Ein solcher Sensor eignet sich insbesondere zur berührungs- losen Messung von Drehmomenten an rotierenden Wellen oder Scheiben. Dabei wird unter Scheibe beispielsweise auch ein Flansch, der an einer Welle angeordnet ist, verstanden.

Die berührungslose Messung des Drehmomentes ist eine der wichtigsten sensorischen Probleme der Automatisierungstech- nik. Anwendungen liegen unter anderem in der Uberwachung und Regelung von Antrieben und Getrieben, beispielsweise zur Bestimmung der Momentanleistung, des Betriebswiderstan- des und/oder von Schäden, zum Beispiel Lagerschäden, der Überwachung von Arbeitsprozessen, die durch rotierende Ma- schinenteile angetrieben werden, z. B. der Werkzeugüberwa- chung an Werkzeugmaschinen, Transport von Medien wie Foli- en, Blechen oder Papier, der dynamischen Verbrauchsoptimie- rung von Kraftfahrzeugen und in der Robotik.

Im folgenden werden die Begriffe"Rotor"und"Rotor-..." für das rotierende Element beispielsweise eine Welle bzw. eine Scheibe oder einen Flansch und alle rotierenden Be- standteile der betrachteten Vorrichtungen verwendet, für alle übrigen nicht rotierenden Bestandteile werden die Be- griffe"Stator"und"Stator-..."verwendet.

Eine Drehmomentmessung auf der Basis von DehnungsmeBstrei- fen (DMS) ist allgemein bekannt. Diese werden beispielswei- se auf eine Welle geklebt und in der Regel zu einer Brücke verschaltet. Eine berührungslose Messung ist nur möglich, wenn statt eines Schleifringübertragers eine Telemetrieein- richtung verwendet wird, die mittels elektromagnetischer Kopplung Energie zur rotierenden Messeinrichtung auf einer Welle überträgt, ebenso wie in umgekehrter Richtung die Meßsignale. Verfahren sowohl mit Schleifringen als auch mit Telemetrie werden seit längerem angewendet.

Ferner sind kapazitive Drehmomentsensoren bekannt, bei de- nen auf einer Welle Kapazitäten angeordnet sind, die im Grunde als Position-oder Dehnungssensoren arbeiten. Derar- tige Anordnungen sind beispielsweise aus der EP 0 354 386 A1, der US 4 866 993 bekannt. Die Kapazitäten sind dabei so plaziert, dass eine Torsion der Welle in eine Kapazitätsän- derung umgesetzt wird. Die durch die Kapazitätsänderung entstehenden elektrischen Signale werden mit einer separa- ten Vorrichtung elektromagnetisch oder mit einem Schleif- ring zum stehenden Teil übertragen.

Telemetrieeinrichtungen sind nun sehr teuer und scheiden daher für eine Großserienanwendung, beispielsweise in der Automobiltechnik aus. Zudem verändert die an einer Welle angeordnete Elektronik bei manchen Anwendungen in unakzep- tabler Weise die mechanischen Eigenschaften, z. B. durch Ausbildung einer Unwucht. Wird die rotierende Elektronik nicht vergossen, kann es zu Ausfällen durch die starke Be- schleunigung, die auf die elektronische Schaltung wirkt, kommen. Darüber hinaus sind bei derartigen Anordnungen eine Reparatur und eine Änderung nur schwer oder gar nicht mög- lich.

Aus der DE 38 23 935 Al und der DE 43 13 556 Al sind ferner Sensoren nach dem Magnetostriktionsprinzip bekannt, bei de- nen das Drehmoment aus dem magnetischen Fluß durch eine auf eine Welle aufgeklebte Folie bestimmt wird, deren Permeabi- lität von der mechanischen Spannung auf der Wellenoberflä- che abhängt. Problematisch hierbei ist, dass das Magneto- striktionsprinzip aufgrund der Unregelmäßigkeit der verwen- deten Folien einen Fehler verursacht, der als Umlaufmodula- tion bezeichnet wird. Ausserdem benötigen derartige Folien eine Wärmebehandlung, die bei vielen Anwendungen nicht mit der Fertigung der Welle vereinbar ist. Wird auf eine Folie ganz verzichtet und der magnetostriktive Effekt des Wellen- materials benutzt, so werden die Meßsignale zu klein. Um diese Nachteile zu beseitigen, werden vereinzelt spezielle Stähle eingesetzt, die durch ihren hohen Preis in vielen Anwendungen nicht in Frage kommen.

Die punktförmige Messung eines Einzelsensors des magneto- striktiven Typs ist außerdem anfällig für Fehler durch Bie- gebelastungen beispielsweise einer Welle. Soll der Sensor die Welle umschließen, um dieses Problem zu umgehen, stei- gen Bauvolumen und Komplexität stark an.

Bei einer weiteren Gruppe von Sensoren werden mittels ver- schiedener, beispielsweise optischer oder induktiver Ver- fahren torsionsbedingte Phasenverschiebungen zwischen zwei Musterträgern, zum Beispiel Zahnrädern, Folien oder Schlitzscheiben, die in einem bestimmten axialen Abstand auf einer Welle angeordnet sind, bestimmt. Problematisch hierbei ist, dass das Prinzip der Phasenverschiebung lange Wellen benötigt. Viele derartige Sensoren weisen ein großes Bauvolumen auf, da der Raum zwischen den Befestigungsstel- len der Musterträger ebenfalls vom Sensor eingenommen wird.

Es sind Sensorformen bekannt, bei denen der Platz zwischen den Befestigungsstellen der Musterträger frei bleibt. Sie benötigen aber ebenfalls ein langes, im Grunde freies Wel- lenstück, an dem gemessen werden kann. Solche Wellenstücke kommen nur in Maschinen vor, in denen die Antriebskraft transportiert werden muss. Alle anderen Wellen sind kompakt mit Elementen zur Drehmomentaufnahme und-abgabe bestimmt.

Der Anwendungsbereich wird weiter eingeschränkt durch die Tatsache, dass freie Wellenstücke oft rauhen Umgebungen, z. B. agressiven Arbeitsmedien, ausgesetzt sind. Eine stati- sche Messung, d. h. eine Messung bei einer stehenden Welle, ist mit diesem Verfahren prinzipiell nicht möglich. Hier- durch wird auch die Kalibrierung erschwert.

Darüber hinaus kann das Drehmoment auch durch die Umsetzung der Spannung bzw. Dehnung in eine relative Lageänderung ei- nes Rotorteils gegen ein anderes, die vom Stator aus berüh- rungslos mit Abstandsensoren gemessen werden kann, erfol- gen. Gegen mechanische Wandler dieses Typs spricht der Bau- raum, den sie-mal in axialer, mal in radialer Richtung- einnehmen.

Darüber hinaus sind die Kosten, die von den durchweg kom- plizierten Teilen durch spanende Bearbeitung und Montage zu erwarten sind, problematisch.

Ferner ist problematisch, dass ein wesentlicher Eingriff in das rotierende Element, beispielsweise in einen Wel- lenstrang stattfindet, der sich statisch in veränderter Torsions-und Biegesteifigkeit und dynamisch in verändertem Schwingungsverhalten äußert. Derartige Sensoren scheiden daher für eine breite Anwendung, insbesondere in kostensen- siblen Bereichen, aus.

Aus der US 5 046 371 ist schließlich eine kapazitive Drehmomentmessung bekannt, bei der das elektrische Feld zwischen einer Welle und zwei Statorelektroden direkt ge- nutzt wird. Hierzu wird eine Hohlwelle verwendet, in der sich diagonale Schlitze befinden. Die Welle verformt sich dann unter Drehmomentbelastung so, dass sich ihr Außen- durchmesser bei einer Torsion in der einen Richtung vergrö- ßert, in der anderen Richtung verkleinert, und damit sich auch die Kapazität zwischen der Welle und den Statorelek- troden ändert. Problematisch hierbei ist, dass die große Kapazitätsänderung mit einer extremen Wellenschwächung (ge- ringe Torsions-und Biegesteifigkeit) gewissermaßen erkauft werden muss, die für viele Anwendungen untragbar ist. Soll dieser Nachteil beseitigt werden, wird mit steigender Tor- sionssteifigkeit das Meßsignal sehr klein. Da nicht die Möglichkeit zur Differenzmessung, d. h. zur Messung an einer Differenzkapazität, besteht, verschwindet das Signal dann leicht im Offset, der sich beim Altern des Materials und aufgrund der Temperatur verschiebt. Problematisch hierbei ist außerdem, dass die verwendeten Wellenteile sehr kompli- ziert geformt sind und nur mit großem Aufwand herstellbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Drehmoment, insbesondere an einer rotierenden Welle oder Scheibe zu messen und dabei folgende Eigenschaften in einer Messein- richtung zu vereinigen : -berührungslose Messungen, -keine sensorbedingte Unwucht, -keine rotierende Elektronik, -vernachlässigbare Umlaufmodulation, -vernachlässigbare Querempfindlichkeit für Wellenbiegung bei Messungen an Wellen, -geringste Baugröße, -bei Messungen an Wellen : einfache Wellenfertigung (gera- der Kreiszylinder), bei Messungen an Scheiben : einfache Scheibenfertigung (einfache Kreisscheibe), -keine komplizierten Maschinenteile, -keine zusätzlichen Lager, -statische Messung und Kalibrierung möglich, -dynamische Messung drehzahlunabhängig möglich, -bei Messungen an Wellen : geringe Wellenschwächung, -bei Messungen an einer Antriebswelle : hohe Torsions-und Biegesteifigkeit des Antriebsstrangs, -geringer Herstellungsaufwand.

Diese Aufgabe wird durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhaft hierbei ist, dass das Drehmoment Änderungen einer oder mehrerer Kapazitäten be- wirkt, wobei die Kapzitätsmessung entweder direkt oder durch Messung einer Brückenspannung erfolgt. Dabei können beliebige Verfahren zur Kapazitätsmessung vorgesehen sein.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegen- stand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger Ausführungs- beispiele in Verbindung mit der Zeichnung erläutert.

In der Zeichnung zeigen : Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors mit Rotor-und Statorelektroden ; Fig. 2 eine Teilschnittansicht der in Fig. 1 dargestellten Welle ; Fig. 3 die Anordnung der Kapazitäten des in Fig. 1 darge- stellten Ausführungsbeispiels ; Fig. 4 das Kern-und Streufeld anhand eines Streifens der in Fig. 1 dargestellten Rotorelektrode ; Fig. 5 eine Teilschnittdarstellung einer anderen Ausfüh- rungsform ; Fig. 6 weitere Ausführungsformen von Rotor-und Statore- lektroden eines erfindungsgemäßen Sensors ; Fig. 7 ein wiederum anderes Ausführungsbeispiel eines er- findungsgemäßen Sensors ; Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungs- gemäßen Sensors ; Fig. 9 ein Schaltungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sen- sors mit einer Vollbrücke ; Fig. 10 schematisch unterschiedliche Statorformen eines er- findungsgemäßen Sensors ; Fig. 11 zwei weitere Ausführungsbeispiele eines erfindungs- gemäßen Sensors zur Messung des Drehmoments an ei- ner als Flansch ausgebildeten Scheibe ; Fig. 12 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Sensors zur Messung des Drehmoments an einer als Flansch ausge- bildeten Scheibe ; Fig. 13 das Ersatzschaltbild eines weiteren Ausführungsbei- spiels eines erfindungsgemäßen Sensors ; Fig. 14 schematisch eine Schnittdarstellung einer Rotore- lektrode eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensors und Fig. 15 schematisch eine Schnittdarstellung eines Rotors eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfin- dungsgemäßen Sensors.

Ein Ausführungsbeispiel eines Sensors, dargestellt in Fig.

1 weist eine Welle W auf, auf der schräg zur Wellenachse, vorzugsweise unter einem Winkel von 45° lange, sehr schmale Streifen angeordnet sind, die eine Rotorelektrode R bilden.

Die Streifen der Rotorelektrode R bilden ein periodisches Muster, das sich über den Wellenumfang erstreckt. Mittig zwischen den Streifen ist ein Steg angeordnet, der alle Streifen leitend miteinander verbindet. Die in Fig. 1 flä- chig schwarz dargestellte Struktur der Rotorelektrode R ist in diesem Ausführungsbeispiel aus einem dünnen etwa lum dicken Metallfilm gefertigt, der auf einer Isolatorfolie angeordnet und z. B. durch Aufdampfen herstellbar ist. Die Folie ist auf der Welle befestigt, in der Regel durch Kle- ben, wie es beispielsweise von Dehnungsmeßstreifen bekannt ist. In unmittelbarer Nähe zur Welle und zur Rotorelektrode R sind Statorelektroden S1, S2, S3 angeordnet. Die Statore- lektroden S1 und S3 sind kapazitiv an die Streifen der Ro- torelektrode R gekoppelt, die Statorelektrode S2 bildet ei- ne kapazitive Kopplung zum Mittelsteg. Die Kapazität an der Statorelektrode S2 ist dabei wesentlich höher als diejenige an den Statorelekroden Sl oder S3, da die gesamte Fläche der Statorelektrode S2 dem Mittelsteg der Rotorelektrode R gegenübersteht. Alle drei Statorelektroden S1, S2, S3 fol- gen in ihrer Form einem imaginären Zylindermantel, der sich in einem geringen Abstand, der beispielsweise 100 um be- trägt, um die Welle angeordnet ist. Sie sind entweder frei- tragende Teile aus einem leitenden Material oder sie sind auf einem isolierenden Träger angeordnet, auf dem sie ent- weder montiert oder durch Beschichten hergestellt sind. Der Winkel am Umfang der Welle, der von den Statorelektroden S1, S2, S3 eingenommen wird, ist ein ganzzahliges Vielfa- ches der Winkelperiode des Streifenmusters der Rotorelek- trode R. Dadurch wird erreicht, dass sich die Kapazität zwischen Rotor und Stator bei freier, unbelasteter Rotation der Welle nicht ändert. Der Sensor erfaßt somit das Drehmo- ment unabhängig von der Drehzahl der Welle.

In Fig. 2 ist eine Teilschnittansicht durch die Welle W und die übereinander geschichteten Elektroden dargestellt. Auf der Welle W ist der Isolator D, ein Dielektrikum, angeord- net, welches beispielsweise eine Dicke von 100 um aufweist.

Auf dem Dielektrikum D ist die Rotorelektrode R angeordnet.

Die Rotorelektrode R ist in Fig. 2-nicht weiter darge- stellt. Die extrem dünne Schicht des Elektrodenmaterials läßt sich in guter Näherung als zweidimensionale Struktur betrachten. Ein Luftspalt L trennt die Rotorelektrode R von der Statorelektrode S. Die Dicke des Luftspalts kann bei- spielsweise 100 um betragen. Die Statorelektroden sind in Fig. 2 jeweils hintereinander angeordnet.

In Fig. 3 ist die Anordnung der Kapazitäten des in Fig. 1 und 2 beschriebenen Ausführungsbeispiels schematisch in Form eines Ersatzschaltbildes dargestellt. Mit C2R ist die Koppelkapazität zwischen dem Mittelsteg der Rotorelektrode R und der Statorelektrode S2 bezeichnet. Mit C1R und C3R sind die Kapazitäten zwischen den Streifen der Rotorelek- trode R und den Statorelektroden S1 sowie S3 bezeichnet.

Daneben weisen die Statorelektroden Sl, S3 sowie die Roto- relektrode R noch jeweils eine Kapazität zur Welle selbst auf, die mit C1W, C3W und CRW bezeichnet ist. Für die im folgenden zu beschreibenden Messungen sind hauptsächlich C1R, C2R und C3R von Bedeutung. Die Statorelektroden S1, S2 und S3 werden als drei Anschlüsse einer Differenzkapazität nach außen zu einem Kapazitätsmeßgerät (nicht dargestellt) geführt. Dort werden im Prinzip die Kapazitäten S1-S2 und S3-S2 gemessen, meistens jedoch direkt durch das Meßgerät AC = C1R-C3R oder Q = (C1R-C3R)/ (C1R + C3R) bestimmt. Die Messung von Dif- ferenzkapazitäten kann mit sehr hoher Genauigkeit erfolgen, weil sich viele Umwelteinflüsse gleichsinnig auf beide Tei- le auswirken und damit nicht in das Meßergebnis einfließen, wie unmittelbar aus den oben angegebenen Gleichungen für AC und Q ersichtlich ist. Die Rotorelektrode R ist der gemein- same Anschluß beider Teile der Differenzkapazität ; S2 und C2R dienen nur der Kopplung zu der Rotorelektrode R. C1R und C3R bilden die Differenzkapazität im engeren Sinn, da sie sich bei der Drehmomentmessung durch die Verformung von R immer mit dem gleichen Betrag, aber entgegengesetztem Vorzeichen ändern.

Eine Torsionsbeanspruchung der Welle bewirkt nun eine Ände- rung des Winkels der Streifen der Rotorelektrode. Dadurch steigt die Kapazität zwischen dem Rotor und dem Stator bei einem Vorzeichen der Torsion im Bereich der Statorelektrode S1, während die Kapazität im Bereich der Statorelektrode S3 sinkt. Bei umgekehrter Torsion verhält es sich genau umge- kehrt.

Der zugrundeliegende Effekt wird in Verbindung mit Fig. 4 erläutert.

Jeder Elektrodenrand, im Beispiel derjenige von der Rotore- lektrode R gegenüber der Statorelektrode Sl, zeigt ein so- genanntes Streufeld, welches mit SF bezeichnet ist, das üb- licherweise neben dem eigentlichen als KF bezeichneten Kernfeld vernachlässigt wird. So wird beispielsweise die Kapazität eines Plattenkondensators meist mit der Nähe- rungsformel C = sA/d mit der Plattenfläche A, der Feldkon- stanten s und dem Plattenabstand d berechnet. Das Verhält- nis aus Fläche und Umfang der Streifen der Rotorelektrode ist aber so klein gewählt (z. B. eine Lange der Streifen von 10mm Breite, eine Breite von 5 pm), dass die Kapazität ei- ner solchen Anordnung (Rotorelektrode R-Statorelektrode S) durch das sich am Elektrodenrand ausbildende Streufeld SF dominiert wird. Da das Streufeld SF sich entlang des Um- fangs der Elektrode ausbildet, ist der dazugehörige Kapazi- tätsanteil nicht proportional zur Fläche, sondern zur Län- ge. Die Elektrode wirkt also gewissermaßen als Dehnungsmeß- streifen. Die Streifen dürfen dabei nicht zu nah beieinan- der angeordnet sein, weil sich ihre Felder sonst zu einem einzigen überlagern, wobei das Streufeld SF verschwindet.

Daher gibt es ein Optimum für den Streifenabstand, denn AC ist ebenfalls proportional zur Anzahl der Streifen.

Anhand eines konkreten Beispiels soll die Größe des Me- ßeffekts und die Realisierbarkeit der Drehmomentmessung im folgenden illustriert werden. Auf einer Welle von bei- spielsweise 15 mm Durchmesser soll eine Lange von 20 mm für den Sensor zur Verfügung stehen, die Differenzkapazität AC soll maximiert werden, wobei Folien-und Luftspaltdicke fest mit jeweils 100 um vorgegeben sind. Eine numerische Optimierungsrechnung ergibt mit Streifenbreiten von 5 um und einem Streifenabstand von 200 um eine maximale Diffe- renzkapazität von 27 fF bei einer maximalen Dehnung an der Wellenoberfläche von smax = 10-3. Dieser Wert ist mit an sich bekannten Kapazitätsmeßschaltungen gut zu handhaben und ermöglicht eine durch thermisches Rauschen begrenzte Auflösung in der Größenordnung von 8 bis 9 Bit ohne Vorzei- chen (vgl. z. B. J. T. Kung, H. S. Lee, An Integrated Air- Gap-Capacitor Pressure Sensor and Digital Readout with Sub- 100 Attofarad Resolution, Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 1, No. 3,121-129,1992. In dieser Veröf- fentlichung ist die Auflösung mit ca. 0,03 fF angegeben).

Die Figuren 6 bis 10 zeigen weitere Ausführungsbeispiele und Variationsmöglichkeiten von Komponenten des Sensors.

Fig. 5 stellt einen Schnitt analog zu Fig. 2 dar. Anstatt eine Folie zu verwenden, wird die Struktur der Rotorelek- trode R in Form von schmalen Stegen hergestellt, die sich aus der umgebenden Wellenoberfläche herausheben. Die in Fig. 5 dargestellten schwarzen Dreiecke sind die Schnitt- flächen dieser Stege. Hierdurch konzentriert sich das elek- trische Feld auf diese Erhebungen, obwohl die Welle W nicht von R isoliert ist. Der Meßeffekt ist der gleiche wie beim obenbeschriebenen Beispiel, das Feld muß aber neu berechnet werden, um einen Wert AC (Smax) als Maß für die Empfindlich- keit zu erhalten. Die Stege können z. B. durch spanende Ver- fahren wie Fräsen, durch Umformverfahren oder durch Ätzen hergestellt werden. Auch ein Aufbauen der Stege an Stelle von Materialabnahme ist möglich, z. B. durch einen Galvanik- prozeß, bei dem der größte Teil der Wellenoberfläche abge- deckt wird, wobei in diesem Fall die Stege eine andere Querschnittsform als in Fig. 5 aufweisen. Der Vorteil der Ausführung gemäß Fig. 5 ist die Vermeidung eines Klebepro- zesses, der den Temperaturbereich des Sensors einschränkt und die Gefahr der Alterung der Folie und der Klebeschicht mit sich bringt. Eine direkte Strukturierung der Wellen- oberfläche vermeidet sämtliche Probleme, die mit der Haf- tung der Folie unter rauhen Umgebungsbedingungen zusammen- hängen.

Fig. 6 zeigt schematisch zwei vereinfachte Ausführungsbei- spiele, die besonders platzsparend auf der Welle angeordnet werden können. Auf der linken Seite der Fig. 6 ist eine auf eine Sensorkapazität reduzierte Form, die etwa nur die hal- be Länge des oben in Verbindung mit Fig. 1 gezeigten Sen- sors aufweist, weil die Statorelektrode S2 ohne wesentliche Beeinträchtigung der Messung wesentlich schmaler ausgeführt werden kann als in den Prinzipskizzen gezeigt, solange C2R viel größer ist als C1R. Wenn die Welle aufgrund der Bau- weise leitend mit der Umgebung verbunden ist, kann auch auf die Elektrode S2 verzichtet werden. Die auf der rechten Seite dargestellte Elektrode R0, die Teil der Rotorelektro- de R ist, stellt dann direkt die Verbindung mit der Welle her. Am einfachsten läßt sich diese Form auf die in Verbin- dung mit Fig. 5 dargestellte Weise realisieren. Problema- tisch bei dieser Ausführungsform ist die fehlende Diffe- renzmessung.

Bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Koppelelektrode S2 je zur Hälfte auf die Ränder aufgeteilt worden. Von Vorteil ist hier eine bessere Abschirmung des Sensors, insbesondere wenn die Folienform gewählt wird. Bis auf den schmalen Luftspalt kann der Sensor dann geschlossen in einem abgeschirmten Gehäuse aufgebaut werden. Es liegt somit keine Kapazität frei.

Bei dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Sensoren auf der gleichen Fläche angeordnet, um diese besser auszunutzen. Wenn an der Statorelektrode S2 und den Statorelektroden S4a/S4b Meßschaltungen betrieben werden, die bei unterschiedlichen Frequenzen mit Rotorelektroden R1 bzw. R2a/R2b arbeiten, überlagern sich die entsprechenden elektrischen Felder, ohne dass sich die Messungen beein- flussen. Voraussetzung ist ein vollständig getrenntes Ar- beitsspektrum der Meßschaltungen. Die Dichte der Streifen kann dann insgesamt verdoppelt werden, bleibt aber für je- den Sensor einzeln gleich. Durch diese Anordnung kann eine höhere Genauigkeit erzielt werden, weil der Mittelwert aus zwei Einzelmessungen gebildet werden kann. Es versteht sich, dass auch mehr als zwei Sensoren ineinander ver- schachtelt werden können, ohne dass eine zusätzliche Ver- drahtungsebene auf der Welle benötigt wird, wenn die Mit- telstege der Rotorelektroden zur Durchführung unterbrochen werden. Sind die Unterbrechungen sehr schmal, d. h. nur we- nige um breit, wird die kapazitive Kopplung kaum beein- trächtigt.

In Fig. 9 ist schematisch das Ersatzschaltbild eines Sen- sors dargestellt, der aus zwei Anordnungen gemäß der Fig. 1 oder 7 gebildet wird. Die Bezeichnungen der einen Hälfte stimmen mit der in Fig. 1 überein, die andere Hälfte mit gestrichenen Bezugszeichen trägt ein identischer zweiter Sensor bei, der neben dem ersten auf derselben Welle ange- ordnet ist. Ub bezeichnet die Versorgungsspannung der Bruk- ke, Um stellt die Meßspannung dar. Es entsteht so eine Vollbrücke aus vier drehmomentabhängigen Kapazitäten, mit den bekannten Vorteilen der Messung einer Vollbrücke, d. h. geringste Querempfindlichkeit, hohe Störgrößeneliminierung, vierfaches Signal gegenüber einem Einzelelement, hohe Line- arität.

Um ein möglichst hohes Meßsignal zu erhalten, sollten die Statorelektroden S1 und S3 eine möglichst große Fläche auf- weisen. Ideal ist es, beide Elektroden zylindrisch auszu- führen, d. h. die Welle damit vollständig zu umschließen. In den Figuren 1,2 und 5-8 wurde eine kleinere-ebenfalls mögliche-Elektrodenform lediglich gewählt, um die Elek- troden besser darstellen zu können.

In Fig. 10 ist auf der linken Seite der Wellenschnitt mit der Projektion aller Statorelektroden S übereinander darge- stellt. Neben der Maximierung des Ausgangssignals ist der Hauptvorteil die Eliminierung weiterer Störgrößen. Werden die Elektroden nur auf einer Seite angeordnet, moduliert ein Wellenschlag das Meßsignal, auch wenn die Differenzmes- sung dem entgegenwirkt. Das Problem des Wellenschlages wird aber durch die ringförmige Statorelektrode weiter redu- ziert. Weiterhin ist der Einfluß einer Biegebeanspruchung der Welle eliminierbar, weil sich Biegeverformungen von ge- genüberliegenden Wellenseiten gerade aufheben.

Oft läßt der Montageplatz eine ringförmige Statorelektrode jedoch nicht zu oder der Einbau des Sensors wird dadurch stark erschwert. In diesem Falle kann der Stator S mehrtei- lig ausgeführt und um die Welle zusammengesetzt oder-ge- klappt werden. In vielen Anwendungen ist jedoch ein eintei- liger Sensor zu bevorzugen. In diesem Falle ist anzustre- ben, dem Vollkreis als Statorelektrode S möglichst nahezu- kommen. Die 180°-Form stellt in diesem Falle das Maximum dar, ist jedoch unter dem Gesichtspunkt der Eliminierung der Biegebeanspruchung nicht optimal. Wird der Stator gemäß dem in Fig. 10 rechts dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem hochelastischen Material ausgeführt, das beim Auf- schieben des Senosrs in Position S'noch keine relevante plastische Verformung erleidet, kann der Stator S einen Um- schließungswinkel von deutlich mehr als 180° umfassen. Wer- den die Statorelektroden nur an den beiden gegenüberliegen- den Enden des Stators angeordnet, ist trotz offenem, monta- gefreundlich einteiligem Stator eine vollständige Eliminie- rung der Wellenbiegung möglich.

Der oben beschriebene Sensor zur Drehmomentmessung erfor- dert die Strukturierung der Rotorelektrode R mit Verfahren, die eine hohe Genauigkeit und Auflösung haben. Dies ist in einer Serienfertigung, die sich für einen Foliensensor z. B. auf photolithographische Verfahren stützt, im Rahmen der notwendigen Strukturgrößen kein wesentliches Problem.

In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass es nicht notwendig ist, die Rotorelektrode streng als kammar- tiges Gebilde wie in Fig. 1 und in den Fig. 6-8 darge- stellt auszuführen. Eine mäanderförmige Struktur ist eben- falls möglich, sofern schmale, lange Streifen vorhanden sind und untereinander und mit einer größeren Fläche ver- bunden werden können. Die Mäanderform als Verbindung zwi- schen den Streifen und zur Koppelfläche, d. h. zum Mittel- steg der Rotorelektrode R hat keine wesentlichen Nachteile gegenüber der Kammform, wenn die Schicht der Rotorelektrode eine hohe Leitfähigkeit aufweist. Die Mäanderform hat aber den Vorteil, bereits fertig geätzt in Form einer Vielzahl von DMS-Formen (Folien-DMS) verfügbar zu sein. Man kann auf diese Weise auf die Strukturerzeugung verzichten und mit kommerziellen DMS zu einer wesentlich vereinfachten Sensor- herstellung gelangen.

Vorstehend wurde die Messung des Drehmoments an einer Welle beschrieben. Die Erfindung ist hierauf nicht beschränkt, sie kann auch zur berührungslosen Drehmomentmessung an ei- nem Flansch oder an einer Scheibe zum Einsatz kommen. Eine der interessantesten Anwendungen für eine Drehmomentmessung besteht im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen, zwischen Mo- tor und Getriebe. Dort ist der Bauraum insbesondere in axialer Richtung sehr begrenzt. Deshalb sind die drehmo- mentübertragenden Bauteile in diesem Bereich, in dem sich auch beispielsweise die Kupplung oder der Drehmomentwandler bei Automatikgetrieben befinden, überwiegend als Flansche ausgeführt. Insbesondere sind auf den Wellenstücken kaum freie Flächen vorhanden. In diesem Falle müssen die freien Flanschflächen für eine Drehmomentmessung genutzt werden.

Im folgenden wird die Drehmomentmessung an einer Scheibe oder an einem Flansch beschrieben. Der Vorteil hierbei ist die bessere Anpassung an den vorhandenen Bauraum.

In Fig. lla (der oberen Hälfte der Fig. 11) ist die Grund- form einer Fig. 1 entsprechenden Ausführungsform, übertra- gen auf eine Flansch-/Scheibenform dargestellt. Die Rotore- lektrode R ist auf dem Flansch angeordnet, an dessen Innen- seite FI das Drehmoment z. B. durch eine Welle eingeleitet wird und an dessen Außenseite FA das Drehmoment abgenommen wird oder umgekehrt. Die Rotorelektrode R weist einen zur Drehachse konzentrischen Ring auf, der auf die Koppelelek- trode S2 am Stator wirkt, sowie Streifen auf beiden Seiten des konzentrischen Rings, die wie bei der in Verbindung mit Fig. 1 dargestellten Wellenform des Drehmomentsensors um 90° gegeneinander gedreht sind, um Kapazitätsänderungen mit unterschiedlichem Vorzeichen zu bewirken. Die Messkapazitä- ten werden durch die Streifen und die Statorelektroden S1, S2 gebildet, so dass sich das Ersatzschaltbild nach Fig. 3 ergibt, wobei in diesem Falle W für den Flansch steht. In diesem Falle sind die Kapazitäten zum Flansch W C1W, CRW, C3W.

In Fig. llb (der unteren Hälfte der Fig. 11) ist eine Vari- ante dargestellt, die der in Fig. 6 auf der linken Seite und in Verbindung mit der Welle erläuterten entspricht. Es ergeben sich wie in Verbindung mit dem in Fig. 6 auf der linken Seite dargestellten Ausführungsbeispiel erläutert, als Vorteil eine kleinere Messfläche unter Verzicht auf ei- ne Differenzmessung.

In beiden in Verbindung mit Fig. 11 dargestellten Fällen ist es vorteilhaft, die Statorelektroden S1, S2 ringförmig auszuführen, um die Messkapazität zu maximieren. Kleinere Elektroden, wie sie in Fig. 11 beispielhaft dargestellt sind, bieten Montagevorteile, wobei allerdings auf einen Teil der Kapazitätsänderung verzichtet wird.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Messung des Drehmo- ments in Verbindung mit einem scheibenförmigen Flansch ist in Fig. 12 dargestellt. Das in Fig. 12 dargestellte Ausfüh- rungsbeispiel entspricht hinsichtlich der Elektrodenanord- nung dem in Fig. 7 in Verbindung mit der Welle dargestell- ten und oben erläuterten Ausführungsbeispiel. Die Statore- lektrode ist bei diesem Ausführungsbeispiel auf die beiden Hälften S2a und S2b aufgeteilt. Dies weist die folgenden Vorteile auf : -Die Elektroden S2a und S2b liegen auf gleichem Potential und können den Messraum als Abschirmung umschließen, wenn sie ringförmig ausgeführt werden (nicht darge- stellt). Nur der Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor kann dann als Öffnung wirken, durch die Störungen elektromagnetisch in den Messraum eingekoppelt werden können.

-Die Kapazitäten an den Statorelektroden S1 und S3 befin- den sich so näher beieinander, wodurch Querempfindlich- keiten auf Temperatureinflüsse, mangelnde Planität des Flansches und eine Unwucht reduziert werden können.

-Das Verhältnis von Innen-und Außenradius im Bereich der Streifen wird reduziert.

Die in Verbindung mit Fig. 11 dargestellten Ausführungsbei- spiele weisen den Vorteil auf, dass die Messfläche und die Koppelfläche plan sind, wodurch zum einen die Montage, bei- spielsweise die Klebung der Messfolie erleichert wird, die nicht mehr um die Welle geführt werden muss. Zum anderen wird auch die Herstellung des Stators, der ebenfalls eine plane Oberfläche aufweist, erleichtert.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die Abstände der einzelnen Streifen der Rotorelektrode untereinander nach innen abneh- men. Bei der Auswertung der Messergebnisse muss dabei be- rücksichtigt werden, dass die Grundkapazität pro Flache- einheit nach innen zunimmt, die Kapazitätsänderung durch Drehmoment hingegen abnimmt. Vorteilhafterweise werden die Messfläche daher als Streifen ausgeführt, bei denen sich der Außen-und Innenradius um mehr als 10-20% unterschei- den, wobei der Abstand der Streifen nach dem Innenradius zu bemessen ist. Eine Messfläche mit größerem Unterschied zwi- schen Außen-und Innenradius sollte in mehrere unabhängige Messflächen aufgeteilt werden, die parallel geschaltet wer- den können.

Generell ist es möglich, mehrere erfindungsgemäße Sensoren parallelzuschalten, um den Meßeffekt zu vergrößern.

Die Voraussetzung für eine Differenzmessung sind zwei gleich große Kapazitäten, die sich mit gleichem Betrag und unterschiedlichem Vorzeichen ändern. Dazu muss noch eine weitere Bedingung erfüllt sein, nämlich die Flächengleich- heit der Rotor-und Statorelektroden, die beide Kapazitäten bilden. Danach erhält die innere Kapazität eine größere ra- diale Ausdehnung.

Es ist darauf hinzuweisen, dass die Messung des Drehmoments nicht auf plane Scheiben oder Flansche beschränkt ist. Es können vielmehr auch gewölbte Scheiben oder Flansche ver- wendet werden, wobei in diesem Falle die Befestigung der Streifen auf der gewölbten Fläche beispielsweise durch Kle- ben einer sehr flexiblen Folie möglich ist.

Der Messraum der oben beschriebenen Sensoren, d. h. der Raum, in dem das veränderliche elektrische Feld, das sche- matisch in Fig. 4 beschrieben ist, angeordnet ist, ist der Luftspalt zwischen der Statorelektrode S und der Rotorelek- trode R. Die Kapazität ist dabei umgekehrt proportional zum Abstand, d. h. zur Luftspaltbreite.

Der Luftspalt L sollte so schmal wie möglich sein. Da Sta- tor und Rotor jedoch getrennte, durch Lager verbundene und gegeneinander bewegte Teile sind, die zudem Schwingungen ausführen können, ist ein Luftspalt in der Größenordnung von 100 um als untere Grenze anzusehen. Dabei muss nicht nur vermieden werden, dass sich die Statorelektrode S und die Rotorelektrode R zeitweilig berühren, sondern auch, dass sich der Abstand so stark ändert, dass auch eine Dif- ferenzmessung die Querempfindlichkeit nicht mehr beseitigen kann.

Der Messeffekt pro Flächeneinheit kann nur dadurch vergrö- ßert werden, dass der Abstand verringert oder der Messraum mit einem Dielektrikum gefüllt wird. Flüssige Dielektrika, insbesondere Wasser, vergrößern den Messeffekt erheblich, kommen aber nur bei wenigen Anwendungen in Frage. Eine Er- höhung des Messeffekts kann aber auch vorteilhafterweise durch Messung mit Hilfe einer mehrschichtigen Folie oder allgemein einer mehrschichtigen Elektrodenanordnung auf dem Rotor geschehen, wie sie beispielhaft in Fig. 14 und 15 dargestellt ist. Die Kopplung zwischen dem Rotor und dem Stator geschieht in diesem Falle mit Hilfe mehrerer flächi- ger Elektroden auf der Rotor-und Statorseite. Die Sensoren mit mehrschichtigen Elektrodenanordnungen zeichnen sich durch mindestens zwei Paare Statorelektrode/Rotorelektrode aus. Bei einer mehrschichtigen Elektrodenanordnung liegt der Messraum fest auf dem Rotor, z. B. zwischen Schichten einer Folie. Hierdurch lässt sich der Raum, anders als der Luftspalt L sehr schmal ausführen, bei laminierten Folien bis zu einer Größenordnung von 10 um, bei Auftragen einer Isolierschicht durch CVD-Prozesse, Druckverfahren, Aufdamp- fen, Sputtern oder anderen Beschichtungsverfahren bis zu einer Größenordnung von 1 um. Dabei sind Abstände in der Größenordnung von 6 um besonders von Interesse, weil die Breite und der Abstand der Meßstreifen untereinander mit der Isolierschichtdicke skaliert werden muss und die Anforderungen an die Struktu- rierungstechnik für die Streifen bis 1 um Schichtdicke sehr hoch sind.

In Fig. 13 ist das Ersatzschaltbild eines Sensors mit mehr- schichtiger Elektrodenanordnung schematisch dargestellt.

Die Rotorelektrode umfasst nun die Elektroden R und Rl', R2', R3'. Die Elektrode R weist die Streifenstruktur wie bei den obenbeschriebenen Ausführungsbeispielen auf, die Elektroden R1', R2', R3'übernehmen bei dieser Anordnung die Funktion der obenbeschriebenen Statorelektroden S1, S2, S3, d. h. Rl'und R3'decken die Fläche der Meßstreifen vollständig ab. Das in Fig. 4 schematisch dargestellte Messfeld bildet sich damit innerhalb des Rotors aus. Zwi- schen den Elektroden Rl und Sl sowie zwischen R3 und S3 liegt nunmehr der Luftspalt L (in Fig. 14 und Fig. 15 nicht dargestellt). Hierdurch lassen sich bei gleicher Messfläche im wesentlichen die folgenden beiden Vorteile erzielen : -Der Messeffekt bzw. die Empfindlichkeit werden um den Faktor vergrößert, der sich aus dem Quotienten aus Luftspaltbreite und Isolierschichtdicke multipliziert mit der Dielektrizitätszahl des Isolators ergibt, -die Koppelkapazität zwischen den Elektroden R1'und S1 sowie zwischen R3'und S3 wurde ebenfalls erhöht, weil sich flächige Elektroden gegenüberstehen und nicht nur die streifigen Elektroden auf einer Seite.

Die Einfügung der zusätzlichen Kapazität zwischen den Elek- troden R2 und S2 ist ohne Bedeutung für die Funktion des Sensors ; die parasitären Kapazitäten C1W, CRW und C3W zur Welle W oder zum Flansch F sind gegenüber dem in Fig. 3 dargestellten Ersatzschaltbild unverändert.

In Fig. 14 ist ein Ausführungsbeispiel einer Elektrodenan- ordnung im Schnitt dargestellt.

In Fig. 15 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, wobei hier eine Verbindung am Rand der Folie oder durch Durchkontaktierung genutzt wird, um den Sensor weiter zu verbessern. Die Elektroden Rl'und R3'haben zusätzliche Flächen unter der Elektrode R, so dass sich die Empfind- lichkeit verdoppelt. Zusätzlich erfüllt dieser Sensor höch- ste Ansprüche an die Störfestigkeit, weil das elektrische Messfeld rundum abgeschirmt ist. Dieses Ausführungsbeispiel kann realisiert werden durch die Verwendung von drei Isola- torschichten in der Folie oder durch Verwendung eines Kle- bers, der eine sichere Isolierung gegen die zumeist metal- lische Welle gewährleistet.

Vorstehend wurde die Messung eines Drehmoments an einem ro- tierenden Element wie einer Welle oder einem Flansch/einer Scheibe beschrieben. Es versteht sich, dass durch einfache Schaltungsänderungen der externen Vorrichtung sowie durch zusätzliche Statorelektroden zusammen mit dem Drehmoment auch die Biegebelastung des rotierenden Elements messbar ist. Auch zur Messung der Biegebelastung können die oben beschriebenen vorteilhaften Ausführungsformen verwendet werden.

Ferner können zusätzliche Statorelektroden S im Bereich der Streifen der Rotorelektroden R zur zusätzlichen Messung der Drehzahl und/oder Drehrichtung vorgesehen sein.