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Dokumentenidentifikation DE69507913T2 23.09.1999
EP-Veröffentlichungsnummer 0688424
Titel OPTISCHER DREHMOMENTSENSOR
Anmelder Lucas Industries p.l.c., Solihull, West Midlands, GB
Erfinder PENKETH, David, Michael, Tamworth Staffordshire B77 1NR, GB
Vertreter WUESTHOFF & WUESTHOFF Patent- und Rechtsanwälte, 81541 München
DE-Aktenzeichen 69507913
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 11.01.1995
EP-Aktenzeichen 959051970
WO-Anmeldetag 11.01.1995
PCT-Aktenzeichen GB9500050
WO-Veröffentlichungsnummer 9519557
WO-Veröffentlichungsdatum 20.07.1995
EP-Offenlegungsdatum 27.12.1995
EP date of grant 24.02.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.09.1999
IPC-Hauptklasse G01L 3/12

Beschreibung[de]

Diese Erfindung bezieht sich auf optische Drehmomentsensoren hauptsächlich, nicht aber ausschließlich, für einen Einbau in Fahrzeuge.

Unsere europäische Anmeldung Nr. 93 300 792.4 beschreibt einen optischen Drehmomentsensor, der ein Eingangs- und ein Ausgangsglied enthält, wobei jedes Glied mit einer scheibenförmigen Maske mit unter gleichen Winkeln beabstandeten Aperturen verbunden ist, die sich mit dem jeweiligen Glied in Winkelrichtung bewegt. Diese Bauart eines Drehmomentsensors erfordert jedoch ein hohes Maß an optischer Ausrichtung. Wenn ein solcher optischer Drehmomentsensor dafür ausgelegt ist, eine Fehlausrichtung der beiden Masken zu kompensieren, müssen zwei Sätze Signaldetektoren unter exakt 180º einander gegenüberliegend positioniert sein. Eine solche Genauigkeit der optischen Ausrichtung stellt die Hersteller der Sensoren vor viele Schwierigkeiten.

Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ein Drehmomentsensor mit einem Sender (1), einem Empfänger, der dafür ausgelegt ist, ein Signal zu empfangen, und einer Signalverarbeitungseinrichtung, die dazu bestimmt ist, ein Ausgangssignal vom Empfänger zu empfangen, wobei das Ausgangssignal vom Empfänger von dem Signal abhängig ist, das der Empfänger empfängt, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ferner ein elektromagnetische Strahlung übertragendes Medium aufweist, das die Ausbreitungsrichtung von durch den Sender ausgesandter elektromagnetischer Strahlung, die sich durch das Medium ausbreitet, in bezug auf den Empfänger in einem Maß ändert, das von dem auf das Medium angewandten Drehmoment abhängig ist, wobei das Medium durch einen im wesentlichen zylindrischen Körper definiert ist, der dazu bestimmt ist, an sowohl einem Eingangsglied als auch einem Ausgangsglied eines Torsionsstabes angebracht zu werden, der sich auf einer Mittelachse des Körpers befindet, und die Signalverarbeitungseinrichtung dafür ausgelegt ist, das Ausgangssignal vom Empfänger zu verarbeiten, um ein modifiziertes Ausgangssignal zu erzeugen, das das zwischen dem Eingangs- und Ausgangsglied des Torsionsstabes angewandte Drehmoment angibt.

Daher sehen wir einen elektromagnetische Strahlungseffekte ausnutzenden Drehmomentsensor vor, der einfach herzu stellen ist und in dem Ausrichtungsschwierigkeiten verringert oder im wesentlichen eliminiert sind.

Der Körper weist vorzugsweise einen Zylinder auf, und der Sender und der Empfänger sind auf einer zur Mittelachse des Zylinders parallelen Linie einander gegenüberliegend ausgerichtet, so daß ein Teil der Zylinderwand zwischen dem Sender und dem Empfänger angeordnet ist. Der Sender ist vorzugsweise dafür ausgelegt, einen Signalstrahl elektromagnetischer Strahlung auszusenden, und der Empfänger ist vorzugsweise dazu bestimmt, diese Strahlung des Signalstrahls zu empfangen.

Der Sender und der Empfänger können in einem Gehäuse angebracht sein. Das Gehäuse verhindert vorzugsweise, daß etwaige von der Strahlung des Signalstrahls verschiedene elektromagnetische Strahlung den Empfänger erreicht.

Der Zylinder ist vorzugsweise an sowohl dem Eingangs- als auch dem Ausgangsglied fest angebracht, wobei die beiden Glieder auf der Mittelachse des Zylinders so ausgerichtet sind, daß das Eingangsglied senkrecht zu einer Endfläche des Zylinders und das Ausgangsglied senkrecht zur anderen Endfläche liegt.

Das Zylindermedium dient vorzugsweise als elektromagnetischer Wellenleiter, der den ausgesandten Signalstrahl einer Strahlung entlang einem Weg zwischen dem Sender und dem Empfänger leitet. Wenn zwischen dem Eingangs- und Ausgangsglied kein Drehmoment angewandt wird, leitet das Zylindermedium den ausgesandten Signalstrahl vorzugsweise entlang einem in Längsrichtung geraden, zur Mittelachse des Zylinders parallelen Weg zwischen dem Sender und dem Empfänger. Wenn zwischen dem Eingangs- und Ausgangsglied ein Drehmoment angewandt wird, wird das Zylindermedium vorzugsweise dem gleichen Drehmoment ausgesetzt, das wiederum das Medium des Zylinders verdreht, um den Weg zu ändern, entlang dem die Strahlung des Signalstrahls geleitet wird, so daß die Ausbreitungsrichtung der Strahlung des Signalstrahls, die das Zylindermedium über die Endfläche des Zylinders verläßt, die dem Empfänger am nächsten liegt, nicht die gleiche wie die Ausbreitungsrichtung der Strahlung des Signalstrahls ist, die über die dem Sender nächstgelegene Endfläche des Zylinders eintrat. Das angewandte Drehmoment bewirkt effektiv, daß der Zylinder den Signalstrahl aus seinem in Längsrichtung geraden "drehmomentfreien" Weg ablenkt.

Ohne ein auf den Zylinder angewandtes Drehmoment fällt die Strahlung des nicht abgelenkten Signalstrahls, die durch den Zylinder übertragen wird, vorzugsweise auf eine Abfühlfläche des Empfängers, und die Querschnittsfläche des Strahls in der Ebene der Abfühlfläche des Empfängers ist vorzugsweise größer als die oder gleich der Abfühlfläche des Empfängers und überdeckt vorzugsweise ganz die Abfühlfläche des Empfängers. Wenn zwischen dem Eingangs- und Ausgangsglied entweder im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn ein maximales Drehmoment angewandt wird, wird die Strahlung des Signalstrahls im Innern des Zylindermediums vorzugsweise in einem Maß abgelenkt, so daß der übertragene Signalstrahl, der in der Ebene der Abfühlfläche des Empfängers ankommt, praktisch, nicht aber vollkommen, keine Überdeckung mit der Abfühlfläche aufweist.

Das Zylindermedium kann mehrere optische Fasern aufweisen, die miteinander so befestigt sind, daß sie einen Zylinder bilden. Normalerweise bilden viele tausend Fasern das Medium. Das Medium weist vorzugsweise ein massives Stück aus einem zylindrischen Kunststoffmaterial mit polarisierten eingelagerten Schichten auf, die in Längsrichtung über dessen Länge verlaufen, oder alternativ dazu irgendeinem Kunststoffmaterial mit einer molekularen Struktur, die die gewünschten elektromagnetischen Wellenleitereigenschaften zeigt.

Alternativ dazu dient das Zylindermedium, statt als elektromagnetischer Wellenleiter zu dienen, als Hindernis im Weg des ausgesandten Signalstrahls der Strahlung, das die Ausbreitungsrichtung der Strahlung des Signalstrahls zwischen dem Sender und dem Empfänger als Antwort auf ein auf den Zylinder angewandtes Drehmoment durch Brechung der Strahlung des Signalstrahls ändert. Dies kann erreicht werden, falls der Zylinder ein Medium mit einem Brechungsindex aufweist, der vom auf das Medium angewandten Drehmoment abhängig ist. Ohne ein zwischen dem Eingangs- und Ausgangsglied angewandtes Drehmoment und daher ohne ein auf das Zylindermedium angewandtes Drehmoment breitet sich die Strahlung des Signalstrahls vorzugsweise entlang einem in Längsrichtung geraden Weg vom Sender durch das Zylindermedium zum Empfänger aus.

Die Querschnittsfläche des Signalstrahls in der Ebene der Abfühlfläche des Empfängers ist wieder vorzugsweise größer als die oder gleich der Abfühlfläche des Empfängers und überdeckt die Abfühlfläche des Empfängers vorzugsweise ganz, wenn kein Drehmoment angewandt wird. Wenn zwischen dem Eingangs- und Ausgangsglied und daher auf den Zylinder ein Drehmoment angewandt wird, kann der Brechungsindex des Zylindermediums durch diese Drehmomentanwendung entweder erhöht oder verringert werden. Diese Erhöhung oder Verringerung im Brechungsindex bewirkt, daß die sich durch den Zylinder ausbreitende Strahlung des Signalstrahls aus ihrem in Längsrichtung geraden Weg durch das Zylindermedium gebrochen wird. Wird zwischen dem Eingangs- und Ausgangsglied ein maximales Drehmoment angewandt, reicht die Änderung im Brechungsindex des Zylindermediums vorzugsweise aus, um die durch den Zylinder übertragene Strahlung des Signalstrahls in einem Maß zu brechen, so daß die Querschnittsfläche des übertragenen Strahls, der in der Ebene der Abfühlfläche des Empfängers ankommt, praktisch, nicht aber vollkommen, keine Überdeckung mit der Abfühlfläche aufweist.

Der Empfänger kann einen Sensor mit geteilten Flächen aufweisen, der zwei Abfühlflächen gleichen Flächeninhalts hat. Jede Abfühlfläche ist vorzugsweise dazu bestimmt, ein Ausgangssignal zu erzeugen, das von der Intensität auf diese Abfühlfläche einfallender elektromagnetischer Strahlung abhängig ist. Der Sensor kann dafür ausgelegt sein, viele Frequenzen elektromagnetischer Strahlung nachzuweisen, ist aber vorzugsweise optimiert, um die elektromagnetische Strahlung des Signalstrahls nachzuweisen.

Die Signalverarbeitungseinrichtung ist vorzugsweise dazu bestimmt, die Ausgangssignale von den beiden Abfühlflächen des Empfängers zu verarbeiten, um ein modifiziertes Ausgangssignal zu erzeugen, das zum auf das Zylindermedium angewandten Drehmoment und daher zwischen dem Eingangs- und Ausgangsglied angewandten Drehmoment umgekehrt proportional ist.

Der Empfänger kann alternativ dazu einen Sensor für elektromagnetische Strahlung mit Hunderten von elektromagnetische Strahlung nachweisenden Elementen aufweisen, die in einer Gittermatrix angeordnet sind. Jedes dieser Nachweiselemente ist vorzugsweise dafür ausgelegt, nicht nur das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein elektromagnetischer Strahlung, sondern auch die Intensität der auf dieses Nachweiselement einfallenden elektromagnetischen Strahlung zu erfassen. Jedes Nachweiselement ist vorzugsweise optimiert, um die Strahlung des Signalstrahls nachzuweisen. Die Oberfläche der Gittermatrix ist vorzugsweise groß genug, um den gesamten Querschnitt des Signalstrahls zu fassen, der in die Ebene der Oberfläche der Gittermatrix fällt, nicht nur wenn zwischen dem Eingangs- und Ausgangsglied kein Drehmoment angewandt wird, sondern auch wenn ein maximales Drehmoment in irgendeiner Richtung angewandt wird.

Die Signalverarbeitungseinrichtung weist ferner vorzugsweise eine Elektronik auf, die dafür ausgelegt ist, sogar unter "abgeschalteten" Bedingungen Daten zu speichern und zu halten. Die Elektronik kann programmiert sein, um "sich zu erinnern", welche der Nachweiselemente der Gittermatrix eine Strahlung eines Signalstrahls nachweisen, wenn zwischen dem Eingangs- und Ausgangsglied kein Drehmoment angewandt wird und wenn in irgendeiner Richtung ein maximales Drehmoment angewandt wird, und auch der durch jedes Nachweiselement unter der "drehmomentfreien" Bedingung und den beiden Extremen mit "maximalem Drehmoment" nachgewiesenen Intensität der Strahlung des Signalstrahls. Die Signalverarbeitungseinrichtung ist vorzugsweise dazu bestimmt, diese gespeicherten Daten zu verarbeiten, um Verhältnisse eines angewandten Drehmoments zwischen den beiden Drehmomentextrema zu bestimmen.

Vorteile der zuletzt beschriebenen Gittermatrixbauart eines Empfängers schließen die Fähigkeit eines solchen Empfängers ein, Fehler selbst zu kompensieren, die in die Signalstrahlintensität, die auf die Abfühlfläche des Empfängers fällt, die Stelle, an der Licht auf die Abfühlfläche fällt, und die Größe der Änderung der Ausbreitungsrichtung eingeführt werden, auf die man mit angewandtem Drehmoment trifft, die alle infolge von Abmessungsabweichungen in der (den) Lage(n) des Senders und/oder Empfängers in bezug auf den Zylinder auftreten können. Diese Empfängerbauart ist zur Selbstkompensation von Verstärkungseffekten fähig, die als Folge solcher Fehler im erzeugten Drehmomentsignal erscheinen können.

Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt weist die Erfindung ein Lenksystem für ein Fahrzeug auf, in dem das System eine einen Drehmomentsensor gemäß dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung enthaltende Lenksäule enthält. Die Lenksäule des Fahrzeugs weist vorzugsweise den Torsionsstab auf.

Ausführungsformen der Erfindung werden nun nur beispielhaft mit Verweis auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, von denen:

Fig. 1 eine Draufsicht ist, die das Prinzip hinter einem Drehmomentsensor für einen Einbau in ein Fahrzeug in einem Zustand schematisch zeigt, in dem sich ausgesandte Lichtstrahlen entlang einem geradlinigen Weg zwischen einer lichtemittierenden Diode (LED) und einem Lichtsensor mit geteilten Flächen ausbreiten;

Fig. 2. 3 und 4 schematische Darstellungen der LED- Fläche, eines auf die Fläche eines Sensors mit geteilten Flächen fallenden Lichtsignals bzw. der Fläche eines Sensors mit geteilten Flächen selbst sind, wobei sich die ausgesandten Lichtstrahlen entlang dem geradlinigen Weg zwischen der LED und dem Lichtsensor mit geteilten Flächen ausbreiten;

Fig. 5 eine Draufsicht ist, die den Zustand schematisch zeigt, in dem sich zwischen der LED und dem Lichtsensor mit geteilten Flächen ausbreitende ausgesandte Lichtstrahlen in einer Richtung abgelenkt werden;

Fig. 6. 7 und 8 schematische Darstellungen der LED- Fläche, eines auf die Fläche eines Sensors mit geteilten Flächen fallenden Lichtsignals bzw. der Fläche eines Sensors mit geteilten Flächen selbst sind, wobei die ausgesandten Lichtstrahlen in eine Richtung abgelenkt werden;

Fig eine Draufsicht ist, die das Prinzip hinter dem Drehmomentsensor schematisch zeigt, wobei die ausgesandten Lichtstrahlen in der anderen Richtung abgelenkt werden;

Fig. 10, 11 und 12 schematische Darstellungen der LED- Fläche, eines auf die Fläche eines Sensors mit geteilten Flächen bzw. der Fläche eines Sensors mit geteilten Flächen selbst sind, wobei die ausgesandten Lichtstrahlen in der anderen Richtung abgelenkt werden;

Fig. 13 eine perspektivische schematische Darstellung eines zylindrischen Wellenleiters mit tausenden optischer Fasern ist, die miteinander befestigt sind;

Fig. 14 eine perspektivische schematische Ansicht des unter einem angewandten Drehmoment verdrehten zylindrischen Wellenleiters ist;

Fig. 15 eine Draufsicht ist, die den durch die ausgesandten Lichtstrahlen genommenen optischen Weg durch den im Drehmomentsensor eingebauten zylindrischen Wellenleiter in dem Zustand schematisch zeigt, in dem kein Drehmoment auf den zylindrischen Wellenleiter angewandt ist;

Fig. 16 eine Draufsicht ist, die den durch die ausgesandten Lichtstrahlen genommenen optischen Weg durch den im Drehmomentsensor eingebauten zylindrischen Wellenleiter in dem Zustand schematisch zeigt, in dem auf den zylindrischen Wellenleiter in einer Richtung ein Drehmoment angewandt ist;

Fig. 17 eine Seitenansicht im Schnitt des Drehmomentsensors ist, der den zylindrischen Wellenleiter enthält, der an jedem Ende eines Torsionsstabes angebracht ist;

Fig. 18 eine Querschnittsansicht des an einem Torsionsstab befestigten zylindrischen Wellenleiters ist;

Fig. 19 eine perspektivische Ansicht eines einteiligen Gehäuses ist, in dem die LED und der Lichtsensor untergebracht sind und das sich zwischen beiden Enden des zylindrischen Wellenleiters erstreckt und den zylindrischen Wellenleiter wie dargestellt zum Teil umgibt;

Fig. 20 eine Seitenansicht im Schnitt des Drehmomentsensors ist, der den zylindrischen Wellenleiter enthält, in dem die LED und der Sensor in einem einteiligen Gehäuse befestigt sind;

Fig. 21 eine Draufsicht des einen Lichtsensor mit einer Gittermatrix enthaltenden Drehmomentsensors ist; und

Fig. 22 schematisch die Oberfläche des Gittermatrixsensors und die Stellen der Querschnitte des durch den zylindrischen Wellenleiter übertragenen Lichtstrahls unter Bedingungen schematisch zeigt, in denen auf den zylindrischen Wellenleiter kein Drehmoment angewandt wird oder ein maximales Drehmoment in irgendeiner Richtung angewandt wird.

Das Arbeitsprinzip eines optischen Drehmomentsensors für einen Einbau in ein Fahrzeug ist in Fig. 1 bis 12 schematisch dargestellt. Der Sensor nutzt eine Lichtablenkung als Antwort auf ein aufgebrachtes Drehmoment, um die Messung eines auf den Torsionsstab einer Lenksäule aufgebrachten Dreh moments, d. h. des Betrages einer Winkelverschiebung zwischen einem Eingangs- und einem Ausgangsende des Torsionsstabes zu ermöglichen. Fig. 1 zeigt eine lichtemittierende Diode (LED) 1, die von einer in Fig. 2 schematisch dargestellten LED- Fläche einen Signalstrahl aus Lichtstrahlen 4 aussendet, die durch einen Lichtsensor 2 mit geteilten Flächen auf den Flächen 3, 3' des in Fig. 4 schematisch gezeigten Sensors empfangen werden, der mit der LED optisch ausgerichtet ist. Der Lichtsensor ist für alle Lichtfrequenzen empfindlich, ist aber optimiert, um das Licht des Signalstrahls nachzuweisen.

Beide Hälften 3, 3' des Lichtsensors mit geteilten Flächen empfangen eine gleiche maximale Lichtintensität von der LED, wie in Fig. 3 schematisch gezeigt ist. Die analogen Ausgaben von jeder halben Fläche 3, 3' des Lichtsensors 2 werden in einen (nicht dargestellten) Mikroprozessor eingegeben, der diese Ausgaben addiert und die Summe durch Zwei teilt, um eine durchschnittliche Gesamtintensität zu liefern. In der in Fig. 1 gezeigten Anordnung wäre diese Berechnung von der Form:

Ausgabe von Sensorfläche 3 = 100%

Ausgabe von Sensorfläche 3' = 100%

Durchschnittliche Gesamtausgabe =

Falls das Signal der durchschnittlichen Gesamtausgabe mit dem zwischen dem Eingangs- und Ausgangsende des Torsionsstabes angewandten Drehmoment umgekehrt zusammenhängt, gibt dann diese 100%-Ausgabe ein angewandtes Drehmoment Null an.

Fig. 5 zeigt schematisch den Zustand, in dem die ausgesandten Lichtstrahlen 4 aus ihrem in Fig. 1 gezeigten geradlinigen optischen Weg um einen Winkel abgelenkt werden. Das in diesem Zustand auf die Flächen 3, 3' des Lichtsensors 2 mit geteilten Flächen fallende Lichtsignal ist in Fig. 7 schematisch dargestellt. Die auf jede Fläche 3, 3' fallende Lichtmenge ist nicht mehr gleich. In dieser Anordnung ist die Berechnung der durchschnittlichen Gesamtintensität z. B. von der folgenden Form:

Ausgabe von Sensorfläche 3 = 20 9'

Ausgabe von Sensorfläche 3' = 80 9'

durchschnittliche Gesamtausgabe =

Drehmoment α 1/durchschnittliche Gesamtausgabe

Daher ist das Drehmoment = 50ºs des maximal zulässigen Drehmoments.

Da die Sensorfläche 3' entsprechend einer größeren Lichtintensität des einfallenden Signalstrahls auf der Fläche 3' als auf der Fläche 3 eine größere Ausgabe als die Sensorfläche 3 aufweist, ist es möglich zu bestimmen, daß die Lichtstrahlen in Richtung der Sensorfläche 3' abgelenkt wurden.

Fig. 9 veranschaulicht ähnlich die Situation, in der die Lichtstrahlen aus dem in Fig. 1 gezeigten geradlinigen Weg um einen Winkel und in Richtung der Sensorfläche 3 abgelenkt werden. Die Berechnung der durchschnittlichen Gesamtintensität ist von der Form:

Ausgabe von Sensorfläche 3 = 80%

Ausgabe von Sensorfläche 3' = 20%

durchschnittliche Gesamtausgabe =

Daher ist das Drehmoment = 50% des maximal zulässigen Drehmoments.

Da die Sensorfläche 3 eine größere Ausgabe als die Sensorfläche 3' aufweist, ist es jedoch möglich zu bestimmen, daß die Lichtstrahlen in dieser Situation in Richtung der Sensorfläche 3 abgelenkt wurden.

Dies ist das grundlegende Arbeitsprinzip eines Drehmomentsensors gemäß der Erfindung. Die Ablenkung von Lichtstrahlen zwischen der LED und dem Lichtsensor 2 des Drehmomentsensors als Antwort auf ein zwischen dem Eingangs- und Ausgangsende des Torsionsstabes angewandtes Drehmonent wird durch den Einbau eines optisch aktiven Mediums im Drehmomentsensor erreicht. Das Medium ist von zylindrischer Form und in Fig. 13 schematisch veranschaulicht. In dieser Ausführungsform weist der das Medium definierende Zylinder 5 tausende optische Fasern 6 auf, die aneinander so befestigt sind, daß sie den Zylinder bilden. Die Fasern 6 sind so angeordnet, daß ohne ein auf den Zylinder aufgebrachtes Drehmoment die Fasern alle im wesentlichen parallel zueinander und zu einer zentralen Drehachse 11 des Zylinders ausgerichtet sind. Der Zylinder ist an einer Lenksäule 9 an sowohl einem Eingangsende 7 als auch einem Ausgangsende 8 eines Torsionsstabes 10 der Lenksäule wie in Fig. 17 gezeigt befestigt, so daß die Lenksäule 9 und der Torsionsstab 10 die gleiche Längsachse wie die zentrale Drehachse 11 des Zylinders haben. Der Zylinder 5 hat eine zentrale Bohrung 12, deren Durchmesser nur so groß ist, daß die Lenksäule 9 in die Bohrung 12, wie in Fig. 17 gezeigt, fest eingepaßt werden kann.

Der Zylinder 5 wird an der Lenksäule 9 befestigt, während der Torsionsstab in einem entspannten ("nicht verdrehten") Zustand ist, wobei das Zylindermedium ebenfalls in einem entspannten ("nicht verdrehten") Zustand ist. Wie in Fig. 18 gezeigt ist, weisen das Eingangs- und Ausgangsende 7, 8 des Torsionsstabes jeweils ein Vielnutprofil 15 auf, dessen Nuten zur Achse des Torsionsstabes 10 parallel sind und um den ganzen Umfang des Eingangs- bzw. Ausgangsendes des Stabes 10 verlaufen. Die Nuten ermöglichen, daß der Zylinder 5 durch Einschneiden in das Material des Zylinders mit Preßsitz am Torsionsstab 10 befestigt wird, indem der Zylinder über die Nuten geschoben wird, bis der Torsionsstab ganz in die Bohrung des Zylinders eingesetzt ist. Dieser feste Sitz des Zylinders am Eingangs- und Ausgangsende des Torsionsstabes stellt sicher, daß jedes zwischen dem Eingangsende 7 und dem Ausgangsende 8 angewandte Drehmoment folglich auch auf das Zylindermedium angewandt wird.

Die LED 1 ist so angeordnet, daß sie mit dem Lichtsensor 2 optisch ausgerichtet ist und der durch die LED ausgesandte Lichtstrahl in das Zylindermedium durch die Endfläche 13 des Zylinders 5 eintritt, die senkrecht zur Mittelachse 11 des Zylinders liegt. Der Signallichtstrahl breitet sich durch den Zylinder 5 aus und verläßt das Zylindermedium durch eine Endfläche 14 des Zylinders, die parallel zur Endfläche 13 und nahe zum Lichtsensor 2 liegt. Die radiale Dicke der Zylinder wand ist ausreichend, um zu gestatten, daß zumindest der ganze Querschnitt des Signallichtstrahls innerhalb des Zylinders untergebracht wird, während sich der Strahl durch den Zylinder ausbreitet.

Wie in Fig. 15 schematisch gezeigt ist, wird ohne ein zwischen dem Eingangsende 7 und dem Ausgangsende 8 des Torsionsstabes 10 aufgebrachtes Drehmoment der durch die LED ausgesandte Signallichtstrahl durch die optischen Fasern 6 von der Endfläche 13 ohne Änderung in der Ausbreitungsrichtung der Lichtstrahlen zur Endfläche 14 des Zylinders 5 geleitet. Das optische Fasern enthaltende Zylindermedium dient folglich effektiv als Lichtwellenleiter. Der durch den Zylinder übertragene Signalstrahl fällt mit gleicher Intensität auf jeder halben Sensorfläche 3, 3' auf den Lichtsensor 2 mit geteilten Flächen, wie in Fig. 3 veranschaulicht ist. Fig. 14 zeigt schematisch die Wirkung auf das Zylindermedium, wenn infolge eines auf den Torsionsstab aufgebrachten Drehmoments auf den Zylinder ein Drehmoment T aufgebracht wird. Jede der optischen Fasern 6 wird durch das auf den Zylinder aufgebrachte Drehmoment T in dem Maß verdreht, daß die Endflächen 16, 17 der Faser, die in den jeweiligen Endflächen 13, 14 der Zylinderwand enthalten ist, nicht mehr auf einer zur Achse 11 des Zylinders parallelen geraden Linie ausgerichtet, sondern in Abhängigkeit vom angewandten Drehmoment T in Winkelrichtung um einen Winkel P versetzt sind. Diese Situation ist in Fig. 14 für eine der im Zylindermedium enthaltenen optischen Fasern veranschaulicht. Der von der LED 1 ausgesandte und durch die Endfläche 13 in den Zylinder 5 eintretende Lichtsignalstrahl tritt in die Endfläche 16 der Faser ein und wird durch Reflexion der Lichtstrahlen des Signalstrahls im Innern der Faser zu der um einen Winkel versetzten entfernten Endfläche 17 der Faser geleitet. Das um einen Winkel versetzte entfernte Ende jeder Faser erreichende Lichtstrahlen, die das Zylindermedium durch die Endfläche 14 des Zylinders verlassen, breiten sich in einer von den Lichtstrahlen verschiedenen Richtung aus, die über die Endfläche 13 des Zylinders 5 in diese Faser eintraten. Der Gesamteffekt besteht darin, daß die Ausbreitungsrichtung des durch den Zylinder übertragenen Signallichtstrahls aus der geradlinigen Ausbreitungsrichtung des Strahls um einen Winkel verschoben ist, wenn auf den Zylinder ein Drehmoment angewandt wird, wie in Fig. 16 schematisch veranschaulicht ist. Das in dieser Situation auf den Sensor 2 mit geteilten Flächen fallende Lichtsignal ist von der in Fig. 11 gezeigten Form. Falls das Drehmoment T in der entgegengesetzten Richtung (um die Achse 11) angewandt wird, ist die Winkelablenkung des Signallichtstrahls aus der Richtung mit nicht abgelenkter Ausbreitung des Strahls der gleiche Winkel , wird aber in der entgegengesetzten Richtung liegen, wie in Fig. 5 im Prinzip veranschaulicht ist.

Diese Anordnung mit dem optische Fasern enthaltenden Zylindermedium erreicht somit die gewünschte Ablenkung des durch die LED ausgesandten Lichtstrahls als Antwort auf ein auf den Torsionsstab 10 angewandten Drehmoments.

Die Abfühlfläche des Lichtsensors 2 mit geteilten Flächen ist im wesentlichen gleich der gesamten Querschnittsfläche des Signallichtstrahls, der in der die Abfühlfläche des Lichtsensors 2 enthaltenden Ebene ankommt, und diese Querschnittsfläche des Strahls in der Ebene der Abfühlfläche ist so eingerichtet, daß, wenn in irgendeiner Richtung ein maximales Drehmoment auf den Torsionsstab 10 (und daher auf den Zylinder) angewandt wird, der Signalstrahl in dem Maß abgelenkt wird, daß praktisch, nicht aber vollkommen, keine Überdeckung zwischen der Abfühlfläche und der Querschnittsfläche des in der Ebene der Abfühlfläche ankommenden Signalstrahls besteht. Ohne angewandtes Drehmoment überdeckt die Querschnittsfläche des Strahls in der Ebene der Abfühlfläche des Lichtsensors 2 die Abfühlfläche des Lichtsensors 2 vorzugsweise ganz.

In dieser Ausführungsform der Erfindung sind die LED 1 und der Lichtsensor 2 in einem einteiligen Gehäuse 18 befestigt, wie in Fig. 19 gezeigt ist. Das Gehäuse 18 hat im wesentlichen eine U-Form, und die LED ist in einem Armteil 19 des U-förmigen Gehäuses befestigt, und der Lichtsensor 2 ist im anderen Armteil 20 angebracht, wie in Fig. 20 dargestellt. Der Lichtsensor 2 ist durch das Gehäuse gegen etwaiges Hintergrundlicht abgeschirmt, das nicht vom Signalstrahl stammt.

In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die LED 1 in einem Armteil 20 des U-förmigen Gehäuses angebracht, und der Lichtsensor 2 ist im Armteil 19 befestigt. In jeder anderen Hinsicht ist diese Ausführungsform mit der ersten Ausführungsform der Erfindung identisch, und die Arbeitsprinzipien sind in beiden Ausführungsformen exakt die gleichen.

In der Praxis besteht das optisch aktive Medium nicht aus tausenden optischer Fasern, die miteinander befestigt sind, sondern ist statt dessen ein massives Stück aus einem zylindrischen Kunststoffmaterial mit polarisierten eingelagerten Schichten, die über dessen Länge in Längsrichtung verlaufen. Ein solches Material kann durch Strangpressen von "Lichtwellenleiterstäben" hergestellt werden, die in der gewünschten zylindrischen Form unter Druck unmittelbar plastisch zusammengeschweißt werden.

In einer weiteren Ausführungsform ist das optisch aktive Medium ein massives Stück aus Kunststoffmaterial in Form eines Zylinders, dessen Oberfläche in Längsrichtung eingekerbt und dann mit einer dünnen Kunststoffschicht beschichtet wurde. Diese dünne Schicht wurde ebenfalls eingekerbt und mit einer weiteren dünnen Kunststoffschicht beschichtet, und dieser Prozeß wird wiederholt, bis ein Zylinder mit einer ausreichenden Wanddicke erhalten wird.

Der optische Drehmomentsensor irgendeiner dieser Ausführungsformen beseitigt die Ausrichtungsprobleme, die mit bekannten optischen Drehmomentsensoren verbunden sind, die unter Verwendung des Prinzips "zweier drehender Masken" arbeiten, und verringert auch die Genauigkeit einer optischen Ausrichtung, die in allen drei Richtungen in bezug auf den Zylinder 5 erforderlich ist, da keine Forderung danach besteht, daß zwei Sätze Abfühlflächen unter exakt 180º einander gegenüberliegend angeordnet sind, was im Sensortyp mit "zwei drehenden Masken" erforderlich sein kann, um eine Welligkeit im Ausgangssignal des Drehmomentsensors zu vermeiden.

Im Drehmomentsensor gemäß der vorliegenden Erfindung muß jedoch ein bestimmter Betrag einer Lage- bzw. Positionstoleranz in verschiedenen Richtungen in bezug auf den Zylinder 5 erzielt werden. Eine etwaige Abweichung in den Positionen entweder der LED 1 oder des Lichtsensors 2 in einer X-, Y- oder Z-Richtung, worin jede der X-, Y-, Z-Achsen senkrecht zu den anderen beiden Achsen ist und die Z-Achse, wie in Fig. 19 gezeigt, parallel zur zentralen Zylinderachse 11 liegt, führt Fehler in die Intensität und/oder Position eines auf die Abfühlfläche des Lichtsensors 2 fallenden Einfallslichts ein, die wiederum Fehler oder Verstärkungseffekte im gemessenen Drehmoment erzeugen. Falls sich z. B. die LED 1 und der Lichtsensor 2 vom Torsionsstab 10 weg näher zum Umfang der Endflächen 13, 14 des Zylinders bewegen, tritt eine größere Winkelablenkung des Strahls auf, die wiederum Verstärkungen des gemessenen Drehmoments zur Folge hat, da die Verschiebung des Strahlquerschnitts beim Lichtsensor 2 verhältnismäßig größer als die Verschiebung ist, wenn die LED und der Lichtsensor näher zur Achse des Torsionsstabes liegen. Ein Fehler wird auch in das Einfallslichtsignal eingeführt, das auf den Sensor 2 fällt, falls Licht von der LED nicht unter 90º in bezug auf die Endfläche 13 des Zylinders 5 fällt, um eine maximale Lichtübertragung zum Lichtsensor 2 sicherzustellen. Ein Fehler wird durch einen zwischen dem optischen Sender und Sensor 2 eingeführten schiefen Winkel in bezug auf die Mitte des Zylindermediums verursacht.

Derartige Fehler infolge einer Intensitäts- und Positionsabweichung eines einfallenden Signallichts, das auf den Lichtsensor 2 fällt, werden in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung überwunden, in der der Lichtsensor 2, statt einen Sensor mit geteilten Flächen wie in Fig. 1-12 und Fig. 15-16 veranschaulicht aufzuweisen, eine Lichtabfühlfläche mit einer Gittermatrix aufweist, die Hunderte in einer Gittermatrix angeordnete lichtempfindliche Elemente umfaßt. Jedes Element kann nicht nur das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Licht, sondern auch die Intensität von auf diese Fläche fallendem Licht erfassen. Jedes Element ist optimiert, um einfallendes Signalstrahllicht zu erfassen. Ein solcher Sensor kann aus einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) mit kundenspezifischem Gate oder alternativ dazu einem Ladungstransportspeicher-(CCD)-Feld hergestellt sein. Fig. 21 zeigt schematisch einen optischen Drehmomentsensor, der einen Lichtsensor 2' mit Gittermatrix enthält. Der Sensor 2' ist mit der LED 1 nahe einer Endfläche 14 des Zylinders 5 optisch ausgerichtet, um ein durch das Zy lindermedium übertragenes Signalstrahllicht von der LED zu empfangen. Fig. 21 veranschaulicht die Situation, in der auf den Torsionsstab 10 und daher auf das Zylindermedium kein Drehmoment angewandt wird und keine Ablenkung der Lichtstrahlen 4 des Signalstrahls erfolgt, während sie sich durch das Zylindermedium ausbreiten.

Die Oberfläche des Gittermatrixsensors 2' ist groß genug, um die Querschnittsfläche des übertragenen Signallichtstrahls in der Ebene der Oberfläche des Sensors 2' aufzunehmen, sowohl wenn der Lichtstrahl nicht abgelenkt wird als auch wenn der Strahl als Folge davon abgelenkt wird, daß auf den Torsionsstab in irgendeiner Drehrichtung um die Achse 11 ein maximales Drehmoment angewandt wird. Fig. 22 zeigt schematisch die Oberfläche der Gittermatrix mit Querschnitten 21, 22 und 23 des einfallenden Strahls entsprechend den Querschnittspositionen eines Signalstrahls auf der Gittermatrix, wenn auf den Torsionsstab 10 ein Drehmoment Null bzw. die beiden extremen Drehmomentmaxima angewandt werden.

Ausgangssignale vom Gittertnatrixsensor 2' werden eingegeben, um die Elektronik zu unterstützen, die entweder einen Teil des Mikroprozessors des Drehmomentsensors oder alternativ dazu einen Zusatz- bzw. Unterstützungsspeicher des Mikroprozessors umfaßt. Die Unterstützungselektronik hat die Fähigkeit, selbst unter "abgeschalteten" Bedingungen Daten zu speichern und zu halten. Die Elektronik kann folglich programmiert werden, um "sich zu erinnern", welche der Hunderte von Nachweiselementen kein Signalstrahllicht nachweisen, wenn zwischen dem Eingangs- und Ausgangsende des Torsionsstabes 10 kein Drehmoment angewandt wird, und auch der Intensität von Licht, das auf diejenigen Nachweiselemente fällt, die ein Signalstrahllicht im "drehmomentfreien" Zustand nachweisen. Durch Anwenden eines maximalen Drehmoments in einer Richtung und Programmieren der Elektronik, um "sich auch zu erinnern", welche Nachweiselemente ein Signallstrahllicht nachweisen, und der Intensität des durch diese Elemente nachgewiesenen Lichts, und Programmieren der Elektronik, um die gleiche Information zu sammeln, wenn in der entgegengesetzten Richtung ein maximales Drehmoment angewandt wird, ist es möglich zu berechnen, wo der Signalstrahl auf die Fläche des Gittermatrixsensors unter den Bedingungen eines maximalen Drehmoments und eines Drehmoments Null fällt. Der Mikroprozessor verarbeitet diese gespeicherte Information, um Verhältnisse eines angewandten Drehmoments zwischen den beiden maximalen Drehmomentextrema zu berechnen.

Vorteile dieser Gittermatrixbauart eines Sensors 2' schließen seine ihm eigene Fähigkeit zur Selbstkompensation von Abweichungen der Intensität des einfallenden Lichts oder Positionsabweichungen im einfallenden Licht beim Lichtsensor 2º infolge einer Bewegung in der Position der LED 1 und/oder des Lichtsensors 2' und auch etwaiger Verstärkungseffekte im erzeugten Drehmomentsignal ein, die sich aus solchen Abweichungen ergeben können.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung kann, statt lichtablenkende Eigenschaften des gewählten Zylindermediums zu nutzen, um die gewünschte Änderung der Ausbreitungsrichtung des Signallichtstrahls als Antwort auf ein auf das Zylindermedium angewandtes Drehmoment zu erzeugen, als das Zylindermedium ein Material mit geeigneten lichtbrechenden Eigenschaften gewählt werden. Wählt man ein Material mit einem Brechungsindex, der vom auf das Material angewandten Drehmoment abhängig ist, ist es möglich, einen Zylinder herzustellen, der die gewünschte Änderung der Ausbreitungsrichtung des Signallichtstrahls als Antwort auf ein auf den Zylinder angewandtes Drehmoment erzeugt. Zum Beispiel wäre ein geeignetes Zylindermedium eines mit einem Brechungsindex, der so beschaffen ist, daß sich ein von der LED ausgesandter Lichtstrahl durch das Zylindermedium ohne Änderung der Ausbreitungsrichtung gerade ausbreitet, während (über den Torsionsstab 10) auf den Zylinder 5 kein Drehmoment angewandt wird, aber in dem ein angewandtes Drehmoment eine Zunahme im Brechungsindex des Mediums erzeugt, die wiederum bewirkt, daß der Signalstrahl aus seinem geraden "drehmomentfreien" Weg durch den Zylinder gebrochen wird, so daß der Querschnitt des Signalstrahls in der Ebene des Lichtsensors 2 wie im Prinzip in Fig. 5 veranschaulicht verschoben wird. Um eine Verschiebung des Strahlquerschnitts in der entgegengesetzten Richtung, wie in Fig. 9 veranschaulicht, zu erzeugen, muß der Brechungsindex dieses Zylindermediums als Antwort auf ein in der entgegengesetzten Richtung angewandtes Drehmoment abnehmen, so daß die Lichtstrahlen des Signalstrahls aus ihrem ge raden "drehmomentfreien" Weg in der entgegengesetzten Richtung gebrochen werden.

Ein Material mit den gewünschten Brechungseigenschaften könnte ein optisch nicht-lineares Kunststoffmaterial sein.


Anspruch[de]

1. Drehmomentsensor mit einem Sender (1), einem Empfänger (2), der dafür ausgelegt ist, ein Signal zu empfangen, und einer Signalverarbeitungseinrichtung, die dazu bestimmt ist, ein Ausgangssignal vom Empfänger zu empfangen, wobei das Ausgangssignal vom Empfänger von dem Signal abhängig ist, das der Empfänger (2) empfängt, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ferner ein elektromagnetische Strahlung übertragendes Medium (5) aufweist, das die Ausbreitungsrichtung von durch den Sender ausgesandter elektromagnetischer Strahlung, die sich durch das Medium (5) ausbreitet, in bezug auf den Empfänger in einem Maß ändert, das von dem auf das Medium (5) angewandten Drehmoment abhängig ist, wobei das Medium (5) durch einen im wesentlichen zylindrischen Körper definiert ist, der dazu bestimmt ist, an sowohl einem Eingangsglied (7) als auch einem Ausgangsglied (8) eines Torsionsstabs (10) angebracht zu werden, der sich auf einer Mittelachse des Körpers befindet, und die Signalverarbeitungseinrichtung dafür ausgelegt ist, das Ausgangssignal vom Empfänger (2) zu verarbeiten, um ein modifiziertes Ausgangssignal zu erzeugen, das das zwischen dem Eingangs- (7) und Ausgangsglied (8) der Torsionsstange (10) angewandte Drehmoment angibt.

2. Drehmomentsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den Sender (1) ausgesandte elektromagnetische Strahlung einen Signalstrahl elektromagnetischer Strahlung aufweist, der sich entlang einer Achse ausbreitet, die zur Mittelachse des Körpers parallel ist, und der Empfänger (2) dafür ausgelegt ist, den Signalstrahl zu empfangen.

3. Drehmomentsensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper einen Zylinder aufweist und zwei gegenüberliegende Außenflächen mit den beiden jeweiligen parallelen Endflächen des Zylinders hat.

4. Drehmomentsensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil einer Wand des Zylinders zwischen dem Sender (1) und dem Empfänger (2) liegt, so daß die elektromagnetische Strahlung durch den Teil der Wand durchgeht.

5. Drehmomentsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Gebrauch der Teil der Wand des Zylinders den ausgesandten Signalstrahl elektromagnetischer Strahlung um einen Winkel ablenkt, der dem auf den Zylinder angewandten Drehmoment direkt proportional ist.

6. Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (5) eine Vielzahl optischer Fasern aufweist, die so miteinander befestigt sind, daß sie den Zylinder zu bilden.

7. Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (5) aus einem Kunststoffmaterial mit polarisierten eingelagerten Schichten geschaffen ist, die entlang der Länge des Zylinders liegen.

8. Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (5) aus einem Material mit einer molekularen Struktur geschaffen ist, die elektromagnetische Wellenleitereigenschaften zeigt.

9. Drehmomentsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (5) aus einem Material mit einem Brechungsindex geschaffen ist, der von dem auf das Medium (5) angewandten Drehmoment abhängig ist, so daß im Gebrauch der Teil der Wand des Zylinders den ausgesandten Signalstrahl elektromagnetischer Strahlung um einen Winkel bricht, der vom auf den Zylinder angewandten Drehmoment abhängig ist.

10. Drehmomentsensor nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (2) optimiert ist, um elektromagnetische Strahlung bei der Frequenz der Strahlung des Signalstrahls nachzuweisen.

11. Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (2) einen Sensor mit geteilter Fläche mit zwei Abfühlflächen gleichen Flächeninhalts aufweist.

12. Drehmomentsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (2) einen Sensor mit mehreren elektromagnetische Strahlung nachweisenden Elementen aufweist, die in einer Gittermatrix angeordnet sind.

13. Drehmomentsensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor für elektromagnetische Strahlung ein Ladungstransportspeicher-(CCD)-Feld ist.

14. Drehmomentsensor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor für elektromagnetische Strahlung aus einer anwendungspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) mit kundenspezifischem Gate hergestellt ist.

15. Lenksystem für ein Fahrzeug, in dem das System eine einen Drehmomentsensor nach Anspruch 1 enthaltende Lenksäule enthält.







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