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DE19932965A1 - Optical rotational moment sensor for a rotating shaft, comprises a scale unit, a detection unit, and an evaluation unit. - Google Patents

Optical rotational moment sensor for a rotating shaft, comprises a scale unit, a detection unit, and an evaluation unit.

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Publication number
DE19932965A1
DE19932965A1 DE1999132965 DE19932965A DE19932965A1 DE 19932965 A1 DE19932965 A1 DE 19932965A1 DE 1999132965 DE1999132965 DE 1999132965 DE 19932965 A DE19932965 A DE 19932965A DE 19932965 A1 DE19932965 A1 DE 19932965A1
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DE
Germany
Prior art keywords
moiré pattern
torque sensor
optical
scale
sensor according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
DE1999132965
Other languages
German (de)
Inventor
Mario Bechtold
Michael Willsch
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.)
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens Corp
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 Siemens Corp filed Critical Siemens Corp
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Publication of DE19932965A1 publication Critical patent/DE19932965A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01L3/00Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/12Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving photoelectric means
    • GPHYSICS
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    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Abstract

An optical rotational moment sensor for a rotating shaft, comprises a scale unit (30) with a primary double scale (31), a detection unit (40) for the optical determination of a Moire region, and an evaluation unit. The scale unit consists of primary and secondary scales located about the shaft, which have a carrier (33,34). The detection unit is used on a stationary shaft, and the evaluation unit produces an image.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Drehmomentsensor für eine um eine Drehachse drehbare Welle, der mindestens eine Skaleneinheit mit einer ersten Doppelskala aus einer ersten und einer zweiten in Umfangsrichtung der Welle angeordneten Strichskala, die über jeweils einen Träger mechanisch fest und axial durch eine vorgegebene Meßstrecke voneinander beabstandet mit der Welle verbunden und so zueinander benach­ bart angeordnet sind, daß eine Überlagerung beider Strich­ skalen ein von dem auf die Meßstrecke einwirkenden Drehmoment abhängiges erstes Moiré-Muster erzeugt, umfaßt. Ein solcher optischer Drehmomentsensor ist aus der GB 2 162 309 A be­ kannt.The invention relates to an optical torque sensor for a shaft rotatable about an axis of rotation, the at least one Scale unit with a first double scale from a first and a second arranged in the circumferential direction of the shaft Line scale, which is mechanically fixed over a carrier and axially from each other by a predetermined measuring distance spaced connected to the shaft and so adjacent to each other are arranged that a superimposition of both stroke scale a of the torque acting on the measuring section dependent first moiré pattern generated, includes. Such a optical torque sensor is from GB 2 162 309 A knows.

In dem "Handbuch der Sensortechnik - Messen mechanischer Größen", Verlag Moderne Industrie, Landsberg/Lech, 1989, Kapitel 6.6, Seiten 419 bis 443, findet sich eine allgemeine Zusammenstellung über derzeit übliche und bekannte Ausfüh­ rungsformen eines Drehmomentsensors. Das Drehmoment einer rotierenden Welle oder eines rotierenden Stäbs wird ins­ besondere über eine Verdrillung (= Torsion) der Welle er­ mittelt. Die Verdrillung ist nämlich proportional zum Dreh­ moment und zur Länge des betreffenden Wellenabschnitts sowie umgekehrt proportional zum Wellenquerschnitt und einer mate­ rialspezifischen Torsionssteifigkeit. Bis auf die Verdrillung sind dies Parameter, die vor Beginn der Messung bekannt sind. Deshalb läßt sich das Drehmoment dann durch eine Erfassung der Wellentorsion in einem bestimmten Wellenabschnitt ermitteln.In the "Manual of Sensor Technology - Measuring Mechanical Sizes ", Verlag Moderne Industrie, Landsberg / Lech, 1989, Chapter 6.6, pages 419 to 443, contains a general one Compilation of currently common and well-known designs tion forms of a torque sensor. The torque of one rotating shaft or a rotating rod is ins especially about a twisting (= torsion) of the shaft averages. The twist is namely proportional to the rotation moment and the length of the shaft section concerned and inversely proportional to the wave cross section and a mate rial-specific torsional stiffness. Except for the twist these are parameters that are known before the start of the measurement. Therefore, the torque can then be determined the wave torsion in a certain wave section determine.

In dem genannten Handbuch wird unter anderem ein optoelektro­ nischer Drehmomentsensor mit Codier-/Lochscheiben beschrie­ ben, wobei eine Detektion der Torsion optisch und damit be­ rührungslos erfolgt. Ein anderer offenbarter Drehmomentsensor bedient sich eines Wirbelstromeffekts zwischen zwei ge­ schlitzten Hülsen oder Scheiben, die aufgrund der torsions­ bedingten Verdrehung zu einer detektierbaren Impedanzänderung führen. Auch dieser Sensor arbeitet berührungslos. Weiterhin gibt es einen Drehmomentsensor, der über die Verstimmung einer Resonanzfrequenz einer resonanten Struktur z. B. einer Schwingsaite funktioniert. Die offenbarten Drehmomentsensoren sind je nach Ausführungsform jedoch stets mehr oder weniger störgrößenanfällig und/oder sie haben einen sehr komplexen Aufbau.In the manual mentioned, among other things, an optoelectro described torque sensor with coding / perforated disks ben, with a detection of the torsion optically and thus be  done without contact. Another disclosed torque sensor uses an eddy current effect between two ge slotted sleeves or washers due to the torsion conditional twist to a detectable change in impedance to lead. This sensor also works without contact. Farther there is a torque sensor that detects the detuning a resonance frequency of a resonant structure e.g. B. one Vibrating string works. The disclosed torque sensors are always more or less depending on the embodiment susceptible to interference and / or they are very complex Construction.

In dem Buch "Sensors - A Comprehensive Survey", Vol. 6, Optical Sensors, VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim, 1992, Kapitel 22.4.4, Seiten 570 bis 585, sowie in dem Buch "Grund­ lagen der Sensorik - Eine Instrumentenkunde für Vermessungs­ ingenieure", Wichmann, 1996, Seiten 113 bis 118, Seiten 292 bis 294 sowie Seiten 442 bis 447, wird das sog. Moiré-Ver­ fahren im Zusammenhang mit der Sensortechnik beschrieben. Ein auswertbares Moiré-Muster entsteht durch eine Überlagerung zweier Strichskalen, wobei sich Hell- und Dunkelmaxima aus­ bilden, die einen deutlich größeren Periodenabstand aufweisen als eine Gitterperiode (= Periode zwischen den Strichen der Strichskala) der zugrunde liegenden Strichskalen. Dadurch vereinfacht sich eine Detektion erheblich, da eine eingesetz­ te Detektoreinheit mit einer niedrigeren Grenzfrequenz be­ trieben werden kann.In the book "Sensors - A Comprehensive Survey", Vol. 6, Optical Sensors, VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim, 1992, Chapter 22.4.4, pages 570 to 585, and in the book "Grund sensor technology - An instrumental science for surveying engineers ", Wichmann, 1996, pages 113 to 118, pages 292 to 294 and pages 442 to 447, the so-called Moiré-Ver drive described in connection with the sensor technology. On An evaluable moiré pattern is created by an overlay two line scales, with light and dark maxima form that have a significantly larger period interval as a lattice period (= period between the bars of the Line scale) of the underlying line scales. Thereby Detection is considerably simplified since one is used te detector unit with a lower cutoff frequency can be driven.

Man unterscheidet zwischen zwei grundsätzlichen Moiré-Ver­ fahren. Beim ersten Verfahren werden die beiden Strichskalen gegeneinander verdreht. Deshalb wird dieses Verfahren auch als Verdrehungsmoiré-Verfahren bezeichnet. Beim zweiten Ver­ fahren haben die beiden Strichskalen eine geringfügig vonein­ ander abweichende Gitterperiode. Dadurch ergibt sich ein Moiré-Muster, das sich unter einem Meßgrößeneinfluß, der z. B. zu einer Dehnung einer der beiden Strichskalen führt, ver­ ändert. Dieses zweite Verfahren wird auch als Teilungsmoiré- Verfahren bezeichnet. Allgemein erreicht man mit einem sol­ chen Moiré-Verfahren eine einfache und preiswerte Erfassung einer mechanischen Dehnung oder einer mechanischen Deforma­ tion.A distinction is made between two basic moiré ver drive. In the first procedure, the two line scales twisted against each other. That is why this procedure also works referred to as the twist moiré method. In the second ver driving, the two line scales are slightly apart other deviating grating period. This results in a Moiré pattern, which is influenced by a measured variable, e.g. B. leads to an expansion of one of the two line scales, ver changes. This second method is also called the division moiré  Process called. Generally you can reach with a sol Chen Moiré process a simple and inexpensive acquisition mechanical stretching or mechanical deformity tion.

Mit der GB 2 162 309 A1 wird ein optischer Drehmomentsensor offenbart, der die Torsion in einem als Meßstrecke ausgebil­ deten Abschnitt einer rotierenden Welle über ein Moiré-Muster erfaßt. Die beiden zur Überlagerung gebrachten Strichskalen sind jeweils mittels eines Trägers mechanisch fest an gegen­ überliegenden Enden der Meßstrecke mit der rotierenden Welle verbunden. Kommt es auf der Meßstrecke infolge eines anlie­ genden Drehmoments zu einer Torsion, so resultiert eine op­ tisch erfaßbare Veränderung des Moiré-Musters. Der offenbarte Drehmomentsensor funktioniert allerdings nur bei rotierender Welle, da nur ein an einem Abtastpunkt eines Eingangslicht­ signals vorbeilaufendes Moiré-Muster detektiert werden kann. Bei Wellenstillstand ist es dagegen unmöglich, festzustellen, welcher Bereich des Moiré-Musters sich am Abtastpunkt befin­ det. Da aber gerade bei Wellenstillstand der Nullpunkt des Drehmoments vorliegt, kann folglich auch kein Nullpunkt­ abgleich durchgeführt werden.GB 2 162 309 A1 is an optical torque sensor disclosed, the torsion in a training as a measuring section section of a rotating shaft over a moiré pattern detected. The two line scales overlaid are mechanically firmly against each other by means of a carrier overlying ends of the measuring section with the rotating shaft connected. If it comes to the measuring section as a result of a torque to torsion, an op table-detectable change in the moiré pattern. The revealed Torque sensor only works with a rotating one Wave because only one at a sampling point of an input light signals passing moire pattern can be detected. In contrast, when the waves are at a standstill, it is impossible to determine which area of the moiré pattern is at the sampling point det. But since the zero point of the Torque is present, therefore no zero point adjustment.

Bei einem Drehmomentsensor insbesondere mit einer hohen Ge­ nauigkeit besteht jedoch im allgemeinen die Forderung nach einer Kalibrierbarkeit. Dadurch läßt sich die notwendige Präzision beim Einbau erheblich reduzieren, da ein solcher Sensor auch noch nachträglich auf seinen Nullpunkt kalibriert werden kann. Darüber hinaus ist es unter Umständen auch er­ forderlich, einen hochgenauen Drehmomentsensor im Laufe sei­ ner Betriebsdauer immer wieder zu kalibrieren, um alterungs­ bedingte Einflüsse zu eliminieren. Insbesondere ein in der Kraftfahrzeugtechnik eingesetzter Drehmomentsensor sollte deshalb die Möglichkeit zum Nullpunktabgleich bei stillste­ hender Welle bieten. In the case of a torque sensor, in particular with a high Ge However, accuracy is generally required a calibrability. This allows the necessary Significantly reduce precision during installation as such Sensor also calibrated to its zero point afterwards can be. It may also be him required a high-precision torque sensor in the course calibrate again and again in order to avoid aging eliminate conditional influences. In particular one in the Torque sensor used in automotive engineering should therefore the possibility of zero adjustment at the quietest wave.  

Es ist nun die Aufgabe der Erfindung, einen optischen Dreh­ momentsensor der eingangs bezeichneten Art anzugeben, mit dem ein Nullpunktabgleich bei Wellenstillstand möglich ist. Der optische Drehmomentsensor soll außerdem einfach und preiswert herzustellen sein.It is now the object of the invention to make an optical rotation to specify the moment sensor of the type described at the beginning, with the a zero point adjustment is possible when the shaft is at a standstill. The Optical torque sensor should also be simple and inexpensive to be manufactured.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein optischer Drehmomentsensor entsprechend den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs angegeben.An optical torque sensor is used to solve this task according to the features of the independent claim specified.

Der erfindungsgemäße optische Drehmomentsensor für eine um eine Drehachse drehbare Welle umfaßt mindestens
The optical torque sensor according to the invention for a shaft rotatable about an axis of rotation comprises at least

  • - eine Skaleneinheit mit einer ersten Doppelskala aus einer ersten und einer zweiten in Umfangsrichtung der Welle an­ geordneten Strichskala, die über jeweils einen Träger mechanisch fest und axial durch eine vorgegebene Meßstrecke voneinander beabstandet mit der Welle verbunden und so zu­ einander benachbart angeordnet sind, daß eine Überlagerung beider Strichskalen ein von dem auf die Meßstrecke einwir­ kenden Drehmoment abhängiges erstes Moiré-Muster erzeugt,- A scale unit with a first double scale from one first and a second in the circumferential direction of the shaft ordered line scale, each over a carrier mechanically fixed and axially through a given measuring section spaced from each other connected to the shaft and so to are arranged adjacent to each other that an overlay both line scales one of which acts on the measuring section generates a torque-dependent first moiré pattern,
  • - Detektionsmittel zur optischen Erfassung eines ersten Moiré-Musterteilbereichs des ersten Moiré-Musters bei stillstehender Welle über mindestens ein auf den ersten Moiré-Musterteilbereich gerichtetes Eingangslichtsignal und- Detection means for optical detection of a first one Moiré pattern portion of the first moiré pattern stationary wave over at least one at first Moiré pattern partial area directed input light signal and
  • - eine Auswerteeinheit zur Erzeugung eines ersten Abbilds mindestens einer Periode des ersten Moiré-Musters aus dem optisch erfaßten ersten Moiré-Musterteilbereich und zur Zuordnung des ersten Abbilds zu dem bei stillstehender Welle vorliegenden Nullpunkt des Drehmoments.- An evaluation unit for generating a first image at least one period of the first moiré pattern from the optically captured first moiré pattern part area and Assignment of the first image to that of a stationary one Shaft present zero point of torque.

Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, daß sich ein optischer Drehmomentsensor, der das Drehmoment in einfacher Weise über eine optische Detektion eines Moiré-Musters er­ faßt, mit wenigen zusätzlichen Mitteln auch für einen Null­ punktabgleich oder eine Kalibrierung bei stillstehender Welle ertüchtigen läßt. Dazu sind lediglich einfache und preiswerte Detektionsmittel erforderlich, die in der Lage sind, einen ersten Moiré-Musterteilbereich des ersten Moiré-Musters bei stillstehender Welle zu erfassen. Das mindestens eine zur optischen Erfassung verwendete Eingangslichtsignal wird von dem ersten Moiré-Musterteilbereich insbesondere in seiner Intensität beeinflußt. In einer Auswerteeinheit wird dann aus dem optisch erfaßten ersten Moiré-Musterteilbereich eine komplette Periode des bei Wellenstillstand vorliegenden ersten Moiré-Musters in Form des ersten Abbilds rekonstru­ iert. Da bei Wellenstillstand auch kein Drehmoment vorhanden ist, liegen damit vor Beginn des eigentlichen Sensorbetriebs alle für einen aktuellen Nullpunktabgleich benötigten Infor­ mationen vor.The invention is based on the knowledge that a optical torque sensor that the torque in simple Way via an optical detection of a moiré pattern with a few additional resources, even for a zero point adjustment or calibration when the shaft is stationary can be strengthened. All that is required is simple and inexpensive Detection means are required, which are able to  first moiré pattern portion of the first moiré pattern to detect a standing wave. The at least one for Input light signal used by optical detection is from the first moiré pattern section, especially in its Intensity affected. Then in an evaluation unit the optically recorded first moiré pattern partial area complete period of the wave stop Reconstruct the first moiré pattern in the form of the first image iert. Since there is no torque when the shaft stops are before the actual sensor operation begins all information required for a current zero point adjustment mations before.

Insbesondere lassen sich in der Auswerteeinheit auf diese Weise die aktuellen Lagen von Hell- und Dunkelbereichen (Hell- und Dunkelmaxima) im ersten Moiré-Muster und damit auch die aktuelle Position eines Abtastpunkts des Eingangs­ lichtsignals relativ zu diesen Extremwerten des ersten Moiré- Musters bestimmen. Das Hell- und das Dunkelmaximum des ersten Moiré-Musters werden nämlich unmittelbar in einen maximalen bzw. minimalen Intensitätswert in einem Ausgangslichtsignal abgebildet. Das auf das erste Moiré-Muster gerichtete Ein­ gangslichtsignal erfährt beim Passieren des ersten Moiré- Musters oder bei einer Reflexion an dem ersten Moiré-Muster eine entsprechende Variation in der Lichtintensität. Nach Passieren des ersten Moiré-Musters liegt ein Ausgangslicht­ signal mit einer Intensitätsmodulation vor, die der Hell- /Dunkelvariation im ersten Moiré-Muster entspricht.In particular, the evaluation unit can refer to this The current positions of light and dark areas (Light and dark maxima) in the first moiré pattern and thus also the current position of a sample point of the input light signal relative to these extreme values of the first moiré Determine patterns. The light and dark maximum of the first Moire patterns are namely immediately in a maximum or minimum intensity value in an output light signal pictured. The one aimed at the first moiré pattern aisle light signal is experienced when passing the first moiré Pattern or when reflecting on the first moiré pattern a corresponding variation in light intensity. To An exit light passes through the first moiré pattern signal with an intensity modulation that the light / Dark variation in the first moiré pattern corresponds.

Da die Intensität des Eingangslichtsignals einer meßgrößen­ unabhängigen alterungsbedingten Variation unterliegen und auch die aktuelle Lage des ersten Moiré-Musters in Relation zum Drehwinkel z. B. temperaturbedingt variieren kann, ist eine aktuelle, der momentanen Hell-/Dunkelverteilung des ersten Moiré-Musters zugeordnete Intensitätsverteilung im Ausgangslichtsignal eine wichtige Größe für den Nullpunkt­ abgleich. Besonders wichtige Parameter sind dabei die den momentanen Hell- und Dunkelbereichen des ersten Moiré-Musters zugeordneten Intensitätsextremwerte.Since the intensity of the input light signal is a measured variable are subject to independent age-related variation and also the current position of the first moiré pattern in relation to the angle of rotation z. B. may vary due to temperature a current, the current light / dark distribution of the intensity distribution in the first moiré pattern Output light signal an important variable for the zero point adjustment. The most important parameters are the  current light and dark areas of the first moiré pattern assigned extreme intensity values.

Um die für den Nullpunktabgleich besonders wichtigen Inten­ sitätsextremwerte zu erhalten, ist es günstig, wenn in der Auswerteeinheit ein Abbild zumindest einer kompletten Periode des ersten Moiré-Musters vorliegt. Dieses erste Abbild kann dann beispielsweise eine über eine komplette Periode des ersten Moiré-Musters ermittelte Intensitätsverteilung des Ausgangslichtsignal darstellen. Die Ermittlung kann dabei entweder durch optisches Abtasten eines entsprechend großen Ausschnitts des ersten Moiré-Musters oder durch optisches Abtasten eines kleineren Ausschnitts mit nachfolgender Signalrekonstruktion in der Auswerteeinheit erfolgen.The most important for the zero point adjustment to obtain extreme values, it is favorable if in the Evaluation unit an image of at least one complete period of the first moiré pattern. This first image can then for example one over a complete period of first Moiré pattern determined intensity distribution of the Display output light signal. The determination can either by optically scanning a correspondingly large one Detail of the first moiré pattern or by optical Scanning a smaller section with the following Signal reconstruction takes place in the evaluation unit.

Für die Signalrekonstruktion kann man auch Kenntnisse über den prinzipiellen Verlauf des ersten Moiré-Musters verwenden. Die Helligkeitsverteilung des ersten Moiré-Musters hat näm­ lich stets einen im wesentlichen sinusförmigen Verlauf. Die Signalrekonstruktion kann sich deshalb z. B. eines entspre­ chenden Korrelationsverfahrens oder auch eines Sinus-Fits bedienen.For signal reconstruction, one can also have knowledge of use the basic course of the first moiré pattern. The brightness distribution of the first moiré pattern has näm Lich always an essentially sinusoidal course. The Signal reconstruction can therefore z. B. correspond to one Correlation method or a sine fit serve.

Der optisch erfaßte erste Moiré-Musterteilbereich kann somit sowohl größer als auch kleiner als eine Periode des ersten Moiré-Musters sein. Er muß auch nicht aus einem einzigen zusammenhängenden Ausschnitt des ersten Moiré-Musters be­ stehen. Er ist jedoch stets größer als ein einziger, Ver­ glichen mit der Periode des ersten Moiré-Musters kleiner Abtastpunkt eines z. B. fokussierten, von einer LED (Lumines­ zenzdiode) erzeugten Eingangslichtsignals. Entscheidend für die Größe des optisch zu erfassenden ersten Moiré-Musterteil­ bereichs ist die Rekonstruierbarkeit einer kompletten Periode des ersten Moiré-Musters in der Auswerteeinheit, wobei auch Zusatzkenntnisse miteinfließen können. The optically recorded first moiré pattern partial area can thus both larger and smaller than a period of the first Be a moire pattern. He doesn't have to be from one contiguous section of the first moiré pattern be stand. However, it is always larger than one, Ver compared with the period of the first moiré pattern smaller Sampling point of a z. B. focused by an LED (Lumines zenzdiode) generated input light signal. Crucial for the size of the first moiré pattern part to be optically detected area is the reconstructibility of a complete period of the first moiré pattern in the evaluation unit, whereby also Additional knowledge can be included.  

Es ist nun möglich, entweder das komplette erste Abbild in Form der über eine Periode des ersten Moiré-Musters ermit­ telten Intensitätsverteilung des Ausgangslichtsignals oder auch nur die Intensitätsextremwerte dieser Intensitätsver­ teilung in einem z. B. elektronischen Speicher der Auswerte­ einheit zu hinterlegen. Diese Informationen stehen damit dann neben den gegebenenfalls auch gespeicherten jeweils zugehöri­ gen Drehwinkelpositionen für die Kalibrierung, d. h. den Null­ punktabgleich, zur Verfügung.It is now possible to either have the complete first image in Form that over a period of the first moiré pattern intensity distribution of the output light signal or even only the extreme intensity values of this intensity ver division in a z. B. electronic memory of the evaluations deposit unit. This information is then available in addition to the possibly also stored in each case rotation angle positions for calibration, d. H. the zero point matching, available.

Unter einer "Überlagerung der beiden Strichskalen", durch die sich das erste Moiré-Muster ergibt, ist in diesem Zusammen­ hang ein echtes lokales "Übereinanderanordnen" zu verstehen. Ebenso soll darunter jedoch auch der allgemeinere Fall ver­ standen werden, bei dem das Eingangslichtsignal die beiden Strichskalen nacheinander durchläuft oder nacheinander an beiden Strichskalen reflektiert wird. Eine Kombination von Transmission durch eine Strichskala und Reflexion an der anderen Strichskala ist ebenso möglich.Under a "superimposition of the two line scales" through which the first moiré pattern is in this together to understand a real local "stacking". Likewise, however, the more general case should also be included be standing, in which the input light signal the two Line scales run through one after the other or one after the other two line scales is reflected. A combination of Transmission through a line scale and reflection at the other line scale is also possible.

Besondere Ausgestaltungen des optischen Drehmomentsensors ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Special configurations of the optical torque sensor result from the dependent claims.

Bevorzugt ist ein einfacher Verstellmechanismus für einen optischen Abtastpunkt des Eingangslichtsignals auf dem ersten Moiré-Muster vorgesehen, so daß der Abtastpunkt um die Länge des optisch zu erfassenden ersten Moiré-Musterteilbereichs auf dem ersten Moiré-Muster verschoben werden kann. Bei einer Verschiebelänge von z. B. mindestens einer halben Perioden­ länge des ersten Moiré-Musters überstreicht der Abtastpunkt alle möglichen Helligkeitsabstufungen innerhalb des ersten Moiré-Musters.A simple adjustment mechanism for one is preferred optical sampling point of the input light signal on the first Moiré pattern is provided so that the sample point by the length of the first moiré pattern partial area to be optically detected can be moved on the first moiré pattern. At a Displacement length of z. B. at least half a period The scanning point sweeps the length of the first moiré pattern all possible brightness levels within the first Moire pattern.

Bei einer ersten Ausführungsform läßt sich der Abtastpunkt durch Positionierungsmittel in Umfangsrichtung der Welle auf dem ersten Moiré-Muster verschieben. Dies bietet besonders dann Vorteile, wenn die Hell- und Dunkelbereiche des ersten Moiré-Musters im wesentlichen parallel zur Drehachse ver­ laufen, da der Abtastpunkt dann im wesentlichen senkrecht zu einer Hauptrichtung des ersten Moiré-Musters verschoben werden kann. Alle für den Nullpunktabgleich erforderlichen Informationen sind dann problemlos bestimmbar.In a first embodiment, the sampling point can be by positioning means in the circumferential direction of the shaft move the first moire pattern. This offers particularly then advantages if the light and dark areas of the first  Moire pattern ver substantially parallel to the axis of rotation run because the sampling point is then essentially perpendicular to shifted in a main direction of the first moiré pattern can be. All necessary for the zero point adjustment Information can then be easily determined.

Eine zweite Ausführungsform ist so ausgebildet, daß die Positionierungsmittel eine Verschiebung eines Abtastpunkts in Richtung der Drehachse, d. h. in axialer Richtung, ermögli­ chen. Diese Ausführungsform bietet insbesondere dann Vor­ teile, wenn das erste Moiré-Muster Hell- und Dunkelbereiche umfaßt, die unter einem gewissen Winkel zur Drehachse ver­ laufen. In Umfangsrichtung betrachtet ergibt sich eine schräge Anordnung der Hell- und Dunkelbereiche. Dann wird auch mit einer axialen Verschiebung des Abtastpunkts ein entsprechender Abschnitt des ersten Moiré-Musters überstri­ chen, so daß alle für die Kalibrierung notwendigen Informa­ tionen ermittelt werden können.A second embodiment is designed so that the Positioning means a displacement of a sampling point in Direction of the axis of rotation, d. H. in the axial direction, possible chen. This embodiment then offers in particular divide when the first moiré pattern is light and dark includes the ver at a certain angle to the axis of rotation to run. Viewed in the circumferential direction, one results oblique arrangement of the light and dark areas. Then it will be also with an axial displacement of the sampling point corresponding section of the first moiré pattern chen, so that all information necessary for calibration tion can be determined.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, daß die Positionierungsmittel eine mechanisch verschiebbare Detektoreinheit umfassen. Je nach gewählter Ausbildung des ersten Moiré-Musters kann diese Detektoreinheit um die Dreh­ achse drehbar auf der Welle gelagert sein oder längs der Drehachse verschiebbar angeordnet sein, so daß entweder eine Verschiebung in Umfangsrichtung oder eine Verschiebung in axialer Richtung möglich ist. Eine Ausführungsform mit Ver­ schiebungsmöglichkeit sowohl in Umfangsrichtung als auch in axialer Richtung ist ebenfalls möglich. Über eine solche Detektoreinheit läßt sich der Abtastpunkt besonders einfach auf dem ersten Moiré-Muster verschieben. Außerdem stellt die verschiebbare Detektoreinheit eine sehr preiswerte Lösung dar, da keine aufwendigen Komponenten erforderlich sind.An advantageous embodiment is characterized by that the positioning means a mechanically displaceable Detector unit include. Depending on the training chosen This detector unit can rotate the first moiré pattern be rotatably mounted on the shaft or along the axis Axis of rotation can be arranged so that either one Shift in the circumferential direction or a shift in axial direction is possible. An embodiment with Ver possibility of sliding both in the circumferential direction and in axial direction is also possible. About one Detector unit, the sampling point is particularly easy move on the first moire pattern. In addition, the sliding detector unit a very inexpensive solution because no complex components are required.

Die Detektoreinheit enthält vorteilhafterweise elektroopti­ sche Sendemittel, beispielsweise in Form einer Laserdiode oder einer Lumineszenzdiode (LED), zum Aussenden des Ein­ gangslichtsignals und außerdem auch optoelektrische Empfangs­ mittel, beispielsweise in Form einer oder mehrerer Photo­ dioden oder einer CCD-Zeile (Charge Coupled Device), zum Empfangen des mindestens einen Ausgangslichtsignals.The detector unit advantageously contains electro-optics cal transmission means, for example in the form of a laser diode or a luminescent diode (LED) to send out the on  gangslichtsignals and also optoelectric reception medium, for example in the form of one or more photos diodes or a CCD line (Charge Coupled Device) to Receiving the at least one output light signal.

Vorteilhaft ist eine weitere Ausführungsform, bei der eine Positioniereinheit die genaue mechanische Positionierung der verschiebbaren Detektoreinheit steuert. Diese Positionier­ einheit stellt die aktuelle Position des Abtastpunkts auf dem ersten Moiré-Muster ein und liefert zugleich auch entspre­ chende Positionsangaben, die gespeichert und dann für die Kalibrierung verwendet werden können. Die Positioniereinheit kann einen mechanischen Schieber, z. B. in Gestalt eines Magnetschiebers oder eines Piezoaktors, zum Positionieren der verschiebbaren Detektoreinheit enthalten. Andere mechanische Schieber sind ebenfalls denkbar.Another embodiment is advantageous, in which one Positioning unit the exact mechanical positioning of the slidable detector unit controls. This positioning unit represents the current position of the sampling point on the first moiré pattern and at the same time also delivers Position information that is saved and then for the Calibration can be used. The positioning unit can a mechanical slide, e.g. B. in the form of a Magnetic slide or a piezo actuator, for positioning the sliding detector unit included. Other mechanical Sliders are also conceivable.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung setzt sich der optisch zu erfassende erste Moiré-Musterteilbereich aus mindestens zwei voneinander unabhängigen Segmenten des ersten Moiré- Musters zusammen. Alle Segmente werden dann über jeweils gesonderte Eingangslichtsignale optisch erfaßt. Durch die Verwendung mehrerer Eingangslichtsignale, d. h. auch mehrerer Abtastpunkte, läßt sich die für die Ermittlung des ersten Abbilds erforderliche Verschiebelänge der verschiebbaren Detektoreinheit reduzieren.In an advantageous embodiment, the optically settles first moiré pattern partial area to be recorded from at least two independent segments of the first moiré Patterns together. All segments are then over each separate input light signals optically detected. Through the Using multiple input light signals, i. H. also several Sampling points, can be used to determine the first Image required displacement length of the movable Reduce detector unit.

Günstig ist auch eine Variante, bei der sich der optisch zu erfassende erste Moiré-Musterteilbereich aus zwei Segmenten zusammensetzt, die im Abstand einer Viertelperiode des ersten Moiré-Musters angeordnet sind. Durch diesen günstigen Abstand wird erreicht, daß sich nie beide zugehörige Abtastpunkte zugleich an einer Stelle des ersten Moiré-Musters befinden, die einen niedrigen Kontrast, d. h. einen niedrigen lokalen Gradienten der Helligkeitsverteilung, aufweist. Dadurch ist eine weitere Reduktion der erforderlichen Verschiebelänge der verschiebbaren Detektoreinheit möglich. A variant is also favorable in which the optically capturing first moiré pattern partial area from two segments composed of a quarter period of the first Moire pattern are arranged. Because of this convenient distance it is achieved that there are never two associated sampling points at the same time in one place of the first moiré pattern, which have a low contrast, i.e. H. a low local Gradients of the brightness distribution. This is a further reduction in the required displacement length of the movable detector unit possible.  

Eine weitere günstige Ausgestaltung ist mit Beleuchtungsmit­ teln ausgestattet, die eine komplette Beleuchtung zumindest des optisch zu erfassenden ersten Moiré-Musterteilbereichs ermöglichen. Die Beleuchtung kann z. B. über einen großflächi­ gen Lichtpunkt erfolgen, der den für den Nullpunktabgleich optisch zu erfassenden ersten Moiré-Musterteilbereich kom­ plett erfaßt. Von dem ersten Moiré-Musterteilbereich wird dann praktisch ein einer Photographie vergleichbares Abbild erstellt, dessen Auswertung die für den Nullpunktabgleich benötigten Informationen liefert. Eine hierfür geeignete Lichtquelle kann z. B. auch eine einfache Glühlampe mit ggf. nachgeschalteter Lochblende sein. Möglich ist auch eine Viel­ zahl einzelner LEDs. Zur Erfassung des zurückreflektierten Lichts dient beispielsweise eine CCD-Zeile. Bei dieser Aus­ gestaltung wird der Abschnitt des ersten Moiré-Musters rein elektronisch erfaßt. Insbesondere ist keine mechanische Ver­ schiebung vorgesehen.Another favorable embodiment is with lighting equipped with complete lighting, at least of the first moiré pattern partial area to be optically detected enable. The lighting can e.g. B. over a large area towards the light point, that for the zero point adjustment optically detectable first moiré pattern partial area com recorded in full. From the first moiré pattern section then practically an image comparable to a photograph created, the evaluation of which for the zero point adjustment provides the required information. A suitable one for this Light source can e.g. B. also a simple light bulb with downstream pinhole. A lot is also possible number of individual LEDs. To record the reflected back Light is used, for example, by a CCD line. With this out the section of the first moiré pattern becomes pure recorded electronically. In particular, there is no mechanical ver shift provided.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind Beleuch­ tungsmittel vorgesehen, die mehrere separate Eingangslicht­ signale emittieren. Abtastpunkte dieser Eingangslichtsignale überdecken den für den Nullpunktabgleich optisch zu erfassen­ den ersten Moiré-Musterteilbereich. Dazu sind die einzelnen Abtastpunkte nebeneinander längs des längs des optisch zu erfassenden ersten Moiré-Musterteilbereichs angeordnet. Die separaten Eingangslichtsignale werden z. B. von einer ent­ sprechenden Anzahl insbesondere einzeln ansteuerbarer Licht­ quellen in Form von Laserdioden oder LEDs erzeugt. Die ein­ zelnen Lichtquellen können auch zu einer einzigen Baueinheit zusammengefaßt sein. Entsprechend der gewünschten Überdeckung des gesamten auszuwertenden Abschnitts durch die einzelnen Abtastpunkte sind auch die Foki der einzelnen Lichtquellen seitlich etwas gegenüber dem jeweiligen Nachbarfokus ver­ setzt. Die einzelnen Lichtquellen können gleichzeitig oder auch sukzessive angesteuert werden. Entsprechend ergibt sich das zu erstellende Abbild des optisch zu erfassenden ersten Moiré-Musterteilbereichs unmittelbar oder es wird erst nach­ träglich in der Auswerteeinheit zusammengesetzt.In a further preferred embodiment, lighting is provided means provided that several separate input light emit signals. Sampling points of these input light signals cover the optically for the zero point adjustment the first moiré pattern section. To do this are the individual Sampling points alongside each other along the optically detecting first moiré pattern portion. The separate input light signals are e.g. B. from an ent speaking number, in particular individually controllable light sources in the form of laser diodes or LEDs. The one Individual light sources can also form a single unit be summarized. According to the desired coverage of the entire section to be evaluated by the individual Sampling points are also the focus of the individual light sources a little bit laterally compared to the respective neighboring focus puts. The individual light sources can be simultaneously or can also be controlled successively. Accordingly it follows the image to be created of the first to be optically recorded  Moiré pattern subarea immediately or only after composed in the evaluation unit.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsvariante unterscheiden sich die Strichzahlen der beiden Strichskalen nur geringfügig voneinander. Eine relative Differenz zwischen den Strichzah­ len von höchstens 10% führt nämlich zu einem ersten Moiré- Muster mit einer großen Periodenlänge, so daß sich eine Ver­ stärkung des Meßeffekts ergibt. Unter dem Einfluß eines Dreh­ moments wird das erste Moiré-Muster dann über einen großen Drehwinkelbereich verschoben, wohingegen die Strichskalen selbst aufgrund der Torsion nur eine kleine Verschiebung erfahren. Da außerdem auch die Hell- und Dunkelbereiche eine wesentlich größere räumliche Ausdehnung als die einzelnen Striche der beiden Strichskalen aufweisen, kann die Detektion mit einer wesentlich niedrigeren Grenzfrequenz als bei einer Detektion der einzelnen Striche der beiden Strichskalen erfolgen.Differentiate in an advantageous embodiment the line counts of the two line scales only slightly from each other. A relative difference between the prime len of at most 10% leads to a first moiré Patterns with a long period, so that a ver strengthening of the measuring effect results. Under the influence of a spin moments, the first moiré pattern becomes a large one Angular range shifted, whereas the line scales even a small shift even due to the torsion Experienced. Since also the light and dark areas are one much larger spatial extension than the individual Detection can have dashes of the two line scales with a much lower cutoff frequency than one Detection of the individual lines of the two line scales respectively.

Günstig ist außerdem eine Ausgestaltung, bei der die Skalen­ einheit eine zweite Doppelskala mit einer dritten und vierten Strichskala enthält. Aus einer Überlagerung der dritten und vierten Strichskala resultiert ein zweites Moiré-Muster, das analog zum ersten Moiré-Muster eine Meßinformation über das auf die Meßstrecke einwirkende Drehmoment beinhaltet. Das zweite Moiré-Muster kann sowohl über das gleiche Eingangs­ lichtsignal wie das erste Moiré-Muster als auch über ein separates zweites Eingangslichtsignal detektiert werden. Immer liegen jedoch zwei separate Ausgangslichtsignale vor - das eine für das erste und das andere für das zweite Moiré- Muster. Analog zum ersten Moiré-Muster läßt sich über die Detektionsmittel auch vom zweiten Moiré-Muster bei still­ stehender Welle ein zweiter Moiré-Musterteilbereich optisch erfassen. Die Auswerteeinheit erzeugt dann aus dem optisch erfaßten zweiten Moiré-Musterteilbereich ein zweites Abbild für mindestens eine Periode des zweiten Moiré-Musters. Das zweite Abbild wird in der Auswerteeinheit dann ebenfalls dem bei stillstehender Welle vorliegenden Nullpunkt des Dreh­ moments zugeordnet. Mit den dann in der Auswerteeinheit vor­ liegenden, voneinander unabhängigen Meßinformationen aus den beiden Moiré-Mustern läßt sich dann beispielsweise die Signaldynamik erhöhen oder auch eine Störgrößenkompensation durchführen. Alle vorstehend für die Auswertung des ersten Moiré-Musters beschriebenen Ausführungsformen, Ausgestaltun­ gen oder Varianten lassen sich ebenso für die Auswertung des zweiten Moiré-Musters verwenden.A configuration is also favorable in which the scales unit a second double scale with a third and fourth Line scale contains. From an overlay of the third and fourth line scale results in a second moiré pattern, the analogous to the first moiré pattern, measurement information about the includes torque acting on the measuring section. The second moiré pattern can both have the same input light signal like the first moiré pattern as well as over a separate second input light signal can be detected. However, there are always two separate output light signals - one for the first and the other for the second moiré Template. Analogous to the first moiré pattern, the Detection means also from the second moiré pattern when still standing wave a second moiré pattern sub-area optically to capture. The evaluation unit then generates optically captured a second image in the second moiré pattern partial area for at least one period of the second moiré pattern. The the second image is then also in the evaluation unit  with the shaft at a standstill zero point of rotation assigned to moments. With the then in the evaluation unit lying, independent measurement information from the The two moiré patterns can then be used, for example Increase signal dynamics or a disturbance variable compensation carry out. All of the above for evaluating the first Moiré pattern described embodiments, Ausgestaltun conditions or variants can also be used to evaluate the use a second moire pattern.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsvariante, bei der die erste Strichskala der ersten Doppelskala und die vierte Strichskala der zweiten Doppelskala eine identische erste Strichzahl aufweisen. Außerdem haben die zweite Strichskala der ersten Doppelskala und die dritte Strichskala der zweiten Doppelskala ebenfalls eine identische zweite Strichzahl. Dadurch erreicht man, daß die beiden Moiré-Muster bei sich drehender Welle in entgegengesetzter Richtung um die Dreh­ achse umlaufen. Wertet man dann die Differenz zwischen den beiden Moiré-Mustern aus, so erhält man eine größere Signal­ dynamik als bei Auswertung nur eines Moiré-Musters. Außerdem wird als zusätzliche Information für die Auswertung nicht mehr der aktuelle Drehwinkel, sondern lediglich ein Zeitver­ satz zwischen den beiden Moiré-Mustern benötigt.An embodiment variant in which the first line scale of the first double scale and the fourth Line scale of the second double scale an identical first Have lines. Also have the second line scale the first double scale and the third scale scale of the second Double scale also has an identical second number of lines. This means that the two moiré patterns are on them rotating shaft in the opposite direction around the rotation revolve axis. If you then evaluate the difference between the two moiré patterns, you get a larger signal dynamic than when evaluating only one moiré pattern. Moreover is not used as additional information for the evaluation more the current angle of rotation, but only a time between the two moiré patterns.

Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei der alle Oberflächen, die von einem Lichtsignal passiert werden oder an denen ein Lichtsignal reflektiert wird, schmutzabweisend ausgebildet sind. Dazu weisen diese Oberflächen eine selbstreinigende Nanostruktur auf. Sich anlagernder Schmutz wird bei diesen Oberflächen unter dem Einfluß der Umgebungsfeuchtigkeit wie­ der abgewaschen. Diese Ausgestaltung ist folglich besonders in einer Umgebung, die einer starken Verschmutzung, wie z. B. im Motorraum eines Kraftfahrzeugs, unterliegt, günstig. Eine bei einer weiteren Ausführungsform zur Verhinderung einer unerwünschten Verschmutzung zumindest innerhalb des Bereichs zwischen den Detektionsmitteln und der Skaleneinheit vor­ gesehene Befüllung mit einer Flüssigkeit kann bei der Aus­ gestaltung mit den nanostrukturierten Oberflächen entfallen.A configuration is advantageous in which all surfaces, which are passed by or at which a light signal Light signal is reflected, dirt-resistant are. In addition, these surfaces have a self-cleaning Nanostructure. This accumulates dirt Surfaces under the influence of ambient humidity such as the washed off. This configuration is therefore special in an environment that is heavily polluted, e.g. B. in the engine compartment of a motor vehicle, is subject to cheap. A in a further embodiment for preventing unwanted pollution at least within the range between the detection means and the scale unit  seen filling with a liquid can when off there is no need to design with the nanostructured surfaces.

Die vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen und Prinzipien lassen sich auch analog einsetzen, wenn die einzelnen Strich­ skalen nicht mit konstanter, sondern mit variabler Perioden­ länge zwischen den einzelnen Strichen ausgebildet sind.The configurations and principles described above can also be used analogously if the individual line scales not with constant, but with variable periods length between the individual lines are formed.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen opti­ schen Drehmomentsensors werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Verdeutlichung ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt, und gewisse Merkmale sind schemati­ siert dargestellt. Im einzelnen zeigen:Preferred embodiments of the opti according to the invention cal torque sensor are now based on the drawing explained in more detail. The drawing is not for clarification made to scale, and certain features are schematic represented. In detail show:

Fig. 1 einen optischen Drehmomentsensor in einem Längs­ schnitt, Fig. 1 cut an optical torque sensor, in a longitudinal,

Fig. 2 die Skaleneinheit des optischen Drehmomentsensors von Fig. 1, Fig. 2, the scale unit of the optical torque sensor of Fig. 1,

Fig. 3 den optischen Drehmomentsensor von Fig. 1 in einem Querschnitt, Fig. 3 shows the optical torque sensor of Fig. 1 in a cross section,

Fig. 4 zwei Strichskalen einer Doppelskala, Fig. 4 shows two bar scales a double scale,

Fig. 5 Moiré-Muster bei drei verschiedenen Relativposi­ tionen der beiden Strichskalen von Fig. 4, Fig. 5 moiré patterns at three different relative posi tions of the two stroke scale of Fig. 4,

Fig. 6 einen Intensitätsverlauf des Ausgangslichtsignals über dem Drehwinkel, Fig. 6 shows an intensity profile of the output light over the angle of rotation,

Fig. 7 Intensitätsverläufe zweier Ausgangslichtsignale über der Zeit,7 intensity curves of two output light signals over time,

Fig. 8 ein Moiré-Muster mit parallel zur Drehachse an­ geordneten Hell- und Dunkelbereichen, Fig. 8 a moire pattern with parallel to the rotational axis of ordered light and dark areas,

Fig. 9 ein Moiré-Muster mit schräg zur Drehachse angeord­ neten Hell- und Dunkelbereichen, Fig. 9 shows a moire pattern with obliquely to the axis of rotation angeord Neten light and dark areas,

Fig. 10 ein Moiré-Muster mit zwei im Abstand einer Viertel­ periode des Moiré-Musters angeordneten Abtastpunk­ ten, Fig. 10 shows a moire pattern with two spaced a quarter period of the moiré pattern th arranged Abtastpunk,

Fig. 11 einen optischen Drehmomentsensor mit auf zwei Trägerplatten angeordneten Strichskalen, Fig. 11 an optical torque sensor disposed on two support plates stroke scale,

Fig. 12 einen Drehmomentsensor mit auf 45°-Phasen von Trägerrohren angeordneten Strichskalen und Fig. 12 shows a torque sensor with ° to 45 phases of support tubes arranged Line scales and

Fig. 13 einen optischen Drehmomentsensor mit Mitteln zur Beleuchtung eines Abschnitts des Moiré-Musters. Fig. 13 an optical torque sensor having means for illuminating a portion of the moiré pattern.

Einander entsprechende Teile sind in den Fig. 1 bis 13 mit denselben Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided with the same reference numerals in FIGS. 1 to 13.

In Fig. 1 ist ein optischer Drehmomentsensor 100 dar­ gestellt, der das Drehmoment, das innerhalb einer Meßstrecke 35 auf eine drehbare Welle 20 einwirkt, erfaßt. Die Welle 20 dreht sich mit einer Winkelgeschwindigkeit ω um eine Dreh­ achse 21. Eine Anfangswinkelposition der Welle 20 ist mit α0 bezeichnet und der aktuelle Drehwinkel mit α. Die Welle 20 kann auch mit variabler Winkelgeschwindigkeit ω rotieren. Insbesondere kann die Welle 20 auch stillstehen, wobei dann kein Drehmoment an der Meßstrecke 35 angreift.In Fig. 1, an optical torque sensor 100 is provided, which detects the torque that acts on a rotatable shaft 20 within a measuring section 35 . The shaft 20 rotates at an angular velocity ω about an axis of rotation 21st An initial angular position of the shaft 20 is denoted by α0 and the current angle of rotation by α. The shaft 20 can also rotate at a variable angular velocity ω. In particular, the shaft 20 can also stand still, in which case no torque acts on the measuring section 35 .

Der optische Drehmomentsensor 100 ist für eine hohe Genauig­ keit bei einer rauhen Umgebungsbedingung, wie z. B. bei einem Einsatz im Motorinnenraum eines Kraftfahrzeugs, konzipiert. Die Eigenschaften des optischen Drehmomentsensors 100 bleiben dabei über einen Zeitraum von mehreren Jahren hinweg erhal­ ten. Dazu ist es möglich, einen Nullpunkt des optischen Drehmomentsensors 100 abzugleichen (= zu kalibrieren). Bei einem Einsatz in einem Kraftfahrzeug ist eine solche Null­ punkt-Kalibrierung günstig, da im Augenblick des Drehmoment­ nullpunkts ein weiches und getriebeschonendes Schalten mög­ lich ist. Um nun im normalen Betriebszustand, also bei rotierender Welle 20, einen Drehmomentnullpunkt sicher zu erkennen, wird der optische Drehmomentsensor 100 bei still­ stehender Welle 20 auf den dann ebenfalls vorliegenden Dreh­ momentnullpunkt abgeglichen. Dazu umfaßt der optische Dreh­ momentsensor 100 zusätzliche, jedoch sehr einfache und damit preiswerte Mittel. The optical torque sensor 100 is for a high accuracy in a harsh environmental condition such. B. designed for use in the engine compartment of a motor vehicle. The properties of the optical torque sensor 100 are retained over a period of several years. For this purpose, it is possible to calibrate (= calibrate) a zero point of the optical torque sensor 100 . When used in a motor vehicle, such a zero-point calibration is favorable, since at the moment of zero torque a smooth and gear-saving shifting is possible. In order to reliably detect a torque zero point in the normal operating state, that is to say when the shaft 20 is rotating, the optical torque sensor 100 is adjusted to the torque zero point which is also present when the shaft 20 is stationary. For this purpose, the optical torque sensor 100 includes additional, but very simple and therefore inexpensive means.

Der optische Drehmomentsensor 100 befindet sich in einem Sensorgehäuse 44, das drehbar auf der Welle 20 gelagert ist. Zum Nullpunktabgleich bei stillstehender Welle wird nun im Prinzip eine kleine Drehbewegung der Welle 20 dadurch nach­ gebildet, daß anstelle der Welle 20 das Gehäuse 44 um eine kleine Wegstrecke in Umfangsrichtung um die stillstehende Welle 20 bewegt wird. Die dabei gewonnenen Meßinformationen dienen dann zum Nullpunktabgleich.The optical torque sensor 100 is located in a sensor housing 44 which is rotatably mounted on the shaft 20 . For zero point adjustment when the shaft is at a standstill, a small rotary movement of the shaft 20 is in principle formed by moving the housing 44 instead of the shaft 20 a small distance in the circumferential direction around the stationary shaft 20 . The measurement information obtained in this way is then used for zero point adjustment.

Der optische Drehmomentsensor 100 erfaßt das Drehmoment über den Umweg einer Torsionsmessung. Diese erfolgt mit Hilfe zweier Moiré-Muster 330a und 330b, die sich jeweils durch eine Überlagerung zweier Strichskalen einer ersten bzw. einer zweiten Doppelskala 31 bzw. 32 ergeben. Beide Doppelskalen 31 und 32 sind Bestandteil einer Skaleneinheit 30.The optical torque sensor 100 detects the torque via a torsion measurement. This is done with the help of two moiré patterns 330 a and 330 b, which each result from a superimposition of two line scales of a first and a second double scale 31 and 32 , respectively. Both double scales 31 and 32 are part of a scale unit 30 .

Die beiden Doppelskalen 31 und 32 sind an zwei Trägern 33 und 34 angeordnet, die axial durch die Meßstrecke 35 voneinander beabstandet mechanisch fest mit der Welle 20 verbunden sind. Kommt es nun auf der Meßstrecke 35 aufgrund eines anliegenden Drehmoments zu einer Torsion, so verschiebt sich auch die relative Position des Trägers 33 zu der des Trägers 34. Damit ergibt sich auch eine Veränderung der beiden durch die zwei Doppelskalen 31 und 32 gebildeten Moiré-Muster 330a bzw. 330b, die optisch detektiert und zur Ermittlung des zugrunde liegenden Drehmoments herangezogen werden.The two double scales 31 and 32 are arranged on two supports 33 and 34 , which are mechanically fixed to the shaft 20 axially spaced apart from one another by the measuring section 35 . If torsion now occurs on the measuring section 35 due to an applied torque, the relative position of the carrier 33 also shifts to that of the carrier 34 . This also results in a change in the two moiré patterns 330 a and 330 b formed by the two double scales 31 and 32 , which are optically detected and used to determine the underlying torque.

Die Träger 33 und 34 enthalten jeweils ein Trägerrohr 331 bzw. 341. Der Träger 34 umfaßt außerdem an einem Ende des Trägerrohres 341 einen transparenten Endabschnitt 340. Dieser transparente Endabschnitt 340 ist über das ihm zugewandte Ende des Trägerrohrs 331 geschoben, so daß in einem Überlap­ pungsbereich eine Innenseite des transparenten Endabschnitts 341 und eine Außenseite des Trägerrohrs 331 eng benachbart jedoch immer noch kontaktfrei angeordnet sind. The supports 33 and 34 each contain a support tube 331 and 341, respectively. The carrier 34 also includes a transparent end portion 340 at one end of the carrier tube 341 . This transparent end portion 340 is pushed over the end of the support tube 331 facing it, so that in an overlap pungsbereich an inside of the transparent end portion 341 and an outside of the support tube 331 are closely adjacent but still arranged without contact.

In diesem Überlappungsbereich, der in Fig. 2 vergrößert dargestellt ist, sind die beiden Doppelskalen 31 und 32 der Skaleneinheit 30 angeordnet. Die erste Doppelskala 31 umfaßt eine erste Strichskala 311 und eine zweite Strichskala 312. Die zweite Doppelskala 32 umfaßt eine dritte Strichskala 321 und eine vierte Strichskala 322. Im Überlappungsbereich sind an der Innenseite des transparenten Endabschnitts 340 die erste und die dritte Strichskala 311 bzw. 321 und an der Außenseite des Trägerrohrs 331 die zweite und die vierte Strichskala 312 bzw. 322 so angeordnet, daß die erste und die zweite Strichskala 311 bzw. 312 sowie die dritte und die vierte Strichskala 321 bzw. 322 jeweils einander gegenüber­ liegen.The two double scales 31 and 32 of the scale unit 30 are arranged in this overlap region, which is shown enlarged in FIG. 2. The first double scale 31 comprises a first scale scale 311 and a second scale scale 312 . The second double scale 32 comprises a third scale 321 and a fourth scale 322 . In the overlap region, the first and third line scales 311 and 321 are arranged on the inside of the transparent end section 340 and the second and fourth line scales 312 and 322 are arranged on the outside of the carrier tube 331 in such a way that the first and second line scales 311 and 321 312 and the third and fourth line scales 321 and 322 are each opposite one another.

Durch die Überlagerung der ersten und zweiten Strichskala 311 bzw. 312 der ersten Doppelskala 31 sowie durch die Überlage­ rung der dritten und vierten Strichskala 321 bzw. 322 der zweiten Doppelskala 32 bilden sich das erste bzw. das zweite Moiré-Muster 330a bzw. 330b. Im vorliegenden Fall weisen die erste und die vierte Strichskala 311 bzw. 322 eine Strichzahl von 100 auf, wohingegen die zweite und die dritte Strichskala 312 bzw. 321 jeweils eine Strichzahl von 101 haben. Die Ein­ zelstriche sind mit axialer Ausrichtung in Umfangsrichtung um die Welle 20 angeordnet. Durch den kleinen Unterschied in der Strichzahl bilden sich die beiden Moiré-Muster 330a und 330b mit Hell- und Dunkelbereichen aus, die eine wesentlich grö­ ßere Ausdehnung aufweisen als die Einzelstriche der zugrunde liegenden Strichskalen 311, 312, 321 bzw. 322.By overlaying the first and second line scales 311 and 312 of the first double scale 31 and by overlaying the third and fourth line scales 321 and 322 of the second double scale 32 , the first and second moiré patterns 330 a and 330 are formed b. In the present case, the first and fourth line scales 311 and 322 have a line number of 100, whereas the second and third line scales 312 and 321 each have a line number of 101. The A dashes are arranged with an axial orientation in the circumferential direction around the shaft 20 . Due to the small difference in the number of lines, the two moiré patterns 330 a and 330 b are formed with light and dark areas, which have a much greater extent than the single lines of the underlying line scales 311 , 312 , 321 and 322 .

Bei nicht dargestellten Ausführungsformen des optischen Dreh­ momentsensors 100 sind auch andere Werte für die Strichzahlen sowie für die Abweichung zwischen den Strichzahlen vorge­ sehen. Außerdem können die Striche einer Strichskala auch unter einem bestimmten Winkel zur Drehachse 21, d. h. schräg, angeordnet sein. In embodiments of the optical torque sensor 100 that are not shown, other values for the number of lines and for the deviation between the number of lines are also provided. In addition, the lines of a line scale can also be arranged at a certain angle to the axis of rotation 21 , ie obliquely.

Wie in Fig. 1 dargestellt werden das erste und das zweite Moiré-Muster 330a und 330b über ein gemeinsames Eingangs­ lichtsignal LS0 optisch abgetastet. Das in einer Detektor­ einheit 40 mittels einer Lichtquelle 41, im vorliegenden Fall mittels einer LED, erzeugte Lichtsignal LS0 passiert den transparenten Endabschnitt 340 sowie die beiden Strichskalen 311 und 321, um dann an den anderen beiden Strichskalen 312 und 322 zur Detektoreinheit 40 zurückreflektiert zu werden. Nach Durchlaufen beider Doppelskalen 31 und 32 liegen ein erstes und ein zweites Ausgangslichtsignal LS1 bzw. LS2 vor. Das erste Ausgangslichtsignal LS1 ist dabei durch das erste Moiré-Muster 330a und das zweite Ausgangslichtsignal LS2 durch das zweite Moiré-Muster 330b in der Intensität beein­ flußt. Hell- bzw. Dunkelbereiche der beiden Moiré-Muster 330a und 330b, die sich unter einem Abtastpunkt des Eingangslicht­ signals LS0 aufgrund der Drehbewegung der Welle 20 hinweg­ bewegen, bewirken in den beiden Ausgangslichtsignalen LS1 und LS2 eine entsprechende Intensitätsmodulation. Diese läßt sich dann als Maß für die Torsion der Meßstrecke 25 und damit als Maß für das gesuchte Drehmoment auswerten.As shown in Fig. 1, the first and second moiré patterns 330 a and 330 b are optically scanned via a common input light signal LS0. The light signal LS0 generated in a detector unit 40 by means of a light source 41 , in the present case by means of an LED, passes through the transparent end section 340 and the two line scales 311 and 321 , in order then to be reflected back at the other two line scales 312 and 322 to the detector unit 40 . After passing through both double scales 31 and 32 , a first and a second output light signal LS1 and LS2 are available. The first output light signal LS1 is influenced by the first moiré pattern 330 a and the second output light signal LS2 is influenced by the second moiré pattern 330 b in intensity. Light and dark areas of the two moiré patterns 330 a and 330 b, which move below a sampling point of the input light signal LS0 due to the rotational movement of the shaft 20 , cause a corresponding intensity modulation in the two output light signals LS1 and LS2. This can then be evaluated as a measure of the torsion of the measuring section 25 and thus as a measure of the torque sought.

In der Detektoreinheit 40 werden die beiden Ausgangslicht­ signale LS1 und LS2 durch einen ersten und einen zweiten Lichtempfänger 42 bzw. 43 empfangen und jeweils in ein zu­ gehöriges elektrisches Signal umgewandelt. Die Lichtempfänger 42 und 43 sind hier einfache Photodioden. In einem nicht dargestellten anderen Ausführungsbeispiel können die Licht­ empfänger 42 und 43 jedoch auch jeweils als CCD-Zeile aus­ gebildet sein.In the detector unit 40 , the two output light signals LS1 and LS2 are received by a first and a second light receiver 42 and 43 and each converted into an associated electrical signal. The light receivers 42 and 43 are simple photodiodes here. In another embodiment, not shown, the light receivers 42 and 43 can also be formed as a CCD line.

Ein Innenraum 46 des Sensorgehäuses 44 ist mit einem Silikon­ öl 47 gefüllt, um eine Verschmutzung vor allem der Ober­ flächen, die von einem Lichtsignal passiert werden oder an denen ein Lichtsignal reflektiert wird, zu verhindern. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann anstelle des Silikon­ öls 47 eine andere optisch transparente Flüssigkeit zum Ein­ satz kommen. An interior 46 of the sensor housing 44 is filled with a silicone oil 47 in order to prevent contamination of the upper surfaces in particular, which are passed by a light signal or at which a light signal is reflected. In another embodiment, another optically transparent liquid can be used instead of the silicone oil 47 .

Im Bereich der Detektoreinheit 40 weist das Sensorgehäuse 44 einen Vorsprung 45 auf, der der mechanischen Verschiebung des drehbar gelagerten Sensorgehäuses 44 insbesondere während des Nullpunktabgleichs bei stillstehender Welle 20 dient.In the area of the detector unit 40 , the sensor housing 44 has a projection 45 , which is used for the mechanical displacement of the rotatably mounted sensor housing 44, in particular during the zero point adjustment when the shaft 20 is stationary.

In Fig. 3 ist ein Querschnitt des optischen Drehmoment­ sensors 100 gezeigt, wobei die Darstellung zusätzlich eine Positioniereinheit 50 und eine Auswerteeinheit 60 umfaßt. Die Positioniereinheit 50 steuert die Verschiebung des Sensor­ gehäuses 44 in Umfangsrichtung um die Drehachse 21. Sie ent­ hält einen Magnetschieber 51, der an dem Vorsprung 45 des Sensorgehäuses 44 angreift und das Sensorgehäuse 44 in Um­ fangsrichtung um die Drehachse 21 in seiner Position ver­ ändern kann. Die Positioniereinheit 50 enthält außerdem einen Anschlag 52, gegen den der Vorsprung 45 über eine Feder 43 gedrückt wird. Die Rückstellkraft der Feder 53 bewirkt dann bei einer Zurückpositionierung des Magnetschiebers 51 auch ein Zurückdrehen des Sensorgehäuses 44. Ein Verschiebeweg des Magnetschiebers 51 ist nun so ausgelegt, daß das Sensorgehäu­ se 44 so weit um die stillstehende Welle 20 gedreht werden kann, daß das Eingangslichtsignal LS0 auf dem ersten Moiré- Muster 330a einen ersten Moiré-Musterteilbereich und auf dem zweiten Moiré-Muster 330b einen zweiten Moiré-Musterteil­ bereich überstreicht und optisch erfaßt.A cross section of the optical torque sensor 100 is shown in FIG. 3, the illustration additionally comprising a positioning unit 50 and an evaluation unit 60 . The positioning unit 50 controls the displacement of the sensor housing 44 in the circumferential direction about the axis of rotation 21 . It holds a magnetic slide 51 which engages the projection 45 of the sensor housing 44 and the sensor housing 44 can change its position in the circumferential direction around the axis of rotation 21 . The positioning unit 50 also contains a stop 52 against which the projection 45 is pressed by a spring 43 . The restoring force of the spring 53 then also causes the sensor housing 44 to be turned back when the magnetic slide 51 is repositioned. A displacement path of the magnetic slide 51 is now designed so that the sensor housing 44 can be rotated so far about the stationary shaft 20 that the input light signal LS0 on the first moiré pattern 330 a and a first moiré pattern area and on the second moiré pattern 330 b sweeps over a second moiré pattern section and is visually detected.

Aus dem ersten und dem zweiten Moiré-Musterteilbereich werden dann in der Auswerteeinheit 60, die elektrisch sowohl mit der Detektoreinheit 40 als auch mit der Positioniereinheit 50 verbunden ist, ein erstes bzw. ein zweites Abbild einer Periode des ersten Moiré-Musters 330a bzw. des zweiten Moiré- Musters 330b ermittelt. In der Auswerteeinheit 60 liegen da­ mit sämtliche für den Nullpunktabgleich benötigten Informa­ tionen vor.The first and the second moiré pattern partial areas are then used in the evaluation unit 60 , which is electrically connected both to the detector unit 40 and to the positioning unit 50, to produce a first or a second image of a period of the first moiré pattern 330 a or of the second moiré pattern 330 b. The evaluation unit 60 contains all the information required for the zero point adjustment.

Die aktuelle Positionen des jeweiligen Abtastpunkts des Eingangslichtsignals LS0 auf den beiden Moiré-Mustern 330a und 330b läßt sich aus dem aktuellen Verschiebeweg des Magnetschiebers 51 ermitteln. Auch die aktuellen Intensitäts­ verteilungen der beiden Ausgangslichtsignale LS1 und LS2, die sich bei optischem Abtasten jeweils einer Periode der beiden Moiré-Muster 330a bzw. 330b ergeben, sind bekannt. Die Inten­ sitätsverteilungen beider Ausgangslichtsignale LS1 und LS2 sind den jeweiligen Helligkeitsverteilungen beider Moiré- Muster 330a bzw. 330b zugeordnet. Insbesondere lassen sich damit auch die den jeweiligen Hell- und Dunkelbereichen beider Moiré-Muster 330a und 330b zugeordneten Intensitäts­ extremwerte in den beiden Ausgangslichtsignalen LS1 und LS2 ermitteln. Diese Parameter werden in der Auswerteeinheit 60 elektronisch gespeichert und zum Nullpunktabgleich heran­ gezogen.The current positions of the respective sampling point of the input light signal LS0 on the two moiré patterns 330 a and 330 b can be determined from the current displacement path of the magnetic slide 51 . The current intensity distributions of the two output light signals LS1 and LS2, which result from optical scanning of one period each of the two moiré patterns 330 a and 330 b, are known. The intensity distributions of both output light signals LS1 and LS2 are assigned to the respective brightness distributions of both moiré patterns 330 a and 330 b. In particular, the intensity extreme values assigned to the respective light and dark areas of both moiré patterns 330 a and 330 b can also be determined in the two output light signals LS1 and LS2. These parameters are stored electronically in the evaluation unit 60 and used for the zero point adjustment.

Anhand der Fig. 4 und 5 wird die Entstehung eines Moiré- Musters durch eine Überlagerung zweier Strichskalen am Bei­ spiel des ersten Moiré-Musters 330a erläutert. Ausgangspunkt sind die in Fig. 4 dargestellte erste Strichskala 311 hier mit insgesamt 41 Einzelstrichen und die zweite Strichskala 312 hier mit insgesamt 40 Einzelstrichen.The formation of a moire pattern will be explained by a superposition of two stroke scale on when the game of the first Moire pattern 330 a reference to FIGS. 4 and 5. The starting point is the first line scale 311 shown in FIG. 4 here with a total of 41 individual lines and the second line scale 312 here with a total of 40 individual lines.

Die erste und die zweite Strichskala 311 und 312 sind gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3 bei dem optischen Drehmomentsensor 100 als geschlossene Kreisringe in Umfangs­ richtung um die Welle 20 angeordnet. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit ist für die Fig. 4 und 5 eine ungekrümm­ te Darstellungsform gewählt, bei der die an sich kreisring­ förmigen Strichskalen 311 und 312 fiktiv an einer beliebigen Stelle aufgetrennt und gerade gebogen sind.The first and the second scale scale 311 and 312 are arranged according to the embodiment of FIGS. 1 to 3 in the optical torque sensor 100 as closed circular rings in the circumferential direction around the shaft 20 . For the sake of better clarity, an uncurved form of representation has been chosen for FIGS . 4 and 5, in which the ring-shaped line scales 311 and 312 are fictitiously separated at any point and are just bent.

Durch die Überlagerung beider Strichskalen 311 und 312 ergibt sich das in Fig. 5 dargestellte erste Moiré-Muster 330a. Dieses weist im vorliegenden Beispiel jeweils einen Hell­ bereich 336 und einen Dunkelbereich 337 auf. Die Perioden­ länge des ersten Moiré-Musters 330a entspricht somit der kompletten Umfangslänge der Welle 20. Bei dem ersten Moiré- Muster 330a von Fig. 5 ist vorausgesetzt, daß die Über­ lagerung in der in Fig. 4 dargestellten relativen Position beider Strichskalen 311 und 312 erfolgt ist. Verschiebt sich die relative Lage der Strichskalen 311 und 312 durch eine Torsion der Meßstrecke 35, so resultiert daraus auch eine Veränderung im ersten Moiré-Muster 330a.The first moiré pattern 330 a shown in FIG. 5 results from the superimposition of both line scales 311 and 312 . In the present example, this has a light area 336 and a dark area 337 . The period length of the first moiré pattern 330 a thus corresponds to the complete circumferential length of the shaft 20 . In the first moiré pattern 330 a of FIG. 5, it is assumed that the overlap has taken place in the relative position of both line scales 311 and 312 shown in FIG. 4. If the relative position of the line scales 311 and 312 shifts due to a torsion of the measuring section 35 , this also results in a change in the first moiré pattern 330 a.

Werden die beiden Strichskalen 311 und 312 beispielsweise um etwa das 0,33-fache einer Einzelstrichbreite gegeneinander verschoben, so ergibt sich ein verändertes erstes Moiré- Muster 331a. Bei einer Verschiebung um das 0,66-fache einer Einzelstrichbreite ergibt sich dann ein weiter verändertes erstes Moiré-Muster 332a.If, for example, the two line scales 311 and 312 are shifted against each other by approximately 0.33 times a single line width, the result is a modified first moiré pattern 331 a. A shift of 0.66 times a single stroke width results in a further modified first moiré pattern 332 a.

Die Veränderung in den beiden ersten Moiré-Mustern 331a und 332a gegenüber dem ursprünglichen ersten Moiré-Muster 330a manifestiert sich in einer Verschiebung des Hell- und Dunkel­ bereichs 336 bzw. 337. Bei zunehmender relativer Verschiebung der beiden Strichskalen 311 und 312 bewegt sich somit auch das erste Moiré-Muster 330a in Umfangsrichtung um die Dreh­ achse 21.The change in the first two moiré patterns 331 a and 332 a compared to the original first moiré pattern 330 a manifests itself in a shift in the light and dark areas 336 and 337, respectively. With increasing relative displacement of the two line scales 311 and 312 , the first moiré pattern 330 a thus moves in the circumferential direction about the axis of rotation 21 .

In den Fig. 4 und 5 ist deutlich zu erkennen, daß der Hell- oder der Dunkelbereich 336 bzw. 337 jeweils eine we­ sentlich größere lokale Abmessung aufweist als die Zwischen­ räume bzw. die Einzelstriche beider Strichskalen 311 und 312. Dadurch resultiert eine leichtere Detektierbarkeit, da für das optische Abtasten eine wesentlich niedrigere Grenz­ frequenz vorgesehen werden kann. Außerdem führt eine geringe torsionsbedingte Verschiebung zu einer deutlich größeren Verschiebung des Hell- und Dunkelbereichs 336 bzw. 337 im ersten Moiré-Muster 330a. Der Meßeffekt wird verstärkt und ist auch dadurch leichter optisch zu detektieren.In Figs. 4 and 5 can be clearly seen that the bright or the dark portion 336 and 337 each having a local we sentlich greater dimension than the interstices or the individual strokes of both scales 311 and 312 bar. This results in easier detectability, since a significantly lower cut-off frequency can be provided for optical scanning. In addition, a slight shift due to torsion leads to a significantly larger shift of the light and dark areas 336 and 337 in the first moiré pattern 330 a. The measuring effect is enhanced and is also easier to detect optically.

Abweichend vom Ausführungsbeispiel der Fig. 4 und 5 können die Strichskalen 311 und 312 auch jeweils eine andere Anzahl an Einzelstrichen umfassen. Gesamtanzahl und Differenz der Einzelstriche beider Strichskalen 311 und 312 bestimmen dann Lage und Anzahl der Hell- und Dunkelbereiche 336 bzw. 337, die das erste Moiré-Muster 330a in Umfangsrichtung aufweist. Insbesondere kann das erste Moiré-Muster 330a dann auch mehrere Perioden über eine Umfangslänge enthalten.In contrast to the exemplary embodiment in FIGS . 4 and 5, the line scales 311 and 312 can also each comprise a different number of individual lines. The total number and difference of the individual lines of both line scales 311 and 312 then determine the position and number of light and dark areas 336 and 337 , respectively, which the first moiré pattern 330 a has in the circumferential direction. In particular, the first moiré pattern 330 a can then also contain several periods over a circumferential length.

In den Fig. 6 und 7 ist die Ermittlung eines Meßwerts M für die Torsion der Meßstrecke 35 und damit auch für das eigentlich gesuchte Drehmoment dargestellt. Der Meßwert M wird aus Intensitäten I1 und I2 des ersten bzw. zweiten Aus­ gangslichtsignals LS1 bzw. LS2 ermittelt. Beide Ausgangs­ lichtsignale LS1 und LS2 weisen nämlich eine Modulation in ihren Intensitäten I1 bzw. I2 auf, die im wesentlichen der in Fig. 5 dargestellten Verteilung der Hell- und Dunkelbereiche 336 bzw. 337 im zugehörigen abgetasteten ersten oder zweiten Moiré-Muster 330a bzw. 330b entspricht. Diese Intensitäts­ modulation erkennt man sowohl bei einer Darstellung des lokalen Verlaufs gemäß Fig. 6, bei der die Intensität I1 über dem aktuellen Drehwinkel α aufgetragen ist, als auch bei der Darstellung des zeitlichen Verlaufs gemäß Fig. 7, bei der die beiden Intensitäten I1 (durchgezogene Linie) und I2 (gestrichelte Linie) über der Zeit t aufgetragen sind.In Figs. 6 and 7 is the determination of a measured value M for the torsion of the measuring section 35, and thus also shown for the actually searched torque. The measured value M is determined from intensities I1 and I2 of the first and second output light signals LS1 and LS2. Both output light signals LS1 and LS2 have namely a modulation in their intensities I1 and I2, which is substantially in FIG. 5 shown distribution of bright and dark areas 336 and 337 sampled at the associated first or second moire pattern 330 or a 330 b corresponds. This intensity modulation can be seen both in a representation of the local curve according to FIG. 6, in which the intensity I1 is plotted over the current angle of rotation α, and in the representation of the temporal curve in accordance with FIG. 7, in which the two intensities I1 ( solid line) and I2 (dashed line) are plotted over time t.

Fig. 6 veranschaulicht die Bestimmung des Meßwerts M anhand eines einzigen Moiré-Musters, d. h. anhand eines einzigen Ausgangslichtsignals LS1 mit der Intensität I1. Neben der Messung der Intensität I1, die die Meßinformation darüber trägt, wie weit sich das erste Moiré-Muster 330a in Umfangs­ richtung bewegt hat, ist auch die Erfassung des aktuellen Drehwinkels α erforderlich. Beim Nullpunktabgleich wird beispielsweise die Winkelposition des Hellbereichs 336, der zu einer maximalen Intensität I1 führt, als Anfangsposition α0 festgelegt. Die Verschiebung dieses Hellbereichs 336 in Umfangsrichtung, ausgedrückt als auf die Anfangswinkelposi­ tion α0 bezogenen Drehwinkel α, dient dann als Meßwert. FIG. 6 illustrates the determination of the measured value M using a single moiré pattern, ie using a single output light signal LS1 with the intensity I1. In addition to measuring the intensity I1, which carries the measurement information about how far the first moiré pattern 330 a has moved in the circumferential direction, the detection of the current angle of rotation α is also necessary. In the case of zero point adjustment, for example, the angular position of the bright area 336 , which leads to a maximum intensity I1, is defined as the starting position α0. The displacement of this bright area 336 in the circumferential direction, expressed as the angle of rotation α0 related to the starting angle position α0, then serves as a measured value.

Bei einer Detektion zweier Moiré-Muster, beispielsweise der beiden Moiré-Muster 330a und 330b, über die beiden Ausgangs­ lichtsignale LS1 und LS2 mit den jeweils zugehörigen Inten­ sitäten I1 bzw. I2 erfolgt eine Meßwerterfassung gemäß der Darstellung von Fig. 7 ohne eine zusätzliche Bestimmung des Drehwinkels α. Als wichtiger Parameter für die Bestimmung des Meßwerts M dient hierbei ein Zeitversatz Δt zwischen den beiden Intensitäten I1 und I2, der ein Maß für die Relativ­ verschiebung zwischen den beiden Moiré-Mustern 330a und 330b ist. Der Zeitversatz Δt ist damit auch proportional zu dem zu bestimmenden Drehmoment.With detection of two moiré patterns, for example the two moiré patterns 330 a and 330 b, via the two output light signals LS1 and LS2 with the respective associated intensities I1 and I2, a measured value acquisition takes place according to the representation of FIG. 7 without one additional determination of the angle of rotation α. An important parameter for determining the measured value M is a time offset Δt between the two intensities I1 and I2, which is a measure of the relative shift between the two moiré patterns 330 a and 330 b. The time offset Δt is therefore also proportional to the torque to be determined.

Aus den Fig. 6 und 7 ist ersichtlich, daß als wichtige Parameter für die Meßgrößenermittlung die Extremwerte der Intensitäten I1 und I2 sowie gegebenenfalls auch die Position der zugehörigen Hell- und Dunkelbereiche 336 bzw. 337 der beiden Moiré-Muster 330a und 330b dienen. Diese Informationen werden nun vor Beginn der Messung im Rahmen des Nullpunkt­ abgleichs jeweils neu ermittelt, so daß eine beispielsweise alterungsbedingte Variation der Intensität des Eingangslicht­ signals LS0 zu keiner Verfälschung des ermittelten Meßwerts M führt.From FIGS. 6 and 7 it is seen that an important parameter for the Meßgrößenermittlung the extreme values of the intensities of I1 and I2 and, optionally, also the position of the corresponding light and dark areas 336 and 337 of the two moiré patterns 330 a and 330 b serve . This information is now newly determined before the start of the measurement as part of the zero point adjustment, so that a variation of the intensity of the input light signal LS0, for example due to aging, does not falsify the measured value M determined.

In Fig. 8 ist perspektivisch und in Draufsicht dargestellt, wie ein Abtastpunkt 334 des Eingangslichtsignals LS0 bei stillstehender Welle 20 in Umfangsrichtung über das erste Moiré-Muster 330a hinwegbewegt wird. Der Abtastpunkt 334 läßt sich dabei während dem Nullpunktabgleich über mindestens eine ganze Periode des ersten Moiré-Musters 330a, d. h. über minde­ stens einen Hellbereich 336 und einen Dunkelbereich 337, hin­ wegbewegen. Bei dem Ausführungsbeispiel des optischen Dreh­ momentsensors 100 gemäß den Fig. 1 bis 3 ist dies dank des drehbar auf der Welle 20 gelagerten Gehäuses 44 leicht mög­ lich. Es gibt aber auch andere Ausführungsbeispiele, bei denen der Abtastpunkt 334 nur über einen kleineren Teil beider Moiré-Muster 330a und 330b, z. B. nur über eine halbe Periode, hinwegbewegt wird. Dann wird in der Auswerteeinheit 60 durch entsprechende Maßnahmen zur Signalrekonstruktion ein Abbild einer ganzen Periode des ersten oder des zweiten Moiré-Musters 330a bzw. 330b erzeugt.In FIG. 8 is shown in perspective and in plan view, such as a sampling point 334 of the input light signal is moved away when the shaft 20 in the circumferential direction over the first moire pattern 330 a LS0. The scanning point 334 can be moved away during the zero point adjustment over at least an entire period of the first moiré pattern 330 a, ie over at least one light area 336 and one dark area 337 . In the embodiment of the optical torque sensor 100 according to FIGS . 1 to 3, this is easily possible thanks to the rotatably mounted on the shaft 20 housing 44 . But there are also other embodiments in which the sampling point 334 only over a smaller part of both moiré patterns 330 a and 330 b, z. B. is only moved over half a period. An image of an entire period of the first or second moiré pattern 330 a or 330 b is then generated in the evaluation unit 60 by appropriate measures for signal reconstruction.

In einer alternativen Ausführungsform gemäß Fig. 9 läßt sich jedoch auch ein Nullpunktabgleich durchführen, indem ein Ab­ tastpunkt 335 nicht in Umfangsrichtung, sondern in axialer Richtung über ein erstes Moiré-Muster 333a hinwegbewegt wird. Dazu weist das erste Moiré-Muster 333a Hell- und Dunkel­ bereiche 338 bzw. 339 auf, die in bezug zur Drehachse 21 schräg verlaufen. Damit ist auch durch ein axiales Verschie­ ben des Abtastpunkts 335 das Überstreichen einer Periode des ersten Moiré-Musters 333a und damit die Ermittlung der für den Nullpunktabgleich benötigten Informationen möglich.In an alternative embodiment according to FIG. 9, however, a zero point adjustment can also be carried out by moving a sampling point 335 not in the circumferential direction but in the axial direction over a first moiré pattern 333 a. For this purpose, the first moiré pattern 333 a has light and dark areas 338 and 339 , which run obliquely with respect to the axis of rotation 21 . This also makes it possible to move over a period of the first moiré pattern 333 a by axially shifting the sampling point 335 and thus determining the information required for the zero point adjustment.

Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 10 kann ein besonders kleiner Verschiebeweg des verschiebbaren Sensorgehäuses 44 vorgesehen werden, ohne dabei die Möglichkeit zum Nullpunkt­ abgleich in Frage zu stellen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das erste Moiré-Muster 330a zusätzlich zu dem Abtast­ punkt 334 über einen weiteren Abtastpunkts 334' eines nicht dargestellten weiteren Eingangslichtsignals optisch erfaßt. Die für den Nullpunktabgleich benötigten Informationen lassen sich damit über einen erheblich kürzeren Verschiebeweg als bei den Ausführungsbeispielen mit nur einem einzigen Abtast­ punkt 334 erfassen. Die beiden Abtastpunkte 334 und 334' sind in einem Abstand 36 voneinander auf dem ersten Moiré-Muster 330a angeordnet. Besonders günstig ist es, wenn der Abstand 36 etwa so groß wie eine Viertelperiode des ersten Moiré- Musters 330a ist. Dann ist sichergestellt, daß sich nie beide Abtastpunkte 334 und 334' gleichzeitig an einer kontrastarmen Stelle des ersten Moiré-Musters 330a befinden.In the exemplary embodiment of FIG. 10, a particularly small displacement path of the displaceable sensor housing 44 can be provided without questioning the possibility of adjusting the zero point. In this embodiment, the first moiré pattern 330 a is optically detected in addition to the sampling point 334 via a further sampling point 334 'of a further input light signal, not shown. The information required for the zero point adjustment can thus be acquired over a considerably shorter displacement path than in the exemplary embodiments with only a single sampling point 334 . The two sampling points 334 and 334 'are arranged at a distance 36 from one another on the first moiré pattern 330 a. It is particularly favorable if the distance 36 is approximately as large as a quarter period of the first moiré pattern 330 a. Then it is ensured that both sampling points 334 and 334 'are never simultaneously at a low-contrast location of the first moiré pattern 330 a.

In den Fig. 11 und 12 sind alternative Ausführungsformen für einen optischen Drehmomentsensor 101 bzw. 102 darge­ stellt. Der optische Drehmomentsensor 101 von Fig. 11 unter­ scheidet sich von dem optischen Drehmomentsensor 100 nur da­ durch, daß die Skaleneinheit 30 anstelle innerhalb eines Überlappungsbereiches zweier übereinandergeschobener Träger­ rohre 331 und 341 auf zwei Trägerplatten 332 und 342 ange­ ordnet ist. Beide Trägerplatten 332 und 342 stehen senkrecht zur Drehachse 21. Sie werden beide von dem Eingangslicht­ signal LS0 durchstrahlt. Im Bereich der Skaleneinheit 30 sind die Trägerplatten 332 und 342 optisch transparent ausgebil­ det. Der optische Drehmomentsensor 101 hat eine rein trans­ missiv ausgebildete optische Detektion.In Figs. 11 and 12 alternative embodiments for an optical torque sensor 101 and 102 are Darge provides. The optical torque sensor 101 of FIG. 11 differs from the optical torque sensor 100 only in that the scale unit 30 is arranged instead of within an overlap area of two stacked carrier tubes 331 and 341 on two carrier plates 332 and 342 . Both carrier plates 332 and 342 are perpendicular to the axis of rotation 21 . Both are illuminated by the input light signal LS0. In the area of the scale unit 30 , the carrier plates 332 and 342 are optically transparent. The optical torque sensor 101 has a purely trans missive optical detection.

Demgegenüber ist der optische Drehmomentsensor 102 von Fig. 12 mit einer rein reflexiven optischen Detektion ausgeführt. Beide Trägerrohre 331 und 341 weisen an den einander zuge­ wandten Enden jeweils eine 45°-Phase 333 bzw. 343 auf. Die Doppelskalen 31 und 32 sind auf diesen 45°-Phasen 333 und 343 angeordnet. Das Eingangslichtsignal LS0 trifft dann zunächst auf die zweite und vierte Strichskala 312 bzw. 322 und wird aufgrund der 45°-Phase 343 um 90° umgelenkt und zur ersten und dritten Strichskala 311 bzw. 321 gelenkt. Hier erfolgt aufgrund der 45°-Phase 333 eine weitere 90°-Umlenkung, so daß die beiden Ausgangslichtsignale LS1 und LS2 zur Detektorein­ heit 40 zurücklaufen.In contrast, the optical torque sensor 102 of FIG. 12 is designed with a purely reflective optical detection. Both carrier tubes 331 and 341 each have a 45 ° phase 333 and 343 at the mutually facing ends. The double scales 31 and 32 are arranged on these 45 ° phases 333 and 343 . The input light signal LS0 then first strikes the second and fourth line scales 312 and 322 and is deflected by 90 ° due to the 45 ° phase 343 and directed to the first and third line scales 311 and 321 . Here, due to the 45 ° phase 333, a further 90 ° deflection takes place, so that the two output light signals LS1 and LS2 return to unit 40 .

Anstelle der Befüllung des Innenraums 46 mit einem Silikonöl 47 entsprechend der Ausführungsform des optischen Sensors 100 von Fig. 1 und 2 hat der optische Drehmomentsensor 102 von Fig. 12 an allen Oberflächen 48, die von den Lichtsignalen LS0, LS1 und LS2 tangiert werden, eine Nanostruktur. Der nicht dargestellte Innenraum 46 kann dann auch mit Luft be­ füllt sein. Schmutz, der sich gegebenenfalls an den Oberflä­ chen 48 anlagert, wird dann durch die natürliche Feuchtigkeit und aufgrund der speziellen Nanostruktur wieder abgewaschen. Der optische Drehmomentsensor 102 ist folglich mit einer Selbstreinigung an den für die optische Detektion wichtigen Oberflächen 48 ausgestattet. Instead of filling the interior 46 with a silicone oil 47 in accordance with the embodiment of the optical sensor 100 from FIGS. 1 and 2, the optical torque sensor 102 from FIG. 12 has one on all surfaces 48 that are affected by the light signals LS0, LS1 and LS2 Nanostructure. The interior 46 , not shown, can then be filled with air. Dirt that may accumulate on the surface 48 is then washed off by the natural moisture and due to the special nanostructure. The optical torque sensor 102 is consequently equipped with self-cleaning on the surfaces 48 that are important for optical detection.

Die optischen Drehmomentsensoren 101 und 102 der Fig. 11 und 12 umfassen im übrigen analog zum optischen Drehmoment­ sensor 100 von Fig. 1 und 2 Mittel zum Nullpunktabgleich. Diese Mittel sind aus Übersichtlichkeitsgründen in den Fig. 11 und 12 jedoch nicht dargestellt.The optical torque sensors 101 and 102 of FIGS. 11 and 12 also include means for zero-point adjustment analogous to the optical torque sensor 100 of FIGS. 1 and 2. For reasons of clarity, however, these means are not shown in FIGS. 11 and 12.

In Fig. 13 ist ein weiterer optischer Drehmomentsensor 103 dargestellt, bei dem die Informationen für den Nullpunktab­ gleich durch Beleuchtung eines entsprechenden Teilbereichs des hier nur gezeigten ersten Moiré-Musters 330a ermittelt werden. In Fig. 13 ist dieser beleuchtete erste Moiré- Musterteilbereich etwa so groß wie eine Periode des ersten Moiré-Musters 330a. FIG. 13 shows a further optical torque sensor 103 , in which the information for the zero point ab is determined immediately by illuminating a corresponding partial area of the first moiré pattern 330 a, which is only shown here. In Fig. 13 this illuminated first Moire pattern portion is about as large as a period of the first Moire pattern 330 a.

Der optische Drehmomentsensor 103 beinhaltet Beleuchtungsmit­ tel 410, die mehrere Eingangslichtsignale LS0, LS0', LS0'', . . . über separat ansteuerbare Lichtquellen 41, 41', 41'', . . . erzeugen. Die Lichtquellen 41, 41', 41'', . . . sind als LEDs ausgebildet und in eine einzige Baueinheit integriert. Wegen der separaten Ansteuerungsmöglichkeit kann die Beleuchtung des ersten Moiré-Musterteilbereichs sowohl gleichzeitig als auch sukzessive erfolgen.The optical torque sensor 103 includes illuminating means 410 which have a plurality of input light signals LS0, LS0 ', LS0'',. , , via separately controllable light sources 41 , 41 ', 41 '',. , , produce. The light sources 41 , 41 ', 41 '',. , , are designed as LEDs and integrated into a single structural unit. Because of the separate control option, the illumination of the first moiré sample partial area can take place both simultaneously and successively.

Jeweils zugehörige Abtastpunkte 334, 334', 334'', . . ., der Eingangslichtsignale LS0, LS0', LS0'', . . ., sind so auf dem ersten Moiré-Muster 330a verteilt, daß der optisch zu er­ fassende erste Moiré-Musterteilbereich komplett durch die nebeneinander angeordneten Abtastpunkte 334, 334', 334'', . . . abgedeckt wird. Die Eingangslichtsignale LS0, LS0', LS0'', . . . erfahren eine Intensitätsmodulation entsprechend dem jeweils am Ort des zugehörigen Abtastpunkts 334, 334', 334'', . . . vorliegenden Helligkeitswert des ersten Moiré-Musters 330a.Associated sampling points 334 , 334 ', 334 '',. , ., the input light signals LS0, LS0 ', LS0'',. , ., are distributed on the first moiré pattern 330 a in such a way that the first moiré pattern partial area that can be optically detected is completely covered by the scanning points 334 , 334 ', 334 '',. , , is covered. The input light signals LS0, LS0 ', LS0'',. , , experience an intensity modulation corresponding to that at the location of the associated sampling point 334 , 334 ', 334 '',. , , present brightness value of the first moiré pattern 330 a.

Nach Reflexion am ersten Moiré-Muster 330a werden Ausgangs­ lichtsignale LS1, LS1', . . . mittels einer CCD-Zeile 420 detektiert. Die CCD-Zeile 420 ist benachbart zu den Beleuch­ tungsmitteln 410 angeordnet. Optional kann auch eine nicht dargestellte zweite CCD-Zeile auf der von der dargestellten CCD-Zeile 420 abgewandten Seite der Beleuchtungsmittel 410 angeordnet sein. Aus den nicht dargestellten elektrischen Ausgangssignalen der CCD-Zeile 420 wird in einer ebenfalls nicht dargestellten Auswerteeinheit ein erstes Abbild des abgetasteten Moiré-Musterteilbereichs erzeugt. Das erste Abbild wird gespeichert und zur Ermittlung der für den Nullpunktabgleich benötigten Informationen herangezogen.After reflection on the first moiré pattern 330 a, output light signals LS1, LS1 ',. , , detected by means of a CCD line 420 . The CCD line 420 is arranged adjacent to the lighting means 410 . Optionally, a second CCD line (not shown) can also be arranged on the side of the lighting means 410 facing away from the CCD line 420 shown . A first image of the scanned moiré pattern partial area is generated from the electrical output signals of the CCD line 420 ( not shown) in an evaluation unit (also not shown). The first image is saved and used to determine the information required for the zero point adjustment.

Bei dem optischen Drehmomentsensor 103 erfolgt der Null­ punktabgleich auf rein elektronischem Wege. Für den Null­ punktabgleich sind keinerlei mechanisch bewegte Teile vorge­ sehen.With the optical torque sensor 103 , the zero point adjustment takes place in a purely electronic way. No mechanically moving parts are provided for zero point adjustment.

Die optischen Drehmomentsensoren 100, 101, 102 und 103 können jeweils als Zwischenteil in die Welle 20 eingesetzt oder als gegebenenfalls stabilisiertes Aufsteckteil auf die Welle 20 aufgesetzt werden.The optical torque sensors 100 , 101 , 102 and 103 can each be used as an intermediate part in the shaft 20 or as an optionally stabilized plug-on part on the shaft 20 .

Claims (18)

1. Optischer Drehmomentsensor für eine um eine Drehachse (21) drehbare Welle (20) umfassend mindestens
  • - eine Skaleneinheit (30) mit einer ersten Doppelskala (31) aus einer ersten und einer zweiten in Umfangsrichtung der Welle (20) angeordneten Strichskala (311, 312), die über jeweils einen Träger (33, 34) mechanisch fest und axial durch eine vorgegebene Meßstrecke (35) voneinander beab­ standet mit der Welle (20) verbunden und so zueinander benachbart angeordnet sind, daß eine Überlagerung beider Strichskalen (311, 312) ein von dem auf die Meßstrecke (35) einwirkenden Drehmoment abhängiges erstes Moiré-Muster (330a, 331a, 332a, 333a) erzeugt,
gekennzeichnet durch
  • - Detektionsmittel (40, 50, 410) zur optischen Erfassung eines ersten Moiré-Musterteilbereichs des ersten Moiré- Musters (330a, 331a, 332a, 333a) bei stillstehender Welle (20) über mindestens ein auf den ersten Moiré-Musterteil­ bereich gerichtetes Eingangslichtsignal (LS0) und
  • - eine Auswerteeinheit (60) zur Erzeugung eines ersten Ab­ bilds mindestens einer Periode des ersten Moiré-Musters (330a, 331a, 332a, 333a) aus dem optisch erfaßten ersten Moiré-Musterteilbereich und zur Zuordnung des ersten Ab­ bilds zu dem bei stillstehender Welle (20) vorliegenden Nullpunkt des Drehmoments.
1. Optical torque sensor for a shaft ( 20 ) rotatable about an axis of rotation ( 21 ) comprising at least one
  • - A scale unit ( 30 ) with a first double scale ( 31 ) from a first and a second in the circumferential direction of the shaft ( 20 ) arranged scale scale ( 311 , 312 ), each mechanically fixed and axially by a carrier ( 33 , 34 ) by a Predetermined measuring section ( 35 ) spaced from one another is connected to the shaft ( 20 ) and is arranged adjacent to one another in such a way that a superimposition of both line scales ( 311 , 312 ) is a first moiré pattern ( 330 that depends on the torque acting on the measuring section ( 35 ) a, 331 a, 332 a, 333 a) generated,
marked by
  • - Detection means ( 40 , 50 , 410 ) for the optical detection of a first moiré pattern partial area of the first moiré pattern ( 330 a, 331 a, 332 a, 333 a) with the shaft ( 20 ) at a standstill via at least one of the first moiré pattern part range directional input light signal (LS0) and
  • - An evaluation unit ( 60 ) for generating a first image from at least one period of the first moiré pattern ( 330 a, 331 a, 332 a, 333 a) from the optically detected first moiré pattern partial area and for assigning the first image to that with the shaft ( 20 ) at a standstill, the zero point of the torque.
2. Optischer Drehmomentsensor nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch Mittel (40, 50) zur in Umfangsrich­ tung veränderbaren Positionierung eines Abtastpunkts (334) des Eingangslichtsignals (LS0) auf dem optisch zu erfassenden ersten Moiré-Musterteilbereich.2. Optical torque sensor according to claim 1, characterized by means ( 40 , 50 ) for the changeable in the circumferential direction of positioning a sampling point ( 334 ) of the input light signal (LS0) on the optically detectable first moiré pattern partial area. 3. Optischer Drehmomentsensor nach Anspruch 1 oder 2, ge­ kennzeichnet durch Mittel (40, 50) zur axial veränderbaren Positionierung eines Abtastpunkts (335) des Eingangslichtsignals (LS0) auf dem optisch zu erfassenden ersten Moiré-Musterteilbereich.3. Optical torque sensor according to claim 1 or 2, characterized by means ( 40 , 50 ) for axially changeable positioning of a sampling point ( 335 ) of the input light signal (LS0) on the first Moiré pattern portion to be optically detected. 4. Optischer Drehmomentsensor nach Anspruch 2 oder 3, ge­ kennzeichnet durch eine in ihrer Position ver­ änderbare Detektoreinheit (40) mit elektrooptischen Sende­ mitteln (41) für das mindestens eine Eingangslichtsignal (LS0) und optoelektrischen Empfangsmitteln (42, 43) für mindestens ein Ausgangslichtsignal (LS1, LS2), das sich durch Beeinflussung des mindestens einen Eingangslichtsignals (LS0) am ersten Moiré-Muster (330a, 331a, 332a, 333a) ergibt.4. Optical torque sensor according to claim 2 or 3, characterized by a changeable in position detector unit ( 40 ) with electro-optical transmission means ( 41 ) for the at least one input light signal (LS0) and optoelectric receiving means ( 42 , 43 ) for at least one output light signal (LS1, LS2), which results from influencing the at least one input light signal (LS0) on the first moiré pattern ( 330 a, 331 a, 332 a, 333 a). 5. Optischer Drehmomentsensor nach Anspruch 4, ge­ kennzeichnet durch eine Positioniereinheit (50), über die die mechanische Position der Detektoreinheit (40) steuerbar ist.5. Optical torque sensor according to claim 4, characterized by a positioning unit ( 50 ), via which the mechanical position of the detector unit ( 40 ) can be controlled. 6. Optischer Drehmomentsensor nach Anspruch 4 oder 5, da­ durch gekennzeichnet, daß sich der erste Moiré-Musterteilbereich aus mindestens zwei Segmenten zusammensetzt, denen zur optischen Erfassung jeweils geson­ derte Eingangslichtsignale (LS0, LS0') zugeordnet sind.6. Optical torque sensor according to claim 4 or 5, there characterized in that the first moiré pattern section consisting of at least two segments composed, each separately for optical detection dered input light signals (LS0, LS0 ') are assigned. 7. Optischer Drehmomentsensor nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß sich der optisch zu erfassende erste Moiré-Musterteilbereich aus zwei Segmenten zusammensetzt, die im Abstand einer Viertelperiode des ersten Moiré-Musters (330a, 331a, 332a, 333a) angeordnet sind.7. Optical torque sensor according to claim 6, characterized in that the optically to be detected first moiré pattern partial area is composed of two segments which are at a quarter-period interval of the first moiré pattern ( 330 a, 331 a, 332 a, 333 a) are arranged. 8. Optischer Drehmomentsensor nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch Beleuchtungsmittel (410), mit denen der komplette optisch zu erfassende erste Moiré-Musterteil­ bereich beleuchtbar ist.8. Optical torque sensor according to claim 1, characterized by marked lighting means ( 410 ) with which the entire optically detectable first moiré pattern part can be illuminated. 9. Optischer Drehmomentsensor nach Anspruch 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Beleuch­ tungsmittel (410) ausgelegt sind zur Emission mehrerer Ein­ gangslichtsignale (LS0, LSO', LS0",. . .), von denen jeweils zugehörige Abtastpunkte (334, 334', 334'', . . .) auf dem ersten Moiré-Muster (330a, 331a, 332a, 333a) längs des optisch zu erfassenden ersten Moiré-Musterteilbereichs nebeneinander angeordnet sind.9. Optical torque sensor according to claim 8, characterized in that the lighting means ( 410 ) are designed to emit a plurality of input light signals (LS0, LSO ', LS0 ",...), Each of which has associated sampling points ( 334 , 334 ' , 334 ″, ... ) On the first moiré pattern ( 330 a, 331 a, 332 a, 333 a) are arranged next to one another along the optically detectable first moiré pattern partial area. 10. Optischer Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die erste und die zweite Strichskala (311, 312) in ihrer Strichzahl geringfügig, insbesondere um weniger als 10% voneinander unterscheiden.10. Optical torque sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the first and the second scale scale ( 311 , 312 ) differ slightly in their number of lines, in particular by less than 10%. 11. Optischer Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Skaleneinheit (30) eine zweite Doppelskala (32) aus einer dritten und vierten Strichskala (321, 322) umfaßt, deren Überlagerung ein von dem auf die Meßstrecke (35) ein­ wirkenden Drehmoment abhängiges zweites Moiré-Muster (330b) erzeugt, wobei
  • - die Detektionsmittel (40, 50, 410) zur optischen Erfassung eines zweiten Moiré-Musterteilbereichs des zweiten Moiré- Musters (330b) bei stillstehender Welle (20) und
  • - die Auswerteeinheit (60) zur Erzeugung eines zweiten Ab­ bilds mindestens einer Periode des zweiten Moiré-Musters (330b) aus dem optisch erfaßten zweiten Moiré-Musterteil­ bereich und zur Zuordnung des zweiten Abbilds zu dem bei stillstehender Welle (20) vorliegenden Nullpunkt des Dreh­ moments
ausgelegt sind.
11. Optical torque sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the scale unit ( 30 ) comprises a second double scale ( 32 ) from a third and fourth scale scale ( 321 , 322 ), the superimposition of which one on the measuring section ( 35 ) acting torque-dependent second moiré pattern ( 330 b), where
  • - The detection means ( 40 , 50 , 410 ) for the optical detection of a second moiré pattern portion of the second moiré pattern ( 330 b) when the shaft ( 20 ) and
  • - The evaluation unit ( 60 ) for generating a second image from at least one period of the second moiré pattern ( 330 b) from the optically detected second moiré pattern part area and for assigning the second image to the zero point of the standing wave ( 20 ) Turn moments
are designed.
12. Optischer Drehmomentsensor nach Anspruch 11, da­ durch gekennzeichnet, daß die erste und die vierte Strichskala (311, 322) eine übereinstimmende erste Strichzahl sowie die zweite und die dritte Strichskala (312, 321) eine übereinstimmende zweite Strichzahl haben. 12. Optical torque sensor according to claim 11, characterized in that the first and fourth line scales ( 311 , 322 ) have a matching first number of lines and the second and third line scales ( 312 , 321 ) have a matching second number of lines. 13. Optischer Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Träger (33, 34) jeweils eine senkrecht zur Drehachse (21) angeordnete Trägerplatte (332, 342) enthalten, auf denen die jeweiligen Strichskalen (311, 312, 321, 322) angeordnet sind.13. Optical torque sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the two carriers ( 33 , 34 ) each contain a carrier plate ( 332 , 342 ) arranged perpendicular to the axis of rotation ( 21 ), on which the respective line scales ( 311 , 312 , 321 , 322 ) are arranged. 14. Optischer Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Träger (33, 34) jeweils ein konzentrisch zur Drehachse (21) angeordnetes Trägerrohr (331, 341) enthalten,14. Optical torque sensor according to one of claims 1 to 12, characterized in that the two supports ( 33 , 34 ) each contain a support tube ( 331 , 341 ) arranged concentrically to the axis of rotation ( 21 ), 15. Optischer Drehmomentsensor nach Anspruch 14, da­ durch gekennzeichnet, daß eines der beiden Trägerrohre (331, 341) einen optisch transparenten Endabschnitt (340) hat, der über das andere der beiden Trägerrohre (331, 341) geschoben ist, so daß sich ein Über­ lappungsbereich zwischen beiden Trägerrohren (331, 341) ergibt, wobei die Strichskalen (311, 312, 321, 322) im Überlappungsbereich angeordnet sind.15. Optical torque sensor according to claim 14, characterized in that one of the two support tubes ( 331 , 341 ) has an optically transparent end portion ( 340 ) which is pushed over the other of the two support tubes ( 331 , 341 ), so that one Overlap area between the two support tubes ( 331 , 341 ) results, the line scales ( 311 , 312 , 321 , 322 ) being arranged in the overlap area. 16. Optischer Drehmomentsensor nach Anspruch 14, da­ durch gekennzeichnet, daß die beiden Trägerrohre (331, 341) an den einander zugewandten Enden jeweils eine 45°-Phase (333, 343) aufweisen und die Strich­ skalen (311, 312, 321, 322) auf den 45°-Phasen (333, 343) angeordnet sind.16. Optical torque sensor according to claim 14, characterized in that the two carrier tubes ( 331 , 341 ) each have a 45 ° phase ( 333 , 343 ) at the facing ends and the line scales ( 311 , 312 , 321 , 322 ) are arranged on the 45 ° phases ( 333 , 343 ). 17. Optischer Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Innenraum (46) zwischen den Detektionsmitteln (40, 410) und der Skaleneinheit (30) mit Flüssigkeit, insbesondere mit Silikonöl (47), gefüllt ist.17. Optical torque sensor according to one of the preceding claims, characterized in that an interior ( 46 ) between the detection means ( 40 , 410 ) and the scale unit ( 30 ) is filled with liquid, in particular with silicone oil ( 47 ). 18. Optischer Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Oberflächen (48), durch die ein Lichtsignal (LS0, LS1, LS2) hindurchtritt oder an denen ein Lichtsignal (LS0, LS1, LS2) reflektiert wird, eine schmutzabweisende Nano­ struktur aufweisen.18. Optical torque sensor according to one of the preceding claims, characterized in that all surfaces ( 48 ) through which a light signal (LS0, LS1, LS2) passes or on which a light signal (LS0, LS1, LS2) is reflected, a dirt-repellent nano have structure.
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Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10120580A1 (en) * 2001-04-26 2002-11-07 Siemens Ag Sensor for measuring the torque applied the shaft of a motor vehicle gear box comprises two outer sleeve type pipe elements attached to the shaft so that their adjacent ends rotate relative to each other
WO2004111590A1 (en) * 2003-06-12 2004-12-23 Matzoll Robert J Optical displacement torque sensor
WO2005078403A3 (en) * 2004-02-11 2006-01-12 Siemens Ag Device for determining the output of operational means
US7559258B2 (en) 2003-06-12 2009-07-14 Matzoll Robert J Torque sensor using signal amplitude analysis
US7784364B2 (en) 2008-04-28 2010-08-31 Matzoll Robert J Optical sensor for measurement of static and dynamic torque
EP2420803A1 (en) 2010-08-13 2012-02-22 BALLUFF GmbH Device for recording the torsion angle of a shaft and/or the torque of a shaft and method for operating the device
WO2012107006A1 (en) 2011-02-09 2012-08-16 Balluff Gmbh Method for detecting the torsion angle of a shaft and/or of a torque occurring on the shaft and implementation of the method
DE202014002597U1 (en) 2014-03-26 2014-06-12 Balluff Gmbh Magnetic ring and position sensor
DE102016217690A1 (en) 2016-09-15 2018-03-15 Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg Apparatus and method for measuring a rotational movement, in particular a rotational direction, as well as for detecting a shaft fracture
DE102018103942A1 (en) * 2018-02-21 2019-08-22 Dioptic Gmbh Method and device for measuring the surface shape of a spectacle lens
WO2021204478A1 (en) * 2020-04-07 2021-10-14 Asml Netherlands B.V. Differential measurement system

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3688570A (en) * 1970-06-05 1972-09-05 Polaroid Corp Angular deflection meter
DE2919946A1 (en) * 1979-05-17 1980-11-27 Bosch Gmbh Robert OPTICAL TORQUE MEASURING DEVICE
DE3426751A1 (en) * 1984-07-20 1986-01-23 Mauser-Werke Oberndorf Gmbh, 7238 Oberndorf Device for measuring torque
GB2162309A (en) * 1984-05-18 1986-01-29 Honda Motor Co Ltd Optical torque detecting apparatus
DE3637318A1 (en) * 1986-11-03 1988-05-11 Stabil Elektronik Gmbh DEVICE FOR MEASURING THE LOAD-RELATED TWIST OF A ROTATING SHAFT
JPS6472021A (en) * 1987-05-11 1989-03-16 Honda Motor Co Ltd Torque detecting device
JPS6472020A (en) * 1987-05-11 1989-03-16 Honda Motor Co Ltd Angular displacement detecting device
JPH01235822A (en) * 1988-03-16 1989-09-20 Toshiba Corp Noncontact detector for torque
EP0185619B1 (en) * 1984-12-18 1991-06-05 Battelle Memorial Institute Indicating positions
JPH0432732A (en) * 1990-05-30 1992-02-04 Toshiba Corp Optical torque detecting device
JPH0432731A (en) * 1990-05-30 1992-02-04 Toshiba Corp Optical torque detection device
JPH0611125A (en) * 1992-06-29 1994-01-21 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Quantitative feeding device for granular solid
JPH06235667A (en) * 1993-02-09 1994-08-23 Mazda Motor Corp Torque detector

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3688570A (en) * 1970-06-05 1972-09-05 Polaroid Corp Angular deflection meter
DE2919946A1 (en) * 1979-05-17 1980-11-27 Bosch Gmbh Robert OPTICAL TORQUE MEASURING DEVICE
GB2162309A (en) * 1984-05-18 1986-01-29 Honda Motor Co Ltd Optical torque detecting apparatus
DE3426751A1 (en) * 1984-07-20 1986-01-23 Mauser-Werke Oberndorf Gmbh, 7238 Oberndorf Device for measuring torque
EP0185619B1 (en) * 1984-12-18 1991-06-05 Battelle Memorial Institute Indicating positions
DE3637318A1 (en) * 1986-11-03 1988-05-11 Stabil Elektronik Gmbh DEVICE FOR MEASURING THE LOAD-RELATED TWIST OF A ROTATING SHAFT
JPS6472020A (en) * 1987-05-11 1989-03-16 Honda Motor Co Ltd Angular displacement detecting device
JPS6472021A (en) * 1987-05-11 1989-03-16 Honda Motor Co Ltd Torque detecting device
JPH01235822A (en) * 1988-03-16 1989-09-20 Toshiba Corp Noncontact detector for torque
JPH0432732A (en) * 1990-05-30 1992-02-04 Toshiba Corp Optical torque detecting device
JPH0432731A (en) * 1990-05-30 1992-02-04 Toshiba Corp Optical torque detection device
JPH0611125A (en) * 1992-06-29 1994-01-21 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Quantitative feeding device for granular solid
JPH06235667A (en) * 1993-02-09 1994-08-23 Mazda Motor Corp Torque detector

Cited By (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10120580A1 (en) * 2001-04-26 2002-11-07 Siemens Ag Sensor for measuring the torque applied the shaft of a motor vehicle gear box comprises two outer sleeve type pipe elements attached to the shaft so that their adjacent ends rotate relative to each other
WO2004111590A1 (en) * 2003-06-12 2004-12-23 Matzoll Robert J Optical displacement torque sensor
GB2419943A (en) * 2003-06-12 2006-05-10 Robert Jerome Matzoll Optical displacement torque sensor
US7559258B2 (en) 2003-06-12 2009-07-14 Matzoll Robert J Torque sensor using signal amplitude analysis
WO2005078403A3 (en) * 2004-02-11 2006-01-12 Siemens Ag Device for determining the output of operational means
US7784364B2 (en) 2008-04-28 2010-08-31 Matzoll Robert J Optical sensor for measurement of static and dynamic torque
US9026378B2 (en) 2010-08-13 2015-05-05 Balluff Gmbh Device for detecting the twist angle of a shaft and/or a torque occurring on the shaft and methods for operating the device
EP2420803A1 (en) 2010-08-13 2012-02-22 BALLUFF GmbH Device for recording the torsion angle of a shaft and/or the torque of a shaft and method for operating the device
WO2012107006A1 (en) 2011-02-09 2012-08-16 Balluff Gmbh Method for detecting the torsion angle of a shaft and/or of a torque occurring on the shaft and implementation of the method
DE202014002597U1 (en) 2014-03-26 2014-06-12 Balluff Gmbh Magnetic ring and position sensor
DE102016217690A1 (en) 2016-09-15 2018-03-15 Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg Apparatus and method for measuring a rotational movement, in particular a rotational direction, as well as for detecting a shaft fracture
US10641127B2 (en) 2016-09-15 2020-05-05 Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg Device and method for measuring a rotational movement, in particular a rotational direction, and for detecting a shaft break
DE102018103942A1 (en) * 2018-02-21 2019-08-22 Dioptic Gmbh Method and device for measuring the surface shape of a spectacle lens
WO2021204478A1 (en) * 2020-04-07 2021-10-14 Asml Netherlands B.V. Differential measurement system
JP2023520629A (en) * 2020-04-07 2023-05-18 エーエスエムエル ネザーランズ ビー.ブイ. Differential measurement system
JP7402350B2 (en) 2020-04-07 2023-12-20 エーエスエムエル ネザーランズ ビー.ブイ. differential measurement system
US12248255B2 (en) 2020-04-07 2025-03-11 Asml Netherlands B.V. Differential measurement system

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