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Dokumentenidentifikation DE69520511T2 23.08.2001
EP-Veröffentlichungsnummer 1001256
Titel Capteur de deplacement et capteur de couple
Anmelder TRW Lucas Varity Electric Steering Ltd., Solihull, GB
Erfinder Horton, Steven John, Shirley, West Midlands B90 2BQ, GB;
Trace, Adrian Leslie, Hall Green, Birmingham B28 8DU, GB;
Rees, David, Halesowen, West Midlands B62 8SJ, GB
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 69520511
Vertragsstaaten DE, ES, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 25.08.1995
EP-Aktenzeichen 001028521
EP-Offenlegungsdatum 17.05.2000
EP date of grant 28.03.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.08.2001
IPC-Hauptklasse G01L 3/12
IPC-Nebenklasse G01L 5/22   G01D 5/34   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Positionssensor und einen Drehmomentsensor, der einen derartigen Positionssensor einschließt. Der Drehmomentsensor eignet sich zur Verwendung innerhalb eines Fahrzeuglenkungssystems, wie z. B. eines elektrischen Servolenkungssystems (EPAS-Systems).

SU-517815 offenbart eine Drehmomentmeßvorrichtung, in der zwei Scheiben auf einer Drehmomentübertragungswelle montiert sind. Die Scheiben sind voneinander beabstandet, und jede trägt zwei Schlitzgruppen. Die Schlitze wirken so zusammen, daß sie Öffnungen für den Durchgang von Licht bilden. Auf gegenüberliegenden Seiten der Scheiben sind Lichtquellen und Photodetektoren angeordnet. Die Schlitze überlappen einander und sind so angeordnet, daß eine Relativbewegung zwischen den Scheiben infolge eines Drehmoments in der Welle die Größe der Öffnungen verändert, derart, daß die Größe von Öffnungen, die zu einer zusammenwirkenden Schlitzgruppe gehören, zunimmt, während die Größe von Öffnungen, die zu der anderen zusammenwirkenden Schlitzgruppe gehören, abnimmt. Die von den Öffnungen durchgelassene Lichtintensität wird durch die Photodetektoren gemessen und mit Hilfe einer Brückenschaltung verglichen.

Eine derartige Anordnung auf Intensitätsbasis benötigt eine Abschirmung gegen Streulicht und erfordert außerdem abgeglichene Lichtquellen und Empfänger oder eine sorgfältige Eichung, um zuverlässige Messungen zu liefern. Ferner müssen die Scheiben mit enger Toleranz gefertigt und genau montiert werden. Andernfalls treten systematische Schwankungen der durchgelassenen Lichtintensität infolge von Fehlern der Schlitzbreite oder eines Rundlauffehlers (d. h. einer nicht koaxialen Ausrichtung) zwischen den Scheiben auf.

EP-A-0194930 beschreibt eine ähnliche Anordnung wie die in 513 517815 offenbarte.

SU-A-1364918 offenbart eine ähnliche Anordnung. Die Ausgangssignale des Detektors werden jedoch zur Steuerung von digitalen Zeitgebern verwendet. Die an den Zeitgebern aufgezeichneten Zeiten werden analysiert, um die Drehzahl der Welle und das durch die Welle übertragene Drehmoment zu bestimmen.

Nach einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein optischer Verschiebungssensor gemäß der Definition im beigefügten Anspruch 1 bereitgestellt.

In den anderen beigefügten Ansprüchen sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung definiert.

Nach einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Positionssensor bereitgestellt, der einen Mehrelementdetektor, der auf darauf auffallende Strahlung anspricht, sowie einen Modulator aufweist, der als Reaktion auf die Bewegung eines Eingangselements, dessen Position gemessen werden soll, bezüglich des Mehrelementdetektors beweglich ist, wobei der Modulator so angeordnet ist, daß er das auf den Detektor auffallende Strahlungsmuster moduliert.

Vorzugsweise ist ein Datenprozessor, z. B. Spezialhardware oder ein programmierbarer Datenprozessor, so eingerichtet, daß er ein Ausgangssignal des Detektors empfängt und die Position des Modulators bestimmt, indem er das Ausgangssignal des Detektors analysiert, um die Position eines Übergangs der auf den Detektor auffallenden Strahlung zwischen einer ersten und einer zweiten Intensität oder die Positionen von Bereichen einer ersten Intensität und einer zweiten Intensität zu lokalisieren.

Vorteilhafterweise sind die Größen der ersten und zweiten Intensitäten dynamisch einstellbar. Die erste Intensität kann als Bereich von Intensitäten definiert werden, die größer als ein erster Intensitätsschwellwert sind. Die zweite Intensität kann als Bereich von Intensitäten definiert werden, die kleiner als ein zweiter Intensitätsschwellwert sind. Der zweite Intensitätsschwellwert kann ein vorgegebener Bruchteil des ersten Intensitätsschwellwerts sein. Alternativ kann der Datenprozessor das Ausgangssignal jedes Elements des Detektors normieren, und die ersten und zweiten Intensitäten können durch Vergleich des normierten Ausgangssignals mit einem vorgegebenen Schwellwert beurteilt werden.

Vorzugsweise ist das Eingangselement bezüglich eines weiteren Elements zu einer ersten Position hin vorgespannt. Das weitere Element kann ein Ausgangselement einer Kraftübertragungsvorrichtung sein. Der Positionssensor kann so eingerichtet sein; daß er die relativen Translations- oder Drehpositionen des Eingangselements und des weiteren Elements mißt. Auf diese Weise kann ein Last- oder Drehmomentsensor bereitgestellt werden.

Nach einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Drehmomentsensor bereitgestellt, der aufweist: ein erstes Modulationselement, das drehbar montiert und so eingerichtet ist, daß es durchgehende Strahlung entsprechend einem ersten Modulationsmuster räumlich moduliert; ein zweites Modulationselement, das drehbar montiert und so eingerichtet ist, daß es durchgehende Strahlung entsprechend einem zweiten Modulationsmuster räumlich moduliert, wobei die ersten und zweiten Modulationselemente durch ein Torsionselement gekoppelt und optisch hintereinandergeschaltet sind; und eine Detektoranordnung, die auf ein Strahlungsmuster anspricht, das durch die ersten und zweiten Modulationselemente moduliert worden ist.

Vorzugsweise sind die ersten und zweiten Modulationsmuster regelmäßig. Das erste Modulationsmuster weist vorzugsweise ein vorgegebenes Tastverhältnis auf. Das zweite Modulationsmuster weist vorzugsweise ein vorgegebenes Tastverhältnis auf. Vorteilhafterweise ist eine Periode des ersten Modulationsmusters gleich einer Periode des zweiten Modulationsmusters.

Vorteilhafterweise unterscheidet sich das Tastverhältnis des ersten Modulationsmusters von dem des zweiten Modulationsmusters. Die Perioden und Tastverhältnisse können als Abstand oder als von einer Drehachse aus gemessener Winkel gemessen werden.

Wenn das Torsionselement im wesentlichen torsionsspannungsfrei ist, sind die ersten und zweiten Modulationsmuster vorzugsweise um einen vorgegebenen Betrag gegeneinander versetzt. Wenn das Torsionselement im wesentlichen torsionsspannungsfrei ist, fällt vorzugsweise die Mitte eines Zeichens in einem Muster im wesentlichen mit der Mitte eines Zeichens in dem anderen Muster zusammen.

Vorzugsweise sind der erste und der zweite Modulator auf einer ersten und einer zweiten Welle montiert, die über das Torsionselement miteinander gekoppelt sind. Der erste und der zweite Modulator können Scheiben oder Zylinder sein, die koaxial zu dem Torsionselement angeordnet sind.

Vorteilhafterweise weisen der erste und der zweite Modulator mehrere darin ausgebildete Schlitze auf, welche die Zeichen oder Zwischenräume der Modulationsmuster definieren. Vorteilhafterweise sind die Schlitze in jeder Scheibe weitgehend identisch. Vorteilhafterweise ist die Breite von ersten Bereichen, die jedes Ende von Schlitzen der ersten Scheibe definieren und benachbarte Schlitze voneinander trennen, doppelt so groß wie vergleichbare Bereiche der zweiten Scheibe.

Vorzugsweise ist die räumliche Ausdehnung der Detektoranordnung so bemessen, daß im Gebrauch immer mindestens fünf Strahlungsübergänge zwischen ersten und zweiten Schwellwerten durch die Anordnung erfaßbar sind.

Vorzugsweise ist die Detektoranordnung so eingerichtet, daß sie auf Strahlung anspricht, die durch einen Bereich geht, dessen Ausdehnung in einer Richtung (gleichgültig ob geradlinig oder gekrümmt), die parallel zu der Richtung ist, welche die räumliche Periode der ersten und zweiten Modulationsmuster definiert, so bemessen ist, daß der Bereich größer als eine Periode des einen oder anderen Musters ist. Vorzugsweise sind die Detektoranordnung, der erste Modulator und der zweite Modulator relativ dicht beabstandet, und die Detektoranordnung ist länger als die Periode der Modulationsmuster.

Vorteilhafterweise wird von jedem Element der Detektoranordnung ein Signal zu einem Datenprozessor übermittelt. Die Ausgangssignale der Detektoren der Anordnung können seriell ausgegeben werden. Der Datenprozessor kann das Ausgangssignal jedes Elements der Anordnung normieren, um unterschiedliche Empfindlichkeiten zwischen Elementen der Anordnung zu korrigieren. Der Datenprozessor kann das Ausgangssignal der Anordnung untersuchen, um das auf die Anordnung auffallende Strahlungsmuster aus Positionen von Strahlungsintensitätsübergängen zwischen ersten und zweiten Intensitätspegeln zu bestimmen. Der Datenprozessor kann die Intensitätsdaten interpolieren, um den Schätzwert der Übergangspositionen weiter zu verfeinern.

Nach einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Modulatoranordnung für einen optischen Positionssensor zur Messung der Relativpositionen von ersten und zweiten Objekten bereitgestellt, wobei die Anordnung erste und zweite Teile aufweist, die durch durchtrennbare Verbindungsglieder miteinander gekoppelt sind, um die ersten und zweiten Teile vor dem Befestigen des ersten Teils am ersten Objekt und des zweiten Teils am zweiten Objekt in einer vorgegebenen Beziehung zueinander zu halten.

Auf diese Weise kann eine Anordnung bereitgestellt werden, in der die Relativpositionen der ersten und zweiten Teile während des Aufbaus des optischen Positionssensors genau beibehalten werden. Eine solche Anordnung vermeidet die komplizierten und zeitraubenden Ausrichtungsschritte, die zur Herstellung eines zuverlässigen Positionssensors von dem in SU-517815 beschriebenen Typ erforderlich sind.

Vorzugsweise definieren und bewegen sich die ersten und zweiten Teile über eine gemeinsame Oberfläche. Wenn jeder von den ersten und zweiten Teilen eben ist, dann sind der erste und der zweite Teil vorzugsweise komplanar. Eine derartige Anordnung kann die Parallaxeneffekte innerhalb optischer Positionssensoren reduzieren.

Vorzugsweise sind die durchtrennbaren Verbindungsglieder eingeschnürte (d. h. engere) Materialbereiche, welche die ersten und zweiten Teile miteinander verbinden. Die durchtrennbaren Verbindungsglieder können nach dem Befestigen des ersten Teils am ersten Objekt und des zweiten Teils am zweiten Objekt getrennt werden. Die durchtrennbaren Verbindungsglieder können durch Spannungseinwirkung, durch Ätzen, durch mechanisches Schneiden, durch Funkenerosion, durch Laserschneiden oder durch irgendein anderes geeignetes Verfahren getrennt werden.

Vorzugsweise tragen die ersten und zweiten Teile entsprechende Marken. In einer Anordnung zur Messung einer begrenzten relativen Drehbewegung, wie z. B. in einem Drehmomentsensor, kann der erste Teil einen ersten Ring mit mehreren daran ausgebildeten, radial verlaufenden Stegen oder Fingern aufweisen. Die Stege oder Finger können sich nach innen erstrecken. Der zweite Teil kann einen zweiten Ring mit mehreren davon ausgehenden Stegen oder Fingern aufweisen, wobei die Stege oder Finger des zweiten Teils mit den Stegen oder Fingern des ersten Teils ineinandergreifen. Einer oder beide von den ersten und zweiten Ringen können in Segmente unterteilt sein. In einer Ausführungsform ist der zweite Ring in mehrere Segmente unterteilt. Jedes der Segmente wird durch entsprechende durchtrennbare Verbindungsglieder am ersten Teil festgehalten, und jedes Segment ist so eingerichtet, daß es individuell am zweiten Objekt befestigt wird.

Nach einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Modulatoranordnung für einen optischen Positionssensor zur Messung der Relativpositionen von ersten und zweiten Objekten bereitgestellt, wobei die Anordnung erste und zweite Teile aufweist, die eine gemeinsame Oberfläche defmieren, wobei der erste Teil am ersten Objekt und der zweite Teil am zweiten Objekt befestigt wird. Vorteilhafterweise sind der erste und der zweite Teil komplanar. Vorteilhafterweise sind der erste und der zweite Teil konzentrische Ringe, die entsprechende Marken tragen.

Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Schemazeichnung eines Drehmomentsensors, der eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet;

Fig. 2 eine Teildraufsicht einer ersten Modulatorscheibe;

Fig. 3 eine Teildraufsicht einer zweiten Modulatorscheibe;

Fig. 4 eine Draufsicht einer ersten Anordnung mit zwei Scheiben des in Fig. 2 dargestellten Typs;

Fig. 5 eine Draufsicht einer zweiten Anordnung mit zwei Scheiben, eine gemäß der Darstellung in Fig. 2 und die andere gemäß der Darstellung in Fig. 3;

Fig. 6 eine Schemazeichnung, welche die Beziehung zwischen den Scheiben und der Detektorgruppe gemäß Fig. 1 und ferner ein idealisiertes Ausgangssignal der Detektorgruppe darstellt

Fig. 7 eine Schemazeichnung der Detektorgruppe und einer dazugehörigen Ausgabeschaltung;

Fig. 8 Ausgabedaten, die von dem in Fig. 1 dargestellten Detektor erfaßt werden, wenn das darauf auffallende Licht ein stationäres Muster bildet;

Fig. 9 die Ausgabedaten nach der Neuskalierung;

Fig. 10a-10d die Wellenformmen vom Ausgang der Sensorgruppe für vier verschiedene Bereiche und ferner zwei Messungen für jeden Bereich, die bei der Verarbeitung des Ausgangssignals der Sensorgruppe abgeleitet werden;

Fig. 11 die neu skalierten Ausgabedaten von dem in Fig. 1 dargestellten Detektor, wenn das darauf auffallende Licht ein sich bewegendes Muster bildet;

Fig. 12 eine Schemazeichnung eines elektrisch betriebenen Servolenkungssystems für ein Kraftfahrzeug, das einen Drehmomentsensor enthält, der eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet;

Fig. 13 eine Draufsicht eines Teils einer Modulatoranordnung, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 14 eine Draufsicht eines Teils einer Modulatoranordnung, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 15 eine schematische perspektivische Ansicht einer Drehmomentmeßanordnung, die sich zur Verwendung in einem elektrischen Servolenkungssystem für Kraftfahrzeuge eignet und in der eine Modulatoranordnung gemäß der Darstellung in Fig. 13 eingesetzt wird;

Fig. 16 eine schematische perspektivische Ansicht einer Drehmomentmeßvorrichtung, die sich zur Verwendung in einem elektrischen Servolenkungssystem für Kraftfahrzeuge eignet und in der ein Modulator eingesetzt wird, der eine Ausfilhrungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 17 eine Schemazeichnung, welche die Beziehung zwischen den Scheiben der Detektorgruppe des Drehmomentsensors und ferner ein idealisiertes Ausgangssignal der Detektorgruppe darstellt;

Fig. 18 die Beziehung zwischen einer regulären Scheibenstruktur und einer Detektorgruppe;

Fig. 19 ein korrigiertes Ausgangssignal der Detektorgruppe von Fig. 18;

Fig. 20 die Beziehung zwischen einer ersten modifizierten Scheibenstruktur und einer Detektorgruppe;

Fig. 21 ein korrigiertes Ausgangssignal der Detektorgruppe von Fig. 20;

Fig. 22 die Beziehung zwischen einer zweiten modifizierten Scheibenstruktur und einer Detektorgruppe;

Fig. 23 ein korrigiertes Ausgangssignal der Detektorgruppe von Fig. 22;

Fig. 24 bis 27 Diagramme, die Verfahren zur Korrektur bezüglich der Geometrie und mechanischer Schwankungen veranschaulichen: und

Fig. 28 die Wirkung eines Rundlauffehlers zwischen den Scheiben eines Drehmomentsensors.

Gleiche Teile in den Figuren werden durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist eine Antriebswelle 2 über einen Torsionsstab 6, der koaxial zu den Antriebs- und Abtriebswellen 2 und 4 ist, an eine Abtriebswelle 4 gekoppelt. Der Torsionsstab 6 erstreckt sich innerhalb einer Vertiefung 8, die in der Abtriebswelle 4 ausgebildet ist. Der Torsionsstab wäre in der Abbildung verdeckt, ist aber durch eine gestrichelte Linie angedeutet, um die innere Struktur der Anordnung zu veranschaulichen. Die Antriebs- und die Abtriebswelle tragen eine erste bzw. eine zweite Scheibe 10 und 12. Die Scheiben sind eng beabstandet und weisen mehrere, darin ausgebildete Schlitze 16, 18 auf. Die Schlitze 16 der ersten Scheibe 10 sind so angeordnet, daß sie die Schlitze 18 der zweiten Scheibe 12 überlappen. Die Scheiben 10 und 12 sind zwischen einer Lichtquelle 20 (die sichtbares, infrarotes oder ultraviolettes Licht emittieren kann) und einer Anordnung bzw. Gruppe 22 von Photodetektoren eingesetzt. Die Schlitze 16 und 18 sind so angeordnet, daß sie das von der Quelle 20 zur Detektorgruppe 22 durchfallende Licht modulieren. Ein Datenprozessor 24 ist so eingerichtet, daß er das Ausgangssignal der Detektorgruppe 22 empfängt und daraus Drehmoment- und Positionsdaten ableitet.

Fig. 2 zeigt einen Teil einer ersten Scheibenkonstruktion. In der Scheibe sind regelmäßig beabstandete Schlitze 30 ausgebildet. Die Schlitze sind als relativ dünn dargestellt und erstrecken sich in einem Bogen, der dem Umfang der Scheibe folgt. Es können jedoch auch andere Schlitzformen verwendet werden. Von der Scheibenachse aus gesehen, spannt jeder Schlitz einen Winkel α auf, und jeder Bereich 32 zwischen den Schlitzen spannt einen Winkel β auf. Fig. 3 zeigt eine zweite Scheibenkonstruktion, in der jeder Schlitz 34 einen Winkel γ und jeder Zwischenschlitzbereich 36 einen Winkel A aufspannt. Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung kann mit gleichartigen oder ungleichartigen Scheibenkonstruktionen konstruiert werden. Fig. 4 zeigt eine Anordnung mit Verwendung von Scheiben gleicher Konstruktion, wie z. B. von zwei Scheiben der ersten Konstruktion, während Fig. 5 eine Vorrichtung mit Verwendung ungleichartiger Scheibentypen darstellt, wie z. B. Scheiben der ersten und der zweiten Konstruktion.

Fig. 4 zeigt eine Ansicht der Scheiben 10 und 12, wenn beide Scheiben in der ersten Konstruktion ausgeführt sind und durch den Torsionsstab 6 kein Drehmoment übertragen wird. Die Scheiben sind gegeneinander verdreht. Der Bereich 40 zeigt die Fläche an, wo die Schlitze jeder Scheibe in Deckung miteinander sind. Der Bereich 42 zeigt die Fläche an, wo der Schlitz 18 in der zweiten Scheibe den Zwischenschlitzbereich der ersten Scheibe überlappt. Der Bereich 44 zeigt die Fläche an, wo der Schlitz 16 der ersten Scheibe den Zwischenschlitzbereich der zweiten Scheibe überlappt. Der Bereich 45 zeigt an, wo sich die Zwischenschlitzbereiche beider Scheiben überlappen. Die Linie 46 zeigt den durch den Schlitz 16 der ersten Scheibe 10 aufgespannten Winkel an, während die Linie 47 den Winkel anzeigt, der durch die Zwischenschlitzbereiche in der ersten Scheibe 10 aufgespannt wird. Die Linie 48 zeigt den Winkel an, der durch den Schlitz 18 der zweiten Scheibe 12 aufgespannt wird, und die Linie 49 zeigt den Winkel an, der durch die Zwischenschlitzbereiche in der zweiten Scheibe aufgespannt wird. Die Scheiben in dieser Anordnung weisen Schlitzbereiche auf, deren Winkellänge doppelt so groß wie die der Zwischenschlitzbereiche ist. Der lichtdurchlässige Bereich der Anordnung spannt einen Winkel A auf, während der lichtundurchlässige Bereich der Anordnung einen Winkel B aufspannt. Die Scheiben können so angeordnet werden, daß unter Bedingungen mit dem Drehmoment null A = B ist. Ein Drehmoment in einer ersten Richtung macht A größer als B, während ein Drehmoment in einer entgegengesetzten Richtung A kleiner als B macht. Die relativen Größen von A und B zeigen das Drehmoment an, das von der Antriebswelle 2 auf die Abtriebswelle 4 übertragen wird.

Fig. 5 zeigt die Situation, wo die zweite Scheibe die Konstruktion gemäß Fig. 2 und die erste Scheibe die Konstruktion gemäß Fig. 3 aufweist. Die Summe ist α + β = γ + θ. Folglich weisen die Scheiben die gleich räumliche Periode auf. Ferner ist in dieser Ausführungsform β = 2θ. Die Scheiben sind um eine halbe räumliche Periode gegeneinander versetzt, so daß unter Bedingungen mit dem Drehmoment null die lichtundurchlässigen Bereiche der zweiten Scheibe im wesentlichen bezüglich der Schlitze der ersten Scheibe zentriert sind. Bei der Bewegung entlang dem gekrümmten Weg zwischen C und C' in Fig. 5 gibt es folglich einen lichtundurchlässigen Bereich 50, der einen Winkel θ aufspannt, einen lichtdurchlässigen Bereich 52, der einen Winkel B aufspannt, einen lichtundurchlässigen Bereich 54, der einen Winkel 2A aufspannt, einen lichtdurchlässigen Bereich 56, der einen Winkel θ aufspannt, einen lichtundurchlässigen Bereich 58, der einen Winkel θ aufspannt, einen lichtdurchlässigen Bereich 60, der einen Winkel B aufspannt, und einen lichtundurchlässigen Bereich 62, der einen Winkel 2θ aufspannt. Die Winkel A und B, d. h. die Größen der lichtdurchlässigen Bereiche, sind Funktionen des Drehmoments, während die Winkel θ und 2θ Konstanten sind.

Fig. 6 zeigt die in Fig. 5 dargestellte Anordnung in einem schematischen Schnitt und zeigt außerdem die Veränderung des Ausgangssignals der Elemente der Gruppe mit sich verändernder Position innerhalb der Gruppe.

Wenn das Torsionselement 6 entspannt ist, sind die Größen der lichtdurchlässigen Bereiche 52 und 56 im wesentlichen gleich. Wenn ein Drehmoment in einer ersten Richtung angelegt wird, verringert sich die Größe des Bereichs 52, während die Größe des Bereichs 56 zunimmt. Ein in entgegengesetzter Richtung wirkendes Drehmoment vergrößert den Bereich 52 und verkleinert den Bereich 56. Die Anordnung mißt die relativen Positionen der Scheiben 10 und 12 durch Messung der Größen der lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Bereiche 50 bis 62. Bei einer Drehung der Wellen verschiebt sich die gesamte Struktur quer über die Sensorgruppe. Da jedoch die Scheiben 10 und 12 mehrere Schlitze tragen, wird das auf die Gruppe 22 auffallende Licht stets durch eine sich wiederholende Struktur von lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Bereichen moduliert. Die Relativbewegung zwischen den Scheiben ist eingeschränkt, so daß der Bereich 54 sich nicht mit den Bereichen 50 oder 58 überlappen kann. Der zulässige Bereich der Relativbewegung ist durch die Pfeile 64 angedeutet.

Die Länge der Sensorgruppe ist so gewählt, daß sie in einem größeren Bereich als einer räumlichen Periode der Schlitze das Licht moduliert empfängt und mindestens fünf Lichtintensitätsübergänge zwischen relativ dunklem und relativ hellem Licht empfängt.

Eine geeignete Sensorgruppe wird durch den Baustein Texas TSL213 oder TSL401 bereitgestellt, der 64 lichtempfindliche Elemente und Schaltungen zum sequentiellen Ablesen ihrer Ausgangssignale enthält. Andere, ähnliche Bausteine mit mehr lichtempfindlichen Elementen sind geplant. Die lichtempfindlichen Elemente S1 bis S64 (Fig. 7) liefern Ausgangssignale an einen ersten Bildelement- bzw. Pixelpuffer 74 über sequentiell betriebene Schalter 70 bis 73 (für jedes Pixel ist ein Schalter vorhanden). Gleichzeitig liefert ein Dunkel-Bezugsnormal 76 ein Bezugssignal an einen zweiten Pixelpuffer 78. Die Inhalte der Pixelpuffer werden sequentiell ausgelesen und invertierenden und nichtinvertierenden Eingängen eines Differenzverstärkers 80 zugeführt, der eine Differenz zwischen den Signalen bildet. Das Ausgangssignal des Verstärkers 80 wird einem Abtast- und Haltekreis 84 zugeführt, bevor es über einen Puffer 86 ausgegeben wird. Alle Funktionen des Bausteins werden über ein Taktgenerator- und Schieberegisterelement 82 gesteuert.

Fig. 8 zeigt ein Beispiel des Ausgangssignals der Sensorgruppe 22, wenn das darauf auffallende Licht durch eine einzige ruhende Scheibe moduliert wird. Die Elementnummer jedes Elements der Gruppe ist entlang der Abszisse dargestellt, und das entsprechende Ausgangssignal jedes Elements ist entlang der Ordinate dargestellt. Die gestrichelte Linie 100 zeigt das Ausgangssignal im Anschluß an die Modulation des Lichts durch die Scheibe. Die ausgezogene Linie 102 stellt zum Vergleich die Grundcharakteristik einer gleichmäßig ausgeleuchteten Sensorgruppe dar. Jedes Datenelement ist mit seinen Nachbarn durch eine gerade Linie verbunden, um die Klarheit der Abbildung zu verbessern.

Die Sensorgruppe ist in ihrem Ansprechverhalten deutlich ungleichmäßig. Der Datenprozessor 24 ist so eingerichtet, daß er während des Betriebs des Drehmomentsensors ein laufendes Protokoll der von jedem Element aufgezeichneten maximalen und minimalen Ausgangssignale (d. h. seine Werte bei voller Ausleuchtung bzw. im Dunkeln) führt und dieses Protokoll zur Normierung des Ausgangssignals der Sensorgruppe verwendet. Wenn ein Signalwert für ein gegebenes Element den aktuellen Wert übersteigt, der für dieses Element als Maximum gespeichert ist, dann wird der Wert des Maximums auf den neuen Signalwert aktualisiert oder erhöht. Wenn der Signalwert niedriger ist als der als Maximum gespeicherte aktuelle Wert, dann wird der Wert des Maximums erniedrigt. Ein ähnliches Schema wird zur Einstellung des Minimalwerts jedes Elements der Anordnung verwendet, wobei aber der Minimalwert auf ein niedrigeres Niveau zurückgesetzt oder erniedrigt wird, wenn die Signalform des Sensors niedriger ist als der gegenwärtig gespeicherte Minimalwert, und wobei der Minimalwert erhöht wird, wenn der Signalwert größer ist als der gegenwärtig gespeicherte Minimalwert. Folglich neigen Maximal- und Minimalwerte dazu, aufeinander zuzuwandern, bis sie durch ein Signal zurückgesetzt werden, das größer oder kleiner ist als der entsprechende Wert. Die Maximal- und Minimalwerte werden dann zur Neuskalierung des Signals verwendet.

Fig. 9 zeigt das Normierungsergebnis der in Fig. 8 dargestellten Ausgangssignale. Die ausgezogene Linie 104 zeigt die normierten Werte an. Die Grundcharakteristik 102 und nichtnormierte Werte 100 sind zum Vergleich dargestellt.

Der Datenprozessor prüft dann die normierten Daten auf Übergänge zwischen hohen Werten und niedrigen Werten, indem er die Daten mit einem Schwellwert 105 vergleicht. Die Anzahl der Hoch- Niedrig-Übergänge und die Anzahl der Niedrig-Hoch-Übergänge werden registriert. Für die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform wird ein Fehler angezeigt, wenn die Gesamtzahl der Übergänge kleiner als fünf ist.

Bei Verwendung von zwei Scheiben, z. B. entsprechend der Darstellung in Fig. 5, müssen vier Fälle betrachtet werden. Der Datenprozessor muß entscheiden, ob er ansteigende oder abfallende Flanken als Indikatoren der Scheibenposition verwenden wird. Der Datenprozessor muß ferner entscheiden, ob die erste Flanke, die er erfaßt, zur ersten Scheibe 10 (mit einem lichtundurchlässigen Bereich, der den Winkel θ aufspannt) oder zur zweiten Scheibe 12 gehört (mit einem lichtundurchlässigen Bereich, der einen Winkel 2θ aufspannt). Wenn der erste erfaßte Übergang eine ansteigende Flanke ist, dann wird veranlaßt, daß bei den nachfolgenden Messungen ansteigende Flanken verwendet werden, und wenn der erste Übergang eine abfallende Flanke ist, dann wird entsprechend veranlaßt, daß bei den nachfolgenden Messungen abfallende Flanken verwendet werden.

Die Fig. 10a-10d veranschaulichen schematisch die vier Fälle, die bei gleichem Betrag des Drehmoments auftreten können. In jedem Fall wird der erste ansteigende bzw. positive Übergang mit POS(0) bezeichnet, der zweite positive Übergang wird mit POS(1) bezeichnet usw. Abfallende bzw. negative Übergänge werden auf die gleiche Weise mit NEG(0), NEG(1) usw. bezeichnet. In den Fig. 10a bis 10d entspricht der mit 2X bezeichnete Bereich den in Fig. 6 dargestellten Zwischenschlitzbereichen 54 und 62. Die mit X bezeichneten Bereiche entsprechen den in Fig. 6 dargestellten Zwischenschlitzbereichen 50 und 58.

Der Datenprozessor berechnet eine Periode P des auf die Detektorgruppe 22 auffallenden Lichtmusters. Wenn der erste Übergang von relativ dunkel nach relativ hell erfolgt, wird die Periode als POS(2)-POS(0) berechnet, wie in den Fig. 10a und 10c angezeigt. Wenn der erste Übergang von relativ hell nach relativ dunkel erfolgt, wird die Periode P als NEG(2) - NEG(0) berechnet, wie in den Fig. 10b und 10d angezeigt.

Der Datenprozessor berechnet außerdem die Länge einer Marke M. Wenn der erste Übergang von relativ dunkel nach relativ hell erfolgt und POS(1) - NEG(0) größer ist als POS(2) - NEG(1), dann wird M als POS(2) - POS(1) berechnet. Erfolgt der erste Übergang von relativ dunkel nach relativ hell und ist POS(1) - NEG(0) kleiner als POS(2) - NEG(1), dann wird M als POS(1) - POS(0) berechnet, wie in Fig. 10c dargestellt.

Die anderen beiden Fälle treten auf, wenn der erste Übergang von relativ hell nach relativ dunkel erfolgt. Ist POS(0) -NEG(0) größer als POS(1) - NEG(1), dann wird M als NEG(1) - NEG(0) berechnet, wie in Fig. 10b dargestellt. Ist POS(0) - NEG(0) kleiner als POS(1) - NEG(1), dann wird M als NEG(2) - NEG(1) berechnet, wie in Fig. 1 Od dargestellt. Die in den Fig. 10a und 10c dargestellten Fälle weisen eine Marke M auf, die eine Dunkelperiode der Länge X einschließt, während die in den Fig. 10b und 10d dargestellten Fälle eine Marke M aufweisen, die einen Dunkelperiode der Länge 2X einschließt.

Das Drehmoment kann durch Vergleich der Marke M und der Periode P berechnet werden. Die genauen Details der Berechnung sind von der Geometrie der Scheiben 10 und 12 abhängig. Ein Beispiel der Berechnung wird für die in Fig. 5 dargestellte Ausführungsform angegeben. Die relativen Größen der Schlitze und Zwischenschlitzbereiche sind so gewählt, daß α = 5,5θ, β = 2θ und γ = 6,5θ ist. Die Scheiben 10 und 12 sind so eingerichtet, daß unter Bedingungen mit dem Drehmoment null die Winkel A und B einander gleich sind und eine Größe von 2,250 haben. Ferner ist die Relativbewegung zwischen den Scheiben so eingeschränkt, daß die Minimalwerte von A und B gleich θ sind. Für eine solche Ausführungsform kann der über den Torsionsstab 6 übertragene prozentuale Anteil des Drehmoments für die in den Fig. 10a und 10c dargestellten Fälle wie folgt berechnet werden:

Drehmoment (%) = 600M/(P-260) (1)

Der prozentuale Anteil des Drehmoments, der in den in den Fig. 10b und 10d dargestellten Fällen übertragen wird, läßt sich wie folgt berechnen:

Drehmoment (%) = 600M/(P-340) (2)

Der prozentuale Drehmomentanteil kann direkt in eine Kraft umgerechnet werden, wenn die Torsionssteifigkeit des Torsionsstabes 6 bekannt ist.

Die Detektorgruppe 22 wird so betrieben, daß sie einen "Schnappschuß" des darauf auftreffenden Lichts zu einem gegebenen Zeitpunkt aufnimmt. Der Datenprozessor 24 tastet die Daten von der Detektorgruppe 22 in vorgegebenen Intervallen ab. Das Intervall zwischen den Abtastungen ist so gewählt, daß Rotationsgeschwindigkeiten bis zu einem zulässigen Maximum genau gemessen werden können.

Idealerweise ist die Anstiegs- und Abfallzeit der Photodetektoren der Detektorgruppe 22 ausreichend kurz, um wenig oder keinen Einfluß auf die von den Photodetektoren ausgelesenen Werte zu haben. Wenn sich jedoch die Scheiben 10 und 12 ausreichend schnell bewegen, kann das Ausgangssignal von der Detektorgruppe 22 durch die Anstiegs- und Abfallzeiten der darin enthaltenen Detektoren modifiziert werden. Der Effekt von Anstiegs- und Abfallzeiten ist in Fig. 11 dargestellt. Die Kurven 104 und 100 sind äquivalent zu den in Fig. 9 dargestellten Kurven. Die annähernd rechteckige Wellenform der Kurve 104 in Fig. 9 wird wegen der Anstiegs- und Abfallzeiten verzerrt. Das Erfassungsschema verwendet bei der Ausführung von Messungen stets Übergänge der gleichen Polarität, d. h. alle zur Berechnung von M und P verwendeten Übergänge sind entweder ansteigende Übergänge, wie in Fig. 10a und 10c dargestellt, oder alle Übergänge sind abfallende Übergänge, wie in Fig. 10b und 10d dargestellt. Folglich wird die Vorrichtung nicht durch Asymmetrie in den Anstiegs- und Abfallzeiten der Elemente der Detektorgruppe 22 beeinflußt. Die Übergangspositionen können als die Positionen betrachtet werden, bei denen das Ausgangssignal der Gruppe in Bezug auf die Position entlang der Gruppe einen Schwellwert von 50% durchläuft. Die schwellwertbezogenen Messungen können dann in den Berechnungen verwendet werden, wie weiter oben anhand der Fig. 5 und 10 erläutert.

Die Detektorelemente der Gruppe 22 sind räumlich begrenzt. Die Position, in der die Übergänge auftreten, kann jedoch mit höherer Auflösung abgeschätzt werden als dem Abstand zwischen den Elementen der Detektorgruppe, indem das Ausgangssignal der Gruppe interpoliert wird. Die Interpolation kann eine einfache lineare Interpolation zwischen der Mittelposition jedes Elements der Detektorgruppe sein.

Idealerweise sind die Elemente der Detektorgruppe aneinander angrenzend angeordnet. Die Erfindung kann jedoch immer noch realisiert werden, wenn zwischen benachbarten Elementen der Detektorgruppe Zwischenräume vorhanden sind. Solche Zwischenräume verursachen eine "Totzone".

Wenn die Lage eines Übergangs in die Totzone fällt, wird die Abschätzung der tatsächlichen Position des Übergangs schwierig. Dieses Problem kann überwunden werden, indem eine nicht punktförmige Lichtquelle zum Beleuchten der Scheiben 10 und 12 verwendet wird. Eine nicht punktförmige Lichtquelle führt dazu, daß die Lichtintensitätsübergänge an der Detektorgruppe unscharf werden. Wenn ein Übergang über einem Zwischenraum zwischen benachbarten Elementen der Detektorgruppe auftritt, erstreckt sich der unscharfe Übergang über die benachbarten Elemente. Die von jedem der benachbarten Elemente empfangene Lichtintensität ist eine Funktion von der Position des Übergangs, und die Ausgangssignale der Elemente können interpoliert werden, um die Position des Übergangs abzuschätzen.

Zwischen der Lichtquelle 20 und der Scheibe 10 kann ein Streukörper bzw. Diffusor angeordnet werden, um eine nicht punktförmige Beleuchtungsquelle zu erzeugen.

Die Verwendung einer nicht punktförmigen Beleuchtungsquelle kann auch bei der Überwindung von Problemen des begrenzten dynamischen Bereichs der Detektorgruppe 22 von Vorteil sein. Das Unscharfwerden bzw. Verschmieren eines Übergangs, so daß er sich über drei benachbarte Detektorelemente erstreckt, ermöglicht, daß zumindest eines der Detektorelemente innerhalb eines ungesättigten Bereichs der Ansprechcharakteristik der Elemente arbeitet. Auf diese Weise können die Ausgangssignale der Elemente interpoliert werden, um die Übergangsposition genau zu bestimmen.

Der Datenprozessor kann ferner so eingerichtet werden, daß er den Drehungsbetrag aus einer gegebenen Bezugsposition und die Geschwindigkeit, mit der die Drehung auftritt, abschätzt.

Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform eignet sich zum Einbau in ein Servolenkungssystem eines Fahrzeugs und kann z. B. die in EP-A-0 555 987 beschriebene Drehmomentsensoranordnung ersetzen. Innerhalb des Drehmomentsensors können zwei diametral gegenüberliegende Sätze von Lichtquellen und Sensorgruppen verwendet werden. Eine derartige Anordnung gestattet die Korrektur der Effekte einer Scheibenrundlauffehlers und liefen außerdem ein gewisses Maß an Redundanz, das in sicherheitskritischen Systemen wichtig sein kann.

Das in Fig. 12 dargestellte Servolenkungssystem weist einen optischen Drehmomentsensor 110 auf, der eine Ausfilhrungsform der vorliegenden Erfindung darstellt und zur Messung des Drehmoments dient, das von einem Fahrzeuglenkrad 112 über ein Zahnstangensystem 116 auf die Fahrzeugräder 114 übertragen wird. Auf einer Welle 117 ist zwischen dem Drehmomentsensor 110 und dem Zahnstangensystem 116 ein Elektromotor 118 montiert und so eingerichtet, daß er als Reaktion auf das vom Drehmomentsensor I 10 zugeführte Signal das auf das Zahnstangengetriebe 116 übertragene Drehmoment verstärkt.

Auf diese Weise kann ein elektrisch unterstütztes Servolenkungssystem bereitgestellt werden, das ein robustes und zuverlässiges Drehmomentsensorelement enthält.

Der in Fig. 13 dargestellte optische Modulator weist eine Scheibe 202 aus einem Material auf, das bearbeitet worden ist, um darin zusammenwirkende erste und zweite optische Modulatoren 204 bzw. 206 auszubilden. Der erste optische Modulator 204 besteht aus einem inneren Ring 208, einem äußeren Ring 210 und mehreren gleichmäßig beabstandeten, radial verlaufenden Trägern 212, welche den inneren und den äußeren Ring 208 und 210 miteinander verbinden. Der äußere Ring 210 ist so profiliert, daß er innerhalb jedes Zwischenraums 216, der zwischen jedem benachbarten Paar radial verlaufender Träger 212 ausgebildet ist, zwei nach innen ragende Stege 214 bildet. Die Stege 214 sind innerhalb jedes Zwischenraums 216 in gleichmäßigen Abständen angeordnet und haben die gleiche Breite wie die radial verlaufenden Träger 212. Die Stege 214 und die Träger 212 bilden eine regelmäßige Struktur von Vorsprüngen, die von der äußeren Scheibe 210 nach innen ragen.

Das zweite Modulationselement 206 weist mehrere teilringförmige Segmente 220 auf. Innerhalb jedes Zwischenraums 216, der zwischen jedem Paar von benachbarten, radial verlaufenden Trägem 212 ausgebildet ist, ist ein Segment 220 vorgesehen. Jedes Segment 220 weist drei daran ausgebildete, radial nach außen ragende Stege 222 auf. Die Stege 222 sind im Eingriff mit den Stegen 214 und an den äußeren Ring 210 anschließenden Abschnitten der radial verlaufenden Träger 212 angeordnet. Die Stege 222 halbieren die Zwischenräume, die zwischen benachbarten Stegen 214 sowie zwischen einem Steg und dem benachbarten, radial verlaufenden Träger 212 ausgebildet sind.

Jedes Segment 220 ist über durchtrennbare Verbindungsglieder 226 an dem inneren Ring 208 befestigt. Die durchtrennbaren Verbindungsglieder 226 sind ungenutzte Materialabschnitte, die sich von jedem Segment 220 radial zum inneren Ring 208 erstrecken. Die ungenutzten Abschnitte dienen nur dazu, die Segmente 220 in einer vorgegebenen Beziehung zu dem ersten optischen Modulator 204 zu halten, bis jedes der Segmente 220 an einem Ende 251 einer ersten Welle 250 befestigt ist und der innere Ring 208 an einer zweiten Welle 252 befestigt ist, wie in Fig. 15 dargestellt.

Die in Fig. 14 dargestellte Ausführungsform weist einen ersten optischen Modulator 204 mit einem äußeren Ring 230 auf, von dem nach innen ragende, gleichmäßig beabstandete Stege 232 ausgehen. Jeder Steg 232 hat die gleiche Breite wie jeder andere Steg 232. Ein zweiter optischer Modulator 206 weist einen inneren Ring 234 auf, an dem gleichmäßig beabstandete, radial nach außen ragende Stege 236 ausgebildet sind. Die Stege 236 und die Stege 232 greifen ineinander, und jeder Steg 236 halbiert jeden Zwischenraum 238, der zwischen benachbarten Stegen 232 ausgebildet ist. Die Stege 236 sind schmaler als die Stege 232.

Zwischen einigen von den Stegen 232 und dem inneren Ring 234 erstrecken sich durchtrennbare Verbindungsglieder 240, um den äußeren Ring 230 und den inneren Ring 234 in einer vorgegebenen Beziehung zueinander zu halten, bis der erste optische Modulator an einem Ende 251 einer ersten Welle 250 und der zweite optische Modulator an einer zweiten Welle 252 befestigt ist, wie in Fig. 16 dargestellt. In jeder der in den Fig. 15 und 16 dargestellten Anordnungen sind die erste und die zweite Welle 250 und 252 durch einen Torsionsstab 254 miteinander verbunden, der sich innerhalb einer Aussparung in der ersten Welle 250 erstreckt und daran befestigt ist, wie durch die gestrichelten Linien in Fig. 15 angedeutet. Der Torsionsstab 254 gestattet nur eine begrenzte Relativbewegung zwischen der ersten und der zweiten Welle 250 und 252, so daß die Stege 214 und 232 der ersten optischen Modulatoren niemals mit den Stegen 222 und 236 der zweiten optischen Modulatoren in Kontakt kommen. In der in Fig. 15 dargestellten Anordnung sind die radial am weitesten innen liegenden Abschnitte der Segmente 220 an die erste Welle 250 angeschweißt, während in der in Fig. 16 dargestellten Anordnung die radial am weitesten innen liegenden Abschnitte der Stege 232 an die erste Welle 250 angeschweißt sind. In jedem Falle erstreckt sich ein Teil der ineinandergreifenden Steganordnung von der ersten Welle 250 radial nach außen, so daß die optischen Modulatoren zwischen einer Lichtquelle und einem Detektorelement oder einer Detektorgruppe (nicht dargestellt) angeordnet werden können.

Die optischen Modulatoren können z. B. durch Maskierung und anschließendes chemisches Ätzen einer Metallscheibe, durch direktes Schneiden einer Scheibe, durch Funkenerosionsbearbeitung, durch Elektro- bzw. Galvanoformen, durch Laserschneiden oder durch Feinstanzen ausgebildet werden. Die durchtrennbaren Verbindungsglieder können durch Funkenerosion, durch Laserschneiden oder durch mechanische Kraft durchbrochen werden. Außerdem kann das zur Ausbildung der optischen Modulatoren gewählte Material unter Berücksichtigung der konkreten Anwendung des Modulatorelements ausgewählt werden und kann aus Kunststoff oder einem anderen geeigneten Material geformt werden.

Im Gebrauch können die optischen Modulatoren koplanar sein. Dadurch ergibt sich eine Verbesserung des Modulationsmusters, da eine Parallaxe vermieden oder verringert wird. Einige von den Vorteilen der in den Fig. 13 und 14 dargestellten Ausführungsformen können erzielt werden, indem die optischen Modulatoren getrennt hergestellt, aber im Gebrauch in einer gemeinsamen Ebene montiert werden.

Die in den Fig. 13 bis 16 dargestellten optischen Modulatoren eignen sich besonders gut zur Verwendung in Drehmomentsensoren des in den Fig. 1 bis 12 dargestellten Typs. Ein optischer Modulator ist an einer Antriebswelle befestigt, der andere optische Modulator ist mit einer Abtriebswelle verbunden, und die Antriebswelle ist auf ähnliche Weise wie in Fig. 15 über einen Torsionsstab mit der Abtriebswelle verbunden. Die Antriebs- und Abtriebswellen können frei rotieren, aber die Bewegung einer Welle bezüglich der anderen ist auf eine kleine Winkelabweichung begrenzt. Die optischen Modulatoren werden durch eine Lichtquelle beleuchtet, und das durch die Modulatoren ausgebildete optische Muster wird durch eine aus mehreren Elementen bestehende optische Anordnung analysiert. Das Beleuchtungsmuster wird analysiert, um den Abstand zwischen Paaren gleichartiger Übergänge (d. h. von hell nach dunkel oder von dunkel nach hell) zu bestimmen, und diese Daten werden dann zur Berechnung der Winkelverschiebung zwischen der ersten und der zweiten Welle verwendet.

Fig. 17 zeigt schematisch die Position der Stege 232 und 236 in der in Fig. 16 dargestellten Anordnung, zusammen mit der Position der Detektorgruppe 260 und einem idealisierten Ausgangssignal 262 der Detektorgruppe. Die gestrichelten Linien stellen die maximale Strecke dar, um die sich die Stege 232 als Ergebnis des von der Antriebswelle auf die Abtriebswelle übertragenen Drehmoments gegenüber den Stegen 236 verschieben können.

Während die Antriebs- und die Abtriebswelle rotieren, verschieben sich das optische Modulationsmuster und infolgedessen das Ausgangssignal gegenüber der Sensorgruppe 260. Dies hat jedoch keine Auswirkung, da das weiter oben beschriebene Verarbeitungsverfahren die relativen Positionen von Übergängen zwischen hell und dunkel an der Sensorgruppe untersucht und immer das an den Wellen angreifende Drehmoment abschätzen wird, vorausgesetzt, daß fünf Übergänge zwischen hell und dunkel auf die Sensorgruppe 260 auffallen. Die relativen Größen der optischen Modulatoren und der Sensorgruppe sind so gewählt, daß diese Bedingung immer erfüllt ist.

Die relativen Positionen der ersten und zweiten optischen Modulatoren müssen gut definiert sein, wenn die Antriebs- und die Abtriebswelle 250 und 252 keinem Drehmoment ausgesetzt sind. Durch Anbringen von Scheiben, wie in den Fig. 13 und 14 an Beispielen dargestellt, an den Wellen 250 und 252 während eines drehmomentfreien Zustandes wird eine genaue Ausrichtung der ersten und zweiten optischen Modulatoren sichergestellt. Dadurch wird die relativ zeitraubende Kontrolle und Ausrichtung vermieden, die bei Verwendung von separaten Scheiben der bei den bekannten Verfahren beschriebenen Typen erforderlich wäre, und man erzielt eine Verbesserung sowohl der Ausrichtung als auch der anschließenden Leistung des Drehmomentsensors und eine Verkürzung der Fertigungszeit. Die Anordnung kann auch für den Einsatz mit linearen Verschiebungssensoren modifiziert werden. Ferner werden durch die Bereitstellung von koplanaren Scheiben Parallaxenfehler innerhalb des Drehmomentsensors verringert und dadurch seine Genauigkeit verbessert.

Auf diese Weise ist es möglich, einen genau ausgerichteten und relativ billigen optischen Modulator zur Verwendung in optischen Verschiebungsdetektoren bereitzustellen.

Fig. 18 zeigt eine Ausführungsform des in Fig. 14 dargestellten Typs nach dem Durchtrennen der durchtrennbaren Verbindungsglieder. Die optischen Modulatoren 204 und 206 sind von der Seite der Lichtquelle (nicht dargestellt) aus gesehen, und der aktive Bereich der Sensorgruppe 260 ist hinter den Stegen 232 und 236 dargestellt. In dieser Ausführungsform hat jeder der Stege 232 eine Winkelbreite von 2x, während jeder der Stege 236 eine Winkelbreite von x hat.

Das Ausgangssignal der Sensorgruppe 260 wird normiert, und die gekrümmte Bahn der Kanten der Stege 232 und 236 wird auf die geradlinige Sensoranordnung 260 abgebildet, um die in Fig. 19 dargestellte kompensierte Wellenform zu erzeugen. Die Perioden A und B variieren entsprechend der relativen Winkelverschiebung zwischen den optischen Modulatoren 204 und 206. Falls die optischen Modulatoren 204 und 206 durch einen Torsionsstab miteinander verbunden sind, ist die relative Verschiebung proportional zum Drehmoment. Folglich ist das Drehmoment direkt proportional zu (A -B)/(A + B).

Für bestimmte Anwendungen von Verschiebungs- und Drelmomentsensoren ist es notwendig oder wünschenswert, daß die Drehposition der optischen Modulatoren bekannt ist. Wenn z. B. ein Drehmomentsensor dieses Typs in einem elektrischen Servolenkungssystem eingesetzt wird, ist es wesentlich, feststellen zu können, wann das Lenkrad in der "Geradeaus"-Stellung steht.

Ein bekanntes Verfahren für ein Lenksystem umfaßt die Berechnung der mittleren Lenkradstellung während des Verlaufs einer Fahrt. Es kann jedoch eine erhebliche Zeit dauern, bis dieser Mittelwert konvergiert, und der Wert ist von der Fahrtroute abhängig. Zum Beispiel kann diese Zentrierung wandern, wenn ein Fahrzeug auf einem Rundkurs gefahren wird.

Ein anderes bekanntes Verfahren bestimmt, wann die gelenkten Räder in der Geradeaus-Stellung stehen, indem es die Geschwindigkeiten der gelenkten Räder mißt. Eine solche Anordnung erfordert jedoch zwei Sätze von Fahrgeschwindigkeitssensoren zusammen mit den dazugehörigen Verdrahtungs- und Signalkomponenten und ist daher relativ teuer. Ferner kann die Zentrierung wandern, z. B. als Ergebnis des Durchdrehens der Räder oder des Radschlupfes.

Der in Fig. 18 dargestellte Sensor kann gemäß der Darstellung in Fig. 20 modifiziert werden, um eine erfaßbare Index- bzw. Bezugsposition bereitzustellen, von der aus die absoluten Drehpositionen der optischen Modulatoren 204 und 206 bestimmt werden können. Der optische Modulator 204 wird insofern modifiziert, als ein Steg 270 eine geringere Breite aufweist, z. B. 1,5x, wie in Fig. 20 dargestellt. Ferner wird der optische Modulator 206 insofern modifiziert, als die beiden Stege 272 auf jeder Seite des Stegs 270 eine größere Breite aufweisen, z. B. 1,25x. Dies wird erreicht, indem die dem Steg 270 zugewandten Kanten der Stege 272 zum Steg 270 hin verschoben werden, so daß die Winkelabstände, die den Perioden A und B entsprechen, während der gesamten Drehung des Drehmomentsensors unverändert bleiben.

Fig. 21 zeigt die modifizierte und korrigierte Wellenform von der Sensorgruppe 260 mit den optischen Modulatoren gemäß der Darstellung in Fig. 20. Das Drehmoment ist wiederum direkt proportional zu (A - B)/(A + B).

Die modifizierten Stege 270 und 272 können mittels Software erfaßt werden, indem man das Verhältnis der gemessenen Breite jedes Stegs zu (A + B) mißt. Dadurch werden etwaige Schwankungen der optischen Vergrößerung kompensiert, die durch die Abstände der optischen Modulatoren 204 und 206 von der Sensorgruppe 260 verursacht werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Bezugsposition des Drebmomentsensors zu erfassen, ohne zusätzliche Hardware zu benötigen, wobei für eine Ausführungsform auf Software-Basis nur relativ wenig zusätzliche Software erforderlich ist. Fig. 22 zeigt eine weitere modifizierte Ausführungsform, die sich von der in Fig. 18 dargestellten nur darin unterscheidet, daß der Zahn 270 mit einer Breite von 1,5x einen der Stege 232 ersetzt. Fig. 23 zeigt das kompensierte Ausgangssignal der Sensorgruppe 260. Alle Stege 236 des optischen Modulators 206 haben die gleiche Breite x. Das Drehmoment ist wieder proportional zu (A - B)/(A + B), und die Bezugsposition wird durch Vergleich der Winkelausdehnung der Stege 232 und 270 mit (A + B) bestimmt. Die dem Steg 270 benachbarten Stege 236 sind nicht modifiziert, aber die Stege 232 und 236 sind alle etwas größer ausgeführt, um den Steg 270 mit geringerer Breite zu kompensieren.

Diese Anordnung vereinfacht die Erkennung der Bezugsposition und verringert die Fläche der optischen Modulatoren, die eine nicht standardisierte Schlitzperiode aufweist. Eine solche Anordnung ist daher für einige der nachfolgend beschriebenen Signalverarbeitungsverfahren besonders gut verwendbar. Obwohl die in den Fig. 20 und 22 dargestellten Anordnungen eine Bezugsposition erkennen können, können diese Anordnungen im Falle von Anwendungen wie etwa Lenkungssystemen nicht feststellen, ob sich das Lenkrad in der Geradeaus-Position befindet oder um eine (oder mehrere) volle Umdrehungen von der Geradeaus-Position entfernt ist. Positionen, die um eine oder mehrere volle Umdrehungen von der Geradeaus-Position entfernt sind, können jedoch erfaßt werden, indem man das Drehmoment des Lenkrads oberhalb einer bestimmten Fahrgeschwindigkeit überprüft; die Übertragung eines Drehmoments, das größer als ein vorgegebener Betrag ist, läßt darauf schließen, daß das Lenkrad von der Geradeaus-Position entfernt ist.

Wie weiter oben beschrieben, ist der Drehmomentsensor auf Licht aus einer Lichtquelle mit kleiner Apertur angewiesen, das durch einen kreisförmigen Schlitzring in zwei lichtundurchlässigen Drehelementen 204, 206 hindurch auf eine lineare Anordnung 260, beispielsweise von 128 optischen Sensorelementen, auffällt. Das Wellendrehmoment ist so ausgelegt, daß es eine relative Drehung der beiden Elemente 204, 206 bewirkt. Das resultierende, durch die beiden Elemente 204, 206 auf die Sensorgruppe 260 projizierte Muster erzeugt eine entsprechende Wellenform, die zu einem Maß für das angreifende Wellendrehmoment verarbeitet werden kann.

Dieses Verfahren wird durch drei Faktoren kompliziert:

1. Das angreifende Drehmoment und die Wellendrehung verursachen Winkelverschiebungen der Schlitze, während die Sensorgruppe 260 lineare Verschiebungen mißt;

2. Die unterschiedlichen optischen Vergrößerungen der Elemente 204, 206 (die in getrennten Ebenen rotieren können), führen dazu, daß sich die Projektion von Kanten aus den beiden Ebenen relativ zueinander auf der Sensorgruppe 260 verschiebt;

3. Eine nichtkonzentrische Drehung der Elemente 204, 206 ergibt eine scheinbare Änderung des Drehmoments.

Die Kanten der Schlitze rotieren um eine Drehachse, werden aber auf eine lineare Sensorgruppe 260 von projiziert. Die durch Abtasten der Gruppe 260 erzeugten Kanten werden daher modifiziert, um eine gekrümmte Sensorgruppe zu simulieren. Der effektive Radius des projizierten Bildes ist jedoch wegen der Auswirkungen der optischen Vergrößerug nicht gleich dem optischen Radius der Scheibe.

Fig. 4 veranschaulicht die Abbildung der gekrümmten Schlitzbahn auf eine gerade Linie in der Ebene der Kanten.

Für die vom Mittelpunkt der Gruppe aus gemessenen Kantenpositionen der Sensorwellenform gilt:

Daher ist

Mit

Ei = Eingangs-P,ixelzahl, gemessen vom Anfang der Anordnung aus;

Eo = Ausgangs-Kantenposition (in Pixel), gemessen entlang dem Bogen;

N = Anzahl der Pixel in der Gruppe; und

d = Pixelbreite im mm

gilt dann:

Durch Einsetzen erhält man:

Diese Gleichung verwendet den optischen Radius r der Scheibe und die Eingangs-Kantenposition Ei, um die abgebildete Ausgangs-Kantenposition Eo zu erhalten. In der Praxis ist der optische Radius vergrößert, da der Abstand a von der Lichtquelle zur Detektorgruppe größer ist als der Abstand (a - b) von der Lichtquelle zur Scheibe, wie in Fig. 25 dargestellt.

Der effektive optische Radius R in der Ebene der Detektoranordnung ist gegeben durch:

Daraus ergibt sich ein Radius-Vergrößerungsfaktor Mo von:

Dieser Vergrößerungsfaktor kann aus den vorgesehenen Abständen der optischen Komponenten bestimmt werden, ist aber von Montagetoleranzen, dem Pendeln des Wellenendes und einem etwaigen Flattern der Scheibe (entlang der Achse des Lichtweges) abhängig. Für die Kantenkorrekturgleichung erhält man daher:

Da die Drehelemente genau gefertigt werden, läßt sich der tatsächliche optische Radius genau bestimmen. Insbesondere können durch Verarbeitung der Position der Schlitzkanten, die auf die Sensorgruppe projiziert werden, Details der Abstände zwischen den optischen Komponenten bestimmt werden. Wenn zwei entsprechende Kanten von benachbarten Fenstern am gleichen Element gleichzeitig auf die Sensorgruppe projiziert werden, können sie so verarbeitet werden, daß sie ein Maß für den optischen Vergrößerungsfaktor (oder den tatsächlichen optischen Radius an der Sensorgruppe) ergeben. Fig. 26 veranschaulicht die Projektion von zwei derartigen Kanten auf die Sensorgruppe.

Einfache trigonometrische Rechnungen ergeben:

Durch Umordnen erhält man:

Substitution für a liefert:

γ ist aber unabhängig von der optischen Vergrößerung und ist durch die Geometrie des Drehelements festgelegt. Mit G - Konstante = Tany erhält man daher:

Ausmultiplizieren ergibt:

die nach R aufgelöst werden können und den optischen Radius in der Ebene der Detektorgruppe ergeben. Die Abbildungen von den beiden Drehelementen lassen sich verwenden, um für jedes Element einen verschiedenen optischen Radius bereitzustellen. Der Algorithmus verwendet unverarbeitete Kanten, wobei die verschiedenen optischen Radien für den Parallaxenfehler zwischen den Elementen verantwortlich sind.

Für Schwankungen des optischen Radius, die man wahrscheinlich bei vielen Anwendungen antrifft, kann der Faktor unter dem Wurzelzeichen durch k·A·B angenähert werden, wobei k eine Konstante ist.

Da die beiden Drehelemente zur Drehmomentmesssung nicht unbedingt in der gleichen Ebene liegen, projiziert das Element, das sich näher an der Lichtquelle befindet, ein stärker vergrößertes Bild auf die Sensorgruppe. Die Abbildung von einem Element wird daher skaliert, um die Bildgrößen abzugleichen, bevor das Drehmoment bestimmt werden kann. Fig. 27 zeigt das Element #2, das eine größere Abbildung liefert als das Element #1, und diese Abbildung wird folglich maßstäblich verkleinert, um eine Koplanarität der Elemente zu simulieren.

In Fig. 27 sind:

a = Abstand zwischen Lichtquelle und Detektorgruppe;

b = Abstand zwischen Element #I und Detektorgruppe;

c = Abstand zwischen den Ebenen der Elemente #I und #2;

y = Abstand einer typischen Schlitzkante von der Mittellinie der Detektorgruppe. Die Kante des Elements #2 erzeugt eine Abbildung in einem Abstand q von der Mitte der Detektorgruppe.

Wären die Elemente koplanar, dann würde die Kante in einem Abstand p von der Mine erscheinen. Bei Verwendung gleicher Winkel gilt

Auflösung beider Gleichungen nach y ergibt:

Gleichsetzen und Auflösen nach p liefert

Mit

Ei = Position der Eingangskante

Eo = Position der Ausgangskante

N = Anzahl der Elemente in der Gruppe

d = Elementbreite

gilt dann

woraus sich ergibt:

Außerdem ist J:

woraus sich ergibt:

Dies ergibt die Position der Ausgangskante Eo, ausgedrückt durch die Eingangskantenposition Ei und die Abstände der optischen Komponenten. Der letzte Term kann aus der erfaßten Wellenform bestimmt werden, so daß die erforderliche Parallaxenkorrekturfunktion automatisch ausgeführt werden kann. Der Parallaxenterm ist eine Funktion des Abstands zwischen den Drehelementen und des Abstands zwischen der Lichtquelle und der Detektorgruppe. Der Korrekturfaktor ist nicht vom Abstand zwischen den Elementen und der Detektorgruppe abhängig, da dieser die Größen der Abbildung verändert, aber nicht ihre relativen Größen beeinflußt.

Angenommen, die arctan-Korrektur ist bereits ausgeführt worden, dann ist der Parallaxenkorrekturterm Px gegeben durch:

Dann ist für das Element #2 die Periode eines Fensters am Element durch die folgende Beziehung gegeben:

Durch Vereinfachen erhält man:

Für das Element #1 ist die Periode eines Fensters am Element gegeben durch

Durch Vereinfachen erhält man

Damit die an den beiden Elementen gemessene Periode gleich groß ist, setzt man:

Daher ist:

Folglich ergibt das Verhältnis der an den beiden Drehelementen gemessenen Perioden den relativen Vergrößerungsfaktor, der zum Parallaxenausgleich verwendet wird.

Die Drehmomentmessung wird durch die relativen Positionen der Fensterkanten an den beiden Drehelementen bestimmt. Wenn zwischen den Drehachsen der Elemente ein Rundlauffehler auftritt, wie in Fig. 28 dargestellt, entsteht ein Drehmomentfehler. Dieser Fehler variiert zyklisch mit der Drehung der Elemente. Wenn sich das Fenster A über der Sensorgruppe befindet, entsteht ein positiver Drehmomentfehler. Dieser verändert sich zu einem negativen Drehmomentfehler, wenn sich das Fenster B über der Sensorgruppe befindet. Wenn sich die Fenster C und D über der Sensorgruppe befinden, tritt kein Rundlauffehler auf.

Durch Anordnen von zwei diametral gegenüberliegenden Sensorgruppen, z. B. unter den Fenstern A und B, und Mitteln der Drehmomenimeßwerte kann der Effekt des Scheibenrundlauffehlers aufgehoben werden. Bei dieser Funktion wird angenommen, daß arctan- und Parallaxenkorrekturen bereits richtig ausgeführt worden sind.

Der normale Ablauf für die Anwendung der oben beschriebenen automatischen arctan-, automatischen Parallaxen- und Rundlauffehlerkompensation ist der folgende:

1. Abstände A und B von der Mitte der Detektorgntppe für beide Drehelemente messen;

2. Optische Radien für beide Elemente berechnen;

3. arctan-Korrektur auf alle Schlitzkanten anwenden, die für die nachfolgenden Berechnungen verwendet werden;

4. diese arctan-korrigierten Kanten zur Messung der Fensterperiode für beide Elemente verwenden;

5. Verhältnis der beiden Perioden zur Größenbestimmung von PX ermitteln;

6. Px anwenden, um die Parallaxe der Kanten von dem näher an der Lichtquelle liegenden Element zu verkleinern (zur Mitte der Detektorgruppe hin);

7. Kanten mit korrigierter Parallaxe zur Berechnung des Drehmoments verwenden; und

8. das berechnete Drehmoment-Ergebnis für die beiden Sensorgruppen mitteln, um das Drehmoment mit Rundlauffehlerkorrektur zu erhalten.

Auf diese Weise ist eine automatische Korrektur der Geometrie eines Drehmomentsensors sowie der mechanischen Schwankungen oder Fertigungstoleranzen möglich. Die Genauigkeit derartiger Sensoren kann daher verbessert werden, und die Fertigungskosten können gesenkt werden.


Anspruch[de]

1. Optischer Verschiebungssensor mit einer Lichtstrahlungsquelle (20), mindestens einer Anordnung (22) von Strahlungsdetektoren, ersten und zweiten Elementen (10, 12), die jeweils abwechselnde erste und zweite Bereiche (30, 32 oder 34, 36) aufweisen, wobei die ersten Bereiche (30, 34) und die zweiten Bereiche (32, 36) unterschiedliche optische Eigenschaften aufweisen, wobei jedes der ersten und zweiten Elemente beweglich ist, so daß die ersten und zweiten Bereiche (30, 32 oder 34, 36) Lichtstrahlung von der Quelle (20) ausgesetzt sind und die Detektoranordnung (22) durchlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Anordnung (22) ein Bild der ersten und zweiten Bereiche (30, 32 oder 34, 36) der ersten und zweiten Elemente (10, 12) entsteht und daß ein Datenprozessor (24) mit der Anordnung (22) verbunden ist, um von dort Signale zu empfangen, welche die Intensität der auf jeden Detektor der Anordnung (22) auffallenden Strahlung darstellen, wobei der Datenprozessor (24) so arbeitet, daß er die relativen Positionen der ersten und zweiten Elemente (10, 12) ermittelt, indem er die relativen Positionen der Ränder des dunklen Bildabschnitts bestimmt, die durch die zweiten Bereiche (32, 36) der ersten und zweiten Elemente (10, 12) verursacht werden.

2. Sensor nach Anspruch 1, wobei die Quelle eine Punkt(licht)quelle aufweist.

3. Sensor nach Anspruch 2, wobei die Quelle ferner einen Streukörper zum Zerstreuen von Strahlung aufweist, die von der Punktquelle ausgeht.

4. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Anordnung eine Reihenanordnung aufweist.

5. Sensor nach Anspruch 4, wobei die Strahlungsdetektoren aneinander angrenzen.

6. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die ersten und zweiten Elemente Drehelemente sind.

7. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die ersten und zweiten Bereiche der ersten und zweiten Elemente konstante, gleiche räumliche Perioden aufweisen.

8. Sensor nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Bereiche jedes der ersten und zweiten Elemente ein konstantes Tastverhältnis aufweisen.

9. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Tastverhältnis der ersten und zweiten Bereiche des ersten Elements gleich dem Tastverhältnis der ersten und zweiten Bereiche des zweiten Elements ist.

10. Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Datenprozessor (24) in dem Bild auf der Anordnung Übergangsstellen zwischen einem Strahlungspegel, der größer als ein vorgegebener Pegel ist, und einem Strahlungspegel erfaßt, der kleiner als der vorgegebene Pegel ist.

11. Sensor nach Anspruch 10, in dem die ersten und zweiten Bereiche (30, 32, 34, 36) und die Anordnung (22) so angeordnet sind, daß in dem Bild auf der Anordnung ungeachtet der Positionen der ersten und zweiten Elemente mindestens fünf Übergänge auftreten.

12. Sensor nach Anspruch 1, in dem die ersten und zweiten Elemente Drehelemente sind, und der ferner eine Lichtstrahlungsquelle und eine weitere Anordnung von Strahlungsdetektoren aufweist, die diametral gegenüber der Quelle und der Anordnung angeordnet sind.

13. Drehmomentsensor, der einen Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche und eine elastische Kupplung (16) zwischen den ersten und zweiten Elementen aufweist.

14. Sensor nach Anspruch 1, wobei das erste Element n zweite Bereiche aufweist, von denen (n-1) eine erste Breite aufweisen und der restliche Bereich eine zweite, von der ersten verschiedene Breite aufweist.

15. Sensor nach Anspruch 14, wobei das zweite Element n zweite Bereiche aufweist, von denen (n-2) eine dritte Breite und die anderen beiden eine von der dritten verschiedene vierte Breite aufweisen, wobei die Summe der ersten und dritten Breiten gleich der Summe aus der zweiten Breite und dem Zweifachen der vierten Breite ist, wobei der andere von den zweiten Bereichen des ersten Elements während der Bewegungsdauer der ersten und zweiten Elemente zwischen den anderen beiden zweiten Bereichen des zweiten Elements angeordnet ist.







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