beim Internationalen Büro eingegangen am 06. August 2019 (06.08.2019)

Patentansprüche

1. Messsystem (1 ) zur Bestimmung einer Kraft und/oder eines Drehmoments an einer drehmomentübertragenden Welle (3), wobei das Messsystem (1) wenigstens drei, insbesondere wenigstens vier, Piezoelemente (4a, 4b, 4c, 4d) mit jeweils einer Vorzugsrichtung (V_a, V_b, V_c, V_d) aufweist, welche jeweils an unterschiedlichen Positionen um eine Drehachse (D) der Welle (3) in einem Kraftfluss, welcher über die Welle (3) übertragen wird, in der Weise angeordnet sind, dass eine Kraft des Kraftflusses, insbesondere ausschließlich, an den

Piezoelementen (4a, 4b, 4c, 4d) anliegt, wobei die Vorzugsrichtungen jeweils parallel zu oder in einer einzigen Ebene liegen, welche von der Drehachse geschnitten wird, und wobei die Vorzugsrichtungen (V_a; V_b; V_c; V_d) von wenigstens Zweien, insbesondere wenigstens Dreien, der Piezoelemente (4a, 4b, 4c, 4d) zueinander weder parallel noch antiparallel ausgerichtet sind,

wobei das Messsystem (1 ) des Weiteren eine Signalverarbeitungseinrichtung (7) aufweist, eingerichtet, um die Kräfte und/oder Drehmomente mittels eines Gleichungssystems für Kraftkomponenten und Drehmomentkomponenten auf der Grundlage von Messsignalen (S1 , S2, S3, S4) der einzelnen Piezoelemente (4a, 4b, 4c, 4d) zu bestimmen.

2. Messsystem (1 ) nach Anspruch 1 , wobei die Piezoelemente (4a, 4b, 4c, 4d) geometrisch in der Weise angeordnet sind, dass in Bezug auf ihre jeweilige Position zueinander in einer Projektion auf die Ebene keine Spiegelachse und/oder kein Spiegelpunkt existiert bzw. existieren.

3. Messsystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Piezoelemente (4a, 4b, 4c, 4d) geometrisch in der Weise angeordnet sind, dass wenigstens zwei Piezoelemente einen unterschiedlichen radialen Abstand von der Drehachse (D) aufweisen und/oder dass zwei Kreissektoren (a_ab, a_bc, a_ca) um die Drehachse (D)

GEÄNDERTES BLATT (ARTIKEL 19) zwischen jeweils zwei Piezoelementen einen unterschiedlichen Winkel aufspannen.

4. Messsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung des Weiteren eingerichtet ist, die Messsignale

(S1 , S2, S3, S4) in Komponenten, welche zu den jeweiligen zu bestimmenden Parametern beitragen, zu zerlegen.

5. Messsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung des Weiteren eingerichtet ist, den Beitrag einzelner Piezoelemente zu verschiedenen Kraftkomponenten und Drehmomentkomponenten zu berücksichtigen.

6. Messsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, des Weiteren eine Signalverarbeitungseinrichtung (7) aufweisend, eingerichtet, um die Kraft und/oder das Drehmoment auf die Welle (3) mittels einer, insbesondere orthogonalen, Zerlegung der jeweiligen Vorzugsrichtungen der Piezoelemente (4a, 4b, 4c, 4d), der Messsignale (S1 , S2, S3, S4) oder der jeweils durch die einzelnen Piezoelemente (4a, 4b, 4c, 4d) gemessenen Kräfte in wenigstens zwei Komponenten zu bestimmen, wobei jeweils parallele Komponenten aufsummiert werden.

7. Messsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Messsignale von allen Piezoelementen, deren Vorzugsrichtungen jeweils parallel zu oder in der Ebene liegen, zum Bestimmen der Kraft und/oder des Drehmoments herangezogen werden.

8. Messsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ebene wenigstens im Wesentlichen senkrecht zu einer Drehachse (D) der Welle (3) ausgerichtet ist.

GEÄNDERTES BLATT (ARTIKEL 19) 38

9. Messsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Fläche (17a, 17b, 17c, 17d, 20b, 20d) der Piezoelemente, über welche die Kraft eingeleitet wird, wenigstens im Wesentlichen parallel zu der Ebene liegt.

10. Messsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Piezoelemente (4a, 4b, 4c, 4d) einen Krafthauptschluss in Bezug auf den Kraftfluss bilden und wobei ein Kraftnebenschluss, insbesondere an Befestigungsmitteln, weniger als 10 %, bevorzugt weniger als 5 % und am bevorzugtesten weniger als 2 % der Kraft des Kraftflusses aufnimmt.

11. Messsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei neben jedem Piezoelement (4a, 4b, 4c, 4d) in Richtung der Drehachse (D) der Welle (3) ein weiteres Piezoelement (4e, 4f) angeordnet ist, dessen Vorzugsrichtung (V_e, V_f, V_g, V_h) nicht parallel, insbesondere wenigstens im Wesentlichen senkrecht, zu der Ebene ausgerichtet ist, wobei die Piezoelemente (4a; 4b; 4c; 4d) mit dem jeweils daneben angeordneten weiteren Piezoelement (4e; 4f) Paare (18a, 18b, 18c, 18d) bilden, wobei die Kraft des Kraftflusses, insbesondere ausschließlich, an den Paaren (18a, 18b, 18c, 18d) anliegt.

12. Messsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welches eine Fixierungseinrichtung (5), insbesondere einen Lagerkäfig, aufweist, wobei die Fixierungseinrichtung (5) die Piezoelemente (4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f) trägt und zueinander positioniert.

13. Messsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die

Piezoelemente um die Drehachse (D) ungleichmäßig verteilt sind.

14. Messsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei alle Piezoelemente (4a, 4b, 4c, 4d) und/oder Paare (11a, 11 b, 11c, 1 1 d) innerhalb eines definierten Kreissektors um die Drehachse mit etwa einem Winkel a < 300°, bevorzugt a < 240°, bevorzugter a < 180°, am Bevorzugtesten a < 120°,

GEÄNDERTES BLATT (ARTIKEL 19) 39

angeordnet sind, wobei eine Fixierungseinrichtung (5) vorzugsweise in der Weise ausgebildet ist, dass diese diesen Winkelsektor abdeckt.

15. Messsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Welle (3) durch eine Lagervorrichtung (2), insbesondere eine Maschine, deren Aus- und/oder Eingangswelle durch die drehmomentübertragende Welle (3) gebildet ist, gelagert ist,

wobei eine oder die Fixierungseinrichtung (5) die Piezoelemente (4a, 4b, 4c, 4d) und/oder Paare (11a, 11 b, 11c, 11 d) trägt und in der Weise ausgebildet ist, dass mittels der Piezoelemente eine Kraft, insbesondere Scherkraft, zwischen der

Lagervorrichtung (2) und einer Abstützvorrichtung (10) zum Abstützen der Lagervorrichtung (2) messbar ist.

16. Messsystem (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die Fixierungseinrichtung (5) des Weiteren in der Weise ausgebildet ist, dass die

Kraft parallel zu Stirnflächen (17a, 17b) der Piezoelemente (4a, 4b, 4c, 4d) und/oder Paare (1 1a, 11 b, 1 1c, 11 d) mittels einer kraftschlüssigen Verbindung einleitbar ist. 17. Messsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, eingerichtet, um sowohl tangential zur Drehrichtung der Welle wirkende Kräfte zu messen, welche zum Drehmoment beitragen, als auch Querkräfte, welche senkrecht zur Drehrichtung der Welle wirken, insbesondere in zwei orthogonalen Richtungen in der Ebene.

18. Messanordnung (9) zum Bestimmen einer Kraft und/oder eines Drehmoments an einer drehmomentübertragenden Welle (3), aufweisend ein auf dem Piezoeffekt beruhendes Messsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 17 und eine Welle (3), wobei die Piezoelemente (4a, 4b, 4c, 4d) zwischen einem ersten Teil der Welle (3) und einem zweiten Teil der Welle (3) in der Weise angeordnet sind, dass mittels der Piezoelemente (4a, 4b, 4c, 4d) eine Kraft, insbesondere Scherkraft, zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil messbar ist.

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19. Messanordnung (9) nach Anspruch 18, wobei die Welle (3) aus zwei Abschnitten besteht, welche durch eine Kupplungseinrichtung verbindbar sind, wobei das Messsystem (1) die Kraft und/oder das Drehmoment an einem der beiden Abschnitte bestimmt.

20. Messanordnung (9) zur Bestimmung einer Kraft und/oder eines Drehmoments an einer drehmomentübertragenden Welle (3), aufweisend ein auf dem Piezoeffekt beruhendes Messsystem (1), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 17, eine Welle (3), eine Lagervorrichtung (2) und eine Abstützvorrichtung (10) der Lagervorrichtung (2), wobei die Lagervorrichtung (2) die Welle (3) lagert und wobei das Messsystem (1) eine rotierende Masse der Welle (3) und/oder eine rotierende Masse rotierender Teile einer Gesamtheit aus Welle (3) und Lagervorrichtung (2) nicht verändert. 21. Verfahren zur Bestimmung eines an einer Welle (3) anliegenden Drehmoments und/oder einer an einer Welle (3) anliegenden Kraft, insbesondere mittels eines Messsystems (1) mit wenigstens drei, insbesondere wenigstens vier, Piezoelementen (4a, 4b, 4c, 4d), welche jeweils eine Vorzugsrichtung (V_a, V_b, V_c, V_d) aufweisen und jeweils an unterschiedlichen Positionen um eine Drehachse (D) der Welle (3) in einem Kraftfluss, welcher über die Welle (3) übertragen wird, in der Weise angeordnet sind, dass eine Kraft des Kraftflusses, insbesondere ausschließlich, an den Piezoelementen (4a, 4b, 4c, 4d) anliegt, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die Kraft und/oder das Drehmoment auf die Welle mittels einer orthogonalen Zerlegung der jeweiligen Vorzugsrichtungen der Piezoelemente, der Messsignale (S1 , S2, S3, S4) oder der jeweils durch die einzelnen Piezoelemente gemessenen Kräfte in Komponenten bestimmt wird, wobei jeweils parallele Komponenten aufsummiert werden. 22. Verfahren nach Anspruch 21 , die folgenden Arbeitsschritte aufweisend:

Erfassen wenigstens eines ersten Signals (S1 ) eines ersten Piezosensors (4a; 4e), eines zweiten Signals (S2) eines zweiten Piezosensors (4b; 4f) und eines dritten Signals (S3) eines dritten Piezosensors (4c; 4g);

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- Aufsummieren der anteiligen Signale (S1 , S2, S3) in wenigstens einer Richtung entsprechend der jeweiligen Komponente der Vorzugsrichtungen (V_a V_b, V_c; V_e> V_f, V_g) der Piezoelemente (4a, 4b, 4c; 4e, 4g, 4h) in dieser Richtung; und

- Ableiten des Drehmoments und/oder der Kraft aus den aufsummierten

Signalen;

oder

- Ableiten der Drehmomente und/oder der Kräfte für jedes einzelne Signal (S1 , S2, S3) in wenigstens einer Richtung entsprechend der jeweiligen Komponente der Vorzugsrichtungen (V_a V_b, V_c; V_e, V_f, V_g) der Piezoelemente

(4a, 4b, 4c; 4e, 4g, 4h) in dieser Richtung; und

- Aufsummieren der Drehmomente und/oder Kräfte.

23. Verfahren zur Bestimmung eines an einer Welle (3) anliegenden Drehmoments und/oder einer an einer Welle (3) anliegenden Kraft, mittels eines Messsystems

(1) mit wenigstens drei, insbesondere wenigstens vier, Piezoelementen (4a, 4b, 4c, 4d), welche jeweils eine Vorzugsrichtung (V_a, V_b, V_c, V_d) aufweisen und jeweils an unterschiedlichen Positionen um eine Drehachse (D) der Welle (3) in einem Kraftfluss, welcher über die Welle (3) übertragen wird, in der Weise angeordnet sind, dass eine Kraft des Kraftflusses, insbesondere ausschließlich, an den Piezoelementen (4a, 4b, 4c, 4d) anliegt, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei Drehmomente und/oder Kräfte mittels eines Gleichungssystems für Kraftkomponenten und Drehmomentkomponenten auf der Grundlage von Messsignalen der einzelnen Piezoelemente bestimmt werden.

24. Verfahren zur Kalibrierung eines Messsystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, die folgenden Arbeitsschritte aufweisend:

- Aufbringen einer definierten Kraft in einer ersten Richtung parallel zu der Ebene;

- Aufbringen einer definierten Kraft in einer zweiten Richtung parallel zu der

Ebene;

- Erfassen wenigstens eines ersten Signals (S1) eines ersten Piezosensors (4a; 4e), eines zweiten Signals (S2) eines zweiten Piezosensors (4b; 4f) und

GEÄNDERTES BLATT (ARTIKEL 19) 42

eines dritten Signals (S3) eines dritten Piezosensors (4c) während des Aufbringens der definierten Kräfte; und

- Ableiten von Vorzugsrichtungen (V_a, V_b, V_c) der Piezoelemente (4a, 4b, 4c) auf der Grundlage der erfassen Signale (S1 , S2, S3) und ersten und zweiten Richtungen der definierten Kräfte.

25. Verfahren zur Kalibrierung eines Messsystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, die folgenden Arbeitsschritte aufweisend:

- Aufbringen eines definierten Drehmoments um die Drehachse der Welle (3); - Erfassen wenigstens eines ersten Signals (S1 ) eines ersten Piezoelements

(4a), eines zweiten Signals (S2) eines zweiten Piezoelements (4b) und eines dritten Signals (S3) eines dritten Piezoelements (4c); und

- Ableiten von Abständen (r_a, r_b, r_c) der Piezoelemente (4a, 4b, 4c) von der Drehachse (D) auf der Grundlage der erfassen Signale (S1 , S2, S3) und des definierten Drehmoments.

GEÄNDERTES BLATT (ARTIKEL 19)