DE10054198A1 - Torque acoustic surface wave (SAW) measurement method especially for torque acting on shaft driven by electric motor - Google Patents

Abstract

A method of measuring a moment, especially a torque, acting on a component during which surface acoustic waves (SAWs) are excited by high-frequency scanning pulses on at least one piezo electric substrate, tightly joined to the component, and reflection-delayed responding (answer) signals, influenced by the moment (torque) being measured, are evaluated for determining the moment (torque). At least three acoustic surface waves (SAWs) with different directions of propagation are generated on the substrate and the resultant responding (answer) signals which have three distortion components caused independently of the moment (torque) being measured, are evaluated for determining the moment (torque). The at least three directions of propagation of the SAWs specifically cross over at one common crossing point, more specifically directed at 0, 45, and -45 deg. or 0, 60, -60 deg. to a preferred direction.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 4.The invention relates to a method according to the preamble of Claim 1 and a device according to the preamble of claim 4.

Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind aus der WO 97/09596 bekannt. Beim bekannten Verfahren und der bekannten Vorrichtung werden mittels eines OFW (Oberflächen­ wellen)-Funksensors an einem Rotor, insbesondere einer von einem Elektromotor angetriebenen Welle wirkende Drehmomente gemessen. Hierzu werden akustische Oberflächenwellen an einem kraftschlüssig, beispielsweise durch Kleben mit der Welle verbundenen piezoelektrischen Substrat mittels hochfrequenter Abfrageimpulse angeregt und reflektiv verzögerte Antwort­ signale, welche vom zu messenden Drehmoment beeinflusst sind, für die Bestimmung des Drehmoments ausgewertet. Bei lastauf­ nehmenden Bauteilen oder Bauteilen, welche Kräfte insbeson­ dere Drehmomente übertragen, wie beispielsweise Wellen, tre­ ten Materialverformungen durch Dehnung, Stauchung und Biege­ momente auf. Am jeweiligen Messgeber (Sensor) ergeben sich erhebliche Störeinflüsse. Ferner ergeben sich bei der direk­ ten Befestigung der Sensoren durch Kleben auf dem Bauteil, insbesondere auf der Welle Schwierigkeiten bei der Fertigung. Bei herkömmlicher Fertigungsumgebung ist eine Präzisionskle­ bung nicht möglich. Die erforderliche thermische Härtung der Kleber wird durch die bei dem Bauteil, insbesondere einer Welle vorhandene große Wärmekapazität behindert.Such a method and such an apparatus are known from WO 97/09596. In the known method and known device are by means of an SAW (surfaces waves) radio sensor on a rotor, especially one of torque acting on an electric motor driven shaft measured. For this purpose, acoustic surface waves on one non-positive, for example by sticking to the shaft connected piezoelectric substrate by means of high-frequency Query impulses stimulated and reflectively delayed response signals that are influenced by the torque to be measured, evaluated for the determination of the torque. At load taking components or components, which forces in particular transmit torques, such as waves, tre material deformation due to stretching, compression and bending moments on. On the respective encoder (sensor) result considerable interference. Furthermore, the direct fastening the sensors by gluing them to the component, Manufacturing difficulties, especially on the shaft. In a conventional manufacturing environment, there is a precision glue exercise not possible. The required thermal hardening of the Adhesive is due to the component, especially one Wave existing large heat capacity hampered.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrich­ tung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei denen mit einfachen Hilfsmitteln eine hohe Messgenauigkeit erreicht wird. The object of the invention is a method and a Vorrich to create device of the type mentioned, in which with simple aids achieve high measuring accuracy becomes.  

Diese Aufgabe wird beim Verfahren erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 und bei der Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentan­ spruches 4 gelöst.This object is achieved in the method by the characterizing features of claim 1 and in the Device by the characterizing features of the patent Proverb 4 solved.

Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.The subclaims contain advantageous developments the invention.

Beim Verfahren sowie bei einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung wird eine Oberflächenverzerrung in wenigstens drei verschiedenen Richtungen gemessen, wobei von drei unab­ hängigen Verzerrungskomponenten Messwerte erhalten werden. Die Messung der drei unabhängigen Verzerrungskomponenten der Oberflächenverformung erfolgt simultan. Hierzu werden mindes­ tens drei akustische Oberflächenwellen angeregt, die sich in verschiedenen Richtungen, beispielsweise unter 0°, 45° und -45° oder unter 0°, 60° und -60° zu einer Vorzugsrichtung aus­ breiten. Es können auch andere Ausbreitungsrichtungen gewählt werden. Die akustischen Oberflächenwellen werden von elektro­ akustischen Wandlern (OFW-Interdigitalwandlern) erzeugt und von den jeweiligen Wandlern zugeordneten Reflektoren reflek­ tiert und gelangen wieder zum Wandler zurück. Die Länge der jeweiligen Laufzeiten sind ein Maß für die Verzerrung der O­ berfläche. Zur Erzeugung der akustischen Oberflächenwellen dienen hochfrequente Abfrageimpulse. Diese können per Funk mittels einer Empfangs und Sendeantenne, die mit den Sammel­ schienen der Interdigitalwandler verbunden ist, übertragen werden. Das als reflektive Verzögerungsleitung ausgebildete OFW-Bauelement bildet einen OFW-Funksensor. In bekannter Wei­ se VDI Reihe 8, Nr. 515, VDI-Verlag 1995, Seiten 62 bis 79) können auch mehrere Reflektoren pro OFW-Richtung sowie Re­ flektoren in Resonatoranordnung verwendet werden.Both in the method and in a preferred embodiment surface distortion in at least the device measured in three different directions, with three independent dependent distortion components measured values can be obtained. The measurement of the three independent distortion components of the Surface deformation takes place simultaneously. At least At least three surface acoustic waves are excited, which are reflected in different directions, for example below 0 °, 45 ° and -45 ° or below 0 °, 60 ° and -60 ° to a preferred direction broad. Other directions of propagation can also be selected become. The surface acoustic waves are from electro acoustic transducers (SAW interdigital transducers) generated and by reflectors assigned to the respective transducers and return to the converter. The length of the respective terms are a measure of the distortion of the O surface. For the generation of surface acoustic waves serve high-frequency interrogation pulses. This can be done by radio by means of a receiving and transmitting antenna that works with the collector seemed the interdigital transducer is connected, transmitted become. The one designed as a reflective delay line SAW device forms a SAW radio sensor. In a known way VDI series 8, No. 515, VDI-Verlag 1995, pages 62 to 79) can also have several reflectors per SAW direction and Re flectors are used in a resonator arrangement.

In bevorzugter Weise überkreuzen sich die Wege der insbeson­ dere drei Oberflächenwellen in einer gemeinsamen Kreuzungs­ stelle. Man erreicht dadurch einen kompakten Aufbau des OFW- Bauelements. Hierdurch wird ferner sichergestellt, dass auf allen Messstrecken die gleiche Temperatur herrscht, wodurch Messfehler infolge thermischer Inhomogenitäten vermieden wer­ den.The paths of the cross in particular in a preferred manner three surface waves in a common intersection Job. This results in a compact construction of the SAW Component. This also ensures that  all measuring sections have the same temperature, which means that Measurement errors due to thermal inhomogeneities avoided the.

Bei der Vorrichtung ist zur Lösung obiger Aufgabe das OFW- Bauelement in einem nach außen abgedichteten Hohlraum des Bauteils, an welchem die Momentenmessung durchgeführt wird, angeordnet und kraftschlüssig mit dem Bauteil verbunden. Hierzu ist in bevorzugter Weise ein Träger vorgesehen, wel­ cher durch das zu messende Moment, insbesondere Drehmoment verformbar ist. Beispielsweise durch Kleben kann das OFW-Bau­ element mit dem Träger fest verbunden werden. Der Träger ist mit Formschluss in einer Ausnehmung des Bauteils befestigt. Der den Deformationskörper bildende Träger kann als runde Scheibe oder rechteckige Trägerplatte ausgebildet sein. Die Ausnehmung, in welcher der Träger angeordnet wird, ist in die Oberfläche des Bauteils, insbesondere der Welle, an welcher das Drehmoment gemessen werden soll, formschlüssig einge­ passt. Mit Hilfe von Spannmitteln wird der Träger an die Wand der Ausnehmung im Bauteil bzw. der Welle angepresst. Die Ver­ bindung zwischen dem Bauteil bzw. der Welle und dem Trägerma­ terial kann auch durch Stoffschluss, beispielsweise Kalt­ pressschweißen, hergestellt werden. Durch diese kraftschlüs­ sige Befestigung des Trägers in einer Ausnehmung, insbeson­ dere Sackbohrung des Bauteils werden am Bauteil wirksame Kräfte auf den als Deformationskörper wirkenden Träger und damit auf das am Träger befestigte OFW-Bauelement übertragen. Zur Erzielung einer hinreichend starken Vorspannung des Trä­ gers gegenüber dem Bauteil können aus der Konstruktionslehre bekannte Mittel, welche Reibschluss mit oder ohne Zwischen­ elemente, beispielsweise Federelemente, herstellen, vorgese­ hen sein. Durch das Kaltpressschweißen lässt sich ein dauer­ hafter Stoffschluss zwischen dem Träger- und dem Bauteilmate­ rial herstellen.In the device to solve the above task, the SAW Component in an externally sealed cavity of the Component on which the torque measurement is carried out arranged and non-positively connected to the component. For this purpose, a carrier is preferably provided due to the moment to be measured, especially torque is deformable. The SAW building can be glued, for example element to be firmly connected to the carrier. The carrier is attached with a positive fit in a recess of the component. The support forming the deformation body can be a round one Disc or rectangular support plate may be formed. The The recess in which the carrier is arranged is in the Surface of the component, in particular the shaft, on which the torque is to be measured, positively fits. With the help of clamping devices, the carrier is against the wall pressed the recess in the component or the shaft. The Ver bond between the component or the shaft and the carrier material can also be through material bonding, for example cold pressure welding. Through this frictional connection Secure attachment of the carrier in a recess, in particular other blind holes in the component become effective on the component Forces on the beam acting as a deformation body and thus transferred to the SAW component attached to the carrier. To achieve a sufficiently strong preload on the door gers towards the component can from the design theory known means, which friction with or without intermediate produce elements, such as spring elements, vorese hen. Cold press welding can last a long time Adhesive bond between the carrier and the component material rial.

Die Oberfläche des OFW-Bauelements, an welcher die Wandler- und Reflektor- bzw. Resonatorstrukturen vorgesehen sind, er­ streckt sich vorzugsweise parallel zur Wellenachse beim Ein­ satz an einer beispielsweise von einem Elektromotor angetrie­ benen Welle für die Drehmomentmessung.The surface of the SAW component on which the converter and reflector or resonator structures are provided, he  preferably stretches parallel to the shaft axis when on Set on a driven by an electric motor, for example shaft for torque measurement.

Für den Einbauort des OFW-Bauelements an einer von einem Elektromotor angetriebenen Welle sind mehrere Möglichkeiten vorhanden. Der Einbauort befindet sich grundsätzlich zwischen dem Ort der Drehmomentübertragung vom. Motorständer auf den Motorläufer und dem Ort der Drehmomentübertragung von der Welle auf den angetriebenen Körper. In bevorzugter Weise kann der Einbauort an der Stelle der Drehmomentübertragung von der Motorausgangswelle auf die angetriebene Arbeitswelle, bei­ spielsweise im Bereich einer Passfeder liegen. Das OFW-Bau­ element kann in der gleichen Passnut angeordnet sein, in der auch die Passfeder zur Übertragung des Drehmoments von der Motorwelle auf die Arbeitswelle sitzt. Hierzu kann die Pass­ nut in Richtung auf den Motor hin entsprechend verlängert sein. Die Passfeder kann gleichzeitig als Träger für das OFW- Bauelement dienen.For the installation location of the SAW component at one of one Electric motor driven shaft are several options available. The installation location is generally between the location of the torque transmission from. Engine stand on the Motor rotor and the location of the torque transmission from the Shaft on the driven body. In a preferred manner the place of installation at the point of torque transmission from the Motor output shaft on the driven working shaft, at for example in the area of a key. The SAW building element can be arranged in the same fitting groove in which also the key to transfer the torque from the Motor shaft sits on the working shaft. The pass only extended towards the motor accordingly his. The key can also be used as a carrier for the SAW Serve component.

Hierdurch ist die Anordnung des OFW-Bauelements als Drehmo­ mentsensor mit einfachem fertigungsgerechten Einbau insbeson­ dere an der Motorwelle des Elektromotors ermöglicht. Der Ein­ bau kann mit den gleichen Mitteln erfolgen, welche bei der Motormontage zur Verfügung stehen. OFW-Bauelemente können als Funksensoren (WO 97/09596) zum Einsatz kommen. Hierdurch ist eine einfache berührungslose Übertragung der Sensorsignale über Funk auf eine stationäre Abfrage- und Auswerteeinheit möglich.As a result, the arrangement of the SAW component as a torque ment sensor with simple installation-specific installation in particular on the motor shaft of the electric motor. The one Construction can be carried out using the same means as for the Motor assembly are available. SAW components can be used as Radio sensors (WO 97/09596) are used. This is a simple contactless transmission of the sensor signals via radio to a stationary query and evaluation unit possible.

Anhand der Figuren wird an Ausführungsbeispielen die Erfin­ dung noch näher erläutert.On the basis of the figures, the inventions are illustrated dung explained in more detail.

Es zeigtIt shows

Fig. 1 eine schnittbildliche Darstellung eines ersten Aus­ führungsbeispiels eingebaut in einer Welle; Fig. 1 is a sectional view of a first exemplary embodiment installed in a shaft;

Fig. 2 eine Ansicht auf das Ausführungsbeispiel von unten; Fig. 2 is a view of the embodiment from below;

Fig. 3 eine Draufsicht auf ein OFW-Bauelement, welches beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 zur Anwendung kommt; Fig. 3 is a plan view of a SAW device, which is in the embodiment of Fig 1 for use.

Fig. 4 eine schnittbildliche Darstellung durch ein Aus­ führungsbeispiel mit zugehöriger Empfangs- und Sen­ deantenne; Fig. 4 is a sectional view through an exemplary embodiment with associated receiving and transmitting antenna;

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform für ein OFW-Bau­ element in Draufsicht; Fig. 5 shows a further embodiment for an SAW construction element in plan view;

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel in Draufsicht, eingebaut in eine Welle; Fig. 6 shows another embodiment in plan view, installed in a shaft;

Fig. 7 eine schnittbildliche Darstellung des Aus­ führungsbeispiel der Fig. 6 entlang der Schnittlinie VII-VII; Fig. 7 is a sectional view of the exemplary embodiment of Figure 6 along the section line VII-VII.

Fig. 8 eine schnittbildliche Darstellung des Aus­ führungsbeispiels der Fig. 6 und 7 entlang der Schnittlinie VIII-VIII in Fig. 7 Fig. 9 eine Welle mit eingebauten. Funksensoren, welche Ausführungsbeispiele der Erfindung sind; und Fig. 8 is a sectional view of the exemplary embodiment from FIGS . 6 and 7 along the section line VIII-VIII in Fig. 7 Fig. 9 a shaft with built-in. Radio sensors which are exemplary embodiments of the invention; and

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht einer Welle mit einem eingebauten Ausführungsbeispiel und einer stationä­ ren Antenne einer Abfrage- und Auswerteeinrichtung. Fig. 10 is a perspective view of a shaft with a built-in embodiment, and an antenna of a stationä ren interrogation and evaluation device.

Die in den Fig. 1 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiele eines OFW(Oberflächenwellen)-Sensors 16 besitzen jeweils ei­ nen Träger 3, an welchem ein OFW-Bauelement 2, insbesondere durch Kleben befestigt ist. Der Träger 3 bildet einen Defor­ mationskörper, welcher beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 4 als kreisrunde Trägerplatte ausgebildet ist, die einen Durchmesser von etwa 10,0 mm aufweist. Beim Ausführungsbei­ spiel der Fig. 6 bis 8 ist der Träger 3 als rechteckige Trä­ gerplatte ausgebildet. Das OFW-Bauelement 2 ist an der Unter­ seite des Trägers 3 in einer Vertiefung 5 (Fig. 4, 7) ange­ ordnet. Die Vertiefung 5 wird durch einen Deckel 6 dicht ver­ schlossen. Dies kann beispielsweise durch ein in der OFW- Technik übliches Rollennahtschweißen erfolgen. Im Träger 3 ist ferner eine Hochfrequenzdurchführung 17 für die galvani­ sche Verbindung einer Sende- und Empfangsantenne 15 mit den beiden Sammelschienen jeweiliger elektroakustischer Wandler 8, 9 und 10 (Fig. 3, 5), welche in bekannter Weise als Inter­ digitalwandler ausgebildet sind, vorgesehen.The exemplary embodiments of an SAW (surface wave) sensor 16 shown in FIGS . 1 to 6 each have a carrier 3 to which an SAW component 2 is fastened, in particular by gluing. The carrier 3 forms a deformation body, which is formed in the embodiment of FIGS . 1 to 4 as a circular support plate having a diameter of about 10.0 mm. When Ausführungsbei of Figure 6 play. To 8 of the support is formed as a rectangular carrier plate Trä. 3 The SAW component 2 is arranged on the underside of the carrier 3 in a recess 5 ( Fig. 4, 7). The recess 5 is tightly closed by a cover 6 ver. This can be done, for example, by means of roller seam welding which is customary in SAW technology. In the carrier 3 , a high-frequency bushing 17 is also provided for the galvanic connection of a transmitting and receiving antenna 15 to the two busbars of respective electroacoustic transducers 8 , 9 and 10 ( FIGS. 3, 5), which are designed in a known manner as inter digital converters .

Wie aus den Fig. 3 und 5 zu ersehen ist, sind beim OFW-Bau­ element auf einem piezoelektrischen Substrat 7 drei akusti­ sche Wandler 8, 9 und 10 vorgesehen, welche in unterschiedli­ chen Richtungen akustische Oberflächenwellen im in piezo­ elektrischen Substrat 2 erzeugen. Jedem elektroakustischen Wandler 8, 9, 10 ist ein Reflektor 11, 12, 13 (Fig. 3) zuge­ ordnet, welcher die vom jeweiligen elektroakustischen Wandler ausgesendete Oberflächenwelle reflektiert. Jede aus einem e­ lektroakustischen Wandler und einem zugeordneten Reflektor gebildete Einheit bildet in bekannter Weise eine reflektive Verzögerungsleitung VDI Reihe 8, Nr. 515, 1995, Seiten 62 bis 79). Es können in bekannter Weise auch mehrere Reflektoren in der jeweiligen OFW-Richtung vorgesehen sein, die auch disper­ sive Strukturen aufweisen können. Ferner können die Reflekto­ ren in Resonatoranordnung auf dem Substrat 7 vorgesehen sein, wie es die Fig. 5 zeigt.As can be seen from FIGS. 3 and 5, three acoustic transducers 8 , 9 and 10 are provided in the SAW construction element on a piezoelectric substrate 7 , which generate surface acoustic waves in piezoelectric substrate 2 in different directions. Each electroacoustic transducer 8 , 9 , 10 is assigned a reflector 11 , 12 , 13 ( FIG. 3) which reflects the surface wave emitted by the respective electroacoustic transducer. Each unit formed from an electroacoustic transducer and an associated reflector forms in a known manner a reflective delay line VDI series 8, No. 515, 1995, pages 62 to 79). In a known manner, several reflectors can also be provided in the respective SAW direction, which can also have dispersive structures. Furthermore, the reflectors can be provided in a resonator arrangement on the substrate 7 , as shown in FIG. 5.

Wie aus den Fig. 3 und 5 zu ersehen ist, kreuzen sich die We­ ge der drei Oberflächenwellen in einer gemeinsamen Kreu­ zungsstelle 14. Die Länge der Laufzeiten der Oberflächenwel­ len vom jeweiligen Wandler 8, 9, 10 zum zugeordneten Reflek­ tor bzw. zu den zugeordneten Reflektoren 11, 12, 13 und wie­ der zum Wandler zurück, ist ein Maß für die Verzerrung der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 7, welches fest mit dem Träger 3 verbunden ist.As can be seen from FIGS. 3 and 5, the paths of the three surface waves cross in a common intersection 14 . The length of the transit times of the surface wel len from the respective transducer 8 , 9 , 10 to the associated reflector or to the associated reflectors 11 , 12 , 13 and how that back to the transducer is a measure of the distortion of the surface of the piezoelectric substrate 7 , which is firmly connected to the carrier 3 .

Damit die Verzerrung der Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 7 ein Maß für ein am Bauteil 1 wirkendes Moment, insbesondere Drehmoment ist, wird der Träger 3 mit Form­ schluss in eine Ausnehmung 4 des Bauteils 1 eingebaut. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 4 wird der Träger 3 in ei­ ne etwa 5 mm tiefe Sackbohrung des Bauteils 1 eingesetzt. Der Träger 3 besitzt an seinem oberen (äußeren) Teil ein Au­ ßengewinde 18 und ist an seiner unteren (inneren) Hälfte ko­ nisch verbreitert. In die als Sackbohrung ausgebildete Aus­ nehmung 4 wird ein an die untere Hälfte des Trägers 3 ange­ passter konischer Spannring 20 eingesetzt. Mittels einer Spannmutter 19, deren Innengewinde auf das Außengewinde 18 des Trägers 3 aufgesetzt wird, wird über den Spannring 20 der Träger 3 an die Wand der Ausnehmung 4 des Bauteils 1 ange­ presst. Hierdurch wird der Träger 3 in der Ausnehmung 4 ge­ genüber dem Material des Bauteils 1 vorgespannt. Die erfor­ derliche Spannkraft wird durch die Spannmutter 19 geliefert und durch den Spannring 20 übertragen. Die Spannmutter 19 drückt hierzu auf eine plane Oberfläche des Spannringes 20.So that the distortion of the surface of the piezoelectric substrate 7 is a measure of a moment acting on the component 1 , in particular torque, the carrier 3 is installed with a positive fit in a recess 4 of the component 1 . In the embodiment of FIGS. 1 to 4, the carrier 3 is inserted in a ne hole of the component 1 about 5 mm deep. The carrier 3 has an outer thread 18 on its upper (outer) part and is broadened at its lower (inner) half. In the recess 4 formed as a blind bore, a conical clamping ring 20 fitted to the lower half of the carrier 3 is inserted. By means of a clamping nut 19, the internal thread is mounted on the external thread 18 of the carrier 3, the carrier 3 is applied to the wall of the recess 4 of the component 1 is pressed on the clamping ring 20th As a result, the carrier 3 is biased in the recess 4 ge compared to the material of the component 1 . The necessary clamping force is supplied by the clamping nut 19 and transmitted through the clamping ring 20 . For this purpose, the clamping nut 19 presses on a flat surface of the clamping ring 20 .

Bei dem in den Fig. 6 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der rechteckige Träger 3 in einer Ausfräsung des bei­ spielsweise als Welle ausgebildeten Bauteils 1 eingepasst und vorgespannt. Zur Übertragung der Vorspannung dienen zwei Ver­ schraubungen 27. Der rechteckige Träger 3 kann als Passfeder zur Übertragung eines Drehmoments von einer Motorwelle eines Elektromotors auf einen anzutreibenden Rotor ausgebildet sein. Der rechteckige Träger 3 ist in eine längsverlaufende Ausnehmung 4 der Welle 1 eingesetzt, wobei seine beiden seit­ lichen Flächen 26 mit Formschluss an den Seitenwänden der Ausnehmung 4 anliegen. Das zu messende Drehmoment wird an den beiden Seitenflächen 26, welche parallel zur Wellenachse 24 sich erstrecken, übertragen. An den beiden Enden des recht­ eckigen im wesentlichen plattenförmig ausgebildeten Trägers 3 sind Spalten 25 zwischen dem Material der Welle 1 und dem Träger 3 vorgesehen, so dass eine einwandfreie Übertragung des zu messenden Drehmoments auf den Träger 3 erfolgt. An der Unterseite des Trägers 3 befindet sich in der Vertiefung 5 das OFW-Bauelement. Für den Fall, dass der rechteckige Träger 3 als Passfeder ausgebildet ist, ragt diese mit einer be­ stimmten Abmessung über den Umfang der Welle 1 hinaus, so dass das von der Welle 1 vermittelte Drehmoment sicher auf den anzutreibenden Rotor übertragen wird.In the embodiment shown in FIGS . 6 to 8, the rectangular support 3 is fitted and prestressed in a cutout of the component 1, which is designed as a shaft, for example. Two screw connections 27 serve to transmit the pretension. The rectangular carrier 3 can be designed as a feather key for transmitting a torque from a motor shaft of an electric motor to a rotor to be driven. The rectangular carrier 3 is inserted into a longitudinal recess 4 of the shaft 1 , its two lateral surfaces 26 bearing against the side walls of the recess 4 with positive locking. The torque to be measured is transmitted on the two side surfaces 26 , which extend parallel to the shaft axis 24 . At the two ends of the rectangular, essentially plate-shaped support 3 , gaps 25 are provided between the material of the shaft 1 and the support 3 , so that the torque to be measured is transferred to the support 3 without any problems. The SAW component is located in the recess 5 on the underside of the carrier 3 . In the event that the rectangular carrier 3 is designed as a feather key, this protrudes with a certain dimension beyond the circumference of the shaft 1 , so that the torque imparted by the shaft 1 is reliably transmitted to the rotor to be driven.

Der Träger 3 besteht in den Ausführungsbeispielen vorzugs­ weise aus dem gleichen Material, wie das beispielsweise als Welle ausgebildete Bauteil 1 und kann aus Stahl bestehen. Hierdurch wird ein guter Passsitz bei vielfältigen mechani­ schen und thermischen Bedingungen erreicht. Der Träger kann jedoch auch aus einem elastischen Material bestehen, das wei­ cher als das Material des Bauteils 1 ist. Das elastische Ma­ terial kann beispielsweise Federstahl sein. Hierdurch wird eine starke Vorspannung beim Einpassen des als Deformations­ körper wirkenden Trägers 3 in das Bauteil 1 erreicht.The carrier 3 consists in the exemplary embodiments, preferably made of the same material as the component 1, for example, formed as a shaft and can consist of steel. This ensures a good fit in a wide range of mechanical and thermal conditions. However, the carrier can also consist of an elastic material which is white than the material of the component 1 . The elastic Ma material can be spring steel, for example. As a result, a strong prestress is achieved when fitting the carrier 3 acting as a deformation into the component 1 .

Durch den beschriebenen Einbau des OFW-Sensors 16 in das Bau­ teil 1 wird ein Form- und Kraftschluss über den gesamten zu erfassenden Messbereich des zu messenden Drehmoments gewähr­ leistet. Dies wird durch die hinreichend starke Vorspannung des Trägers 3 in der Ausnehmung 4 des Bauteils erreicht. Der Träger 3 kann mit dem Material des Bauteils 1 auch durch Stoffschluss, insbesondere durch Kaltpressschweißen dauerhaft verbunden werden.The described installation of the SAW sensor 16 in the construction part 1 ensures a positive and non-positive connection over the entire measuring range of the torque to be measured. This is achieved by the sufficiently strong prestressing of the carrier 3 in the recess 4 of the component. The carrier 3 can also be permanently connected to the material of the component 1 by material bonding, in particular by cold pressure welding.

Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen befindet sich der OFW-Sensor 16 an der Unterseite (Innenseite) des Trägers 3, welcher dem Bauteil 1, insbesondere der Wellenachse zugewandt ist. Durch diese Anordnung ergibt sich der Vorteil, dass beim Einsatz des OFW-Sensors 16 bei der Drehmomentmessung an einer Welle durch die Rotation der Welle der OFW-Sensor infolge der Fliehkraft gegen den Träger 3 gepresst wird. Ferner ist der Sensor infolge der Unterbringung in dem Hohlraum, der zwi­ schen dem Bauteil 1 und dem Träger 3 gebildet wird, ein zu­ sätzlicher Schutz gegen Umgebungseinflüsse erreicht.In the exemplary embodiments shown, the SAW sensor 16 is located on the underside (inside) of the carrier 3 , which faces the component 1 , in particular the shaft axis. This arrangement has the advantage that when the SAW sensor 16 is used to measure torque on a shaft, the SAW sensor is pressed against the carrier 3 as a result of the centrifugal force due to the rotation of the shaft. Furthermore, as a result of the accommodation in the cavity which is formed between the component 1 and the carrier 3 , additional protection against environmental influences is achieved.

Ferner kann zur hermetischen Abdichtung des OFW-Bauelements 2 ein Quarzdeckel ("all quartz package") vorgesehen sein, wie es in G.K. Montress, T.E. Parker und J. Callerame "A minia­ ture hybrid circuit SAW oscillator using an all quartz packa­ ged resonator", Proceedings of the IEEE Ultrasonics Sympo­ sium, 1985, Vol. 1, Seiten 277 bis 282, beschrieben ist. Der Quarzdeckel ist mit einer umlaufenden Glasfritte dicht mit dem Trägermaterial verbunden.Furthermore, a quartz cover ("all quartz package") can be provided for the hermetic sealing of the SAW component 2 , as described in GK Montress, TE Parker and J. Callerame "A miniature hybrid circuit SAW oscillator using an all quartz packa ged resonator" , Proceedings of the IEEE Ultrasonics Symposium, 1985, Vol. 1, pages 277 to 282. The quartz lid is tightly connected to the carrier material with an all-round glass frit.

Bei einer weiteren nicht näher dargestellten Ausführungsform kann der OFW-Sensor auch außenliegend am Träger 3 befestigt sein, wobei bevorzugt der gemäß Fig. 4 aufgeschweißte Deckel 6 zur Anwendung kommt. Die Hochfrequenzdurchführung 17 er­ folgt dann durch den Deckel 6.In a further embodiment, not shown, the SAW sensor can also be attached to the outside of the carrier 3 , the cover 6 welded on according to FIG. 4 preferably being used. The high-frequency feedthrough 17 then follows through the cover 6 .

Mit den in den Fig. 3 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiel des OFW-Bauelements werden drei Sensorsignale gewonnen, die die Bestimmung von drei voneinander unabhängigen Verzerrungs­ komponenten, welche aus der Belastung des Bauteils 1, insbe­ sondere der Welle bei einer Drehmomentübertragung resultie­ ren, ermöglichen. In bevorzugter Weise sind die akustischen Wandler 8, 9, 10 sowie die zugeordneten Reflektoren 11, 12, 13 in der Weise angeordnet, dass die Wege der Oberflächenwel­ len bezüglich einer Vorzugsrichtung unter 0°, 45° und -45° oder unter 0°, 60° und -60° verlaufen. Bei Anwendung des OFW- Sensors 16 zur Drehmomentmessung an einer Welle, insbesondere Motorwelle erfolgt die Anordnung des OFW-Bauelements so, dass durch die Wellenachse 24 die Vorzugsrichtung bestimmt ist. Die Anordnung kann beispielsweise so erfolgen, dass der Weg der Oberflächenwelle, die in der vom elektroakustischen Wand­ ler 9 und dem zugeordneten Reflektor 12 gebildeten mittleren OFW-Einheit gebildet wird, parallel zur Wellenachse 24 ver­ läuft. Diese Ausbreitungsrichtung erfolgt dann unter 0° und die beiden anderen Ausbreitungsrichtungen erfolgen unter 45° bzw. 60° oder -45° bzw. -60°. Mit Hilfe einer Markierung kann diese Orientierung am OFW-Bauelement 2 gekennzeichnet sein. Die Winkelposition des OFW-Sensors 16 kann jedoch auch durch einen Eich-Vorgang ermittelt werden, bei welchem bei einer gezielten Deformation, z. B. einer alleinigen Wellentorsion oder alleinigen Querbiegung der Welle die entsprechenden Sen­ sorsignale für die nachträgliche Ermittlung der Winkelposi­ tion ausgewertet werden. Ferner kann eine grobe Ausrichtung des OFW-Sensors 16 bei der Montage erfolgen und nachträglich durch Eichung die genaue Winkelposition festgelegt werden. Bei der Auswertung der Sensorsignale, welche den drei Verzer­ rungskomponenten zugeordnet sind, wird dann diese Winkelposi­ tion berücksichtigt.With the embodiment of the SAW component shown in FIGS. 3 and 5, three sensor signals are obtained which enable the determination of three mutually independent distortion components which result from the load on the component 1 , in particular the shaft during torque transmission. The acoustic transducers 8 , 9 , 10 and the associated reflectors 11 , 12 , 13 are preferably arranged in such a way that the paths of the surface waves are below 0 °, 45 ° and -45 ° or below 0 ° with respect to a preferred direction, 60 ° and -60 ° run. When using the SAW sensor 16 for torque measurement on a shaft, in particular a motor shaft, the SAW component is arranged such that the preferred direction is determined by the shaft axis 24 . The arrangement can for example be such that the path of the surface wave, which is formed in the middle SAW unit formed by the electroacoustic wall 9 and the associated reflector 12 , runs parallel to the shaft axis 24 . This direction of propagation then takes place at 0 ° and the other two directions of propagation take place at 45 ° or 60 ° or -45 ° or -60 °. This orientation can be marked on SAW component 2 with the aid of a marking. The angular position of the SAW sensor 16 can, however, also be determined by a calibration process, in which a specific deformation, e.g. B. a single shaft torsion or sole transverse bending of the shaft, the corresponding sensor signals for the subsequent determination of the angular position are evaluated. Furthermore, the SAW sensor 16 can be roughly aligned during assembly and the exact angular position can be subsequently determined by calibration. This angular position is then taken into account when evaluating the sensor signals which are assigned to the three distortion components.

Wie anhand der Fig. 4 und 7 gezeigt ist, besitzt der OFW-Sen­ sor 16 die Empfangs- und Sendeantenne 15. Der OFW-Sensor 16 kann daher als Funksensor eingesetzt werden. Die Empfangs- und Sendeantenne 15 kann als Schleifenantenne ausgebildet sein. In vorteilhafter Weise kann sie in eine Vergussmasse 23 mit hoher Diaelektrizitätskonstanten und hoher mechanischer Stabilität eingebettet und am Träger 3 befestigt sein. Die Antennenschleife kann an den Durchmesser des Trägers 3 ange­ passt sein. Sie kann jedoch auch einen größeren Durchmesser aufweisen. Die Ausbildung der Verspanneinrichtung (Spannmut­ ter 19 und Spannring 20) sind dann entsprechend angepasst. Anstelle der Vergussmasse 23 kann auch eine Keramikscheibe verwendet werden, auf deren Oberfläche die Antenne in Planar­ technik aufgebracht ist. Es wird hierzu eine Keramik mit ho­ her Diaelektrizitätskonstante und geringem Verlustfaktor ver­ wendet.As shown in FIGS. 4 and 7, the SAW sensor 16 has the receiving and transmitting antenna 15 . The SAW sensor 16 can therefore be used as a radio sensor. The receiving and transmitting antenna 15 can be designed as a loop antenna. It can advantageously be embedded in a casting compound 23 with high diaelectricity constants and high mechanical stability and fastened to the carrier 3 . The antenna loop can be adjusted to the diameter of the carrier 3 . However, it can also have a larger diameter. The design of the bracing device (Spannmut ter 19 and clamping ring 20 ) are then adjusted accordingly. Instead of the casting compound 23 , a ceramic disk can also be used, on the surface of which the antenna is applied using planar technology. A ceramic with a high diaelectricity constant and a low loss factor is used for this purpose.

Der beschriebene OFW-Sensor kann somit als Funksensor ausge­ bildet sein und eine bevorzugte Anwendung bei der Drehmoment­ messung an Wellen insbesondere Motorwellen von Elektromotoren finden. Bei dem in der Fig. 9 dargestellten Ausführungsbei­ spiel, welche schnittbildlich eine Welle als Bauteil 1 zeigt, sind an diametralen Orten als Funksensoren ausgebildete OFW- Sensoren eingebaut. Zugeordnete Empfangs- und Sendeantennen 22 sind induktiv oder kapazitiv an den jeweiligen OFW-Funk­ sensor angekoppelt. Hierdurch wird vermieden, dass Kräfte auf den Sensor übertragen werden, die das Messsignal verfälschen könnten. Es können auch mehr als zwei Sensoren am Umfang der Welle eingesetzt werden.The SAW sensor described can thus be formed as a radio sensor and find a preferred application in torque measurement on shafts, in particular motor shafts of electric motors. In the exemplary embodiment shown in FIG. 9, which shows a shaft as component 1 in a sectional view, SAW sensors designed as radio sensors are installed at diametrical locations. Associated receiving and transmitting antennas 22 are inductively or capacitively coupled to the respective SAW radio sensor. This prevents forces from being transferred to the sensor that could falsify the measurement signal. More than two sensors can also be used on the circumference of the shaft.

Das in Fig. 10 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine stationäre Antenne 22, welche die Welle (Bauteil 1) im Be­ reich der Anordnung des OFW-Sensors 16 umfasst. Hierdurch wird ein ständiger Funkkontakt mit der stationären Antenne 22, welche an ein nicht näher dargestelltes Abfrage- und Aus­ wertegerät angeschlossen ist, unabhängig von der jeweiligen Drehwinkelposition der Welle aufrechterhalten.The embodiment shown in FIG. 10 shows a stationary antenna 22 which includes the shaft (component 1 ) in the area of the arrangement of the SAW sensor 16 . This maintains constant radio contact with the stationary antenna 22 , which is connected to an interrogation and evaluation device (not shown), regardless of the respective angular position of the shaft.

Claims (19)

1. Verfahren zur Messung eines an einem Bauteil wirkenden Mo­ ments, insbesondere Drehmoments, bei dem akustische Oberflä­ chenwellen an einem zumindest kraftschlüssig mit dem Bauteil verbundenen piezoelektrischen Substrat durch hochfrequente Abfrageimpulse angeregt und reflektiv verzögerte Antwortsig­ nale, welche vom zu messenden Moment beeinflusst sind, für die Bestimmung des Moments ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass am Substrat wenigstens drei akus­ tische Oberflächenwellen (OFW) mit unterschiedlichen Ausbrei­ tungsrichtungen erzeugt werden und dass die dadurch gebilde­ ten Antwortsignale, welche drei unabhängige vom zu messenden Moment verursachte Verzerrungskomponenten aufweisen, zur Mo­ mentenbestimmung ausgewertet werden.1. Method for measuring a moment acting on a component, in particular torque, in which acoustic surface waves are excited on a piezoelectric substrate at least non-positively connected to the component by high-frequency query pulses and reflectively delayed response signals which are influenced by the moment to be measured for the determination of the moment are evaluated, characterized in that at least three acoustic surface waves (SAW) are generated with different directions of propagation on the substrate and that the response signals formed thereby, which have three independent distortion components caused by the moment to be measured, are evaluated for determining the moment become. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass die wenigstens drei Ausbreitungsrichtungen der OFW sich an einer gemeinsamen Kreuzungsstelle überkreuzen.2. The method according to claim 1, characterized in net that the at least three directions of propagation of the SAW cross at a common crossing point. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Ausbreitungsrichtungen unter 0°, 45° und -45° oder unter 0°, 60° und -60° zu einer Vorzugsrichtung liegen.3. The method according to claim 1 or 2, characterized records that the directions of propagation are below 0 °, 45 ° and -45 ° or below 0 °, 60 ° and -60 ° to a preferred direction lie. 4. Vorrichtung zur Messung eines an einem Bauteil (1) wirken­ den Moments, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem OFW-Sensor (16), der ein UFW-Bauelement (2) mit re­ flektiver Verzögerungsleitung aufweist, dessen piezoelektri­ sches Substrat (7) zumindest kraftschlüssig mit dem Bauteil (1) verbunden ist, an welchem das zu messende Moment wirkt, dadurch gekennzeichnet, dass das OFW-Bauelement (2) in einem nach außen abgedichteten Hohlraum (5) des Bauteils (1) angeordnet ist und über einen Formschluss mit dem Bauteil (1) verbunden ist. 4. Device for measuring a on a component ( 1 ) act the moments, in particular according to one of claims 1 to 3, with an SAW sensor ( 16 ) having a UFW component ( 2 ) with re flective delay line, the piezoelectri cal substrate ( 7 ) is at least non-positively connected to the component ( 1 ) on which the moment to be measured acts, characterized in that the SAW component ( 2 ) is arranged in an externally sealed cavity ( 5 ) of the component ( 1 ) and is connected to the component ( 1 ) via a positive connection. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, dass das OFW-Bauelement (2) mit einem Träger (3) fest verbunden ist, und dass der Träger (3) mit Formschluss in ei­ ner Ausnehmung (4) des Bauteils (1) befestigt ist.5. The device according to claim 4, characterized in that the SAW component ( 2 ) with a carrier ( 3 ) is fixedly connected, and that the carrier ( 3 ) with a positive fit in a recess ( 4 ) of the component ( 1 ) is attached. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Träger (3) mit Vorspannung oder Stoff­ schluss, insbesondere Kaltpressschweißen in die Ausnehmung (4) des Bauteils (1) eingesetzt ist.6. The device according to claim 4 or 5, characterized in that the carrier ( 3 ) with bias or material circuit, in particular cold pressure welding in the recess ( 4 ) of the component ( 1 ) is used. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6; dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (3) aus dem gleichen Material wie das Bauteil (1) besteht.7. Device according to one of claims 4 to 6; characterized in that the carrier ( 3 ) consists of the same material as the component ( 1 ). 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (3) aus einem elasti­ schen Material besteht.8. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the carrier ( 3 ) consists of an elastic material's. 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen des Trägers (3) so bemessen sind, dass senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Oberflächenwellen (OFW) einwirkende Kräfte das OFW-Bauelement nicht beeinflussen.9. Device according to one of claims 5 to 8, characterized in that the dimensions of the carrier ( 3 ) are dimensioned such that forces acting perpendicular to the direction of propagation of the surface acoustic waves (SAW) do not influence the SAW component. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das OFW-Bauelement (2) in einer Vertiefung (5) am Träger (3) angeordnet ist, welche mit einem Deckel (6) dicht abgeschlossen ist.10. Device according to one of claims 4 to 9, characterized in that the SAW component ( 2 ) is arranged in a recess ( 5 ) on the carrier ( 3 ), which is sealed with a cover ( 6 ). 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des OFW-Bauele­ ments (2) durch einen Quarzdeckel geschützt ist.11. The device according to one of claims 4 to 9, characterized in that the surface of the SAW element ( 2 ) is protected by a quartz lid. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem piezoelektrischen Sub­ strat (7) des OFW-Bauelements (2) wenigstens drei akustische Wandler (8, 9, 10) mit unterschiedlichen Ausbreitungsrichtun­ gen der von ihnen erzeugten Oberflächenwellen und den jewei­ ligen Wandler zugeordneten Reflektoren (11, 12, 13) gebildet sind.12. Device according to one of claims 4 to 11, characterized in that on the piezoelectric sub strate ( 7 ) of the SAW component ( 2 ) at least three acoustic transducers ( 8 , 9 , 10 ) with different propagation directions gene of the surface waves generated by them and the respective transducers associated reflectors ( 11 , 12 , 13 ) are formed. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die elektroakustischen Wandler (8-10) und die Reflektoren (11-13) so angeordnet sind, dass die Ausbreitungsrichtungen der Oberflächenwellen sich in einer gemeinsamen Kreuzungsstelle (14) kreuzen.13. The apparatus according to claim 12, characterized in that the electroacoustic transducers ( 8-10 ) and the reflectors ( 11-13 ) are arranged so that the directions of propagation of the surface waves intersect in a common crossing point ( 14 ). 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der OFW-Sensor als Funksensor ausgebildet ist.14. Device according to one of claims 4 to 13, characterized characterized that the SAW sensor as a radio sensor is trained. 15. Vorrichtung nach Anspruch 14; dadurch gekenn­ zeichnet, dass der als Funksensor ausgebildete OFW-Sensor (16) eine als Schleifenantenne ausgebildete Empfangs- und Sendeantenne (14) aufweist.15. The apparatus of claim 14; characterized in that the SAW sensor ( 16 ) in the form of a radio sensor has a receiving and transmitting antenna ( 14 ) in the form of a loop antenna. 16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekenn­ zeichnet, dass an dem OFW-Sensor (16) induktiv eine Emp­ fangs-Sendeanstenne (21) gekoppelt ist.16. The apparatus according to claim 15, characterized in that on the SAW sensor ( 16 ) is an induction transmission antenna ( 21 ) coupled inductively. 17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 16; dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) ein Drehmoment, welches von dem OFW-Bauelement (2) erfasst wird, überträgt.17. The device according to one of claims 4 to 16; characterized in that the component ( 1 ) transmits a torque which is detected by the SAW component ( 2 ). 18. Vorrichtung nach Anspruch 17; da durch gekenn­ zeichnet, dass das Drehmoment von einem Elektromotor er­ zeugt wird.18. The apparatus of claim 17; because known by records that he torque from an electric motor is fathered. 19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (3) ein Verbindungs­ element bildet, das einen Formschluss zwischen dem als Welle ausgebildeten Bauteil (1) und einem anzutreibenden Rotor bil­ det.19. The device according to one of claims 1 to 18, characterized in that the carrier ( 3 ) forms a connecting element which a positive connection between the shaft-shaped component ( 1 ) and a rotor to be driven bil det.