können sich die Bahnen 46a und 46b auf der zweiten drehbaren Trägerstruktur 42 mechanisch in derselben Umfangsrichtung relativ zu den Bahnen 45a und 45b auf der ersten drehbaren Trägerstruktur 41 verschieben. Anders ausgedrückt treten eine erste Veränderung in einer ersten mechanischen Überlappung zwischen dem ersten Array von Elementarstrukturen und dem dritten Array von Elementarstrukturen und eine zweite Veränderung in einer zweiten mechanischen Überlappung zwischen dem zweiten Array von Elementarstrukturen und dem vierten Array von Elementarstrukturen in einer gleichen Umfangsrichtung auf, sodass die erste mechanische Überlappung zunimmt und die zweite mechanische Überlappung abnimmt.
Zum Beispiel, wenn die mechanische Verschiebung in positiver Umfangsrichtung erfolgt, würde sich die Überlappung zwischen den Elementarstrukturen der Bahnen 45a und 46a erhöhen. Damit würde sich auch die gegenseitige Kopplung zwischen den Elementarstrukturen der Bahnen 45a und 46a erhöhen. In der Zwischenzeit würde sich die Überlappung zwischen den Elementarstrukturen der Bahnen 45b und 46b verringern. Somit würde sich auch die gegenseitige Kopplung zwischen den Elementarstrukturen der Bahnen 45b und 46b verringern.
Als ein Ergebnis kann sich als Antwort auf ein auf die Drehwelle ausgeübtes Drehmoment die erste geometrische Verschiebung verringern, sodass sich die erste drehmomentabhängige Kopplung zwischen dem ersten Array von Elementarstrukturen und dem dritten Array von Elementarstrukturen erhöht, und die zweite geometrische Verschiebung kann sich erhöhen, sodass sich die zweite drehmomentabhängige Kopplung zwischen dem zweiten Array von Elementarstrukturen und dem vierten Array von Elementarstrukturen verringert. Das Gegenteil kann auch zutreffen, wenn die Rotationsrichtung der Welle 44 umgekehrt wird.
Als ein Ergebnis, als Antwort auf ein auf die Rotationswelle ausgeübtes Drehmoment, nimmt die erste drehmomentabhängige Kopplung um einen ersten Betrag zu und die zweite drehmomentabhängige Kopplung nimmt um einen zweiten Betrag ab. Diese Beträge können gleich oder ungleich sein, abhängig von der Art der verwendeten Elementarstrukturen und dem Muster der Arrays.
12 zeigt eine durchgehende gegenseitig gekoppelte Struktur 1104, die teilweise durch die gegenseitig gekoppelten Strukturen 1101 und 1102, beschrieben in 11, gebildet wird. Zusätzlich wird eine dritte gegenseitig gekoppelte Struktur 1103 durch eine fünfte Metamaterialbahn 100, die mit der ersten drehbaren Trägerstruktur 41 gekoppelt ist, und eine sechste Metamaterialbahn 101, die mit der zweiten drehbaren Trägerstruktur 42 gekoppelt ist, gebildet.
Die fünfte Metamaterialbahn 100 umfasst ein fünftes Array von Elementarstrukturen und ist zwischen der ersten Metamaterialbahn45a und der zweiten Metamaterialbahn 45b positioniert. Das fünfte Array von Elementarstrukturen kann eine oder mehrere Spalten von Elementarstrukturen umfassen, die sich in Umfangsrichtung um die Rotationswelle 44 erstrecken.
Die sechste Metamaterialbahn 101 umfasst ein sechstes Array von Elementarstrukturen, die geometrisch mit dem fünften Array von Elementarstrukturen ausgerichtet (d.h. vollständig überlappt) sind, wenn auf die Rotationswelle 44 kein Drehmoment ausgeübt wird. Wie das fünfte Array von Elementarstrukturen kann das sechste Array von Elementarstrukturen eine oder mehrere Spalten von Elementarstrukturen umfassen, die sich in Umfangsrichtung um die Rotationswelle 44 erstrecken. Zusätzlich ist die sechste Metamaterialbahn zwischen der dritten Metamaterialbahn 46a und der vierten Metamaterialbahn 46b positioniert.
Die fünfte Metamaterialbahn 100 und die sechste Metamaterialbahn 101 sind gegenseitig miteinander durch eine dritte drehmomentabhängige Kopplung gekoppelt (z.B. eine elektrische Feldkopplung, eine magnetische Feldkopplung oder eine elektromagnetische Feldkopplung), wodurch die dritte gegenseitig gekoppelte Struktur 1103 gebildet wird. Da die fünfte Metamaterialbahn 100 und die sechste Metamaterialbahn 101 geometrisch ausgerichtet sind, wenn kein Drehmoment auf die Rotationswelle 44 ausgeübt wird, ist die dritte drehmomentabhängige Kupplung in diesem Fall maximal.
Man kann auch sagen, dass das erste Array von Elementarstrukturen, das fünfte Array von Elementarstrukturen und das zweite Array von Elementarstrukturen ein erstes durchgehendes Array von Elementarstrukturen bilden, die sich in eine transversale Richtung erstrecken. Ähnlich bilden das dritte Array von Elementarstrukturen, das sechste Array von Elementarstrukturen und das vierte Array von Elementarstrukturen ein zweites durchgehendes Array von Elementarstrukturen, die sich in der transversalen Richtung erstrecken. Die beiden durchgehenden Arrays von Elementarstrukturen bilden über ihre gegenseitige Kopplung die durchgehende gegenseitig gekoppelte Struktur 1104.
Insgesamt weist das zweite durchgehende Array von Elementarstrukturen eine geometrische Verschiebung relativ zu dem ersten durchgehenden Array von Elementarstrukturen auf. Hier ändert sich die geometrische Verschiebung inkrementell in der transversalen Richtung, die sich von einem inneren Umfang des zweiten durchgehenden Arrays von Elementarstrukturen zu einem äußeren Umfang des zweiten durchgehenden Arrays von Elementarstrukturen erstreckt.
So sind z.B. die linke äußerste Spalte des ersten und des zweiten durchgehenden Arrays von Elementarstrukturen (z.B. der Innendurchmesser) um einen maximalen Betrag in einer ersten Umfangsrichtung voneinander verschoben. Die äußerste rechte Spalte des ersten und des zweiten durchgehenden Arrays von Elementarstrukturen (z.B. der Außendurchmesser) sind in einer zweiten Umfangsrichtung maximal voneinander verschoben. Die Spalten dazwischen verschieben sich inkrementell in Richtung Ausrichtung, was bei der fünften und sechsten Bahn 100 und 101 erreicht wird. In der Standardposition liegt somit eine progressive und inkrementelle Verschiebung von links nach rechts (oder umgekehrt) vor, bei der die geometrische Verschiebung zwischen überlappenden Spalten zwischen zwei extremen gegenläufigen Verschiebungen wechselt, wobei die vollständige Ausrichtung (Null geometrische Verschiebung) an der dritten gegenseitig gekoppelten Struktur 1103 auftritt.
Die durchgehende gegenseitig gekoppelte Struktur 1104 kann sowohl in den hierin beschriebenen Scheiben- als auch in den Zylinderausführungsbeispielen verwendet werden, umfassend in 4A-4C, 6A-D, 7, 8, 9 und 10.
13A-13C zeigen schematische Diagramme von verschiedenen Antennen-Anordnungen, verwendet durch einen Sendeempfänger, gemäß einem oder mehreren Ausführungsbeispielen. Genauer gesagt werden die Antennenanordnungen durch den Sendeempfänger TRX 47 zum Senden und Empfangen von mm-Wellen verwendet. Der Sendeempfänger TRX 47 ist mit einem Antennensystem 110 gekoppelt, das in der Nähe der gegenseitig gekoppelten Strukturen 1101 und 1102 angeordnet ist, mit diesen überlappt oder anderweitig räumlich ausgerichtet ist, sodass Sendesignale in Richtung der gegenseitig gekoppelten Strukturen 1101 und 1102 gerichtet werden können und Empfangssignale von diesen empfangen werden können. In dem Fall von 12, das Antennensystem 110, das in der Nähe der durchgehenden, gegenseitig gekoppelten Struktur 1104 angeordnet, mit dieser überlappt oder anderweitig räumlich ausgerichtet ist. Das Antennensystem 110 umfasst die Senderantennenausbildung 48 und die Empfängerantennenausbildung 49, die jeweils zum Senden und Empfangen von mm-Wellen ausgebildet sind.
Bei 13A ist ein Segment von jeder der gegenseitig gekoppelten Strukturen 1101 und 1102 dargestellt, wobei sich jedes Segment weiter in einer Umfangsrichtung erstreckt, um eine vollständige Schleife (d.h. eine geschlossene Schleife) oder eine Teilschleife um eine Rotationsachse zu bilden. Zusätzlich kann sich jedes Segment gemäß der Größe (z.B. Breite) der Arrays, aus denen die Metamaterialbahnen zusammensetzen, in der transversalen Richtung weiter erstrecken.
Das Antennensystem 110 umfasst die Senderantennenausbildung 48, die räumlich zwischen zwei Empfangsantennenausbildungen 49a und 49b positioniert ist. Alternativ kann die Sendeantennenausbildung 48 mit zumindest einem Abschnitt der ersten Empfangsantennenausbildung 49a und zumindest einem Abschnitt der zweiten Empfangsantennenausbildung 49b verschachtelt werden. Die beiden Empfangsantennenausbildungen 49a und 49b können jeweils eine einzelne Empfangsantenne oder ein Array von Empfangsantennen umfassen. Ähnlich kann die Senderantennenausbildung 48 eine einzelne Sendeantenne oder ein Array von Sendeantennen umfassen. Somit kann die Senderantennenausbildung 48 ausgebildet sein, um ein elektromagnetisches Sendesignal in Richtung der ersten gegenseitig gekoppelten Struktur 1101 und der zweiten gegenseitig gekoppelten Struktur 1102 zu senden.
Die erste gegenseitig gekoppelte Struktur 1101 ist ausgebildet, um das elektromagnetische Sendesignal in ein erstes elektromagnetisches Empfangssignal basierend auf einem auf die Rotationswelle ausgeübten Drehmoment, umzuwandeln und die zweite gegenseitig gekoppelte Struktur 1102 ist ausgebildet, um das elektromagnetische Sendesignal in ein zweites elektromagnetisches Empfangssignal basierend auf dem auf die Rotationswelle ausgeübten Drehmoment umzuwandeln.
Alternativ kann die Senderantennenausbildung 48 ausgebildet sein, um einen ersten elektromagnetischen Richtstrahl über Strahlformung in Richtung der ersten gegenseitig gekoppelten Struktur zu senden und einen zweiten elektromagnetischen Richtstrahl über Strahlformung in Richtung der zweiten gegenseitig gekoppelten Struktur zu senden. Die erste gegenseitig gekoppelte Struktur ist ausgebildet, um den ersten elektromagnetischen Richtstrahl in ein erstes elektromagnetisches Empfangssignal umzuwandeln, basierend auf einem auf die Rotationswelle ausgeübten Drehmoment. Die zweite gegenseitig gekoppelte Struktur ist ausgebildet, um den zweiten elektromagnetischen Richtstrahl in ein zweites elektromagnetisches Empfangssignal umzuwandeln, basierend auf dem auf die Rotationswelle ausgeübten Drehmoment.
Der Empfänger des Sendeempfängers TRX 47 ist ausgebildet, um das erste elektromagnetische Empfangssignal von der Empfangsantennenausbildung 49a und das zweite elektromagnetische Empfangssignal von der Empfangsantennenausbildung 49b zu empfangen. Der Empfänger kann parallele Empfangspfade umfassen, die mit jeder Empfangsantennenausbildung 49a und 49b gekoppelt sind, wobei jeder Empfangspfad ein ausgebildetes Gewicht hat.
Der Empfänger ist ausgebildet, um das auf die Rotationswelle ausgeübte Drehmoment basierend auf dem ersten elektromagnetischen Empfangssignal und dem zweiten elektromagnetischen Empfangssignals zu bestimmen, beispielsweise basierend auf einem Unterschied in der Phasenverschiebung, Resonanzfrequenz, Reflektivität oder Amplitude zwischen den beiden Empfangssignalen.
Zum Beispiel kann der Empfänger ausgebildet sein, um ein Differenzialsignal basierend auf dem ersten elektromagnetischen Empfangssignal und dem zweiten elektromagnetischen Empfangssignal zu erzeugen und das auf die Rotationswelle ausgeübte Drehmoment basierend auf dem Differenzialsignal zu bestimmen. Das Differenzialsignal kann durch Subtraktion eines Empfangssignals oder einer Charakteristik davon von dem anderen Empfangssignal oder dessen Charakteristik erzeugt werden. Die Charakteristik kann die gemessene Phasenverschiebung, Resonanzfrequenz, Reflektivität oder Amplitude der beiden Empfangssignale sein. Zum Beispiel ist der Empfänger ausgebildet, um einen Unterschied zwischen dem ersten elektromagnetischen Empfangssignal und dem zweiten elektromagnetischen Empfangssignal zu berechnen und das auf die Rotationswelle ausgeübte Drehmoment basierend auf dem berechneten Unterschied zu bestimmen.
Das auf die Rotationswelle 44 ausgeübte Drehmoment veranlasst das erste elektromagnetische Empfangssignal, eine erste Phasenverschiebung relativ zu einer Phase des elektromagnetischen Sendesignals aufzuweisen und veranlasst das zweite elektromagnetische Empfangssignal, eine zweite Phasenverschiebung relativ zu der Phase des elektromagnetischen Sendesignals aufzuweisen. Der Empfänger kann ausgebildet sein, um die erste Phasenverschiebung und die zweite Phasenverschiebung zu bestimmen und um das aus die Rotationswelle ausgeübte Drehmoment basierend auf der ersten Phasenverschiebung und der zweiten Phasenverschiebung zu bestimmen. Genauer gesagt kann der Empfänger ausgebildet sein, um einen Unterschied zwischen der ersten Phasenverschiebung und der zweiten Phasenverschiebung zu bestimmen und um das auf die Rotationswelle ausgeübte Drehmoment basierend auf dem Unterschied zwischen der ersten Phasenverschiebung und der zweiten Phasenverschiebung zu bestimmen. Zusätzlich oder alternativ kann eine ähnliche Analyse für die anderen Charakteristika der Empfangssignale zur Bestimmung des ausgeübten Drehmoments durchgeführt werden.
13B zeigt eine Variation zu dem Sendeempfänger TRX 47 gemäß der in 13A verwendeten Antennenanordnung 110. Hier sind der Empfänger 47b und der Sender des Sendeempfängers TRX 47 dargestellt. Der Empfänger 47b umfasst einen Multiplexer (MUX) 130, der einen Schalter 131 steuert, um die erste Empfangsantennenausbildung 49a oder die zweite Empfangsantennenausbildung 49b schaltbar mit dem Empfänger 47b zu koppeln. Hier kann ein Zeitmultiplexen für den Empfang des ersten elektromagnetischen Empfangssignals und des zweiten elektromagnetischen Empfangssignals zu unterschiedlichen Zeitschlitzen verwendet werden. Somit, wenn ein elektromagnetisches Empfangssignal in Richtung der beiden gegenseitig gekoppelten Strukturen 1101 und 1102 übertragen wird, kann jedes elektromagnetische Empfangssignal in seinem jeweiligen Zeitschlitz empfangen und gemessen werden. Eine solche Ausbildung kann helfen, die Anzahl von Antennen zu reduzieren.
13C zeigt eine Variation zu dem Sendeempfänger TRX 47 gemäß der in 13A verwendeten Antennenanordnung 110. Der Sender 47a umfasst den Multiplexer (MUX) 130, der den Schalter 131 steuert, um eine erste Sendeantennenausbildung 48a oder eine zweite Empfangsantennenausbildung 48b schaltbar mit dem Sender 47a zu koppeln. Die Empfangsantennenausbildung 49 kann räumlich zwischen der ersten Sendeantennenausbildung 48a und der zweiten Empfangsantennenausbildung 48b positioniert sein. Alternativ kann die Empfangsantennenausbildung 49 mit zumindest einem Abschnitt der ersten Sendeantennenausbildung und zumindest einem Abschnitt der zweiten Empfangsantennenausbildung 48b verschachtelt werden.
Hier ist die erste Sendeantennenausbildung 48a ausgebildet, um ein erstes elektromagnetisches Sendesignal in Richtung der ersten gegenseitig gekoppelten Struktur 1101 zu senden, und die zweite Sendeantennenausbildung 48b ist ausgebildet, um ein zweites elektromagnetisches Sendesignal in Richtung der zweiten gegenseitig gekoppelten Struktur zu übertragen. Die erste und die zweite Sendeantennenausbildung 48a und 48b können jeweils eine Signalantenne oder eine Gruppenantenne umfassen.
Die erste gegenseitig gekoppelte Struktur 1101 ist ausgebildet, um das erste elektromagnetische Sendesignal in ein erstes elektromagnetisches Empfangssignal basierend auf einem auf die Rotationswelle 44 ausgeübten Drehmoment umzuwandeln, und die zweite gegenseitig gekoppelte Struktur 1102 ist ausgebildet, um das zweite elektromagnetische Sendesignal in ein zweites elektromagnetisches Empfangssignal basierend auf dem auf die Rotationswelle 44 ausgeübten Drehmoment umzuwandeln.
Um Interferenz zu vermeiden, ermöglicht der MUX 130 über die Steuerung des Schalters 131 wahlweise die Sendeantennenausbildung 48a oder die zweite Empfangsantennenausbildung 48b. Zum Beispiel kann ein Zeitmultiplexen für das Sendes des ersten elektromagnetischen Sendesignals und des zweiten Sendesignal Sendesignals zu unterschiedlichen Zeitschlitzen verwendet werden.
Der Empfänger 47b ist ausgebildet zum Empfangen des ersten elektromagnetischen Empfangssignals und des zweiten elektromagnetischen Empfangssignals, und zum Bestimmen des auf die Rotationswelle ausgeübten Drehmoments basierend auf dem ersten elektromagnetischen Empfangssignal und dem zweiten elektromagnetischen Empfangssignal, gemäß irgendeinem der hierin beschriebenen Verfahren.
Ein Verfahren zum Bestimmen eines auf eine drehbare Welle ausgeübten Drehmoments kann umfassen: Übertragen eines elektromagnetischen Sendesignals in Richtung einer ersten gegenseitig gekoppelten Struktur und einer zweiten gegenseitig gekoppelten Struktur, die mechanisch mit der drehbaren Welle gekoppelt sind; Umwandeln des elektromagnetischen Sendesignals in ein erstes elektromagnetisches Empfangssignal durch die erste gegenseitig gekoppelte Multi-Bahn-Struktur; Umwandeln des elektromagnetischen Sendesignals in ein zweites elektromagnetisches Empfangssignal durch die zweite gegenseitig gekoppelte Multi-Bahn-Struktur; Empfangen des ersten elektromagnetischen Empfangssignals und des zweiten elektromagnetischen Empfangssignals in einer Zeitmultiplex-Weise; Bewerten des empfangenen ersten elektromagnetischen Empfangssignals und des empfangenen zweiten elektromagnetischen Empfangssignals; und Bestimmen des auf die drehbare Welle ausgeübten Drehmoments, basierend auf dem bewerteten ersten elektromagnetischen Empfangssignal und dem bewerteten zweiten elektromagnetischen Empfangssignal.
Hier weist das erste elektromagnetische Empfangssignal eine erste Eigenschaft auf, abhängig von einem Betrag des auf die drehbare Welle ausgeübten Drehmoments, und das zweite elektromagnetische Empfangssignal weist eine zweite Eigenschaft auf, abhängig von dem Betrag des auf die drehbare Welle ausgeübten Drehmoments. Ein Bewerten des empfangenen ersten elektromagnetischen Empfangssignals und des empfangenen zweiten elektromagnetischen Empfangssignals umfasst das Bestimmen eines Unterschieds zwischen der ersten Eigenschaft und der zweiten Eigenschaft. Ein Bestimmen des auf die drehbare Welle ausgeübten Drehmoments, umfasst das Bestimmen des auf die drehbare Welle ausgeübten Drehmoments basierend auf dem bestimmten Unterschied.
Ein Verfahren zum Bestimmen eines auf eine drehbare Welle ausgeübten Drehmoments kann umfassen: Übertragen eines ersten elektromagnetischen Sendesignals und eines zweiten elektromagnetischen Sendesignals in einer Zeitmultiplex-Weise, wobei das erste elektromagnetische Sendesignal in Richtung einer ersten gegenseitig gekoppelten Struktur übertragen wird und das zweite elektromagnetische Sendesignal wird in Richtung einer zweiten gegenseitig gekoppelten Struktur übertragen ; Umwandeln des ersten elektromagnetischen Sendesignals in ein erstes elektromagnetisches Empfangssignal durch die erste gegenseitig gekoppelte Multi-Bahn-Struktur; Umwandeln des zweiten elektromagnetischen Sendesignals in ein zweites elektromagnetisches Empfangssignal durch die zweite gegenseitig gekoppelte Multi-Bahn-Struktur; Empfangen des ersten elektromagnetischen Empfangssignals und des zweiten elektromagnetischen Empfangssignals; Bewerten des empfangenen ersten elektromagnetischen Empfangssignals und des empfangenen zweiten elektromagnetischen Empfangssignals; und Bestimmen des auf die drehbare Welle ausgeübten Drehmoments, basierend auf dem bewerteten ersten elektromagnetischen Empfangssignal und dem bewerteten zweiten elektromagnetischen Empfangssignal.
Hier weist das erste elektromagnetische Empfangssignal eine erste Eigenschaft auf, abhängig von einem Betrag des auf die drehbare Welle ausgeübten Drehmoments, und das zweite elektromagnetische Empfangssignal weist eine zweite Eigenschaft auf, abhängig von dem Betrag des auf die drehbare Welle ausgeübten Drehmoments. Bewerten des empfangenen ersten elektromagnetischen Empfangssignals und des empfangenen zweiten elektromagnetischen Empfangssignals umfasst das Bestimmen eines Unterschieds zwischen der ersten Eigenschaft und der zweiten Eigenschaft. Bestimmen des auf die drehbare Welle ausgeübten Drehmoments umfasst das Bestimmen des auf die drehbare Welle ausgeübten Drehmoments, basierend auf dem bestimmten Unterschied.
Während die bereitgestellten Beispiele Scheiben und Zylinder verwenden kann irgendeine andere Geometrie verwendet werden, um die Metamaterial-Strukturen zu tragen, wie beispielsweise Blasen. Auch wenn planare Strukturen aus heutiger Sicht die attraktivste Lösung für die Produktionskosten zu sein scheinen, muss das Metamaterial zwischen den Trägerscheiben oder Trägerzylindern nicht planar sein, sondern kann ein 3D-strukturiertes Metamaterial sein, das sich in Abhängigkeit von dem ausgeübten Drehmoment verformt.
Ferner, während verschiedene Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, ist es für Durchschnittsfachleute offensichtlich, dass viele weitere Ausführungsbeispiele und Implementierungen innerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung möglich sind. Dementsprechend soll die Erfindung nicht eingeschränkt sein, außer im Hinblick auf die angehängten Ansprüche und ihre Entsprechungen. Im Hinblick auf die verschiedenen Funktionen, die durch die oben beschriebenen Komponenten oder Strukturen ausgeführt werden (Anordnungen, Vorrichtungen, Schaltungen, Systeme, etc.) sollen die Ausdrücke (einschließlich einer Bezugnahme auf ein „Mittel“), die verwendet werden, um solche Komponenten zu beschreiben, außer anderweitig angegeben, irgendeiner Komponente oder Struktur entsprechen, die die spezifizierte Funktion der beschriebenen Komponente ausführt (z.B. die funktional äquivalent ist), obwohl sie strukturell nicht äquivalent zu der offenbarten Struktur ist, die die Funktion bei den hierin dargestellten exemplarischen Implementierungen der Erfindung ausführt.
Weiterhin sind die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wo jeder Anspruch als getrenntes Ausführungsbeispiel für sich stehen kann. Während jeder Anspruch als getrenntes Ausführungsbeispiel für sich stehen kann, ist zu beachten, dass - obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine bestimmte Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann - andere Ausführungsbeispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs umfassen können. Solche Kombinationen werden hierin vorgeschlagen, sofern nicht angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner sollen auch Merkmale eines Anspruchs für irgendeinen anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch gemacht ist.
Es sollte ferner darauf hingewiesen werden, dass in der Beschreibung oder in den Ansprüchen offenbarte Verfahren durch eine Vorrichtung implementiert werden können, die Mittel zum Ausführen eines jeden der jeweiligen Schritte dieser Verfahren aufweist.
Ferner versteht sich, dass die Offenbarung mehrerer, in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbarter Schritte oder Funktionen nicht als in der bestimmten Reihenfolge befindlich ausgelegt werden soll. Daher werden diese durch die Offenbarung von mehreren Schritten oder Funktionen nicht auf eine bestimmte Reihenfolge begrenzt, es sei denn, dass diese Schritte oder Funktionen aus technischen Gründen nicht austauschbar sind. Ferner kann bei einigen Ausführungsbeispielen ein einzelner Schritt mehrere Teilschritte umfassen oder in mehrere Teilschritte aufgeteilt sein. Solche Teilschritte können umfasst sein und Teil der Offenbarung dieses Einzelschritts sein, sofern sie nicht explizit ausgeschlossen sind.
Die in dieser Offenbarung beschriebenen Techniken können zumindest teilweise implementiert werden in Hardware, Software, Firmware oder irgendeiner Kombination derselben. Beispielsweise können verschiedene Aspekte der beschriebenen Techniken implementiert werden innerhalb eines oder mehrerer Prozessoren, umfassend einen oder mehrere Mikroprozessoren, digitale Signalprozessoren, anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASIC; application specific integrated circuit), oder irgendeine andere äquivalente integrierte oder diskrete logische Schaltungsanordnung, sowie irgendwelche Kombination solcher Komponenten. Das Wort „Prozessor“ oder „Verarbeitungsschaltungsanordnung“ kann sich im Allgemeinen auf irgendeine Art der vorhergehend logischen Schaltungsanordnungen beziehen, entweder allein oder in Kombination mit anderen logischen Schaltungsanordnungen oder irgendeiner anderen äquivalenten Schaltungsanordnung. Eine Steuereinheit, die Hardware umfasst, kann auch eine oder mehrere der Techniken aus dieser Offenbarung ausführen. Solche Hardware, Software und Firmware kann innerhalb der gleichen Vorrichtung implementiert sein, oder innerhalb separater Vorrichtungen, um die verschiedenen Techniken zu unterstützen, die in dieser Offenbarung beschrieben sind.
Obwohl verschiedene beispielhafte Ausführungsbeispiele offenbart wurden, ist es für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich, dass verschiedene Veränderungen und Modifikationen gemacht werden können, die einige der Vorteile der hierin offenbaren Konzepte erreichen werden, ohne von dem Wesen und Umfang der Erfindung abzuweichen. Für Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet ist es offensichtlich, dass andere Komponenten, die die gleichen Funktionen ausführen, passend eingesetzt werden können. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass andere Ausführungsbeispiele verwendet werden können und strukturelle oder logische Änderungen ausgeführt werden können, ohne von dem Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Es sollte erwähnt werden, dass Merkmale, die Bezug nehmend auf eine spezielle Figur beschrieben werden, mit Merkmalen anderer Figuren kombiniert werden können, selbst in diesen, die nicht explizit erwähnt werden. Solche Modifikationen des allgemeinen erfindungsgemäßen Konzepts sollen von den beigefügten Ansprüchen und deren rechtlichen Äquivalenten abgedeckt sein.
Ausführungsbeispiel 1 ist ein Drehmomentmesssystem, umfassend eine erste drehbare Trägerstruktur, die mechanisch mit einer Rotationswelle gekoppelt ist und ausgebildet ist zum Rotieren um eine Rotationsachse in einer Rotationsrichtung; eine zweite drehbare Trägerstruktur, die mechanisch mit der Rotationswelle gekoppelt ist und ausgebildet ist zum Rotieren um die Rotationsachse in der Rotationsrichtung, wobei die zweite drehbare Trägerstruktur von der ersten drehbaren Trägerstruktur beabstandet ist; eine erste Metamaterial-Bahn, die mechanisch mit der ersten drehbaren Trägerstruktur gekoppelt ist, wobei die erste Metamaterial-Bahn ein erstes Array von Elementarstrukturen aufweist; eine zweite Metamaterial-Bahn, die mechanisch mit der ersten drehbaren Trägerstruktur gekoppelt ist, wobei die zweite Metamaterial-Bahn ein zweites Array von Elementarstrukturen aufweist; eine dritte Metamaterial-Bahn, die mechanisch mit der zweiten drehbaren Trägerstruktur gekoppelt ist, wobei die dritte Metamaterial-Bahn ein drittes Array von Elementarstrukturen aufweist, die geometrisch in einer ersten Umfangsrichtung relativ zu dem ersten Array von Elementarstrukturen verschoben sind, wenn kein Drehmoment auf die Rotationswelle ausgeübt wird, und eine vierte Metamaterial-Bahn, die mechanisch mit der zweiten drehbaren Trägerstruktur gekoppelt ist, wobei die vierte Metamaterial-Bahn ein viertes Array von Elementarstrukturen aufweist, die geometrisch in einer zweiten Umfangsrichtung relativ zu dem zweiten Array von Elementarstrukturen verschoben sind, wenn kein Drehmoment auf die Rotationswelle ausgeübt wird, wobei die zweite Umfangsrichtung in Gegenrichtung zu der ersten Umfangsrichtung ist, wobei die erste Metamaterialbahn und die dritte Metamaterialbahn gegenseitig miteinander durch eine erste drehmomentabhängige Kopplung gekoppelt sind, wodurch eine erste gegenseitig gekoppelte Struktur gebildet wird, und wobei die zweite Metamaterialbahn und die vierte Metamaterialbahn gegenseitig miteinander durch eine zweite drehmomentabhängige Kopplung gekoppelt sind, wodurch eine zweite gegenseitig gekoppelte Struktur gebildet wird.
Bei Ausführungsbeispiel 2, bei dem Drehmomentmesssystem von Ausführungsbeispiel 1, ist die zweite drehbare Trägerstruktur von der ersten drehbaren Trägerstruktur in einer axialen Richtung beabstandet, und die erste Metamaterialbahn und die zweite Metamaterialbahn sind durch einen Zwischenraum beabstandet, der durch einen radialen Abstand entlang einer radialen Richtung bestimmt ist.
Bei Ausführungsbeispiel 3, bei dem Drehmomentmesssystem von Ausführungsbeispiel 2, sind die erste Metamaterialbahn und die zweite Metamaterialbahn konzentrisch, die dritte Metamaterialbahn und die vierte Metamaterialbahn sind konzentrisch, die erste Metamaterialbahn ist kongruent mit der dritten Metamaterialbahn, und die zweite Metamaterialbahn ist kongruent mit der vierten Metamaterialbahn.
Bei Ausführungsbeispiel 4, bei dem Drehmomentmesssystem der Ausführungsbeispiele 1 bis 3, ist die zweite drehbare Trägerstruktur von der ersten drehbaren Trägerstruktur in einer radialen Richtung beabstandet, und die erste Metamaterialbahn und die zweite Metamaterialbahn sind durch einen Zwischenraum beabstandet, der durch einen axialen Abstand, der sich parallel zu einer axialen Richtung erstreckt, bestimmt ist.
Bei Ausführungsbeispiel 5, bei dem Drehmomentmesssystem von Ausführungsbeispiel 4, ist die erste Metamaterialbahn kongruent mit der zweiten Metamaterialbahn, und die dritte Metamaterialbahn ist kongruent mit der vierten Metamaterialbahn, die erste Metamaterialbahn und die dritte Metamaterialbahn sind konzentrisch, die zweite Metamaterialbahn und die vierte Metamaterialbahn sind konzentrisch.
Bei Ausführungsbeispiel 6, bei dem Drehmomentmesssystem der Ausführungsbeispiele 1 bis 5, ist die erste Umfangsrichtung eine Richtung im Uhrzeigersinn und die zweite Umfangsrichtung ist eine Richtung gegen den Uhrzeigersinn.
Bei Ausführungsbeispiel 7, bei dem Drehmomentmesssystem der Ausführungsbeispiele 1 bis 6, überlappt das erste Array von Elementarstrukturen teilweise mit dem dritten Array von Elementarstrukturen gemäß einer ersten geometrischen Verschiebung in der ersten Umfangsrichtung, wenn kein Drehmoment auf die Rotationswelle ausgeübt wird, und das zweite Array von Elementarstrukturen überlappt teilweise mit dem vierten Array von Elementarstrukturen gemäß einer zweiten geometrischen Verschiebung in der zweiten Umfangsrichtung, wenn kein Drehmoment auf die Rotationswelle ausgeübt wird.
Bei Ausführungsbeispiel 8, bei dem Drehmomentmesssystem von Ausführungsbeispiel 7, als Antwort auf ein auf die Rotationswelle ausgeübtes Drehmoment, nimmt die erste geometrische Verschiebung ab, sodass die erste drehmomentabhängige Kopplung zwischen dem ersten Array von Elementarstrukturen und dem dritten Array von Elementarstrukturen zunimmt, und die zweite geometrische Verschiebung nimmt zu, sodass die zweite drehmomentabhängige Kopplung zwischen dem zweiten Array von Elementarstrukturen und dem vierten Array von Elementarstrukturen abnimmt.
Bei Ausführungsbeispiel 9, bei dem Drehmomentmesssystem von Ausführungsbeispiel 8, umfassen die erste drehmomentabhängige Kopplung und die zweite drehmomentabhängige Kopplung jeweils zumindest eine aus einer elektrischen Feldkopplung oder einer magnetischen Feldkopplung.
Bei Ausführungsbeispiel 10, bei dem Drehmomentmesssystem der Ausführungsbeispiele 1 bis 9, als Antwort auf ein auf die Rotationswelle ausgeübtes Drehmoment, nimmt die erste drehmomentabhängige Kopplung um einen ersten Betrag zu und die zweite drehmomentabhängige Kopplung nimmt um einen zweiten Betrag ab.
Bei Ausführungsbeispiel 11, bei dem Drehmomentmesssystem der Ausführungsbeispiele 1 bis 10, als Antwort auf ein auf die Rotationswelle ausgeübtes Drehmoment, treten eine erste Veränderung in einer ersten mechanischen Überlappung zwischen dem ersten Array von Elementarstrukturen und das dritte Array von Elementarstrukturen und eine zweite Veränderung in einer zweiten mechanischen Überlappung zwischen dem zweiten Array von Elementarstrukturen und dem vierten Array von Elementarstrukturen in einer gleichen Umfangsrichtung auf, sodass die erste mechanische Überlappung zunimmt und die zweite mechanische Überlappung abnimmt.
Bei Ausführungsbeispiel 12, bei dem Drehmomentmesssystem der Ausführungsbeispiele 1 bis 11, ferner umfassend eine fünfte Metamaterialbahn, die mit der ersten drehbaren Trägerstruktur gekoppelt ist, wobei die fünfte Metamaterialbahn ein fünftes Array von Elementarstrukturen umfasst und wobei die fünfte Metamaterialbahn zwischen der ersten Metamaterialbahn und der zweiten Metamaterialbahn positioniert ist; und eine sechste Metamaterialbahn, die mit der zweiten drehbaren Trägerstruktur gekoppelt ist, wobei die sechste Metamaterialbahn ein sechstes Array von Elementarstrukturen umfasst, die geometrisch mit dem fünften Array von Elementarstrukturen ausgerichtet sind, wenn kein Drehmoment auf die Rotationswelle ausgeübt wird, und wobei die sechste Metamaterialbahn zwischen der dritten Metamaterialbahn und der vierten Metamaterialbahn positioniert ist.
Bei Ausführungsbeispiel 13, bei dem Drehmomentmesssystem von Ausführungsbeispiel 12, sind die fünfte Metamaterialbahn und die sechste Metamaterialbahn gegenseitig miteinander durch eine dritte drehmomentabhängige Kopplung gekoppelt, wodurch eine dritte gegenseitig gekoppelte Struktur gebildet wird, wobei die dritte drehmomentabhängige Kopplung bei einem Maximum ist, wenn kein Drehmoment auf die Rotationswelle ausgeübt wird.
Bei Ausführungsbeispiel 14, bei dem Drehmomentmesssystem der Ausführungsbeispiele 12 bis 13, bilden das erste Array von Elementarstrukturen, das fünfte Array von Elementarstrukturen und das zweite Array von Elementarstrukturen ein erstes durchgehendes Array von Elementarstrukturen, die sich in eine transversale Richtung erstrecken, und das dritte Array von Elementarstrukturen, das sechste Array von Elementarstrukturen und das vierte Array von Elementarstrukturen bilden ein zweites durchgehendes Array von Elementarstrukturen, die sich in eine transversale Richtung erstrecken.
Bei Ausführungsbeispiel 15, bei dem Drehmomentmesssystem von Ausführungsbeispiel 14, weist das zweite durchgehende Array von Elementarstrukturen eine geometrische Verschiebung relativ zu dem ersten durchgehenden Array von Elementarstrukturen auf, wobei sich die geometrische Verschiebung inkrementell in der transversalen Richtung verändert, die sich von einem inneren Umfang des zweiten durchgehenden Arrays von Elementarstrukturen zu einem äußeren Umfang des zweiten durchgehenden Arrays von Elementarstrukturen erstreckt.
Bei Ausführungsbeispiel 16, bei dem Drehmomentmesssystem der Ausführungsbeispiele 1 bis 15, ferner umfassend einen Sender, ausgebildet, um ein elektromagnetisches Sendesignal in Richtung der ersten gegenseitig gekoppelten Struktur und der zweiten gegenseitig gekoppelten Struktur zu übertragen, wobei die erste gegenseitig gekoppelte Struktur ausgebildet ist, um das elektromagnetische Sendesignal in ein erstes elektromagnetisches Empfangssignal basierend auf einem auf die Rotationswelle ausgeübten Drehmoment, umzuwandeln und die zweite gegenseitig gekoppelte Struktur ist ausgebildet, um das elektromagnetische Sendesignal in ein zweites elektromagnetisches Empfangssignal basierend auf dem auf die Rotationswelle ausgeübten Drehmoment, umzuwandeln; und einen Empfänger, ausgebildet zum Empfangen des ersten elektromagnetischen Empfangssignals und des zweiten elektromagnetischen Empfangssignals, und zum Bestimmen des aus die Rotationswelle ausgeübten Drehmoments, basierend auf dem ersten elektromagnetischen Empfangssignal und dem zweiten elektromagnetischen Empfangssignal.
Bei Ausführungsbeispiel 17, bei dem Drehmomentmesssystem von Ausführungsbeispiel 16, umfasst der Empfänger eine erste Empfangsantenne, ausgebildet zum Empfangen des ersten elektromagnetischen Empfangssignals; eine zweite Empfangsantenne, ausgebildet zum Empfangen des zweiten elektromagnetischen Empfangssignals; und einen Multiplexer, ausgebildet zum schaltbaren Koppeln der ersten Empfangsantenne oder der zweiten Empfangsantenne mit dem Empfänger.
Bei Ausführungsbeispiel 18, bei dem Drehmomentmesssystem von Ausführungsbeispiel 17, umfasst der Sender eine Sendeantenne, ausgebildet zum Übertragen des elektromagnetischen Sendesignals, wobei die Sendeantenne räumlich zwischen der ersten Empfangsantenne und der zweiten Empfangsantenne positioniert ist.
Bei Ausführungsbeispiel 19, bei dem Drehmomentmesssystem von Ausführungsbeispiel 16, ist der Empfänger ausgebildet, um ein Differenzialsignal basierend auf dem ersten elektromagnetischen Empfangssignal und dem zweiten elektromagnetischen Empfangssignal zu erzeugen und das auf die Rotationswelle ausgeübte Drehmoment basierend auf dem Differenzialsignal zu bestimmen.
Bei Ausführungsbeispiel 20, bei dem Drehmomentmesssystem der Ausführungsbeispiele 16 bis 18, ist der Empfänger ausgebildet, um einen Unterschied zwischen dem ersten elektromagnetischen Empfangssignal und dem zweiten elektromagnetischen Empfangssignal zu berechnen und das auf die Rotationswelle ausgeübte Drehmoment, basierend auf dem berechneten Unterschied zu bestimmen.
Bei Ausführungsbeispiel 21, bei dem Drehmomentmesssystem der Ausführungsbeispiele 16 bis 19, veranlasst das auf die Rotationswelle ausgeübte Drehmoment das erste elektromagnetische Empfangssignal, eine erste Phasenverschiebung relativ zu einer Phase des elektromagnetischen Sendesignals aufzuweisen und veranlasst das zweite elektromagnetische Empfangssignal, eine zweite Phasenverschiebung relativ zu der Phase des elektromagnetischen Sendesignals aufzuweisen, und der Empfänger ist ausgebildet, um die erste Phasenverschiebung und die zweite Phasenverschiebung zu bestimmen und um das auf die Rotationswelle ausgeübte Drehmoment, basierend auf der ersten Phasenverschiebung und der zweiten Phasenverschiebung zu bestimmen.
Bei Ausführungsbeispiel 22, bei dem Drehmomentmesssystem von Ausführungsbeispiel 21, ist der Empfänger ausgebildet, um einen Unterschied zwischen der ersten Phasenverschiebung und der zweiten Phasenverschiebung zu bestimmen und um das auf die Rotationswelle ausgeübte Drehmoment basierend auf dem Unterschied zwischen der ersten Phasenverschiebung und der zweiten Phasenverschiebung zu bestimmen.
Bei Ausführungsbeispiel 23, beidem Drehmomentmesssystem der Ausführungsbeispiele 1 bis 22, ferner umfassend einen Sender umfassend zumindest eine Sendeantenne, ausgebildet zum Übertragen eines ersten elektromagnetischen Richtstrahls über Strahlformung in Richtung zu der ersten gegenseitig gekoppelten Struktur, wobei die erste gegenseitig gekoppelte Struktur ausgebildet ist, um den ersten elektromagnetischen Richtstrahl in ein erstes elektromagnetisches Empfangssignal basierend auf einem auf die Rotationswelle ausgeübten Drehmoment umzuwandeln und um einen zweiten elektromagnetischen Richtstrahl über Strahlformung in Richtung zu der zweiten gegenseitig gekoppelten Struktur zu übertragen, wobei die zweite gegenseitig gekoppelte Struktur ausgebildet ist, um den zweiten elektromagnetischen Richtstrahl in ein zweites elektromagnetisches Empfangssignal basierend auf dem auf die Rotationswelle ausgeübten Drehmoment umzuwandeln; und einen Empfänger, umfassend zumindest eine Empfangsantenne, ausgebildet zum Empfangen des ersten elektromagnetischen Empfangssignals und des zweiten elektromagnetischen Empfangssignals, wobei der Empfänger ausgebildet ist zum Bestimmen des auf die Rotationswelle ausgeübten Drehmoments basierend auf dem ersten elektromagnetischen Empfangssignal und dem zweiten elektromagnetischen Empfangssignal.
Bei Ausführungsbeispiel 24, bei dem Drehmomentmesssystem der Ausführungsbeispiele 1 bis 23, ferner umfassend einen Sender umfassend eine erste Sendeantennenausbildung, ausgebildet zum Übertragen eines ersten elektromagnetischen Sendesignals in Richtung der ersten gegenseitig gekoppelten Struktur, wobei die erste gegenseitig gekoppelte Struktur ausgebildet ist, um das erste elektromagnetische Sendesignal in ein erstes elektromagnetisches Empfangssignal basierend auf einem auf die Rotationswelle ausgeübten Drehmoment umzuwandeln, und eine zweite Sendeantennenausbildung, ausgebildet zum Übertragen eines zweiten elektromagnetischen Sendesignals in Richtung der zweiten gegenseitig gekoppelten Struktur, wobei die zweite gegenseitig gekoppelte Struktur ausgebildet ist, um das zweite elektromagnetische Sendesignal in ein zweites elektromagnetisches Empfangssignal basierend auf dem auf die Rotationswelle ausgeübten Drehmoment umzuwandeln; und einen Empfänger, umfassend zumindest eine Empfangsantenne, ausgebildet zum Empfangen des ersten elektromagnetischen Empfangssignals und des zweiten elektromagnetischen Empfangssignals, wobei der Empfänger ausgebildet ist zum Bestimmen des auf die Rotationswelle ausgeübten Drehmoments basierend auf dem ersten elektromagnetischen Empfangssignal und dem zweiten elektromagnetischen Empfangssignal.
Bei Ausführungsbeispiel 25, bei dem Drehmomentmesssystem von Ausführungsbeispiel 24, umfasst der Sender ferner einen Multiplexer, ausgebildet zum schaltbaren Koppeln der ersten Sendeantennenausbildung oder der zweiten Sendeantennenausbildung mit dem Sender.
Ausführungsbeispiel 26 ist ein Verfahren zum Bestimmen eines auf eine drehbare Welle ausgeübten Drehmoments, das Verfahren umfassend Übertragen von elektromagnetischen Sendesignalen in Richtung einer ersten gegenseitig gekoppelten Struktur und einer zweiten gegenseitig gekoppelten Struktur, die mechanisch mit der drehbaren Welle gekoppelt sind; Umwandeln eines Ersten der elektromagnetischen Sendesignale in ein erstes elektromagnetisches Empfangssignal durch die erste gegenseitig gekoppelte Multi-Bahn-Struktur; Umwandeln eines Zweiten der elektromagnetischen Sendesignale in ein zweites elektromagnetisches Empfangssignal durch die zweite gegenseitig gekoppelte Multi-Bahn-Struktur; Empfangen des ersten elektromagnetischen Empfangssignals und des zweiten elektromagnetischen Empfangssignals in einer Zeitmultiplex-Weise; Bewerten des empfangenen ersten elektromagnetischen Empfangssignals und des empfangenen zweiten elektromagnetischen Empfangssignals; und Bestimmen des auf die drehbare Welle ausgeübten Drehmoments, basierend auf dem bewerteten ersten elektromagnetischen Empfangssignal und dem bewerteten zweiten elektromagnetischen Empfangssignal.
Bei Ausführungsbeispiel 27, bei dem Verfahren von Ausführungsbeispiel 26, weist das erste elektromagnetische Empfangssignal eine erste Eigenschaft auf, abhängig von einem Betrag des auf die drehbare Welle ausgeübten Drehmoments, das zweite elektromagnetische Empfangssignal weist eine zweite Eigenschaft auf, abhängig von dem Betrag des auf die drehbare Welle ausgeübten Drehmoments, Bewerten des empfangenen ersten elektromagnetischen Empfangssignals und des empfangenen zweiten elektromagnetischen Empfangssignals umfasst das Bestimmen eines Unterschied zwischen der ersten Eigenschaft und der zweiten Eigenschaft, und Bestimmen des auf die drehbare Welle ausgeübten Drehmoments, umfasst das Bestimmen des auf die drehbare Welle ausgeübten Drehmoments, basierend auf dem bestimmten Unterschied.
Ausführungsbeispiel 28 ist eine Drehmomentmesssystem, umfassend eine erste drehbare Trägerstruktur, die mechanisch mit einer Rotationswelle gekoppelt ist und ausgebildet ist zum Rotieren um eine Rotationsachse in einer Rotationsrichtung; eine zweite drehbare Trägerstruktur, die mechanisch mit der Rotationswelle gekoppelt ist und ausgebildet ist zum Rotieren um die Rotationsachse in der Rotationsrichtung, wobei die zweite drehbare Trägerstruktur von der ersten drehbaren Trägerstruktur beabstandet ist; eine erste gegenseitig gekoppelte Struktur, umfassend eine erste Bahn, die mechanisch mit der ersten drehbaren Trägerstruktur gekoppelt ist und eine zweite Bahn, die mechanisch mit der zweiten drehbaren Trägerstruktur gekoppelt ist, wobei die erste Bahn und die zweite Bahn durch eine erste drehmomentabhängige Kopplung miteinander gekoppelt sind; eine zweite gegenseitig gekoppelte Struktur, umfassend eine dritte Bahn, die mechanisch mit der ersten drehbaren Trägerstruktur gekoppelt ist und eine vierte Bahn, die mechanisch mit der zweiten drehbaren Trägerstruktur gekoppelt ist, wobei die dritte Bahn und die vierte Bahn durch eine zweite drehmomentabhängige Kopplung miteinander gekoppelt sind, wobei, als Antwort auf eine Rotation der Rotationswelle, die erste drehmomentabhängige Kopplung zur Zunahme ausgebildet ist und die zweite drehmomentabhängige Kopplung zur Abnahme ausgebildet ist.
Bei Ausführungsbeispiel 29, bei dem Drehmomentmesssystem von Ausführungsbeispiel 28, umfasst die erste Bahn ein erstes Array von Metamaterial-Strukturen, die zweite Bahn umfasst ein zweites Array von Metamaterial-Strukturen, die dritte Bahn umfasst ein drittes Array von Metamaterial-Strukturen, die vierte Bahn umfasst ein viertes Array von Metamaterial-Strukturen.
Bei Ausführungsbeispiel 30, bei dem Drehmomentmesssystem der Ausführungsbeispiele 28 bis 29, umfassen die erste drehmomentabhängige Kopplung und die zweite drehmomentabhängige Kopplung jeweils zumindest eine aus einer elektrischen Feldkopplung oder einer magnetischen Feldkopplung.
Bei Ausführungsbeispiel 31, ein Drehmomentmesssystem, umfassend eine erste drehbare Trägerstruktur, die mechanisch mit einer Rotationswelle gekoppelt ist und ausgebildet ist zum Rotieren um eine Rotationsachse in einer Rotationsrichtung; eine zweite drehbare Trägerstruktur, die mechanisch mit der Rotationswelle gekoppelt ist und ausgebildet ist zum Rotieren um die Rotationsachse in der Rotationsrichtung, wobei die zweite drehbare Trägerstruktur von der ersten drehbaren Trägerstruktur beabstandet ist; eine erste Metamaterialbahn, die mit der ersten drehbaren Trägerstruktur gekoppelt ist, wobei die erste Metamaterialbahn außerhalb der Rotationsachse angeordnet ist, und wobei die erste Metamaterialbahn ein erstes Array von Elementarstrukturen aufweist; eine zweite Metamaterialbahn, die mit der zweiten drehbaren Trägerstruktur gekoppelt ist, wobei die zweite Metamaterialbahn außerhalb der Rotationsachse angeordnet ist, und wobei die zweite Metamaterialbahn ein zweites Array von Elementarstrukturen aufweist, wobei die erste Metamaterialbahn und die zweite Metamaterialbahn gegenseitig miteinander durch eine erste drehmomentabhängige Kopplung gekoppelt sind, wodurch eine erste gegenseitig gekoppelte Struktur gebildet wird; zumindest einen Sender, ausgebildet zum Senden eines ersten elektromagnetischen Sendesignals in Richtung der ersten gegenseitig gekoppelten Struktur, wobei die erste gegenseitig gekoppelte Struktur angeordnet ist, um das erste elektromagnetische Sendesignal in ein erstes elektromagnetisches Empfangssignal basierend auf einem auf die Rotationswelle ausgeübten Drehmoment umzuwandeln; und zumindest einen Empfänger, ausgebildet zum Empfangen des ersten elektromagnetischen Empfangssignals.
Bei Ausführungsbeispiel 32, bei dem Drehmomentmesssystem von Ausführungsbeispiel 31, sind die erste Metamaterialbahn und die zweite Metamaterialbahn beabstandet durch einen ersten vorbestimmten Abstand.
Bei Ausführungsbeispiel 33, bei dem Drehmomentmesssystem von Ausführungsbeispiel 32, ist die erste drehbare Trägerstruktur mechanisch mit der Rotationswelle an einem ersten Befestigungspunkt gekoppelt und die zweite drehbare Trägerstruktur ist mechanisch mit der Rotationswelle an einem zweiten Befestigungspunkt befestigt, und der erste Befestigungspunkt und der zweite Befestigungspunkt sind durch einen zweiten vorbestimmten Abstand voneinander beabstandet, der größer als der erste vorbestimmte Abstand ist.
Bei Ausführungsbeispiel 34, bei dem Drehmomentmesssystem der Ausführungsbeispiele 32 bis 33, ferner umfassend einen flexiblen Abstandhalter zwischen der ersten drehbaren Trägerstruktur und der zweiten drehbaren Trägerstruktur, wobei der flexible Abstandhalter den ersten vorbestimmten Abstand bestimmt.
Bei Ausführungsbeispiel 35, bei dem Drehmomentmesssystem der Ausführungsbeispiele 31 bis 34, beeinträchtigt die erste drehmomentabhängige Kopplung eine mm-Wellen-Eigenschaft der ersten gegenseitig gekoppelten Struktur, sodass sich die mm-Wellen-Eigenschaft basierend auf dem auf die Rotationswelle ausgeübten Drehmoment ändert.
Bei Ausführungsbeispiel 36, bei dem Drehmomentmesssystem von Ausführungsbeispiel 35, umfasst die erste drehmomentabhängige Kopplung zumindest eine aus kapazitive Nahfeldkopplung, induktive Nahfeldkopplung, Wellenleiterkopplung oder Fernfeldkopplung.
Bei Ausführungsbeispiel 37, bei dem Drehmomentmesssystem der Ausführungsbeispiele 35 bis 36, ist die erste gegenseitig gekoppelte Struktur ausgebildet, um das erste elektromagnetische Sendesignal basierend auf der ersten drehmomentabhängigen Kopplung zu modifizieren, wodurch das erste elektromagnetische Empfangssignal erzeugt wird, umfassend eine erste Eigenschaft, die einzigartig für das auf die Rotationswelle ausgeübte Drehmoment ist, und das Drehmomentmesssystem ferner zumindest einen Prozessor umfasst, der ausgebildet ist zum Bestimmen des auf die Rotationswelle ausgeübten Drehmoments, basierend auf dem empfangenen ersten elektromagnetischen Empfangssignal, wobei der zumindest eine Prozessor ausgebildet ist, um die erste Eigenschaft des empfangenen ersten elektromagnetischen Empfangssignals zu bestimmen, und um das auf die Rotationswelle ausgeübte Drehmoment zu bestimmen, basierend auf der bewerteten ersten Eigenschaft.
Bei Ausführungsbeispiel 38, bei dem Drehmomentmesssystem der Ausführungsbeispiele 31 bis 37, als Antwort auf das auf die Rotationswelle ausgeübte Drehmoment, sind die erste Metamaterialbahn und die zweite mm-Wellen-Metamaterialbahn ausgebildet, um mit sich unterscheidenden Beträgen um die Rotationsachse zu rotieren, was eine drehmomentabhängige Verschiebung der Winkelposition zwischen der ersten Metamaterialbahn und der zweiten Metamaterialbahn verursacht und zu einer drehmomentabhängigen Änderung der ersten drehmomentabhängigen Kopplung führt.
Bei Ausführungsbeispiel 39, bei dem Drehmomentmesssystem der Ausführungsbeispiele 31 bis 38, ist die erste Metamaterialbahn zumindest teilweise um die Rotationsachse angeordnet und ein Kopplungseffekt zwischen Elementarstrukturen des ersten Arrays von Elementarstrukturen ist konstant um einen Umfang der ersten Metamaterialbahn, und die zweite Metamaterialbahn ist zumindest teilweise um die Rotationsachse angeordnet und ein Kopplungseffekt zwischen Elementarstrukturen des zweiten Arrays von Elementarstrukturen ist konstant um einen Umfang der zweiten Metamaterialbahn.
Bei Ausführungsbeispiel 40, bei dem Drehmomentmesssystem der Ausführungsbeispiele 31 bis 39, ist die erste gegenseitig gekoppelte Struktur ausgebildet, um das erste elektromagnetische Sendesignal in das erste Empfangssignal basierend auf der ersten drehmomentabhängigen Kopplung durch zumindest eine aus teilweiser Reflexion oder teilweiser Absorption umzuwandeln, und das erste elektromagnetische Empfangssignal entweder ein teilweise reflektiertes Signal des ersten Sendesignals ist, das durch die erste gegenseitig gekoppelte Struktur reflektiert wird, oder ein teilweise gesendetes Signal des ersten Sendesignals ist, das durch die erste gegenseitig gekoppelte Struktur verläuft.
Bei Ausführungsbeispiel 41, bei dem Drehmomentmesssystem der Ausführungsbeispiele 31 bis 40, ferner umfassend zumindest einen Prozessor, ausgebildet zum Bestimmen des auf die Rotationswelle ausgeübten Drehmoments, basierend auf dem empfangenen ersten elektromagnetischen Empfangssignal.
Bei Ausführungsbeispiel 42, bei dem Drehmomentmesssystem von Ausführungsbeispiel 41, ist der Empfänger ausgebildet, um das empfangene erste elektromagnetische Empfangssignal zu demodulieren, um ein demoduliertes Signal zu erzeugen, und der zumindest eine Prozessor ist ausgebildet, um eine Eigenschaft des empfangenen ersten elektromagnetischen Empfangssignals unter Verwendung von zumindest einer aus Phasenanalyse, Amplitudenanalyse oder Spektralanalyse, zu bestimmen, und um das auf die drehbare Welle ausgeübte Drehmoment zu bestimmen, basierend auf der bewerteten Eigenschaft.
Bei Ausführungsbeispiel 43, bei dem Drehmomentmesssystem der Ausführungsbeispiele 31 bis 42, ferner umfassend eine dritte Metamaterialbahn, die mit der ersten drehbaren Trägerstruktur gekoppelt ist, wobei die dritte Metamaterialbahn um die Rotationsachse angeordnet ist, und wobei die dritte Metamaterialbahn ein drittes Array von Elementarstrukturen aufweist, wobei der zumindest eine Sender ausgebildet ist, um ein zweites elektromagnetisches Sendesignal an der dritten Metamaterialbahn zu senden, wobei die dritte Metamaterialbahn angeordnet ist, um das zweite elektromagnetische Sendesignal in ein zweites elektromagnetisches Empfangssignal umzuwandeln, den zumindest einen Empfänger, ausgebildet zum Empfangen des zweiten elektromagnetischen Empfangssignals.
Bei Ausführungsbeispiel 44, bei dem Drehmomentmesssystem von Ausführungsbeispiel 43, ist die dritte Metamaterialbahn ausgebildet, um das zweite elektromagnetische Sendesignal zu modifizieren, wodurch das zweite elektromagnetische Empfangssignal erzeugt wird, aufweisend eine Eigenschaft, die einzigartig für eine Winkelposition der dritten mm-Wellen-Metamaterialbahn ist, bei der das zweite elektromagnetische Sendesignal auftrifft, und das Drehmomentmesssystem umfasst ferner zumindest einen Prozessor, der ausgebildet ist zum Bewerten der Eigenschaft des empfangenen zweiten elektromagnetischen Empfangssignals und zum Bestimmen einer ersten Rotationsposition der ersten drehbaren Trägerstruktur basierend auf der bewerteten Eigenschaft.
Bei Ausführungsbeispiel 45, bei dem Drehmomentmesssystem der Ausführungsbeispiele 43 bis 44, ferner umfassend zumindest einen Prozessor, der ausgebildet ist zum Bestimmen einer ersten Positionsänderung der ersten drehbaren Trägerstruktur basierend auf dem zweiten elektromagnetischen Empfangssignal.
Bei Ausführungsbeispiel 46, bei dem Drehmomentmesssystem von Ausführungsbeispiel 45, ferner umfassend eine vierte mm-Wellen-Metamaterialbahn, die mit der zweiten drehbaren Trägerstruktur gekoppelt ist, wobei die vierte Metamaterialbahn um die Rotationsachse angeordnet ist, und wobei die vierte Metamaterialbahn ein viertes Array von Elementarstrukturen aufweist, wobei der zumindest eine Sender ausgebildet ist, um ein drittes elektromagnetisches Sendesignal an der vierten Metamaterialbahn zu senden, wobei die vierte Metamaterialbahn angeordnet ist, um das dritte elektromagnetische Sendesignal in ein drittes elektromagnetisches Empfangssignal umzuwandeln, den zumindest einen Empfänger, ausgebildet zum Empfangen des dritten elektromagnetischen Empfangssignals, und den zumindest einen Prozessor, ausgebildet, um eine zweite Positionsänderung der zweiten drehbaren Trägerstruktur basierend auf dem dritten elektromagnetischen Empfangssignal zu bestimmen.
Bei Ausführungsbeispiel 47, bei dem Drehmomentmesssystem von Ausführungsbeispiel 46, ist der zumindest eine Prozessor ferner ausgebildet zum Bestimmen einer Änderung eines Rotationsunterschieds zwischen der ersten drehbaren Trägerstruktur und der zweiten drehbaren Trägerstruktur basierend auf der ersten Positionsänderung und der zweiten Positionsänderung.
Bei Ausführungsbeispiel 48, bei dem Drehmomentmesssystem von Ausführungsbeispiel 47, ist der zumindest eine Prozessor ausgebildet, um das auf die Rotationswelle ausgeübte Drehmoment basierend auf dem bestimmten Rotationsunterschied zu bestimmen.
Bei Ausführungsbeispiel 49, bei dem Drehmomentmesssystem der Ausführungsbeispiele 31 bis 48, ferner umfassend eine dritte Metamaterialbahn, die mit der ersten drehbaren Trägerstruktur gekoppelt ist, wobei die dritte Metamaterialbahn um die Rotationsachse angeordnet ist, und wobei die dritte Metamaterialbahn ein drittes Array von Elementarstrukturen aufweist; eine vierte Metamaterialbahn, die mit der zweiten drehbaren Trägerstruktur gekoppelt ist, wobei die vierte Metamaterialbahn um die Rotationsachse angeordnet ist, und wobei die vierte Metamaterialbahn ein viertes Array von Elementarstrukturen aufweist, wobei die dritte Metamaterialbahn und die vierte Metamaterialbahn gegenseitig miteinander durch eine zweite drehmomentabhängige Kopplung gekoppelt sind, wodurch eine zweite gegenseitig gekoppelte Struktur gebildet wird, wobei der zumindest eine Sender ausgebildet ist zum Senden eines zweiten elektromagnetischen Sendesignals in Richtung der zweiten gegenseitig gekoppelten Struktur, wobei die zweite gegenseitig gekoppelte Struktur angeordnet ist, um das zweite elektromagnetische Sendesignal in ein zweites elektromagnetisches Empfangssignal basierend auf dem auf die Rotationswelle ausgeübten Drehmoment, umzuwandeln wobei der zumindest eine Empfänger ausgebildet ist, um das zweite elektromagnetische Empfangssignal zu empfangen; und zumindest einen Prozessor, der ausgebildet ist zum Bestimmen des auf die Rotationswelle ausgeübten Drehmoments, basierend auf dem empfangenen ersten elektromagnetischen Empfangssignal und dem empfangenen zweiten elektromagnetischen Empfangssignal.
Bei Ausführungsbeispiel 50, bei dem Drehmomentmesssystem von Ausführungsbeispiel 49, ferner umfassend zumindest eine erste Isolationsbahn, die mit der ersten drehbaren Trägerstruktur gekoppelt ist und positioniert zwischen der ersten Metamaterialbahn und der dritten Metamaterialbahn, wobei die zumindest eine erste Isolationsbahn ausgebildet ist, um die erste Metamaterialbahn von der dritten Metamaterialbahn zu isolieren; und zumindest eine zweite Isolationsbahn, die mit der zweiten drehbaren Trägerstruktur gekoppelt ist und positioniert zwischen der zweiten Metamaterialbahn und der vierten Metamaterialbahn, wobei die zumindest eine zweite Isolationsbahn ausgebildet ist, um die zweite Metamaterialbahn von der vierten Metamaterialbahn zu isolieren.
Ausführungsbeispiel 51 ist ein Verfahren zum Bestimmen eines auf eine drehbare Welle ausgeübten Drehmoments, das Verfahren umfassend Senden eines ersten elektromagnetischen Sendesignals in Richtung einer ersten gegenseitig gekoppelten Struktur, die mechanisch mit der drehbaren Welle gekoppelt ist, Umwandeln des ersten elektromagnetischen Sendesignals in ein erstes elektromagnetisches Empfangssignal durch die erste gegenseitig gekoppelte Multi-Bahn-Struktur; Empfangen des ersten elektromagnetischen Empfangssignals; Bewerten des empfangenen ersten elektromagnetischen Empfangssignals; und Bestimmen des auf die drehbare Welle ausgeübten Drehmoments, basierend auf dem bewerteten ersten elektromagnetischen Empfangssignal.
Bei Ausführungsbeispiel 52, bei dem Verfahren von Ausführungsbeispiel 51, weist das erste elektromagnetische Empfangssignal eine erste Eigenschaft auf, abhängig von einem Betrag des auf die drehbare Welle ausgeübten Drehmoments, Bewerten des empfangenen ersten elektromagnetischen Empfangssignals umfasst eine Bewertung der ersten Eigenschaft des empfangenen ersten elektromagnetischen Empfangssignals, und Bestimmen des auf die drehbare Welle ausgeübten Drehmoments, umfasst das Bestimmen des auf die drehbare Welle ausgeübten Drehmoments, basierend auf der bewerteten ersten Eigenschaft.
Bei Ausführungsbeispiel 53, bei dem Verfahren der Ausführungsbeispiele 51 bis 52, umfasst die erste gegenseitig gekoppelte Struktur eine erste Metamaterialbahn, die außerhalb einer Rotationsachse angeordnet ist, um die die drehbare Welle rotiert, und eine zweite Metamaterialbahn, außerhalb der Rotationsachse angeordnet und beabstandet von der ersten Metamaterialbahn, und die erste Metamaterialbahn und die zweite Metamaterialbahn sind gegenseitig miteinander durch eine erste drehmomentabhängige Kopplung gekoppelt, wodurch die erste gegenseitig gekoppelte Struktur gebildet wird.
Bei Ausführungsbeispiel 54, bei dem Verfahren gemäß von Ausführungsbeispiel 53, beeinträchtigt die erste drehmomentabhängige Kopplung eine mm-Wellen-Eigenschaft der ersten gegenseitig gekoppelten Struktur , sodass sich die mm-Wellen-Eigenschaft basierend auf dem auf die Rotationswelle ausgeübten Drehmoment ändert.
Bei Ausführungsbeispiel 55, bei dem Verfahren der Ausführungsbeispiele 53 bis 54, umfasst Umwandeln des ersten elektromagnetische Sendesignals in das erste elektromagnetische Empfangssignal das Modifizieren des ersten elektromagnetischen Sendesignals basierend auf der ersten drehmomentabhängigen Kopplung, wodurch das erste elektromagnetische Empfangssignal erzeugt wird, umfassend eine erste Eigenschaft, die einzigartig für das auf die Rotationswelle ausgeübte Drehmoment ist, Bewerten des empfangenen ersten elektromagnetischen Empfangssignals umfasst eine Bewertung der ersten Eigenschaft des empfangenen ersten elektromagnetischen Empfangssignals, und Bestimmen des auf die Rotationswelle ausgeübten Drehmoments umfasst das Bestimmen des auf die Rotationswelle ausgeübten Drehmoments, basierend auf der bestimmten ersten Eigenschaft.
Bei Ausführungsbeispiel 56, bei dem Verfahren von Ausführungsbeispiel 55, wobei ein Bewerten des empfangenen ersten elektromagnetischen Empfangssignals ein Demodulieren des empfangenen ersten elektromagnetischen Empfangssignals umfasst, um ein demoduliertes Signal zu erzeugen, und ein Bewerten der ersten Eigenschaft des demodulierten Signals unter Verwendung von einer aus Phasenanalyse, Amplitudenanalyse oder Spektralanalyse.

Claims

Ein Drehmoment-Messsystem, umfassend: eine erste drehbare Trägerstruktur, die mechanisch mit einer Rotationswelle gekoppelt ist und zum Rotieren um eine Rotationsachse in einer Rotationsrichtung ausgebildet ist; eine zweite drehbare Trägerstruktur, die mechanisch mit der Rotationswelle gekoppelt ist und zum Rotieren um die Rotationsachse in der Rotationsrichtung ausgebildet ist, wobei die zweite drehbare Trägerstruktur von der ersten drehbaren Trägerstruktur beabstandet ist; eine erste Metamaterialbahn, die mit der ersten drehbaren Trägerstruktur gekoppelt ist, wobei die erste Metamaterialbahn außerhalb der Rotationsachse angeordnet ist, und wobei die erste Metamaterialbahn ein erstes Array von Elementarstrukturen aufweist; eine zweite Metamaterialbahn, die mit der zweiten drehbaren Trägerstruktur gekoppelt ist, wobei die zweite Metamaterialbahn außerhalb der Rotationsachse angeordnet ist, und wobei die zweite Metamaterialbahn ein zweites Array von Elementarstrukturen aufweist, wobei die erste Metamaterialbahn und die zweite Metamaterialbahn gegenseitig miteinander durch eine erste drehmomentabhängige Kopplung gekoppelt sind, wodurch eine erste gegenseitig gekoppelte Struktur gebildet wird; zumindest einen Sender, ausgebildet zum Senden eines ersten elektromagnetischen Sendesignals in Richtung der ersten gegenseitig gekoppelten Struktur, wobei die erste gegenseitig gekoppelte Struktur angeordnet ist, um das erste elektromagnetische Sendesignal in ein erstes elektromagnetisches Empfangssignal basierend auf einem auf die Rotationswelle ausgeübten Drehmoment umzuwandeln; und zumindest einen Empfänger, ausgebildet zum Empfangen des ersten elektromagnetischen Empfangssignals.
Das Drehmomentmesssystem gemäß Anspruch 1, wobei die erste Metamaterialbahn und die zweite Metamaterialbahn durch einen ersten vorbestimmten Abstand beabstandet sind.
Das Drehmoment-Messsystem gemäß Anspruch 2, wobei: die erste drehbare Trägerstruktur mechanisch mit der Rotationswelle an einem ersten Befestigungspunkt gekoppelt ist und die zweite drehbare Trägerstruktur mechanisch mit der Rotationswelle an einem zweiten Befestigungspunkt befestigt ist, und der erste Befestigungspunkt und der zweite Befestigungspunkt durch einen zweiten vorbestimmten Abstand voneinander beabstandet sind, der größer als der erste vorbestimmte Abstand ist.
Das Drehmomentmesssystem gemäß Anspruch 2 oder 3, ferner umfassend: einen flexiblen Abstandhalter zwischen der ersten drehbaren Trägerstruktur und der zweiten drehbaren Trägerstruktur, wobei der flexible Abstandhalter den ersten vorbestimmten Abstand definiert.
Das Drehmomentmesssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste drehmomentabhängige Kopplung eine mm-Wellen-Eigenschaft der ersten drehbaren Trägerstruktur beeinträchtigt, sodass sich die mm-Wellen-Eigenschaft basierend auf dem auf die Rotationswelle ausgeübten Drehmoment ändert.
Das Drehmomentmesssystem gemäß Anspruch 5, wobei die erste drehmomentabhängige Kopplung zumindest eine aus kapazitive Nahfeldkopplung, induktive Nahfeldkopplung, Wellenleiterkopplung oder Fernfeldkopplung umfasst.
Das Drehmomentmesssystem gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei: die erste gegenseitig gekoppelte Struktur ausgebildet ist, um das erste elektromagnetische Sendesignal basierend auf der ersten drehmomentabhängigen Kopplung zu modifizieren, wodurch das erste elektromagnetische Empfangssignal erzeugt wird, umfassend eine erste Eigenschaft, die einzigartig für das auf die Rotationswelle ausgeübte Drehmoment ist, und das Drehmomentmesssystem ferner zumindest einen Prozessor umfasst, der ausgebildet ist zum Bestimmen des auf die Rotationswelle ausgeübten Drehmoments, basierend auf dem empfangenen ersten elektromagnetischen Empfangssignal, wobei der zumindest eine Prozessor ausgebildet ist, um die erste Eigenschaft des empfangenen ersten elektromagnetischen Empfangssignals zu bestimmen, und um das auf die Rotationswelle ausgeübte Drehmoment zu bestimmen, basierend auf der bewerteten ersten Eigenschaft.
Das Drehmomentmesssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei, als Antwort auf das auf die Rotationswelle ausgeübte Drehmoment, die erste Metamaterialbahn und die zweite mm-Wellen-Metamaterialbahn ausgebildet sind, um mit sich unterscheidenden Beträgen um die Rotationsachse zu rotieren, was eine drehmomentabhängige Verschiebung der Winkelposition zwischen der ersten Metamaterialbahn und der zweiten Metamaterialbahn verursacht und zu einer drehmomentabhängigen Änderung der ersten drehmomentabhängigen Kopplung führt.
Das Drehmomentmesssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei: die erste Metamaterialbahn zumindest teilweise um die Rotationsachse angeordnet ist und ein Kopplungseffekt zwischen Elementarstrukturen des ersten Arrays von Elementarstrukturen konstant um einen Umfang der ersten Metamaterialbahn ist, und die zweite Metamaterialbahn zumindest teilweise um die Rotationsachse angeordnet ist und ein Kopplungseffekt zwischen Elementarstrukturen des zweiten Arrays von Elementarstrukturen konstant um einen Umfang der zweiten Metamaterialbahn ist.
Das Drehmomentmesssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei: die erste gegenseitig gekoppelte Struktur ausgebildet ist, um das erste elektromagnetische Sendesignal in das erste Empfangssignal basierend auf der ersten drehmomentabhängigen Kopplung durch zumindest eine aus teilweiser Reflexion oder teilweiser Absorption umzuwandeln, und das erste elektromagnetische Empfangssignal entweder ein teilweise reflektiertes Signal des ersten Sendesignals ist, das durch die erste gegenseitig gekoppelte Struktur reflektiert wird, oder ein teilweise gesendetes Signal des ersten Sendesignals ist, das durch die erste gegenseitig gekoppelte Struktur verläuft.
Das Drehmomentmesssystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner umfassend: zumindest einen Prozessor, ausgebildet zum Bestimmen des auf die Rotationswelle ausgeübten Drehmoments, basierend auf dem empfangenen ersten elektromagnetischen Empfangssignal.
Das Drehmomentmesssystem gemäß Anspruch 11, wobei: der Empfänger ausgebildet ist, um das empfangene erste elektromagnetische Empfangssignal zu demodulieren, um ein demoduliertes Signal zu erzeugen, und der zumindest eine Prozessor ausgebildet ist, um eine Eigenschaft des empfangenen ersten elektromagnetischen Empfangssignals unter Verwendung von zumindest einer aus Phasenanalyse, Amplitudenanalyse oder Spektralanalyse, zu bestimmen, und um das auf die drehbare Welle ausgeübte Drehmoment zu bestimmen, basierend auf der bewerteten Eigenschaft.
Ein Verfahren zum Bestimmen eines Drehmoments, ausgeübt auf eine drehbare Welle, das Verfahren umfassend: Senden eines ersten elektromagnetischen Sendesignals in Richtung einer ersten gegenseitig gekoppelten Struktur, die mechanisch mit der drehbaren Welle, gekoppelt ist Umwandeln des ersten elektromagnetischen Sendesignals in ein erstes elektromagnetisches Empfangssignal durch die erste gegenseitig gekoppelte Multi-Bahn-Struktur; Empfangen des ersten elektromagnetischen Empfangssignals; Bewerten des empfangenen ersten elektromagnetischen Empfangssignals; und Bestimmen des auf die drehbare Welle ausgeübten Drehmoments, basierend auf dem bewerteten ersten elektromagnetischen Empfangssignal.
Ein Drehmoment-Messsystem, umfassend: eine erste drehbare Trägerstruktur, die mit einer Rotationswelle mechanisch gekoppelt ist und ausgebildet ist zum Rotieren um eine Rotationsachse in einer Rotationsrichtung; eine zweite drehbare Trägerstruktur, die mit der Rotationswelle mechanisch gekoppelt ist und ausgebildet ist zum Rotieren um die Rotationsachse in der Rotationsrichtung, wobei die zweite drehbare Trägerstruktur von der ersten drehbaren Trägerstruktur beabstandet ist; eine erste Metamaterialbahn, die mit der ersten drehbaren Trägerstruktur mechanisch gekoppelt ist, wobei die erste Metamaterialbahn ein erstes Array von Elementarstrukturen aufweist; eine zweite Metamaterialbahn, die mit der ersten drehbaren Trägerstruktur mechanisch gekoppelt ist, wobei die zweite Metamaterialbahn ein zweites Array von Elementarstrukturen aufweist; eine dritte Metamaterialbahn, die mit der zweiten drehbaren Trägerstruktur mechanisch gekoppelt ist, wobei die dritte Metamaterialbahn ein drittes Array von Elementarstrukturen aufweist, die geometrisch in einer ersten Umfangsrichtung relativ zu dem ersten Array von Elementarstrukturen verschoben sind, wenn kein Drehmoment auf die Rotationswelle ausgeübt wird, und eine vierte Metamaterialbahn, die mit der zweiten drehbaren Trägerstruktur mechanisch gekoppelt ist, wobei die vierte Metamaterialbahn ein viertes Array von Elementarstrukturen aufweist, die geometrisch in einer zweiten Umfangsrichtung relativ zu dem zweiten Array von Elementarstrukturen verschoben sind, wenn kein Drehmoment auf die Rotationswelle ausgeübt wird, wobei die zweite Umfangsrichtung in Gegenrichtung zu der ersten Umfangsrichtung ist, wobei die erste Metamaterialbahn und die dritte Metamaterialbahn gegenseitig miteinander durch eine erste drehmomentabhängige Kopplung gekoppelt sind, wodurch eine erste gegenseitig gekoppelte Struktur gebildet wird, und wobei die zweite Metamaterialbahn und die vierte Metamaterialbahn gegenseitig miteinander durch eine zweite drehmomentabhängige Kopplung gekoppelt sind, wodurch eine zweite gegenseitig gekoppelte Struktur gebildet wird.
Das Drehmomentmesssystem gemäß Anspruch 14, wobei: die zweite drehbare Trägerstruktur von der ersten drehbaren Trägerstruktur in einer axialen Richtung beabstandet ist, und die erste Metamaterialbahn und die zweite Metamaterialbahn durch einen Zwischenraum beabstandet sind, der durch einen radialen Abstand, entlang einer radialen Richtung bestimmt ist.
Das Drehmomentmesssystem gemäß Anspruch 15, wobei: die erste Metamaterialbahn und die zweite Metamaterialbahn konzentrisch sind, die dritte Metamaterialbahn und die vierte Metamaterialbahn konzentrisch sind, die erste Metamaterialbahn kongruent mit der dritten Metamaterialbahn ist, und die zweite Metamaterialbahn kongruent mit der vierten Metamaterialbahn ist.
Das Drehmomentmesssystem gemäß einem der Ansprüche 14 oder 16, wobei: die zweite drehbare Trägerstruktur von der ersten drehbaren Trägerstruktur in einer radialen Richtung beabstandet ist, und die erste Metamaterialbahn und die zweite Metamaterialbahn durch einen Zwischenraum beabstandet sind, der durch einen axialen Abstand, der sich parallel zu einer axialen Richtung erstreckt, bestimmt ist.
Das Drehmomentmesssystem gemäß Anspruch 17, wobei: die erste Metamaterialbahn kongruent mit der zweiten Metamaterialbahn ist, und die dritte Metamaterialbahn kongruent mit der vierten Metamaterialbahn ist die erste Metamaterialbahn und die dritte Metamaterialbahn konzentrisch sind, die zweite Metamaterialbahn und die vierte Metamaterialbahn konzentrisch sind.
Das Drehmomentmesssystem gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei die erste Umfangsrichtung eine Richtung im Uhrzeigersinn ist und die zweite Umfangsrichtung eine Richtung gegen den Uhrzeigersinn ist.
Das Drehmomentmesssystem gemäß einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei: das erste Array von Elementarstrukturen teilweise mit dem dritten Array von Elementarstrukturen gemäß einer ersten geometrischen Verschiebung in der ersten Umfangsrichtung überlappt, wenn kein Drehmoment auf die Rotationswelle ausgeübt wird, und das zweite Array von Elementarstrukturen teilweise mit dem vierten Array von Elementarstrukturen gemäß einer zweiten geometrischen Verschiebung in der zweiten Umfangsrichtung überlappt, wenn kein Drehmoment auf die Rotationswelle ausgeübt wird.
Das Drehmomentmesssystem gemäß Anspruch 20, wobei, als Antwort auf ein auf die Rotationswelle ausgeübtes Drehmoment: die erste geometrische Verschiebung abnimmt, sodass die erste drehmomentabhängige Kopplung zwischen dem ersten Array von Elementarstrukturen und dem dritten Array von Elementarstrukturen zunimmt, und die zweite geometrische Verschiebung zunimmt, sodass die zweite drehmomentabhängige Kopplung zwischen dem zweiten Array von Elementarstrukturen und dem vierten Array von Elementarstrukturen abnimmt.
Das Drehmomentmesssystem gemäß einem der Ansprüche 14 bis 21, ferner umfassend: einen Sender umfassend zumindest eine Sendeantenne, ausgebildet zum Übertragen eines ersten elektromagnetischen Richtstrahls über Strahlformung in Richtung zu der ersten gegenseitig gekoppelten Struktur, wobei die erste gegenseitig gekoppelte Struktur ausgebildet ist, um den ersten elektromagnetischen Richtstrahl in ein erstes elektromagnetisches Empfangssignal basierend auf einem auf die Rotationswelle ausgeübten Drehmoment umzuwandeln und um einen zweiten elektromagnetischen Richtstrahl über Strahlformung in Richtung zu der zweiten gegenseitig gekoppelten Struktur zu übertragen, wobei die zweite gegenseitig gekoppelte Struktur ausgebildet ist, um den zweiten elektromagnetischen Richtstrahl in ein zweites elektromagnetisches Empfangssignal basierend auf dem auf die Rotationswelle ausgeübten Drehmoment umzuwandeln; und einen Empfänger, umfassend zumindest eine Empfangsantenne, ausgebildet zum Empfangen des ersten elektromagnetischen Empfangssignals und des zweiten elektromagnetischen Empfangssignals, wobei der Empfänger ausgebildet ist zum Bestimmen des auf die Rotationswelle ausgeübten Drehmoments, basierend auf dem ersten elektromagnetischen Empfangssignal und dem zweiten elektromagnetischen Empfangssignal.
Das Drehmomentmesssystem gemäß einem der Ansprüche 14 bis 22, ferner umfassend: einen Sender umfassend eine erste Sendeantennenausbildung, ausgebildet zum Übertragen eines ersten elektromagnetischen Sendesignals in Richtung der ersten gegenseitig gekoppelten Struktur, wobei die erste gegenseitig gekoppelte Struktur ausgebildet ist, um das erste elektromagnetische Sendesignal in ein erstes elektromagnetisches Empfangssignal basierend auf einem auf die Rotationswelle ausgeübten Drehmoment umzuwandeln, und eine zweite Sendeantennenausbildung, ausgebildet zum Übertragen eines zweiten elektromagnetischen Sendesignals in Richtung der zweiten gegenseitig gekoppelten Struktur, wobei die zweite gegenseitig gekoppelte Struktur ausgebildet ist, um das zweite elektromagnetische Sendesignal in ein zweites elektromagnetisches Empfangssignal basierend auf dem auf die Rotationswelle ausgeübten Drehmoment, umzuwandeln; und einen Empfänger, umfassend zumindest eine Empfangsantenne, ausgebildet zum Empfangen des ersten elektromagnetischen Empfangssignals und des zweiten elektromagnetischen Empfangssignals, wobei der Empfänger ausgebildet ist zum Bestimmen des auf die Rotationswelle ausgeübten Drehmoments, basierend auf dem ersten elektromagnetischen Empfangssignal und dem zweiten elektromagnetischen Empfangssignal.
Ein Verfahren zum Bestimmen eines aus eine drehbare Welle ausgeübten Drehmoments, das Verfahren umfassend: Übertragen von elektromagnetischen Sendesignalen in Richtung einer ersten gegenseitig gekoppelten Struktur und einer zweiten gegenseitig gekoppelten Struktur, die mechanisch mit der drehbaren Welle gekoppelt sind; Umwandeln eines Ersten der elektromagnetischen Sendesignale in ein erstes elektromagnetisches Empfangssignal durch die erste gegenseitig gekoppelte Multi-Bahn-Struktur; Umwandeln eines Zweiten der elektromagnetischen Sendesignale in ein zweites elektromagnetisches Empfangssignal durch die zweite gegenseitig gekoppelte Multi-Bahn-Struktur, Empfangen des ersten elektromagnetischen Empfangssignals und des zweiten elektromagnetischen Empfangssignals in einer Zeitmultiplex-Weise; Bewerten des empfangenen ersten elektromagnetischen Empfangssignals und des empfangenen zweiten elektromagnetischen Empfangssignals; und Bestimmen des auf die drehbare Welle ausgeübten Drehmoments, basierend auf dem bewerteten ersten elektromagnetischen Empfangssignal und dem bewerteten zweiten elektromagnetischen Empfangssignal.
Ein Drehmoment-Messsystem, umfassend: eine erste drehbare Trägerstruktur, die mechanisch mit einer Rotationswelle gekoppelt ist und ausgebildet ist zum Rotieren um eine Rotationsachse in einer Rotationsrichtung; eine zweite drehbare Trägerstruktur, die mechanisch mit der Rotationswelle gekoppelt und ausgebildet ist zum Rotieren um die Rotationsachse in der Rotationsrichtung, wobei die zweite drehbare Trägerstruktur von der ersten drehbaren Trägerstruktur beabstandet ist; eine erste gegenseitig gekoppelte Struktur, umfassend eine erste Bahn, die mechanisch mit der ersten drehbaren Trägerstruktur gekoppelt ist und eine zweite Bahn, die mechanisch mit der zweiten drehbaren Trägerstruktur gekoppelt ist, wobei die erste Bahn und die zweite Bahn durch eine erste drehmomentabhängige Kopplung miteinander gekoppelt sind; eine zweite gegenseitig gekoppelte Struktur, umfassend eine dritte Bahn, die mechanisch mit der ersten drehbaren Trägerstruktur gekoppelt ist und eine vierte Bahn, die mechanisch mit der zweiten drehbaren Trägerstruktur gekoppelt ist, wobei die dritte Bahn und die vierte Bahn durch eine zweite drehmomentabhängige Kopplung miteinander gekoppelt sind, wobei, als Antwort auf eine Rotation der Rotationswelle, die erste drehmomentabhängige Kopplung zur Zunahme ausgebildet ist und die zweite drehmomentabhängige Kopplung zur Abnahme ausgebildet ist.
Das Drehmoment-Messsystem gemäß Anspruch 25, wobei die erste Bahn ein erstes Array von Metamaterial-Strukturen umfasst, die zweite Bahn ein zweites Array von Metamaterial-Strukturen umfasst, die dritte Bahn ein drittes Array von Metamaterial-Strukturen umfasst, die vierte Bahn ein viertes Array von Metamaterial-Strukturen umfasst.