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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Torsionswinkelsensor gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein solcher Torsionswinkelsensor
ist aus der
DE 197
45 823 A1 bekannt.
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Ein
bevorzugtes Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung ist die
Lenkung von Kraftfahrzeugen, bei der die auf die Lenkanordnung ausgeübten
Kräfte gemessen werden sollen, die sich als Drehmoment
auswirken. So wird beispielsweise eine mit einem Lenkrad des Kraftfahrzeuges
verbundene Lenkwelle über einen Torsionsstab mit einer
mit einem Lenkgetriebe verbundenen Ritzelwelle gekoppelt. Ein zwischen
Lenkwelle und Ritzelwelle auftretendes Drehmoment tordiert den Torsionsstab,
so daß sich Lenkwelle und Ritzelwelle gegeneinander verdrehen.
Die relative Verdrehung zwischen Lenkwelle und Ritzelwelle wird
als Torsionswinkel bezeichnet. Dieser Torsionswinkel entspricht
dem auf den Torsionsstab wirkenden Drehmoment.
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Die
eingangs genannte
DE
197 45 823 A1 zeigt eine Vorrichtung zum gleichzeitigen
Messen von Drehmoment und Drehwinkel einer drehbaren Welle. An zwei
axial voneinander entfernten Stellen der Welle sind als Scheiben
ausgebildete Meßkörper drehfest an der Welle befestigt,
deren relative Winkellage sich bei einer Drehmomentbeaufschlagung der
Welle ändert. Die Meßkörper haben Segmentringe
mit in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandeten
Segmenten, die abwechselnd unterschiedliche Lichtdurchlässigkeiten
aufweisen und von einem Lichtstrahl durchstrahlt werden.
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Auf
der der Lichtquelle gegenüberliegenden Seite der Meßkörper
ist ein Meßfeld vorgesehen, das mit einem Lichtempfänger
wenigstens zwei Segmente erfaßt. Bei Drehung der Welle
gelangen somit stets mindestens zwei Segmente von jedem Meßkörper
in das Meßfeld. Je nach Drehstellung sind es jedoch unterschiedliche
Segmente bzw. Segmentpaare. Daher hängt die Genauigkeit
dieser Meßeinrichtung wesentlich davon ab, daß die
jeweiligen Paare von Segmenten exakt die gleichen Eigenschaften
haben. Abweichungen in der Teilung, also insbesondere der Größe
der Segmente in Radial- als auch in Umfangsrichtung sowie Lichtdurchlässigkeit
haben entscheidenden Einfluß auf die Meßgenauigkeit.
Mit anderen Worten führen Teilungsfehler dazu, daß das
Drehmomentsignal vom absoluten Drehwinkel der Welle abhängig
ist. An die Fertigung der Scheiben stellen sich somit hohe Anforderungen
hinsichtlich der Genauigkeit der Herstellung.
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Auch
muß der Lichtempfänger über den gesamten
Bereich des Meßfeldes gleiche Empfindlichkeit haben. Da
man für den Lichtempfänger, der ein größeres
Meßfeld abdecken soll mehrere dicht nebeneinander plazierte Lichtsensoren
benötigt, ist die Forderung nach möglichst exakt
gleich empfindlichen Lichtsensoren kaum zu erfüllen, da
solche Bauteile nur innerhalb gewisser Toleranzen hergestellt werden
können. Somit kommt es zu Signalschwankungen, die von der
Drehstellung abhängen und somit das Meßergebnis
für den Torsionswinkel verfälschen.
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Die
DE 198 33 359 C1 zeigt
eine Torsionswinkelmeßeinrichtung, die ebenfalls zwei Scheiben aufweist,
die axial hintereinander an Wellenteilen, zwischen denen der Torsionswinkel
gemessen werden soll, befestigt sind. Beide Scheiben haben je eine Öffnung,
die bei wechselseitiger Verdrehung der beiden Scheiben als Blende
wirken. Eine ringförmige Lichtquelle bestrahlt die gesamte
Oberfläche der einen Scheibe. Eine Detektoranordnung ist
auf der lichtstromabwärtigen Seite der anderen Scheibe
angebracht. Ein Ausgangssignal der Detektoranordnung wird drahtlos
und insbesondere über Licht an einen ortsfesten, d. h.
nicht drehbaren Empfänger gesendet. Hier ist zwar nur eine
einzige Blende in den beiden Scheiben vorgesehen. Die Genauigkeit
der Messung verlangt jedoch, daß die ringförmige
Lichtquelle an ihrem gesamten Umfang gleichmäßiges Licht
aussendet. Weiter ist die drahtlose Übertragung des Ausgangssignals
der sich mit der Welle drehenden Detektoranordnung an einen ortsfesten
Empfänger aufwendig und störungsanfällig,
da die relative Position zwischen der Detektoranordnung, die einen Sender
enthält, und dem Empfänger die Übertragungsbedingungen
beeinflussen. Aus diesem Grunde schlägt diese Druckschrift
auch vor, mehrere Empfänger in Umfangsrichtung verteilt
anzuordnen, wobei dann die Meßgenauigkeit we sentlich davon abhängt,
daß alle Empfänger die gleichen Eigenschaften
haben. Aus diesem Grunde wird auch verlangt, daß die vom
Sender zum Empfänger übertragene Information nicht
in der Amplitude enthalten sein darf, weshalb frequenzmodulierte,
frequenzanaloge oder pulsweitenmodulierte Signale vorgeschlagen
werden, was hohen technischen Aufwand bedingt.
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Die
DE 36 37 318 A1 zeigt
einen ähnlichen Drehmomentsensor mit zwei axial hintereinander
angeordneten Scheiben, die optisch abtastbare Markierungen tragen.
Zwei ortsfeste, sich nicht mit der Welle drehende optische Abtastvorrichtungen
tasten die beiden Scheiben ab und lassen aus der Lage der Markierungen
den Torsionswinkel ermitteln. Auch hier hängt die Genauigkeit
des Meßergebnisses wesentlich von der Genauigkeit der Markierungen
auf den Scheiben ab.
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Eine ähnliche
Einrichtung mit Markierungen auf Scheiben ist in der
DE-OS-29 19 946 beschrieben.
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Die
DE 199 62 525 A1 zeigt
einen optischen Drehmomentsensor mit zwei axial hintereinander angeordneten
Scheiben, die eine umlaufende periodische Randform aufweisen. Eine
Beleuchtungseinrichtung in Kombination mit optischen Sensoren erfaßt
aus einem Phasenwinkel der periodischen Randformen der beiden Scheiben
einen Torsionswinkel. Auch hier hängt die Genauigkeit wesentlich
von der Exaktheit der periodischen Randform der Scheiben ab.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, den Torsionswinkelsensor der
eingangs genannten Art dahinge hend zu verbessern, daß bei
einfachem Aufbau und einfacher Herstellung ein hochgenauer Meßwert
erhalten wird, der weitestgehend unabhängig von Fertigungstoleranzen
mechanischer Bauteile ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale
gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Dadurch,
daß die Meßräder ortsfest sind und mit
den Torsionsrädern der Welle gekoppelt sind, erhält
man wirkungsmäßig eine ortsfeste Blende, die den
Lichtdurchtritt in Abhängigkeit vom zu messenden Torsionswinkel
beeinflußt. Damit ist in jedem Falle das Ausgangssignal
des Lichtempfängers unabhängig von der Drehstellung
der Welle, da stets nur an ein und derselben Blende gemessen wird.
Fertigungstoleranzen der Blende haben nach einmaliger Kalibrierung
ebenfalls keinen Einfluß auf die Meßgenauigkeit.
Die durch die beiden Meßräder gebildete Blende
hat auch im Vergleich zum Stand der Technik eine kleine Öffnungsfläche,
so daß ein einziger Lichtsensor verwendet werden kann.
Damit ist das Problem mehrerer nebeneinanderliegender Lichtsensoren
mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten gelöst.
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Eine
möglichst gute Kopplung zwischen den Meßrädern
und den Torsionsrädern erhält man, wenn diese
als miteinander kämmende Zahnräder ausgebildet
sind. Vorzugsweise sind die Meßräder und die Torsionsräder
federelastisch gegeneinander verspannt, womit man bei entsprechenden
Zahnformen auch eine weitestgehend spiel freie Kopplung erreicht.
Durch ein Übersetzungsverhältnis zwischen den
Torsionsrädern und den Meßrädern kann
erreicht werden, daß im Meßbereich des zu messenden
Torsionswinkels, der beispielsweise bei Kraftfahrzeuglenkungen in
der Größenordnung von 7° bis 15° liegt,
die beiden Meßräder um einen größeren Winkelbereich
gegeneinander verdreht werden, um im Meßbereich eine Veränderung
der Blende zwischen vollständigem öffnen und weitestgehend
vollständigem Schließen zu erreichen.
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In
eleganter und einfacher Weise erhält man die federelastische
Vorspannung dadurch, daß die Meßräder
in einem Lagergehäuse angeordnet sind, das an seiner der
Welle abgewandten Seite mindestens einen Federarm aufweist, der
das Lagergehäuse und damit auch die Meßräder
in Richtung zur Welle drückt.
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In
besonders einfacher Weise sind die Bereiche unterschiedlicher Lichtdurchlässigkeit
der Meßräder Spalten. Diese Spalten können
kreissegmentförmige Durchbrechungen sein, die in besonders
vorteilhafter Weise in der Mitte der Meßräder
angeordnet sind. Die Erstreckung der Spalten bzw. Segmente in Umfangsrichtung
sowie die entsprechende Ausrichtung der beiden Meßräder
zueinander in einer Neutrallage, bei der der Torsionswinkel Null
ist, kann so gewählt werden, daß bei dem maximal
möglichen positiven Torsionswinkel die durch die sich überlappenden
Segmente entstehende Blende weitestgehend geschlossen ist und bei
dem maximal möglichen negativen Torsionswinkel die entstehende
Blende weitestgehend geöffnet ist. Es kann aber von Vorteil
sein, auch bei dem maximal möglichen positiven Torsionswinkel
die Blende noch zu einem kleinen Teil geöffnet zu halten,
damit noch ein Nutzsignal erzeugt wird, das sich detektieren läßt
und damit die Funktionsfähigkeit von Lichtquelle und Lichtsensor überprüfen
läßt.
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Anstelle
von Spalten können die Meßräder auch
optische Polarisationsfilter enthalten, die dann auch nicht segmentförmig
aufgeteilt sein müssen, sondern beispielsweise als kreisförmige
Scheiben ausgebildet sind. Die unterschiedliche Lichtdurchlässigkeit
ergibt sich damit durch die Lage der Polarisationsebene. Die oben
erwähnte Übersetzung zwischen den Torsionsrädern
und den Meßrädern ist bei Einsatz von Polarisationsfiltern
so zu wählen, daß im Meßbereich des Torsionswinkels
die beiden Meßräder möglichst zwischen
0° und 90° gegeneinander verdreht werden.
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Um
eine gleichmäßigere Belichtung der gesamten Öffnungsfläche
bzw. bei Verwendung von Polarisationsfiltern der gesamten Filterfläche
zu erreichen, ist vorgesehen im Strahlengang des Lichtstrahles mindestens
eine Milchglasscheibe einzusetzen, die eine Streuung des Lichtes
bewirkt. Vorteilhaft wird eine Milchglasscheibe zwischen den Lichtsensor
und das dem Lichtsensor nächst gelegene Meßrad
eingesetzt. Zusätzlich kann auch eine zweite Milchglasscheibe
unmittelbar vor den ersten Lichtempfänger plaziert werden.
Dadurch können Lichtstärkeschwankungen, die beispielsweise
durch Vibrationen der Welle (z. B. Lenksäule) verursacht
werden, ausgeglichen werden, da die gesamte beleuchtete Meßfläche
besser erfaßt wird.
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Zur
Erhöhung der Meßgenauigkeit kann ein Referenzlichtstrahl
von der Lichtquelle zu einem zweiten Lichtempfänger geleitet
werden, der im Strahlengang vor den Meßrädern
liegt. Eine hierzu verwendete optische Einrichtung kann die erwähnte Milchglasscheibe
sein, die auch Licht zurück in Richtung zum Lichtsender
strahlt oder ein teildurchlässiger Spiegel oder eine sonstige
optische Einrichtung, mit der ein Teillichtstrahl abgezweigt werden
kann.
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In
besonders einfacher Weise haben die Meßräder mit
mittigem Lichtdurchtrittsbereich beidseitig axial vorstehende Ränder,
die in U-förmige Ausnehmungen von Wänden eines
Lagergehäuses eingreifen. Damit werden einfach herzustellende
und einfach zu montierende Bauteile für den Torsionswinkelsensor
verfügbar.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles
im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert.
Es zeigt:
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1 Einen
Längsschnitt des Torsionswinkelsensors nach der Erfindung;
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2 einen
Querschnitt längs der Linie II-II des Torsionswinkelsensors
der 1;
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3 eine
perspektivische Explosionsdarstellung gesehen schräg von
oben des Torsionswinkelsensors nach einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung; und
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4 eine
schematische Draufsicht auf bei der Erfindung verwendete Meßräder
nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In 1 sind
zwei axial zueinander ausgerichtete Wellenteile 1 und 2 über
einen Torsionsstab 3 miteinander gekoppelt, wobei die Verbindung
zwischen dem Torsionsstab 3 und den beiden Wellenteilen 1 und 2 über
Nut- und Federverbindungen 4 und 5 erfolgen kann.
Die Gesamtheit der Wellenteile 1 und 2 und des
Torsionsstabes 3 wird hier als Welle bezeichnet. Generell
kann die Erfindung auch bei einer durchgehenden tordierbaren einstückigen
Welle eingesetzt werden. Wenn zwischen den beiden Wellenteilen 1 und 2 ein
Drehmoment herrscht, so wird der Torsionsstab 3 tordiert
und die beiden Wellenteile 1 und 2 werden relativ
zueinander verdreht. Derartige Wellen mit Torsionsstab werden beispielsweise
bei Kraftfahrzeuglenkungen eingesetzt. Der zwischen den beiden Wellenteilen 1 und 2 auftretende
Drehwinkel wird auch als Torsionswinkel bezeichnet und ist im Regelfall
linear von dem zwischen den Wellenteilen 1 und 2 herrschenden
Drehmoment. An beiden Wellenteilen 1 und 2 ist
jeweils ein Torsionsrad 6 bzw. 7 befestigt, das
sich mit den zugeordneten Wellenteilen dreht. Die Torsionsräder 6 und 7 sind
vorzugsweise Zahnräder. Möglich sind jedoch auch
Reibräder.
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Jedem
Torsionsrad 6 und 7 ist ein Meßrad 8 bzw. 9 zugeordnet,
das vom jeweiligen Torsionsrad angetrieben wird, wenn sich das zugeordnete
Wellenteil 1 bzw. 2 dreht. Die Meßräder 8 und 9 sind
vorzugsweise ebenfalls Zahnräder. Wenn die Torsionsräder 6 und 7 Reib räder
sind, so sind entsprechend die Meßräder 8 und 9 ebenfalls
Reibräder. Die beiden Meßräder 8 und 9 sind
in einem Lagergehäuse 10 drehbar gelagert. Beide
Meßräder 8 und 9 sind koaxial
zueinander längs einer gemeinsamen Achse 11 ausgerichtet.
Die Torsionsräder und die Meßräder sind
so dimensioniert bzw. mit entsprechenden Zähnezahlen der
Zahnräder versehen, daß sich ein Übersetzungsverhältnis
größer 1 ergibt, d. h. eine Verdrehung der Torsionsräder
um einen Winkel führt dazu, daß sich die Meßräder
um einen entsprechend dem Übersetzungsverhältnis
vergrößerten Winkel drehen.
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In
einem ersten Ausführungsbeispiel haben beide Meßräder 8 und 9 mindestens
einen Spalt 12 bzw. 13, durch den Licht von einem
Lichtsender 14 hindurch treten und zu einem Lichtempfänger 15 gelangen
kann. Der Lichtsender 14 ist auf einer Seite der beiden
Meßräder 8 und 9 angeordnet,
während der Lichtempfänger 15 auf der
gegenüberliegenden Seite der beiden Meßräder 8 und 9 angeordnet
ist.
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Je
nach Torsionswinkel zwischen den beiden Wellenteilen 1 und 2 sind
auch die beiden Meßräder 8 und 9 entsprechend
dem Torsionswinkel gegeneinander verdreht, so daß, wie
im Zusammenhang mit 4 noch ausführlicher
erläutert wird, die beiden Spalte 12 und 13 der
beiden Meßräder 8 und 9 gegeneinander
verdreht werden und damit eine Art Blende bilden, deren Öffnungsquerschnitt
eine Funktion des Torsionswinkels ist. Der von dem Lichtsender 14 ausgestrahlte
Lichtstrom zum Lichtempfänger 15 wird damit in
Abhängigkeit vom Torsionswinkel verändert. Der
Lichtempfänger 15 wandelt den empfangenen Lichtstrom
in ein elektrisches Ausgangs signal um, das damit ein Maß für
den Torsionswinkel ist.
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Damit
der Lichtstrahl möglichst gleichmäßig über
die gesamte Meßfläche der Meßräder
verteilt ist, ist im Strahlengang mindestens eine Streuscheibe in
Form einer Milchglasscheibe 17 vorgesehen, die zwischen
dem Lichtsender 14 und dem nächstgelegenen Meßrad 9 liegt.
Bei Bedarf kann auch eine zweite Streuscheibe 17' zwischen
dem Meßrad 8 und dem Lichtempfänger 15 vorgesehen
werden.
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Zur
Erhöhung der Meßgenauigkeit, die durch Schwankungen
der Versorgungsspannung für den Lichtsender 14,
durch Alterung von Bauteilen oder Verschmutzung hervorgerufen werden
können, wird ein Referenzlichtstrahl des Lichtsenders 14 zu
einem zweiten Lichtempfänger 16 gesandt. Der Referenzlichtstrahl
wird im dargestellten Ausführungsbeispiel durch die Milchglasscheibe 17 erzeugt,
die zwischen dem Lichtsender 14 und dem dem Lichtsender 14 nächst
gelegenen Meßrad 9 angeordnet ist und einen Teil
des vom Lichtsender 14 abgestrahlten Lichtes zurückstreut,
so daß es zum zweiten Lichtempfänger 16 gelangt,
der hier unmittelbar neben dem Lichtsender 14 angeordnet
ist. Der Referenzlichtstrahl läuft somit nicht durch die
beiden Spalte 12 und 13 und ist somit unabhängig
vom zu messenden Torsionswinkel.
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Dem
Fachmann ist klar, daß anstelle der Milchglasscheibe 17 auch
andere optische Einrichtungen verwendet werden können,
wie z. B. teildurchlässige Spiegel oder Strahlenteiler.
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Im
Ausführungsbeispiel der 1 und 3 sind
die Meßräder 8 und 9 jeweils
beidseitig mit einem radial vorspringenden zylindrischen Rand 18 versehen,
der jeweils in eine U-förmige Ausnehmung 19 (2)
von Tragwänden 20 des Lagergehäuses 10 eingreift,
so daß die Tragwände 20 mit ihrer Ausnehmung 19 als
Lager für die Meßräder 8 und 9 dienen.
Das Lagergehäuse 10 enthält weiterhin
Leiterbahnplatten 21 und 22, an denen der Lichtsender 14 und
die Lichtempfänger 15 und 16 sowie weitere nicht
dargestellte elektrische und/oder elektronische Bauteile befestigt
sind.
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Das
Lagergehäuse 10 ist in Richtung zu den Wellenteilen 1 und 2 offen
und besitzt an der den Wellenteilen 1 und 2 gegenüberliegenden
Seite mindestens einen Federarm 24, durch den das Lagergehäuse 10 in
Richtung zu den Wellenteilen 1 und 2 gedrückt
wird, so daß die Meßräder 8 und 9 federelastisch
gegen die Torsionsräder 6 und 7 gedrückt
werden. Hierdurch wird eine weitestgehend spielfreie Kopplung zwischen
den Meßrädern 8 und 9 und den zugeordneten
Torsionsrädern 6 und 7 erreicht.
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Das
Lagergehäuse 10 ist in ein Gehäuse 23 eingesetzt,
das durch einen Gehäusedeckel 26 verschlossen
ist.
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In 2 und
der Explosionsdarstellung der 3 ist besser
zu erkennen, daß das Lagergehäuse 10 samt
den Meßrädern 8 und 9, dem Lichtsender 14 und
den beiden Lichtempfängern 15 und 16 in
ein Gehäuse 23 einsetzbar ist, wobei sich das
Lagergehäuse 10 über Federarme 24 an
einer Wand 25 des Gehäuses 23 abstützt
und damit die Meßräder 8 und 9 federelastisch
gegen die Torsionsräder 6 und 7 drückt.
Das Gehäuse 23 ist durch einen Gehäusedeckel 26 verschlossen,
wobei der Gehäusedeckel 26 und eine Bodenwand 27 des
Gehäuses 23 jeweils eine Öffnung 28 bzw. 29 haben,
durch die die Wellen 1 bzw. 2 hindurch treten.
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Im
Betrieb ist das Gehäuse 23 gegenüber den
Wellenteilen 1 und 2 drehfest gehalten.
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4 zeigt
schematisch die beiden Meßräder 8 und 9 mit
den Spalte 12 und 13 sowie abgedunkelten Stellen 33.
Die beiden Meßräder 8 und 9 sind hier
nebeneinander abgebildet. Richtet man sie gemäß der
gemeinsamen Achse 11 (1) axial
zueinander aus, so ergibt sich die untere Abbildung der 4 aus
der zu erkennen ist, daß ein gemeinsamer Spalt 31 beider
Meßräder 8 und 9 zusammen schmaler
ist als die einzelnen Spalte 12 und 13 und entsprechend
der abgedeckte Bereich 32 breiter ist als die abgedeckten
Bereiche 33 der beiden Meßräder 8 und 9.
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In
einem nicht in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist vorgesehen, daß anstelle der Spalte 12 und 13 und
abgedunkelten Stellen 33 in den mittleren Bereich der Meßräder 8 und 9 optische
Polarisationsfilter eingesetzt sind, welche zusammen einen Neutraldichtefilter
(oder Graufilter) bilden. Werden die beiden Meßräder 8 und 9 relativ
zueinander verdreht, was durch einen Torsionswinkel zwischen den
Wellenteilen 1 und 2 hervorgerufen wird, so ändert
sich die relative Ausrichtung der Polarisationsachsen und damit
die Lichtdurchlässigkeit im Strah lengang des Lichtstrahles
vom Lichtsender 14 zum Lichtempfänger 15,
so daß auch bei diesem Ausführungsbeispiel der
vom Lichtempfänger 15 empfangene Lichtstrom vom
zu messenden Torsionswinkel abhängig ist.
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In
beiden geschilderten Fällen können die lichtdurchlässigen
Bereiche, d. h. die Spalte oder die Polarisationsfilter der beiden
Meßräder 8 und 9 in der neutralen
Lage, bei der der Torsionswinkel Null ist, so zueinander ausgerichtet
sein, daß der maximale Lichtstrom bei dem Torsionswinkel
Null auftritt und sich mit zunehmendem Torsionswinkel verringert. Umgekehrt
kann die Ausrichtung aber auch so erfolgen, daß in der
neutralen Lage ein minimaler Lichtstrom durch die lichtdurchlässigen
Bereiche läuft und sich der Lichtstrom mit zunehmendem
Torsionswinkel vergrößert.
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Will
man nicht nur den Absolutwert des Torsionswinkels messen, sondern
auch dessen Richtung (mathematisches Vorzeichen) und damit die Richtung
des Drehmomentes erfassen, was insbesondere bei Lenkkraftunterstützungssystemen
von Kraftfahrzeugen gefordert wird, so sind die beiden Meßräder
in der neutralen Stellung, bei der der Torsionswinkel Null ist,
so zueinander ausgerichtet, daß die Blende halb geschlossen
ist, bzw. Polarisationsfilter um ca. 45° gegeneinander
verdreht sind. Allgemeiner gesprochen sind die Meßräder
in der neutralen Stellung so angeordnet, daß das Ausgangssignal
des Lichtsensors im wesentlichen in der Mitte des Nutzsignales zwischen
Minimal- und Maximalwert liegt.
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Das
Ausgangssignal des Lichtempfängers 15 ist somit
eine Funktion des zu messenden Torsionswinkels. Über den
vom zweiten Lichtempfänger 16 gemessenen Referenzlichtstrahl
kann diese Funktion normiert werden, um Schwankungen der Lichtintensität
des Lichtsenders 14 aufgrund von Schwankungen der Versorgungsspannung
oder Alterung von Bauteilen auszugleichen. Je nach verwendeten Bauteilen
für die Lichtquelle 14 oder die Lichtempfänger 15 und 16 sowie
auch Anordnung und Ausbildung der lichtdurchlässigen Bereiche
in den beiden Meßrädern 8 und 9 kann
die Funktion zwischen Torsionswinkel und Ausgangssignal des Lichtempfängers 15 nichtlinear
sein. Bei Bedarf kann durch eine nicht dargestellte elektronische
Auswerteschaltung auch eine Linearisierung durchgeführt
werden.
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Im
rechten Bereich der 4 ist der Fall dargestellt,
daß der zu messende Torsionswinkel Null ist. Die lichtdurchlässigen
Bereiche 12 und 13 der Meßräder 8 und 9 sind
relativ zueinander um den Winkel α2 verdreht, so daß sich
ein resultierender Durchtrittsbereich 31 ergibt, der die
halbe Öffnungsfläche bezogen auf die lichtdurchlässigen
Bereiche 12 und 13 hat. Im linken Teil der 4 ist
das Meßrad 9 um den Winkel α2 im Uhrzeigersinn
(nach rechts) gegenüber dem Meßrad 8 verdreht,
so daß der resultierende lichtdurchlässige Bereich 31 gerade
maximale Größe hat, da sich die lichtdurchlässigen
Bereiche 12 und 13 der Meßräder 8 und 9 exakt Überlappen.
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Verdreht
man dagegen ausgehend vom rechten Teil der 4 das Meßrad 9 gegenüber
dem Meßrad 8 um den Winkel α2 gegen den
Uhrzeigersinn, so überdecken sich die lichtdurchlässigen
Bereiche 13 des Meßrades 9 gerade mit
den lichtundurchlässigen Bereichen 33 des Meßrades 8 und
die resultierende Öffnungsfläche wird zu Null.
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Im
optimalen Fall strahlt die Lichtquelle 12 paralleles Licht
aus, das den gesamten möglichen Durchtrittsbereich gleichmäßig
durchstrahlt, so daß die absolute Stellung der sich drehenden
Meßräder 8 und 9 keinen Einfluß auf
den von der Lichtquelle 14 zum Lichtempfänger 15 gelangenden
Lichtstrom hat. Auch bei einer Drehung der Welle ergibt sich damit ein
konstantes Ausgangssignal des Lichtempfängers 15,
das nur von der relativen Verdrehung zwischen den beiden Meßrädern 8 und 9 abhängt.
Es kann aber mit gleichem Effekt auch eine axial zu Meßrädern 8 und 9 platzierte
punktuelle Lichtquelle benutzt werden, welche gleichmäßig
in alle Richtungen Lichtstrom ausstrahlt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19745823
A1 [0001, 0003]
- - DE 19833359 C1 [0006]
- - DE 3637318 A1 [0007]
- - DE 2919946 [0008]
- - DE 19962525 A1 [0009]