EP1051601A1 - Sensor zur berührungslosen messung von drehmomenten - Google Patents

Sensor zur berührungslosen messung von drehmomenten

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Publication number
EP1051601A1
EP1051601A1 EP99961022A EP99961022A EP1051601A1 EP 1051601 A1 EP1051601 A1 EP 1051601A1 EP 99961022 A EP99961022 A EP 99961022A EP 99961022 A EP99961022 A EP 99961022A EP 1051601 A1 EP1051601 A1 EP 1051601A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electrode
stator
sensor according
rotor
strips
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP99961022A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Heinrich Acker
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Daimler AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler AG filed Critical DaimlerChrysler AG
Publication of EP1051601A1 publication Critical patent/EP1051601A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating

Definitions

  • the invention relates to a sensor for the contactless measurement of torques.
  • a sensor is particularly suitable for the contactless measurement of torques on rotating shafts or disks.
  • a disk is also understood to mean, for example, a flange which is arranged on a shaft.
  • the contactless measurement of the torque is one of the most important sensory problems in automation technology.
  • Applications include the monitoring and control of drives and gearboxes, for example to determine the instantaneous power, the operating resistance and / or damage, for example bearing damage, the monitoring of work processes that are driven by rotating machine parts, e.g. tool monitoring on machine tools, transport of media such as foils, sheets or paper, dynamic consumption optimization in motor vehicles and in robotics.
  • rotor and “rotor -" are used for the rotating element, for example a shaft or a disk or a flange and all rotating components of the devices under consideration, for all other non-rotating components the terms “stator” "and” Stator -... "used.
  • a torque measurement based on strain gauges is generally known. For example, glued to a shaft and usually connected to a bridge.
  • Non-contact measurement is only possible if, instead of a slip ring transmitter, a telemetry device is used that transmits energy to the rotating measuring device on a shaft by means of electromagnetic coupling, just as the measuring signals do in the opposite direction.
  • Methods with slip rings as well as with telemetry have been used for a long time.
  • Capacitive torque sensors are also known, in which capacitances are arranged on a shaft, which basically work as position or strain sensors. Such arrangements are known for example from EP 0 354 386 AI, US 4,866,993. The capacities are placed in such a way that a torsion of the shaft is converted into a change in capacity. The electrical signals resulting from the change in capacitance are transmitted electromagnetically to the stationary part with a separate device or with a slip ring.
  • Telemetry devices are now very expensive and are therefore ruled out for large-scale applications, for example in automotive engineering.
  • the electronics arranged on a shaft unacceptably change the mechanical properties in some applications, e.g. by forming an imbalance. If the rotating electronics are not potted, failures can occur due to the strong acceleration that acts on the electronic circuit. In addition, with such arrangements, repairs and changes are difficult or impossible.
  • AI sensors according to the magnetostriction principle are also known, in which the torque from the magnetic flux is determined by a film glued to a shaft, the permeability of which is dependent on the mechanical tension on the shaft surface. depends on.
  • the problem here is that the magnetostriction principle, due to the irregularity of the foils used, causes an error which is referred to as circulation modulation.
  • such foils require heat treatment, which in many applications is incompatible with the manufacture of the shaft. If a film is completely dispensed with and the magnetostrictive effect of the shaft material is used, the measurement signals become too small. In order to eliminate these disadvantages, special steels are used that are not suitable for many applications due to their high price.
  • the punctiform measurement of an individual sensor of the magnetostrictive type is also susceptible to errors due to bending loads, for example of a shaft. If the sensor is to enclose the shaft in order to avoid this problem, the construction volume and complexity increase considerably.
  • torsional phase shifts between two sample carriers are determined by means of various, for example optical or inductive, methods.
  • the problem here is that the principle of the phase shift requires long waves.
  • Many sensors of this type have a large construction volume, since the space between the fastening points of the sample carriers is also occupied by the sensor.
  • Sensor forms are known in which the space between the fastening points of the sample carriers remains free. But you also need a long, basically free shaft piece to measure on. Such shaft pieces only occur in machines in which the driving force has to be transported. All other shafts are compact with elements for torque absorption and output.
  • the field of application is further restricted by the fact that free shaft pieces are often harsh environments, eg aggressive working media. In principle, a static measurement, ie a measurement with a standing wave, is not possible with this method. This also makes calibration difficult.
  • the torque can also be achieved by converting the tension or expansion into a relative change in position of one rotor part relative to another, which can be measured from the stator without contact using distance sensors.
  • the installation space that they take up - sometimes in the axial, sometimes in the radial direction - speaks against mechanical converters of this type.
  • the object of the invention is to measure the torque, in particular on a rotating shaft or disk, and to combine the following properties in one measuring device:
  • Non-contact measurements no sensor-related imbalance, no rotating electronics, negligible rotation modulation, negligible cross sensitivity for shaft bending when measuring on shafts, smallest size, when measuring on shafts: simple shaft production (straight circular cylinder), for measurements on discs: simple disc production (simple circular disc) , no complicated machine parts, no additional bearings, static measurement and calibration possible, dynamic measurement possible regardless of speed,
  • Torque changes one or more capacitances, the capacitance measurement being carried out either directly or by measuring a bridge voltage. Any method for measuring capacitance can be provided.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a sensor according to the invention with rotor and stator electrodes
  • Fig. 2 is a partial sectional view of the shaft shown in Fig. 1;
  • Fig. 3 shows the arrangement of the capacitances of the embodiment shown in Fig. 1;
  • FIG. 4 shows the core and stray field using a strip of the rotor electrode shown in FIG. 1;
  • FIG. 6 shows further embodiments of rotor and stator electrodes of a sensor according to the invention.
  • FIG. 7 shows yet another exemplary embodiment of a sensor according to the invention.
  • FIG. 8 shows a further exemplary embodiment of a sensor according to the invention.
  • FIG. 9 shows a circuit example of a sensor according to the invention with a full bridge
  • FIG. 13 shows the equivalent circuit diagram of a further exemplary embodiment of a sensor according to the invention.
  • FIG. 15 schematically shows a sectional view of a rotor of a further exemplary embodiment of a sensor according to the invention.
  • An embodiment of a sensor shown in FIG. 1, has a shaft W on which very narrow strips are arranged obliquely to the shaft axis, preferably at an angle of 45 °, which form a rotor electrode R.
  • the strips of the rotor electrode R form a periodic pattern which extends over the shaft circumference.
  • a web is arranged in the middle between the strips, which connects all strips in a conductive manner.
  • the structure of the rotor electrode R shown in black in FIG. 1 is made in this exemplary embodiment from a thin, approximately lum thick metal film which is arranged on an insulator film and can be produced, for example, by vapor deposition. The film is attached to the shaft, usually by gluing, as is known, for example, from strain gauges.
  • Stator electrodes SI, S2, S3 are arranged in the immediate vicinity of the shaft and the rotor electrode R.
  • the stator electrodes SI and S3 are capacitively coupled to the strips of the rotor electrode R, the stator electrode S2 forms a capacitive coupling to the central web.
  • the capacitance at the stator electrode S2 is considerably higher than that at the stator electrodes SI or S3, since the entire area of the stator electrode S2 faces the central web of the rotor electrode R.
  • All three stator electrodes SI, S2, S3 follow the shape of an imaginary cylinder jacket, which is located at a short distance, for example 100 ⁇ m. carries to the shaft is arranged.
  • the angle at the circumference of the shaft which is taken up by the stator electrodes SI, S2, S3, is an integer multiple of the angular period of the stripe pattern of the rotor electrode R. This ensures that the capacitance between the rotor and the stator with free, unloaded rotation of the shaft does not change. The sensor thus detects the torque regardless of the speed of the shaft.
  • FIG. 2 shows a partial sectional view through the shaft W and the electrodes stacked one above the other.
  • the insulator D a dielectric, which has a thickness of 100 ⁇ m, for example, is arranged on the shaft W.
  • the rotor electrode R is arranged on the dielectric D.
  • the rotor electrode R is not shown in FIG. 2 any further.
  • the extremely thin layer of the electrode material can be viewed as a two-dimensional structure.
  • An air gap L separates the rotor electrode R from the stator electrode S.
  • the thickness of the air gap can be 100 ⁇ m, for example.
  • the stator electrodes are arranged one behind the other in FIG. 2.
  • FIG. 3 the arrangement of the capacitances of the embodiment described in Figs. 1 and 2 is shown schematically in the form of an equivalent circuit diagram.
  • C2R denotes the coupling capacitance between the center land of the rotor electrode R and the stator electrode S2.
  • the capacitances between the strips of the rotor electrode R and the stator electrodes SI and S3 are designated by CIR and C3R.
  • the stator electrodes S1, S3 and the rotor electrode R each have a capacitance to the shaft itself, which is denoted by C1W, C3W and CRW.
  • CIR, C2R and C3R are mainly important for the measurements to be described below.
  • stator electrodes S1, S2 and S3 are led to the outside as three connections of a differential capacitance to a capacitance measuring device (not shown).
  • a capacitance measuring device (not shown).
  • Each electrode edge in the example that of the rotor electrode R opposite the stator electrode S1, shows a so-called stray field, which is denoted by SF, which is usually neglected in addition to the actual core field designated as KF.
  • SF stray field
  • the area and circumference of the strips of the rotor electrode is chosen to be so small (for example a length of the strips of 10 mm width, a width of 5 ⁇ m) that the capacity of such an arrangement (rotor electrode R - stator electrode S) is due to the fact that it forms on the edge of the electrode Stray field SF is dominated. Since the stray field SF is formed along the circumference of the electrode, the associated proportion of capacitance is not proportional to the area, but to the length. The electrode thus acts as a kind of strain gauge. The strips must not be too close together, because otherwise their fields overlap to form a single one, whereby the stray field SF disappears. Therefore there is an optimum for the strip spacing, because ⁇ C is also proportional to the number of strips.
  • FIGS. 6 to 10 show further exemplary embodiments and possible variations of components of the sensor.
  • FIG. 5 shows a section analogous to FIG. 2.
  • the structure of the rotor electrode R is produced in the form of narrow webs that stand out from the surrounding shaft surface.
  • the black triangles shown in Fig. 5 are the cut surfaces of these webs.
  • the electric field concentrates on these elevations, although the wave W is not isolated from R.
  • the measurement effect is the same as in the example described above, but the field must be recalculated in order to obtain a value ⁇ C ( ⁇ ma ⁇ ) as a measure of the sensitivity.
  • the webs can be produced, for example, by machining processes such as milling, by forming processes or by etching.
  • FIG. 6 schematically shows two simplified exemplary embodiments which can be arranged on the shaft in a particularly space-saving manner.
  • a shape reduced to a sensor capacitance which is only about half the length of the sensor shown above in connection with FIG. 1, because the stator electrode S2 can be made much narrower than in FIG. 1 without significant impairment of the measurement the schematic diagrams as long as C2R is much larger than CIR.
  • the electrode S2 can also be dispensed with.
  • the one on the right Side electrode R0 shown, which is part of the rotor electrode R, then directly establishes the connection to the shaft.
  • the easiest way to implement this shape is in the manner shown in connection with FIG. 5.
  • the problem with this embodiment is the lack of a difference measurement.
  • the coupling electrode S2 has been divided in half onto the edges. Better shielding of the sensor is advantageous here, especially if the film shape is selected. Except for the narrow air gap, the sensor can then be assembled in a shielded housing. There is therefore no capacity available.
  • two sensors are arranged on the same surface in order to make better use of them. If measuring circuits are operated on the stator electrode S2 and the stator electrodes S4a / S4b, which operate at different frequencies with rotor electrodes R1 or R2a / R2b, the corresponding electric fields overlap without the measurements influencing one another. A completely separate working spectrum of the measuring circuits is a prerequisite. The density of the strips can then be doubled overall, but remains the same for each sensor. With this arrangement, a higher accuracy can be achieved because the mean value can be formed from two individual measurements.
  • FIG. 9 schematically shows the equivalent circuit diagram of a sensor which is formed from two arrangements according to FIG. 1 or 7. The designations of the one half correspond to that in FIG. 1, the other half with deleted reference numerals is contributed by an identical second sensor which is arranged next to the first on the same shaft.
  • Ü denotes the supply voltage of the bridge, Um represents the measuring voltage.
  • stator electrodes S1 and S3 should have the largest possible area. It is ideal to make both electrodes cylindrical, i.e. to completely enclose the shaft. In FIGS. 1, 2 and 5-8, a smaller - also possible - electrode shape was only chosen in order to be able to better represent the electrodes.
  • the main advantage is the elimination of further disturbances. If the electrodes are only arranged on one side, a wave impact modulates the measurement signal, even if the difference measurement counteracts this. However, the problem of the wave impact is further reduced by the annular stator electrode. Furthermore, the influence of a bending stress on the shaft can be eliminated because bending deformations from opposite shaft sides are canceled out.
  • stator S can lig performed and assembled or folded around the shaft.
  • the aim should be to come as close as possible to the full circle as the stator electrode S.
  • the 180 ° shape represents the maximum in this case, but is not optimal from the point of view of eliminating the bending stress.
  • stator according to the exemplary embodiment shown on the right in FIG. 10 is made of a highly elastic material which does not undergo any relevant plastic deformation when the sensor is slid on in position S ', the stator S can encompass an enclosing angle of significantly more than 180 °. If the stator electrodes are only arranged at the two opposite ends of the stator, a complete elimination of the shaft bending is possible despite the open, easy-to-install stator.
  • the sensor for torque measurement described above requires structuring the rotor electrode R using methods that have high accuracy and resolution. This is in series production, which is suitable for a film sensor e.g. based on photolithographic processes, no significant problem within the necessary structure sizes.
  • the rotor electrode it should be pointed out that it is not necessary to design the rotor electrode strictly as a comb-like structure as shown in FIG. 1 and in FIGS. 6-8.
  • a meandering structure is also possible if narrow, long stripes are present and can be connected to one another and with a larger area.
  • the meandering shape as a connection between the strips and the coupling surface, ie to the central web of the rotor electrode R, has no significant disadvantages compared to the comb shape if the layer of the rotor electrode has a high conductivity.
  • the meander shape has the advantage, however, that it is already available fully etched in the form of a variety of strain gauge shapes (foil strain gauges). You can on In this way, there is no need to generate the structure and, with commercial strain gauges, the manufacture of sensors is simplified.
  • the measurement of the torque on a shaft has been described above.
  • the invention is not limited to this; it can also be used for contactless torque measurement on a flange or on a disk.
  • One of the most interesting applications for torque measurement is in the drive train of motor vehicles, between the engine and the transmission. There, the installation space is very limited, particularly in the axial direction.
  • the torque-transmitting components in this area which also includes, for example, the clutch or the torque converter in automatic transmissions, are predominantly designed as flanges. In particular, there are hardly any free areas on the shaft pieces. In this case, the free flange surfaces must be used for torque measurement.
  • the torque measurement on a disk or on a flange is described below.
  • the advantage here is the better adaptation to the existing installation space.
  • FIG. 11a shows the basic shape of an embodiment corresponding to FIG. 1, transferred to a flange / disk shape.
  • the rotor electrode R is arranged on the flange, on the inside of which the torque is introduced, for example by a shaft, and on the outside of which the torque is taken off or vice versa.
  • the rotor electrode R has a ring which is concentric with the axis of rotation and which acts on the coupling electrode S2 on the stator, and strips on both sides of the concentric ring which, as in the case of the waveform of the torque sensor shown in connection with FIG. to effect changes in capacity with different signs.
  • the measuring capacities are determined by the strips and the stator electrodes S1, S2 formed, so that the equivalent circuit diagram of FIG. 3 results, in which case W stands for the flange. In this case the capacities for the flange W are C1W, CRW, C3W.
  • FIG. 11b (the lower half of FIG. 11) shows a variant which corresponds to that explained in FIG. 6 on the left-hand side and in connection with the shaft.
  • the result is, as an advantage, a smaller measurement area without a difference measurement.
  • stator electrodes S1, S2 in both cases shown in connection with FIG. 11, it is advantageous to design the stator electrodes S1, S2 in a ring shape in order to maximize the measuring capacity.
  • FIG. 12 Another exemplary embodiment for measuring the torque in connection with a disk-shaped flange is shown in FIG. 12.
  • the embodiment shown in FIG. 12 corresponds with respect to the electrode arrangement to the embodiment shown in FIG. 7 in connection with the shaft and explained above.
  • the stator electrode is divided between the two halves S2a and S2b. This has the following advantages:
  • the electrodes S2a and S2b are at the same potential and can enclose the measuring space as a shield if they are designed in a ring (not shown). Only the air gap between the stator and the rotor can then act as an opening through which interference can be electromagnetically coupled into the measuring space.
  • the capacitances at the stator electrodes S1 and S3 are thus closer together, which can reduce cross-sensitivity to temperature influences, insufficient flatness of the flange and unbalance. The ratio of inner and outer radius in the area of the strips is reduced.
  • the exemplary embodiments shown in connection with FIG. 11 have the advantage that the measuring surface and the coupling surface are flat, which on the one hand facilitates the assembly, for example the adhesive, of the measuring foil, which no longer has to be guided around the shaft. On the other hand, the manufacture of the stator, which also has a flat surface, is facilitated.
  • the measuring surface is therefore advantageously designed as strips in which the outside and inside radius differ by more than 10-20%, the distance between the strips being measured according to the inside radius.
  • a measuring surface with a greater difference between the outer and inner radius should be divided into several independent measuring surfaces that can be connected in parallel.
  • the prerequisite for a difference measurement is two capacities of the same size, which change with the same amount and different sign. To do this, another condition must be met, namely the area of the rotor and stator electrodes, both capacities form. After that, the internal capacity is given a larger radial expansion.
  • the measurement of the torque is not limited to flat washers or flanges. Rather, curved discs or flanges can also be used, in which case the strips can be attached to the curved surface, for example by gluing a very flexible film.
  • the measuring room of the sensors described above i.e. the space in which the variable electric field, which is schematically described in Fig. 4, is arranged, is the air gap between the stator electrode S and the rotor electrode R.
  • the capacitance is inversely proportional to the distance, i.e. to the air gap width.
  • the air gap L should be as narrow as possible.
  • the stator and rotor are separate parts which are connected by bearings and moved against one another and which can also produce vibrations, an air gap of the order of 100 ⁇ m is to be regarded as the lower limit. Not only must it be avoided that the stator electrode S and the rotor electrode R touch temporarily, but also that the distance changes so much that even a difference measurement can no longer eliminate the cross sensitivity.
  • the measuring effect per unit area can only be increased by reducing the distance or filling the measuring room with a dielectric. Liquid dielectrics, especially water, significantly increase the measuring effect, but are only suitable for a few applications.
  • the measurement effect can also advantageously be increased by measurement with the aid of a multilayer film or generally a multilayer electrode arrangement on the rotor, as exemplified in FIGS. 14 and 15 is shown. In this case, the coupling between the rotor and the stator takes place with the aid of several flat electrodes on the rotor and stator side.
  • the sensors with multi-layer electrode arrangements are characterized by at least two pairs of stator electrode / rotor electrode.
  • the measuring space lies firmly on the rotor, for example between layers of a film.
  • the space can be made very narrow, with laminated films up to a size of 10 ⁇ m, when applying an insulating layer by CVD processes, printing processes, vapor deposition, sputtering or other coating processes up to a size of 1 ⁇ m .
  • Distances of the order of 6 ⁇ m are of particular interest because the width and the distance between the measuring strips have to be scaled with the insulation layer thickness and the demands on the structuring technology for the strips up to 1 ⁇ m layer thickness are very high.
  • the equivalent circuit diagram of a sensor with a multilayer electrode arrangement is shown schematically in FIG.
  • the rotor electrode now includes the electrodes R and Rl ', R2', R3 '.
  • the electrode R has the stripe structure as in the exemplary embodiments described above, the electrodes R1 ', R2', R3 'assume the function of the stator electrodes S1, S2, S3 described above in this arrangement, i.e. Rl 'and R3' completely cover the area of the measuring strips.
  • the measuring field shown schematically in FIG. 4 thus forms within the rotor.
  • the air gap L now lies between the electrodes R1 and S1 and between R3 and S3 (not shown in FIGS. 14 and 15). In this way, the following two advantages can essentially be achieved with the same measuring surface:
  • the measuring effect or the sensitivity are increased by the factor resulting from the quotient Air gap width and insulation layer thickness multiplied by the dielectric number of the insulator gives, the coupling capacity between the electrodes Rl 'and Sl and between R3' and S3 was also increased because flat electrodes face each other and not just the striped electrodes on one side.
  • FIG. 14 An exemplary embodiment of an electrode arrangement is shown in section in FIG. 14.
  • FIG. 15 A further exemplary embodiment is shown in FIG. 15, in which case a connection at the edge of the film or through plated-through holes is used to further improve the sensor.
  • the electrodes R1 'and R3' have additional areas under the electrode R, so that the sensitivity is doubled.
  • this sensor meets the highest requirements for immunity to interference because the electrical measuring field is completely shielded.
  • This exemplary embodiment can be realized by using three insulator layers in the film or by using an adhesive which ensures reliable insulation against the mostly metallic shaft.
  • additional stator electrodes S can be provided in the area of the strips of the rotor electrodes R for additional measurement of the speed and / or direction of rotation.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Abstract

Ein Sensor zur berührungslosen Messung von Drehmomenten, insbesondere an rotierenden Elementen, gekennzeichnet durch wenigstens eine an dem Element angeordnete und mit dieser drehbaren Rotorelektrode, welche schräg zu einem Symmetrieelement des rotierenden Elements parallel zueinander angeordnete elektrische leitfähige, elektrisch leitend miteinander verbundene Streifen aufweist, die unter Ausbildung eines periodischen Musters gleichmässig auf dem rotierenden Element angeordnet sind, wobei ihr gegenseitiger Abstand senkrecht zu ihrer Längsrichtung so gewählt ist, dass sich die an ihrem Rand ausbildenden elektrischen Streufelder nahezu nicht überlappen und durch wenigstens eine, durch einen Spalt von der Rotorelektrode beabstandete Statorelektrode und durch eine Vorrichtung, durch welche die Rotorelektrode wenigstens teilweise überdeckt, welche die Kapazität einer paarweisen kapazitiven, im wesentlichen durch die elektrischen Streufelder bestimmten Kopplung zwischen der Rotorelektrode und der wenigstens einen Statorelektrode messbar ist.

Description

Sensor zur berührungslosen Messung von Drehmomenten
Die Erfindung betrifft einen Sensor zur berührungslosen Messung von Drehmomenten.
Ein solcher Sensor eignet sich insbesondere zur berührungslosen Messung von Drehmomenten an rotierenden Wellen oder Scheiben. Dabei wird unter Scheibe beispielsweise auch ein Flansch, der an einer Welle angeordnet ist, verstanden.
Die berührungslose Messung des Drehmomentes ist eine der wichtigsten sensorischen Probleme der Automatisierungstechnik. Anwendungen liegen unter anderem in der Überwachung und Regelung von Antrieben und Getrieben, beispielsweise zur Bestimmung der Momentanleistung, des Betriebswiderstan- des und/oder von Schäden, zum Beispiel Lagerschäden, der Überwachung von Arbeitsprozessen, die durch rotierende Maschinenteile angetrieben werden, z.B. der Werkzeugüberwachung an Werkzeugmaschinen, Transport von Medien wie Folien, Blechen oder Papier, der dynamischen Verbrauchsoptimierung von Kraftfahrzeugen und in der Robotik.
Im folgenden werden die Begriffe "Rotor" und "Rotor-..." für das rotierende Element beispielsweise eine Welle bzw. eine Scheibe oder einen Flansch und alle rotierenden Bestandteile der betrachteten Vorrichtungen verwendet, für alle übrigen nicht rotierenden Bestandteile werden die Begriffe "Stator" und "Stator-..." verwendet.
Eine Drehmomentmessung auf der Basis von Dehnungsmeßstreifen (DMS) ist allgemein bekannt. Diese werden beispielswei- se auf eine Welle geklebt und in der Regel zu einer Brücke verschaltet. Eine berührungslose Messung ist nur möglich, wenn statt eines Schleifringübertragers eine Telemetrieein- richtung verwendet wird, die mittels elektromagnetischer Kopplung Energie zur rotierenden Messeinrichtung auf einer Welle überträgt, ebenso wie in umgekehrter Richtung die Meßsignale. Verfahren sowohl mit Schleifringen als auch mit Telemetrie werden seit längerem angewendet.
Ferner sind kapazitive Drehmomentsensoren bekannt, bei denen auf einer Welle Kapazitäten angeordnet sind, die im Grunde als Position- oder Dehnungssensoren arbeiten. Derartige Anordnungen sind beispielsweise aus der EP 0 354 386 AI, der US 4 866 993 bekannt. Die Kapazitäten sind dabei so plaziert, dass eine Torsion der Welle in eine Kapazitätsän- derung umgesetzt wird. Die durch die Kapazitätsänderung entstehenden elektrischen Signale werden mit einer separaten Vorrichtung elektromagnetisch oder mit einem Schleifring zum stehenden Teil übertragen.
Telemetrieeinrichtungen sind nun sehr teuer und scheiden daher für eine Großserienanwendung, beispielsweise in der Automobiltechnik aus. Zudem verändert die an einer Welle angeordnete Elektronik bei manchen Anwendungen in unakzeptabler Weise die mechanischen Eigenschaften, z.B. durch Ausbildung einer Unwucht. Wird die rotierende Elektronik nicht vergossen, kann es zu Ausfällen durch die starke Beschleunigung, die auf die elektronische Schaltung wirkt, kommen. Darüber hinaus sind bei derartigen Anordnungen eine Reparatur und eine Änderung nur schwer oder gar nicht möglich.
Aus der DE 38 23 935 AI und der DE 43 13 556 AI sind ferner Sensoren nach dem Magnetostriktionsprinzip bekannt, bei denen das Drehmoment aus dem magnetischen Fluß durch eine auf eine Welle aufgeklebte Folie bestimmt wird, deren Permeabilität von der mechanischen Spannung auf der Wellenoberflä- che abhängt. Problematisch hierbei ist, dass das Magneto- striktionsprinzip aufgrund der Unregelmäßigkeit der verwendeten Folien einen Fehler verursacht, der als Umlaufmodulation bezeichnet wird. Ausserdem benötigen derartige Folien eine Wärmebehandlung, die bei vielen Anwendungen nicht mit der Fertigung der Welle vereinbar ist. Wird auf eine Folie ganz verzichtet und der magnetostriktive Effekt des Wellenmaterials benutzt, so werden die Meßsignale zu klein. Um diese Nachteile zu beseitigen, werden vereinzelt spezielle Stähle eingesetzt, die durch ihren hohen Preis in vielen Anwendungen nicht in Frage kommen.
Die punktförmige Messung eines Einzelsensors des magneto- striktiven Typs ist außerdem anfällig für Fehler durch Biegebelastungen beispielsweise einer Welle. Soll der Sensor die Welle umschließen, um dieses Problem zu umgehen, steigen Bauvolumen und Komplexität stark an.
Bei einer weiteren Gruppe von Sensoren werden mittels verschiedener, beispielsweise optischer oder induktiver Verfahren torsionsbedingte Phasenverschiebungen zwischen zwei Musterträgern, zum Beispiel Zahnrädern, Folien oder Schlitzscheiben, die in einem bestimmten axialen Abstand auf einer Welle angeordnet sind, bestimmt. Problematisch hierbei ist, dass das Prinzip der Phasenverschiebung lange Wellen benötigt. Viele derartige Sensoren weisen ein großes Bauvolumen auf, da der Raum zwischen den Befestigungsstel- len der Musterträger ebenfalls vom Sensor eingenommen wird. Es sind Sensorformen bekannt, bei denen der Platz zwischen den Befestigungsstellen der Musterträger frei bleibt. Sie benötigen aber ebenfalls ein langes, im Grunde freies Wellenstück, an dem gemessen werden kann. Solche Wellenstücke kommen nur in Maschinen vor, in denen die Antriebskraft transportiert werden muss. Alle anderen Wellen sind kompakt mit Elementen zur Drehmomentaufnahme und -abgäbe bestimmt. Der Anwendungsbereich wird weiter eingeschränkt durch die Tatsache, dass freie Wellenstücke oft rauhen Umgebungen , z.B. agressiven Arbeitsmedien, ausgesetzt sind. Eine statische Messung, d.h. eine Messung bei einer stehenden Welle, ist mit diesem Verfahren prinzipiell nicht möglich. Hierdurch wird auch die Kalibrierung erschwert.
Darüber hinaus kann das Drehmoment auch durch die Umsetzung der Spannung bzw. Dehnung in eine relative Lageänderung eines Rotorteils gegen ein anderes, die vom Stator aus berührungslos mit Abstandsensoren gemessen werden kann, erfolgen. Gegen mechanische Wandler dieses Typs spricht der Bauraum, den sie - mal in axialer, mal in radialer Richtung - einnehmen.
Darüber hinaus sind die Kosten, die von den durchweg komplizierten Teilen durch spanende Bearbeitung und Montage zu erwarten sind, problematisch.
Ferner ist problematisch, dass ein wesentlicher Eingriff in das rotierende Element, beispielsweise in einen Wellenstrang stattfindet, der sich statisch in veränderter Torsions- und Biegesteifigkeit und dynamisch in verändertem Schwingungsverhalten äußert. Derartige Sensoren scheiden daher für eine breite Anwendung, insbesondere in kostensen- siblen Bereichen, aus.
Aus der US 5 046 371 ist schließlich eine kapazitive Drehmomentmessung bekannt, bei der das elektrische Feld zwischen einer Welle und zwei Statorelektroden direkt genutzt wird. Hierzu wird eine Hohlwelle verwendet, in der sich diagonale Schlitze befinden. Die Welle verformt sich dann unter Drehmomentbelastung so, dass sich ihr Außendurchmesser bei einer Torsion in der einen Richtung vergrößert, in der anderen Richtung verkleinert, und damit sich auch die Kapazität zwischen der Welle und den Statorelektroden ändert. Problematisch hierbei ist, dass die große Kapazitätsänderung mit einer extremen Wellenschwächung (geringe Torsions- und Biegesteifigkeit) gewissermaßen erkauft werden muss, die für viele Anwendungen untragbar ist. Soll dieser Nachteil beseitigt werden, wird mit steigender Torsionssteifigkeit das Meßsignal sehr klein. Da nicht die Möglichkeit zur Differenzmessung, d.h. zur Messung an einer Differenzkapazität, besteht, verschwindet das Signal dann leicht im Offset, der sich beim Altern des Materials und aufgrund der Temperatur verschiebt. Problematisch hierbei ist außerdem, dass die verwendeten Wellenteile sehr kompliziert geformt sind und nur mit großem Aufwand herstellbar sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Drehmoment, insbesondere an einer rotierenden Welle oder Scheibe zu messen und dabei folgende Eigenschaften in einer Messeinrichtung zu vereinigen:
- berührungslose Messungen, keine sensorbedingte Unwucht, keine rotierende Elektronik, vernachlässigbare Umlaufmodulation, vernachlässigbare Querempfindlichkeit für Wellenbiegung bei Messungen an Wellen, geringste Baugröße, bei Messungen an Wellen: einfache Wellenfertigung (gerader Kreiszylinder), bei Messungen an Scheiben: einfache Scheibenfertigung (einfache Kreisscheibe) , keine komplizierten Maschinenteile, keine zusätzlichen Lager, statische Messung und Kalibrierung möglich, dynamische Messung drehzahlunabhängig möglich,
- bei Messungen an Wellen: geringe Wellenschwächung,
- bei Messungen an einer Antriebswelle: hohe Torsions- und Biegesteifigkeit des Antriebsstrangs, geringer Herstellungsaufwand.
Diese Aufgabe wird durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhaft hierbei ist, dass das Drehmoment Änderungen einer oder mehrerer Kapazitäten bewirkt, wobei die Kapzitätsmessung entweder direkt oder durch Messung einer Brückenspannung erfolgt. Dabei können beliebige Verfahren zur Kapazitätsmessung vorgesehen sein.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung erläutert.
In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors mit Rotor- und Statorelektroden;
Fig. 2 eine Teilschnittansicht der in Fig. 1 dargestellten Welle;
Fig. 3 die Anordnung der Kapazitäten des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels;
Fig. 4 das Kern- und Streufeld anhand eines Streifens der in Fig. 1 dargestellten Rotorelektrode;
Fig. 5 eine Teilschnittdarstellung einer anderen Ausfüh- rungsform;
Fig. 6 weitere Ausführungsformen von Rotor- und Statorelektroden eines erfindungsgemäßen Sensors;
Fig. 7 ein wiederum anderes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors;
Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors;
Fig. 9 ein Schaltungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors mit einer Vollbrücke;
Fig. 10 schematisch unterschiedliche Statorformen eines erfindungsgemäßen Sensors;
Fig. 11 zwei weitere Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Sensors zur Messung des Drehmoments an einer als Flansch ausgebildeten Scheibe; Fig. 12 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensors zur Messung des Drehmoments an einer als Flansch ausgebildeten Scheibe;
Fig. 13 das Ersatzschaltbild eines weiteren Ausführungsbei- spiels eines erfindungsgemäßen Sensors;
Fig. 14 schematisch eine Schnittdarstellung einer Rotorelektrode eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensors und
Fig. 15 schematisch eine Schnittdarstellung eines Rotors eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensors.
Ein Ausführungsbeispiel eines Sensors, dargestellt in Fig. 1 weist eine Welle W auf, auf der schräg zur Wellenachse, vorzugsweise unter einem Winkel von 45° lange, sehr schmale Streifen angeordnet sind, die eine Rotorelektrode R bilden. Die Streifen der Rotorelektrode R bilden ein periodisches Muster, das sich über den Wellenumfang erstreckt. Mittig zwischen den Streifen ist ein Steg angeordnet, der alle Streifen leitend miteinander verbindet. Die in Fig. 1 flächig schwarz dargestellte Struktur der Rotorelektrode R ist in diesem Ausführungsbeispiel aus einem dünnen etwa lum dicken Metallfilm gefertigt, der auf einer Isolatorfolie angeordnet und z.B. durch Aufdampfen herstellbar ist. Die Folie ist auf der Welle befestigt, in der Regel durch Kleben, wie es beispielsweise von Dehnungsmeßstreifen bekannt ist. In unmittelbarer Nähe zur Welle und zur Rotorelektrode R sind Statorelektroden SI, S2, S3 angeordnet. Die Statorelektroden SI und S3 sind kapazitiv an die Streifen der Rotorelektrode R gekoppelt, die Statorelektrode S2 bildet eine kapazitive Kopplung zum Mittelsteg. Die Kapazität an der Statorelektrode S2 ist dabei wesentlich höher als diejenige an den Statorelekroden SI oder S3, da die gesamte Fläche der Statorelektrode S2 dem Mittelsteg der Rotorelektrode R gegenübersteht. Alle drei Statorelektroden SI, S2, S3 folgen in ihrer Form einem imaginären Zylindermantel, der sich in einem geringen Abstand, der beispielsweise 100 um be- trägt, um die Welle angeordnet ist. Sie sind entweder freitragende Teile aus einem leitenden Material oder sie sind auf einem isolierenden Träger angeordnet, auf dem sie entweder montiert oder durch Beschichten hergestellt sind. Der Winkel am Umfang der Welle, der von den Statorelektroden SI, S2, S3 eingenommen wird, ist ein ganzzahliges Vielfaches der Winkelperiode des Streifenmusters der Rotorelektrode R. Dadurch wird erreicht, dass sich die Kapazität zwischen Rotor und Stator bei freier, unbelasteter Rotation der Welle nicht ändert. Der Sensor erfaßt somit das Drehmoment unabhängig von der Drehzahl der Welle.
In Fig. 2 ist eine Teilschnittansicht durch die Welle W und die übereinander geschichteten Elektroden dargestellt. Auf der Welle W ist der Isolator D, ein Dielektrikum, angeordnet, welches beispielsweise eine Dicke von 100 um aufweist. Auf dem Dielektrikum D ist die Rotorelektrode R angeordnet. Die Rotorelektrode R ist in Fig. 2 -nicht weiter dargestellt. Die extrem dünne Schicht des Elektrodenmaterials läßt sich in guter Näherung als zweidimensionale Struktur betrachten. Ein Luftspalt L trennt die Rotorelektrode R von der Statorelektrode S. Die Dicke des Luftspalts kann beispielsweise 100 um betragen. Die Statorelektroden sind in Fig. 2 jeweils hintereinander angeordnet.
In Fig. 3 ist die Anordnung der Kapazitäten des in Fig. 1 und 2 beschriebenen Ausführungsbeispiels schematisch in Form eines Ersatzschaltbildes dargestellt. Mit C2R ist die Koppelkapazität zwischen dem Mittelsteg der Rotorelektrode R und der Statorelektrode S2 bezeichnet. Mit CIR und C3R sind die Kapazitäten zwischen den Streifen der Rotorelektrode R und den Statorelektroden SI sowie S3 bezeichnet. Daneben weisen die Statorelektroden Sl, S3 sowie die Rotorelektrode R noch jeweils eine Kapazität zur Welle selbst auf, die mit C1W, C3W und CRW bezeichnet ist. Für die im folgenden zu beschreibenden Messungen sind hauptsächlich CIR, C2R und C3R von Bedeutung. Die Statorelektroden Sl, S2 und S3 werden als drei Anschlüsse einer Differenzkapazität nach außen zu einem Kapazitätsmeßgerät (nicht dargestellt) geführt. Dort werden im Prinzip die Kapazitäten Sl - S2 und S3 - S2 gemessen, meistens jedoch direkt durch das Meßgerät ΔC = CIR - C3R oder
Q = (CIR - C3R)/(C1R + C3R) bestimmt. Die Messung von Differenzkapazitäten kann mit sehr hoher Genauigkeit erfolgen, weil sich viele Umwelteinflüsse gleichsinnig auf beide Teile auswirken und damit nicht in das Meßergebnis einfließen, wie unmittelbar aus den oben angegebenen Gleichungen für ΔC und Q ersichtlich ist. Die Rotorelektrode R ist der gemeinsame Anschluß beider Teile der Differenzkapazität; S2 und C2R dienen nur der Kopplung zu der Rotorelektrode R. CIR und C3R bilden die Differenzkapazität im engeren Sinn, da sie sich bei der Drehmomentmessung durch die Verformung von R immer mit dem gleichen Betrag, aber entgegengesetztem Vorzeichen ändern.
Eine Torsionsbeanspruchung der Welle bewirkt nun eine Änderung des Winkels der Streifen der Rotorelektrode. Dadurch steigt die Kapazität zwischen dem Rotor und dem Stator bei einem Vorzeichen der Torsion im Bereich der Statorelektrode Sl, während die Kapazität im Bereich der Statorelektrode S3 sinkt. Bei umgekehrter Torsion verhält es sich genau umgekehrt .
Der zugrundeliegende Effekt wird in Verbindung mit Fig. 4 erläutert.
Jeder Elektrodenrand, im Beispiel derjenige von der Rotorelektrode R gegenüber der Statorelektrode Sl, zeigt ein sogenanntes Streufeld, welches mit SF bezeichnet ist, das üblicherweise neben dem eigentlichen als KF bezeichneten Kernfeld vernachlässigt wird. So wird beispielsweise die Kapazität eines Plattenkondensators meist mit der Näherungsformel C = εA/d mit der Plattenfläche A, der Feldkonstanten ε und dem Plattenabstand d berechnet. Das Verhält- nis aus Fläche und Umfang der Streifen der Rotorelektrode ist aber so klein gewählt (z.B. eine Länge der Streifen von 10mm Breite, eine Breite von 5 um) , dass die Kapazität einer solchen Anordnung (Rotorelektrode R - Statorelektrode S) durch das sich am Elektrodenrand ausbildende Streufeld SF dominiert wird. Da das Streufeld SF sich entlang des Um- fangs der Elektrode ausbildet, ist der dazugehörige Kapazitätsanteil nicht proportional zur Fläche, sondern zur Länge. Die Elektrode wirkt also gewissermaßen als Dehnungsmeßstreifen. Die Streifen dürfen dabei nicht zu nah beieinander angeordnet sein, weil sich ihre Felder sonst zu einem einzigen überlagern, wobei das Streufeld SF verschwindet. Daher gibt es ein Optimum für den Streifenabstand, denn ΔC ist ebenfalls proportional zur Anzahl der Streifen.
Anhand eines konkreten Beispiels soll die Größe des Meßeffekts und die Realisierbarkeit der Drehmomentmessung im folgenden illustriert werden. Auf einer Welle von beispielsweise 15 mm Durchmesser soll eine Länge von 20 mm für den Sensor zur Verfügung stehen, die Differenzkapazität ΔC soll maximiert werden, wobei Folien- und Luftspaltdicke fest mit jeweils 100 um vorgegeben sind. Eine numerische Optimierungsrechnung ergibt mit Streifenbreiten von 5 um und einem Streifenabstand von 200 um eine maximale Differenzkapazität von 27 fF bei einer maximalen Dehnung an der Wellenoberfläche von εmax = 10~3. Dieser Wert ist mit an sich bekannten Kapazitätsmeßschaltungen gut zu handhaben und ermöglicht eine durch thermisches Rauschen begrenzte Auflösung in der Größenordnung von 8 bis 9 Bit ohne Vorzeichen (vgl. z.B. J.T. Kung, H.S. Lee, An Integrated Air- Gap-Capacitor Pressure Sensor and Digital Readout with Sub- 100 Attofarad Resolution, Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 1, No. 3, 121 - 129, 1992. In dieser Veröffentlichung ist die Auflösung mit ca. 0,03 fF angegeben) .
Die Figuren 6 bis 10 zeigen weitere Ausführungsbeispiele und Variationsmöglichkeiten von Komponenten des Sensors. Fig. 5 stellt einen Schnitt analog zu Fig. 2 dar. Anstatt eine Folie zu verwenden, wird die Struktur der Rotorelektrode R in Form von schmalen Stegen hergestellt, die sich aus der umgebenden Wellenoberfläche herausheben. Die in Fig. 5 dargestellten schwarzen Dreiecke sind die Schnittflächen dieser Stege. Hierdurch konzentriert sich das elektrische Feld auf diese Erhebungen, obwohl die Welle W nicht von R isoliert ist. Der Meßeffekt ist der gleiche wie beim obenbeschriebenen Beispiel, das Feld muß aber neu berechnet werden, um einen Wert ΔC (εmaχ) als Maß für die Empfindlichkeit zu erhalten. Die Stege können z.B. durch spanende Verfahren wie Fräsen, durch Umformverfahren oder durch Ätzen hergestellt werden. Auch ein Aufbauen der Stege an Stelle von Materialabnahme ist möglich, z.B. durch einen Galvanikprozeß, bei dem der größte Teil der Wellenoberfläche abgedeckt wird, wobei in diesem Fall die Stege eine andere Querschnittsform als in Fig. 5 aufweisen. Der Vorteil der Ausführung gemäß Fig. 5 ist die Vermeidung eines Klebeprozesses, der den Temperaturbereich des Sensors einschränkt und die Gefahr der Alterung der Folie und der Klebeschicht mit sich bringt. Eine direkte Strukturierung der Wellenoberfläche vermeidet sämtliche Probleme, die mit der Haftung der Folie unter rauhen Umgebungsbedingungen zusammenhängen.
Fig. 6 zeigt schematisch zwei vereinfachte Ausführungsbei- spiele, die besonders platzsparend auf der Welle angeordnet werden können. Auf der linken Seite der Fig. 6 ist eine auf eine Sensorkapazität reduzierte Form, die etwa nur die halbe Länge des oben in Verbindung mit Fig. 1 gezeigten Sensors aufweist, weil die Statorelektrode S2 ohne wesentliche Beeinträchtigung der Messung wesentlich schmaler ausgeführt werden kann als in den Prinzipskizzen gezeigt, solange C2R viel größer ist als CIR. Wenn die Welle aufgrund der Bauweise leitend mit der Umgebung verbunden ist, kann auch auf die Elektrode S2 verzichtet werden. Die auf der rechten Seite dargestellte Elektrode R0, die Teil der Rotorelektrode R ist, stellt dann direkt die Verbindung mit der Welle her. Am einfachsten läßt sich diese Form auf die in Verbindung mit Fig. 5 dargestellte Weise realisieren. Problematisch bei dieser Ausführungsform ist die fehlende Differenzmessung.
Bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Koppelelektrode S2 je zur Hälfte auf die Ränder aufgeteilt worden. Von Vorteil ist hier eine bessere Abschirmung des Sensors, insbesondere wenn die Folienform gewählt wird. Bis auf den schmalen Luftspalt kann der Sensor dann geschlossen in einem abgeschirmten Gehäuse aufgebaut werden. Es liegt somit keine Kapazität frei.
Bei dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Sensoren auf der gleichen Fläche angeordnet, um diese besser auszunutzen. Wenn an der Statorelektrode S2 und den Statorelektroden S4a/S4b Meßschaltungen betrieben werden, die bei unterschiedlichen Frequenzen mit Rotorelektroden Rl bzw. R2a/R2b arbeiten, überlagern sich die entsprechenden elektrischen Felder, ohne dass sich die Messungen beeinflussen. Voraussetzung ist ein vollständig getrenntes Arbeitsspektrum der MeßSchaltungen. Die Dichte der Streifen kann dann insgesamt verdoppelt werden, bleibt aber für jeden Sensor einzeln gleich. Durch diese Anordnung kann eine höhere Genauigkeit erzielt werden, weil der Mittelwert aus zwei Einzelmessungen gebildet werden kann. Es versteht sich, dass auch mehr als zwei Sensoren ineinander verschachtelt werden können, ohne dass eine zusätzliche Verdrahtungsebene auf der Welle benötigt wird, wenn die Mittelstege der Rotorelektroden zur Durchführung unterbrochen werden. Sind die Unterbrechungen sehr schmal, d.h. nur wenige um breit, wird die kapazitive Kopplung kaum beeinträchtigt. In Fig. 9 ist schematisch das Ersatzschaltbild eines Sensors dargestellt, der aus zwei Anordnungen gemäß der Fig. 1 oder 7 gebildet wird. Die Bezeichnungen der einen Hälfte stimmen mit der in Fig. 1 überein, die andere Hälfte mit gestrichenen Bezugszeichen trägt ein identischer zweiter Sensor bei, der neben dem ersten auf derselben Welle angeordnet ist. Üb bezeichnet die Versorgungsspannung der Brük- ke, Um stellt die Meßspannung dar. Es entsteht so eine Vollbrücke aus vier drehmomentabhängigen Kapazitäten, mit den bekannten Vorteilen der Messung einer Vollbrücke, d.h. geringste Querempfindlichkeit, hohe Störgrößeneliminierung, vierfaches Signal gegenüber einem Einzelelement, hohe Line- arität .
Um ein möglichst hohes Meßsignal zu erhalten, sollten die Statorelektroden Sl und S3 eine möglichst große Fläche aufweisen. Ideal ist es, beide Elektroden zylindrisch auszuführen, d.h. die Welle damit vollständig zu umschließen. In den Figuren 1, 2 und 5 - 8 wurde eine kleinere - ebenfalls mögliche - Elektrodenform lediglich gewählt, um die Elektroden besser darstellen zu können.
In Fig. 10 ist auf der linken Seite der Wellenschnitt mit der Projektion aller Statorelektroden S übereinander dargestellt. Neben der Maximierung des Ausgangssignals ist der Hauptvorteil die Eliminierung weiterer Störgrößen. Werden die Elektroden nur auf einer Seite angeordnet, moduliert ein Wellenschlag das Meßsignal, auch wenn die Differenzmessung dem entgegenwirkt. Das Problem des Wellenschlages wird aber durch die ringförmige Statorelektrode weiter reduziert. Weiterhin ist der Einfluß einer Biegebeanspruchung der Welle eliminierbar, weil sich Biegeverformungen von gegenüberliegenden Wellenseiten gerade aufheben.
Oft läßt der Montageplatz eine ringförmige Statorelektrode jedoch nicht zu oder der Einbau des Sensors wird dadurch stark erschwert. In diesem Falle kann der Stator S mehrtei- lig ausgeführt und um die Welle zusammengesetzt oder -geklappt werden. In vielen Anwendungen ist jedoch ein einteiliger Sensor zu bevorzugen. In diesem Falle ist anzustreben, dem Vollkreis als Statorelektrode S möglichst nahezukommen. Die 180°-Form stellt in diesem Falle das Maximum dar, ist jedoch unter dem Gesichtspunkt der Eliminierung der Biegebeanspruchung nicht optimal. Wird der Stator gemäß dem in Fig. 10 rechts dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem hochelastischen Material ausgeführt, das beim Aufschieben des Senosrs in Position S' noch keine relevante plastische Verformung erleidet, kann der Stator S einen Umschließungswinkel von deutlich mehr als 180° umfassen. Werden die Statorelektroden nur an den beiden gegenüberliegenden Enden des Stators angeordnet, ist trotz offenem, montagefreundlich einteiligem Stator eine vollständige Eliminierung der Wellenbiegung möglich.
Der oben beschriebene Sensor zur Drehmomentmessung erfordert die Strukturierung der Rotorelektrode R mit Verfahren, die eine hohe Genauigkeit und Auflösung haben. Dies ist in einer Serienfertigung, die sich für einen Foliensensor z.B. auf photolithographische Verfahren stützt, im Rahmen der notwendigen Strukturgrößen kein wesentliches Problem.
In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass es nicht notwendig ist, die Rotorelektrode streng als kammartiges Gebilde wie in Fig. 1 und in den Fig. 6 - 8 dargestellt auszuführen. Eine mäanderförmige Struktur ist ebenfalls möglich, sofern schmale, lange Streifen vorhanden sind und untereinander und mit einer größeren Fläche verbunden werden können. Die Mäanderform als Verbindung zwischen den Streifen und zur Koppelfläche, d.h. zum Mittelsteg der Rotorelektrode R hat keine wesentlichen Nachteile gegenüber der Kammform, wenn die Schicht der Rotorelektrode eine hohe Leitfähigkeit aufweist. Die Mäanderform hat aber den Vorteil, bereits fertig geätzt in Form einer Vielzahl von DMS-Formen (Folien-DMS) verfügbar zu sein. Man kann auf diese Weise auf die Strukturerzeugung verzichten und mit kommerziellen DMS zu einer wesentlich vereinfachten Sensor- herstellung gelangen.
Vorstehend wurde die Messung des Drehmoments an einer Welle beschrieben. Die Erfindung ist hierauf nicht beschränkt, sie kann auch zur berührungslosen Drehmomentmessung an einem Flansch oder an einer Scheibe zum Einsatz kommen. Eine der interessantesten Anwendungen für eine Drehmomentmessung besteht im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen, zwischen Motor und Getriebe. Dort ist der Bauraum insbesondere in axialer Richtung sehr begrenzt. Deshalb sind die drehmomentübertragenden Bauteile in diesem Bereich, in dem sich auch beispielsweise die Kupplung oder der Drehmomentwandler bei Automatikgetrieben befinden, überwiegend als Flansche ausgeführt. Insbesondere sind auf den Wellenstücken kaum freie Flächen vorhanden. In diesem Falle müssen die freien Flanschflächen für eine Drehmomentmessung genutzt werden.
Im folgenden wird die Drehmomentmessung an einer Scheibe oder an einem Flansch beschrieben. Der Vorteil hierbei ist die bessere Anpassung an den vorhandenen Bauraum.
In Fig. 11a (der oberen Hälfte der Fig. 11) ist die Grundform einer Fig. 1 entsprechenden Ausführungsform, übertragen auf eine Flansch-/Scheibenform dargestellt. Die Rotorelektrode R ist auf dem Flansch angeordnet, an dessen Innenseite FI das Drehmoment z.B. durch eine Welle eingeleitet wird und an dessen Außenseite FA das Drehmoment abgenommen wird oder umgekehrt. Die Rotorelektrode R weist einen zur Drehachse konzentrischen Ring auf, der auf die Koppelelektrode S2 am Stator wirkt, sowie Streifen auf beiden Seiten des konzentrischen Rings, die wie bei der in Verbindung mit Fig. 1 dargestellten Wellenform des Drehmomentsensors um 90° gegeneinander gedreht sind, um Kapazitätsänderungen mit unterschiedlichem Vorzeichen zu bewirken. Die Messkapazitäten werden durch die Streifen und die Statorelektroden Sl, S2 gebildet, so dass sich das Ersatzschaltbild nach Fig. 3 ergibt, wobei in diesem Falle W für den Flansch steht. In diesem Falle sind die Kapazitäten zum Flansch W C1W, CRW, C3W.
In Fig. 11b (der unteren Hälfte der Fig. 11) ist eine Variante dargestellt, die der in Fig. 6 auf der linken Seite und in Verbindung mit der Welle erläuterten entspricht. Es ergeben sich wie in Verbindung mit dem in Fig. 6 auf der linken Seite dargestellten Ausführungsbeispiel erläutert, als Vorteil eine kleinere Messfläche unter Verzicht auf eine Differenzmessung.
In beiden in Verbindung mit Fig. 11 dargestellten Fällen ist es vorteilhaft, die Statorelektroden Sl, S2 ringförmig auszuführen, um die Messkapazität zu maximieren. Kleinere Elektroden, wie sie in Fig. 11 beispielhaft dargestellt sind, bieten Montagevorteile, wobei allerdings auf einen Teil der Kapazitätsänderung verzichtet wird.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Messung des Drehmoments in Verbindung mit einem scheibenförmigen Flansch ist in Fig. 12 dargestellt. Das in Fig. 12 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht hinsichtlich der Elektrodenanordnung dem in Fig. 7 in Verbindung mit der Welle dargestellten und oben erläuterten Ausführungsbeispiel. Die Statorelektrode ist bei diesem Ausführungsbeispiel auf die beiden Hälften S2a und S2b aufgeteilt. Dies weist die folgenden Vorteile auf:
Die Elektroden S2a und S2b liegen auf gleichem Potential und können den Messraum als Abschirmung umschließen, wenn sie ringförmig ausgeführt werden (nicht dargestellt) . Nur der Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor kann dann als Öffnung wirken, durch die Störungen elektromagnetisch in den Messraum eingekoppelt werden können. Die Kapazitäten an den Statorelektroden Sl und S3 befinden sich so näher beieinander, wodurch Querempfindlichkeiten auf Temperatureinflüsse, mangelnde Planität des Flansches und eine Unwucht reduziert werden können. Das Verhältnis von Innen- und Außenradius im Bereich der Streifen wird reduziert.
Die in Verbindung mit Fig. 11 dargestellten Ausführungsbei- spiele weisen den Vorteil auf, dass die Messfläche und die Koppelfläche plan sind, wodurch zum einen die Montage, beispielsweise die Klebung der Messfolie erleichert wird, die nicht mehr um die Welle geführt werden muss. Zum anderen wird auch die Herstellung des Stators, der ebenfalls eine plane Oberfläche aufweist, erleichtert.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Abstände der einzelnen Streifen der Rotorelektrode untereinander nach innen abnehmen. Bei der Auswertung der Messergebnisse muss dabei berücksichtigt werden, dass die Grundkapazität pro Flächeneinheit nach innen zunimmt, die Kapazitätsänderung durch Drehmoment hingegen abnimmt. Vorteilhafterweise werden die Messfläche daher als Streifen ausgeführt, bei denen sich der Außen- und Innenradius um mehr als 10 - 20% unterscheiden, wobei der Abstand der Streifen nach dem Innenradius zu bemessen ist. Eine Messfläche mit größerem Unterschied zwischen Außen- und Innenradius sollte in mehrere unabhängige Messflächen aufgeteilt werden, die parallel geschaltet werden können.
Generell ist es möglich, mehrere erfindungsgemäße Sensoren parallelzuschalten, um den Meßeffekt zu vergrößern.
Die Voraussetzung für eine Differenzmessung sind zwei gleich große Kapazitäten, die sich mit gleichem Betrag und unterschiedlichem Vorzeichen ändern. Dazu muss noch eine weitere Bedingung erfüllt sein, nämlich die Flächengleichheit der Rotor- und Statorelektroden, die beide Kapazitäten bilden. Danach erhält die innere Kapazität eine größere radiale Ausdehnung.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die Messung des Drehmoments nicht auf plane Scheiben oder Flansche beschränkt ist. Es können vielmehr auch gewölbte Scheiben oder Flansche verwendet werden, wobei in diesem Falle die Befestigung der Streifen auf der gewölbten Fläche beispielsweise durch Kleben einer sehr flexiblen Folie möglich ist.
Der Messraum der oben beschriebenen Sensoren, d.h. der Raum, in dem das veränderliche elektrische Feld, das schematisch in Fig. 4 beschrieben ist, angeordnet ist, ist der Luftspalt zwischen der Statorelektrode S und der Rotorelektrode R. Die Kapazität ist dabei umgekehrt proportional zum Abstand, d.h. zur Luftspaltbreite.
Der Luftspalt L sollte so schmal wie möglich sein. Da Stator und Rotor jedoch getrennte, durch Lager verbundene und gegeneinander bewegte Teile sind, die zudem Schwingungen ausführen können, ist ein Luftspalt in der Größenordnung von 100 um als untere Grenze anzusehen. Dabei muss nicht nur vermieden werden, dass sich die Statorelektrode S und die Rotorelektrode R zeitweilig berühren, sondern auch, dass sich der Abstand so stark ändert, dass auch eine Differenzmessung die Querempfindlichkeit nicht mehr beseitigen kann.
Der Messeffekt pro Flächeneinheit kann nur dadurch vergrößert werden, dass der Abstand verringert oder der Messraum mit einem Dielektrikum gefüllt wird. Flüssige Dielektrika, insbesondere Wasser, vergrößern den Messeffekt erheblich, kommen aber nur bei wenigen Anwendungen in Frage. Eine Erhöhung des Messeffekts kann aber auch vorteilhafterweise durch Messung mit Hilfe einer mehrschichtigen Folie oder allgemein einer mehrschichtigen Elektrodenanordnung auf dem Rotor geschehen, wie sie beispielhaft in Fig. 14 und 15 dargestellt ist. Die Kopplung zwischen dem Rotor und dem Stator geschieht in diesem Falle mit Hilfe mehrerer flächiger Elektroden auf der Rotor- und Statorseite. Die Sensoren mit mehrschichtigen Elektrodenanordnungen zeichnen sich durch mindestens zwei Paare Statorelektrode/Rotorelektrode aus. Bei einer mehrschichtigen Elektrodenanordnung liegt der Messraum fest auf dem Rotor, z.B. zwischen Schichten einer Folie. Hierdurch lässt sich der Raum, anders als der Luftspalt L sehr schmal ausführen, bei laminierten Folien bis zu einer Größenordnung von 10 μm, bei Auftragen einer Isolierschicht durch CVD-Prozesse, Druckverfahren, Aufdampfen, Sputtern oder anderen Beschichtungsverfahren bis zu einer Größenordnung von 1 μm. Dabei sind Abstände in der Größenordnung von 6 μm besonders von Interesse, weil die Breite und der Abstand der Meßstreifen untereinander mit der Isolierschichtdicke skaliert werden muss und die Anforderungen an die Struktu- rierungstechnik für die Streifen bis 1 μm Schichtdicke sehr hoch sind.
In Fig. 13 ist das Ersatzschaltbild eines Sensors mit mehrschichtiger Elektrodenanordnung schematisch dargestellt. Die Rotorelektrode umfasst nun die Elektroden R und Rl ' , R2 ' , R3 ' . Die Elektrode R weist die Streifenstruktur wie bei den obenbeschriebenen Ausführungsbeispielen auf, die Elektroden Rl ' , R2 ' , R3 ' übernehmen bei dieser Anordnung die Funktion der obenbeschriebenen Statorelektroden Sl, S2, S3, d.h. Rl ' und R3 ' decken die Fläche der Meßstreifen vollständig ab. Das in Fig. 4 schematisch dargestellte Messfeld bildet sich damit innerhalb des Rotors aus. Zwischen den Elektroden Rl und Sl sowie zwischen R3 und S3 liegt nunmehr der Luftspalt L (in Fig. 14 und Fig. 15 nicht dargestellt) . Hierdurch lassen sich bei gleicher Messfläche im wesentlichen die folgenden beiden Vorteile erzielen:
Der Messeffekt bzw. die Empfindlichkeit werden um den Faktor vergrößert, der sich aus dem Quotienten aus Luftspaltbreite und Isolierschichtdicke multipliziert mit der Dielektrizitätszahl des Isolators ergibt, die Koppelkapazität zwischen den Elektroden Rl ' und Sl sowie zwischen R3 ' und S3 wurde ebenfalls erhöht, weil sich flächige Elektroden gegenüberstehen und nicht nur die streifigen Elektroden auf einer Seite.
Die Einfügung der zusätzlichen Kapazität zwischen den Elektroden R2 und S2 ist ohne Bedeutung für die Funktion des Sensors; die parasitären Kapazitäten C1W, CRW und C3W zur Welle W oder zum Flansch F sind gegenüber dem in Fig. 3 dargestellten Ersatzschaltbild unverändert.
In Fig. 14 ist ein Ausführungsbeispiel einer Elektrodenanordnung im Schnitt dargestellt.
In Fig. 15 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, wobei hier eine Verbindung am Rand der Folie oder durch Durchkontaktierung genutzt wird, um den Sensor weiter zu verbessern. Die Elektroden Rl ' und R3 ' haben zusätzliche Flächen unter der Elektrode R, so dass sich die Empfindlichkeit verdoppelt. Zusätzlich erfüllt dieser Sensor höchste Ansprüche an die Störfestigkeit, weil das elektrische Messfeld rundum abgeschirmt ist. Dieses Ausführungsbeispiel kann realisiert werden durch die Verwendung von drei Isolatorschichten in der Folie oder durch Verwendung eines Klebers, der eine sichere Isolierung gegen die zumeist metallische Welle gewährleistet.
Vorstehend wurde die Messung eines Drehmoments an einem rotierenden Element wie einer Welle oder einem Flansch/einer Scheibe beschrieben. Es versteht sich, dass durch einfache Schaltungsänderungen der externen Vorrichtung sowie durch zusätzliche Statorelektroden zusammen mit dem Drehmoment auch die Biegebelastung des rotierenden Elements messbar ist. Auch zur Messung der Biegebelastung können die oben beschriebenen vorteilhaften Ausführungsformen verwendet werden.
Ferner können zusätzliche Statorelektroden S im Bereich der Streifen der Rotorelektroden R zur zusätzlichen Messung der Drehzahl und/oder Drehrichtung vorgesehen sein.

Claims

Patentansprüche
Sensor zur berührungslosen Messung von Drehmomenten, insbesondere an rotierenden Elementen (W; F) , gekennzeichnet durch wenigstens eine an dem rotierenden Element (W; F) angeordnete und mit diesem drehbaren Rotorelektrode (R) , welche schräg zu einem Symmetrieelement des rotierenden Elements (W; F) parallel zueinander angeordnete elektrisch leitfähige, elektrisch leitend miteinander verbundene Streifen aufweist, die unter Ausbildung eines periodischen Musters gleichmäßig auf dem rotierenden Element (W; F) angeordnet sind, wobei ihr gegenseitiger Abstand senkrecht zu ihrer Längsrichtung so gewählt ist, dass sich die an ihrem Rand ausbildenden elektrischen Streufelder nahezu nicht überlappen, durch wenigstens eine, durch einen Spalt (L) von der Rotorelektrode (R) beabstandete Statorelektrode (S) , welche die Rotorelektrode (R) wenigstens teilweise überdeckt, und durch eine Vorrichtung, durch welche die Kapazität einer paarweisen kapazitiven, im wesentlichen durch die elektrischen Streufelder bestimmten Kopplung zwischen der Rotorelektrode (R) und der wenigstens einen Statorelektrode messbar ist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das rotierende Element eine Welle (W) ist, deren Symmetrieelement die Wellenachse ist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rotierende Element eine Scheibe oder ein scheiben- förmiger Flansch (F) ist, dessen Symmetrieelement ein zur Drehachse konzentrischer Kreis ist.
4. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifen auf der Mantelfläche der Welle (W) vorzugsweise unter einem Winkel von etwa 45° zur Wellenachse angeordnet sind und dass die wenigstens eine Statorelektrode (S) konzentrisch zur Wellenachse, den Streifen gegenüberliegend angeordnet ist.
5. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen vorzugsweise unter einem Winkel von etwa 45° schräg zu dem zur Drehachse konzentrischen Kreis auf der Scheibe oder dem Flansch (F) angeordnet sind und dass die wenigstens eine Statorelektrode (S) den Streifen gegenüberliegend auf einem zur Drehachse konzentrischen Kreis angeordnet ist.
6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifen so angeordnet sind, dass ihre gegenseitigen Abstände zu der Drehachse hin abnehmen.
7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorelektrode (R) durch einen elektrisch leitfähigen Film gebildet wird, der auf einer Isolatorfolie haftet, die mit dem rotierenden Element (W; F) fest verbunden ist.
8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Rotorelektroden (R) vorgesehen sind, die auf der wenigstens einen Statorelektrode
(S) zugewandten Seite der Rotorelektrode (R) und/oder auf der der wenigstens einen Statorelektrode (S) abgewandten Seite der Rotorelektrode beabstandet und durch Dielektrika von der Rotorelektrode (R) getrennt angeordnet sind und wenigstens die gleiche Flächenausdehnung aufweisen wie die wenigstens eine Statorelektrode.
9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Elektroden, die auf der wenigstens einen Statorelektrode zugewandten Seite angeordnet sind und die Rotorelektroden, die auf der der wenigstens einen Statorelektrode abgewandten Seite angeordnet sind, vorzugsweise mittels die Dielektrika durchsetzende Kontaktmittel elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
10. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifen der Rotorelektrode (R) durch erhöhte Stege gebildet sind, die durch Materialabtrag zwischen ihnen durch spanende Bearbeitung oder Ätzen oder durch Umformen gefertigt sind.
11. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifen der Rotorelektrode (R) durch erhöhte Stege gebildet sind, die durch Aufbringen von Material gefertigt sind.
12. Sensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen von Material durch Sputtern, Lackieren, Flammspritzen, Aufdampfen oder Galvanisieren erfolgt.
13. Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche, zylindrische bzw. kreisringförmige, die Welle bzw. die Scheibe/den Flansch umgebende Leiterbahn vorgesehen ist, die mit der Rotorelektrode (R) leitend verbunden ist und mit dieser eine zusätzliche Statorelektrode bildet, die zur kapazitiven Kopplung der Rotorelektrode (R) an die Statorelektrode (S) dient.
14. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei separate aus den Streifen der Rotorelektrode (R) und aus der Statorelektrode (S) ge- bildete Kapazitäten zu einer Differenzkondensatoranordnung kombinierbar sind.
15. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass vier separate aus den Streifen der Rotorelektrode (R) und aus der Statorelektrode (S) gebildete Kapazitäten zu einer Vollbrücke kombinierbar sind.
16. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine bis drei separate aus den Streifen der Rotorelektrode (R) und aus der Statorelektrode (S) gebildete Kapazitäten mit zusätzlichen konstanten Kondensatoren zu einer Brücke kombinierbar sind.
17. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Statorelektrode (S) das rotierende Element (W; F) rotationssymmetrisch umschließt und der Stator einteilig ist.
18. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Statorelektrode (S) das rotierende Element (W; F) rotationssymmetrisch umschließt und der Stator zerleg- oder aufklappbar ist.
19. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Statorelektrode (S) das rotierende Element (W; F) in Umfangsrichtung bis zu 180° umfasst und der Stator einteilig ist.
20. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Statorelektrode (S) das rotierende Element (W; F) in Umfangsrichtung zu mehr als 180° umfasst, vorzugsweise durch Verwendung eines hocheleastischen Stators.
21. Sensor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Statorelektroden paarweise zum Symmetrieelement angeordnet und parallelgeschaltet sind.
22. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifen der Rotorelektrode (R) kammförmig miteinander verbunden sind.
23. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Streifen der Rotorelektrode (R) mäanderförmig miteinander verbunden sind.
24. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Statorelektroden (S) im Bereich der Streifen der Rotorelektrode (R) zur zusätzlichen Messung der Drehzahl und/oder -richtung vorgesehen sind.
25. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Schaltungsänderung der Vorrichtung ferner eine Messung der Biegebelastung des rotierenden Elements (W; F) messbar ist.
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