DE19510604A1 - Optischer Sensor zur Erfassung einer drehmomentabhängigen Relativverdrehung zweier umlaufenden Scheiben - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Sensor zur optischen Erfassung einer drehmomentabhängigen Relativverdrehung zweier umlaufenden Scheiben nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie er beispiels­ weise aus einem der Anmelderin vorliegenden, offensichtlich ver­ öffentlichten, ihr jedoch der Fundstelle nach unbekannten Arti­ kel von R. J. Hazelden "Application of an Optical Sensor to a Vehicle Power Steering System" als bekannt hervorgeht.

Dieser Artikel beschreibt einen optische Drehmomentsensor zur Erfassung des eingeleiteten Drehmomentes an einem Servolenkge­ triebe, bei dem innerhalb der umlaufenden Getriebe-Eingangswelle eine vom Lenkdrehmoment beaufschlagte Torsionsstrecke vorgesehen ist. Den beiden Enden der Torsionsstrecke ist jeweils eine Loch­ scheibe mit jeweils zwei konzentrischen Lochkränzen unbeweglich zugeordnet, welche Scheiben axial in dichtem Abstand nebeneinan­ der gleichachsig angeordnet sind. Dem äußeren und dem inneren Kranzpaar der Scheiben ist eine den Überdeckungsgrad der Durch­ brüche erfassende ortsfeste Lichtschranke zugeordnet. Aus den beiden ermittelten Lichtintensitäten kann nach einer Signalver­ arbeitung eine Drehmomentbelastung der Torsionsstrecke angezeigt werden, wobei das Drehmoment detektierbar ist. Trotz der Drehung der Welle während der Messung fällt das Signal an einem ortsfe­ sten Teil des Senors an, so daß eine Signalübermittlung von dre­ hend auf ortsfest entbehrlich ist. Zwar unterliegt das Lichtin­ tensitätssignal aufgrund der Drehung einer gewissen Modulation, die von der begrenzten Anzahl der Durchbrüche abhängt, jedoch kann dieser überlagerte Signalanteil bei der Anwendung in Servo­ lenkgetrieben in Kauf genommen werden.

Bei dem bekannten optischen Drehmomentsensor sind in den Loch­ scheiben die konzentrischen Kränze von rechteckigen Durchbrüchen an beiden Scheiben bezüglich der inneren bzw. der äußeren Kränze jeweils durchmessergleich ausgebildet. Alle vier Kränze enthal­ ten die gleiche Anzahl von gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordneten Durchbrüchen, wobei die lichte Weite der Durchbrüche ebenso groß ist wie der Umfangsabstand benachbarter Durchbrüche. Die Durchbrüche des inneren und äußeren Kranzes sind - soweit die diesbezüglich einzig Aufschluß gebenden, eindeutigen zeich­ nerischen Darstellungen dies erkennen lassen - auf der einen Scheibe umfangsgleich und auf der anderen Scheibe jeweils auf Lücke angeordnet. In der drehmomententlasteten Neutralstellung sind die beiden Lochscheiben bezüglich ihrer Umfangslage den En­ den der Torsionsstrecke derart zugeordnet, daß am äußeren Kranz­ paar sich Durchbrüche und Lücken gerade überdecken, hier also bei Drehmomententlastung kein Licht durchgelassen wird, wogegen bei dem inneren Kranzpaar in der Neutralstellung der Scheiben sich die Durchbrüche vollständig überdecken, hier also die Lichtintensität maximal ist. Bei drehmomentbedingter Relativver­ drehung der Scheiben in irgend einer Richtung nimmt die Über­ deckung der äußeren Durchbrüche von Null aus zu und die Über­ deckung der inneren Durchbrüche vom Maximalwert aus ab. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß nur der Betrag des Drehmomentes, nicht aber dessen Wirkrichtung bestimmt werden kann. Im übrigen sind die beiden Lochscheiben mit unterschiedlichen Lochmustern versehen, so daß für jede Scheibe ein separates Stanzwerkzeug erforderlich ist, was sich kostensteigernd auswirkt.

Aufgabe der Erfindung ist es, den gattungsgemäß zugrundegelegten Drehmomentsensor dahingehend zu verbessern, daß mit ihm ein Drehmoment nicht nur in betragsmäßiger Hinsicht, sondern auch bezüglich seiner Wirkrichtung eindeutig detektierbar ist und daß er einfacher und kostengünstiger herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird bei Zugrundelegung des gattungsgemäßen Sen­ sors erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von An­ spruch 1 gelöst. Aufgrund der identischen Ausbildung der Lochmu­ ster in beiden Scheiben können diese in kostengünstiger Weise mit dem selben Stanzwerkzeug hergestellt werden. Der Umfangsver­ satz der Durchbrüche des äußeren zu denen des inneren Kranzes um ein Viertel der Umfangsteilung bringt bei der spiegelbildlichen Anordnung der beiden Scheiben innerhalb des Drehmomentsensors den Funktionsvorteil, daß sich bei richtiger Justierung der Neu­ trallage für beide Kranzpaare jeweils eine 50prozentige Über­ deckung der Durchbrüche ergibt, wobei sich die Überdeckungsgrade unter Drehmomenteinfluß in den beiden unterschiedlichen Kranz­ paaren zueinander entgegengesetzt ändern. Aufgrund dessen kann zum einen durch eine bloße Differenzbildung unmittelbar ein nach Betrag und Vorzeichen dem Drehmoment entsprechendes elektrisches Signal gewonnen werden. Durch die Differenzbildung fallen bei dieser Werte-Entsprechung in Vorteilhafter Weise weitgehend auch etwaige beispielsweise alterungsbedingte Fehler der Lichtschran­ ken aus dem Meßsignal heraus. Es braucht also kein sonderlicher Aufwand für eine Signalauswertung oder für eine Fehlerkompensa­ tion betrieben zu werden. Durch den definierten, etwa einem Viertel des Teilungsmaßes der Durchbrüche entsprechenden Um­ fangsversatz der Signale des äußeren gegenüber dem Inneren Kranzpaar erhält man auch ohne weiteres die Option auf eine Drehstellungserfassung der umlaufenden Welle aufgrund des Mit­ zählens der Durchläufe von Durchbrüchen durch eine Lichtschran­ ke, wobei der erwähnte Viertel-Versatz die Durchlaufrichtung zu erkennen erlaubt.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran­ sprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles nach­ folgend noch erläutert; dabei zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Versuchseinrichtung mit ei­ ner optischen Drehmomentmeßeinrichtung zum berührungs­ freien optischen Abgreifen der Verdrehung eines Torsions­ stabes mittels eines Lochscheibenpaares und einer Licht­ schrankenanordnung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Versuchseinrichtung nach Fig. 1 entlang der Schnittlinie II-II,

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht eines Lochscheibenpaares der Drehmomentmeßeinrichtung nach Fig. 1 oder 2,

Fig. 4a bis 4c drei verschiedene perspektivische Darstellungen der Lochscheiben und des gemeinsam freigegebenen lichten Querschnittes der Durchbrüche bei Drehmomententlastung (Fig. 4a), bei "negativem" Drehmoment (Fig. 4b) und bei "positivem" Drehmoment (Fig. 4c) und

Fig. 5 eine Einzeldarstellung einer Lochscheibe mit runden Durchbrüchen.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Versuchseinrichtung mit einer optischen Drehmomentmeßeinrichtung zum berührungsfreien opti­ schen Abgreifen der Drehmomentbelastung eines Torsionsstabes mittels eines Lochscheibenpaares und einer Lichtschrankenanord­ nung dargestellt. Eine Welle 1 ist in Lagern 15, 15′ ortsfest aber drehbar gelagert. Von der einen Seite her, z. B. von rechts kann in die Welle ein Drehmoment, dargestellt durch den Drehmo­ mentvektor 13, eingeleitet werden, wogegen das andere Wellenende mittels einer Bremseinrichtung 14 abbremsbar ist. Die Böcke für die Lager 15, 15′ sind auf einer Basisplatte 21 befestigt, auf der auch die Antriebsvorrichtung für die Drehmomentaufbringung und die Bremse 14 befestigt sind. Die Versuchseinrichtung er­ laubt die Einstellung unterschiedlicher Drehmomente bei umlau­ fender Welle. Zwischen den Lagern 15, 15′ ist im Kraftfluß der Welle 1 eine Torsionsstrecke 2 geringeren Querschnittes mit einer bestimmten Länge L vorgesehen. Die Länge und der Querschnitt der Torsionsstrecke sind so auf die Größe der vorkommenden Drehmo­ mente abgestimmt, daß sich bei Auftreten des maximal tolerierba­ ren Drehmomentes die Torsionsstrecke um einen bestimmten Winkel, beispielsweise um etwa 4,7 Winkelgrade verdrillt. Diese maximale Torsion der Torsionsstrecke 2 sei mit τ bezeichnet; es soll wei­ ter unten noch einmal näher darauf eingegangen werden. Die Tor­ sionsstrecke 2 ist das eigentliche Meßglied des Drehmomentsen­ sors, welches sich unter Drehmomenteinfluß entsprecht der Größe des wirkenden Drehmomentes mehr oder weniger stark verdrillt, wobei dieser Verdrillwinkel während der Drehung optisch berüh­ rungslos erfaßt und angezeigt werden soll.

Zu diesem Zweck sind in dem Drehmomentsensor zwei Scheiben 5 und 6 aus lichtundurchlässigem Werkstoff, beispielsweise aus Blech den Enden der Torsionsstrecke 2 unbeweglich zugeordnet. Anstelle einer metallischen Ausführung der Scheiben ist es auch denkbar, diese aus einem durchsichtigen Werkstoff, z. B. klarem Kunststoff herzustellen und sie mit einer lichtundurchlässigen, mit Durch­ brüchen versehenen Materiallage zu maskieren. Mittels distanz­ überbrückender Hülsen 3 und 4 sind die Scheiben 5 bzw. 6 in dichtem axialen Abstand a nebeneinander gleichachsig angeordnet. Auch die gegenseitige Umfangslage der Scheibe im moment-entla­ steten Zustand der Torsionsstrecke 2 ist wichtig für eine rich­ tige Momentenerfassung; auch darauf soll weiter unten näher ein­ gegangen werden. Die beiden Scheiben 5 und 6 weisen zwei konzen­ trische Kränze 7 und 8 bzw. 7′ und 8′ von regelmäßig angeordne­ ten, gleichgeformten, lichtdurchlässigen Durchbrüchen 10, 11 bzw. 10′, 11′ auf. Die äußeren Kränze 7, 7′ beider Scheiben 5 und 6 und auch die inneren Kränze 8, 8′ beider Scheiben sind un­ tereinander jeweils durchmessergleich ausgebildet. In allen vier Kränzen 7 und 8 bzw. 7′ und 8′ von Durchbrüchen ist eine gleiche Anzahl von Durchbrüchen angeordnet; bei den dargestellten Aus­ führungsbeispielen sind es jeweils 18 Durchbrüche. Sie sind gleichmäßig über den Umfang verteilt in den Kränzen angeordnet. Die in Umfangsrichtung gemessene lichte Weite - Winkelmaß α - aller Durchbrüche 9, 9′, 10, 10′ ist jeweils ebenso groß wie der in Umfangsrichtung gemessene kleinste Abstand, also der lichtun­ durchlässige Bereich zwischen zwei benachbarten Durchbrüchen. Die Durchbrüche 9, 9′ des äußeren (7, 7′) und die (10, 10′) des inneren Kranzes 8, 8′ auf jeder Scheibe 5 bzw. 6 sind in Um­ fangsrichtung derart zueinander angeordnet und die beiden Schei­ ben sind bezüglich ihrer Umfangslage den Enden der Torsions­ strecke 2 über die distanzüberbrückenden Hülsen 3 bzw. 4 derart zugeordnet, daß - ausgehend vom Zustand der unbelasteten Torsi­ onsstrecke - bei Relativverdrehung der Scheiben in der einen Richtung die Überdeckung der Durchbrüche des einen, beispiels­ weise des äußeren Kranzpaares 7/7′ zunimmt und die Überdeckung der Durchbrüche des anderen, z. B. des inneren Kranzpaares 8/8′ abnimmt und bei Relativverdrehung der Scheiben in der entgegen­ gesetzten Richtung die Überdeckung der Durchbrüche sich in den Kranzpaaren jeweils in umgekehrter Weise ändert. Dem äußeren (7/7′) und dem inneren Kranzpaar 8/8′ der Scheiben ist wenig­ stens jeweils eine den Überdeckungsgrad der Durchbrüche eines jeden Kranzes erfassende, ortsfeste Lichtschranke 11 bzw. 12 zu­ geordnet. Aus den beiden Lichtintensitäten ist nach einer Sig­ nalverarbeitung eine Drehmomentbelastung der Torsionsstrecke an­ zeigbar ist. Die Lichtschranken sind in einem Ring 22 befestigt, der seinerseits mittels einer Halteplatte 16 konzentrisch zur Welle 1 gehaltert ist. Die Lichtschranken enthalten einen Licht­ emitter und einen Licht-Intensitätssensor. Beim Vorbeilauf zwei­ er sich partiell überdeckender Durchbrüche 9, 9′ oder 10, 10′ wird die durch die verbleibende lichte Restöffnung hindurchtre­ tende Lichtintensität gemessen, die ein Signal für den Zustand der relativen Drehstellung der beiden Scheiben 5 und 6 und somit für die Verdrillung der Torsionsstrecke 2 ist. Die an den Licht­ schranken gemessene Lichtintensität stellt somit zumindest mit­ telbar ein Maß für das wirkende Drehmoment dar.

Aufgrund der Größe der Durchbrüche und der relativ geringen An­ zahl von Durchbrüchen schwankt die an den Lichtschranken ermit­ telte Lichtintensität während des Umlaufes der Scheiben entspre­ chend dem Vorbeilauf eines Durchbruches oder eines lichtundurch­ lässigen Zwischenbereiches an der Lichtschranke. Das tatsächliche, drehmoment-relevante Signal steht also zeitlich nicht konstant an, sondern als schwellendes Signal mit einer der Vorbeilauf- Frequenz der Durchbrüche entsprechenden Schwell-Frequenz. Anzu­ streben ist eine möglichst hohe Vorbeilauf-Frequenz und demgemäß eine möglichst enge Umfangsteilung der Durchbrüche. Andererseits darf deren Umfangsteilung nicht zu eng sein, sonst ist der aus­ nützbare Drehmoment-Meßbereich der Torsionsstrecke 2 zu klein. Die Anzahl der Durchbrüche muß so gewählt werden, daß der Um­ fangsteilungswinkel β der Durchbrüche 9, 9′ bzw. 10, 10′ noch deutlich größer als der Verdrehwinkel τ in Winkelgraden der Tor­ sionsstrecke unter der Einwirkung eines maximal zugelassenen Drehmomentes ist. Vorzugsweise ist die Anzahl der Durchbrüche entsprechend dem Quotienten 90/τ gewählt, wobei eine nach unten gerundete ganze Zahl verwendet werden muß. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sei für τ ein Wert von etwa 4,7° angenommen, was zu einem Quotientenwert 90/τ von etwa 18,75 und dementspre­ chend zu 18 Durchbrüchen am Umfang führt.

Um mit dem Drehmomentsensor ein Drehmoment nicht nur in betrags­ mäßiger Hinsicht, sondern auch bezüglich seiner Wirkrichtung eindeutig detektieren und um ihn außerdem einfacher und kosten­ günstiger herstellen zu können, sind folgende Merkmale an den Scheiben 5 und 6 vorgesehen: Die Durchbrüche 9, 9′ und 10, 10′ beider Kränze 7, 8 sind auf beiden Scheiben 5, 6 identisch aus­ gebildet und zueinander angeordnet. Und zwar sind - dies ist wichtig - die Durchbrüche 9, 9′ des einen, beispielsweise des äußeren Kranzes 7 zu den Durchbrüchen 10, 10′ des anderen, z. B. des inneren Kranzes 8 bei jeder Scheibe um ein Viertel des Um­ fangsteilungsmaßes β der Durchbrüche in Umfangsrichtung zueinan­ der versetzt angeordnet - Winkelmaß γ. Dabei gelten die Beziehun­ gen 2_*α = β = 4_*γ mit α als dem peripheren Lichtmaß der Durchbrü­ che und zugleich auch der Abdunkelstrecke zwischen zwei benach­ barten Durchbrüchen, β als dem Umfangsteilungsmaß der Durchbrüche innerhalb der Kränze und γ als dem Versatzmaß der inneren gegen­ über den äußeren Durchbrüchen; alle diese Maße sollen als Win­ kelmaße verstanden sein. Die identische Ausbildung und Anordnung aller Durchbrüche in beiden Scheiben eröffnet den Vorteil, beide Scheiben mit ein und demselben Werkzeug herstellen zu können, was nicht nur die Losgrößen je Werkzeug verdoppelt im Vergleich zu einer Ausbildung mit unterschiedlichen Scheiben, sondern auch die Anzahl der erforderlichen Werkzeuge reduziert. Insgesamt können also die Teile für den Drehmomentsensor relativ kosten­ günstig hergestellt werden. Es ist in diesem Zusammenhang daran zu erinnern, daß es sich bei den Scheiben 5 und 6 um Präzisions­ teile handelt, die mit ihrer Herstellgenauigkeit die Meß- und Auflösegenauigkeit des Drehmomentsensors mit bestimmen.

Um die beiden Scheiben in dem Drehmomentsensor nutzbringend ver­ wenden zu können, müssen sie - wie gesagt - so ausgebildet sein, daß bei Relativverdrehung der Scheiben die Überdeckung der Durchbrüche beispielsweise des äußeren Kranzpaares zunimmt und die des inneren Kranzpaares abnimmt, d. h. bei Relativverdrehung der Scheiben muß sich die Überdeckung der Durchbrüche in entge­ gengesetzten Richtungen ändern. Um trotz gleicher Ausbildung der beiden Scheiben diesen Effekt zu erhalten, sind die beiden axial benachbarten Scheiben 5 und 6 spiegelbildlich zueinander im Drehmomentsensor angeordnet. In der drehmomententlasteten Neu­ trallage ergibt sich bei richtiger Umfangsjustierung der Schei­ ben relativ zueinander für beide Kranzpaare 7, 7′ bzw. 8, 8′ je­ weils eine 50prozentige Überdeckung der Durchbrüche. Bei der geschilderten gleichen Ausbildung und spiegelbildlichen Anord­ nung der Scheiben 5 und 6 ändern sich bei Relativverdrehung der Scheiben in den beiden unterschiedlichen Kranzpaaren die Über­ deckungsgrade in der geforderten Weise gerade entgegengesetzt zueinander. Voraussetzung hierfür ist allerdings die oben er­ wähnte Umfangsverteilung der Durchbrüche in den beiden Kränzen, insbesondere der Umfangsversatz innen gegenüber außen zu einem Viertel der Umfangsteilung.

Die Wirkungsweise des optischen Drehmomentsensors sei im Zusam­ menhang mit der Folge nach den Fig. 4a, 4b und 4c erläutert. Die Fig. 4a veranschaulicht den relativen Schwenkzustand der Beiden Scheiben 5 und 6 bei Drehmomententlastung, bei dem sich die Durchbrüche in beiden Kranzpaaren 7/7′ und 8/8′ jeweils zu 50% überdecken. Dies ist in dem rechten Bildteil von Fig. 4a da­ durch zeichnerisch veranschaulicht, daß die schwarz dargestell­ ten Projektionen der Restöffnungen für das äußere und für das innere Kranzpaar gleichgroß sind. In Fig. 4b ist eine "negati­ ve" Drehmomentbelastung angenommen, welches bei der Darstellung nach Fig. 1 einem entgegen dem Uhrzeigersinn drehenden Drehmo­ ment entspricht; in Fig. 4b wird die Scheibe 6 entgegen dem Uhrzeigersinn gegenüber Scheibe 5 verschwenkt. Dadurch werden beim inneren Kranzpaar 8/8′ die Durchbrüche 10 und 10′ überein­ ander geschoben und die lichten Restöffnungen vergrößert, woge­ gen es beim äußeren Kranzpaar 7/7′ und dessen Durchbrüchen 9 und 9′ gerade umgekehrt ist; hier werden die Restöffnungen durch den linksdrehenden Drehmomenteinfluß verkleinert. Schließlich veran­ schaulicht Fig. 4c, wie sich ein "postives" Drehmoment aus­ wirkt; hier nehmen am äußeren Kranzpaar 7/7′ die Restöffnungen zu, wogegen sie sich am inneren Kranzpaar 8/8′ verkleinern. Aus diesem Verhalten des erfindungsgemäß ausgebildeten Drehmoment­ sensors kann auf sehr einfache Weise durch eine bloße Differenz­ bildung der am äußeren gegenüber dem inneren Kranzpaar ermittel­ ten Lichtintensitäten unmittelbar das Drehmoment nach Betrag und Vorzeichen bestimmt werden. Bei dem in Fig. 4a veranschaulich­ ten Zustand M_d=0 werden außen und innen gleiche Lichtintensitäten ermittelt deren Differenz ebenfalls gleich Null ist. Im Zustand nach Fig. 4b mit M_d<0 fällt die Differenz außen gegenüber innen negativ aus, was nach Betrag und Vorzeichen richtig ist. Je grö­ ßer das - negative - Drehmoment ist, um so größer fällt der Dif­ ferenzwert aus, wobei die Zusammenhänge mit hoher Genauigkeit zumindest bei den in den Fig. 2, 3, 4a, 4b und 4c gezeigten rechteckigen Durchbrüchen proportional sind. Die Signalauswer­ tung ist also denkbar einfach, und zwar insbesondere dann, wenn die Durchbrüche an den inneren Kränzen 8, 8′ einerseits bzw. den äußeren Kränzen 7, 7′ andererseits untereinander flächengleich ausgebildet sind. Dann darf nämlich das Primärlicht der Licht­ schranken 11 bzw. 12 an den äußeren bzw. inneren Kränzen die gleiche Lichtintensität aufweisen. Im Fall von runden Durchbrü­ chen (siehe Fig. 5), die zwar Fertigungsvorteile bieten, müssen aus bestimmten geometrischen Gründen die inneren Durchbrüche 20 kleiner sein als die äußeren (19), was durch einen entsprechen­ den Intensitätsunterschied des jeweiligen Primärlichtes der in­ neren - helleren - Lichtschranke(n) gegenüber der/den äußeren Lichtschranke(n) kompensiert werden muß.

Die rechteckigen Durchbrüche haben zwar den Vorteil, daß sie ei­ nen proportionalen Zusammenhang zwischen primärem Meßsignal und Drehmoment liefern. Nachteilig ist jedoch, daß sie rechteckige Stößel in den Stanzwerkzeugen erfordern, die zum einen ebenso wie die rechteckigen Matrizenöffnungen nur schwierig herstellbar sind und die überdies an den Stirnkanten im Eckbereich bruchge­ fährdet sind und demgemäß nur eine relativ geringe Standzeit bei der Produktion von Scheiben erwarten lassen. Deshalb können ge­ mäß der Darstellung einer modifizierten Scheibe 5′ in Fig. 5 die Durchbrüche 19, 20 in den Kränzen 17, 18 vorteilhafterweise auch kreisrund ausgebildet sein. Runde Stößel und Matrizenöff­ nungen lassen sich sehr einfach durch Drehen oder Bohren darstel­ len und runde Stößel sind aufgrund ihrer Kreisform im Stirnbe­ reich nicht bruchgefährdet und daher in der Produktion standfe­ ster als rechteckige Stößel. Zwar ist hier die Proportionalität zwischen primärem Meßsignal und Drehmoment nicht mehr gegeben. Berechnungen haben jedoch ergeben, daß innerhalb eines Meßbe­ reich-Anteiles von ±75% des gesamten Meßbereiches die Abweichung von der Proportionalität geringer als 1% und somit ohne weiteres tolerierbar ist.

Durch den beschriebenen optischen Drehmomentsensor kann nicht nur in einfacher und betriebssicherer Weise ein Drehmoment er­ mittelt werden, sondern durch geeignete Auswertung der Lichtin­ tensitätssignale auch die Drehstellung der Welle 1 bzw. der mit ihr verbundenen Scheiben 5 und 6 ermittelt werden, was insbeson­ dere dann sinnvoll ist, wenn die Welle 1 eine winkelmäßig nur begrenzte Umlaufstrecke, beispielsweise wenige Umdrehungen zu­ rücklegen kann. Diese Voraussetzungen sind regelmäßig in Lenkge­ trieben gegeben. Zum Zweck der Drehstellungsüberwachung ist die Auswerteeinrichtung für die Lichtintensitätssignale des Licht­ schrankenpaares 11, 12 als Zähler ausgebildet, der die Lichtim­ pulse beim Durchlaufen der partiell abgedeckten Durchbrüche durch die Lichtschranken abzählt und so die Drehstellung der Welle erfaßt. Da die Lichtimpulse an der äußeren (11) und an der inneren Lichtschranke 12 erfaßt werden, beide Lichtimpulse aber eine Phasendifferenz aufweisen, kann auch die Umlaufrichtung er­ mittelt werden, je nach dem, ob der innere oder der äußere Lichtimpuls zeitlich vorangeht. Bei Vorauslaufen der Lichtim­ pulse des inneren Kranzpaares 8/8′ gegenüber denen des äußeren Kranzpaares 7/7′ wird in der einen Richtung gezählt und beim Voraus laufen der äußeren Lichtimpulse in der entgegengesetzten Richtung. Aus der Umfangsteilung β der Durchbrüche und einer ge­ schickten Schwellwertbildung an unterschiedlich hohen Licht in­ tensitätsschwellen läßt sich die Drehstellung der Welle 1 mit Winkelinkrementen ermitteln, die wesentlich kleiner als die Um­ fangsteilung β der Durchbrüche sind.

Was für die Drehstellungsermittlung günstig ist, nämlich ein si­ nusähnliches Auf- und Abschwellen der Lichtintensität beim Durchlauf der Durchbrüche an den Lichtschranken, ist für die Drehmomentermittlung ungünstig. Man erhält nur an bestimmten Um­ fangsstellungen der Welle 1 ein für das wirkende Drehmoment auch tatsächlich repräsentatives Meßsignal; zwischendrin ist das Meß­ signal nicht repräsentativ. In manchen Anwendungsfällen mag die­ ser Zustand ohne weiteres tolerierbar sein, insbesondere in den Fällen, in denen ein Wellenstillstand nicht zu erwarten ist. In Lenkgetrieben muß jedoch ein Drehmoment auch im Stillstand oder zumindest Quasi-Stillstand aufgebracht und zuverlässig ermittelt werden können. In diesen Anwendungsfällen sind zur Verbesserung der umfangsmäßigen Meßrepräsentanz in Umfangsrichtung drei Lichtschrankenpaare 11, 12; 11′, 12′ und 11′′, 12′′ versetzt ange­ ordnet. Berechnungen und Versuche haben ergeben, daß bei der vorliegend systembedingten Meßgenauigkeit eine Erhöhung der Lichtschrankenzahl über drei hinaus keine nennenswerte Steige­ rung bringt. Die dem äußeren Kranzpaar 7/7′ und dem inneren Kranzpaar 8/8′ zugeordneten Einzellichtschranken eines zusammen­ gehörigen Paares von Lichtschranken 11 und 12 bzw. 11′ und 12′ bzw. 11′′ und 12′′ sind jeweils untereinander phasengleich ange­ ordnet. Jedoch sind die Lichtschrankenpaare in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet - Versatzmaß ϕ als Winkelmaß. Diese Versatzmaß ϕ benachbarter Lichtschrankenpaare ist allge­ mein entsprechend der Beziehung (ϕ = 360_*(m + 1/z)/n bemessen, worin n die Anzahl der Durchbrüche je Kranz (360/n = Umfangstei­ lungswinkel β der Durchbrüche), z die Anzahl der Lichtschranken­ paare, beispielsweise drei und m eine beliebige, kleine, ganze Zahl, z. B. eins ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel mit n=18 Durchbrüchen und z=3 Lichtschranken ist ϕ = 26,66°. Durch den Phasenversatz der zusätzlichen Lichtschranken wird - ähnlich wie bei den drei Phasen des Drehstromes - ein gewisser Glät­ tungseffekt bezüglich des Drehmomentsignales und eine geringere Abhängigkeit der Meßrepräsentanz von der Drehstellung der Schei­ ben erreicht.

Claims (8)

1. Sensor zur optischen Erfassung einer drehmomentabhängigen Relativverdrehung der Enden einer von einem zu erfassenden Dreh­ moment beaufschlagten Torsionsstrecke innerhalb einer umlaufen­ den Welle, mit zwei den Enden der Torsionsstrecke unbeweglich zugeordneten Scheiben aus lichtundurchlässigem Werkstoff oder mit einer lichtundurchlässigen Materiallage, welche Scheiben axial in dichtem Abstand nebeneinander gleichachsig angeordnet und mit folgenden Merkmalen ausgebildet sind:

• - die beiden Scheiben weisen zwei konzentrische Kränze von re­ gelmäßig angeordneten, gleichgeformten, lichtdurchlässigen Durchbrüchen auf, wobei die inneren Kränze der einen und der anderen Scheibe und die äußeren Kränze der der einen und der anderen Scheibe jeweils durchmessergleich ausgebildet sind,
• - in allen vier Kränzen von Durchbrüchen ist eine gleiche An­ zahl von Durchbrüchen angeordnet, die gleichmäßig über den Um­ fang verteilt sind,
• - die in Umfangsrichtung gemessene lichte Weite der Durchbrüche ist ebenso groß wie der in Umfangsrichtung gemessene kleinste Abstand, also lichtundurchlässige Bereich zwischen zwei be­ nachbarten Durchbrüchen,
• - die Durchbrüche des inneren und des äußeren Kranzes auf jeder Scheibe sind in Umfangsrichtung derart zueinander angeordnet und die beiden Scheiben sind bezüglich ihrer Umfangslage den Enden der Torsionsstrecke derart zugeordnet, daß - ausgehend vom Zustand der unbelasteten Torsionsstrecke - bei Relativver­ drehung der Scheiben in der einen Richtung die Überdeckung der Durchbrüche des einen, beispielsweise des äußeren Kranzpaares zunimmt und die Überdeckung der Durchbrüche des anderen, z. B. des inneren Kranzpaares abnimmt und bei Relativverdrehung der Scheiben in der entgegengesetzten Richtung die Überdeckung der Durchbrüche sich in den Kranzpaaren jeweils in umgekehrter Weise ändert,

wobei dem äußeren und dem inneren Kranzpaar der Scheiben eine den Überdeckungsgrad der Durchbrüche erfassende ortsfeste Licht­ schranke zugeordnet ist und aus den beiden Lichtintensitäten nach einer Signalverarbeitung eine Drehmomentbelastung der Tor­ sionsstrecke anzeigbar ist,
gekennzeichnet durch die Gemeinsamkeit fol­ gender Merkmale:

• - die Durchbrüche (9, 9′ und 10, 10′) beider Kränze (7, 8) sind auf beiden Scheiben (5, 6) identisch ausgebildet und zueinan­ der angeordnet, wobei die Durchbrüche (9, 9′) des einen, bei­ spielsweise des äußeren Kranzes (7) zu denen (10, 10′) des an­ deren, z. B. des inneren Kranzes (8) einer Scheibe (5 bzw. 6) um ein Viertel des Umfangsteilungswinkels ((3) der Durchbrüche (9, 9′ und 10, 10′) in Umfangsrichtung zueinander versetzt an­ geordnet sind (Winkelmaß γ),
• - jedoch sind die beiden benachbarten Scheiben (5 und 6) spie­ gelbildlich zueinander im Drehmomentsensor angeordnet, wobei sich in der drehmomententlasteten Neutrallage für beide Kranz­ paare (7/7′ bzw. 8/8′) jeweils eine 50prozentige Überdeckung der Durchbrüche (9, 9′ und 10, 10′) ergibt und wobei sich bei Relativverdrehung der Scheiben (5, 6) in den beiden unter­ schiedlichen Kranzpaaren (7/7′ bzw. 8/8′) die Überdeckungs­ grade in der geforderten Weise zueinander entgegengesetzt än­ dern.

2. Sensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Differenzbildung der Lichtintensitätssignale der Lichtschranken (11 und 12), wo­ bei dieses Differenzsignal nach Betrag und Vorzeichen als Dreh­ momentsignal dient.

3. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (19, 20) in den Kränzen (17, 18) der Schei­ ben (5′) kreisrund ausgebildet sind.

4. Sensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinrichtung für die Lichtintensitätssignale eines Lichtschrankenpaares (11, 12), welche die Lichtimpulse beim Durchlaufen der partiell abgedeckten Durchbrüche (9, 9′, und 10, 10′) durch die Lichtschranke (11, 12) abzählt und so die Dreh­ stellung der Welle (1) erfaßt, wobei bei vorauslaufen der Licht­ impulse des inneren Kranzpaares (8, 8′) gegenüber denen des äu­ ßeren Kranzpaares (7, 7′) in der einen Richtung gezählt und beim Voraus laufen der äußeren Lichtimpulse in der entgegengesetzten Richtung gezählt wird.

5. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Durchbrüche etwa der vorzugsweise nach unten gerundeten ganzen Zahl aus dem Quotienten 90/τ entspricht mit τ als dem Verdrehwinkel in Winkelgraden der Torsionsstrecke (2) unter der Einwirkung eines maximal zugelassenen Drehmomentes.

6. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Umfangsrichtung mehrere, vorzugsweise drei Lichtschran­ kenpaare (11, 12; 11′, 12′; 11′′, 12′′) versetzt angeordnet sind, deren dem äußeren (7/7′) bzw. inneren Kranzpaar (8/8′) von Durchbrüchen (9, 9′; 10, 10′) zugeordneten Einzellichtschranken untereinander (11 und 12 bzw. 11′ und 12′ bzw. 11′′ und 12′′) pha­ sengleich angeordnet sind, wobei der Umfangsversatz (ϕ) in Win­ kelgraden von benachbarten Lichtschrankenpaaren (11/12 zu 11′/12′ zu 11′′/12′′) der Beziehung
ϕ = 360_*(m + 1/z)/n
genügt, worin n die Anzahl der Durchbrüche je Kranz, z die An­ zahl der Lichtschrankenpaare (11, 12; 11′, 12′; 11′′, 12′′), vor­ zugsweise drei und m eine beliebige, kleine, ganze Zahl, vor­ zugsweise eins ist.

7. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrüche (9, 9′, 10, 10′) in den Kränzen (7, 7′, 8, 8′) der Scheiben (5) angenähert rechteckig und an den inneren Kränzen (8, 8′) einerseits bzw. den äußeren Kränzen (7, 7′) andererseits untereinander flächengleich ausgebildet sind.