DE19932965A1 - Optischer Drehmomentsensor mit MoirE-Musterdetektion und Nullpunktabgleich - Google Patents
Optischer Drehmomentsensor mit MoirE-Musterdetektion und NullpunktabgleichInfo
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Abstract
Der optische Drehmomentsensor für eine um eine Drehachse (21) drehbare Welle (20) umfaßt eine Skaleneinheit (30) mit einer ersten Doppelskala (31) aus einer ersten und einer zweiten in Umfangsrichtung der Welle (20) angeordneten Strichskala, wobei eine Überlagerung beider Strichskalen ein von dem Drehmoment abhängiges, optisch detektierbares erstes Moir1-Muster erzeugt. Detektionsmittel (40) erfassen einen Teilbereich des ersten Moir1-Musters (330a) optisch. In einer Auswerteeinheit wird daraus ein Abbild einer Periode des ersten Moir1-Musters (330a) ermittelt und dem bei stillstehender Welle (20) vorliegenden Nullpunkt des Drehmoments zugeordnet.
Description
Die Erfindung betrifft einen optischen Drehmomentsensor für
eine um eine Drehachse drehbare Welle, der mindestens eine
Skaleneinheit mit einer ersten Doppelskala aus einer ersten
und einer zweiten in Umfangsrichtung der Welle angeordneten
Strichskala, die über jeweils einen Träger mechanisch fest
und axial durch eine vorgegebene Meßstrecke voneinander
beabstandet mit der Welle verbunden und so zueinander benach
bart angeordnet sind, daß eine Überlagerung beider Strich
skalen ein von dem auf die Meßstrecke einwirkenden Drehmoment
abhängiges erstes Moiré-Muster erzeugt, umfaßt. Ein solcher
optischer Drehmomentsensor ist aus der GB 2 162 309 A be
kannt.
In dem "Handbuch der Sensortechnik - Messen mechanischer
Größen", Verlag Moderne Industrie, Landsberg/Lech, 1989,
Kapitel 6.6, Seiten 419 bis 443, findet sich eine allgemeine
Zusammenstellung über derzeit übliche und bekannte Ausfüh
rungsformen eines Drehmomentsensors. Das Drehmoment einer
rotierenden Welle oder eines rotierenden Stäbs wird ins
besondere über eine Verdrillung (= Torsion) der Welle er
mittelt. Die Verdrillung ist nämlich proportional zum Dreh
moment und zur Länge des betreffenden Wellenabschnitts sowie
umgekehrt proportional zum Wellenquerschnitt und einer mate
rialspezifischen Torsionssteifigkeit. Bis auf die Verdrillung
sind dies Parameter, die vor Beginn der Messung bekannt sind.
Deshalb läßt sich das Drehmoment dann durch eine Erfassung
der Wellentorsion in einem bestimmten Wellenabschnitt
ermitteln.
In dem genannten Handbuch wird unter anderem ein optoelektro
nischer Drehmomentsensor mit Codier-/Lochscheiben beschrie
ben, wobei eine Detektion der Torsion optisch und damit be
rührungslos erfolgt. Ein anderer offenbarter Drehmomentsensor
bedient sich eines Wirbelstromeffekts zwischen zwei ge
schlitzten Hülsen oder Scheiben, die aufgrund der torsions
bedingten Verdrehung zu einer detektierbaren Impedanzänderung
führen. Auch dieser Sensor arbeitet berührungslos. Weiterhin
gibt es einen Drehmomentsensor, der über die Verstimmung
einer Resonanzfrequenz einer resonanten Struktur z. B. einer
Schwingsaite funktioniert. Die offenbarten Drehmomentsensoren
sind je nach Ausführungsform jedoch stets mehr oder weniger
störgrößenanfällig und/oder sie haben einen sehr komplexen
Aufbau.
In dem Buch "Sensors - A Comprehensive Survey", Vol. 6,
Optical Sensors, VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim, 1992,
Kapitel 22.4.4, Seiten 570 bis 585, sowie in dem Buch "Grund
lagen der Sensorik - Eine Instrumentenkunde für Vermessungs
ingenieure", Wichmann, 1996, Seiten 113 bis 118, Seiten 292
bis 294 sowie Seiten 442 bis 447, wird das sog. Moiré-Ver
fahren im Zusammenhang mit der Sensortechnik beschrieben. Ein
auswertbares Moiré-Muster entsteht durch eine Überlagerung
zweier Strichskalen, wobei sich Hell- und Dunkelmaxima aus
bilden, die einen deutlich größeren Periodenabstand aufweisen
als eine Gitterperiode (= Periode zwischen den Strichen der
Strichskala) der zugrunde liegenden Strichskalen. Dadurch
vereinfacht sich eine Detektion erheblich, da eine eingesetz
te Detektoreinheit mit einer niedrigeren Grenzfrequenz be
trieben werden kann.
Man unterscheidet zwischen zwei grundsätzlichen Moiré-Ver
fahren. Beim ersten Verfahren werden die beiden Strichskalen
gegeneinander verdreht. Deshalb wird dieses Verfahren auch
als Verdrehungsmoiré-Verfahren bezeichnet. Beim zweiten Ver
fahren haben die beiden Strichskalen eine geringfügig vonein
ander abweichende Gitterperiode. Dadurch ergibt sich ein
Moiré-Muster, das sich unter einem Meßgrößeneinfluß, der z. B.
zu einer Dehnung einer der beiden Strichskalen führt, ver
ändert. Dieses zweite Verfahren wird auch als Teilungsmoiré-
Verfahren bezeichnet. Allgemein erreicht man mit einem sol
chen Moiré-Verfahren eine einfache und preiswerte Erfassung
einer mechanischen Dehnung oder einer mechanischen Deforma
tion.
Mit der GB 2 162 309 A1 wird ein optischer Drehmomentsensor
offenbart, der die Torsion in einem als Meßstrecke ausgebil
deten Abschnitt einer rotierenden Welle über ein Moiré-Muster
erfaßt. Die beiden zur Überlagerung gebrachten Strichskalen
sind jeweils mittels eines Trägers mechanisch fest an gegen
überliegenden Enden der Meßstrecke mit der rotierenden Welle
verbunden. Kommt es auf der Meßstrecke infolge eines anlie
genden Drehmoments zu einer Torsion, so resultiert eine op
tisch erfaßbare Veränderung des Moiré-Musters. Der offenbarte
Drehmomentsensor funktioniert allerdings nur bei rotierender
Welle, da nur ein an einem Abtastpunkt eines Eingangslicht
signals vorbeilaufendes Moiré-Muster detektiert werden kann.
Bei Wellenstillstand ist es dagegen unmöglich, festzustellen,
welcher Bereich des Moiré-Musters sich am Abtastpunkt befin
det. Da aber gerade bei Wellenstillstand der Nullpunkt des
Drehmoments vorliegt, kann folglich auch kein Nullpunkt
abgleich durchgeführt werden.
Bei einem Drehmomentsensor insbesondere mit einer hohen Ge
nauigkeit besteht jedoch im allgemeinen die Forderung nach
einer Kalibrierbarkeit. Dadurch läßt sich die notwendige
Präzision beim Einbau erheblich reduzieren, da ein solcher
Sensor auch noch nachträglich auf seinen Nullpunkt kalibriert
werden kann. Darüber hinaus ist es unter Umständen auch er
forderlich, einen hochgenauen Drehmomentsensor im Laufe sei
ner Betriebsdauer immer wieder zu kalibrieren, um alterungs
bedingte Einflüsse zu eliminieren. Insbesondere ein in der
Kraftfahrzeugtechnik eingesetzter Drehmomentsensor sollte
deshalb die Möglichkeit zum Nullpunktabgleich bei stillste
hender Welle bieten.
Es ist nun die Aufgabe der Erfindung, einen optischen Dreh
momentsensor der eingangs bezeichneten Art anzugeben, mit dem
ein Nullpunktabgleich bei Wellenstillstand möglich ist. Der
optische Drehmomentsensor soll außerdem einfach und preiswert
herzustellen sein.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein optischer Drehmomentsensor
entsprechend den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs
angegeben.
Der erfindungsgemäße optische Drehmomentsensor für eine um
eine Drehachse drehbare Welle umfaßt mindestens
- - eine Skaleneinheit mit einer ersten Doppelskala aus einer ersten und einer zweiten in Umfangsrichtung der Welle an geordneten Strichskala, die über jeweils einen Träger mechanisch fest und axial durch eine vorgegebene Meßstrecke voneinander beabstandet mit der Welle verbunden und so zu einander benachbart angeordnet sind, daß eine Überlagerung beider Strichskalen ein von dem auf die Meßstrecke einwir kenden Drehmoment abhängiges erstes Moiré-Muster erzeugt,
- - Detektionsmittel zur optischen Erfassung eines ersten Moiré-Musterteilbereichs des ersten Moiré-Musters bei stillstehender Welle über mindestens ein auf den ersten Moiré-Musterteilbereich gerichtetes Eingangslichtsignal und
- - eine Auswerteeinheit zur Erzeugung eines ersten Abbilds mindestens einer Periode des ersten Moiré-Musters aus dem optisch erfaßten ersten Moiré-Musterteilbereich und zur Zuordnung des ersten Abbilds zu dem bei stillstehender Welle vorliegenden Nullpunkt des Drehmoments.
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, daß sich ein
optischer Drehmomentsensor, der das Drehmoment in einfacher
Weise über eine optische Detektion eines Moiré-Musters er
faßt, mit wenigen zusätzlichen Mitteln auch für einen Null
punktabgleich oder eine Kalibrierung bei stillstehender Welle
ertüchtigen läßt. Dazu sind lediglich einfache und preiswerte
Detektionsmittel erforderlich, die in der Lage sind, einen
ersten Moiré-Musterteilbereich des ersten Moiré-Musters bei
stillstehender Welle zu erfassen. Das mindestens eine zur
optischen Erfassung verwendete Eingangslichtsignal wird von
dem ersten Moiré-Musterteilbereich insbesondere in seiner
Intensität beeinflußt. In einer Auswerteeinheit wird dann aus
dem optisch erfaßten ersten Moiré-Musterteilbereich eine
komplette Periode des bei Wellenstillstand vorliegenden
ersten Moiré-Musters in Form des ersten Abbilds rekonstru
iert. Da bei Wellenstillstand auch kein Drehmoment vorhanden
ist, liegen damit vor Beginn des eigentlichen Sensorbetriebs
alle für einen aktuellen Nullpunktabgleich benötigten Infor
mationen vor.
Insbesondere lassen sich in der Auswerteeinheit auf diese
Weise die aktuellen Lagen von Hell- und Dunkelbereichen
(Hell- und Dunkelmaxima) im ersten Moiré-Muster und damit
auch die aktuelle Position eines Abtastpunkts des Eingangs
lichtsignals relativ zu diesen Extremwerten des ersten Moiré-
Musters bestimmen. Das Hell- und das Dunkelmaximum des ersten
Moiré-Musters werden nämlich unmittelbar in einen maximalen
bzw. minimalen Intensitätswert in einem Ausgangslichtsignal
abgebildet. Das auf das erste Moiré-Muster gerichtete Ein
gangslichtsignal erfährt beim Passieren des ersten Moiré-
Musters oder bei einer Reflexion an dem ersten Moiré-Muster
eine entsprechende Variation in der Lichtintensität. Nach
Passieren des ersten Moiré-Musters liegt ein Ausgangslicht
signal mit einer Intensitätsmodulation vor, die der Hell-
/Dunkelvariation im ersten Moiré-Muster entspricht.
Da die Intensität des Eingangslichtsignals einer meßgrößen
unabhängigen alterungsbedingten Variation unterliegen und
auch die aktuelle Lage des ersten Moiré-Musters in Relation
zum Drehwinkel z. B. temperaturbedingt variieren kann, ist
eine aktuelle, der momentanen Hell-/Dunkelverteilung des
ersten Moiré-Musters zugeordnete Intensitätsverteilung im
Ausgangslichtsignal eine wichtige Größe für den Nullpunkt
abgleich. Besonders wichtige Parameter sind dabei die den
momentanen Hell- und Dunkelbereichen des ersten Moiré-Musters
zugeordneten Intensitätsextremwerte.
Um die für den Nullpunktabgleich besonders wichtigen Inten
sitätsextremwerte zu erhalten, ist es günstig, wenn in der
Auswerteeinheit ein Abbild zumindest einer kompletten Periode
des ersten Moiré-Musters vorliegt. Dieses erste Abbild kann
dann beispielsweise eine über eine komplette Periode des
ersten Moiré-Musters ermittelte Intensitätsverteilung des
Ausgangslichtsignal darstellen. Die Ermittlung kann dabei
entweder durch optisches Abtasten eines entsprechend großen
Ausschnitts des ersten Moiré-Musters oder durch optisches
Abtasten eines kleineren Ausschnitts mit nachfolgender
Signalrekonstruktion in der Auswerteeinheit erfolgen.
Für die Signalrekonstruktion kann man auch Kenntnisse über
den prinzipiellen Verlauf des ersten Moiré-Musters verwenden.
Die Helligkeitsverteilung des ersten Moiré-Musters hat näm
lich stets einen im wesentlichen sinusförmigen Verlauf. Die
Signalrekonstruktion kann sich deshalb z. B. eines entspre
chenden Korrelationsverfahrens oder auch eines Sinus-Fits
bedienen.
Der optisch erfaßte erste Moiré-Musterteilbereich kann somit
sowohl größer als auch kleiner als eine Periode des ersten
Moiré-Musters sein. Er muß auch nicht aus einem einzigen
zusammenhängenden Ausschnitt des ersten Moiré-Musters be
stehen. Er ist jedoch stets größer als ein einziger, Ver
glichen mit der Periode des ersten Moiré-Musters kleiner
Abtastpunkt eines z. B. fokussierten, von einer LED (Lumines
zenzdiode) erzeugten Eingangslichtsignals. Entscheidend für
die Größe des optisch zu erfassenden ersten Moiré-Musterteil
bereichs ist die Rekonstruierbarkeit einer kompletten Periode
des ersten Moiré-Musters in der Auswerteeinheit, wobei auch
Zusatzkenntnisse miteinfließen können.
Es ist nun möglich, entweder das komplette erste Abbild in
Form der über eine Periode des ersten Moiré-Musters ermit
telten Intensitätsverteilung des Ausgangslichtsignals oder
auch nur die Intensitätsextremwerte dieser Intensitätsver
teilung in einem z. B. elektronischen Speicher der Auswerte
einheit zu hinterlegen. Diese Informationen stehen damit dann
neben den gegebenenfalls auch gespeicherten jeweils zugehöri
gen Drehwinkelpositionen für die Kalibrierung, d. h. den Null
punktabgleich, zur Verfügung.
Unter einer "Überlagerung der beiden Strichskalen", durch die
sich das erste Moiré-Muster ergibt, ist in diesem Zusammen
hang ein echtes lokales "Übereinanderanordnen" zu verstehen.
Ebenso soll darunter jedoch auch der allgemeinere Fall ver
standen werden, bei dem das Eingangslichtsignal die beiden
Strichskalen nacheinander durchläuft oder nacheinander an
beiden Strichskalen reflektiert wird. Eine Kombination von
Transmission durch eine Strichskala und Reflexion an der
anderen Strichskala ist ebenso möglich.
Besondere Ausgestaltungen des optischen Drehmomentsensors
ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Bevorzugt ist ein einfacher Verstellmechanismus für einen
optischen Abtastpunkt des Eingangslichtsignals auf dem ersten
Moiré-Muster vorgesehen, so daß der Abtastpunkt um die Länge
des optisch zu erfassenden ersten Moiré-Musterteilbereichs
auf dem ersten Moiré-Muster verschoben werden kann. Bei einer
Verschiebelänge von z. B. mindestens einer halben Perioden
länge des ersten Moiré-Musters überstreicht der Abtastpunkt
alle möglichen Helligkeitsabstufungen innerhalb des ersten
Moiré-Musters.
Bei einer ersten Ausführungsform läßt sich der Abtastpunkt
durch Positionierungsmittel in Umfangsrichtung der Welle auf
dem ersten Moiré-Muster verschieben. Dies bietet besonders
dann Vorteile, wenn die Hell- und Dunkelbereiche des ersten
Moiré-Musters im wesentlichen parallel zur Drehachse ver
laufen, da der Abtastpunkt dann im wesentlichen senkrecht zu
einer Hauptrichtung des ersten Moiré-Musters verschoben
werden kann. Alle für den Nullpunktabgleich erforderlichen
Informationen sind dann problemlos bestimmbar.
Eine zweite Ausführungsform ist so ausgebildet, daß die
Positionierungsmittel eine Verschiebung eines Abtastpunkts in
Richtung der Drehachse, d. h. in axialer Richtung, ermögli
chen. Diese Ausführungsform bietet insbesondere dann Vor
teile, wenn das erste Moiré-Muster Hell- und Dunkelbereiche
umfaßt, die unter einem gewissen Winkel zur Drehachse ver
laufen. In Umfangsrichtung betrachtet ergibt sich eine
schräge Anordnung der Hell- und Dunkelbereiche. Dann wird
auch mit einer axialen Verschiebung des Abtastpunkts ein
entsprechender Abschnitt des ersten Moiré-Musters überstri
chen, so daß alle für die Kalibrierung notwendigen Informa
tionen ermittelt werden können.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus,
daß die Positionierungsmittel eine mechanisch verschiebbare
Detektoreinheit umfassen. Je nach gewählter Ausbildung des
ersten Moiré-Musters kann diese Detektoreinheit um die Dreh
achse drehbar auf der Welle gelagert sein oder längs der
Drehachse verschiebbar angeordnet sein, so daß entweder eine
Verschiebung in Umfangsrichtung oder eine Verschiebung in
axialer Richtung möglich ist. Eine Ausführungsform mit Ver
schiebungsmöglichkeit sowohl in Umfangsrichtung als auch in
axialer Richtung ist ebenfalls möglich. Über eine solche
Detektoreinheit läßt sich der Abtastpunkt besonders einfach
auf dem ersten Moiré-Muster verschieben. Außerdem stellt die
verschiebbare Detektoreinheit eine sehr preiswerte Lösung
dar, da keine aufwendigen Komponenten erforderlich sind.
Die Detektoreinheit enthält vorteilhafterweise elektroopti
sche Sendemittel, beispielsweise in Form einer Laserdiode
oder einer Lumineszenzdiode (LED), zum Aussenden des Ein
gangslichtsignals und außerdem auch optoelektrische Empfangs
mittel, beispielsweise in Form einer oder mehrerer Photo
dioden oder einer CCD-Zeile (Charge Coupled Device), zum
Empfangen des mindestens einen Ausgangslichtsignals.
Vorteilhaft ist eine weitere Ausführungsform, bei der eine
Positioniereinheit die genaue mechanische Positionierung der
verschiebbaren Detektoreinheit steuert. Diese Positionier
einheit stellt die aktuelle Position des Abtastpunkts auf dem
ersten Moiré-Muster ein und liefert zugleich auch entspre
chende Positionsangaben, die gespeichert und dann für die
Kalibrierung verwendet werden können. Die Positioniereinheit
kann einen mechanischen Schieber, z. B. in Gestalt eines
Magnetschiebers oder eines Piezoaktors, zum Positionieren der
verschiebbaren Detektoreinheit enthalten. Andere mechanische
Schieber sind ebenfalls denkbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung setzt sich der optisch
zu erfassende erste Moiré-Musterteilbereich aus mindestens
zwei voneinander unabhängigen Segmenten des ersten Moiré-
Musters zusammen. Alle Segmente werden dann über jeweils
gesonderte Eingangslichtsignale optisch erfaßt. Durch die
Verwendung mehrerer Eingangslichtsignale, d. h. auch mehrerer
Abtastpunkte, läßt sich die für die Ermittlung des ersten
Abbilds erforderliche Verschiebelänge der verschiebbaren
Detektoreinheit reduzieren.
Günstig ist auch eine Variante, bei der sich der optisch zu
erfassende erste Moiré-Musterteilbereich aus zwei Segmenten
zusammensetzt, die im Abstand einer Viertelperiode des ersten
Moiré-Musters angeordnet sind. Durch diesen günstigen Abstand
wird erreicht, daß sich nie beide zugehörige Abtastpunkte
zugleich an einer Stelle des ersten Moiré-Musters befinden,
die einen niedrigen Kontrast, d. h. einen niedrigen lokalen
Gradienten der Helligkeitsverteilung, aufweist. Dadurch ist
eine weitere Reduktion der erforderlichen Verschiebelänge der
verschiebbaren Detektoreinheit möglich.
Eine weitere günstige Ausgestaltung ist mit Beleuchtungsmit
teln ausgestattet, die eine komplette Beleuchtung zumindest
des optisch zu erfassenden ersten Moiré-Musterteilbereichs
ermöglichen. Die Beleuchtung kann z. B. über einen großflächi
gen Lichtpunkt erfolgen, der den für den Nullpunktabgleich
optisch zu erfassenden ersten Moiré-Musterteilbereich kom
plett erfaßt. Von dem ersten Moiré-Musterteilbereich wird
dann praktisch ein einer Photographie vergleichbares Abbild
erstellt, dessen Auswertung die für den Nullpunktabgleich
benötigten Informationen liefert. Eine hierfür geeignete
Lichtquelle kann z. B. auch eine einfache Glühlampe mit ggf.
nachgeschalteter Lochblende sein. Möglich ist auch eine Viel
zahl einzelner LEDs. Zur Erfassung des zurückreflektierten
Lichts dient beispielsweise eine CCD-Zeile. Bei dieser Aus
gestaltung wird der Abschnitt des ersten Moiré-Musters rein
elektronisch erfaßt. Insbesondere ist keine mechanische Ver
schiebung vorgesehen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind Beleuch
tungsmittel vorgesehen, die mehrere separate Eingangslicht
signale emittieren. Abtastpunkte dieser Eingangslichtsignale
überdecken den für den Nullpunktabgleich optisch zu erfassen
den ersten Moiré-Musterteilbereich. Dazu sind die einzelnen
Abtastpunkte nebeneinander längs des längs des optisch zu
erfassenden ersten Moiré-Musterteilbereichs angeordnet. Die
separaten Eingangslichtsignale werden z. B. von einer ent
sprechenden Anzahl insbesondere einzeln ansteuerbarer Licht
quellen in Form von Laserdioden oder LEDs erzeugt. Die ein
zelnen Lichtquellen können auch zu einer einzigen Baueinheit
zusammengefaßt sein. Entsprechend der gewünschten Überdeckung
des gesamten auszuwertenden Abschnitts durch die einzelnen
Abtastpunkte sind auch die Foki der einzelnen Lichtquellen
seitlich etwas gegenüber dem jeweiligen Nachbarfokus ver
setzt. Die einzelnen Lichtquellen können gleichzeitig oder
auch sukzessive angesteuert werden. Entsprechend ergibt sich
das zu erstellende Abbild des optisch zu erfassenden ersten
Moiré-Musterteilbereichs unmittelbar oder es wird erst nach
träglich in der Auswerteeinheit zusammengesetzt.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsvariante unterscheiden
sich die Strichzahlen der beiden Strichskalen nur geringfügig
voneinander. Eine relative Differenz zwischen den Strichzah
len von höchstens 10% führt nämlich zu einem ersten Moiré-
Muster mit einer großen Periodenlänge, so daß sich eine Ver
stärkung des Meßeffekts ergibt. Unter dem Einfluß eines Dreh
moments wird das erste Moiré-Muster dann über einen großen
Drehwinkelbereich verschoben, wohingegen die Strichskalen
selbst aufgrund der Torsion nur eine kleine Verschiebung
erfahren. Da außerdem auch die Hell- und Dunkelbereiche eine
wesentlich größere räumliche Ausdehnung als die einzelnen
Striche der beiden Strichskalen aufweisen, kann die Detektion
mit einer wesentlich niedrigeren Grenzfrequenz als bei einer
Detektion der einzelnen Striche der beiden Strichskalen
erfolgen.
Günstig ist außerdem eine Ausgestaltung, bei der die Skalen
einheit eine zweite Doppelskala mit einer dritten und vierten
Strichskala enthält. Aus einer Überlagerung der dritten und
vierten Strichskala resultiert ein zweites Moiré-Muster, das
analog zum ersten Moiré-Muster eine Meßinformation über das
auf die Meßstrecke einwirkende Drehmoment beinhaltet. Das
zweite Moiré-Muster kann sowohl über das gleiche Eingangs
lichtsignal wie das erste Moiré-Muster als auch über ein
separates zweites Eingangslichtsignal detektiert werden.
Immer liegen jedoch zwei separate Ausgangslichtsignale vor -
das eine für das erste und das andere für das zweite Moiré-
Muster. Analog zum ersten Moiré-Muster läßt sich über die
Detektionsmittel auch vom zweiten Moiré-Muster bei still
stehender Welle ein zweiter Moiré-Musterteilbereich optisch
erfassen. Die Auswerteeinheit erzeugt dann aus dem optisch
erfaßten zweiten Moiré-Musterteilbereich ein zweites Abbild
für mindestens eine Periode des zweiten Moiré-Musters. Das
zweite Abbild wird in der Auswerteeinheit dann ebenfalls dem
bei stillstehender Welle vorliegenden Nullpunkt des Dreh
moments zugeordnet. Mit den dann in der Auswerteeinheit vor
liegenden, voneinander unabhängigen Meßinformationen aus den
beiden Moiré-Mustern läßt sich dann beispielsweise die
Signaldynamik erhöhen oder auch eine Störgrößenkompensation
durchführen. Alle vorstehend für die Auswertung des ersten
Moiré-Musters beschriebenen Ausführungsformen, Ausgestaltun
gen oder Varianten lassen sich ebenso für die Auswertung des
zweiten Moiré-Musters verwenden.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsvariante, bei der
die erste Strichskala der ersten Doppelskala und die vierte
Strichskala der zweiten Doppelskala eine identische erste
Strichzahl aufweisen. Außerdem haben die zweite Strichskala
der ersten Doppelskala und die dritte Strichskala der zweiten
Doppelskala ebenfalls eine identische zweite Strichzahl.
Dadurch erreicht man, daß die beiden Moiré-Muster bei sich
drehender Welle in entgegengesetzter Richtung um die Dreh
achse umlaufen. Wertet man dann die Differenz zwischen den
beiden Moiré-Mustern aus, so erhält man eine größere Signal
dynamik als bei Auswertung nur eines Moiré-Musters. Außerdem
wird als zusätzliche Information für die Auswertung nicht
mehr der aktuelle Drehwinkel, sondern lediglich ein Zeitver
satz zwischen den beiden Moiré-Mustern benötigt.
Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei der alle Oberflächen,
die von einem Lichtsignal passiert werden oder an denen ein
Lichtsignal reflektiert wird, schmutzabweisend ausgebildet
sind. Dazu weisen diese Oberflächen eine selbstreinigende
Nanostruktur auf. Sich anlagernder Schmutz wird bei diesen
Oberflächen unter dem Einfluß der Umgebungsfeuchtigkeit wie
der abgewaschen. Diese Ausgestaltung ist folglich besonders
in einer Umgebung, die einer starken Verschmutzung, wie z. B.
im Motorraum eines Kraftfahrzeugs, unterliegt, günstig. Eine
bei einer weiteren Ausführungsform zur Verhinderung einer
unerwünschten Verschmutzung zumindest innerhalb des Bereichs
zwischen den Detektionsmitteln und der Skaleneinheit vor
gesehene Befüllung mit einer Flüssigkeit kann bei der Aus
gestaltung mit den nanostrukturierten Oberflächen entfallen.
Die vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen und Prinzipien
lassen sich auch analog einsetzen, wenn die einzelnen Strich
skalen nicht mit konstanter, sondern mit variabler Perioden
länge zwischen den einzelnen Strichen ausgebildet sind.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen opti
schen Drehmomentsensors werden nunmehr anhand der Zeichnung
näher erläutert. Zur Verdeutlichung ist die Zeichnung nicht
maßstäblich ausgeführt, und gewisse Merkmale sind schemati
siert dargestellt. Im einzelnen zeigen:
Fig. 1 einen optischen Drehmomentsensor in einem Längs
schnitt,
Fig. 2 die Skaleneinheit des optischen Drehmomentsensors
von Fig. 1,
Fig. 3 den optischen Drehmomentsensor von Fig. 1 in einem
Querschnitt,
Fig. 4 zwei Strichskalen einer Doppelskala,
Fig. 5 Moiré-Muster bei drei verschiedenen Relativposi
tionen der beiden Strichskalen von Fig. 4,
Fig. 6 einen Intensitätsverlauf des Ausgangslichtsignals
über dem Drehwinkel,
Fig. 7 Intensitätsverläufe zweier Ausgangslichtsignale
über der Zeit,
Fig. 8 ein Moiré-Muster mit parallel zur Drehachse an
geordneten Hell- und Dunkelbereichen,
Fig. 9 ein Moiré-Muster mit schräg zur Drehachse angeord
neten Hell- und Dunkelbereichen,
Fig. 10 ein Moiré-Muster mit zwei im Abstand einer Viertel
periode des Moiré-Musters angeordneten Abtastpunk
ten,
Fig. 11 einen optischen Drehmomentsensor mit auf zwei
Trägerplatten angeordneten Strichskalen,
Fig. 12 einen Drehmomentsensor mit auf 45°-Phasen von
Trägerrohren angeordneten Strichskalen und
Fig. 13 einen optischen Drehmomentsensor mit Mitteln zur
Beleuchtung eines Abschnitts des Moiré-Musters.
Einander entsprechende Teile sind in den Fig. 1 bis 13 mit
denselben Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist ein optischer Drehmomentsensor 100 dar
gestellt, der das Drehmoment, das innerhalb einer Meßstrecke
35 auf eine drehbare Welle 20 einwirkt, erfaßt. Die Welle 20
dreht sich mit einer Winkelgeschwindigkeit ω um eine Dreh
achse 21. Eine Anfangswinkelposition der Welle 20 ist mit α0
bezeichnet und der aktuelle Drehwinkel mit α. Die Welle 20
kann auch mit variabler Winkelgeschwindigkeit ω rotieren.
Insbesondere kann die Welle 20 auch stillstehen, wobei dann
kein Drehmoment an der Meßstrecke 35 angreift.
Der optische Drehmomentsensor 100 ist für eine hohe Genauig
keit bei einer rauhen Umgebungsbedingung, wie z. B. bei einem
Einsatz im Motorinnenraum eines Kraftfahrzeugs, konzipiert.
Die Eigenschaften des optischen Drehmomentsensors 100 bleiben
dabei über einen Zeitraum von mehreren Jahren hinweg erhal
ten. Dazu ist es möglich, einen Nullpunkt des optischen
Drehmomentsensors 100 abzugleichen (= zu kalibrieren). Bei
einem Einsatz in einem Kraftfahrzeug ist eine solche Null
punkt-Kalibrierung günstig, da im Augenblick des Drehmoment
nullpunkts ein weiches und getriebeschonendes Schalten mög
lich ist. Um nun im normalen Betriebszustand, also bei
rotierender Welle 20, einen Drehmomentnullpunkt sicher zu
erkennen, wird der optische Drehmomentsensor 100 bei still
stehender Welle 20 auf den dann ebenfalls vorliegenden Dreh
momentnullpunkt abgeglichen. Dazu umfaßt der optische Dreh
momentsensor 100 zusätzliche, jedoch sehr einfache und damit
preiswerte Mittel.
Der optische Drehmomentsensor 100 befindet sich in einem
Sensorgehäuse 44, das drehbar auf der Welle 20 gelagert ist.
Zum Nullpunktabgleich bei stillstehender Welle wird nun im
Prinzip eine kleine Drehbewegung der Welle 20 dadurch nach
gebildet, daß anstelle der Welle 20 das Gehäuse 44 um eine
kleine Wegstrecke in Umfangsrichtung um die stillstehende
Welle 20 bewegt wird. Die dabei gewonnenen Meßinformationen
dienen dann zum Nullpunktabgleich.
Der optische Drehmomentsensor 100 erfaßt das Drehmoment über
den Umweg einer Torsionsmessung. Diese erfolgt mit Hilfe
zweier Moiré-Muster 330a und 330b, die sich jeweils durch
eine Überlagerung zweier Strichskalen einer ersten bzw. einer
zweiten Doppelskala 31 bzw. 32 ergeben. Beide Doppelskalen 31
und 32 sind Bestandteil einer Skaleneinheit 30.
Die beiden Doppelskalen 31 und 32 sind an zwei Trägern 33 und
34 angeordnet, die axial durch die Meßstrecke 35 voneinander
beabstandet mechanisch fest mit der Welle 20 verbunden sind.
Kommt es nun auf der Meßstrecke 35 aufgrund eines anliegenden
Drehmoments zu einer Torsion, so verschiebt sich auch die
relative Position des Trägers 33 zu der des Trägers 34. Damit
ergibt sich auch eine Veränderung der beiden durch die zwei
Doppelskalen 31 und 32 gebildeten Moiré-Muster 330a bzw.
330b, die optisch detektiert und zur Ermittlung des zugrunde
liegenden Drehmoments herangezogen werden.
Die Träger 33 und 34 enthalten jeweils ein Trägerrohr 331
bzw. 341. Der Träger 34 umfaßt außerdem an einem Ende des
Trägerrohres 341 einen transparenten Endabschnitt 340. Dieser
transparente Endabschnitt 340 ist über das ihm zugewandte
Ende des Trägerrohrs 331 geschoben, so daß in einem Überlap
pungsbereich eine Innenseite des transparenten Endabschnitts
341 und eine Außenseite des Trägerrohrs 331 eng benachbart
jedoch immer noch kontaktfrei angeordnet sind.
In diesem Überlappungsbereich, der in Fig. 2 vergrößert
dargestellt ist, sind die beiden Doppelskalen 31 und 32 der
Skaleneinheit 30 angeordnet. Die erste Doppelskala 31 umfaßt
eine erste Strichskala 311 und eine zweite Strichskala 312.
Die zweite Doppelskala 32 umfaßt eine dritte Strichskala 321
und eine vierte Strichskala 322. Im Überlappungsbereich sind
an der Innenseite des transparenten Endabschnitts 340 die
erste und die dritte Strichskala 311 bzw. 321 und an der
Außenseite des Trägerrohrs 331 die zweite und die vierte
Strichskala 312 bzw. 322 so angeordnet, daß die erste und die
zweite Strichskala 311 bzw. 312 sowie die dritte und die
vierte Strichskala 321 bzw. 322 jeweils einander gegenüber
liegen.
Durch die Überlagerung der ersten und zweiten Strichskala 311
bzw. 312 der ersten Doppelskala 31 sowie durch die Überlage
rung der dritten und vierten Strichskala 321 bzw. 322 der
zweiten Doppelskala 32 bilden sich das erste bzw. das zweite
Moiré-Muster 330a bzw. 330b. Im vorliegenden Fall weisen die
erste und die vierte Strichskala 311 bzw. 322 eine Strichzahl
von 100 auf, wohingegen die zweite und die dritte Strichskala
312 bzw. 321 jeweils eine Strichzahl von 101 haben. Die Ein
zelstriche sind mit axialer Ausrichtung in Umfangsrichtung um
die Welle 20 angeordnet. Durch den kleinen Unterschied in der
Strichzahl bilden sich die beiden Moiré-Muster 330a und 330b
mit Hell- und Dunkelbereichen aus, die eine wesentlich grö
ßere Ausdehnung aufweisen als die Einzelstriche der zugrunde
liegenden Strichskalen 311, 312, 321 bzw. 322.
Bei nicht dargestellten Ausführungsformen des optischen Dreh
momentsensors 100 sind auch andere Werte für die Strichzahlen
sowie für die Abweichung zwischen den Strichzahlen vorge
sehen. Außerdem können die Striche einer Strichskala auch
unter einem bestimmten Winkel zur Drehachse 21, d. h. schräg,
angeordnet sein.
Wie in Fig. 1 dargestellt werden das erste und das zweite
Moiré-Muster 330a und 330b über ein gemeinsames Eingangs
lichtsignal LS0 optisch abgetastet. Das in einer Detektor
einheit 40 mittels einer Lichtquelle 41, im vorliegenden Fall
mittels einer LED, erzeugte Lichtsignal LS0 passiert den
transparenten Endabschnitt 340 sowie die beiden Strichskalen
311 und 321, um dann an den anderen beiden Strichskalen 312
und 322 zur Detektoreinheit 40 zurückreflektiert zu werden.
Nach Durchlaufen beider Doppelskalen 31 und 32 liegen ein
erstes und ein zweites Ausgangslichtsignal LS1 bzw. LS2 vor.
Das erste Ausgangslichtsignal LS1 ist dabei durch das erste
Moiré-Muster 330a und das zweite Ausgangslichtsignal LS2
durch das zweite Moiré-Muster 330b in der Intensität beein
flußt. Hell- bzw. Dunkelbereiche der beiden Moiré-Muster 330a
und 330b, die sich unter einem Abtastpunkt des Eingangslicht
signals LS0 aufgrund der Drehbewegung der Welle 20 hinweg
bewegen, bewirken in den beiden Ausgangslichtsignalen LS1 und
LS2 eine entsprechende Intensitätsmodulation. Diese läßt sich
dann als Maß für die Torsion der Meßstrecke 25 und damit als
Maß für das gesuchte Drehmoment auswerten.
In der Detektoreinheit 40 werden die beiden Ausgangslicht
signale LS1 und LS2 durch einen ersten und einen zweiten
Lichtempfänger 42 bzw. 43 empfangen und jeweils in ein zu
gehöriges elektrisches Signal umgewandelt. Die Lichtempfänger
42 und 43 sind hier einfache Photodioden. In einem nicht
dargestellten anderen Ausführungsbeispiel können die Licht
empfänger 42 und 43 jedoch auch jeweils als CCD-Zeile aus
gebildet sein.
Ein Innenraum 46 des Sensorgehäuses 44 ist mit einem Silikon
öl 47 gefüllt, um eine Verschmutzung vor allem der Ober
flächen, die von einem Lichtsignal passiert werden oder an
denen ein Lichtsignal reflektiert wird, zu verhindern. In
einem anderen Ausführungsbeispiel kann anstelle des Silikon
öls 47 eine andere optisch transparente Flüssigkeit zum Ein
satz kommen.
Im Bereich der Detektoreinheit 40 weist das Sensorgehäuse 44
einen Vorsprung 45 auf, der der mechanischen Verschiebung des
drehbar gelagerten Sensorgehäuses 44 insbesondere während des
Nullpunktabgleichs bei stillstehender Welle 20 dient.
In Fig. 3 ist ein Querschnitt des optischen Drehmoment
sensors 100 gezeigt, wobei die Darstellung zusätzlich eine
Positioniereinheit 50 und eine Auswerteeinheit 60 umfaßt. Die
Positioniereinheit 50 steuert die Verschiebung des Sensor
gehäuses 44 in Umfangsrichtung um die Drehachse 21. Sie ent
hält einen Magnetschieber 51, der an dem Vorsprung 45 des
Sensorgehäuses 44 angreift und das Sensorgehäuse 44 in Um
fangsrichtung um die Drehachse 21 in seiner Position ver
ändern kann. Die Positioniereinheit 50 enthält außerdem einen
Anschlag 52, gegen den der Vorsprung 45 über eine Feder 43
gedrückt wird. Die Rückstellkraft der Feder 53 bewirkt dann
bei einer Zurückpositionierung des Magnetschiebers 51 auch
ein Zurückdrehen des Sensorgehäuses 44. Ein Verschiebeweg des
Magnetschiebers 51 ist nun so ausgelegt, daß das Sensorgehäu
se 44 so weit um die stillstehende Welle 20 gedreht werden
kann, daß das Eingangslichtsignal LS0 auf dem ersten Moiré-
Muster 330a einen ersten Moiré-Musterteilbereich und auf dem
zweiten Moiré-Muster 330b einen zweiten Moiré-Musterteil
bereich überstreicht und optisch erfaßt.
Aus dem ersten und dem zweiten Moiré-Musterteilbereich werden
dann in der Auswerteeinheit 60, die elektrisch sowohl mit der
Detektoreinheit 40 als auch mit der Positioniereinheit 50
verbunden ist, ein erstes bzw. ein zweites Abbild einer
Periode des ersten Moiré-Musters 330a bzw. des zweiten Moiré-
Musters 330b ermittelt. In der Auswerteeinheit 60 liegen da
mit sämtliche für den Nullpunktabgleich benötigten Informa
tionen vor.
Die aktuelle Positionen des jeweiligen Abtastpunkts des
Eingangslichtsignals LS0 auf den beiden Moiré-Mustern 330a
und 330b läßt sich aus dem aktuellen Verschiebeweg des
Magnetschiebers 51 ermitteln. Auch die aktuellen Intensitäts
verteilungen der beiden Ausgangslichtsignale LS1 und LS2, die
sich bei optischem Abtasten jeweils einer Periode der beiden
Moiré-Muster 330a bzw. 330b ergeben, sind bekannt. Die Inten
sitätsverteilungen beider Ausgangslichtsignale LS1 und LS2
sind den jeweiligen Helligkeitsverteilungen beider Moiré-
Muster 330a bzw. 330b zugeordnet. Insbesondere lassen sich
damit auch die den jeweiligen Hell- und Dunkelbereichen
beider Moiré-Muster 330a und 330b zugeordneten Intensitäts
extremwerte in den beiden Ausgangslichtsignalen LS1 und LS2
ermitteln. Diese Parameter werden in der Auswerteeinheit 60
elektronisch gespeichert und zum Nullpunktabgleich heran
gezogen.
Anhand der Fig. 4 und 5 wird die Entstehung eines Moiré-
Musters durch eine Überlagerung zweier Strichskalen am Bei
spiel des ersten Moiré-Musters 330a erläutert. Ausgangspunkt
sind die in Fig. 4 dargestellte erste Strichskala 311 hier
mit insgesamt 41 Einzelstrichen und die zweite Strichskala
312 hier mit insgesamt 40 Einzelstrichen.
Die erste und die zweite Strichskala 311 und 312 sind gemäß
dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3 bei dem optischen
Drehmomentsensor 100 als geschlossene Kreisringe in Umfangs
richtung um die Welle 20 angeordnet. Aus Gründen der besseren
Übersichtlichkeit ist für die Fig. 4 und 5 eine ungekrümm
te Darstellungsform gewählt, bei der die an sich kreisring
förmigen Strichskalen 311 und 312 fiktiv an einer beliebigen
Stelle aufgetrennt und gerade gebogen sind.
Durch die Überlagerung beider Strichskalen 311 und 312 ergibt
sich das in Fig. 5 dargestellte erste Moiré-Muster 330a.
Dieses weist im vorliegenden Beispiel jeweils einen Hell
bereich 336 und einen Dunkelbereich 337 auf. Die Perioden
länge des ersten Moiré-Musters 330a entspricht somit der
kompletten Umfangslänge der Welle 20. Bei dem ersten Moiré-
Muster 330a von Fig. 5 ist vorausgesetzt, daß die Über
lagerung in der in Fig. 4 dargestellten relativen Position
beider Strichskalen 311 und 312 erfolgt ist. Verschiebt sich
die relative Lage der Strichskalen 311 und 312 durch eine
Torsion der Meßstrecke 35, so resultiert daraus auch eine
Veränderung im ersten Moiré-Muster 330a.
Werden die beiden Strichskalen 311 und 312 beispielsweise um
etwa das 0,33-fache einer Einzelstrichbreite gegeneinander
verschoben, so ergibt sich ein verändertes erstes Moiré-
Muster 331a. Bei einer Verschiebung um das 0,66-fache einer
Einzelstrichbreite ergibt sich dann ein weiter verändertes
erstes Moiré-Muster 332a.
Die Veränderung in den beiden ersten Moiré-Mustern 331a und
332a gegenüber dem ursprünglichen ersten Moiré-Muster 330a
manifestiert sich in einer Verschiebung des Hell- und Dunkel
bereichs 336 bzw. 337. Bei zunehmender relativer Verschiebung
der beiden Strichskalen 311 und 312 bewegt sich somit auch
das erste Moiré-Muster 330a in Umfangsrichtung um die Dreh
achse 21.
In den Fig. 4 und 5 ist deutlich zu erkennen, daß der
Hell- oder der Dunkelbereich 336 bzw. 337 jeweils eine we
sentlich größere lokale Abmessung aufweist als die Zwischen
räume bzw. die Einzelstriche beider Strichskalen 311 und 312.
Dadurch resultiert eine leichtere Detektierbarkeit, da für
das optische Abtasten eine wesentlich niedrigere Grenz
frequenz vorgesehen werden kann. Außerdem führt eine geringe
torsionsbedingte Verschiebung zu einer deutlich größeren
Verschiebung des Hell- und Dunkelbereichs 336 bzw. 337 im
ersten Moiré-Muster 330a. Der Meßeffekt wird verstärkt und
ist auch dadurch leichter optisch zu detektieren.
Abweichend vom Ausführungsbeispiel der Fig. 4 und 5 können
die Strichskalen 311 und 312 auch jeweils eine andere Anzahl
an Einzelstrichen umfassen. Gesamtanzahl und Differenz der
Einzelstriche beider Strichskalen 311 und 312 bestimmen dann
Lage und Anzahl der Hell- und Dunkelbereiche 336 bzw. 337,
die das erste Moiré-Muster 330a in Umfangsrichtung aufweist.
Insbesondere kann das erste Moiré-Muster 330a dann auch
mehrere Perioden über eine Umfangslänge enthalten.
In den Fig. 6 und 7 ist die Ermittlung eines Meßwerts M
für die Torsion der Meßstrecke 35 und damit auch für das
eigentlich gesuchte Drehmoment dargestellt. Der Meßwert M
wird aus Intensitäten I1 und I2 des ersten bzw. zweiten Aus
gangslichtsignals LS1 bzw. LS2 ermittelt. Beide Ausgangs
lichtsignale LS1 und LS2 weisen nämlich eine Modulation in
ihren Intensitäten I1 bzw. I2 auf, die im wesentlichen der in
Fig. 5 dargestellten Verteilung der Hell- und Dunkelbereiche
336 bzw. 337 im zugehörigen abgetasteten ersten oder zweiten
Moiré-Muster 330a bzw. 330b entspricht. Diese Intensitäts
modulation erkennt man sowohl bei einer Darstellung des
lokalen Verlaufs gemäß Fig. 6, bei der die Intensität I1
über dem aktuellen Drehwinkel α aufgetragen ist, als auch bei
der Darstellung des zeitlichen Verlaufs gemäß Fig. 7, bei
der die beiden Intensitäten I1 (durchgezogene Linie) und I2
(gestrichelte Linie) über der Zeit t aufgetragen sind.
Fig. 6 veranschaulicht die Bestimmung des Meßwerts M anhand
eines einzigen Moiré-Musters, d. h. anhand eines einzigen
Ausgangslichtsignals LS1 mit der Intensität I1. Neben der
Messung der Intensität I1, die die Meßinformation darüber
trägt, wie weit sich das erste Moiré-Muster 330a in Umfangs
richtung bewegt hat, ist auch die Erfassung des aktuellen
Drehwinkels α erforderlich. Beim Nullpunktabgleich wird
beispielsweise die Winkelposition des Hellbereichs 336, der
zu einer maximalen Intensität I1 führt, als Anfangsposition
α0 festgelegt. Die Verschiebung dieses Hellbereichs 336 in
Umfangsrichtung, ausgedrückt als auf die Anfangswinkelposi
tion α0 bezogenen Drehwinkel α, dient dann als Meßwert.
Bei einer Detektion zweier Moiré-Muster, beispielsweise der
beiden Moiré-Muster 330a und 330b, über die beiden Ausgangs
lichtsignale LS1 und LS2 mit den jeweils zugehörigen Inten
sitäten I1 bzw. I2 erfolgt eine Meßwerterfassung gemäß der
Darstellung von Fig. 7 ohne eine zusätzliche Bestimmung des
Drehwinkels α. Als wichtiger Parameter für die Bestimmung des
Meßwerts M dient hierbei ein Zeitversatz Δt zwischen den
beiden Intensitäten I1 und I2, der ein Maß für die Relativ
verschiebung zwischen den beiden Moiré-Mustern 330a und 330b
ist. Der Zeitversatz Δt ist damit auch proportional zu dem zu
bestimmenden Drehmoment.
Aus den Fig. 6 und 7 ist ersichtlich, daß als wichtige
Parameter für die Meßgrößenermittlung die Extremwerte der
Intensitäten I1 und I2 sowie gegebenenfalls auch die Position
der zugehörigen Hell- und Dunkelbereiche 336 bzw. 337 der
beiden Moiré-Muster 330a und 330b dienen. Diese Informationen
werden nun vor Beginn der Messung im Rahmen des Nullpunkt
abgleichs jeweils neu ermittelt, so daß eine beispielsweise
alterungsbedingte Variation der Intensität des Eingangslicht
signals LS0 zu keiner Verfälschung des ermittelten Meßwerts M
führt.
In Fig. 8 ist perspektivisch und in Draufsicht dargestellt,
wie ein Abtastpunkt 334 des Eingangslichtsignals LS0 bei
stillstehender Welle 20 in Umfangsrichtung über das erste
Moiré-Muster 330a hinwegbewegt wird. Der Abtastpunkt 334 läßt
sich dabei während dem Nullpunktabgleich über mindestens eine
ganze Periode des ersten Moiré-Musters 330a, d. h. über minde
stens einen Hellbereich 336 und einen Dunkelbereich 337, hin
wegbewegen. Bei dem Ausführungsbeispiel des optischen Dreh
momentsensors 100 gemäß den Fig. 1 bis 3 ist dies dank des
drehbar auf der Welle 20 gelagerten Gehäuses 44 leicht mög
lich. Es gibt aber auch andere Ausführungsbeispiele, bei
denen der Abtastpunkt 334 nur über einen kleineren Teil
beider Moiré-Muster 330a und 330b, z. B. nur über eine halbe
Periode, hinwegbewegt wird. Dann wird in der Auswerteeinheit
60 durch entsprechende Maßnahmen zur Signalrekonstruktion ein
Abbild einer ganzen Periode des ersten oder des zweiten
Moiré-Musters 330a bzw. 330b erzeugt.
In einer alternativen Ausführungsform gemäß Fig. 9 läßt sich
jedoch auch ein Nullpunktabgleich durchführen, indem ein Ab
tastpunkt 335 nicht in Umfangsrichtung, sondern in axialer
Richtung über ein erstes Moiré-Muster 333a hinwegbewegt wird.
Dazu weist das erste Moiré-Muster 333a Hell- und Dunkel
bereiche 338 bzw. 339 auf, die in bezug zur Drehachse 21
schräg verlaufen. Damit ist auch durch ein axiales Verschie
ben des Abtastpunkts 335 das Überstreichen einer Periode des
ersten Moiré-Musters 333a und damit die Ermittlung der für
den Nullpunktabgleich benötigten Informationen möglich.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 10 kann ein besonders
kleiner Verschiebeweg des verschiebbaren Sensorgehäuses 44
vorgesehen werden, ohne dabei die Möglichkeit zum Nullpunkt
abgleich in Frage zu stellen. Bei diesem Ausführungsbeispiel
wird das erste Moiré-Muster 330a zusätzlich zu dem Abtast
punkt 334 über einen weiteren Abtastpunkts 334' eines nicht
dargestellten weiteren Eingangslichtsignals optisch erfaßt.
Die für den Nullpunktabgleich benötigten Informationen lassen
sich damit über einen erheblich kürzeren Verschiebeweg als
bei den Ausführungsbeispielen mit nur einem einzigen Abtast
punkt 334 erfassen. Die beiden Abtastpunkte 334 und 334' sind
in einem Abstand 36 voneinander auf dem ersten Moiré-Muster
330a angeordnet. Besonders günstig ist es, wenn der Abstand
36 etwa so groß wie eine Viertelperiode des ersten Moiré-
Musters 330a ist. Dann ist sichergestellt, daß sich nie beide
Abtastpunkte 334 und 334' gleichzeitig an einer kontrastarmen
Stelle des ersten Moiré-Musters 330a befinden.
In den Fig. 11 und 12 sind alternative Ausführungsformen
für einen optischen Drehmomentsensor 101 bzw. 102 darge
stellt. Der optische Drehmomentsensor 101 von Fig. 11 unter
scheidet sich von dem optischen Drehmomentsensor 100 nur da
durch, daß die Skaleneinheit 30 anstelle innerhalb eines
Überlappungsbereiches zweier übereinandergeschobener Träger
rohre 331 und 341 auf zwei Trägerplatten 332 und 342 ange
ordnet ist. Beide Trägerplatten 332 und 342 stehen senkrecht
zur Drehachse 21. Sie werden beide von dem Eingangslicht
signal LS0 durchstrahlt. Im Bereich der Skaleneinheit 30 sind
die Trägerplatten 332 und 342 optisch transparent ausgebil
det. Der optische Drehmomentsensor 101 hat eine rein trans
missiv ausgebildete optische Detektion.
Demgegenüber ist der optische Drehmomentsensor 102 von
Fig. 12 mit einer rein reflexiven optischen Detektion ausgeführt.
Beide Trägerrohre 331 und 341 weisen an den einander zuge
wandten Enden jeweils eine 45°-Phase 333 bzw. 343 auf. Die
Doppelskalen 31 und 32 sind auf diesen 45°-Phasen 333 und 343
angeordnet. Das Eingangslichtsignal LS0 trifft dann zunächst
auf die zweite und vierte Strichskala 312 bzw. 322 und wird
aufgrund der 45°-Phase 343 um 90° umgelenkt und zur ersten
und dritten Strichskala 311 bzw. 321 gelenkt. Hier erfolgt
aufgrund der 45°-Phase 333 eine weitere 90°-Umlenkung, so daß
die beiden Ausgangslichtsignale LS1 und LS2 zur Detektorein
heit 40 zurücklaufen.
Anstelle der Befüllung des Innenraums 46 mit einem Silikonöl
47 entsprechend der Ausführungsform des optischen Sensors 100
von Fig. 1 und 2 hat der optische Drehmomentsensor 102 von
Fig. 12 an allen Oberflächen 48, die von den Lichtsignalen
LS0, LS1 und LS2 tangiert werden, eine Nanostruktur. Der
nicht dargestellte Innenraum 46 kann dann auch mit Luft be
füllt sein. Schmutz, der sich gegebenenfalls an den Oberflä
chen 48 anlagert, wird dann durch die natürliche Feuchtigkeit
und aufgrund der speziellen Nanostruktur wieder abgewaschen.
Der optische Drehmomentsensor 102 ist folglich mit einer
Selbstreinigung an den für die optische Detektion wichtigen
Oberflächen 48 ausgestattet.
Die optischen Drehmomentsensoren 101 und 102 der Fig. 11
und 12 umfassen im übrigen analog zum optischen Drehmoment
sensor 100 von Fig. 1 und 2 Mittel zum Nullpunktabgleich.
Diese Mittel sind aus Übersichtlichkeitsgründen in den
Fig. 11 und 12 jedoch nicht dargestellt.
In Fig. 13 ist ein weiterer optischer Drehmomentsensor 103
dargestellt, bei dem die Informationen für den Nullpunktab
gleich durch Beleuchtung eines entsprechenden Teilbereichs
des hier nur gezeigten ersten Moiré-Musters 330a ermittelt
werden. In Fig. 13 ist dieser beleuchtete erste Moiré-
Musterteilbereich etwa so groß wie eine Periode des ersten
Moiré-Musters 330a.
Der optische Drehmomentsensor 103 beinhaltet Beleuchtungsmit
tel 410, die mehrere Eingangslichtsignale LS0, LS0', LS0'', . . .
über separat ansteuerbare Lichtquellen 41, 41', 41'', . . .
erzeugen. Die Lichtquellen 41, 41', 41'', . . . sind als LEDs
ausgebildet und in eine einzige Baueinheit integriert. Wegen
der separaten Ansteuerungsmöglichkeit kann die Beleuchtung
des ersten Moiré-Musterteilbereichs sowohl gleichzeitig als
auch sukzessive erfolgen.
Jeweils zugehörige Abtastpunkte 334, 334', 334'', . . ., der
Eingangslichtsignale LS0, LS0', LS0'', . . ., sind so auf dem
ersten Moiré-Muster 330a verteilt, daß der optisch zu er
fassende erste Moiré-Musterteilbereich komplett durch die
nebeneinander angeordneten Abtastpunkte 334, 334', 334'', . . .
abgedeckt wird. Die Eingangslichtsignale LS0, LS0', LS0'', . . .
erfahren eine Intensitätsmodulation entsprechend dem
jeweils am Ort des zugehörigen Abtastpunkts 334, 334', 334'', . . .
vorliegenden Helligkeitswert des ersten Moiré-Musters
330a.
Nach Reflexion am ersten Moiré-Muster 330a werden Ausgangs
lichtsignale LS1, LS1', . . . mittels einer CCD-Zeile 420
detektiert. Die CCD-Zeile 420 ist benachbart zu den Beleuch
tungsmitteln 410 angeordnet. Optional kann auch eine nicht
dargestellte zweite CCD-Zeile auf der von der dargestellten
CCD-Zeile 420 abgewandten Seite der Beleuchtungsmittel 410
angeordnet sein. Aus den nicht dargestellten elektrischen
Ausgangssignalen der CCD-Zeile 420 wird in einer ebenfalls
nicht dargestellten Auswerteeinheit ein erstes Abbild des
abgetasteten Moiré-Musterteilbereichs erzeugt. Das erste
Abbild wird gespeichert und zur Ermittlung der für den
Nullpunktabgleich benötigten Informationen herangezogen.
Bei dem optischen Drehmomentsensor 103 erfolgt der Null
punktabgleich auf rein elektronischem Wege. Für den Null
punktabgleich sind keinerlei mechanisch bewegte Teile vorge
sehen.
Die optischen Drehmomentsensoren 100, 101, 102 und 103 können
jeweils als Zwischenteil in die Welle 20 eingesetzt oder als
gegebenenfalls stabilisiertes Aufsteckteil auf die Welle 20
aufgesetzt werden.
Claims (18)
1. Optischer Drehmomentsensor für eine um eine Drehachse (21)
drehbare Welle (20) umfassend mindestens
- - eine Skaleneinheit (30) mit einer ersten Doppelskala (31) aus einer ersten und einer zweiten in Umfangsrichtung der Welle (20) angeordneten Strichskala (311, 312), die über jeweils einen Träger (33, 34) mechanisch fest und axial durch eine vorgegebene Meßstrecke (35) voneinander beab standet mit der Welle (20) verbunden und so zueinander benachbart angeordnet sind, daß eine Überlagerung beider Strichskalen (311, 312) ein von dem auf die Meßstrecke (35) einwirkenden Drehmoment abhängiges erstes Moiré-Muster (330a, 331a, 332a, 333a) erzeugt,
- - Detektionsmittel (40, 50, 410) zur optischen Erfassung eines ersten Moiré-Musterteilbereichs des ersten Moiré- Musters (330a, 331a, 332a, 333a) bei stillstehender Welle (20) über mindestens ein auf den ersten Moiré-Musterteil bereich gerichtetes Eingangslichtsignal (LS0) und
- - eine Auswerteeinheit (60) zur Erzeugung eines ersten Ab bilds mindestens einer Periode des ersten Moiré-Musters (330a, 331a, 332a, 333a) aus dem optisch erfaßten ersten Moiré-Musterteilbereich und zur Zuordnung des ersten Ab bilds zu dem bei stillstehender Welle (20) vorliegenden Nullpunkt des Drehmoments.
2. Optischer Drehmomentsensor nach Anspruch 1, gekenn
zeichnet durch Mittel (40, 50) zur in Umfangsrich
tung veränderbaren Positionierung eines Abtastpunkts (334)
des Eingangslichtsignals (LS0) auf dem optisch zu erfassenden
ersten Moiré-Musterteilbereich.
3. Optischer Drehmomentsensor nach Anspruch 1 oder 2, ge
kennzeichnet durch Mittel (40, 50) zur axial
veränderbaren Positionierung eines Abtastpunkts (335) des
Eingangslichtsignals (LS0) auf dem optisch zu erfassenden
ersten Moiré-Musterteilbereich.
4. Optischer Drehmomentsensor nach Anspruch 2 oder 3, ge
kennzeichnet durch eine in ihrer Position ver
änderbare Detektoreinheit (40) mit elektrooptischen Sende
mitteln (41) für das mindestens eine Eingangslichtsignal
(LS0) und optoelektrischen Empfangsmitteln (42, 43) für
mindestens ein Ausgangslichtsignal (LS1, LS2), das sich durch
Beeinflussung des mindestens einen Eingangslichtsignals (LS0)
am ersten Moiré-Muster (330a, 331a, 332a, 333a) ergibt.
5. Optischer Drehmomentsensor nach Anspruch 4, ge
kennzeichnet durch eine Positioniereinheit (50),
über die die mechanische Position der Detektoreinheit (40)
steuerbar ist.
6. Optischer Drehmomentsensor nach Anspruch 4 oder 5, da
durch gekennzeichnet, daß sich der
erste Moiré-Musterteilbereich aus mindestens zwei Segmenten
zusammensetzt, denen zur optischen Erfassung jeweils geson
derte Eingangslichtsignale (LS0, LS0') zugeordnet sind.
7. Optischer Drehmomentsensor nach Anspruch 6, da
durch gekennzeichnet, daß sich der
optisch zu erfassende erste Moiré-Musterteilbereich aus zwei
Segmenten zusammensetzt, die im Abstand einer Viertelperiode
des ersten Moiré-Musters (330a, 331a, 332a, 333a) angeordnet
sind.
8. Optischer Drehmomentsensor nach Anspruch 1, gekenn
zeichnet durch Beleuchtungsmittel (410), mit denen
der komplette optisch zu erfassende erste Moiré-Musterteil
bereich beleuchtbar ist.
9. Optischer Drehmomentsensor nach Anspruch 8, da
durch gekennzeichnet, daß die Beleuch
tungsmittel (410) ausgelegt sind zur Emission mehrerer Ein
gangslichtsignale (LS0, LSO', LS0",. . .), von denen jeweils
zugehörige Abtastpunkte (334, 334', 334'', . . .) auf dem
ersten Moiré-Muster (330a, 331a, 332a, 333a) längs des
optisch zu erfassenden ersten Moiré-Musterteilbereichs
nebeneinander angeordnet sind.
10. Optischer Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß sich die erste und die zweite Strichskala (311, 312) in
ihrer Strichzahl geringfügig, insbesondere um weniger als 10%
voneinander unterscheiden.
11. Optischer Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Skaleneinheit (30) eine zweite Doppelskala (32) aus
einer dritten und vierten Strichskala (321, 322) umfaßt,
deren Überlagerung ein von dem auf die Meßstrecke (35) ein
wirkenden Drehmoment abhängiges zweites Moiré-Muster (330b)
erzeugt, wobei
- - die Detektionsmittel (40, 50, 410) zur optischen Erfassung eines zweiten Moiré-Musterteilbereichs des zweiten Moiré- Musters (330b) bei stillstehender Welle (20) und
- - die Auswerteeinheit (60) zur Erzeugung eines zweiten Ab bilds mindestens einer Periode des zweiten Moiré-Musters (330b) aus dem optisch erfaßten zweiten Moiré-Musterteil bereich und zur Zuordnung des zweiten Abbilds zu dem bei stillstehender Welle (20) vorliegenden Nullpunkt des Dreh moments
12. Optischer Drehmomentsensor nach Anspruch 11, da
durch gekennzeichnet, daß die erste und
die vierte Strichskala (311, 322) eine übereinstimmende erste
Strichzahl sowie die zweite und die dritte Strichskala (312,
321) eine übereinstimmende zweite Strichzahl haben.
13. Optischer Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Träger (33, 34) jeweils eine senkrecht zur
Drehachse (21) angeordnete Trägerplatte (332, 342) enthalten,
auf denen die jeweiligen Strichskalen (311, 312, 321, 322)
angeordnet sind.
14. Optischer Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 1 bis
12, dadurch gekennzeichnet, daß die
beiden Träger (33, 34) jeweils ein konzentrisch zur Drehachse
(21) angeordnetes Trägerrohr (331, 341) enthalten,
15. Optischer Drehmomentsensor nach Anspruch 14, da
durch gekennzeichnet, daß eines der
beiden Trägerrohre (331, 341) einen optisch transparenten
Endabschnitt (340) hat, der über das andere der beiden
Trägerrohre (331, 341) geschoben ist, so daß sich ein Über
lappungsbereich zwischen beiden Trägerrohren (331, 341)
ergibt, wobei die Strichskalen (311, 312, 321, 322) im
Überlappungsbereich angeordnet sind.
16. Optischer Drehmomentsensor nach Anspruch 14, da
durch gekennzeichnet, daß die beiden
Trägerrohre (331, 341) an den einander zugewandten Enden
jeweils eine 45°-Phase (333, 343) aufweisen und die Strich
skalen (311, 312, 321, 322) auf den 45°-Phasen (333, 343)
angeordnet sind.
17. Optischer Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Innenraum (46) zwischen den Detektionsmitteln (40,
410) und der Skaleneinheit (30) mit Flüssigkeit, insbesondere
mit Silikonöl (47), gefüllt ist.
18. Optischer Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß alle Oberflächen (48), durch die ein Lichtsignal (LS0,
LS1, LS2) hindurchtritt oder an denen ein Lichtsignal (LS0,
LS1, LS2) reflektiert wird, eine schmutzabweisende Nano
struktur aufweisen.
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DE1999132965 DE19932965A1 (de) | 1999-07-14 | 1999-07-14 | Optischer Drehmomentsensor mit MoirE-Musterdetektion und Nullpunktabgleich |
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