WO2016170432A2 - Versatzsensoranordnung und deren elemente - Google Patents

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WO2016170432A2
WO2016170432A2 PCT/IB2016/000882 IB2016000882W WO2016170432A2 WO 2016170432 A2 WO2016170432 A2 WO 2016170432A2 IB 2016000882 W IB2016000882 W IB 2016000882W WO 2016170432 A2 WO2016170432 A2 WO 2016170432A2
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sensor
light
offset
measuring body
light power
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PCT/IB2016/000882
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English (en)
French (fr)
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Inventor
Vlad LATA
Dennis HUMHAL
Husam Ghanem
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KONUX Inc.
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/347—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using displacement encoding scales
    • G01D5/34707—Scales; Discs, e.g. fixation, fabrication, compensation
    • G01D5/34715—Scale reading or illumination devices

Definitions

  • the present invention relates to an offset sensor arrangement, which comprises in particular optical components. This includes assemblies of sensors and sensors themselves.
  • optical properties of light are measured and changed to determine an observed offset from the observed effect. This determination is based in most cases on a spatially homogeneous, but at least spatially uniform, for example Gaussian, intensity distribution of the light.
  • the intensity distribution of light sources used is often far from this assumed spatial distribution. In particular, this can change over the life of the light source.
  • a sensor arrangement is to be provided which can be operated with spatially inhomogeneous light sources or light emitters.
  • sensor arrangements are to be provided, which in particular provide increased accuracy and / or sensitivity, in particular over a long measuring path.
  • pressure or torque sensors are to be provided, which solve at least one of the above-mentioned objects.
  • EP 0 555 987 A2 discloses a torque sensor in which the torque is measured optically via the transmission properties of mutually twisting shadow masks, wherein the degree of rotation of the shadow masks is a measure of the torque and the rotation of the shadow masks to each other the transmission through individual apertures changed.
  • the system presented here is limited to measuring a torque.
  • the invention provides a measuring body with a light power-modulating structure arranged stationary with respect to the measuring body, the light-power-modulating structure having a first stub end portion formed with a first tapered end portion and a first tapered end portion
  • Cover portion and a second cover portion formed with a second tapered end portion and a second tapered end portion opposite the second end portion of the second tapered end.
  • a light power modulating structure is in the context of this application a structure which defined transmission and / or reflection and / or
  • a scattering is preferably a substantially undirected deflection of a Radiation at a scattering object or a scattering surface understood.
  • Lichtieresmodulierende structure for example, by punching, and / or 3D printing and / or milling and / or application of paint or paint, which is preferably opaque, and / or by applying a
  • the light-power-modulating structure may have a substantially planar design, in particular it may represent an aperture or an aperture boundary, which is uniform in the light transmission direction, ie in particular perpendicular to a surface of the light-power-modulating structure. Under surface light power modulating structures can fall in particular apertures, which in a
  • slab-shaped carrier are milled and extend substantially over the carrier, which may be a measuring body here, extend. Furthermore, it is possible to produce a planar light-power modulating structure by applying paint or lacquer to a plate-shaped measuring body, which is preferably opaque to light. Likewise, it is possible if the
  • the first tapered end portion may be the second tapered end portion
  • a direction from the first butt end portion toward the first tapered end portion toward the second tapered end portion, and a direction from the second butt end portion toward the second tapered end portion may point toward the first tapered end portion.
  • Lichtieresmodulierenden structure due to the first and the second Abdeckabitess both a light beam, also a diverging light beam, be modulated in its intensity, with areas of the light beam, the high Inhomogeneity or may be particularly affected by an aging process can be blocked or covered by the cover so that these areas of the light beam do not reach a detector.
  • the contribution of an effect recorded by a detector for example a change in intensity of the light striking the detector, which is caused by a beam inhomogeneity, can be minimized both from the outset and during long-term use, so that from the effect measured by the detector, for example a
  • the light power modulating structure can be deduced more accurately, whereby, if the light power modulating structure modulates the light beam depending on, for example, an offset of the measuring body, the offset can be deduced.
  • the offset can be deduced.
  • Measurement accuracy of the offset sensor also increases the sensitivity of the offset sensor because smaller changes in the effect measured by the detector can be attributed to a change in offset due to the more accurate mapping of the effect measured by the detector to the offset.
  • the first cover portion is formed with a first tapered end portion and a first butt end portion opposite to the first tapered end portion, preferably wherein the first tapered end portion of the first cover portion is narrower than the first butt end portion of the first cover portion, and the second cover portion is formed with a second tapered end portion and a second butt end portion opposite to the second tapered end portion, wherein preferably the second tapered end portion of the second cover portion is narrower than the second butt end portion of the second cover portion.
  • the tapered end portion is narrower than the stub end portion, preferably has a delta shape, in which case reference is made in particular to the shape of the Greek capital letter ⁇ .
  • a cover section of a light power-modulating structure can be understood as meaning a section which tapers from a stump end section to a tapered end section, ie becomes narrower; in this case, in particular, a triangle, preferably an isosceles triangle or alternatively a not isosceles triangle, thought to be instead of the corners
  • the corner connecting the two same legs may be considered as a tapered end portion, which corner may also be truncated.
  • Connecting element can also be understood as a direct connection of the first and second tapered end portion, in particular, the first and second tapered end portion can merge into each other.
  • a first and second butt end portion is preferably wider than the associated first and second tapered end portions, respectively.
  • the light power modulating structure further comprises a connecting portion, preferably formed as a compensating portion, most preferably as a land portion, which connects the first cover portion and the second cover portion to each other.
  • a connecting portion preferably formed as a compensating portion, most preferably as a land portion, which connects the first cover portion and the second cover portion to each other.
  • a compensation section most preferably as a
  • Web portion, formed connecting portion may connect the first tapered end portion with the second tapered end portion. If the first and second cover sections are connected to a connecting section, areas of the incident light can also be modulated, in particular covered, by means of the connecting section between the first and second cover sections, whereby over the entire area spanned by the first and second cover section and the connecting section Lichtommesmodulierende structure modulation of the light can take place reliably and controlled, in particular areas of the incident light, which, for example, inhomogeneities and / or
  • a measuring body in which the connecting portion connects the first tapered end portion to the second tapered end portion has a light power modulating structure capable of modulating the intensity of the light as a function of displacement along a path such that the intensity of the light no jumps (or very high change areas).
  • the intensity thus modulated may generate on a photodetector (e.g., a photodiode) a signal which also has no discontinuities (or areas of very high change) and which thus can be digitized without much error.
  • the connecting portion may be formed as a web portion.
  • Web portion may have a constant width over its length
  • the web portion may be formed as a rectangle or as a circular ring segment.
  • the first tapered end portion may be shorter with a Be connected sides of the rectangular web portion.
  • the second tapered end portion may intersect with the other of the shorter sides of the
  • a rectangular web section can be viewed.
  • Straight end sections of the web section designed as a circular ring segment can be delimited by sections of straight lines passing through the center of the circular ring segment.
  • the first tapered end portion may be connected to one of the straight end portions of the web portion formed as a circular ring segment.
  • the second tapered end portion may be connected to the other of the straight end portions of the formed as a circular ring segment web portion.
  • a web section may be understood to mean an elongated connection section. Web sections with the above-mentioned embodiments allow the construction of particularly simple and easy-to-manufacture light power modulating structures.
  • a light power modulating structure may be substantially aligned along a linear axis, but it is also possible for the light power modulating structure to follow substantially at least in sections a curved path, for example a circular line.
  • Light power modulating structures are particularly well suited for modulating incident light when the modulation of the incident light is measured while the measuring body is displaced along a linear axis or a curved path, since the modulation has a particularly simple dependence on the offset.
  • first cover portion, the second cover portion, and optionally, preferably, the connecting portion formed as a compensation portion, most preferably as a land portion, as described above Have light absorption characteristics, so that the modulation effect can be particularly easily determined and so that no complicated evaluation unit is necessary, for example, to determine which section of the
  • the light absorption properties are described by a light absorption coefficient which is preferably above 80% (0.8), more preferably close to 100% (1), so that the existing light is efficiently absorbed and not unnecessarily transmitted, resulting in a background signal what can happen in a detector
  • Cover portion, and optionally preferably as a compensation portion, most preferably as a web portion, as described above, formed connecting portion of the measuring body, have the same light reflection characteristics, when the Lichtieistungsmodul Schl structure is used as a transmission structure.
  • the incident light is reflected and not unnecessarily absorbed, which could heat the measuring body and thus deform, wherein the deformation of the measuring body to a reflection in an undesired direction or at a high speed of the measuring body can lead to mechanical vibrations.
  • Reflection coefficient is described, which is preferably greater than 80% (0.8), preferably close to 100% (1), so that the incident light is reflected particularly efficient, and is not unnecessarily absorbed, which can heat the measuring body and thus deform.
  • Measuring body can cause a reflection in an undesired direction
  • the first cover portion, the second cover portion and optionally the connecting portion preferably formed as a compensating portion, most preferably as a web portion as described above, may be bounded by two trapezoidal structures.
  • Trapezoidal structures should also be understood to mean trapezoidal structures which are characterized by the
  • Trapezoidal structures allow a particularly simple form of the first cover portion, the second cover portion and the connecting portion, whereby a particularly simple location-dependent, in particular when arranging a plurality of such periodic sections or more
  • first cover portion, the second cover portion, and optionally the connecting portion preferably formed as a compensating portion, most preferably as a land portion as described above, are opaque and the two trapezoidal structures are non-zero light transmission coefficients, in particular
  • the first cover portion, the second cover portion, and optionally the connecting portion preferably formed as a compensation portion, most preferably as a land portion as described above, do not reflect light and the two trapezoidal structures have non-zero light reflection coefficients, particularly one
  • the first cover portion, the second cover portion, and optionally the connecting portion preferably formed as a compensation portion, most preferably as a land portion as described above, may be translucent and the two trapezoidal structures may be opaque.
  • This alternative gives the person skilled in the art the freedom to react to developments in the quality and in the beam profile of light sources and / or light emitters and optionally also to cover an inhomogeneity occurring at the edge of the beam profile.
  • Cover portion and optionally the preferably as a compensation portion, most preferably as a web portion, as described above, formed connecting portion, are provided with a light-absorbing structure.
  • a light-absorbing structure may be formed by applying an absorbing, preferably black, more preferably matt color, but it is also possible to achieve the light-absorbing structure by providing concave structures in which the unabsorbed light has a high probability to hit an absorbent surface.
  • Structures is a sandblasted surface, with the sandblasting cavities are to be regarded as the concave structures.
  • Compensation portion most preferably as a web portion, as described above, formed connecting portion reduces the of the
  • Measuring body and the light power modulating structure produced scattered light, whereby the light received in a detector scattered light is reduced, which in turn reduces the caused by the scattered light background signal of the detector.
  • the light power modulating structure and the two trapezoidal structures can be limited by an opaque and / or non-reflective surround. This will be the
  • Structures are well defined even with a large-area illumination, so that from the caused by the light power modulation signal in a detector can be closed, for example, the offset, even if the illumination of the measuring body outside the boundary, for example, by aging effects of the light source changes.
  • the enclosure limits a rectangular area, in which case the above-mentioned effect is particularly pronounced when the measuring body is used to measure a linear displacement
  • the enclosure may define a circular segment, in which case the above-mentioned effect is particularly strongly occurs when the measuring body is used to measure a rotational offset.
  • a measuring body preferably a measuring body described above, with a light power modulating structure and to provide a light receiver, wherein the light power modulating structure is arranged stationary with respect to the light receiver, preferably
  • the light-power-modulating structure is also fixed with respect to a light pickup, for example a detector or an optical element which picks up light and then, for example, to a detector, for example via an optical path, in particular via a light guide, particularly preferably via an optical fiber. passes.
  • a light emitter or a light source and the light sensor can be moved relative to each other in a sensor, with no separate measuring body provided therebetween, so that an efficient production of such a measuring body comprehensive sensor can be achieved due to its simple structure and the simple measurement principle can.
  • an offset sensor for measuring a displacement of a measuring body of the displacement sensor along a path with respect to a reference element of the displacement sensor, comprising: a first light emitter and a first light receiver, which with respect to
  • Reference element are arranged stationary, a first light power modulating structure, wherein the measuring body is preferably a measuring body according to the first aspect of the invention, wherein the first light power modulating structure in a first beam path between the first light emitter and the first Lichtaufrent, is arranged, wherein the first light power modulating structure is stationary with respect to the measuring body, wherein the first light power modulating structure in the first optical path covers portions such that an optical path between a center of the first light emitter and a center of the first light receiver is interrupted. Characterized in that the first light power modulating structure in the first beam path
  • the optical path between the center of the first light emitter and the center of the first light receiver is interrupted over the complete displacement of the measuring body along the path, so that an influence of inhomogeneity within the beam path over the complete displacement of the measuring body is largely eliminated.
  • the offset sensor may be one through the first light sensor
  • the offset sensor may include another light emitter and another
  • Photoreceptors comprise, which are each arranged stationary with respect to the reference element, wherein the preferably having a triangular structure having first Lichteausmodulierende structure is arranged in a further beam path between the further light emitter and the other Lichtaufexcellent, wherein the offset sensor each one by a further Lichtaufsacrificing
  • the light power modulating structure to both modulate light which is received by the first light receiver and light which is received by the further light receiver, whereby the light power modulating structure can modulate at least one beam path over a longer offset or can effect a modulation over a longer offset.
  • the first region and the second region are arranged directly following one another in the path, in particular directly adjacent, wherein at most one point may lie between two directly adjacent regions in a path (this occurs when both directly adjacent regions are open regions).
  • the offset sensor outputs an additional electrical signal which, when the displacement of the measuring body is in the first region, a first current or voltage value is set, and in the path exists a second region disjointed from the first region, when the displacement of the measuring body is in the second range, the first electrical signal indicates no deviation from a baseline, while the further electrical signal indicates a deviation from a baseline, wherein the additional signal when the displacement of the measuring body is in the second Range is set to a second current or voltage value. Due to the additional signal, the offset sensor provides a binary signal, by means of which an assignment is possible, whether the offset is in the first region or in the second region.
  • the first light sensor with a detector of
  • Offset sensor is connected via an optical path, preferably a light guide, in particular an optical fiber, the offset sensor, wherein the detector outputs the first electrical signal as a function of the power of the incident light.
  • the light sensor is separated from the detector, it is possible to arrange the detector with its electrical supply, for example, outside a hazardous area, so that the
  • Offset sensor can also be used in areas with increased risk of explosion. This feature can also be used in the other light sensor.
  • one of the (first and / or further) or the light emitter preferably all light emitters, to be connected to a light source of the displacement sensor via an optical path, preferably an optical fiber, in particular an optical fiber ( are). Since the generation of light in the light source is often associated with heat generation, this can be sufficient to cause an explosion in an area with a high probability of explosion. Will one of the or the light emitter (a component which emits light) spatially separated from a light source (a component which generates light), the light emitter can be arranged in an area in which an increased risk of explosion prevails without causing an explosion.
  • the light power modulating structure sets the light power received by the respective light pickup to a predetermined relative value via a calibration section of the offset of the measuring body along the path, preferably the measuring body and the first
  • Light power modulating structure is a measuring body with a respect to the measuring body stationary arranged light power modulating structure according to the first aspect of the invention and the calibration portion of the offset is defined by sweeping the first beam path over the web portion.
  • a calibration section is provided, for example, realized by a connecting portion of the first aspect, which in turn as
  • Compensating portion or web portion may be formed, the light power received by the light pickup is incident on a predetermined relative value of the light power modulating structure
  • the relative value is a minimum value or a maximum value of the received light power.
  • the relative value is a minimum value or a maximum value of the received light power.
  • it can be determined by a microcontroller, for example with the aid of a light barrier, that the calibration section is located in the beam path and the light power received by the light pickup is reduced to a relative value, i. a defined fraction of the light power incident on the light power modulating structure is set.
  • the relative value is a minimum value or maximum value of the light power received by the light pickup, so that the microcontroller is out of the course of the light pickup recorded light power, without the information of a light barrier, can determine that the calibration section is located in the beam path. If the light output measured in the beam path when the calibration section is recorded in the beam path is compared with a light power measured in advance and measured in the beam path when the calibration section is present, then an age-related signal attenuation can be corrected.
  • the sensor can be calibrated hereby.
  • a measuring body with a power-modulating structure according to the first aspect of the invention is suitable, whereby the advantages of the first aspect supplement those of the second aspect.
  • the offset may be a rotational offset and the path may be a circle or a circle segment, in which case the offset sensor is for measuring
  • Rotational movement is preferably suitable or the offset may be a linear offset and the path is a line section, in which case the offset sensor is preferably suitable for measuring a linear offset.
  • the invention provides a double sensor for measuring an offset of a measuring body of the double sensor along a path relative to a reference element of the double sensor, comprising: a first offset sensor, having a first light emitter and a first light receiver, which are arranged stationary relative to the reference element, and a first light power modulating structure, wherein the first light power modulating structure of the first displacement sensor is disposed in a first optical path of the first displacement sensor between the first light emitter and the first light sensor of the first displacement sensor
  • Light power modulating structure of the first offset sensor is arranged stationary with respect to the measuring body, wherein the first offset sensor each one of a received by the first light sensor of the first offset sensor Light output corresponding first electrical signal, in particular a first voltage or a first current signal outputs as a first double sensor signal, a second offset sensor with a first light emitter and a first Lichtauf choir, which are arranged stationary with respect to the reference element, and a first light power modulating structure, wherein first
  • Lichtieresmodulierende structure of the second offset sensor is disposed in a first beam path of the second offset sensor between the first light emitter and the first light sensor of the second offset sensor, wherein the first light power modulating structure of the second offset sensor is arranged stationary with respect to the measuring body, wherein the second offset sensor each one of the first light sensor of the second offset sensor
  • first double sensor signal changes at a first rate
  • second double sensor signal changes at a second rate
  • the first rate being different in magnitude from the second rate in portions of the displacement of the measuring body along the path.
  • the one rate such as the larger rate
  • the one rate may be used to provide high resolution information about the offset over a short portion of the offset while the other rate is suitable over a long portion the offset to provide information with a low resolution on the offset, in both cases an evaluation unit is assumed with the same characteristics.
  • the lower rate signal may be used to provide coarse positioning
  • the higher rate signal may be used to provide fine positioning within this coarse positioning, so that over a large amount Range of offset over this two-step measurement information with the resolution of the fine positioning is provided.
  • first offset sensor and / or the second offset sensor is an offset sensor according to the second aspect of the invention, since the advantages of the offset sensors are transferred to the double sensor.
  • a pressure sensor comprising a pressure sensing element, for example a diaphragm, and an offset sensor coupled to the pressure sensing element according to the second aspect of the invention or a dual sensor according to the third aspect of the invention.
  • the respective advantages of the offset sensor or the double sensor are transmitted to the pressure sensor. It is advantageous if the pressure sensing element is fluid-free, particularly preferably oil-free, in particular via a linkage, with the offset sensor or the
  • Double sensor is coupled. This ensures that even with a malfunction of the pressure sensor associated with a rupture of the pressure sensing element, such as a diaphragm rupture when the pressure sensing element is configured as a diaphragm, no fluid or oil leaks from the pressure sensor, resulting in contamination of the medium, its pressure would mean, this reduces in particular service, maintenance and
  • the pressure sensing element is designed as a membrane which abuts on reaching a predetermined deflection at a stop and thus a further deflection of the membrane is prevented in this direction. This will cause excessive, possibly
  • Membrane break leading diaphragm deflection at too high or too low pressures prevents, thereby increasing the life expectancy of the sensor and a possible contamination of the medium whose pressure is measured, is prevented by contact with the interior of the pressure sensor, as well as a contamination of the sensor interior is prevented.
  • a torque sensor for measuring a torque comprising a first shaft portion and a second shaft portion between which the present torque is measured, a torsion structure portion connecting the first shaft portion to the second shaft portion, the functional relationship between the present torque and a resulting torsion of the first shaft portion is described with respect to the second shaft portion by a predetermined torsional function, a first inner sensor for measuring a displacement of a measuring body of the first inner sensor along a path relative to a reference element of the first inner sensor and for outputting a first inner sensor signal, wherein the measuring body of the first inner sensor rotationally for common rotation the first shaft portion is arranged, and a second inner sensor for measuring a displacement of a measuring body of the second inner sensor along a path geg over a reference element of the second inner sensor and for outputting a second inner sensor signal, wherein the measuring body of the second inner sensor rotationally for common rotation on the second
  • Shaft portion is arranged, and wherein the reference elements of the first and second inner sensor are fixed relative to each other, wherein the first
  • Internal sensor signal in response to the displacement of the measuring body of the first inner sensor is a continuous periodic signal is that the second inner sensor signal in response to the displacement of the measuring body of the second inner sensor is a continuous periodic signal. Because of that, the first and the second
  • Internal sensor signal in response to the offset of the respective measuring body is a continuous periodic signal, which is preferably not constant, in addition to the torque, the absolute angular position, the rotational speed of first shaft portion and the second shaft portion and their
  • the torque sensor may include an evaluation unit configured to calculate the torque based on a phase relationship and / or amplitude relationship between the first and second interior sensor signals and the torsional function. If such an evaluation unit is provided in the sensor itself, then no external evaluation unit is needed to control the torque between the first shaft section and the second
  • the first and / or second inner sensor may be an offset sensor according to the second aspect of the invention, wherein the first and / or second inner sensor signal comprises the corresponding first electrical signal of the respective offset sensor or wherein the first and / or second
  • Inner sensor is a double sensor according to the third aspect of the invention, and wherein the first and / or second inner sensor signal comprises the corresponding first and / or second double sensor signal of the respective double sensor.
  • the torsion structure portion comprises a hollow shaft portion, an inner shaft portion and at least one connecting portion, wherein an outer side of the inner shaft portion with an inner side of the
  • Hollow shaft portion is connected to the at least one connecting portion, wherein the connecting portion is adapted to deform when a torque between the inner shaft portion and the
  • Hollow shaft section abuts.
  • the torsion structure portion has a plurality of connecting portions which form the outside of the
  • Inner shaft portion connect to the inside of the hollow shaft portion and which are adapted to deform when a torque between the inner shaft portion and the hollow shaft portion is applied.
  • Torque sensor at a high offset of the inner shaft portion relative to the hollow shaft portion at a given or predetermined
  • the connecting portions are evenly distributed on the outside of the inner shaft portion and / or evenly on the inside of the hollow shaft portion, in particular with
  • the light emitters and light receivers are each arranged stationary relative to the reference element and the measuring body is subjected to an offset.
  • the measuring body may also be arranged stationarily with respect to the reference element, and the light emitter and light receiver may be subjected to an offset on a further reference element.
  • this electrical connection may be formed by a sliding contact and / or an inductive contact.
  • Fig. La a double sensor according to a first
  • FIG. 1b shows an A-A section of the double sensor from FIG. 1a;
  • FIG. 1b shows an A-A section of the double sensor from FIG. 1a;
  • Fig. 2a shows a double sensor according to a second
  • FIG. 2b shows a B-B section of the double sensor from FIG. 2a;
  • FIG. 2c shows a signal curve of the double sensor from FIG. 2a and a modified double sensor
  • 3a shows a signal course of electrical signals as a function of an offset
  • 3b shows a detail of a measuring body with a
  • 3c shows a detail of a measuring body with a
  • Fig. 5 ride a pressure sensor according to a d
  • FIG. 6 shows a torque sensor according to a fourth
  • FIG. 7 inner sensor signal waveforms as a function of an offset
  • FIG. 8a shows a section through an offset sensor according to a fifth embodiment of the present invention.
  • Fig. 8b is an internal supervision of the offset sensor of Fig. 8a
  • FIG. 9a shows a section through an offset sensor according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 9b is an interior view of the offset sensor of FIG. 9a; FIG.
  • the double sensor comprises a measuring body 4 and an indicated reference element 6 (for reasons of clarity, only indicated in FIG. 1b), on which a first light emitter 8 and a second light emitter 8 are provided
  • Light emitter 10 and a first Lichtier choir 12 and a second Lichtauftown 14 are attached.
  • the first light emitter 8 and the first light receiver 12 define a first beam path in between via the direct optical beam path, and analogously, the second light emitter 10 and the second light receiver 14 define a second beam path.
  • a first light power modulating structure 16 is arranged in the first beam path, and a second light power modulating structure 18 is arranged in the second beam path.
  • the first light-power modulating structure 16 comprises at least one light-transmissive region 16h, preferably two transparent regions 16h, and one opaque region 16d, wherein the measuring body 4 outside the light-power modulating structure 16 preferably
  • the second light power modulating structure 18 is opaque.
  • the second light power modulating structure 18 with preferably two transparent areas 18h and an opaque area 18d, which are each preferably parts of a
  • the light sensor 8 or 10 may be formed as a photodetector, in particular as a photodiode, which an electrical signal, in particular a voltage or a current signal in response to the light receiver It is known to the person skilled in the art that the current of a photodiode arises as a function of the input power and the photodiode characteristic and that this current signal can either be measured directly or a corresponding voltage signal can be tapped via a resistor, for example the internal resistance of the photodiode Furthermore, the current of the photodiode can be converted into a proportional voltage via a current-voltage converter The maximum amplitude of the current signal or of the voltage signal depends on the radiation properties, in particular the emitted light output and the like nd spatial radiation characteristic, the respective light emitter 8, 10 from.
  • the current signal or the voltage signal can be amplified by an amplifier.
  • Each of these signals can be output as an electrical signal corresponding to the received light power.
  • the measuring body 4 is moved along the direction T, the measuring body 4 is displaced along a path which is defined by the path of an arbitrary point to be selected, but then fixed, on the measuring body 4.
  • a length of this path may be used to parameterize the rate of change of the light power received by the first and second light receivers 12, 14, and thus the
  • Rate of change of the electrical signals of Lichtaufneh mer depending on the length of this path be used.
  • the power absorbed by the first Lichtaufrent 12 is linear, preferably absolutely linear, change with the offset, as long as the first beam path not over the edges 16up
  • the second beam path exceeds a plurality of substructures of the second light power modulating structure 18, for example the substructures 18 'and 18 ", which are periodic, preferably in the light power modulating structure 18.
  • the substructures of the second light power modulating structure 18 exhibit Preferably, a high sensitivity and a high resolution on As long as the second beam path within one of the sub-structures 18 'and
  • proportional electric signal Sigl from the second Lichtauf choir 12 which in turn may be formed here as a photodiode delivered.
  • the second beam path for example Moving out of the substructure 18 "in the direction of the sub-structure 18 ', the light power received by the second light receiver 12 will drop steadily, and start to rise again when the second beam path enters the substructure 18' after the recorded Lichtleistu ng substantially 0 has dropped.
  • the recorded image can be recorded
  • the described light power modulating structures to assign from the result of this measurement a measured course of the light power or a light power value offset. If one compares the rate of change of the permeable area in the first and second beam path, the transmitting area of the measuring body 4 in the second beam path varies more rapidly than in the first beam path.
  • the second light power modulating structure 18 allows a transition from maximum to minimum light power received by the second light pickup 12 within a shorter offset portion than the first light path and the first light power modulating structure 16.
  • the resulting stroke of the electrical signal is used to be optimally converted into a digital value by an A / D converter, for example a 10-bit value, then in the case of the first
  • the second light power modulating structure 16 can provide fine resolution for short portions of the offset, respectively, with the first light power modulating structure 16 providing the mapping within which periodic structure of the second light power modulating structure, for example 18 'or 18 ", is currently being measured This allows a high-resolution measurement of the offset over a comparatively long offset, without the need for an expensive A / D converter with a particularly high resolution.
  • a very long offset can be measured with a high resolution, whereby partially redundant information of the first light power modulating structure 16 and the second light power modulating structure 18 can be present during the measurement, whereby an error correction in an evaluation of the information, for example in a microcontroller
  • two offset sensors comprises: a first offset sensor, with the first light emitter 8 and the first
  • Photoreceptor 12 which are arranged stationary with respect to the reference element 6, and the first light power modulating structure 16, which is net angeord in the first beam path between the first light emitter 8 and the first Lichtier choir 12, wherein the first light power modulating structure 16 stationary with respect to the measuring body 4 is that of the first
  • Double sensor signal can be used; and a second offset sensor, with the second light emitter 10 and the second Lichtaufneh mer 14, which are arranged stationary with respect to the reference element 6, and the second light power modulating structure 18, which is arranged in the second beam path between the second light emitter 10 and the second Lichtier choir 14 , wherein the second light power modulating structure 18 is arranged stationary with respect to the measuring body 4, wherein the second of the second
  • Lichtaufneh mer 14 output second electrical signal as a second Double sensor signal can be used.
  • Each of the displacement sensors can be a relative to a change of the first and second electrical signal
  • first 16 and / or second 18 light power modulating structure in the first and second optical path can cover portions (as shown in FIG. 1 a) such that an optical path exists between a center of the first 8 and 8, respectively.
  • Photoreceptor interrupted preferably interrupted over the complete offset of the measuring body 4, is.
  • each of these two offset sensors is an offset sensor according to the second aspect of the invention and is independent of further aspects and elements of the dual sensor 2 or its signals as an independent, reflecting an inventive idea element is considered. Further, if necessary, elements of the double sensor 2 may be taken out to describe one of the offset sensors.
  • a light emitter 8 or 10 embodied as a light source or, for example, a danger in an explosion-sensitive area constitutes a danger
  • the light source or the detector can be replaced by optical, preferably fiber-optic, light sources Elements or to the emission
  • light elements may also serve the light source or the detector and / or an associated electronic component from harmful influences such as temperature, radioactivity, strong electric fields, strong magnetic fields / strong
  • the first or second light power modulating structure 16, 18 may, as shown in Fig. La, be formed as an aperture.
  • Such an aperture may be formed, for example, by introducing the apertures forming the aperture into a material of the measuring body 4, or by applying light-impermeable material, for example a paint, to the measuring body 4, which is at least partially translucent, outside the aperture. This can be done, for example, by printing an opaque ink on a transparent measuring body 4.
  • a light-impermeable material for example a paint
  • the first intensity-modulating structure 16 is discussed here, wherein an opaque region 16d is surrounded in the form of a triangle by two light-permeable regions 16h, each in the form of a triangle.
  • the beam cross section of the first beam path passed through the aperture is varied as a function of the offset of the measuring body by covering an increasingly larger section of the beam cross section of the beam path through the opaque triangle 16d in the case of an offset running in the opposite direction becomes. If the triangle 16d is opaque, it can cover a region of the light emitter 8 which has an increased or greatly reduced
  • the first light power modulating structure 16 is symmetrically formed due to the arrangement of the two triangles 16h and the triangle 16d with respect to a track on the measuring body, which is formed by a beam connecting a center of the first light emitter 8 to the center of the first light receiver 12. This symmetry is present in particular in the plane which is defined, for example, by the surface, here a plane, of the measuring body 4.
  • the second light power modulating structure 18 may have the same or the same features.
  • FIG. 1a further similar light-power modulating structures 16.2 and / or 18.2 can be provided with corresponding light emitters 8.2 or 10.2 and light receivers 12.2 or 14.2.
  • light power modulating structures 16.2 with the light emitter 8.2 and the light pickup 12.2 allowed on the basis of the signal levels, which the of the Photoreceptors 12 and 12.2 correspond to determine whether an offset in section I. or II. Of the measuring body 4 is determined.
  • the provision of the light power modulating structures 18.2 with the light emitter 10.2 and the light pickup 14.2 allows on the basis of the signed rates of change of the signals, which of the
  • Photoreceptors 14 and 14.2 correspond to determine whether an offset in section I. or II. Of the measuring body 4 is determined.
  • a second embodiment of the invention will be described.
  • Figures 2a and 2b show a double sensor 102 with a measuring body 104, which is preferably designed for common rotation with a rotating shaft, a reference element 106, which is preferably designed not to rotate with the rotating shaft, a first light emitter 108, a second light emitter 110, a third (further) light emitter 120, a first light receiver 112, a second
  • the first light emitter 108 and the first light receiver 112 define a first optical path therebetween via the direct optical path, and analogously, the second optical emitter 110 and the second photodetector 114 define a second optical path and the third (further) light emitter 120 and the third (further) photoreceiver 122 a third beam path.
  • the light receivers can be designed as photodiodes.
  • the operating principle of the double sensor 102 corresponds to that of the
  • Double sensor 2 wherein the elements along a path in the form of a circle or a circle segment are arranged.
  • the double sensor 102 two offset sensors (104, 106, 108, 112, 116 and 104, 106, 110, 114, 118), respectively: a first offset sensor, with the first light emitter 108 and the first light receptor 112, which are stationary relative to the reference element 106, and the first one Light power modulating structure 116 which is arranged in the first beam path between the first light emitter 108 and the first light sensor 112, wherein the first Iichtieistungsmodul Schlde structure 116 is stationary relative to the measuring body 104, wherein the output from the first light sensor 112 first electrical signal as a first double sensor signal can be used; and a second displacement sensor, with the second light emitter 110 and the second light receiver 114, which are arranged stationary relative to the reference element 106, and the second light power modulating structure 118, which is arranged in the second beam path between the second light emitter 110 and the second
  • Double sensor signal can be used.
  • first 116 and / or second optical power modulating structure in the first and second optical paths may cover portions (as shown in FIG. 2b) such that an optical path between a center of the first 108 and second 110 light emitters and a center of the optical path interrupted first 112 and second 114 Lichtier disturbings, preferably interrupted over the complete offset of the measuring body 104 is.
  • each of these two offset sensors is an offset sensor according to the second aspect of the invention and is independent of other aspects and elements of the dual sensor 102 or its signals as an independent, reflecting an inventive idea element is considered. Further, if necessary, elements of the double sensor 102 can be picked out to to describe one of the offset sensors.
  • light power modulating structure 116 is swept over by a rotation of the measuring body 104 by 360 ° from both the first and the third beam path. While the first light emitter 108 and the first
  • the third Lichtaufivity 122 and the third light emitter 120 allows the provision of the same information for the range between 180 ° and 360 ° (or between -180 ° and 0 °).
  • FIG. 2 c This behavior is illustrated in FIG. 2 c, in which in the partial diagrams a) and b) the dashed line respectively corresponds to the signals of the photodiodes (light receivers) 112 and 122, respectively.
  • the offset of vi to v2 and v2 to v3 corresponds to a rotational offset of 180 °.
  • the electrical signal of the photodiode 122 shows no deviation from a baseline (eg 0V or 0A depending on the nature of the electrical signal)
  • the electrical signal of the photodiode 112 (a first electrical signal) electrical signal) indicates a deviation from a baseline (eg, 0V or 0A depending on the type of electrical signal).
  • an additional electrical signal (signal of the light barrier structure 126) can be output, which is set to a first current or voltage value in the range between vi and v2 and in the range between v2 and v3 on a second current or voltage value is set, which is different from the first current or voltage value.
  • a microcontroller and / or an analog circuit can generate a combined signal.
  • the combined signal can by means of a microcontroller, the absolute angular position of the ess stressess without a dead zone with the aid of a light power modulating structure which does not extend over the entire rotation angle range of 360 ° (here over 180 °), and at least two associated pairs of light emitter and Lichtaufêt be determined over the entire rotation angle range of 360 °, ie without a dead zone.
  • the first light power modulating structure 116 is thus advantageously formed only to a range of 180 ", whereby, for example, in a
  • the first light power modulating structure 116 is constructed analogous to the first light power modulating structure 16 of two translucent triangles 116h and an opaque triangle 116d, however, these triangles are curved in a circular path, a unit of two translucent triangles 116h and an opaque triangle 116d, which preferably of a opaque area is referred to in the context of this application as a structural unit.
  • geometric structures with three corners, which are connected by curved lines, can be referred to as triangles.
  • the corners of the triangles 16d, 16h, 116d, 116h, or generally corners of triangular sections and / or other sections in light power modulating structures may be rounded.
  • the second light power modulating structure 118 preferably has
  • the second light receiver 114 converts the light intensity into the electrical signal Sig1 shown in FIG. 3a, which here, for example is shown as a voltage. If the first beam path in this area passes over a section of the first light power modulating structure 116, the third light receiver 122 designed, for example, as a photodiode converts the light intensity into the electrical signal SigO shown schematically in FIG. 3a, which is shown here as a voltage.
  • SigO illustrates the portion-wise different signal change rates and the rough assignment based on SigO, which of the periodic portions of the structure 118 is currently in the second optical path, e.g. the periodic section 118 'in the second optical path when SigO is between 0V and Ul, the periodic section 118 "at a corresponding interval above Ul, etc. This allows a measurement of a rotational speed and a very fine rotational motion.
  • a maximum 124 of the voltage signal Sig1 and the light intensity is reached, which can be used for self-diagnosis of the detector (for example, an intensity calibration or the determination of the position of the web 118s).
  • the pattern of the first and second light power modulating structures 116 and 118, respectively may be altered (see FIGS. 4a to 4c, with opaque areas shown shaded), wherein one or more light barrier structures 126 (the one or more light barrier structures 126; Photoelectric barrier structure 126 'can be used independently of the measuring body 104 from FIG. 4d in other measuring bodies) in a sector of the measuring body 104.
  • the light barrier structure 126 ' may be a binary signal at a certain angular position of the measuring body 104 relative to
  • Reference element 106 for example, in the presence of one of the webs 118 s in the second beam path, provide.
  • first light power modulating structure 116 does not comprise, as in the embodiment shown in FIG. 2b, a structural unit but a plurality of structural units, which are preferably arranged along a circular path.
  • the triangles 116d, 116h may together or in a combination of at least two individual triangles or individually define a triangular structure of the first light power modulating structure 116.
  • the measuring body shown in Fig. 4d has only a light power modulating structure 118, so that when used in a modified
  • Offset sensor for measuring a rotational offset is present.
  • the light barrier structure 126 allows a reference signal for the determination of the absolute angular position of the measuring body 104 to be provided by the binary signal at a specific angular position of the measuring body 104.
  • Fig. 3b shows a periodic section corresponding to the light power modulating structure 118 for the preferred use
  • a measuring body which is preferably adapted to measure a linear offset.
  • a section may also represent an entire light power modulating structure.
  • Corresponding structures and elements of the periodic sections of FIGS. 2b, 3b and 3c have the same reference numerals.
  • FIG. 3c shows a periodic section corresponding to FIG.
  • the trapezoidal structures 118hl, 118hr in FIG. 3c are bounded by circular arcs with an identical center of the circle and straight line sections.
  • the periodic section and the trapezoidal structures 118hl, 118h in FIG. 3c are preferably of an opaque and / or
  • non-reflective surround 118u ' indicated by the dashed lines, with the outer edge of the enclosure 118u' being schematically understood as the enclosure 118u 'outwardly into the sensing body, which is preferably outside the enclosure 118u' also opaque and / or non-reflective is educated, can pass.
  • the enclosure 118u ' may define an annular segment inwardly and / or outwardly.
  • the number of periodic portions as shown in Figs. 3b and 3c may be arbitrarily set along the entire offset, and further, in a double sensor, the ratio of numbers of the periodic portions in the first and second light power modulating structures may be arbitrarily set. Preferably, this ratio is greater than 2, more preferably greater than 10, most preferably greater than 20.
  • the periodic section is stationary with respect to the measuring body and part or all of the light power modulating structure. The periodic portion, respectively in FIGS.
  • first cover portion 118a having a first tapered end portion 118av and a first butt end portion 118as opposite the first tapered end portion 118av and a second cover portion 118b having a second tapered end portion 118bv and a second tapered end portion 118bv second tapered end portion 118bv opposite second butt end portion 118bs; and a land portion 118s connecting the first 118av and second 118bv tapered end portions.
  • the first tapered end portion 118av is preferably wider than the first butt end portion 118as
  • the second tapered end portion 118bv is preferably wider than the second butt end portion 118bs.
  • the first cover section 118a, the second cover section 118b and the web section 118s are preferably delimited by two trapezoidal structures 118hl, 118hr.
  • the periodic section and the trapezoidal structures 118hl, 118hr in FIG. 3b are preferably of opaque and / or
  • non-reflective enclosure 118u limited, wherein the drawn here outer edge of the enclosure 118u can be understood schematically, since the enclosure 118u outwardly into the measuring body, which is preferably formed outside the enclosure 118u also opaque and / or non-reflective, can pass.
  • the enclosure 118u may define a rectangular area inwardly and / or outwardly.
  • the enclosure 118u or 118u ' may define two trapezoidal structures 118hl, 118hr formed as apertures, for example, wherein the trapezoidal structures 118hl, 118hr may in turn define the first cover section 118a, the second cover section 118b and the bridge section 118s, this boundary being can not extend to the butt end portions 118as 118bs, for example when bounded by the enclosures 118u and 118u ', respectively.
  • the first cover portion 118a, the second cover portion 118b and the land portion 118s preferably have the same light transmission characteristics and / or the same light reflection characteristics. In particular, these are opaque and / or reflect no light.
  • the length of the web portion 118s preferably corresponds to the extent of a light spot caused by the beam path on the measuring body in the direction of
  • first cover portion 118a, the second cover portion 118b and the land portion 118s may be bounded by two trapezoidal structures 118hl, 118hr.
  • the periodic section may, as in the present embodiment, be part of a transmission power modulating structure used in transmission, in which case the first cover section 118a, the second cover section 118b and the land section 118s are preferably opaque and the two trapezoidal structures 118hl, 118hr are non-zero
  • the periodic section may also be part of a light power modulating structure used in reflection, in which case the first cover section 118a, the second cover section 118b and the web section 118s do not reflect light and the two trapezoidal structures 118hl, 118hr have non-zero light reflection coefficients.
  • the first cover portion 118a, the second wedge-shaped portion 118b, and the land portion 118s depending on the offset, block the optical path, which would include reflection on the measuring body, between a center of a light emitter and a center of the corresponding photoreceptor.
  • the first cover portion 118a, the second cover portion 118b and the land portion 118s are provided with a light-absorbing structure, for example, a structure caused by sandblasting, followed by a sandblasting structure
  • the first tapered end portion 118av faces the second tapered end portion 118bv. Further, in Fig. 3b, a direction from the first butt end portion 118as to the first tapered end portion 118av points toward the second tapered end portion 118bv. Also, in Fig. 3b, a direction from the second butt end portion 118bs to the second tapered end portion 118bv toward the first tapered end portion 118av. Although these directions described for Fig. 3c in Fig. 3c are not accurate to the respective tapered end portion, they point along a rotational offset to the respective tapered end portion.
  • a direction of movement from a first stub end section to a first tapered end section in the direction of the second tapered end section can be understood to mean that the path is along the path corresponding to the specific offset, eg in Fig. 3c along a circular line; The same applies to directing a direction from a second butt end section to a second tapered end section in the direction of the first tapered end section.
  • the periodic sections, as shown in FIGS. 3b and 3c, are so-called bidirectional structures, wherein a bidirectional structure is characterized in that, when the bidirectional structure is swept along an intended offset both in the direction of displacement and also looks the same in the opposite direction of the offset direction.
  • the bidirectional structure in FIG. 3b is provided for a linear offset and accordingly preferably has a mirror symmetry to a plane orthogonal to the offset direction.
  • the bidirectional structure may be provided in Fig. 3c for a rotation offset and there a
  • Circular path itself is mirror-symmetrical
  • the bidirectional structure in Fig. 3c itself is mirror-symmetrical.
  • the bidirectional structures may locally have mirror symmetry with respect to the intended offset direction, i. that points of a bidirectional structure belonging to a straight line which is orthogonal to the intended direction of displacement have a
  • the trapezoidal structures may be opaque and the first cover portion, the second cover portion and the web portion (or more generally the compensation or connecting portion) may be translucent (not shown).
  • the measuring body of a sensor may be stationary relative to the reference element, for example a housing, in particular be designed not to rotate with the rotating shaft.
  • another reference element of the sensor which comprises a first light emitter, a second light emitter, a third (further) light emitter, a first light receiver, a second light emitter Photoreceptor, a third (further) light receiver, designed to rotate with the rotating shaft.
  • an electrical sliding contact between the further reference element and the reference element is provided in order to electrically connect the light emitters and light receivers
  • FIG. 5 shows, as a third embodiment of the present invention, a pressure sensor 228 which may include an offset sensor 202 according to the second aspect of the invention or a double sensor 202 according to the third aspect of the invention.
  • the pressure sensor 228 has a pressure sensing element, here a membrane 230.
  • a pressure sensing element here a membrane 230.
  • a bellows, a pressure pad, a pressure cell or a plate spring can be used as a pressure sensing element.
  • the membrane 230 is substantially in or opposed in response to a pressure P (as appropriate
  • This deflection can be coupled to the offset sensor 202 via a direct coupling by means of a rod 232 (a linkage).
  • the offset sensor is /
  • Double sensor 202 preferably a sensor in which the offset a
  • Linear offset and the path is a linear section.
  • the reference element 206 of the offset sensor 202 is fixed relative to a pressure sensor body 234 of the pressure sensor 228.
  • Pressure sensor body 234 includes with the membrane 230 an interior of the
  • Double sensor 202 is located. This prevents material or fluids from entering or exiting the interior of the pressure sensor 228. Such close sealing of the interior of the sensor from the outside is particularly important when the sensor is used in the manufacture of medicines or foods, or in an area is used, in which there is a risk of explosion, as a result of contamination of the pressure sensor 228 or its surroundings or the
  • the membrane 230 is particularly greatly expanded by a high pressure P in the direction of the arrow K, there is a risk that the membrane 230 breaks and contamination of the interior of the sensor 228 or its exterior space occurs or a spark can be transmitted. This risk can be counteracted by the provision of a stop 236 against which the membrane 230 abuts when the pressure in the direction of the arrow K is too strong, thereby preventing excessive deformation of the membrane 230.
  • a corresponding stop for the design of the membrane 230 opposite to the direction K for example by attaching a perforated plate or a sturdy net to the pressure sensor body 234, which delimits the membrane 230 from the outside, but allows the membrane 230 against a force, which is preferably provided by a spring or a pressure in the interior of the pressure sensor, is deflected when pressure changes.
  • the perforated plate or the stable mesh also serve as a stop for the membrane 230.
  • an offset sensor / double sensor is coupled in a pressure sensor with a linkage to two membranes, in particular between two membranes is arranged.
  • the offset of the measuring body of the offset sensor / double sensor corresponds to the pressure difference between the membranes.
  • a fourth embodiment of the present invention is shown in the form of a torque sensor 338.
  • the torque sensor 338 includes a first shaft portion 340 and a second shaft portion 342, which are connected by a Torsions Modellabêt 344.
  • the first shaft section 340 is connected to the first shaft section 340
  • Shaft section is a function of the applied torque.
  • This functional relationship between the present torque and the resulting torsion is described as a torsional function, which can be measured and thus exists as a predetermined torsional function.
  • the torsion function can be a non-constant and linear function.
  • the torque sensor 338 includes a first inner sensor 302a and a second inner sensor 302b, which may be dual sensors according to the third aspect of the invention.
  • the reference element 306a of the first inner sensor 302a can be coupled for rotation with the first shaft section 340 and / or for the reference element 306b of the second inner sensor 302b to be coupled to the second shaft section 342 for rotation.
  • the corresponding measuring body can be fixedly connected to a housing of the torque sensor 338, but it is possible that only one of these measuring body is fixedly connected to this housing.
  • Internal sensor 302a and the reference element 306b of the second inner sensor 302b are coupled to a housing 346 of the torque sensor 338.
  • the measuring body 304a of the first inner sensor 302a is non-rotatably connected to the first shaft portion 340.
  • the body 304b of the second displacement sensor 302b may be non-rotatably connected to the second shaft portion 342.
  • a first inner sensor signal Siglnl of the first inner sensor 302a may comprise a first and / or second double sensor signal and a second inner sensor signal Sigln2 of the second inner sensor 302b may comprise a first and / or second double sensor signal.
  • the offset angle of the first shaft portion 340 from the second shaft portion 342 is so small as to be a periodic range of the second light power modulating structure corresponding to FIG. 2 (the angular range between the edges 118up , 118down) does not leave.
  • first inner sensor signal Siglnl of the first inner sensor 302a is then compared with the second inner sensor signal Sigln2 of the second inner sensor 302b, which are generated by a light power modulating structure 118, for example, the voltage profiles shown in FIG electrical signal) as a function of the angle of rotation of the first shaft section 340 or the second shaft section 342, wherein these parameters as well as a representation of a time parameter can be viewed.
  • phase difference ⁇ can have two components: If the light power-modulating structures of the inner sensors are staggered, there is a constant phase offset 60 as a first component (a predetermined phase relationship between the respective phases of the first and second inner sensor signals for a vanishing torque).
  • the constant phase offset 60 can be determined when no torque is applied between the shaft sections 340, 342.
  • ⁇ may be one
  • Phase offset ⁇ due to the torsion of the first shaft portion 340 relative to the second shaft portion 342 due to a torque between the first shaft portion 340 and the second shaft portion 342 are present.
  • phase offset ⁇ it can be determined from the measured
  • Phase difference ⁇ are deducted to determine the phase offset 6t of the signals Siglnl and Sigln2.
  • phase shift ⁇ may be due to the knowledge of the course of the
  • Inner sensor signal as a function of the angle of rotation are associated with the angle of rotation ⁇ . This knowledge exists in particular when used as internal sensors
  • Offset sensors or dual sensors of the second or third aspect of the present invention may be used.
  • the twist angle ⁇ when the twist angle ⁇ is small, especially when using a light power modulating structure 118, none than the half of the angular range which is the range between the Edge 118up, 118down corresponds, and the phase offset 50 is selected so that the difference of the inner sensor signals Siglnl, Sigln2 (see signal difference in Fig. 7) can be uniquely associated with a phase difference ⁇ , the
  • Phase difference ⁇ by the difference of the inner sensor signals Siglnl, Sigln2 are uniquely determined.
  • Internal sensor signals can be determined experimentally by measurements, so that the phase difference ⁇ is uniquely determined by the difference of the internal sensor signals Siglnl, Sigln2.
  • the phase difference 5 can furthermore be determined, for example, by a fit, for example a least square fit, for each course of the
  • Internal sensor signals Siglnl, Sigln2 of the respective inner sensor is made as a function of a phase parameter.
  • the phase difference 5 results in this case from the obtained phase parameters of the inner sensor signals Siglnl, Sigln2, in particular by their difference.
  • the torque can be determined from the angle of rotation ⁇ associated with the measured phase offset 6t.
  • the inner sensor signals Siglnl, Sigln2 are continuous and periodic, see FIG. 7, preferably not constant, so that the phase is safe and reliable without the presence of discontinuities and / or constant sections within the inner sensor signals can be determined.
  • the twist angle ⁇ between the first shaft portion 340 and the second shaft portion 342 is so large that a phase difference is not clearly the twist angle ⁇ can be determined, for example, greater than half of the angular range, which corresponds to the area between the edges 118up and 118down of Fig. 2, so can to determine the twist angle ⁇ between the first shaft portion 340 and the second shaft portion 342 still each , the information of the second double sensor signal when the internal sensor signal corresponds to the first double sensor signal are used. This information makes it possible to uniquely determine the phase difference ⁇ since the absolute angular position of the first shaft section 340 and the second shaft section 342 can be determined.
  • the absolute angular position of the first and second shaft sections 340, 342 can be determined by the torque sensor 338 shown in FIG. 6, this sensor supplies not only the torque but also information about the absolute and relative angular position of the first
  • Shaft portion 340 opposite the second shaft portion 342 with high resolution, their angular velocities, and / or angular accelerations.
  • the torque sensor 338 includes an unillustrated one
  • Evaluation unit which evaluates the signals of the internal sensors and carries out the corresponding calculations.
  • an evaluation unit may comprise A / D converters for digitizing the inner sensor signals and a microprocessor for executing the calculations or a CPU.
  • the torque sensor is not limited to the use of double sensors as internal sensors, but that, in particular, as long as the reference elements of the first and second inner sensors are fixed relative to each other and the first inner sensor signal in dependence on the displacement of the measuring body of the first inner sensor is a continuous periodic signal and the second internal sensor signal is dependent on the offset of the Measuring body of the second inner sensor is a continuous periodic signal, including offset sensors according to the second aspect of the present invention as
  • Figures 8a and 8b show an offset sensor 402 according to a fifth
  • the displacement sensor 402 includes a first light emitter 408 and a first light receiver 412 which are movable relative to each other.
  • the light pickup 412 is preferably formed as a photodiode and can on a
  • Measuring body 404 may be arranged. On the photosensitive surface of the
  • Light pickup 412 is a light power modulating structure 416
  • the light power modulating structure shown in Fig. 3b (the periodic section in this case represents the entire light power modulating structure) applied.
  • the light power modulating structure 416 may be applied to a substrate fixed on the light pickup 412, or may be directly on photosensitive surface of the light pickup 412
  • the light pickup 412 may relate to one
  • the light receiver 412 may be electrically connected to a reference element 406 via a flexible connection 448, for example one or more semicircular springs, wherein the flexible connection 448 may be secured to the measuring body 404. If a force or an acceleration acts on the light pickup 412 or the measuring body 404, then the light pickup 412 moves.
  • the flexible connection 448 or its sections can themselves be conductive or carry at least one conductor.
  • the inference from the modulation of the light intensity received by the light pickup 412 by the light power modulating structure 416 to the displacement of the light pickup 412 corresponds to that of the previously described sensors, so that will not be discussed further.
  • Figures 9a and 9b show an offset sensor 502 according to a sixth
  • the offset sensor 502 comprises a first light emitter 508, a light source 552 and a first light receiver 512, which are preferably fixed relative to each other.
  • the light receiver 512 is preferably as one
  • a light power modulating structure 516 On the photosensitive surface of the light receiver 512, a light power modulating structure 516, preferably the light power modulating structure shown in Fig. 3b (the periodic section in this case represents the entire light power modulating structure) is applied.
  • the light power modulating structure 516 may be mounted on a substrate moored on the light pickup 512, or it may be directly on
  • Photosensitive surface of the light receiver 512 for example, by
  • the light power modulating structure 516 can be applied directly to the wafer.
  • the light emitter 508 is not a light source but emits the light supplied from the light source 552 in the form of a light beam which strikes the light receiver 512.
  • the light emitter 508 is movable with respect to the light receiver 512 arranged.
  • the supply of the light from the light source 552 to the light emitter 508 may be via a light pipe, an optical fiber or an optical fiber
  • the supply of the light from the light source 552 to the light emitter 508 allows a relative movement of the light source 552 and the light emitter 508, which are preferably arranged to be movable relative to one another.
  • the light is preferably deflected and / or collimated. Acts a force or an acceleration on the
  • Light emitter 508 the light emitter 508 moves relative to the
  • FIG. 10 shows a section through a further embodiment of the torque sensor from FIG. 6. In this further embodiment, FIG.
  • Connecting portions 344c may be possible connected.
  • Connecting portions 344c are preferably flexible and may be formed as spokes, so that when torque is between the Inner shaft portion 344 b and the hollow shaft portion 344 a is applied, they deform and a twist angle ⁇ between the first shaft portion 340 and the second shaft portion 342 is formed.
  • the hollow shaft section 344a can either be connected to the first shaft section 340 or the second shaft section 342 in rotation, in particular integrally formed or connected by means of a screw connection.
  • the inner shaft portion 344b may each be non-rotatably connected to the other of the first shaft portion 340 or the second shaft portion 342, in particular integrally formed or connected by means of a screw connection.
  • Web portion (118s), formed connecting portion according to the measuring body (104) claim 2 "it is to be noted here that the term” optional "refers exclusively to the features mentioned in the quote, and not on the features which the Quote and it is also clarified that the numbering of the claim referred to in the quote may be amended in accordance with new claims.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Versatzsensoranordnung und deren Elemente, welche insbesondere optische Komponenten umfasst. Hierunter fallen Baugruppen von Sensoren sowie Sensoren selbst, wobei die Sensoren Lichtemitter, Lichtaufnehmer und lichtleistungsmodulierende Strukturen aufweisen. Insbesondere stellt die Erfindung einen Messkörper (104) mit einer bezüglich des Messkörpers ortsfest angeordneten lichtleistungsmodulierenden Struktur (118) bereit.

Description

Versatzsensoranordnung und deren Elemente
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Versatzsensoranordnung, welche insbesondere optische Komponenten umfasst. Hierunter fallen Baugruppen von Sensoren sowie Sensoren selbst.
In Sensoranordnungen werden optische Eigenschaften von Licht gemessen und geändert, um aus dem beobachteten Effekt einen zu messenden Versatz zu bestimmen. Dieser Bestimmung wird in den meisten Fällen eine räumlich homogene, zumindest jedoch räumlich gleichförmige, zum Beispiel gaußförmige, Intensitätsverteilung des Lichts zugrunde gelegt. Die Intensitätsverteilung von verwendeten Lichtquellen, wie beispielsweise Leuchtdioden, ist jedoch häufig von dieser angenommenen räumlichen Verteilung weit entfernt. Insbesondere kann sich diese über die Lebensdauer der Lichtquelle verändern.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Sensoranordnungen (wie Versatzsensoren oder Doppelsensoren) zu verbessern. Insbesondere soll eine Sensoranordnung bereitgestellt werden, welche mit räumlich inhomogenen Lichtquellen beziehungsweise Lichtemittern betrieben werden kann. Ferner sollen Sensoranordnungen bereitgestellt werden, welche insbesondere eine erhöhte Genauigkeit und/oder Empfindlichkeit, insbesondere über einen langen Messweg, bereitstellen. Insbesondere sollen Druck- beziehungsweise Drehmomentsensoren bereitgestellt werden, welche zumindest eine der oben genannten Aufgaben lösen.
Die DE 37 86 318 T2 lehrt in einem Versatzsensor zur Messung eines
Rotationsversatzes zwischen einem Photoemitter und einem Photodetektor eine keilförmige Apertur anzuordnen, sodass bei einem Rotationsversatz der Apertur der Lichtstrahl abgeschwächt wird, wodurch das Ausgangssignal des Photodetektors variiert, und durch dessen Ausgangssignal die Position der Apertur berechnet werden kann. Ferner lehrt diese Druckschrift mehrere gleichartige Aperturen übereinander anzuordnen, um gegebenenfalls Inhomogenitäten innerhalb des Lichtstrahls zu kompensieren. Die Auflösung und Empfindlichkeit dieser Anordnung ist jedoch durch die Eigenschaften des vorgegebenen gleichförmigen Aperturmusters beschränkt.
Die EP 0 555 987 A2 offenbart einen Drehmomentsensor, bei welchem das Drehmoment optisch über die Transmissionseigenschaften von sich gegeneinander verdrehenden Lochmasken gemessen wird, wobei das Maß der Verdrehung der Lochmasken ein Maß für das Drehmoment ist und die Verdrehung der Lochmasken zueinander die Transmission durch einzelne Aperturen verändert. Das hier vorgestellte System ist jedoch darauf beschränkt, einen Drehmoment zu messen.
Nach einem ersten Aspekt stellt die Erfindung einen Messkörper bereit mit einer bezüglich des Messkörpers ortsfest angeordneten lichtleistungsmodulierenden Struktur, wobei die lichtleistungsmodulierende Struktur einen mit einem ersten verjüngten Endabschnitt und einem dem ersten verjüngten Endabschnitt gegenüberliegenden ersten Stumpf-Endabschnitt ausgebildeten ersten
Abdeckabschnitt und einen mit einem zweiten verjüngten Endabschnitt und einem dem zweiten verjüngten Endabschnitt gegenüberliegenden zweiten Stumpf- Endabschnitt ausgebildeten zweiten Abdeckabschnitt umfasst.
Wird im Rahmen dieser Anmeldung von Licht gesprochen, so ist damit eine Strahlung aus dem gesamten Bereich der elektromagnetischen Strahlung zwischen dem UV-Bereich und dem IR-Bereich, einschließlich dieser Grenzbereiche, gemeint. Eine lichtleistungsmodulierende Struktur ist im Rahmen dieser Anmeldung eine Struktur, welche definierte Transmissions- und/oder Reflexions- und/oder
Absorptionseigenschaften aufweist. Unter einer Streuung wird im Rahmen dieser Anmeldung vorzugsweise eine im Wesentlichen ungerichtete Ablenkung einer Strahlung an einem Streuobjekt oder einer Streufläche verstanden. Die
lichtleistungsmodulierende Struktur kann beispielsweise durch Stanzen, und/oder 3D-Drucken und/oder Fräsen und/oder ein Auftragen von Farbe oder Lack, welcher vorzugsweise lichtundurchlässig ist, und/oder durch Aufbringen einer
Reflexionsschicht ausgebildet werden. Die lichtleistungsmodulierende Struktur kann im Wesentlichen flächig ausgebildet sein, insbesondere kann sie eine Apertur oder eine Aperturbegrenzung darstellen, welche in Lichttransmissionsrichtung, also insbesondere senkrecht zu einer Oberfläche der lichtleistungsmodulierenden Struktur, gleichförmig ausgebildet ist. Unter flächigen lichtleistungsmodulierenden Strukturen können insbesondere Aperturen fallen, welche in einem
plattenförmigen Träger eingefräst sind und sich im Wesentlichen über den Träger, welcher hier einen Messkörper darstellen kann, erstrecken. Ferner ist es möglich eine flächenförmige lichtleistungsmodulierende Struktur durch das Auftragen von Farbe oder Lack auf einen plattenförmigen Messkörper herzustellen, welcher vorzugsweise lichtundurchlässig ist. Ebenso ist es möglich, wenn die
lichtleistungsmodulierende Struktur in Reflexion betrieben wird, eine
flächenförmige lichtleistungsmodulierende Struktur durch Aufbringen einer Reflexionsschicht auf einen plattenförmigen Messkörper aufzubringen und/oder den Messkörper als Reflektor bzw. Reflexionsfläche zu verwenden. Der erste verjüngte Endabschnitt kann dem zweiten verjüngten Endabschnitt
gegenüberliegen. Vorzugsweise weist eine Richtung von dem ersten Stumpf- Endabschnitt zu dem ersten verjüngte Endabschnitt in Richtung des zweiten verjüngten Endabschnitts, ebenso kann eine Richtung von dem zweiten Stumpf- Endäbschnitt zu dem zweiten verjüngte Endabschnitt in Richtung des ersten verjüngten Endabschnitts weisen.
Mittels eines Messkörpers mit einer erfindungsgemäßen
lichtleistungsmodulierenden Struktur kann aufgrund des ersten und des zweiten Abdeckabschnitts sowohl ein Lichtstrahl, auch ein divergierender Lichtstrahl, in seiner Intensität moduliert werden, wobei Bereiche des Lichtstrahls, die eine hohe Inhomogenität aufweisen oder im besonderen Maße von einem Alterungsprozess betroffen sein können, von den Abdeckabschnitten geblockt oder abgedeckt werden können, sodass diese Bereiche des Lichtstrahls einen Detektor nicht erreichen. Hierdurch kann der Beitrag eines von einem Detektor aufgenommenen Effekts, beispielsweise eine Intensitätsänderung des den Detektor treffenden Lichts, welcher durch eine Strahlinhomogenität bewirkt wird, sowohl von vornherein als auch bei einer Langzeitbenutzung minimiert werden, sodass aus dem durch den Detektor gemessenen Effekt, beispielsweise einer
Intensitätsänderung, auf die vorliegende Modulierung durch die
lichtleistungsmodulierende Struktur exakter zurückgeschlossen werden kann, wodurch, wenn die lichtleistungsmodulierende Struktur in Abhängigkeit beispielsweise von einem Versatz des Messkörpers den Lichtstrahl moduliert, auf den Versatz zurückgeschlossen werden kann. Hierdurch wird einerseits die
Messgenauigkeit des Versatzsensors erhöht andererseits auch die Empfindlichkeit des Versatzsensors, da kleineren Änderungen des durch den Detektor gemessenen Effekts, aufgrund der Exakteren Abbildung des durch den Detektor gemessenen Effekts auf den Versatz, eine Änderung des Versatzes zugeordnet werden kann.
In dem Messkörper ist der erste Abdeckabschnitt mit einem ersten verjüngten Endabschnitt und einem dem ersten verjüngten Endabschnitt gegenüberliegenden ersten Stumpf-Endabschnitt ausgebildet, wobei vorzugsweise der erste verjüngte Endabschnitt des ersten Abdeckabschnitts schmaler als der erste Stumpf- Endabschnitt des ersten Abdeckabschnitts ist, und der zweite Abdeckabschnitt ist mit einem zweiten verjüngten Endabschnitt und einem dem zweiten verjüngten Endabschnitt gegenüberliegenden zweiten Stumpf-Endabschnitt ausgebildet, wobei vorzugsweise der zweite verjüngte Endabschnitt des zweiten Abdeckabschnitts schmaler als der zweite Stumpf-Endabschnitt des zweiten Abdeckabschnitts ist. Diese besonders gleichförmige Ausgestaltung des ersten und zweiten
Abdeckabschnitts führt zu einer besonders stark ausgeprägten und für diverse Anwendungen gewünschten Linearität der Modulation von Licht durch die lichtleistungsmodulierende Struktur in Abhängigkeit von einem Versatz des Messkörpers. Wird die Modulation des Lichts gemessen, kann in diesem Fall auf den Versatz in einfacher Art und Weise zurückgeschlossen werden. Ein
Abdeckabschnitt, dessen verjüngter Endabschnitt schmaler als dessen Stumpf- Endabschnitt ist, weist vorzugsweise eine Deltaform auf, wobei hierbei insbesondere auf die Form des griechischen Großbuchstabens Δ Bezug genommen wird.
Unter einem Abdeckabschnitt einer lichtleistungsmodulierenden Struktur kann im Rahmen dieser Anmeldung ein, vorzugsweise flächiger, Abschnitt verstanden werden, welcher sich von einem Stumpf-Endabschnitt zu einem verjüngten Endabschnitt verjüngt, also schmaler wird, hierbei kann insbesondere an ein Dreieck, vorzugsweise ein gleichschenkliges Dreieck oder alternativ ein nicht gleichschenkliges Dreieck, gedacht werden, wobei anstelle der Ecken
Modifikationen, wie beispielsweise Abrundungen, Ansätze oder ähnliches vorliegen können.
Insbesondere kann an einem gleichschenkligen Dreieck die Ecke, welche die zwei gleichen Schenkel miteinander verbindet, als ein verjüngter Endabschnitt angesehen werden, wobei diese Ecke auch gestutzt sein kann. Unter einem
Verbindungselement kann auch eine direkte Verbindung der ersten und zweiten verjüngten Endabschnitt verstanden werden, wobei insbesondere der erste und zweite verjüngte Endabschnitt ineinander übergehen können. Ein erster bzw. zweiter Stumpf-Endabschnitt ist vorzugsweise breiter als der zugeordnete erste bzw. zweite verjüngte Endabschnitt.
Es ist möglich, dass in einem Messkörper die lichtleistungsmodulierende Struktur ferner einen vorzugsweise als ein Kompensationsabschnitt, höchst bevorzugt als ein Stegabschnitt, ausgebildeten Verbindungsabschnitt umfasst, welcher den ersten Abdeckabschnitt und den zweiten Abdeckabschnitt miteinander verbindet. Der vorzugsweise als ein Kompensationsabschnitt, höchst bevorzugt als ein
Stegabschnitt, ausgebildete Verbindungsabschnitt kann den ersten verjüngten Endabschnitt mit dem zweiten verjüngten Endabschnitt verbinden. Werden der erste und zweite Abdeckabschnitt mit einem Verbindungsabschnitt verbunden, so können mittels des Verbindungsabschnitts auch zwischen dem ersten und zweiten Abdeckabschnitt Bereiche des einfallenden Lichts moduliert werden, insbesondere abgedeckt werden, wodurch über den gesamten durch den ersten und zweiten Abdeckabschnitt und den Verbindungsabschnitt überspannten Bereich der lichtleistungsmodulierende Struktur die Modulation des Lichts zuverlässig und kontrolliert stattfinden kann, insbesondere können Bereiche des einfallenden Lichts, welche beispielsweise Inhomogenitäten und/oder
Veralterungseffekte aufweisen, über diesen gesamten durch den ersten und zweiten Abdeckabschnitt und den Verbindungsabschnitt überspannten Bereich abgedeckt werden, wodurch beispielsweise der Einfluss der Inhomogenität auf eine Linearität der Modulation des Lichts in Abhängigkeit von einem Versatz des Messkörpers reduziert wird. Ein Messkörper, in welchem der Verbindungsabschnitt den ersten verjüngten Endabschnitt mit dem zweiten verjüngten Endabschnitt verbindet, weist eine lichtleistungsmodulierende Struktur auf, welche in der Lage ist, die Intensität des Lichts als Funktion eines Versatzes entlang eines Pfades derart zu modulieren, dass die Intensität des Lichts keine Sprungstellen (oder Bereiche mit sehr hoher Änderung) aufweist. Die so modulierte Intensität kann auf einem Photodetektor (z.B. einer Photodiode) ein Signal erzeugen, welches ebenso keine Sprungstellen (oder Bereiche mit sehr hoher Änderung) aufweist und welches somit ohne große Fehler digitalisiert werden kann.
Der Verbindungsabschnitt kann als ein Stegabschnitt ausgebildet sein. Ein
Stegabschnitt kann eine konstante Breite über seine Länge aufweisen,
insbesondere kann der Stegabschnitt als ein Rechteck oder als ein Kreisringsegment ausgebildet sein. Der erste verjüngte Endabschnitt kann mit einer kürzeren der Seiten des rechteckförmigen Stegabschnitts verbunden sein. Der zweite verjüngte Endabschnitt kann mit der anderen aus den kürzeren der Seiten des
rechteckförmigen Stegabschnitts verbunden sein. Sind alle Seiten des
rechteckförmigen Stegabschnitts gleichlang, so können im Rahmen dieser
Anmeldung zwei gegenüberliegende Seiten als kürzere der Seiten des
rechteckförmigen Stegabschnitts angesehen werden. Gerade Endabschnitte des als Kreisringsegment ausgebildeten Stegabschnitts können durch Abschnitte von durch das Zentrum des Kreisringsegments gehender Geraden begrenzt sein. Der erste verjüngte Endabschnitt kann mit einem der geraden Endabschnitte des als Kreisringsegment ausgebildeten Stegabschnitts verbunden sein. Der zweite verjüngte Endabschnitt kann mit dem anderen aus den geraden Endabschnitten des als Kreisringsegment ausgebildeten Stegabschnitts verbunden sein. Unter einem Stegabschnitt kann ein länglicher Verbindungsabschnitt verstanden werden. Stegabschnitte mit den oben aufgeführten Ausbildungen erlauben die Konstruktion besonders einfacher und leicht herzustellender lichtleistungsmodulierende Strukturen.
Insbesondere kann eine lichtleistungsmodulierende Struktur im Wesentlichen entlang einer linearen Achse ausgerichtet sein, es ist jedoch auch möglich, dass die lichtleistungsmodulierende Struktur im Wesentlichen zumindest abschnittsweise einem gebogenen Pfad, beispielsweise einer Kreislinie, folgt. Solche
lichtleistungsmodulierenden Strukturen sind besonders gut zur Modulation von einfallendem Licht geeignet, wenn die Modulation des einfallenden Lichts gemessen wird, während der Messkörper entlang einer linearen Achse bzw. einem gebogenen Pfad versetzt wird, da die Modulation eine besonders einfache Abhängigkeit vom Versatz aufweist.
Es ist möglich, dass der erste Abdeckabschnitt, der zweite Abdeckabschnitt, und optional der vorzugsweise als ein Kompensationsabschnitt, höchst bevorzugt als ein Stegabschnitt, wie oben beschrieben, ausgebildete Verbindungsabschnitt, gleiche Lichtabsorptionseigenschaften aufweisen, sodass der Modulationseffekt besonders einfach bestimmt werden kann und sodass keine komplizierte Auswertungseinheit notwendig ist, um beispielsweise zu bestimmen, welcher Abschnitt der
lichtleistungsmodulierenden Struktur für die Leistungsmodulierung des Lichts verantwortlich ist. Vorzugsweise werden die Lichtabsorptionseigenschaften durch einen Lichtabsorptionskoeffizienten beschrieben, welcher vorzugsweise oberhalb von 80 % (0,8) liegt, besonders bevorzugt nahe bei 100 % (1) liegt, sodass das vorhandene Licht effizient absorbiert wird und nicht unnötigerweise transmittiert wird, was zu einem Untergrundsignal in einem Detektor führen kann was
Messungenauigkeiten oder mangelnde Empfindlichkeit zur Folge haben kann.
Es kann daran gedacht werden, dass der erste Abdeckabschnitt, der zweite
Abdeckabschnitt, und optional der vorzugsweise als ein Kompensationsabschnitt, höchst bevorzugt als ein Stegabschnitt, wie oben beschrieben, ausgebildete Verbindungsabschnitt des Messkörpers, gleiche Lichtreflexionseigenschaften aufweisen, wenn die lichtieistungsmodulierende Struktur als Transmissionsstruktur verwendet wird. In diesem Fall wird das eingestrahlte Licht reflektiert und nicht unnötigerweise absorbiert, was den Messkörper aufheizen und somit verformen könnte, wobei die Verformung des Messkörpers zu einer Reflexion in eine ungewünschte Richtung beziehungsweise bei einer hohen Geschwindigkeit des Messkörpers zu mechanischen Vibrationen führen kann.
Vorzugsweise werden die Lichtreflexionseigenschaften durch einen
Reflexionskoeffizienten beschrieben, welcher vorzugsweise größer als 80 % (0,8) ist, vorzugsweise nahe bei 100 % (1) liegt, sodass das eingestrahlte Licht besonders effizient reflektiert wird, und nicht unnötigerweise absorbiert wird, was den Messkörper aufheizen und somit verformen kann. Die Verformung des
Messkörpers kann zu einer Reflexion in eine ungewünschte Richtung
beziehungsweise bei einer hohen Geschwindigkeit des Messkörpers zu
mechanischen Vibrationen führen. Vorzugsweise kann der erste Abdeckabschnitt, der zweite Abdeckabschnitt und optional der vorzugsweise als ein Kompensationsabschnitt, höchst bevorzugt als ein Stegabschnitt, wie oben beschrieben, ausgebildete Verbindungsabschnitt, von zwei trapezförmigen Strukturen begrenzt werden. Unter trapezförmigen Strukturen sollen auch trapezähnliche Gebilde verstanden werden, welche d urch das
Schneiden eines Kreisrings entlang von Linien entstehen, insbesondere Gebilde also, die d urch zwei Geradenabschnitte und zwei Kreisbögen begrenzt werden, wobei die Kreisbögen im Wesentlichen denselben Kreismittelpunkt aufweisen . Die Begrenzung durch einen Geradenabschnitt kan n ersetzt werden durch eine Begrenzung entlang gebogener Linien, solange die zwei Kreisbögen eine u nterschied liche Länge aufweisen. Die vorzugsweise lichtdurchlässigen
trapezförmigen Strukturen erlauben eine besonders einfache Form des ersten Abdeckabschnitts, des zweiten Abdeckabschnitts und des Verbindungsabschnitts, wodurch eine besonders einfache ortsabhängige, insbesondere bei Anordnung mehrerer derartiger periodischer Abschnitte oder gesamter
leistungsmodulierender Strukturen hintereinander, periodische Modulation in Abhängigkeit vom Versatz eines den Messkörper und des die
lichtleistungsmodulierende Struktur treffenden Lichtstrahls ermöglicht wird.
Es kan n daran gedacht werden, dass der erste Abdeckabschnitt, der zweite Abdeckabschnitt, und optional der vorzugsweise als ein Kompensationsabschnitt, höchst bevorzugt als ein Stegabschnitt, wie oben beschrieben, ausgebildete Verbindungsabschnitt, lichtundurchlässig sind und die zwei trapezförmigen Strukturen von null verschiedene Lichttransmissionskoeffizienten, insbesondere
Lichttransmissionskoeffizienten oberhalb von 80 % (0,8), besonders bevorzugt nahe 100 % (1), aufweisen. Hierdurch wird die Transmission von Licht auf die
trapezförmigen Strukturen beschränkt, wodurch Störeffekte durch Transmission innerhalb unerwünschter Bereiche der lichtleistungsmodulierenden Struktur vermindert werden. Es ist vorteilhaft, dass der erste Abdeckabschnitt, der zweite Abdeckabschnitt, und optional der vorzugsweise als ein Kompensationsabschnitt, höchst bevorzugt als ein Stegabschnitt, wie oben beschrieben, ausgebildete Verbindungsabschnitt, Licht nicht reflektieren und die zwei trapezförmigen Strukturen von null verschiedene Lichtreflexionskoeffizienten aufweisen, insbesondere einen
Lichtreflexionskoeffizienten oberhalb von 80 % (0,8), besonders bevorzugt nahe 100 % (1) aufweisen, wodurch ein Zurück- eflektieren des Lichts nur auf die trapezförmigen Strukturen innerhalb der lichtleistungsmodulierende Struktur beschränkt wird, wodurch Störeffekte gemindert werden.
Alternativ hierzu kann insbesondere der erste Abdeckabschnitt, der zweite Abdeckabschnitt, und optional der vorzugsweise als ein Kompensationsabschnitt, höchst bevorzugt als ein Stegabschnitt, wie oben beschrieben, ausgebildete Verbindungsabschnitt lichtdurchlässig sein und die zwei trapezförmigen Strukturen können lichtundurchlässig sein. Diese Alternative gibt dem Fachmann die Freiheit, auf Entwicklungen in der Qualität und im Strahlprofil von Lichtquellen und/oder Lichtemittern zu reagieren und gegebenenfalls auch eine am Rand des Strahlprofils auftretende Inhomogenität abzudecken.
Besonders bevorzugt ist es, wenn der erste Abdeckabschnitt, der zweite
Abdeckabschnitt, und optional der vorzugsweise als ein Kompensationsabschnitt, höchst bevorzugt als ein Stegabschnitt, wie oben beschrieben, ausgebildete Verbindungsabschnitt, mit einer lichtabsorbierenden Struktur versehen sind. Eine lichtabsorbierende Struktur kann durch das Auftragen einer absorbierenden, vorzugsweise schwarzen, besonders bevorzugt matten, Farbe entstehen, es ist jedoch auch möglich, die lichtabsorbierende Struktur durch das Vorsehen von konkaven Strukturen zu erreichen, in welchen das nicht absorbierte Licht eine hohe Wahrscheinlichkeit aufweist, wieder auf eine absorbierende Fläche zu stoßen. Eine besonders einfache Form der lichtabsorbierenden Struktur mit konkaven
Strukturen ist eine gesandstrahlte Oberfläche, wobei die durch das Sandstrahlen erzeugten Vertiefungen als die konkaven Strukturen anzusehen sind. Das Vorsehen einer lichtabsorbierenden Struktur auf dem ersten Abdeckabschnitt, dem zweiten Abdeckabschnitt, und optional auf dem der vorzugsweise als ein
Kompensationsabschnitt, höchst bevorzugt als ein Stegabschnitt, wie oben beschrieben, ausgebildeten Verbindungsabschnitt reduziert das von dem
Messkörper und der lichtleistungsmodulierenden Struktur erzeugte Streulicht, wodurch das in einem Detektor aufgenommene Streulicht reduziert wird, was wiederum das durch das Streulicht hervorgerufene Untergrundsignal des Detektors reduziert.
Es ist ferner möglich, dass die lichtleistungsmodulierende Struktur und die zwei trapezförmigen Strukturen von einer lichtundurchlässigen und/oder nicht reflektierenden Umfassung begrenzt ist. Hierdurch wird die
lichtleistungsmodulierende Struktur definiert nach außen abgegrenzt, sodass die lichtleistungsmodulierenden Eigenschaften der lichtleistungsmodulierenden
Struktur auch bei einer großflächigen Ausleuchtung gut definiert sind, sodass aus dem durch die Lichtleistungsmodulation hervorgerufenen Signal in einem Detektor beispielsweise auf den Versatz geschlossen werden kann, auch wenn sich die Ausleuchtung des Messkörpers außerhalb der Begrenzung, beispielsweise durch Alterungseffekte der Lichtquelle, ändert.
Vorzugsweise begrenzt die Umfassung einen rechteckigen Bereich, wobei in diesem Fall der oben genannte Effekt in besonders starkem Maße auftritt, wenn der Messkörper zur Messung eines linearen Versatzes verwendet wird, alternativ kann die Umfassung ein Kreisringsegment begrenzen, wobei in diesem Fall der oben genannte Effekt besonders stark auftritt, wenn der Messkörper zur Messung eines Rotationsversatzes verwendet wird.
Es kann daran gedacht werden, einen Messkörper, vorzugsweise einen oben beschriebenen Messkörper, mit einer lichtleistungsmodulierenden Struktur und einem Lichtaufnehmer vorzusehen, wobei die lichtleistungsmodulierende Struktur ortsfest bezüglich des Lichtaufnehmers angeordnet ist, vorzugsweise
zusammenhängend mit dem Lichtaufnehmer ausgebildet ist. In diesem Fall ist insbesondere auch die lichtleistungsmodulierende Struktur ortsfest bezüglich eines Lichtaufnehmers angeordnet, beispielsweise eines Detektors oder eines optischen Elements, welches Licht aufnimmt und dann beispielsweise zu einem Detektor, beispielsweise über einen optischen Pfad insbesondere über einen Lichtleiter, besonders bevorzugt über eine optische Faser, leitet. Bei diesem besonders einfachen Aufbau können in einem Sensor ein Lichtemitter oder eine Lichtquelle und der Lichtaufnehmer relativ zueinander bewegt werden, wobei kein separater Messkörper dazwischen vorgesehen ist, sodass eine effiziente Herstellung eines einen solchen Messkörper umfassenden Sensors aufgrund seines einfachen Aufbaus und des einfachen Messprinzips erreicht werden kann.
Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird bereitgestellt ein Versatzsensor zur Messung eines Versatzes eines Messkörpers des Versatzsensors entlang eines Pfads gegenüber einem Referenzelement des Versatzsensors umfassend: einen ersten Lichtemitter sowie einen ersten Lichtaufnehmer, welche bezüglich des
Referenzelements ortsfest angeordnet sind, eine erste lichtleistungsmodulierende Struktur, wobei der Messkörper vorzugsweise ein Messkörper nach dem ersten Aspekt der Erfindung ist, wobei die erste lichtleistungsmodulierende Struktur in einem ersten Strahlengang zwischen dem ersten Lichtemitter und dem ersten Lichtaufnehmer, angeordnet ist, wobei die erste lichtleistungsmodulierende Struktur ortsfest bezüglich des Messkörpers angeordnet ist, wobei, die erste lichtleistungsmodulierende Struktur in dem ersten Strahlengang Abschnitte derart abdeckt, dass ein optischer Pfad zwischen einem Zentrum des ersten Lichtemitters und einem Zentrum des ersten Lichtaufnehmers unterbrochen ist. Dadurch, dass die erste lichtleistungsmodulierende Struktur in dem ersten Strahlengang
Abschnitte derart abdeckt, dass ein optischer Pfad zu einem Zentrum des ersten Lichtemitters und einem Zentrum des Lichtaufnehmers unterbrochen ist, werden Bereiche des ersten Strahlengangs abgedeckt, welche häufig, beispielsweise bei der Verwendung von handelsüblichen Leuchtdioden als Lichtquellen, räumliche Inhomogenitäten aufweisen. Durch diese Abdeckung wird der Einfluss der räumlichen Inhomogenität des aus dem ersten Lichtemitter austretenden
Lichtstrahls auf das Detektorsignal weitestgehend eliminiert.
Es wird bevorzugt, dass der optische Pfad zwischen dem Zentrum des ersten Lichtemitters und dem Zentrum des ersten Lichtaufnehmers über den vollständigen Versatz des Messkörpers entlang des Pfads unterbrochen ist, sodass ein Einfluss einer Inhomogenität innerhalb des Strahlengangs über den vollständigen Versatz des Messkörpers weitestgehend eliminiert wird.
Der Versatzsensor kann ein einer durch den ersten Lichtaufnehmer
aufgenommenen Lichtleistung entsprechendes erstes elektrisches Signal, insbesondere ein erstes Spannungs- oder ein erstes Stromsignal ausgeben, wodurch einer Auswerteeinheit eine Information über die aufgenommene
Lichtleistung in einer besonders einfachen und einfach auszuwertenden Art und Weise bereitgestellt werden kann. Der Versatzsensor kann einen weiteren Lichtemitter und einen weiteren
Lichtaufnehmer umfassen, welche jeweils bezüglich des Referenzelements ortsfest angeordnet sind, wobei die vorzugsweise eine Dreiecksstruktur aufweisende erste lichtleistungsmodulierende Struktur in einem weiteren Strahlengang zwischen dem weiteren Lichtemitter und dem weiteren Lichtaufnehmer angeordnet ist, wobei der Versatzsensor jeweils ein einer durch den weiteren Lichtaufnehmer
aufgenommenen Lichtleistung entsprechendes weiteres elektrisches Signal, insbesondere ein weiteres Spannungs- oder ein weiteres Stromsignal, ausgibt, und wobei der weitere Strahlengang Bereiche der in dem weiteren Strahlengang angeordneten ersten leistungsmodulierenden Struktur überstreicht, welche auch von dem ersten Strahlengang überstrichen werden können. Überstreicht der weitere Strahlengang Bereiche der im weiteren Strahlengang angeordneten ersten leistungsmodulierenden Struktur, welche auch von dem ersten Strahlengang überstrichen werden können, so kann in dem Versatzsensor die erste
lichtleistungsmodulierende Struktur sowohl Licht modulieren, welches von dem ersten Lichtaufnehmer als auch Licht, welches von dem weiteren Lichtaufnehmer aufgenommen wird, wodurch die lichtleistungsmodulierende Struktur über einen längeren Versatz mindestens einen Strahlengang modulieren kann oder eine Modulation über einen längeren Versatz bewerkstelligen kann. Insbesondere ist es so möglich, bei rotierenden Messkörpern eine Versatzmessung mit einer nicht 360° überspannenden lichtleistungsmodulierenden Struktur einen Rotationsversatz von 360° ohne einen Totbereich, in welchem keine auswertbaren Messdaten vorliegen, zu vermessen.
Es kann daran gedacht werden, dass in dem Pfad mindestens ein erster Bereich derart existiert, dass, wenn der Versatz des Messkörpers sich in dem ersten Bereich befindet, das weitere elektrische Signal keine Abweichung von einer Basislinie aufzeigt, während das erste elektrische Signal eine Abweichung von einer Basislinie aufzeigt und vorzugsweise in dem Pfad ein von dem ersten Bereich disjunkter zweiter Bereich derart existiert, dass, wenn der Versatz des Messkörpers sich in dem zweiten Bereich befindet, das erste elektrische Signal keine Abweichung von einer Basislinie aufzeigt, während das weitere elektrische Signal eine Abweichung von einer Basislinie aufzeigt. Vorzugsweise sind der erste Bereich und der zweite Bereich in dem Pfad direkt aufeinander folgend angeordnet, insbesondere direkt benachbart angeordnet, wobei zwischen zwei direkt benachbarten Bereichen in einem Pfad maximal ein Punkt liegen kann (dies tritt ein, wenn beide direkt benachbarten Bereiche offene Bereiche sind). Dadurch, dass entweder das erste elektrische Signal oder das weitere elektrische Signal eine Abweichung von der Basislinie aufzeigt, kann über eine Auswerteeinheit eindeutig zugeordnet werden, in welchem Bereich des Pfads des Versatzes sich der Messkörper befindet. Es ist vorteilhaft, wenn der Versatzsensor ein elektrisches Zusatzsignal ausgibt, welches, wenn der Versatz des Messkörpers sich in dem ersten Bereich befindet, einen ersten Strom- oder Spannungswert gesetzt ist, und in dem Pfad ein von dem ersten Bereich disjunkter zweiter Bereich derart existiert, dass, wenn der Versatz des Messkörpers sich in dem zweiten Bereich befindet, das erste elektrische Signal keine Abweichung von einer Basislinie aufzeigt, während das weitere elektrische Signal eine Abweichung von einer Basislinie aufzeigt, wobei das Zusatzsignal, wenn der Versatz des Messkörpers sich in dem zweiten Bereich befindet, auf einen zweiten Strom- oder Spannungswert gesetzt ist. Durch das Zusatzsignal stellt der Versatzsensor ein binäres Signal bereit, mittels welchem eine Zuordnung möglich ist, ob sich der Versatz in dem ersten Bereich oder in dem zweiten Bereich befindet.
Es ist möglich, dass der erste Lichtaufnehmer mit einem Detektor des
Versatzsensors über einen optischen Pfad, vorzugsweise einen Lichtleiter, insbesondere eine optische Faser, des Versatzsensors, verbunden ist, wobei der Detektor als Funktion der Leistung des einfallenden Lichts das erste elektrische Signal ausgibt. Dadurch, dass der Lichtaufnehmer von dem Detektor getrennt wird, ist es möglich, den Detektor mit seiner elektrischen Versorgung beispielsweise außerhalb eines explosionsgefährdeten Bereiches anzuordnen, sodass der
Versatzsensor auch in Bereichen mit einer erhöhten Explosionsgefahr verwendet werden kann. Dieses Merkmal kann ebenso bei dem weiteren Lichtaufnehmer Verwendung finden.
Es ist weiterhin möglich, dass in einem Versatzsensor einer der (erster und/oder weiterer) beziehungsweise der Lichtemitter, vorzugsweise alle Lichtemitter, über einen optischen Pfad, vorzugsweise einen Lichtleiter, insbesondere eine optische Faser, des Versatzsensors mit einer Lichtquelle des Versatzsensors verbunden ist (sind). Da die Lichterzeugung in der Lichtquelle häufig mit einer Wärmeerzeugung verbunden ist, kann diese ausreichen, um in einem Bereich mit einer hohen Explosionswahrscheinlichkeit eine Explosion auszulösen. Wird einer der beziehungsweise der Lichtemitter (ein Bauteil, welches Licht emittiert), von einer Lichtquelle (einem Bauteil, welches Licht erzeugt) räumlich getrennt, so kann der Lichtemitter in einem Bereich angeordnet werden, in welchem eine erhöhte Explosionsgefahr vorherrscht, ohne eine Explosion auszulösen.
Vorteilhafterweise setzt die lichtleistungsmodulierende Struktur über einen Eichabschnitt des Versatzes des Messkörpers entlang des Pfades die durch den jeweiligen Lichtaufnehmer aufgenommene Lichtleistung auf einen vorbestimmten Relativwert, wobei vorzugsweise der Messkörper und die erste
lichtleistungsmodulierende Struktur ein Messkörper mit einer bezüglich des Messkörpers ortsfest angeordneten lichtleistungsmodulierenden Struktur nach dem ersten Aspekt der Erfindung ist und der Eichabschnitt des Versatzes durch ein Überstreichen des ersten Strahlengangs über den Stegabschnitt definiert ist. Dadurch, dass ein Eichabschnitt vorgesehen ist, beispielsweise realisiert durch einen Verbindungsabschnitt des ersten Aspekts, welcher wiederum als
Kompensationsabschnitt oder Stegabschnitt ausgebildet sein kann, wird die durch den Lichtaufnehmer aufgenommene Lichtleistung auf einen vorbestimmten Relativwert der auf die lichtleistungsmodulierende Struktur einfallenden
Lichtleistung gesetzt. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Relativwert um einen Minimalwert oder einen Maximalwert der aufgenommenen Lichtleistung. Es besteht somit die Möglichkeit, Änderungen in der Lichtleistung des Lichtemitters, sei es alterungsbedingt oder bedingt durch Betriebs- oder Aufwärmphasen, auszugleichen. Hierzu kann durch einen Mikrocontroller bestimmt werden, beispielsweise unter Zuhilfenahme einer Lichtschranke, dass der Eichabschnitt sich in dem Strahlengang befindet und die durch den Lichtaufnehmer aufgenommene Lichtleistüng auf einen Relativwert, d.h. einen definierten Bruchteil der auf die lichtleistungsmodulierende Struktur einfallenden Lichtleistung, gesetzt ist.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Relativwert um einen Minimalwert oder Maximalwert der durch den Lichtaufnehmer aufgenommenen Lichtleistung, sodass der Mikrocontroller aus dem Verlauf der durch den Lichtaufnehmer aufgenommenen Lichtleistung, ohne die Information einer Lichtschranke, bestimmen kann, dass der Eichabschnitt sich in dem Strahlengang befindet. Wird die bei Vorliegen des Eichabschnitts in dem Strahlengang gemessene durch den Lichtaufnehmer aufgenommenen Lichtleistung mit einer im Voraus gespeicherten, bei Vorliegen des Eichabschnitts in dem Strahlengang gemessenen, durch den Lichtaufnehmer aufgenommenen Lichtleistung verglichen, so kann beispielsweise eine altersbedingte Signalabschwächung korrigiert werden. Der Sensor kann hierdurch geeicht werden. Für dieses Verfahren eignet sich insbesondere ein Messkörper mit einer leistungsmodulierenden Struktur nach dem ersten Aspekt der Erfindung, wodurch die Vorteile des ersten Aspekts diejenigen des zweiten Aspekts ergänzen.
Der Versatz kann ein Rotationsversatz und der Pfad ein Kreis oder ein Kreissegment sein, wobei sich der Versatzsensor in diesem Fall zur Messung von
Rotationsbewegung bevorzugt eignet beziehungsweise der Versatz kann ein Linearversatz und der Pfad ein Linienabschnitt sein, wobei sich der Versatzsensor in diesem Fall bevorzugt zur Messung eines Linearversatzes eignet.
Nach einem dritten Aspekt stellt die Erfindung bereit einen Doppelsensor zur Messung eines Versatzes eines Messkörpers des Doppelsensors entlang eines Pfads gegenüber einem Referenzelement des Doppelsensors, umfassend: einen ersten Versatzsensor, mit einem ersten Lichtemitter sowie einem ersten Lichtaufnehmer, welche bezüglich des Referenzelements ortsfest angeordnet sind, und einer ersten lichtleistungsmodulierende Struktur, wobei die erste lichtleistungsmodulierende Struktur des ersten Versatzsensors in einem ersten Strahlengang des ersten Versatzsensors zwischen dem ersten Lichtemitter und dem ersten Lichtaufnehmer des ersten Versatzsensors angeordnet ist, wobei die erste
lichtleistungsmodulierende Struktur des ersten Versatzsensors ortsfest bezüglich des Messkörpers angeordnet ist, wobei der erste Versatzsensor jeweils ein einer durch den ersten Lichtaufnehmer des ersten Versatzsensors aufgenommenen Lichtleistung entsprechendes erstes elektrisches Signal, insbesondere ein erstes Spannungs- oder ein erstes Stromsignal, als ein erstes Doppelsensorsignal ausgibt, einen zweiten Versatzsensor mit einem ersten Lichtemitter sowie einem ersten Lichtaufnehmer, welche bezüglich des Referenzelements ortsfest angeordnet sind, und einer ersten lichtleistungsmodulierende Struktur, wobei die erste
lichtleistungsmodulierende Struktur des zweiten Versatzsensors in einem ersten Strahlengang des zweiten Versatzsensors zwischen dem ersten Lichtemitter und dem ersten Lichtaufnehmer des zweiten Versatzsensors angeordnet ist, wobei die erste lichtleistungsmodulierende Struktur des zweiten Versatzsensors ortsfest bezüglich des Messkörpers angeordnet ist, wobei der zweite Versatzsensor jeweils ein einer durch den ersten Lichtaufnehmer des zweiten Versatzsensors
aufgenommenen Lichtleistung entsprechendes erstes elektrisches Signal, insbesondere ein erstes Spannungs- oder ein erstes Stromsignal, als ein zweites Doppelsensorsignal ausgibt, wobei zumindest in Abschnitten des Versatzes des Messkörpers entlang des Pfades das erste Doppelsensorsignal sich mit einer ersten Rate ändert, wobei zumindest in Abschnitten des Versatzes des Messkörpers entlang des Pfades das zweite Doppelsensorsignal sich mit einer zweiten Rate ändert, wobei die erste Rate von der zweiten Rate in Abschnitten des Versatzes des Messkörpers entlang des Pfades betragsmäßig verschieden ist. Dadurch, dass die erste Rate betragsmäßig von der zweiten Rate in Abschnitten des Versatzes des
Messkörpers entlang des Pfades verschieden ist, kann die eine Rate, beispielsweise die betragsmäßig größere Rate, dazu verwendet werden, um über einen kurzen Abschnitt des Versatzes eine hochauflösende Information über den Versatz zu liefern, während die andere Rate sich dazu eignet, über einen langen Abschnitt des Versatzes eine Information mit einer geringen Auflösung über den Versatz zu liefern, wobei in beiden Fällen eine Auswerteeinheit mit gleichen Eigenschaften angenommen wird. Insbesondere kann das Signal mit der betragsmäßig geringeren Rate dazu verwendet werden, eine Grobpositionierung bereitzustellen, und das Signal mit der betragsmäßig höheren Rate benutzt werden, um innerhalb dieser Grobpositionierung eine Feinpositionierung zu liefern, sodass über einen großen Bereich des Versatzes über diese Zweistufenmessung eine Information mit der Auflösung der Feinpositionierung bereitgestellt wird.
Es ist vorteilhaft, wenn der erste Versatzsensor und/oder der zweite Versatzsensor ein Versatzsensor nach dem zweiten Aspekt der Erfindung ist, da sich die Vorteile der Versatzsensoren auf den Doppelsensor übertragen.
Nach einem vierten Aspekt der Erfindung wird bereitgestellt ein Drucksensor, umfassend ein Druckerfassungselement, beispielsweise eine Membran, und einen mit dem Druckerfassungselement gekoppelten Versatzsensor nach dem zweiten Aspekt der Erfindung oder einen Doppelsensor nach dem dritten Aspekt der Erfindung. Die jeweiligen Vorteile des Versatzsensors beziehungsweise des Doppelsensor übertragen sich auf den Drucksensor. Es ist vorteilhaft, wenn das Druckerfassungselement fluidfrei, besonders bevorzugt ölfrei, insbesondere über ein Gestänge, mit dem Versatzsensor oder dem
Doppelsensor gekoppelt ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass auch bei einer mit einem Bruch des Druckerfassungselements , beispielsweise einem Membranbruch, wenn das Druckerfassungselement als eine Membran ausgebildet ist, verbundenen Fehlfunktion des Drucksensors kein Fluid bzw. Öl aus dem Drucksensor austritt, was eine Kontaminierung des Mediums, dessen Druck gemessen werden soll, bedeuten würde, dies reduziert insbesondere Service-, Wartungs- und
Instandhaltungskosten. Es ist vorteilhaft, wenn das Druckerfassungselement als eine Membran ausgebildet ist, welche bei Erreichen einer vorbestimmten Auslenkung an einem Anschlag anstößt und somit eine weitere Auslenkung der Membran in dieser Richtung unterbunden wird. Hierdurch wird eine übermäßige, möglicherweise zum
Membranbruch führende Auslenkung der Membran bei zu hohen oder zu niedrigen Drücken verhindert, wodurch die Lebenserwartung des Sensors erhöht wird und eine mögliche Kontamination des Mediums, dessen Druck gemessen wird, durch Kontakt mit den Inneren des Drucksensors verhindert wird, ebenso wird eine Kontaminierung des Sensorinneren verhindert. Nach einem fünften Aspekt der Erfindung wird bereitgestellt ein
Drehmomentsensor zur Messung eines Drehmoments umfassend, einen ersten Wellenabschnitt und einen zweiten Wellenabschnitt, zwischen welchen das vorliegende Drehmoment gemessen wird, einen den ersten Wellenabschnitt mit dem zweiten Wellenabschnitt verbindenden Torsionsstrukturabschnitt, wobei der funktionelle Zusammenhang zwischen dem vorliegendem Drehmoment und einer daraus resultierenden Torsion des ersten Wellenabschnitts gegenüber dem zweiten Wellenabschnitt durch eine vorbestimmte Torsionsfunktion beschrieben wird, einen ersten Innensensor zur Messung eines Versatzes eines Messkörpers des ersten Innensensors entlang eines Pfads gegenüber einem Referenzelement des ersten Innensensors und zur Ausgabe eines ersten Innensensorsignals, wobei der Messkörper des ersten Innensensors verdrehfest zur gemeinsamen Drehung an dem ersten Wellenabschnitt angeordnet ist, und einen zweiten Innensensor zur Messung eines Versatzes eines Messkörpers des zweiten Innensensors entlang eines Pfads gegenüber einem Referenzelement des zweiten Innensensors und zur Ausgabe eines zweiten Innensensorsignals, wobei der Messkörper des zweiten Innensensors verdrehfest zur gemeinsamen Drehung an dem zweiten
Wellenabschnitt angeordnet ist, und wobei die Referenzelemente des ersten und zweiten Innensensors relativ zueinander festgelegt sind, wobei das erste
Innensensorsignal in Abhängigkeit von dem Versatz des Messkörpers des ersten Innensensors ein stetiges periodisches Signal ist, dass das zweite Innensensorsignal in Abhängigkeit von dem Versatz des Messkörpers des zweiten Innensensors ein stetiges periodisches Signal ist. Dadurch, dass das erste und das zweite
Innensensorsignal in Abhängigkeit von dem Versatz des jeweiligen Messkörpers ein stetiges periodisches Signal ist, welches vorzugsweise nicht konstant ist, kann neben dem Drehmoment die absolute Winkelposition, die Drehgeschwindigkeit des ersten Wellenabschnitts und des zweiten Wellenabschnitts sowie deren
Relativversatz bestimmt werden, ohne, dass ein weiterer Sensor hierzu notwendig ist. Der Drehmomentsensor kann eine Auswertungseinheit umfassen, welche dafür eingerichtet ist, auf Basis einer Phasenbeziehung und/oder Amplitudenbeziehung zwischen dem ersten und zweiten Innensensorsignal und der Torsionsfunktion das Drehmoment zu berechnen. Wird eine derartige Auswertungseinheit in dem Sensor selbst vorgesehen, so wird keine externe Auswertungseinheit benötigt, um das Drehmoment zwischen dem ersten Wellenabschnitt und dem zweiten
Wellenabschnitt zu bestimmen, wodurch Anforderungen an eine Peripherie des Drehmomentsensors gesenkt werden. Dadurch, dass das Drehmoment auf Basis einer Phasenbeziehung beziehungsweise einer Amplitudenbeziehung zwischen erstem und zweitem Innensensorsignal berechnet wird, wird das Drehmoment auf eine besonders einfache Art und Weise berechnet, sodass die Auswertungseinheit einfach und kostengünstig gehalten werden kann.
In dem Drehmomentsensor kann der erste und/oder zweite Innensensor ein Versatzsensor nach dem zweiten Aspekt der Erfindung sein, wobei das erste und/oder zweite Innensensorsignal das entsprechende erste elektrische Signal des jeweiligen Versatzsensors umfasst oder wobei der erste und/oder zweite
Innensensor ein Doppelsensor nach dem dritten Aspekt der Erfindung ist und wobei das erste und/oder zweite Innensensorsignal das entsprechende erste und/oder zweite Doppelsensorsignal des jeweiligen Doppelsensors umfasst. Die Vorteile des Versatzsensors nach dem zweiten Aspekt der Erfindung beziehungsweise des Doppelsensors nach dem dritten Aspekt der Erfindung übertragen sich
entsprechend auf den Drehmomentsensor.
Vorzugsweise umfasst der Torsionsstrukturabschnitt einen Hohlwellenabschnitt, einen Innenwellenabschnitt und mindestens einen Verbindungsabschnitt, wobei eine Außenseite des Innenwellenabschnitts mit einer Innenseite des
Hohlwellenabschnitts mit dem mindestens einen Verbindungsabschnitt verbunden ist, wobei der Verbindungsabschnitt dafür eingerichtet ist sich zu verformen, wenn ein Drehmoment zwischen dem Innenwellenabschnitt und dem
Hohlwellenabschnitt anliegt. Vorzugsweise weist der Torsionsstrukturabschnitt eine Mehrzahl von Verbindungsabschnitten auf, welche die Außenseite des
Innenwellenabschnitts mit der Innenseite des Hohlwellenabschnitts verbinden und welche dafür eingerichtet sind sich zu verformen, wenn ein Drehmoment zwischen dem Innenwellenabschnitt und dem Hohlwellenabschnitt anliegt. Durch das Vorsehen von mindestens einem Verbindungsabschnitt, welcher sich bei Vorliegen eines Drehmoments zwischen dem Innenwellenabschnitt und dem
Hohlwellenabschnitt verformt, wird eine kompakte Bauart des
Drehmomentsensors bei einem hohen Versatz des Innenwellenabschnitts gegenüber dem Hohlwellenabschnitt bei gegebenem oder vorgegebenem
Drehmoment erreicht. Werden mehrere Verbindungsabschnitte vorgesehen, so wird die Last auf mehrere Verbindungsabschnitte verteilt, wodurch deren
Lebensdauer erhöht wird. Vorzugsweise sind die Verbindungsabschnitte gleichmäßig auf der Außenseite des Innenwellenabschnitts und/oder gleichmäßig auf der Innenseite des Hohlwellenabschnitts verteilt, insbesondere mit
gleichmäßigen Zwischenwinkeln verteilt. Hierdurch wird die Kraft, welche das
Drehmoment an den Verbindungsabschnitten hervorruft, besonders gleichmäßig verteilt.
In den Doppelsensoren und Versatzsensoren der Erfindung sind die Lichtemitter und Lichtaufnehmer jeweils ortsfest bezüglich des Referenzelements angeordnet und der Messkörper wird einem Versatz unterzogen. Jedoch kann alternativ auch der Messkörper ortsfest bezüglich des Referenzelements angeordnet sein und die Lichtemitter und Lichtaufnehmer können auf einem weiteren Referenzelement angeordnet einem Versatz unterzogen werden. In diesem Fall besteht vorzugsweise eine flexible elektrische Verbindung jeweils der einzelnen oder einzelner Lichtemitter und/oder Lichtaufnehmer zu dem Referenzelement, alternativ und/oder zusätzlich kann diese elektrische Verbindung durch einen Schleifkontakt und/oder einen induktiven Kontakt ausgebildet sein. Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren beschrieben, es zeigen:
Fig. la einen Doppelsensor gemäß einer ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Fig. lb einen A-A Schnitt des Doppelsensors aus Fig. la;
Fig. 2a einen Doppelsensor gemäße einer zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2b einen B-B Schnitt des Doppelsensors aus Fig. 2a;
Fig. 2c einen Signalverlauf des Doppelsensors aus Fig. 2a und eines modifizierten Doppelsensors;
Fig. 3a einen Signalverlauf von elektrischen Signalen in Abhängigkeit von einem Versatz;
Fig. 3b einen Ausschnitt eines Messkörpers mit einer
lichtlichtleistungsmodulierenden Struktur;
Fig. 3c einen Ausschnitt eines Messkörpers mit einer
lichtlichtleistungsmodulierenden Struktur;
Fig. 4a bis 4d Ausbildungsformen eines Messkörpers des Doppelsensors aus Fig. 2a bzw. eines Versatzsensors; Fig. 5 einen Drucksensor gemäß einer d ritten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Fig. 6 einen Drehmomentsensor gemäß einer vierten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 7 Innensensorsignalverläufe in Abhängigkeit von einem Versatz;
Fig. 8a einen Schnitt durch einen Versatzsensor gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8b eine Innenaufsicht des Versatzsensors aus Fig. 8a
Fig. 9a einen Schnitt durch einen Versatzsensor gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9b eine Innenaufsicht des Versatzsensors aus Fig. 9a;
Fig. 10 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des
Drehmomentsensors aus Fig. 6.
Figuren la und b zeigen in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung einen Doppelsensor 2 zur Messung eines Versatzes, wobei es sich bei dem Versatz um einen Linearversatz handelt. Der Doppelsensor umfasst einen Messkörper 4 sowie ein angedeutetes Referenzelement 6 (übersichtshalber nur in Fig. lb angedeutet), an welchem ein erster Lichtemitter 8 und ein zweiter
Lichtemitter 10 sowie ein erster Lichtaufnehmer 12 und ein zweiter Lichtaufnehmer 14 befestigt sind. Der erste Lichtemitter 8 und der erste Lichtaufnehmer 12 definieren über den direkten optischer Strahlengang dazwischen einen ersten Strahlengang, und analog definieren der zweite Lichtemitter 10 und der zweite Lichtaufnehmer 14 einen zweiten Strahlengang. In dem ersten Strahlengang ist eine erste lichtleistungsmodulierende Struktur 16 und im zweiten Strahlengang ist eine zweite lichtleistungsmodulierende Struktur 18 angeordnet. Die erste lichtleistungsmodulierende Struktur 16 umfasst mindestens einen lichtdurchlässigen Bereich 16h, vorzugsweise zwei lichtdurchlässige Bereiche 16h, und einen lichtundurchlässigen Bereich 16d wobei der Messkörper 4 außerhalb der lichtleistungsmodulierenden Struktur 16 vorzugsweise
lichtundurchlässig ist. Entsprechendes gilt für die zweite lichtleistungsmodulierende Struktur 18 mit vorzugsweise zwei lichtdurchlässigen Bereichen 18h und einem lichtundurchlässigen Bereich 18d, welche jeweils bevorzugt Teile eines
periodischen Abschnitts 18', 18" der lichtleistungsmodulierende Struktur 18 darstellen. Der Lichtaufnehmer 8 beziehungsweise 10 kann als ein Photodetektor, insbesondere als eine Photodiode, ausgebildet sein, welcher ein elektrisches Signal, insbesondere ein Spannungs- oder ein Stromsignal in Abhängigkeit von der durch den Lichtaufnehmer aufgenommenen Lichtleistung ausgibt. Es ist dem Fachmann bekannt, dass der Strom einer Photodiode in Abhängigkeit von der Eingangsleistung und der Photodiodenkennlinie entsteht sowie, dass dieses Stromsignal entweder direkt gemessen werden kann oder ein entsprechendes Spannungssignal über einen Widerstand, beispielsweise den Innenwiderstand der Photodiode, abgegriffen werden kann. Ferner kann über einen Strom-Spannungs-Wandler der Strom der Photodiode in eine proportionale Spannung umgewandelt werden. Die maximale Amplitude des Stromsignals oder des Spannungssignals hängt von den Strahlungseigenschaften, insbesondere von emittierter Lichtleistung und räumlicher Abstrahlungscharakteristik, der jeweiligen Lichtemitter 8, 10 ab. Das Stromsignal oder das Spannungssignal kann über einen Verstärker verstärkt werden. Jedes dieser Signale kann als ein der aufgenommenen Lichtleistung entsprechendes elektrisches Signal ausgegeben werden. Wird nun der Messkörper 4 entlang der Richtung T bewegt, so wird der Messkörper 4 entlang eines Pfades versetzt, welcher du rch den Pfad eines beliebig zu wählenden, aber dann festen, Punkts auf dem Messkörper 4 definiert wird. Eine Länge dieses Pfades kann zur Parametrisierung der Änderungsrate des der von dem ersten beziehungsweise zweiten Lichtaufnehmer 12, 14 aufgenommenen Lichtleistung, und somit der
Änderungsrate der elektrischen Signale der Lichtaufneh mer in Abhängigkeit von der Länge dieses Pfades, benutzt werden.
Über den Versatz des Messkörpers 4 wird sich die von dem ersten Lichtaufnehmer 12 aufgenommene Leistung linear, vorzugsweise absolut linear, mit dem Versatz ändern, solange der erste Strahlengang nicht über die Ränder 16up
beziehungsweise 16down hinausragt. Der dem Abstand der Ränder 16up und 16down entsprechende Abstand wird somit durch den ersten Lichtaufnehmer 12 in ein bei einer Photodiode zur Lichtleistung proportionales elektrisches Signal SigO umgewandelt, in diesem Fall also ein elektrisches Signal, welches proportional zum Versatz ist. Dies erlaubt eine einfache U mrechnung des elektrischen Signals in einen Versatz des Messkörpers 4.
Während eines Versatzes entsprechend dem Abstand zwischen den Rändern 16up und 16down überschreitet der zweite Strahlengang mehrere, vorzugsweise in der lichtleistungsmodulierenden Struktur 18 periodische, Teilstrukturen der zweiten lichtleistungsmodulierenden Struktur 18, beispielsweise die Teilstrukturen 18' und 18". Die Teilstrukturen der zweiten lichtleistungsmodulierenden Struktur 18 weisen vorzugsweise eine hohe Empfindlichkeit und eine hohe Auflösung auf. Solange sich der zweite Strahlengang innerhalb einer der Teilstrukturen 18' beziehungsweise
18" befindet, wird auch hier wiederum unter den gleichen Voraussetzungen wie bei der ersten lichtleistungsmodulierende Struktur 16 ein zu dem Versatz
proportionales elektrisches Signal Siglvon dem zweiten Lichtaufnehmer 12, welcher hier wiederum als eine Photodiode ausgebildet sein kann, abgegeben . In dem Übergangsbereich, während dessen der zweite Strahlengang beispielsweise von der Teilstruktur 18" heraus in Richtung der Teilstruktur 18' wandert, wird die von dem zweiten Lichtaufnehmer 12 aufgenommene Lichtleistung stetig abfallen, und beim Eintritt des zweiten Strahlengangs in die Teilstruktur 18' wieder anfangen zu steigen, nachdem die aufgenommene Lichtleistu ng im Wesentlichen auf 0 abgesunken ist.
Um aus der durch den Lichtaufnehmer 14 aufgenommenen Lichtleistung in diesem Übergangsbereich auf den Versatz zu schließen, kan n die aufgenommene
Lichtleistung als Funktion des Versatzes gemessen werden. Dieses Verfahren, die Messung der Lichtleistung als Funktion des Versatzes, ist für alle hier
beschriebenen lichtleistungsmodulierenden Strukturen anwendbar, um aus dem Ergebnis dieser Messung einem gemessenen Verlauf der Lichtleistung oder einem Lichtleistungswert einen Versatz zuzuordnen. Vergleicht man die Änderungsrate der durchlässigen Fläche in dem ersten und zweiten Strahlengang, so variiert die transmittierende Fläche des Messkörpers 4 in dem zweiten Strahlengang schneller als in dem ersten Strahlengang. Somit erlaubt die zweite lichtleistungsmodulierende Struktur 18 einen Übergang von maximaler zu minimaler von dem zweiten Lichtaufnehmer 12 aufgenommenen Lichtleistung innerhalb eines kürzeren Versatzabschnitts als dies bei dem ersten Strahlengang und der ersten lichtleistungsmodulierende Struktur 16 der Fall ist.
Wird der daraus resultierende Hub des elektrischen Signals benutzt, um durch einen A/D-Wandler optimal in einen digitalen Wert umgesetzt zu werden, beispielsweise in einen 10 Bit - Wert, so wird im Fall der ersten
lichtleistungsmodulierenden Struktur 16 eine längere Strecke auf dem 10 Bit Bereich abgebildet, als dies bei der zweiten lichtleistungsmodulierenden Struktur 18 der Fall ist. Somit kann die zweite lichtleistungsmodulierende Struktur eine feine Auflösung jeweils für kurze Abschnitte des Versatzes liefern, wobei die erste lichtleistungsmodulierende Struktur 16 die Zuordnung liefert, innerhalb welcher periodischen Struktur der zweiten lichtleistungsmodulierenden Struktur, beispielsweise 18' oder 18", gerade gemessen wird. Dies erlaubt eine hoch auflösende Vermessung des Versatzes über einen vergleichsweise langen Versatz, ohne dass ein teurer A/D-Wandler mit einer besonders hohen Auflösung verwendet werden muss, insbesondere kann ein sehr langer Versatz mit einer hohen Auflösung gemessen werden, wobei während des Messens teilweise redu ndante I nformationen der ersten lichtleistungsmodulierenden Struktur 16 und der zweiten lichtleistungsmodulierenden Struktur 18 vorliegen können, wodurch eine Fehlerbehebu ng bei einer Auswertung der Informationen, beispielsweise in einem MikroController, ermöglicht wird . Ebenso besteht die Möglichkeit aus der I nformationen der ersten lichtleistungsmodulierenden Struktur 16 und/oder der zweiten lichtleistungsmodulierenden Struktur 18 eine Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung des Messkörpers 4 zu bestimmen Zu beachten ist, dass der Doppelsensor 2 zwei Versatzsensoren umfasst: einen ersten Versatzsensor, mit dem ersten Lichtemitter 8 und dem ersten
Lichtaufnehmer 12, welche bezüglich des Referenzelements 6 ortsfest angeordnet sind, und der ersten lichtleistungsmodulierenden Struktur 16, welche in dem ersten Strahlengang zwischen dem ersten Lichtemitter 8 und dem ersten Lichtaufnehmer 12 angeord net ist, wobei die erste lichtleistungsmodulierende Struktur 16 ortsfest bezüglich des Messkörpers 4 angeordnet ist, wobei das von dem ersten
Lichtaufnehmer 12 ausgegebene erstes elektrisches Signal als ein erstes
Doppelsensorsignal verwendet werden kann; und einen zweiten Versatzsensor, mit dem zweiten Lichtemitter 10 und dem zweiten Lichtaufneh mer 14, welche bezüglich des Referenzelements 6 ortsfest angeordnet sind, und der zweiten lichtleistungsmodulierenden Struktur 18, welche in dem zweiten Strahlengang zwischen dem zweiten Lichtemitter 10 und dem zweiten Lichtaufnehmer 14 angeordnet ist, wobei die zweite lichtleistungsmodulierende Struktur 18 ortsfest bezüglich des Messkörpers 4 angeordnet ist, wobei das von dem zweiten
Lichtaufneh mer 14 ausgegebene zweite elektrische Signal als ein zweites Doppelsensorsignal verwendet werden kann. Jeder der Versatzsensoren kann über eine Änderung des ersten bzw. zweiten elektrischen Signals eine relative
Positionsänderung detektieren und über die absolute Höhe des Signals, zumindest innerhalb von Abschnitten einer Teilstruktur wie 18' oder 18", die absolute Position detektieren.
Ferner kann die erste 16 und/oder zweite 18 lichtleistungsmodulierende Struktur in dem ersten bzw. zweiten Strahlengang Abschnitte derart abdecken (wie in Fig. la gezeigt), dass ein optischer Pfad zwischen einem Zentrum des ersten 8 bzw.
zweiten 10 Lichtemitters und einem Zentrum des ersten 12 bzw. zweiten 14
Lichtaufnehmers unterbrochen, vorzugsweise über den vollständigen Versatz des Messkörpers 4 unterbrochen, ist.
Zu beachten ist, dass jeder dieser zwei Versatzsensoren ein Versatzsensor gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ist und unabhängig von weiteren Aspekten und Elementen des Doppelsensors 2 bzw. dessen Signalen als eigenständiges, eine erfinderische Idee widerspiegelndes Element zu betrachten ist. Ferner können, wenn notwendig, Elemente des Doppelsensors 2 herausgegriffen werden, um einen der Versatzsensoren zu beschreiben.
Stellt die Verwendung eines als Lichtquelle ausgebildeten Lichtemitters 8 oder 10 beziehungsweise eines als Detektor ausgebildeten Lichtaufnehmers 12 oder 14, beispielsweise eine Gefahr in einem explosionssensiblen Bereich dar, so kann die Lichtquelle beziehungsweise der Detektor dadurch ersetzt werden, dass an diesen Stellen optische, bevorzugt, faseroptische Elemente oder zur Emission
beziehungsweise zur Aufnahme von Licht geeignete Elemente angeordnet werden, und der unter Spannung stehende Detektor beziehungsweise die unter Spannung stehende und gegebenenfalls Wärme erzeugende Lichtquelle kann außerhalb des explosionssensiblen Bereichs angeordnet sein und über Lichtleiter, optische Pfade oder optische Fasern mit den entsprechenden faseroptischen Elementen oder zur Emission beziehungsweise zur Aufnahme von Licht geeignete Elementen verbunden sein. Die Lichtleiter oder optische Fasern können entsprechend auch durch Spiegel und konventionelle Optiken ersetzt werden. Eine derartige Trennung der Lichtquelle beziehungsweise des Detektor von den zur Emission
beziehungsweise zur Aufnahme von Licht geeignete Elementen kann ferner dazu dienen, die Lichtquelle beziehungsweise den Detektor und/oder eine zugehörige Elektronikkomponente vor schädlichen Einflüssen wie Temperatur, Radioaktivität, starken elektrischen Feldern, starken magnetischen Feldern/ starken
elektromagnetischen Feldern, aggressiven Chemikalien usw. am Ort der zur Emission beziehungsweise zur Aufnahme von Licht geeigneten Elemente zu schützen.
Die erste beziehungsweise zweite lichtleistungsmodulierende Struktur 16, 18 kann, wie in Fig. la dargestellt, als eine Apertur ausgebildet sein. Eine derartige Apertur kann beispielsweise dadurch entstehen, dass in ein Material des Messkörpers 4 die die Apertur bildenden Öffnungen eingebracht werden oder, dass außerhalb der Apertur auf einem zumindest abschnittsweise lichtdurchlässigen Messkörper 4 lichtundurchlässiges Material, beispielsweise eine Farbe, aufgetragen werden kann. Dies kann beispielsweise durch Aufdrucken einer lichtundurchlässigen Farbe auf einen lichtdurchlässigen Messkörpers 4 erfolgen. Ebenso kann eine
lichtleistungsmodulierende Struktur 16 in den Messkörper 4 geätzt werden. Als Beispiel wird hier auf die erste intensitätsmodulierende Struktur 16 eingegangen, wobei ein lichtundurchlässiger Bereich 16d in Form eines Dreiecks von zwei lichtdurchlässigen Bereichen 16h, jeweils in Form eines Dreieckes, umgeben ist. Bei einem Versatz des Messkörpers 4 wird der durch die Apertur hindurch gelassene Strahlquerschnitt des ersten Strahlengangs als eine Funktion des Versatzes des Messkörpers variiert, indem durch das lichtundurchlässige Dreieck 16d ein bei einem entgegengesetzt der Richtung T verlaufendem Versatz ein zunehmend größerer Abschnitt des Strahlquerschnitts des Strahlengangs abgedeckt wird. Ist das Dreieck 16d lichtundurchlässig, so kann er einen Bereich des Lichtemitters 8 abdecken, welcher eine erhöhte beziehungsweise stark erniedrigte
Strahlungsstärke aufweist, sodass die durch den ersten Lichtaufnehmer 12 aufgenommene Lichtintensität nicht durch diese räumliche Inhomogenität des ersten Lichtemitters 8 beeinträchtigt wird. Hierdurch werden starke Änderungen der ersten Rate als Funktion des Versatzes unterdrückt.
Dadurch, dass das breite Ende des Dreiecks 16d den durch die Außenränder der Dreiecke 16h gebildeten Streifen vollständig überdeckt, kann ein glatter Übergang der von dem ersten Lichtaufnehmer 12 aufgenommenen Lichtintensität auf den Wert 0 bei einem Überstreichen des ersten Strahlengangs der Grenze 16down realisiert werden.
Die erste lichtleistungsmodulierende Struktur 16 ist aufgrund der Anordnung der zwei Dreiecke 16h und des Dreiecks 16d bezüglich einer Spur auf dem Messkörper symmetrisch ausgebildet, welcher von einem Strahl, der ein Zentrum des ersten Lichtemitters 8 mit dem Zentrum des ersten Lichtaufnehmers 12 verbindet, ausgebildet. Diese Symmetrie liegt insbesondere in der Ebene vor, welche beispielsweise durch die Oberfläche, hier eine Ebene, des Messkörpers 4 definiert ist.
Obwohl hier auf die erste lichtleistungsmodulierende Struktur 16 eingegangen worden ist, kann die zweite lichtleistungsmodulierende Struktur 18 entsprechende oder dieselben Merkmale aufweisen.
Wie in Fig. la gezeigt, können weitere ähnliche lichtleistungsmodulierende Strukturen 16.2 und/oder 18.2 mit entsprechenden Lichtemittern 8.2 bzw. 10.2 und Lichtaufnehmern 12.2 bzw. 14.2 vorgesehen sein. Das Vorsehen der
lichtleistungsmodulierenden Strukturen 16.2 mit dem Lichtemitter 8.2 und dem Lichtaufnehmer 12.2 erlaubt auf Grundlage der Signalhöhen, welche den von den Lichtaufnehmern 12 und 12.2 aufgenommenen Lichtleistungen entsprechen, zu bestimmen, ob ein Versatz im Abschnitt I. oder II. des Messkörpers 4 bestimmt wird. Das Vorsehen der lichtleistungsmodulierenden Strukturen 18.2 mit dem Lichtemitter 10.2 und dem Lichtaufnehmer 14.2 erlaubt auf Grundlage der vorzeichenbehafteten Änderungsraten der Signale, welche den von den
Lichtaufnehmern 14 und 14.2 aufgenommenen Lichtleistungen entsprechen, zu bestimmen, ob ein Versatz im Abschnitt I. oder II. des Messkörpers 4 bestimmt wird. Im Folgenden wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Figuren 2a und 2b zeigen einen Doppelsensor 102 mit einem Messkörper 104, welcher vorzugsweise zur gemeinsamen Drehung mit einer rotierenden Welle ausgebildet ist, einem Referenzelement 106, welches vorzugsweise dazu ausgebildet ist, nicht mit der rotierenden Welle mitzudrehen, einem ersten Lichtemitter 108, einem zweiten Lichtemitter 110, einem dritten (weiteren) Lichtemitter 120, einem ersten Lichtaufnehmer 112, einem zweiten
Lichtaufnehmer 114, einem dritten (weiteren) Lichtaufnehmer 122 sowie einer ersten intensitätsmodulierenden Struktur 116 und einer zweiten
intensitätsmodulierenden Struktur 118.
Der erste Lichtemitter 108 und der erste Lichtaufnehmer 112 definieren über den direkten optischer Strahlengang dazwischen einen ersten Strahlengang, und analog definieren der zweite Lichtemitter 110 und der zweite Lichtaufnehmer 114 einen zweiten Strahlengang und der dritte (weitere) Lichtemitter 120 und der dritte (weitere) Lichtaufnehmer 122 einen dritten Strahlengang. Die Lichtaufnehmer können als Photodioden ausgebildet sein.
Das Funktionsprinzip des Doppelsensors 102 entspricht demjenigen des
Doppelsensor 2, wobei jedoch die Elemente entlang eines Pfads in Form eines Kreises oder eines Kreissegments angeordnet sind. Ebenso weist der Doppelsensor 102 zwei Versatzsensoren (104,106, 108, 112, 116 bzw. 104,106, 110, 114, 118) auf: einen ersten Versatzsensor, mit dem ersten Lichtemitter 108 und dem ersten Lichtaufnehmer 112, welche bezüglich des Referenzelements 106 ortsfest angeordnet sind, und der ersten lichtleistungsmodulierenden Struktur 116 welche in dem ersten Strahlengang zwischen dem ersten Lichtemitter 108 und dem ersten Lichtaufnehmer 112 angeordnet ist, wobei die erste Iichtieistungsmodulierende Struktur 116 ortsfest bezüglich des Messkörpers 104 angeordnet ist, wobei das von dem ersten Lichtaufnehmer 112 ausgegebene erste elektrische Signal als ein erstes Doppelsensorsignal verwendet werden kann; und einen zweiten Versatzsensor, mit dem zweiten Lichtemitter 110 und dem zweiten Lichtaufnehmer 114, welche bezüglich des Referenzelements 106 ortsfest angeordnet sind, und der zweiten lichtleistungsmodulierenden Struktur 118, welche in dem zweiten Strahlengang zwischen dem zweiten Lichtemitter 110 und dem zweiten Lichtaufnehmer 114 angeordnet ist, wobei die zweite Iichtieistungsmodulierende Struktur 118 ortsfest bezüglich des Messkörpers 104 angeordnet ist, wobei das von dem zweiten Lichtaufnehmer 114 ausgegebene zweite elektrische Signal als ein zweites
Doppelsensorsignal verwendet werden kann.
Ferner kann die erste 116 und/oder zweite 118 Iichtieistungsmodulierende Struktur in dem ersten bzw. zweiten Strahlengang Abschnitte derart abdecken (wie in Fig. 2b gezeigt), dass ein optischer Pfad zwischen einem Zentrum des ersten 108 bzw. zweiten 110 Lichtemitters und einem Zentrum des ersten 112 bzw. zweiten 114 Lichtaufnehmers unterbrochen, vorzugsweise über den vollständigen Versatz des Messkörpers 104 unterbrochen, ist.
Zu beachten ist, dass jeder dieser zwei Versatzsensoren ein Versatzsensor gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ist und unabhängig von weiteren Aspekten und Elementen des Doppelsensors 102 bzw. dessen Signalen als eigenständiges, eine erfinderische Idee widerspiegelndes Element zu betrachten ist. Ferner können, wenn notwendig, Elemente des Doppelsensors 102 herausgegriffen werden, um einen der Versatzsensoren zu beschreiben.
Eine der Besonderheiten dieser Ausführungsform ist darin zu finden, dass ein dritter Lichtemitter 120 und ein dritter Lichtaufnehmer 122 mit einem dazwischen liegenden dritten Strahlengang derart angeordnet sind, dass die erste
lichtleistungsmodulierende Struktur 116 bei einer Drehung des Messkörpers 104 um 360° sowohl von dem ersten als auch von dem dritten Strahlengang überstrichen wird. Während der erste Lichtemitter 108 und der erste
Lichtaufnehmer 112 in Wechselwirkung mit der ersten lichtleistungsmodulierenden Struktur 116 ein elektrisches Signal zur Verfügung stellen, welches eine
Positionsbestimmung des Messkörpers 104 über die ersten 180° der Drehung (bei einer Drehung nach rechts in der hier dargestellten Positionierung der Elemente) erlaubt, so erlaubt der dritte Lichtaufnehmer 122 und der dritte Lichtemitter 120 die Bereitstellung derselben Information für den Bereich zwischen 180° und 360° (bzw. zwischen -180° und 0°).
Dieses Verhalten ist in Fig. 2c verdeutlicht, in welcher in den Teildiagrammen a) und b) die gestrichelte Linie jeweils den Signalen der Photodioden (Lichtaufnehmer) 112 bzw. 122 entspricht. Der Versatz von vi zu v2 und v2 zu v3 entspricht jeweils einem Rotationsversatz von 180°. In einem ersten Bereich vi bis v2 zeigt das elektrische Signal der Photodiode 122 (ein weiteres elektrisches Signal) keine Abweichung von einer Basislinie (Basislinie: beispielsweise 0V oder 0A je nach Art des Elektrischen Signals), während das elektrische Signal der Photodiode 112 (ein erstes elektrisches Signal) eine Abweichung von einer Basislinie (Basislinie: beispielsweise 0V oder 0A je nach Art des elektrischen Signals) aufzeigt.
Wird ferner eine Lichtschrankenstruktur 126 wie in dem Messkörper 104 aus Fig. 4b verwendet, so kann ein elektrisches Zusatzsignal (Signal der Lichtschrankenstruktur 126) ausgegeben werden, welches im Bereich zwischen vi und v2 auf einen ersten Strom- oder Spannungswert gesetzt ist und im Bereich zwischen v2 und v3 auf einen zweiten Strom- oder Spannungswert gesetzt ist, welcher von dem ersten Strom- oder Spannungswert unterschiedlich ist. Unter Zuhilfenahme des Signals der Lichtschranke 126 kann beispielsweise ein Mikrocontroller und/oder eine analoge Schaltung ein kombiniertes Signal erzeugen. Durch das kombinierte Signal kann mittels eines Mikrocontrollers die absolute Winkelposition des esskörpers ohne einen Totbereich unter Zuhilfenahme einer lichtleistungsmodulierenden Struktur, welche sich nicht über den gesamten Drehwinkelbereich von 360° erstreckt (hier über 180° erstreckt), und mindestens zwei zugeordneten Paaren aus Lichtemitter und Lichtaufnehmer über den gesamten Drehwinkelbereich von 360°, d.h. ohne einen Todbereich, bestimmt werden.
Die erste lichtleistungsmodulierende Struktur 116 ist somit vorteilhafterweise nur auf einen Bereich von 180" ausgebildet, wodurch, beispielsweise bei einer
Ausbildung als Apertur mit Öffnungen, die Stabilität des Messkörpers 104 nicht reduziert wird. Die erste lichtleistungsmodulierende Struktur 116 ist analog zur ersten lichtleistungsmodulierenden Struktur 16 aus zwei lichtdurchlässigen Dreiecken 116h und einem lichtundurchlässigen Dreieck 116d aufgebaut, jedoch sind diese Dreiecke entsprechend einer Kreisbahn gekrümmt, eine Einheit aus zwei lichtdurchlässigen Dreiecken 116h und einem lichtundurchlässigen Dreieck 116d, welche vorzugsweise von einem lichtundurchlässigen Bereich umgeben ist, wird im Rahmen dieser Anmeldung als eine Struktureinheit bezeichnet. Im Rahmen dieser Anmeldung können auch geometrische Strukturen mit drei Ecken, welche durch gekrümmte Linien verbunden sind, als Dreiecke bezeichnet werden. Es kann daran gedacht werden, dass in den lichtleistungsmodulierenden Strukturen 16 bzw. 116 die Ecken der Dreiecke 16d, 16h, 116d, 116h, oder allgemein Ecken von dreieckigen Abschnitten und/oder weiteren Abschnitten in lichtleistungsmodulierenden Strukturen, abgerundet sein können.
Die zweite lichtleistungsmodulierende Struktur 118 weist vorzugsweise
lichtdurchlässige Bereiche 118hr und 118hl auf, welche einen schmalen Steg 118s, der lichtundurchlässig ist, begrenzen, und zwischen welchen lichtundurchlässige Bereiche 118d liegen.
Überstreicht der zweite Strahlengang einen periodischen Abschnitt der zweiten lichtleistungsmodulierenden Struktur 118, welche zwischen den Grenzen 118up und 118down liegt, so wandelt der beispielsweise als eine Photodiode ausgebildete zweite Lichtaufnehmer 114 die Lichtintensität in das in Fig. 3a dargestellte elektrische Signal Sigl um, welches hier beispielsweise als eine Spannung dargestellt ist. Überstreicht der erste Strahlengang in diesem Bereich einen Abschnitt der ersten lichtleistungsmodulierenden Struktur 116, so wandelt der beispielsweise als eine Photodiode ausgebildete dritte Lichtaufnehmer 122 die Lichtintensität in das in Fig. 3a schematisch dargestellte elektrische Signal SigO um, welches hier als eine Spannung dargestellt ist. SigO verdeutlicht die Abschnittsweise unterschiedlichen Signaländerungsraten sowie die Grobzuordnung auf Basis von SigO, welcher der periodischen Abschnitte der Struktur 118 sich gerade in dem zweiten Strahlengang befindet, so befindet sich z.B. der periodischen Abschnitt 118' in dem zweiten Strahlengang, wenn SigO zwischen 0V und Ul liegt, der periodischen Abschnitt 118" in einem entsprechendem Intervall oberhalb von Ul usw. Dies erlaubt eine Messung einer Drehgeschwindigkeit und einer sehr feinen rotatorischen Bewegung.
Überstreicht der zweite Strahlengang den Steg 118s, so wird ein Maximum 124 des Spannungssignals Sigl und der Lichtintensität erreicht, welches zur Selbstdiagnose des Detektors (beispielsweise einer Intensitätseichung oder der Bestimmung der Lage des Steges 118s) verwendet werden kann.
Selbstverständlich kann das Muster der ersten beziehungsweise zweiten lichtleistungsmodulierenden Struktur 116 beziehungsweise 118 abgeändert werden (vergleiche Figuren 4a bis c, wobei lichtundurchlässige Bereiche schraffiert dargestellt sind), wobei eine oder mehrere Lichtschrankenstrukturen 126 (die Lichtschrankenstruktur 126' kann unabhängig von dem Messkörper 104 aus Fig. 4d in anderen Messkörpern verwendet werden) in einem Sektor des Messkörpers 104 vorgesehen sein können. Die Lichtschrankenstruktur 126' kann ein binäres Signal bei einer bestimmten Winkellage des Messkörpers 104 relativ zum
Referenzelement 106, beispielsweise beim Vorliegen einer der Stege 118s in dem zweiten Strahlengang, bereitstellen.
Ferner ist es möglich, die erste lichtleistungsmodulierende Struktur 116
dahingehend abzuändern, dass die erste lichtleistungsmodulierende Struktur 116 nicht wie in der in Fig. 2b gezeigten Ausführungsform eine Struktureinheit sondern eine Meh rzahl von Struktureinheiten, welche vorzugsweise entlang einer Kreisbahn angeordnet sind, umfasst. Die Dreiecke 116d, 116h können zusammen oder in einer Kombination von mindestens zwei einzelnen Dreiecken oder einzeln eine Dreiecksstruktur der ersten lichtleistungsmodulierenden Struktur 116 definieren.
Der in Fig. 4d gezeigte Messkörper weist nur eine lichtleistungsmodulierende Struktur 118 auf, sodass bei seiner Verwendung in einem modifizierten
Versatzsensor auf Basis des Versatzsensors 102 keine Lichtemitter 108, 120 Lichtaufnehmer 112, 122 verwendet werden, sodass ein modifizierter
Versatzsensor zur Messung eines Rotationsversatzes gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung vorliegt. Die Lichtschrankenstruktur 126' erlaubt durch das binäres Signal bei einer bestimmten Winkellage des Messkörpers 104 ein Referenzsignal für die Bestimmung der absoluten Winkellage des Messkörpers 104 bereitzustellen. Es ist möglich, die zweite lichtleistungsmodulierende Struktur 118 entsprechend der zweiten lichtleistungsmodulierenden Struktur 18 auszubilden, wobei deren Elemente an eine Kreisbahn angepasst werden können. Umgekehrt ist es möglich, die zweite lichtleistungsmodulierende Struktur 18 entsprechend der zweiten lichtleistungsmodulierenden Struktur 118 auszubilden. Fig. 3b zeigt einen periodischen Abschnitt entsprechend der lichtleistungsmodulierenden Struktur 118 für die bevorzugte Verwendung
(insbesondere ortsfeste Anordnung) bei einem Messkörper, welcher dazu bevorzugt eingerichtet ist, einen Linearversatz zu messen. Ein solcher Abschnitt kann jedoch auch eine gesamte lichtleistungsmodulierende Struktur darstellen. Entsprechende Strukturen und Elemente der periodischen Abschnitte aus Fig. 2b, 3b und 3c weisen gleiche Bezugszeichen auf.
Fig. 3c zeigt einen periodischen Abschnitt entsprechend der
lichtleistungsmodulierenden Struktur 118 für die bevorzugte Verwendung
(insbesondere ortsfeste Anordnung) bei einem Messkörper welcher dazu bevorzugt eingerichtet ist, einen Rotationsversatz zu messen. Die trapezförmigen Strukturen 118hl, 118hr in Fig. 3c sind durch Kreisbögen mit identischem Kreismittelpunkt und Geradenabschnitte begrenzt.
Der periodische Abschnitt und die trapezförmigen Strukturen 118hl, 118h in der Figur 3c sind vorzugsweise von einer lichtundurchlässigen und/oder
nichtreflektierenden Umfassung 118u', angedeutet durch die gestrichelten Linien, begrenzt, wobei der Außenrand der Umfassung 118u' schematisch zu verstehen sein kann, da die Umfassung 118u' nach außen in den Messkörper, welcher vorzugsweise außerhalb der Umfassung 118u' ebenso lichtundurchlässig und/oder nichtreflektierend ausgebildet ist, übergehen kann. Die Umfassung 118u' kann nach innen und/oder außen ein Kreisringsegment begrenzen.
Insbesondere kann die Anzahl der periodischen Abschnitte, wie sie in Fig. 3b und 3c dargestellt sind, entlang des gesamten Versatzes beliebig gewählt werden, ferner kann bei einem Doppelsensor das Verhältnis von Anzahlen der periodischen Abschnitte in der ersten und zweiten lichtleistungsmodulierenden Struktur beliebig gewählt werden, vorzugsweise ist dieses Verhältnis größer als 2, besonders bevorzugt größer als 10, höchst bevorzugt größer als 20. Der periodische Abschnitt ist bezüglich des Messkörpers ortsfest angeordnet und Teil der oder die gesamte lichtleistungsmodulierende Struktur. Der periodische Abschnitt, jeweils in den Figuren 3b und 3c, umfasst einen ersten Abdeckabschnitt 118a mit einem ersten verjüngten Endabschnitt 118av und einem dem ersten verjüngten Endabschnitt 118av gegenüberliegenden ersten Stumpf- Endabschnitt 118as und einen zweiten Abdeckabschnitt 118b mit einem zweiten verjüngten Endabschnitt 118bv und einem dem zweiten verjüngten Endabschnitt 118bv gegenüberliegenden zweiten Stumpf-Endabschnitt 118bs sowie einen Stegabschnitt 118s, welcher den ersten 118av und zweiten 118bv verjüngten Endabschnitt miteinander verbindet. Der erste verjüngte Endabschnitte 118av ist vorzugsweise breiter als der erste Stumpf-Endabschnitt 118as und der zweite verjüngte Endabschnitte 118bv ist vorzugsweise breiter als der zweite Stumpf- Endabschnitt 118bs. Der erste Abdeckabschnitt 118a, der zweite Abdeckabschnitt 118b und der Stegabschnitt 118s sind vorzugsweise von zwei trapezförmigen Strukturen 118hl, 118hr begrenzt.
Der periodische Abschnitt und die trapezförmigen Strukturen 118hl, 118hr in der Figur 3b sind vorzugsweise von einer lichtundurchlässigen und/oder
nichtreflektierenden Umfassung 118u begrenzt, wobei der hier eingezeichnete Außenrand der Umfassung 118u schematisch zu verstehen sein kann, da die Umfassung 118u nach außen in den Messkörper, welcher vorzugsweise außerhalb der Umfassung 118u ebenso lichtundurchlässig und/oder nichtreflektierend ausgebildet ist, übergehen kann. Die Umfassung 118u kann nach innen und/oder außen einen rechteckigen Bereich begrenzen. Insbesondere kann die Umfassung 118u bzw. 118u' zwei beispielsweise als Öffnungen ausgebildete trapezförmigen Strukturen 118hl, 118hr begrenzen, wobei die trapezförmigen Strukturen 118hl, 118hr wiederum den ersten Abdeckabschnitt 118a, den zweiten Abdeckabschnitt 118b und den Stegabschnitt 118s begrenzen können, wobei diese Begrenzung sich nicht auf die Stumpf-Endabschnitte 118as 118bs erstrecken kann, beispielsweise wenn diese von der Umfassung 118u bzw. 118u' begrenzt sind.
Der erste Abdeckabschnitt 118a, der zweite Abdeckabschnitt 118b und der Stegabschnitt 118s weisen bevorzugt gleiche Lichttransmissionseigenschaften und/oder gleiche Lichtreflexionseigenschaften auf. Insbesondere sind diese Lichtundurchlässig und/oder reflektieren kein Licht. Die Länge des Stegabschnitts 118s entspricht vorzugsweise der Ausdehnung eines durch den Strahlengang auf dem Messkörper hervorgerufenen Lichtflecks in der Richtung der
Längenausdehnung des Stegabschnitts 118s.
In dem periodischen Abschnitt können der erste Abdeckabschnitt 118a, der zweite Abdeckabschnitt 118b und der Stegabschnitt 118s von zwei trapezförmigen Strukturen 118hl, 118hr begrenzt werden.
Der periodischen Abschnitt kann, wie in dem vorliegendem Ausführungsbeispiel, Teil einer in Transmission verwendeten lichtleistungsmodulierenden Struktur sein, wobei dann der erste Abdeckabschnitt 118a, der zweite Abdeckabschnitt 118b und der Stegabschnitt 118s vorzugsweise lichtundurchlässig sind und die zwei trapezförmigen Strukturen 118hl, 118hr von null verschiedene
Lichttransmissionskoeffizienten aufweisen.
Der periodischen Abschnitt kann, jedoch auch Teil einer in Reflexion verwendeten lichtleistungsmodulierenden Struktur sein, wobei dann der erste Abdeckabschnitt 118a, der zweite Abdeckabschnitt 118b und der Stegabschnitt 118s Licht nicht reflektieren und die zwei trapezförmigen Strukturen 118hl, 118hr von null verschiedene Lichtreflexionskoeffizienten aufweisen. In diesem Fall blockiert der erste Abdeckabschnitt 118a, der zweite keilförmige Abschnitt 118b und der Stegabschnitt 118s, je nach Versatz, den optischen Pfad, welcher eine Reflexion an dem Messkörper umfassen würde, zwischen einem Zentrum eines Lichtemitters und einem Zentrum des entsprechenden Lichtaufnehmers. Besonders bevorzugt ist der erste Abdeckabschnitt 118a, der zweite Abdeckabschnitt 118b und der Stegabschnitt 118s mit einer lichtabsorbierenden Struktur versehen, beispielsweise einer durch ein Sandstrahlen hervorgerufenen Struktur gefolgt von einem
Auftragen einer matten Farbe.
In den Figuren 3b und 3c liegt der erste verjüngte Endabschnitt 118av dem zweiten verjüngten Endabschnitt 118bv gegenüber. Ferner weist in Fig. 3b eine Richtung von dem ersten Stumpf-Endabschnitt 118as zu dem ersten verjüngten Endabschnitt 118av in Richtung des zweiten verjüngten Endabschnitts 118bv. Ebenso weist in Fig. 3b eine Richtung von dem zweiten Stumpf-Endabschnitt 118bs zu dem zweiten verjüngten Endabschnitt 118bv in Richtung des ersten verjüngten Endabschnitts 118av. Zwar weisen diese für Fig. 3c beschriebenen Richtungen in Fig. 3c nicht genau auf den jeweiligen verjüngten Endabschnitt, jedoch weisen sie entlang eines Rotationsversatzes auf den jeweiligen verjüngten Endabschnitt.
Wird ein Messkörper bereitgestellt, welcher dazu eingerichtet ist, einen
bestimmten Versatz, z.B. einen Linearversatz oder Rotationsversatz zu messen, so kann im Rahmen dieser Anmeldung ein Weisen einer Richtung von einem ersten Stumpf-Endabschnitt zu einem ersten verjüngten Endabschnitt in Richtung des zweiten verjüngten Endabschnitts dahingehend verstanden werden, dass das Weisen entlang des dem bestimmten Versatz entsprechenden Pfads erfolgt, z.B. in Fig. 3c entlang einer Kreislinie; entsprechendes gilt für ein Weisen einer Richtung von einem zweiten Stumpf-Endabschnitt zu einem zweiten verjüngten Endabschnitt in Richtung des ersten verjüngten Endabschnitts.
Bei den periodischen Abschnitten, wie sie in Fig. 3b und 3c dargestellt sind, handelt es sich um sogenannte bidirektionale Strukturen, wobei eine bidirektionale Struktur sich dadurch auszeichnet, dass sie bei einem Überstreichen der bidirektionalen Struktur entlang eines vorgesehenen Versatzes sowohl in der Versatzrichtung als auch in der der Versatzrichtung entgegengesetzten Richtung gleich aussieht.
Insbesondere ist die bidirektionale Struktur in Fig. 3b für einen Linearversatz vorgesehen und weist vorzugsweise dementsprechend eine Spiegelsymmetrie zu einer Ebene orthogonal zur Versatzrichtung auf. Ferner kann die bidirektionale Struktur in Fig. 3c für einen Rotationsversatz vorgesehen sein und da eine
Kreisbahn selbst spiegelsymmetrisch ist, ist die bidirektionale Struktur in Fig. 3c selbst spiegelsymmetrisch. Die bidirektionalen Strukturen können lokal eine Spiegelsymmetrie bezüglich der vorgesehenen Versatzrichtung aufweisen, d.h. dass Punkte einer bidirektionalen Struktur, welche zu einer Geraden gehören, die orthogonal zur vorgesehenen Versatzrichtung verläuft, weisen eine
Punktsymmetrie in Bezug auf einen Schnittpunkt dieser Geraden mit einer die vorgesehene Versatzrichtung parametrisierenden Kurve (z.B. Gerade, welche mittig durch den Stegabschnitt 118s in Fig. 3b entlang des Stegabschnitts 118s in Fig. 3b verläuft, oder Kreis, welcher mittig durch den Stegabschnitts 118s in Fig. 3c verläuft) auf. Auch bei Vorliegen von Abweichungen von einer lokalen
Spiegelsymmetrie im Bereich der Ecken einer bidirektionalen Struktur kann im Rahmen dieser Anmeldung von einer im Wesentlichen lokal symmetrischen bidirektionalen Struktur gesprochen werden. Alternativ zu der oben beschriebenen Ausführungsform können die trapezförmigen Strukturen lichtundurchlässig sein und der erste Abdeckabschnitt, der zweite Abdeckabschnitt und der Stegabschnitt (bzw. allgemeiner der Kompensations- oder Verbindungsabschnitt) können lichtdurchlässig sein (nicht gezeigt). Alternativ zur Ausführungsform des Doppelsensors 102 kann der Messkörper eines Sensors ortsfest zu dem Referenzelement, beispielsweise einem Gehäuse, ausgebildet sein, insbesondere dazu ausgebildet sein, nicht mit der rotierenden Welle mitzudrehen. In diesem Fall ist ein weiteres Referenzelement des Sensors, welches einen ersten Lichtemitter, einen zweiten Lichtemitter, einen dritten (weiteren) Lichtemitter, einen ersten Lichtaufnehmer, einen zweiten Lichtaufnehmer, einen dritten (weiteren) Lichtaufnehmer trägt, dazu ausgebildet, mit der rotierenden Welle mitzudrehen. Ebenso wird in diesem Fall ein elektrischer Schleifkontakt zwischen dem weiteres Referenzelement und dem Referenzelement vorgesehen, um die Lichtemitter und Lichtaufnehmer elektrisch mit einer
Auswerteeinheit und/oder Versorgungseinheit zu verbinden.
Fig. 5 zeigt als eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Drucksensor 228, welcher einen Versatzsensor 202 nach dem zweiten Aspekt der Erfindung oder einen Doppelsensor 202 nach dem dritten Aspekt der Erfindung aufweisen kann.
Der Drucksensor 228 weist ein Druckerfassungselement, hier eine Membran 230, auf. Ebenso kann ein Balg, ein Druckkissen, eine Druckdose oder eine Tellerfeder als ein Druckerfassungselement Verwendung finden. Die Membran 230 wird als Antwort auf einen Druck P im Wesentlichen in oder entgegengesetzt (je nach
Druckänderung) einer Richtung des Pfeiles K ausgelenkt. Diese Auslenkung kann über eine direkte Kopplung mittels eines Stabs 232 (eines Gestänges) an den Versatzsensor 202 gekoppelt werden. In diesem Fall ist der Versatzsensor/
Doppelsensor 202 vorzugsweise ein Sensor, bei welchem der Versatz ein
Linearversatz und der Pfad ein Linearabschnitt ist.
Vorzugsweise ist das Referenzelement 206 des Versatzsensors 202 gegenüber einem Drucksensorkörper 234 des Drucksensors 228 festgelegt. Der
Drucksensorkörper 234 schließt mit der Membran 230 ein Inneres des
Drucksensors 228 ein, in welchem sich vorzugsweise der Versatzsensor/
Doppelsensor 202 befindet. Hierdurch wird verhindert, dass Material oder Fluide in das Innere des Drucksensors 228 hinein gelangen oder aus ihm hinaus gelangen können. Ein derartig dichter Abschluss des Inneren des Sensors gegenüber dem Außenraum ist besonders wichtig, wenn der Sensor bei der Herstellung von Medikamenten oder Lebensmitteln verwendet wird, oder in einem Bereich eingesetzt wird, in welchem eine Explosionsgefahr vorherrscht, da hierdurch eine Kontaminierung des Drucksensors 228 bzw. dessen Umgebung oder die
Übertragung eines Zündfunkens verhindert werden kann.
Wird die Membran 230 durch einen hohen Druck P in Richtung des Pfeils K besonders stark ausgedehnt, so besteht die Gefahr, dass die Membran 230 reißt und eine Kontaminierung des Innenraums des Sensors 228 beziehungsweise dessen Außenraums auftritt oder ein Zündfunke übertagen werden kann. Dieser Gefahr kann durch das Vorsehen eines Anschlags 236 entgegengewirkt werden, an welchen die Membran 230 bei zu starkem Druck in Richtung des Pfeils K anstößt, wodurch eine zu starke Verformung der Membran 230 verhindert wird.
Es ist ferner möglich, einen entsprechenden Anschlag für die Auslegung der Membran 230 entgegen der Richtung K vorzusehen, indem beispielsweise eine Lochplatte oder ein stabiles Netz an dem Drucksensorkörper 234 befestigt wird, welches die Membran 230 gegenüber dem Außenraum abgrenzt, jedoch zulässt, dass die Membran 230 gegen eine Kraft, welche vorzugsweise durch eine Feder beziehungsweise einen Druck im Innenraum des Drucksensors bereitgestellt wird, bei Druckänderungen ausgelenkt wird. Die Lochplatte oder das stabiles Netz dienen ebenso als Anschlag für die Membran 230.
Es ist möglich, dass ein Versatzsensor/ Doppelsensor in einem Drucksensor mit einem Gestänge an zwei Membranen gekoppelt ist, insbesondere zwischen zwei Membranen angeordnet ist. In diesem Fall entspricht der Versatz des Messkörpers des Versatzsensors/ Doppelsensors der Druckdifferenz zwischen den Membranen.
In Fig. 6 wird eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in der Form eines Drehmomentsensors 338 gezeigt.
Der Drehmomentsensor 338 umfasst einen ersten Wellenabschnitt 340 und einen zweiten Wellenabschnitt 342, welche durch einen Torsionsstrukturabschnitt 344 verbunden sind. Wird nun beispielsweise der erste Wellenabschnitt 340
festgehalten und ein Drehmoment an dem zweiten Wellenabschnitt 342 angelegt, so erlaubt der Torsionsstrukturabschnitt 344, beispielsweise ein nicht
verwendungssteifer Wellenabschnitt oder eine Torsionsfeder, eine Verdrehung des zweiten Wellenabschnitts 342 gegenüber dem ersten Wellenabschnitt 340, wobei der Verdrehwinkel Θ des ersten Wellenabschnitts gegenüber dem zweiten
Wellenabschnitt eine Funktion des angelegten Drehmoments ist. Dieser funktionelle Zusammenhang zwischen dem vorliegenden Drehmoment und der daraus resultierenden Torsion (Verdrehung des ersten Wellenabschnitts 340 gegenüber dem zweiten Wellenabschnitt 342 um einen Verdrehwinkel Θ) wird als eine Torsionsfunktion beschrieben, welche vermessen werden kann und somit als eine vorbestimmte Torsionsfunktion vorliegt. Die Torsionsfunktion kann eine nicht konstante und lineare Funktion sein.
In dem hier vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst der Drehmomentsensor 338 einen ersten Innensensor 302a und einen zweiten Innensensor 302b, bei welchen es sich um Doppelsensoren gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung handeln kann.
Es ist auch ferner alternativ möglich, dass das Referenzelement 306a des ersten Innensensors 302a zur Drehung mit dem ersten Wellenabschnitt 340 gekoppelt ist und/oder dass das Referenzelement 306b des zweiten Innensensors 302b mit dem zweiten Wellenabschnitt 342 zur Rotation gekoppelt ist. In diesem Fall können die entsprechenden Messkörper mit einem Gehäuse des Drehmomentsensors 338 ortsfest verbunden sein, es ist jedoch möglich, dass nur einer dieser Messkörper mit diesem Gehäuse ortsfest verbunden ist. In diesem Fall wird vorzugsweise eine elektrische Verbindung von Lichtemittern und Lichtaufnehmern über
Schleifkontakte und/oder induktive Kontakte mit dem Gehäuse hergestellt.
Bevorzugt wird jedoch, wie in Figur 6 dargestellt, dass es sich bei den Innensensoren um Doppelsensoren gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung handelt, beispielsweise um Doppelsensoren der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und dass das Referenzelement 306a des ersten
Innensensors 302a und das Referenzelement 306b des zweiten Innensensors 302b mit einem Gehäuse 346 des Drehmomentsensors 338 gekoppelt sind. Vorzugsweise ist der Messkörper 304a des ersten Innensensors 302a drehfest mit dem ersten Wellenabschnitt 340 verbunden. Ebenso kann der esskörper 304b des zweiten Versatzsensors 302b drehfest mit dem zweiten Wellenabschnitt 342 verbunden sein. Wird auf Elemente und/oder Funktionen der Innensensoren Bezug genommen, so sind insbesondere Elemente und/oder Funktionen der oben beschreiben Doppelsensoren gemeint.
Insbesondere kann ein erstens Innensensorsignal Siglnl des ersten Innensensors 302a ein erstes und/oder zweites Doppelsensorsignal umfassen und ein zweites Innensensorsignal Sigln2 des zweiten Innensensors 302b ein erstes und/oder zweites Doppelsensorsignal umfassen.
Im Folgenden wird der Fall betrachtet, bei welchem aufgrund der Torsion des Torsionsstrukturabschnitts 344 der Versatzwinkel des ersten Wellenabschnitts 340 gegenüber dem zweiten Wellenabschnitt 342 so gering ist, dass er einen periodischen Bereich der zweiten lichtleistungsmodulierenden Struktur entsprechend Fig. 2 (den Winkelbereich zwischen den Kanten 118up, 118down) nicht verlässt.
Wird dann das erste Innensensorsignal Siglnl des ersten Innensensors 302a mit dem zweiten Innensensorsignal Sigln2 des zweiten Innensensors 302b verglichen, welche beispielsweise durch eine lichtleistungsmodulierende Struktur 118 erzeugt werden, so erkennt man in Fig. 7 die jeweils in Fig. 3a gezeigten Spannungsverläufe (allgemeine Verläufe eines elektrischen Signals) als Funktion des Rotationswinkels des ersten Wellenabschnitts 340 oder des zweiten Wellenabschnitts 342, wobei diese Parameter als auch eine Darstellung eines Zeitparameters angesehen werden können.
Wie zu erkennen ist, besteht die Möglichkeit, dass die beiden Signale Siglnl und Sigln2 nicht in Phase sind. Dieser Phasenunterschied δ kann zwei Komponenten aufweisen: Sind die lichtleistungsmodulierenden Strukturen der Innensensoren versetzt zueinander ausgerichtet, so liegt ein konstanter Phasen-Offset 60 als eine erste Komponente (eine vorbestimmte Phasenbeziehung zwischen der jeweiligen Phase des ersten und zweiten Innensensorsignals bei einem verschwindenden Drehmoment) vor. Der konstante Phasen-Offset 60 kann bestimmt werden, wenn zwischen den Wellenabschnitten 340, 342 kein Drehmoment anliegt.
Ferner kann als die zweite Komponente des Phasenunterschieds δ ein
Phasenversatz δΐ aufgrund der Torsion des ersten Wellenabschnitts 340 gegenüber dem zweiten Wellenabschnitt 342 aufgrund eines Drehmoments zwischen dem ersten Wellenabschnitt 340 und dem zweiten Wellenabschnitt 342 vorliegen.
Ist der Phasen-Offset δθ bestimmt, so kann er von dem gemessenen
Phasenunterschied δ abgezogen werden um den Phasenversatz 6t der Signale Siglnl und Sigln2 zu bestimmen.
Der Phasenversatz δΐ kann aufgrund der Kenntnis des Verlaufs des
Innensensorsignals als Funktion des Drehwinkels dem Verdrehwinkel Θ zugeordnet werden. Diese Kenntnis liegt insbesondere vor, wenn als Innensensoren
Versatzsensoren oder Doppelsensoren des zweiten oder dritten Aspekts der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
In einer besonders einfachen Ausführungsform, wenn der Verdrehwinkel Θ klein ist, insbesondere bei der Verwendung einer lichtleistungsmodulierenden Struktur 118, keiner als die Hälfte des Winkelbereichs, welcher dem Bereich zwischen den Kanten 118up, 118down entspricht, und der Phasen-Offset 50 so gewählt ist, dass die Differenz der Innensensorsignale Siglnl, Sigln2 (siehe Signaldifferenz in Fig. 7) eindeutig einem Phasenunterschied δ zugeordnet werden kann, kann der
Phasenunterschied δ durch die Differenz der Innensensorsignale Siglnl, Sigln2 (siehe Signaldifferenz in Fig. 7) eindeutig bestimmt werden. Die Wahl des zulässigen maximalen Verdrehwinkels Θ, des Phasen-Offsets 50 (durch eine kontrollierte Anordnung der Innensensoren) und der Verlauf der Differenz der
Innensensorsignale kann durch Messungen experimentell bestimmt werden, sodass der Phasenunterschied δ durch die Differenz der Innensensorsignale Siglnl, Sigln2 eindeutig bestimmt wird.
Der Phasenunterschied 5 kann femer beispielsweise dadurch bestimmt werden, dass ein Fit, beispielsweise ein Least-Square-Fit, für jeden Verlaufs der
Innensensorsignale Siglnl, Sigln2 des jeweiligen Innensensors als Funktion eines Phasenparameters angefertigt wird. Der Phasenunterschied 5 ergibt sich in diesem Fall aus den erhaltenen Phasenparametern der Innensensorsignale Siglnl, Sigln2, insbesondere durch deren Differenz.
Aufgrund der bekannten Torsionsfunktion kann aus dem dem gemessenen Phasenversatz 6t zugeordneten Verdrehwinkel Θ das Drehmoment bestimmt werden.
Bei der Bestimmung der Phase ist es vorteilhaft, dass das die Innensensorsignale Siglnl, Sigln2 stetig und periodisch sind, seihe Fig. 7, vorzugsweise nicht konstant sind, sodass die Phase sicher und zuverlässig ohne das Vorliegen von Sprungstellen und/oder konstanten Abschnitten innerhalb der Innensensorsignale bestimmt werden kann.
Ist der Verdrehwinkel Θ zwischen dem ersten Wellenabschnitt 340 und dem zweiten Wellenabschnitt 342 so groß, dass aus einer Phasendifferenz nicht eindeutig der Verdrehwinkel Θ bestimmt werden kann, beispielsweise größer als die Hälfte des Winkelbereichs, welcher dem Bereich zwischen den Kanten 118up und 118down aus Fig. 2 entspricht, so kann zur Bestimmung des Verdrehwinkel Θ zwischen dem ersten Wellenabschnitt 340 und dem zweiten Wellenabschnitt 342 noch jeweils, die Information des zweiten Doppelsensorsignals, wenn das Innensensorsignal dem ersten Doppelsensorsignal entspricht, herangezogen werden. Diese Information erlaubt es, den Phasenunterschied δ eindeutig zu bestimmen, da die absolute Winkelposition des ersten Wellenabschnitts 340 und des zweiten Wellenabschnitts 342 bestimmt werden kann.
Da in diesem Fall jeweils die absolute Winkelposition des ersten und zweiten Wellenabschnitts 340, 342 durch den in Figur 6 dargestellten Drehmomentsensor 338 festgestellt werden kann, liefert dieser Sensor neben dem Drehmoment auch Informationen über die absolute und relative Winkellage des ersten
Wellenabschnitts 340 gegenüber dem zweiten Wellenabschnitt 342 mit hoher Auflösung, deren Winkelgeschwindigkeiten, und/oder Winkelbeschleunigungen.
Um die vorangehend dargestellten Berechnungen und Analysen ausführen zu können, umfasst der Drehmomentsensor 338 eine nicht gezeigte
Auswertungseinheit, welche die Signale der Innensensoren auswertet und die entsprechenden Berechnungen ausführt. Insbesondere kann eine derartige Auswertungseinheit A/D-Wandler zur Digitalisierung der Innensensorsignale und einen Mikroprozessor zur Ausführung der Berechnungen beziehungsweise einer CPU umfassen.
Zu beachten ist, dass der Drehmomentsensor nicht auf die die Verwendung von Doppelsensoren als Innensensoren beschränkt ist, sondern dass, insbesondere, solange die Referenzelemente des ersten und zweiten Innensensors relativ zueinander festgelegt sind und das erste Innensensorsignal in Abhängigkeit von dem Versatz des Messkörpers des ersten Innensensors ein stetiges periodisches Signal ist und das zweite Innensensorsignal in Abhängigkeit von dem Versatz des Messkörpers des zweiten Innensensors ein stetiges periodisches Signal ist, auch Versatzsensoren nach dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung als
Innensensoren verwendet werden können. Figuren 8a und 8b zeigen einen Versatzsensor 402 gemäß einer fünften
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Messung eines Linearversatzes. Der Versatzsensor 402 umfasst einen ersten Lichtemitter 408 und einen ersten Lichtaufnehmer 412, welche relativ zueinander bewegbar sind. Der Lichtaufnehmer 412 ist vorzugsweise als eine Photodiode ausgebildet und kann auf einem
Messkörper 404 angeordnet sein. Auf der Lichtempfindlichen Fläche des
Lichtaufnehmers 412 ist eine lichtleistungsmodulierende Struktur 416,
vorzugsweise die in Fig. 3b gezeigte lichtleistungsmodulierende Struktur (der periodische Abschnitt stellt in diesem Fall die gesamte lichtleistungsmodulierende Struktur dar) aufgebracht. Die lichtleistungsmodulierende Struktur 416 kann auf einem auf dem Lichtaufnehmer 412 festgemachten Substrat aufgebracht sein, oder Sie kann direkt auf Lichtempfindlichen Fläche des Lichtaufnehmers 412
beispielsweise durch Bedampfen, Bedrucken und/oder Ätzen aufgebracht sein. Ist der Lichtaufnehmer 412 in/auf einem Wafer, vorzugsweise einen Silizium-Wafer integriert, so kann die lichtleistungsmodulierende Struktur 416 direkt auf den Wafer aufgebracht sein. Der Lichtaufnehmer 412 kann bezügliche eines
Messkörpers 404 ortsfest festgelegt sein. Der der Lichtaufnehmer 412 kann über eine flexible Verbindung 448, beispielsweise eine oder mehrere Halbkreis-Federn, mit einem Referenzelement 406 elektrisch verbunden sein, wobei die flexible Verbindung 448 an dem Messkörper 404 festgemacht sein kann. Wirkt eine Kraft oder eine Beschleunigung auf den Lichtaufnehmer 412 oder den Messkörper 404, so bewegt sich der Lichtaufnehmer 412. Die flexible Verbindung 448 oder deren Abschnitte, kann/können selbst leitend sein oder mindestens einen Leiter tragen.
Auf den Lichtaufnehmer 412 trifft ein Lichtstrahl aus dem ersten Lichtemitter 408 welcher auf einem Träger 450 montiert sein kann, welcher vorzugsweise ortsfest zum Referenzelement 406 angeordnet ist. Da bei dem Versatz (der Bewegung) des Lichtaufnehmers 412 der Lichtstrahl die lichtleistungsmodulierende Struktur 416 an unterschiedlichen Stellen trifft, wird durch die lichtleistungsmodulierende Struktur 416 die von dem Lichtaufnehmer 412 aufgenommene Lichtintensität moduliert. Der Rückschluss aus der Modulation der durch die lichtleistungsmodulierende Struktur 416 von dem Lichtaufnehmer 412 aufgenommenen Lichtintensität auf den Versatz des Lichtaufnehmers 412 entspricht demjenigen der vorhergehend beschriebenen Sensoren, sodass hierauf nicht weiter eingegangen wird.
Figuren 9a und 9b zeigen einen Versatzsensor 502 gemäß einer sechsten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zur Messung eines Linearversatzes. Der Versatzsensor 502 umfasst einen ersten Lichtemitter 508, eine Lichtquelle 552 und einen ersten Lichtaufnehmer 512, welche vorzugsweise relativ zueinander ortsfest festgelegt sind. Der Lichtaufnehmer 512 ist vorzugsweise als eine
Photodiode ausgebildet und kann auf einem Messkörper 504 angeordnet sein, welcher in dieser Ausführungsform ortsfest gegenüber einem Referenzelement 506 angeordnet sein kann. Auf der Lichtempfindlichen Fläche des Lichtaufnehmers 512 ist eine lichtleistungsmodulierende Struktur 516, vorzugsweise die in Fig. 3b gezeigte lichtleistungsmodulierende Struktur (der periodische Abschnitt stellt in diesem Fall die gesamte lichtleistungsmodulierende Struktur dar) aufgebracht. Die lichtleistungsmodulierende Struktur 516 kann auf einem auf dem Lichtaufnehmer 512 festgemachten Substrat aufgebracht sein, oder Sie kann direkt auf
Lichtempfindlichen Fläche des Lichtaufnehmers 512 beispielsweise durch
Bedampfen, Bedrucken und/oder Ätzen aufgebracht sein. Ist der Lichtaufnehmer 512 in einem Wafer, vorzugsweise einen Silizium-Wafer integriert, so kann die lichtleistungsmodulierende Struktur 516 direkt auf den Wafer aufgebracht sein.
Der Lichtemitter 508 ist keine Lichtquelle sondern emittiert das von der Lichtquelle 552 zugeführte Licht in Form eines Lichtstrahls, welcher den Lichtaufnehmer 512 trifft. Der Lichtemitter 508 ist bezüglich des Lichtaufnehmers 512 beweglich angeordnet. Die Zuführung des Lichts von der Lichtquelle 552 zu dem Lichtemitter 508 kann über einen Lichtleiter, eine optische Faser oder einen optischen
Strah lengang geschehen. Vorzugsweise erlaubt die Zuführung des Lichts von der Lichtquelle 552 zu dem Lichtemitter 508 eine Relativbewegung der Lichtquelle 552 und des Lichtemitters 508, welche vorzugsweise relativ zueinander beweglich angeordnet sind. In dem Lichtemitter 508 wird das Licht vorzugsweise umgelenkt und/oder kollimiert. Wirkt eine Kraft oder eine Beschleunigung auf den
Lichtemitter 508, so bewegt sich der Lichtemitter 508 relativ zu dem
Lichtaufnehmer 512.
Da bei dem Versatz (der Bewegung) des Lichtemitters 508 der Lichtstrahl die lichtleistungsmodulierende Struktur 516 an unterschiedlichen Stellen trifft, wird durch die lichtleistungsmodulierende Struktur 516 die von dem Lichtaufnehmer 512 aufgenommene Lichtintensität moduliert. Der Rückschluss aus der Modulation der d urch die lichtleistu ngsmodulierende Struktur 516 die von dem Lichtaufnehmer 512 aufgenommenen Lichtintensität auf den Versatz des Lichtaufnehmers 512 entspricht demjenigen der vorhergehend beschriebenen Sensoren, sodass hierauf nicht weiter eingegangen wird. Fig. 10 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des Drehmomentsensors aus Fig. 6. In dieser weiteren Ausführungsform umfasst der
Torsionsstrukturabschnitt 344 einen Hohlwellenabschnitt 344a, einen
Innenwellenabschnitt 344b und mindestens einen Verbindungsabschnitt 344c, wobei eine Außenseite 344d des Innenwellenabschnitts 344b mit einer Innenseite 344e des Hohlwellenabschnitts 344a mit dem mindestens einen
Verbindungsabschnitt 344c, in der weiteren Ausführungsform mit vier
Verbindungsabschnitten 344c, wobei eine beliebige Anzahl an
Verbindungsabschnitten 344c möglich sein kann, verbunden ist. Die
Verbindungsabschnitte 344c sind vorzugsweise flexibel und können als Speichen ausgebildet sein, sodass, wenn ein Drehmoment zwischen dem Innenwellenabschnitt 344b und dem Hohlwellenabschnitt 344a anliegt, sie sich verformen und ein Verdrehwinkel Θ zwischen dem ersten Wellenabschnitt 340 und dem zweiten Wellenabschnitt 342 ausgebildet wird.
Der Hohlwellenabschnitt 344a kann entweder mit dem ersten Wellenabschnitt 340 oder dem zweiten Wellenabschnitt 342 drehtest verbunden, insbesondere einstückig ausgebildet oder mittels einer Schraubenverbindung verbunden sein. Der Innenwellenabschnitt 344b kann jeweils mit dem anderen aus dem ersten Wellenabschnitt 340 oder dem zweiten Wellenabschnitt 342 drehfest verbunden, insbesondere einstückig ausgebildet oder mittels einer Schraubenverbindung verbunden sein.
In den folgenden ursprünglichen Ansprüchen wird das Merkmal„ , und optional der vorzugsweise als ein Kompensationsabschnitt, höchst bevorzugt als ein
Stegabschnitt (118s), ausgebildete Verbindungsabschnitt gemäß des Messkörpers (104) Anspruch 2," verwendet; es ist hierbei zu beachten, dass der Begriff „optional" sich ausschließlich auf die in dem Zitat genannten Merkmale bezieht, und nicht auf dem Merkmale, welche dem Zitat folgen und es wird ebenso klargestellt, dass die Nummerierung des Anspruchs, auf den in dem Zitat Bezug genommen wird, entsprechend neuer Anspruchsfassungen abgeändert werden kann.

Claims

Ansprüche
Messkörper (104) mit einer bezüglich des Messkörpers ortsfest angeordneten lichtleistungsmodulierenden Struktur (118), wobei die lichtleistungsmodulierende Struktur (16, 18; 116, 118)
einen mit einem ersten verjüngten Endabschnitt (118av) und einem dem ersten verjüngten Endabschnitt (118av) gegenüberliegenden ersten Stumpf-Endabschnitt (118as) ausgebildeten ersten Abdeckabschnitt (118a) und
einen mit einem zweiten verjüngten Endabschnitt (118bv) und einem dem zweiten verjüngten Endabschnitt (118bv) gegenüberliegenden zweiten Stumpf-Endabschnitt (118bs) ausgebildeten zweiten Abdeckabschnitt (118b) umfasst.
Messkörper (104) nach Anspruch 1, wobei die lichtleistungsmodulierende Struktur (16, 18; 116, 118) ferner einen vorzugsweise als ein
Kompensationsabschnitt, höchst bevorzugt als ein Stegabschnitt (118s), ausgebildeten Verbindungsabschnitt umfasst, welcher den ersten
Abdeckabschnitt (118a) und den zweiten (118b) Abdeckabschnitt miteinander verbindet.
Messkörper (104) nach Anspruch 2, wobei der Verbindungsabschnitt den ersten verjüngten Endabschnitt (118av) mit dem zweiten verjüngten
Endabschnitt (118bv) verbindet.
Messkörper (104) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Abdeckabschnitt (118a), der zweite Abdeckabschnitt (118b), und optional der vorzugsweise als ein Kompensationsabschnitt, höchst bevorzugt als ein Stegabschnitt (118s), ausgebildete Verbindungsabschnitt des
Messkörpers (104) gemäß Anspruch 2, gleiche Lichtabsorptionseigenschaften aufweisen.
Messkörper (104) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Abdeckabschnitt (118a), der zweite Abdeckabschnitt (118b), und optional der vorzugsweise als ein Kompensationsabschnitt, höchst bevorzugt als ein Stegabschnitt (118s), ausgebildete Verbindungsabschnitt des
Messkörpers (104) gemäß Anspruch 2, gleiche Lichtreflexionseigenschaften aufweisen, wenn die Iichtleistungsmodulierende Struktur (16, 18;116, 118) als Transmissionsstruktur verwendet wird.
Messkörper (104) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Abdeckabschnitt (118a), der zweite Abdeckabschnitt (118b), und optional der vorzugsweise als ein Kompensationsabschnitt, höchst bevorzugt als ein Stegabschnitt (118s), ausgebildete Verbindungsabschnitt des
Messkörpers (104) gemäß Anspruch 2, von zwei trapezförmigen Strukturen (118hl, 118hr) begrenzt werden.
Messkörper (104) nach Anspruch 6, wobei der erste Abdeckabschnitt (118a), der zweite Abdeckabschnitt (118b), und optional der vorzugsweise als ein Kompensationsabschnitt, höchst bevorzugt als ein Stegabschnitt (118s), ausgebildete Verbindungsabschnitt des Messkörpers (104) gemäß Anspruch 2, lichtundurchlässig sind und die zwei trapezförmigen Strukturen (118hl, 118hr) von null verschiedene Lichttransmissionskoeffizienten aufweisen.
Messkörper (104) nach Anspruch 6, wobei der erste Abdeckabschnitt (118a), der zweite Abdeckabschnitt (118b), und optional der vorzugsweise als ein Kompensationsabschnitt, höchst bevorzugt als ein Stegabschnitt (118s), ausgebildete Verbindungsabschnitt des Messkörpers (104) gemäß Anspruch 2, Licht nicht reflektieren und die zwei trapezförmigen Strukturen (118hl, 118hr) von null verschiedene Lichtreflexionskoeffizienten aufweisen.
9. Messkörper (104) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei der erste Abdeckabschnitt (118a), der zweite Abdeckabschnitt (118b), und optional der vorzugsweise als ein Kompensationsabschnitt, höchst bevorzugt als ein Stegabschnitt (118s), ausgebildete Verbind ungsabschnitt des Messkörpers
(104) gemäß Anspruch 2, mit einer lichtabsorbierenden Struktur versehen sind.
10. Messkörper (104) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die
lichtleistungsmodulierende Struktur (118) u nd die zwei trapezförmigen
Strukturen (118hl, 118hr) von einer lichtundurch lässigen und/oder nichtreflektierenden Umfassung (118u, 118u') begrenzt sind.
11. Messkörper (104) nach Anspruch 10, wobei die Umfassung (118u) einen rechteckigen Bereich begrenzt.
12. Messkörper (104) nach Anspruch 10, wobei die Umfassung (118u') ein
Kreisringsegment begrenzt. 13. Messkörper (404; 504), vorzugsweise nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, mit einer lichtleistu ngsmodulierenden Struktur (416; 516) und einem Lichtaufnehmer (412; 512), wobei die lichtleistungsmodulierende Struktur (416; 516) ortsfest bezüglich eines Lichtaufnehmers angeordnet ist, vorzugsweise zusammenhängend mit dem Lichtaufnehmer (412; 512) ausgebildet ist.
14. Messkörper nach Anspruch 6, wobei der erste Abdeckabschnitt, der zweite Abdeckabschnitt , und optional der vorzugsweise als ein
Kompensationsabschnitt, höchst bevorzugt als ein Stegabschnitt, ausgebildete Verbindungsabschnitt des Messkörpers gemäß Anspruch 3, lichtdurchlässig sind und die zwei trapezförmigen Strukturen lichtundurchlässig sind.
Versatzsensor (2; 102) zur Messung eines Versatzes eines Messkörpers (4; 104) des Versatzsensors (2; 102) entlang eines Pfads gegenüber einem Referenzelement (6; 106) des Versatzsensors (2; 102), umfassend:
einen ersten Lichtemitter (8, 10; 108, 110) sowie einen ersten Lichtaufnehmer (12, 14; 112, 114), welche bezüglich des Referenzelements (6; 106) ortsfest angeordnet sind,
eine erste lichtleistungsmodulierende Struktur (16, 18; 116, 118), wobei der Messkörper (104) vorzugsweise ein Messkörper (104) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ist, wobei die erste lichtleistungsmodulierende Struktur (16; 116) in einem ersten Strahlengang zwischen dem ersten Lichtemitter (8; 108) und dem ersten Lichtaufnehmer (12; 112), angeordnet ist,
wobei die erste lichtleistungsmodulierende Struktur (16, 18; 116, 118) ortsfest bezüglich des Messkörpers (4; 104) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste lichtleistungsmodulierende Struktur (16, 18; 116, 118) in dem ersten Strahlengang Abschnitte derart abdeckt, dass ein optischer Pfad zwischen einem Zentrum des ersten Lichtemitters (8; 108) und einem Zentrum des ersten Lichtaufnehmers (12; 112) unterbrochen ist.
Versatzsensor (2; 102) nach Anspruch 15, wobei der optische Pfad zwischen dem Zentrum des ersten Lichtemitters (8; 108) und dem Zentrum des ersten Lichtaufnehmers (12; 112) über den vollständigen Versatz des Messkörpers (4; 104) entlang des Pfads unterbrochen ist.
17. Versatzsensor (2; 102) nach Anspruch 15 oder Anspruch 16 wobei der Versatzsensor (2; 102) ein einer durch den ersten Lichtaufnehmer (12; 112) aufgenommenen Lichtleistung entsprechendes erstes elektrisches Signal, insbesondere ein erstes Spannungs- oder ein erstes Stromsignal, ausgibt.
Versatzsensor (102) nach Anspruch 17, wobei der Versatzsensor (102) einen weiteren Lichtemitter (120) und einen weiteren Lichtaufnehmer (122) umfasst, welche jeweils bezüglich des Referenzelements (106) ortsfest angeordnet sind,
wobei die vorzugsweise eine Dreiecksstruktur aufweisende erste lichtleistungsmodulierende Struktur (116) in einem weiteren Strahlengang zwischen dem weiteren Lichtemitter (120) und dem weiteren Lichtaufnehmer (122) angeordnet ist,
wobei der Versatzsensor (102) jeweils ein einer durch den weiteren Lichtaufnehmer (122) aufgenommenen Lichtleistung entsprechendes weiteres elektrisches Signal, insbesondere ein weiteres Spannungs- oder ein weiteres Stromsignal, ausgibt, und
wobei der weitere Strahlengang Bereiche der in dem weiteren Strahlengang angeordneten ersten leistungsmodulierenden Struktur (116) überstreicht, welche auch von dem ersten Strahlengang überstrichen werden können.
Versatzsensor (102) nach Anspruch 18,
wobei in dem Pfad mindestens ein erster Bereich derart existiert, dass, wenn der Versatz des Messkörpers (104) sich in dem ersten Bereich befindet, das weitere elektrisches Signal keine Abweichung von einer Basislinie aufzeigt, während das erste elektrische Signal eine Abweichung von einer Basislinie aufzeigt und
vorzugsweise in dem Pfad ein von dem ersten Bereich disjunkter zweiter Bereich derart existiert, dass, wenn der Versatz des Messkörpers (104) sich in dem zweiten Bereich befindet, das erste elektrisches Signal keine Abweichung von einer Basislinie aufzeigt, während das weitere elektrische Signal eine Abweichung von einer Basislinie aufzeigt.
Versatzsensor (102) nach Anspruch 19, wobei der Versatzsensor ein elektrisches Zusatzsignal ausgibt, welches, wenn der Versatz des Messkörpers (104) sich in dem ersten Bereich befindet, einen ersten Strom- oder Spannungswert gesetzt ist, und
in dem Pfad ein von dem ersten Bereich disjunkter zweiter Bereich derart existiert, dass, wenn der Versatz des Messkörpers (104) sich in dem zweiten Bereich befindet, das erste elektrisches Signal keine Abweichung von einer Basislinie aufzeigt, während das weitere elektrische Signal eine Abweichung von einer Basislinie aufzeigt, wobei
das Zusatzsignal, wenn der Versatz des Messkörpers (104) sich in dem zweiten Bereich befindet, auf einen zweiten Strom- oder Spannungswert gesetzt ist.
Versatzsensor (2; 102) nach einem der Ansprüche 15 bis 20, wobei der erste Lichtaufnehmer (12, 14; 112, 114) mit einem Detektor des Versatzsensors über einen optischen Pfad, vorzugsweise einen Lichtleiter, insbesondere eine optische Faser, des Versatzsensors (2; 102), verbunden ist, wobei der Detektor als Funktion der Leistung des einfallenden Lichts das erste elektrische Signal ausgibt.
Versatzsensor (2; 102) nach einem Ansprüche 15 bis 21, wobei einer der bzw. der Lichtemitter (8, 10; 108,110) über einen optischen Pfad, vorzugsweise einen Lichtleiter, insbesondere eine optische Faser, des Versatzsensors (2; 102), mit einer Lichtquelle des Versatzsensors (2; 102) verbunden ist.
23. Versatzsensor (102) nach einem der Ansprüche 15 bis 22 wobei die
lichtleistungsmodulierende Struktur (118) über einen Eichabschnitt Versatzes des Messkörpers entlang des Pfades die durch den jeweiligen Lichtaufnehmer (114) aufgenommene Lichtleistung auf einen vorbestimmten Relativwert setzt, wobei vorzugsweise der Messkörper (104) und die erste lichtleistungsmodulierende Struktur (118) ein Messkörper (104) mit einer bezüglich des Messkörpers (104) ortsfest angeordneten lichtleistungsmodulierenden Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ist und der Eichabschnitt des Versatzes durch ein Überstreichen des ersten Strahlengangs über den Stegabschnitt (118s) definiert ist.
Versatzsensor (102) nach einem der Ansprüche 15 bis 23, wobei der Versatz ein Rotationsversatz und der Pfad ein Kreis oder ein Kreissegment ist.
Versatzsensor (2) nach einem der Ansprüche 15 bis 23, wobei der Versatz ein Linearversatz und der Pfad ein Linienabschnitt ist.
Doppelsensor (2; 102) zur Messung eines Versatzes eines Messkörpers (4; 104) des Doppelsensors (2; 102) entlang eines Pfads gegenüber einem Referenzelement (6; 106) des Doppelsensors (2; 102), umfassend:
einen ersten Versatzsensor, mit
einem ersten Lichtemitter (8; 108,) sowie einem ersten Lichtaufnehmer (12; 112), welche bezüglich des Referenzelements (6; 106) ortsfest angeordnet sind, und
einer ersten lichtleistungsmodulierende Struktur (16; 116), wobei die erste lichtleistungsmodulierende Struktur (16; 116) des ersten Versatzsensors in einem ersten Strahlengang des ersten Versatzsensors zwischen dem ersten Lichtemitter (8; 108) und dem ersten Lichtaufnehmer (12; 112) des ersten Versatzsensors, angeordnet ist,
wobei die erste lichtleistungsmodulierende Struktur (16; 116) des ersten Versatzsensors ortsfest bezüglich des Messkörpers (4; 104) angeordnet ist, wobei der erste Versatzsensor (2;102) jeweils ein einer durch den ersten Lichtaufnehmer (12; 112) des ersten Versatzsensors aufgenommenen Lichtleistung entsprechendes erstes elektrisches Signal, insbesondere ein erstes Spannungs- oder ein erstes Stromsignal, als ein erstes Doppelsensorsignal ausgibt,
einen zweiten Versatzsensor mit
einem ersten Lichtemitter (10; 10) sowie einem ersten Lichtaufnehmer (14; 114), welche bezüglich des Referenzelements (6; 106) ortsfest angeordnet sind, und
einer ersten lichtleistungsmodulierende Struktur (18; 118), wobei die erste lichtleistungsmodulierende Struktur (18; 118) des zweiten Versatzsensors in einem ersten Strahlengang des zweiten Versatzsensors zwischen dem ersten Lichtemitter (10; 110) und dem ersten Lichtaufnehmer (14; 114) des zweiten Versatzsensors, angeordnet ist,
wobei die erste lichtleistungsmodulierende Struktur (18; 118) des zweiten Versatzsensors ortsfest bezüglich des Messkörpers (4; 104) angeordnet ist,
wobei der zweite Versatzsensor (2;102) jeweils ein einer durch den ersten Lichtaufnehmer (14; 114) des zweiten Versatzsensors aufgenommenen Lichtleistung entsprechendes erstes elektrisches Signal, insbesondere ein erstes Spannungs- oder ein erstes Stromsignal, als ein zweites Doppelsensorsignal ausgibt,
wobei zumindest in Abschnitten des Versatzes des Messkörpers (4; 104) entlang des Pfades das erste Doppelsensorsignal sich mit einer ersten Rate ändert,
wobei zumindest in Abschnitten des Versatzes des Messkörpers (4; 104) entlang des Pfades das zweite Doppelsensorsignal sich mit einer zweiten Rate ändert, dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Rate von der zweiten Rate in Abschnitten des Versatzes des Messkörpers (4; 104) entlang des Pfades betragsmäßig verschieden ist.
27. Doppelsensor (2; 102) nach Anspruch 26, wobei der erste Versatzsensor und/oder der zweite Versatzsensor ein Versatzsensor nach einem der Ansprüche 15 bis 25 ist.
28. Drucksensor (228), umfassend ein Druckerfassungselement, beispielsweise eine Membran (230), und einen mit dem Druckerfassungselement gekoppelten Versatzsensor (2; 102) nach einem der Ansprüche 15 bis 25 oder einen Doppelsensor (2; 102) nach Anspruch 26 oder 27.
29. Drucksensor (228) nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das
Druckerfassungselement fluidfrei, besonders bevorzugt ölfrei, insbesondere über ein Gestänge (232), mit dem Versatzsensor (2; 102) oder dem
Doppelsensor (2; 102) gekoppelt ist.
Drucksensor (228) nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckerfassungselement als eine Membran (230) ausgebildet ist, welche bei Erreichen einer vorbestimmten Auslenkung an einem Anschlag (236) anstößt und somit eine weitere Auslenkung der Membran (230) in dieser Richtung unterbunden wird.
Drehmomentsensor (338) zur Messung eines Drehmoments umfassend, einen ersten Wellenabschnitt (340) und einen zweiten Wellenabschnitt (342), zwischen welchen das vorliegende Drehmoment gemessen wird,
eine den ersten Wellenabschnitt (340) mit dem zweiten Wellenabschnitt (324) verbindenden Torsionsstrukturabschnitt (344), wobei der funktionelle Zusammenhang zwischen dem vorliegendem Drehmoment und einer daraus resultierenden Torsion des ersten Wellenabschnitts (340) gegenüber dem zweiten Wellenabschnitt (342) durch eine vorbestimmte Torsionsfunktion beschrieben wird,
einen ersten Innensensor (302a) zur Messung eines Versatzes eines Messkörpers (4; 104) des ersten Innensensors entlang eines Pfads gegen über einem Referenzelement des ersten Innensensors (302a) und zur Ausgabe eines ersten Innensensorsignals (Sigln l), wobei der Messkörper (4; 104) des ersten Innensensors (302a) verdrehfest zur gemeinsamen Dreh ung an dem ersten Wellenabschnitt (340) angeordnet ist, und
einen zweiten Innensensor (302b) zur Messung eines Versatzes eines Messkörpers (4; 104) des zweiten Innensensors entlang eines Pfads gegenüber einem Referenzelement des zweiten Innensensors (302b) und zur Ausgabe eines zweiten Innensensorsignals (Sigln2), wobei der Messkörper (4; 104) des zweiten Innensensors (302b) verdrehfest zur gemeinsamen Drehung an dem zweiten Wellenabschnitt (342) angeordnet ist, und
wobei die Referenzelemente (306a, 306b) des ersten und zweiten Innensensors (302a, 302b) relativ zueinander festgelegt sind, dadurch gekennzeichnet,
dass das erste Innensensorsignal (Siglnl) in Abhängigkeit von dem Versatz des Messkörpers (4; 104) des ersten Innensensors ein stetiges periodisches Signal ist,
dass das zweite Innensensorsignal (Sigln2) in Abhängigkeit von dem Versatz des Messkörpers (4; 104) des zweiten Innensensors ein stetiges periodisches Signal ist. 32. Drehmomentsensor (338) nach Anspruch 31, umfassend
eine Auswertungseinheit,
welche dafür eingerichtet ist, auf Basis einer Phasenbeziehung und/oder Amplitudenbeziehung zwischen dem ersten (Sigln l) und zweiten (Sigln2) Innensensorsignal und der Torsionsfunktion das Drehmoment zu berechnen. Drehmomentsensor (338) nach einem der Ansprüche 31 oder 32,
wobei der erste und/oder zweite Innensensor (302a) ein Versatzsensor nach einem der Ansprüche 15 bis 25 ist und wobei das erste und/oder zweite
Innensensorsignal das entsprechende erste elektrische Signal des jeweiligen
Versatzsensors umfasst, oder
wobei der erste und/oder zweite Innensensor (302a) ein Doppelsensor nach einem der Ansprüche 26 oder 27 ist und wobei das erste und/oder zweite Innensensorsignal das entsprechende erste und/oder zweite
Doppelsensorsignal des jeweiligen Doppelsensors umfasst.
Drehmomentsensor (338) nach einem der Ansprüche 31 bis 33, wobei der Torsionsstrukturabschnitt (344) einen Hohlwellenabschnitt (344a), einen Innenwellenabschnitt (344b) und mindestens einen Verbindungsabschnitt (344c) umfasst, wobei eine Außenseite (344d) des Innenwellenabschnitts (344b) mit einer Innenseite (344e) des Hohlwellenabschnitts (344a) mit dem mindestens einen Verbindungsabschnitt (344c) verbunden ist, wobei der Verbindungsabschnitt (344c) dafür eingerichtet ist sich zu verformen, wenn ein Drehmoment zwischen dem Innenwellenabschnitt (344b) und dem Hohlwellenabschnitt (344a) anliegt.
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