DE19854959A1

DE19854959A1 - Sensor zur berührungslosen Messung von Drehmomenten, insbesondere an rotierenden Wellen

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Publication number: DE19854959A1
Application number: DE19854959A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Acker
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-11-28
Filing date: 1998-11-28
Publication date: 2000-05-31
Also published as: WO2000033043A1; EP1051601A1

Abstract

Bisherige Drehmomentsensoren sind für viele Anwendungen, z. B. im Automobil, zu groß, schwer und teuer. Insbesondere die zur berührungs- und verschleißfreien Messung an rotierenden Wellen notwendige Telemetrie treibt den Aufwand für Drehmomentsensoren in die Höhe. Daher beschränkt sich ihr Einsatz weitgehend auf Prüfstände. Der neue Sensor löst dieses Problem, da die Telemetrie integraler Bestandteil des Sensorelementes ist und auch keine aufwendigen mechanischen Vorrichtungen benötigt werden. DOLLAR A Der Sensor besteht aus einer Elektrodenstruktur (R), die sich auf der Oberfläche der Welle (W) befindet und mit dieser fest verbunden ist, sowie mehrere Statorelektroden (S1-S3 bzw. S). Die Elektrode (R) besteht aus wenige Mikrometer schmalen, zueinander parallelen, elektrisch leitfähigen Streifen, die miteinander verbunden und schräg zur Wellenachse (45 DEG ) angeordnet sind, wobei sie ein periodisches Muster rund um die Welle (W) bilden. S1-S3 und S2-S3 bilden eine drehmomentabhängige Differenzkapazität. DOLLAR A Anwendungen liegen u. a. in der Regelung von Antrieben und Getrieben, bei Werkzeugmaschinen und dem Transport von Medien wie Folie, Blech oder Papier.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur berührungslosen Messung von Drehmomenten, insbesondere an rotierenden Wellen.

Die berührungslose Messung des Drehmomentes ist eines der wichtigsten sensorischen Probleme der Automatisierungstechnik. Anwendungen liegen u. a. in der Uberwachung und Regelung von Antrieben und Getrieben (Bestimmung der Momentanleistung, des Betriebswiderstandes und/oder von Schäden, z. B. Lagerschaden), der Uberwachung von Arbeitsprozessen, die durch rotierende Maschinenteile ange trieben werden (z. B. Werkzeugüberwachung an Werkzeugmaschinen, Transport von Medien wie Folie, Blech oder Papier), der dynamischen Verbrauchsoptimierung von Kraftfahrzeugen und in der Robotik.

Im folgenden werden die Begriffe "Rotor" und "Rotor-. . ." für die Welle und alle rotierenden Be standteile der betrachteten Vorrichtungen benutzt, für alle übrigen Bestandteile die Begriffe "Stator" und "Stator-. . .".

Stand der Technik

1. Allgemein bekannt ist die in der Laborpraxis übliche Drehmomentmessung mit Dehnungsmeßstrei fen (DMS). Diese werden auf die Welle geklebt und i. d. R. zu einer Brücke verschaltet. Eine berührungs lose Messung ist nur möglich, wenn statt eines Schleifringübertragers eine Telemetrieeinrichtung ver wendet wird, die mittels elektromagnetischer Kopplung Energie zur rotierenden Meßeinrichtung auf der Welle überträgt, ebenso wie in umgekehrter Richtung die Meßsignale. Das Verfahren wird sowohl mit Schleifringen als auch mit Telemetrie seit langem angewendet.
2. Aus der Patentliteratur (z. B. DE 38 23 935 A1, DE 43 13 556 A1) sind Sensoren nach dem Magnetostriktionsprinzip bekannt, bei denen das Drehmoment aus dem magnetischen Fluß durch eine auf die Welle aufgeklebte Folie bestimmt wird, deren Permeabilität von der mechanischen Spannung auf der Wellenoberfläche abhängt.
3. Eine weitere Gruppe von Sensoren bestimmt nach verschiedenen Verfahren (z. B. optisch oder in duktiv) die torsionsbedingte Phasenverschiebung zwischen zwei Musterträgern (z. B. Zahnräder, Folien oder Schlitzscheiben), die in einem bestimmten axialen Abstand auf der Welle befestigt sind.
4. Ferner sind aus der Patentliteratur kapazitive Drehmomentsensoren bekannt, bei denen sich auf der Welle - d. h. vollständig im rotierenden Teil - Kapazitäten befinden, die im Grunde als Positions- bzw. Dehnungssensoren arbeiten (z. B. EP 0 354 386 A1, US 4 866 993). Diese sind so plaziert, daß eine Torsion der Welle in Kapazitätsänderung umgesetzt wird. Das durch die Kapazitätsänderung entste hende elektrische Signal wird mit einer separaten Vorrichtung elektromagnetisch oder mit Schleifring zum stehenden Teil übertragen.
5. Die weitaus meisten Patentanmeldungen zum Thema Drehmomentmessung befassen sich mit Ma schinenteilen, die sehr verschiedenartige mechanische Wandler darstellen. Allen ist das Bestreben ge mein, die torsionsbedingten Verformungen aufgrund einer Drehmonentbeanspruchung im Wellenstrang in eine leicht meßbare mechanische Größe umzuwandeln. Manche Patentanmeldungen beschäftigen sich lediglich mit einer Verstärkung der mechanischen Spannung an bestimmten Punkten des Verfor mungskörpers (5a), die dann mit DMS gemessen wird (verbunden mit einer Telemetrieeinrichtung), die weitaus meisten dienen aber der Umsetzung der Spannung bzw. Dehnung in eine relative Lageänderung eines Rotorteils gegen ein anderes, die vom Stator aus berührungslos mit Abstandssensoren gemessen werden kann (5b).
6. Schließlich zeigt US 5 046 371 eine kapazitive Drehmomentmessung, bei der das elektrische Feld zwischen Welle und zwei Statorelektroden direkt genutzt wird. Dazu wird eine Hohlwelle hergestellt, in der sich diagonale Schlitze befinden. Die Welle verformt sich dann unter Drehmomentbelastung dergestalt, daß sich ihr Außendurchmesser bei Torsion in der einen Richtung vergrößert, in der anderen verringert, und damit auch die Kapazität zwischen Welle und Statorelektroden ändert. Es sind noch weitere Anordnungen bekannt, bei denen nach gleichem Prinzip eine gezielte Schwächung der Welle eine große, leicht meßbare Verformung hervorruft.

Obwohl das Drehmoment eine der wichtigsten mechanischen Meßgrößen ist, sind Drehmomentsen soren bisher nur sehr selten außerhalb von Prüfständen und Labors zu finden.

Nachteile des Standes der Technik

Es werden die Nachteile der einzelnen Systeme unter dem Gesichtspunkt der berührungslosen Mes sung diskutiert.

Punkte 1, 4 und 5a: Telemetrieeinrichtungen sind sehr teuer und scheiden für Großserienanwen dungen aus. Zudem verändert die an der Welle angebrachte Elektronik bei manchen Anwendungen in unakzeptabler Weise die mechanischen Eigenschaften, z. B. durch Ausbildung einer Unwucht. Wird die rotierende Elektronik nicht vergossen, kommt es zu Ausfällen durch die starke Beschleunigung, die auf die Schaltung wirkt. Andernfalls werden Reparatur und Änderung erschwert bis unmöglich.

Punkt 2: Das Magnetostriktionsprinzip leidet an der Unregelmäßigkeit der verwendeten Folien, die einen Fehler verursacht, der Umlaufmodulation genannt wird. Außerdem benötigen die 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. Ausweg sind einzig spezielle Stähle, die durch ihren hohen Preis in vielen Anwendungen nicht in Frage kommen. Die punktförmige Messung eines Einzelsensors des magneto striktiven Typs ist anfällig für Fehler durch Biegebelastungen der Welle. Soll der Sensor die Welle umschließen, um dieses Problem zu umgehen, steigen Bauvolumen und Komplexität stark an.

Punkt 3: Das Prinzip der Phasenverschiebung benötigt eine lange Welle. In vielen bekannten Sen soren dieses Prinzips bedeutet dies ebenfalls ein großes Bauvolumen, da der Platz zwischen den Be festigungsstellen der Musterträger ebenfalls vom Sensor eingenommen wird. Es sind Sensorformen bekannt, bei denen der Platz zwischen den Befestigungsstellen der Musterträger frei bleibt. Sie benöti gen 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 -abgabe bestückt. Der Anwendungsbereich wird weiter eingeschränkt durch die Tatsache, daß freie Wellenstücke oft rauhen Umgebungen, z. B. in Form aggressiver Arbeitsmedien, ausgesetzt sind. Eine statische Messung, d. h. bei stehender Welle, ist mit diesem Verfahren prinzipiell nicht möglich. Dadurch wird auch die Kalibrierung erschwert.

Punkt 5b: Gegen alle mechanischen Wandler dieses Typs sprechen: der Bauraum, den sie - mal mehr in axialer, mal mehr in radialer Richtung - einnehmen; die Kosten, die von den durchweg kom lizierten Teilen durch spanende Bearbeitung und Montage zu erwarten sind; und die Tatsache, daß ein wesentlicher Eingriff in den Wellenstrang stattfindet, der sich statisch in veränderter Torsions- und Biegesteifigkeit und dynamisch in verändertem Schwingungsverhalten äußert. Daher scheiden auch alle diese Systeme für breite Anwendung aus, insbesondere in kostensensiblen Bereichen.

Punkt 6: Die große Kapazitätsänderung in US 5 046 371 und verwandten Formen wird mit einer extremen Wellenschwächung (geringe Torsions- und Biegesteifigkeit) erkauft, die für viele Anwendun gen untragbar ist. Soll dieser Nachteil umgangen werden, wird mit steigender Torsionssteifigkeit das Meßsignal sehr klein. Da nicht die Möglichkeit zur Differenzmessung (d. h. Messung an einer Differenz kapazität) besteht, verschwindet das Signal dann leicht im Offset, der sich beim Altern des Materials und aufgrund der Temperatur verschiebt. Die bei allen Sensoren dieses Typs verwendeten Wellenteile sind kompliziert geformt und können nur mit großem Aufwand hergestellt werden.

Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Drehmoment, insbesondere an einer rotierenden Welle, zu messen und dabei folgende vorteilhafte Eigenschaften in einer Meßeinrichtung zu vereinigen:

- berührungslose Messung
- keine sensorbedingte Unwucht
- keine rotierende Elektronik
- vernachlässigbare Umlaufmodulation
- vernachlässigbare Querempfindlichkeit für Wellenbiegung
- geringste Baugröße, z. B. radial 3 mm, axial 2 cm
- einfache Wellenfertigung (gerader Kreiszylinder)
- keine komplizierten Maschinenteile
- kein zusätzliches Lager
- statische Messung und Kalibrierung möglich
- dynamische Messung drehzahlunabhängig möglich
- geringe Wellenschwächung
- hohe Torsions- und Biegesteifigkeit des Antriebsstrangs möglich
- geringer Herstellungsaufwand

Diese Aufgabe wird durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Das Drehmoment bewirkt Änderungen einer oder mehrerer Kapazitäten. Die Kapazitätsmessung erfolgt entweder direkt oder durch Messung einer Brückenspannung. Das Verfahren zur Kapazitätsmessung ist beliebig wählbar und nicht Gegenstand eines Anspruchs.

Mit dieser Anordnung, die lediglich aus einer zylindrischen Welle, dem Rotorelektrodenmuster auf der Welle, den Statorelektroden mit ihrem Trägermaterial sowie der Vorrichtung zur Kapazitätsmessung besteht, werden alle Vorteile entsprechend der Aufgabenstellung erreicht.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Ausführungsbeispiel des Sensors mit Rotor- und Statorelektroden

Fig. 2 Teilansicht Wellenschnitt

Fig. 3 Anordnung der Kapazitäten des Ausführungsbeispiels

Fig. 4 Kern- und Streufeld an einem Elektrodenrand

Fig. 5 Teilansicht Wellenschnitt, alternative Form

Fig. 6 Rotor- und Statorelektroden, alternative Formen

Fig. 7 Rotor- und Statorelektroden mit außenliegender Koppelkapazität

Fig. 8 Rotor- und Statorelektroden, verschränkte Form

Fig. 9 Schaltungsbeispiel mit Vollbrücke

Fig. 10 Statorformen

In Fig. 1 ist der Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels zu erkennen: Auf der Welle (W) befinden sich, schräg zur Wellenachse, vorzugsweise unter einem Winkel von 45° dazu, die langen und sehr schmalen Streifen der Rotorelektrode (R). Die Rotorelektrode bildet mit ihren Streifen ein periodisches Muster rund um die Welle. In der Mitte befindet sich ein Steg, der alle Streifen leitend miteinander verbindet. Die gesamte in Fig. 1 flächig schwarz dargestellte Struktur (R) ist in diesem Beispiel aus einem dünnen (≈ 1µm) Metallfilm gefertigt, der sich auf einer Isolatorfolie befindet und z. B. durch Aufdampfen hergestellt wird. Die Folie ist auf der Welle befestigt, in der Regel durch Kleben, wie von Dehnungsmeßstreifen bekannt. In unmittelbarer Nähe zur Welle und zur Rotorelektrode befinden sich die Statorelektroden (S1, S2, S3). Die Elektroden S1 und S3 sind kapazitiv an die Streifen der Rotor elektrode gekoppelt; die Elektrode S2 bildet eine kapazitive Kopplung zum Mittelsteg. Die Kapazität an S2 ist dabei wesentlich höher als die an S1 oder S3, weil bei S2 die ganze Fläche dem Mittelsteg von R gegenübersteht. Alle drei Statorelektroden folgen in ihrer Form einem imaginären Zylindermantel, der sich in einem geringen Abstand, z. B. 100 µm, um die Welle legt. Sie sind entweder freitragende Teile aus leitendem Material oder befinden sich auf einem isolierendem Träger, auf dem sie montiert oder durch Beschichten hergestellt sind. Der Winkel am Umfang der Welle, der von den Statorelektro den eingenommen wird, ist ein ganzzahliges Vielfaches der Winkel-Periode des Streifenmusters von R. Dadurch wird erreicht, daß sich die Kapazität von Rotor zu Stator bei freier, unbelasteter Rotation der Welle nicht ändert. Die im folgenden beschriebene Messung wird somit unabhängig von der Drehzahl der Welle.

In Fig. 2 ist an einer Teilansicht eines Schnittes durch die Welle W die Schichtung der Kompo nenten zu sehen: Auf der Welle befindet sich der Isolator D (Dielektrikum) von z. B. 100 µm Stärke, auf dem die Rotorelektrode R liegt. Die Rotorelektrode ist im Bild selbst nicht dargestellt. Die extrem dünne Schicht des Elektrodenmetalls läßt sich in guter Näherung als zweidimensionale Struktur be trachten. Der Luftspalt L trennt Rotor und Stator. Er ist im Beispiel ebenfalls zu 100 µm gewählt. Die Statorelektroden S befinden sich in Fig. 2 alle hintereinander.

Fig. 3 zeigt die Anordnung der Kapazitäten des Ausführungsbeispiels und kann auch als elektrisches Ersatzschaltbild betrachtet werden. C2R ist die Koppelkapazität zwischen dem Mittelsteg von R und S2; C1R und C3R sind die Kapazitäten zwischen den Streifen von R und S1 sowie S3. Daneben haben S1, S3 und R noch je eine Kapazität zur Welle selbst: C1W, C3W und CRW. Für die im folgenden beschriebene Messung sind hauptsächlich C1R. C2R und C3R von Bedeutung. S1, S2 und S3 werden als drei Anschlüsse einer Differenzkapazität nach außen zum Kapazitätsmeßgerät geführt. Dort werden im Prinzip die Kapazitäten S1-S2 und S3-S2 gemessen, oft aber direkt durch das Meßgerät ΔC = C1R-C3R oder Q = (C1R - C3R)/(C1R + C3R) bestimmt. Die Messung von Differenzkapazitäten kann mit hoher Genauigkeit erfolgen, weil sich viele Umwelteinflüsse gleichsinnig auf beide Teile auswirken und damit nicht in das Meßergebnis einfließen, wie unmittelbar aus den Termen für ΔC und Q ersichtlich. R ist der gemeinsame Anschluß beider Teile der Differenzkapazität; S2 und C2R dienen nur der Kopplung zu R. C1R und C3R bilden die Differenzkapazität im engeren Sinne, da sie sich bei der Drehmomentmessung durch die Verformung von R immer mit gleichem Betrag, aber entgegengesetztem Vorzeichen ändern.

Eine Torsionsbeanspruchung der Welle bewirkt nun eine Änderung des Winkels der Streifen der Rotorelektrode. Dadurch steigt die Kapazität zwischen Rotor und Stator bei einem Vorzeichen der Torsion im Bereich der Elektrode S1, während die Kapazität im Bereich der Elektrode S3 sinkt. Beim anderen Vorzeichen der Torsion ist es umgekehrt. Der zugrundeliegende Effekt wird in Fig. 4 dar gestellt: Jeder Elektrodenrand, im Beispiel der von R gegenüber S1, zeigt ein sogenanntes Streufeld (SF), das üblicherweise neben dem Kernfeld (KF) vernachlässigt wird. So wird die Kapazität eines Plattenkondensators meist mit der Näherungsformel C = εA/d mit der Plattenfläche A, der Feldkon stante ε und dem Plattenabstand d berechnet. Das Verhältnis aus Fläche und Umfang der Streifen der Rotorelektrode ist aber so klein zu wählen (z. B. Länge der Steifen 10 mm, Breite 5 µm), daß die Kapazität zu der darüberliegenden Statorelektrode durch das sich am Elektrodenrand ausbildende Streufeld dominiert wird. Da das Streufeld sich entlang des Umfangs der Elektrode ausbildet, ist der dazugehörige Kapazitätsanteil nicht proportional zur Fläche, sondern zur Länge. Die Elektrode wirkt also als Dehnungsmeßstreifen. Die Streifen dürfen nicht zu nah beieinander angeordnet sein, weil sich ihre Felder sonst zu einem einzigen überlagern, wobei das Streufeld verschwindet. Daher gibt es ein Optimum für den Streifenabstand (ΔC ist ebenfalls proportional zur Zahl der Streifen).

Ein Rechenbeispiel soll die Größe des Meßeffektes und die Machbarkeit der Drehmomentmessung illustrieren. Auf einer Welle von 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 µm vorgegeben sind. Eine numerische Optimierungsrechnung ergibt mit Streifen breiten von 5 µm und einem Streifenabstand von 200 µm eine maximale Differenzkapazität von ca. 27 fF (Femtofarad) bei einer maximalen Dehnung an der Wellenoberfläche von ε_max = 10^-3. Dieser Wert ist mit modernen Kapazitätsmeßschaltungen gut zu handhaben und verspricht eine erreichbare Auflösung (begrenzt durch thermisches Rauschen) in der Größenordnung von 8 bis 9 Bit ohne Vor zeichen (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. Im Text ist die Auflösung mit ca. 0.03 fF berechnet.).

Die Fig. 6 bis 10 zeigen weitere Ausführungsbeispiele und Variationsmöglichkeiten von Kompo nenten des Sensors. Fig. 5 stellt einen Schnitt analog zu Fig. 2 dar (Voraussetzung für dieses Aussehen des Schnittes ist es, nur eine dünne Scheibe der Welle zu betrachten.) Es handelt sich dabei um eine Art Schrägverzahnung. Anstatt einen leitfähigen Film auf einer Folie zu verwenden, wird die Struktur der Rotorelektrode R in Form von schmalen Stegen hergestellt, die sich aus der umgebenden Welleno berfläche herausheben (Die schwarzen Dreiecke in Fig. 5 sind die Schnittflächen der Stege.). Dadurch konzentriert sich das elektrische Feld auf diese Erhebungen, obwohl die Welle W nicht von R isoliert ist. Der Meßeffekt ist der gleiche wie beim oben beschriebenen Beispiel, das Feld muß aber neu berechnet werden, um einen Wert ΔC(ε_max) 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 Galvanikpro zeß, bei dem der größte Teil der Wellenoberfläche abgedeckt wird (In diesem Fall haben die Stege eine andere Querschnittsform als in Fig. 5.). Vorteil der Ausführung nach 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 alle Probleme, die mit der Haftung der Folie unter rauhen Umgebungsbedingungen zusammenhängen.

Fig. 6 zeigt zwei vereinfachte Ausführungsbeispiele, die Platz auf der Welle sparen. Fig. 6a ist eine auf eine Sensorkapazität reduzierte Form, die fast die Hälfte der Länge des Sensors sparen kann, weil S2 ohne wesentliche Beeinträchtigung der Messung wesentlich schmaler ausgeführt werden kann als in den Prinzipskizzen gezeigt, solange C2R sehr viel größer ist als C1R. Wenn die Welle aufgrund der Bauweise der betreffenden Maschine leitend mit der Umgebung verbunden ist, kann auch auf die Elektrode S2 verzichtet werden. R0 stellt dann direkt die Verbindung mit der Welle her. Am einfachsten läßt sich diese Form mit Fig. 5 verbinden. Nachteil der Formen nach Fig. 6 ist die fehlende Differenzmessung.

Bei Fig. 7 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 keine Kapazität frei.

Die Variante nach Fig. 8 vereinigt zwei Sensoren auf der gleichen Fläche, um diese besser auszunut zen. Wenn an S2 und S4a/S4b Meßschaltungen betrieben werden, die bei unterschiedlichen Frequenzen mit den Rotorelektroden R1 bzw. R2a/R2b arbeiten, überlagern sich die entsprechenden elektrischen Felder, ohne daß sich die Messungen beeinflussen. Voraussetzung ist ein vollständig getrenntes Ar beitsspektrum der Meßschaltungen. Die Dichte der Streifen kann dann insgesamt verdoppelt werden, bleibt aber für jeden Sensor einzeln gleich. Die Anordnung hat damit das Potential für höhere Ge nauigkeit, weil der Mittelwert aus zwei Einzelmessungen gebildet werden kann. Es können noch mehr als zwei Sensoren ineinander verschränkt werden, 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. wenige µm, so wird die kapazitive Kopplung kaum beeinträchtigt.

Fig. 9 zeigt das Schaltbild eines Sensors, der aus zwei Anordnungen nach Fig. 1 oder 7 gebildet wird. Die Bezeichnungen der einen Hälfte stimmen mit Fig. 1 überein; die andere Hälfte (mit gestrichenen Bezugszeichen) trägt ein identischer zweiter Sensor bei, der neben dem ersten auf derselben Welle angeordnet sein muß. Ub bezeichnet die Versorgung der Brücke, Um ist die Meßspannung. Es entsteht so eine Vollbrücke aus vier drehmomentabhängigen Kapazitäten, mit den bekannten Vorteilen der Messung mit einer Vollbrücke: geringste Querempfindlichkeit, hohe Störgrößeneliminierung, vierfaches Signal gegenüber Einzelelement, hohe Linearität.

Um ein möglichst hohes Meßsignal zu erhalten, sollten die Statorelektroden S1 und S3 eine möglichst große Fläche aufweisen. Ideal ist es, beide Elektroden zylindrisch auszuführen, d. h. die Welle damit vollständig zu umschließen. (In den Fig. 1, 2 und 5-8 wurde eine kleinere - ebenfalls mögliche - Elektrodenform lediglich gewählt, um die Elektroden in einer Ansicht eindeutig darstellen zu können.) Fig. 10a zeigt den entsprechenden Wellenschnitt mit der Projektion aller Statorelektroden S über einander. Neben der Maximierung des Ausgangssignals ist der Hauptvorteil die Eliminierung weiterer Störgrößen. Werden die Elektroden nur auf einer Seite angebracht, moduliert ein Wellenschlag das Meßsignal, auch wenn die Differenzmessung dem entgegenwirkt. Das Problem des Wellenschlages wird aber mit Fig. 10a weiter stark reduziert. Weiterhin wird mit Fig. 10a der Einfluß einer Biegebeanspru chung der Welle eliminiert, weil sich Biegeverformungen von gegenüberliegenden Wellenseiten gerade aufheben.

Oft läßt der Montageplatz eine ringförmige Statorelektrode nicht zu oder der Einbau des Sensors wird dadurch stark erschwert. Dann kann der Stator mehrteilig ausgeführt und um die Welle zusammen gesetzt oder -geklappt werden. In vielen Anwendungen wird aber ein einteiliger Sensor zu bevorzugen sein, insbesondere, wenn die hier beschriebene Drehmomentmessung wegen ihres geringen Aufwandes gewählt wird. Dann ist anzustreben, dem Vollkreis als Statorelektrode möglichst nahezukommen. Die 180°-Form ist dann allgemein das Maximum, jedoch unter dem Gesichtspunkt der Eliminierung der Biegebeanspruchung nicht optimal. Wird der Stator nach Fig. 106 aus einem hochelastischen Material ausgeführt, das beim Aufschieben des Sensors in Position S' noch keine relevante plastische Verfor mung erleidet, so kann der Stator S deutlich mehr als 180° umfassen. Werden die Statorelektroden nur an den beiden gegenüberliegenden Enden des Stators angebracht, ist trotz offenem, montagefreundlich einteiligem Stator eine vollständige Eliminierung der Wellenbiegung möglich.

Der beschriebene Sensor zur Drehmomentmessung erfordert die Strukturierung der Rotorelektrode R mit Verfahren, die eine hohe Genauigkeit und Auflösung haben. Dies ist in einer Serienferigung, die sich für den Foliensensor z. B. auf photolithographische Verfahren stützt, im Rahmen der notwendigen Strukturgrößen kein wesentliches Problem, kann jedoch die Benutzung im Labor und bei Einzelstücken erschweren. Es ist aber nicht notwendig, die Rotorelektrode streng als kammartiges Gebilde wie in Fig. 1 und 6-8 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. dem Mittelsteg von 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) auf dem Markt verfügbar zu sein. Man kann daher für Einzelstücke und Versuche auf die Strukturerzeugung verzichten und mit kommerziellen DMS zu einer wesentlich vereinfachten Sensorherstellung gelangen.

Claims

1. Sensor zur berührungslosen Messung von Drehmomenten, insbesondere an rotierenden Wellen, da durch gekennzeichnet,

1. daß sich auf der Oberfläche einer Welle (W) und mit dieser fest verbunden eine Elektrodenstruktur (R), die Rotorelektrode, befindet, die aus wenige Mikrometer schmalen, zueinander parallelen, elek trisch leitfähigen Streifen besteht, die elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind,
2. daß die Streifen der Rotorelektrode (R) den größten Teil der Länge des Sensors in axialer Richtung überstreichen, wobei sie schräg zur Wellenachse angeordnet sind, vorzugsweise unter einem Winkel von etwa 45° zur Achse,
3. daß die Streifen der Rotorelektrode (R) ein periodisches Muster rund um die Welle (W) bilden, d. h. gleichmäßig an ihrem Umfang angeordnet sind,
4. daß die Streifen der Rotorelektrode (R) als Kondensatorelektroden eingesetzt werden, wobei ihr gegenseitiger Abstand senkrecht zu ihrer Längsrichtung so gewählt ist, daß sich die elektrischen Streu felder (SF), die sich an ihrem Rand ausbilden, nicht mehr nennenswert überlappen, d. h. die elektrische Feldstärke, verursacht durch einen Streifen, am Ort der Nachbarstreifen vernachlässigbar klein ge genüber dem Feld dieser Nachbarstreifen ist,
5. daß eine oder mehrere Statorelektroden (S) vorhanden sind, die einen Teil der Zylinderoberfläche einnehmen, die konzentrisch um die Welle (W) unmittelbar außerhalb des Spaltes (L) liegt,
6. und daß eine paarweise kapazitive Kopplung zwischen Rotorelektrode (R) und mindestens einer Statorelektrode (S) besteht, die von den elektrischen Streufeldern (SF) dominiert wird, fast völlig drehzahl- und drehwinkelunabhängig, aber drehmomentabhängig ist und deren Kapazität durch eine externe Vorrichtung gemessen wird.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorelektrode (R) durch einen elektrisch leitenden Film gebildet wird, der auf einer Isolatorfolie haftet, die mit der Welle (W) fest verbunden ist.

3. Sensor nach Anspruch 1, 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.

4. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen der Rotorelektrode (R) durch erhöhte Stege gebildet sind, die durch Aufbringen von Material gefertigt sind.

5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen von Material durch Sputtern, Lackieren, Flammspritzen, Aufdampfen oder Galvanisieren geschieht.

6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzli che, zylindrische, rund um die Welle (W) reichende Leitbahn, die mit der Rotorelektrode (R) leitend verbunden ist, diese so ergänzt, daß sie eine konstante, d. h. drehzahl-, drehwinkel- und drehmomentu nabhängige Kapazität mit einer zusätzlichen Statorelektrode (S) bildet, die zur kapazitiven Kopplung der Rotorelektrode (R) an den Stator benutzt wird.

7. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorelektrode (R) an die Welle (W) angeschlossen wird, wenn diese außerhalb des Sensors bereits an ein beliebiges stehendes Maschinenteil angeschlossen ist.

8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei separate Kapazitäten aus Streifen der Rotorelektrode (R) und aus einer Statorelektrode (S) zu einer Differenz kondensatoranordnung kombiniert werden.

9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß vier separate Kapazitäten aus Streifen der Rotorelektrode (R) und aus einer Statorelektrode (S) zu einer Vollbrücke kombiniert werden.

10. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eins bis drei separate Kapazitäten aus Streifen der Rotorelektrode (R) und aus einer Statorelektrode (S) mit zusätzlichen konstanten Kondensatoren zu einer Brücke kombiniert werden.

11. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stator elektroden (S) die Welle (W) rotationssymmetrisch umschließen und der Stator einteilig ist.

12. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorelektroden (S) die Welle (W) rotationssymmetrisch umschließen und der Stator zerleg- oder aufklappbar ist.

13. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorelektroden (S) die Welle (W) in Umfangsrichtung zu maximal 180° umfassen und der Stator einteilig ist.

14. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Statorelektroden (S) die Welle (W) in Umfangsrichtung zu mehr als 180° umfassen und der Stator einteilig ist, sich aber aufgrund seiner hohen elastischen Verformbarkeit in radialer Richtung auf die Welle aufschieben läßt.

15. Sensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß Statorelektroden (S) paarweise ach sensymmetrisch zur Wellenachse angeordnet sind und diese Paare parallelgeschaltet werden.

16. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen der Rotorelektrode (R) kammförmig miteinander verbunden sind, d. h. alle Streifen sind parallel auf einer Seite miteinander verbunden.

17. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen der Rotorelektrode (R) mäanderförmig miteinander verbunden sind.

18. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Statorelektroden im Bereich der Streifen der Rotorelektrode (R) verwendet werden, um zusätzlich gleichzeitig zum Drehmoment auch die Drehzahl und -richtung zu messen.

19. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vorhande nen Statorelektroden im Betrieb des Sensors durch Umschalten eine andere Meßschaltung ermöglichen, die die Messung der Biegebelastung der Welle erlaubt.