專利名稱：傳遞路徑轉(zhuǎn)矩傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測量軸的轉(zhuǎn)矩大小、尤其是車輛應用中的電力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中存在的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩大小的轉(zhuǎn)矩傳感器。
電力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通常包括輸入軸元件，該元件經(jīng)中間軸和接頭裝置連接到方向盤上。因此，輸入軸通常需要在中心轉(zhuǎn)向位置的兩側(cè)旋轉(zhuǎn)一到兩次轉(zhuǎn)過一個角度。輸入軸至少被轉(zhuǎn)向齒輪的固定外殼部分包圍。需要電力轉(zhuǎn)向伺服系統(tǒng)準確測量該轉(zhuǎn)軸連續(xù)變化的轉(zhuǎn)矩。通常，加到軸上的轉(zhuǎn)矩使其有角度地偏轉(zhuǎn)，這種偏轉(zhuǎn)使軸的一個部分相對于另一個部分有角度地位移，檢測該位移以提供該轉(zhuǎn)矩的量度。
檢測裝置需要允許軸在外殼內(nèi)旋轉(zhuǎn)，通常采用非接觸或機械信號傳遞裝置。非接觸裝置包括基于光學孔徑的設備和磁設備，例如磁致伸縮或可變磁阻耦合。機械裝置包括可滑動連接的電位計以及其他指示設備。
為了提高這種檢測裝置的準確性，在軸的兩端用扭桿形式的扭轉(zhuǎn)適應耦合來連接兩個輸入部件。當在兩個輸入部件之間施加轉(zhuǎn)矩時，扭桿偏轉(zhuǎn)導致角位移增加，這允許使用不太靈敏或不太準確的檢測裝置。
通常，使用扭桿需要使用防障機構(gòu)，這種機構(gòu)是一種轉(zhuǎn)矩限制裝置，用于在不可避免的轉(zhuǎn)矩過載狀態(tài)出現(xiàn)時防止扭桿出現(xiàn)故障。
這種轉(zhuǎn)矩限制裝置在車輛轉(zhuǎn)向技術(shù)中是眾所周知的，所以在本說明書中不再描述。
與本發(fā)明最接近的現(xiàn)有技術(shù)在美國專利US 5，369，583(Hazelden)和國際專利申請No.PCT/GB95/02017(Lucas Industries PLC)中已有描述，其中示出了采用測量轉(zhuǎn)矩用的光盤孔的傳感器。
本發(fā)明的實質(zhì)在于提供多條電磁輻射(EMR)傳遞路徑，這些路徑包含由交替的高、低透射率區(qū)域組成的光柵帶。光柵帶處于通過扭轉(zhuǎn)適應耦合連接的光柵元件中，只有一個光柵帶處于任何一條傳遞路徑中。
這些傳遞路徑與電磁輻射(EMR)源相連接，電磁輻射(EMR)源通常是紫外線、可見光或紅外光，它在通過光柵帶時被調(diào)制。然后已調(diào)制的EMR在一個或多個對EMR敏感的檢測器陣列上產(chǎn)生圖案。陣列包括電荷耦合裝置(CCD)、大規(guī)模集成電路(VLSI)視覺芯片、一維和二維光光檢測器陣列和橫向效應光電二極管(通常稱為PSD或位置靈敏裝置)。圖案的分布是加到軸上的轉(zhuǎn)矩的函數(shù)，可以對一個或多個陣列的輸出進行處理以產(chǎn)生加到軸上的轉(zhuǎn)矩量度。由于陣列尺寸的限制使得陣列不能在任何瞬時都能觀察整個圓周或徑向面，所以光柵帶可以軸向或徑向布置在軸的旋轉(zhuǎn)軸線周圍，其本質(zhì)是允許陣列的連續(xù)輸出而與軸的角位置無關(guān)。在美國專利US 5，369，583和國際專利申請No.PCT/GB95/02017中公開的這種結(jié)構(gòu)的一個或多個優(yōu)點如下首先，由于在任何一個傳遞路徑中僅存在一個光柵帶，所以有可能使用多個陣列，每個光柵帶在一個或多個陣列上建立獨立的圖案。因此，例如當使用兩個光柵帶和兩個相應陣列時，與同樣尺寸和旋轉(zhuǎn)的單個陣列產(chǎn)生的圖案相比可以包含兩倍的細節(jié)。這使得使用條形碼圖案是可行的，通過消除混疊所造成的不確定，降低了機械復雜性和組裝所需要的準確性。
其次，使用一個以上光柵帶使光柵帶能并排放置在例如徑向或圓柱形結(jié)構(gòu)中。因此，在組裝光柵元件和扭桿之后，能在連續(xù)生產(chǎn)制造過程中順序或同時制造兩個帶。這意味著由于不需要隨后的組裝和校準而可以進一步提高帶的相對對準性。
第三，由于帶可以并排放置，帶和陣列之間的距離可以作得更小，使由于EMR從高、低透射率區(qū)域邊界的衍射所造成的不可避免的準確性損耗達到最小。包含在現(xiàn)有技術(shù)中的發(fā)明必須有一個位于遠離陣列至少為含槽的盤的厚度的帶(在現(xiàn)有技術(shù)中稱為槽或孔)。
第四，由于帶和陣列之間的距離可以達到最小，散射效應可以降低到允許使用非平行EMR源的水平，無需對光學設備調(diào)焦。這顯著降低了復雜性、組裝對準需要和傳感器的成本。
最后，光柵元件并排定位允許使用公知且準確的照相或噴鍍金屬工藝，例如在玻璃上包鍍金屬而沒有損耗分辨率。由于EMR必須通過多個帶，每個帶都會附加地衰減或衍射，所以這些工藝與現(xiàn)有技術(shù)所述的重疊帶(槽或孔)一起使用會導致更大的分辨率損耗或內(nèi)反射、衍射或時間上劣化帶來的其他問題。
本發(fā)明包括一種轉(zhuǎn)矩傳感器，包括至少被固定外殼部分包圍的轉(zhuǎn)軸，軸的旋轉(zhuǎn)軸線相對于外殼固定，軸包括通過扭轉(zhuǎn)適應耦合連接的基本剛性的第一和第二轉(zhuǎn)矩輸入部件，由此耦合能使第一轉(zhuǎn)矩輸入部件相對于第二轉(zhuǎn)矩輸入部件的角偏轉(zhuǎn)作為軸轉(zhuǎn)矩大小的函數(shù)，傳感器還包括一個或多個電磁輻射(EMR)源和一個或多個EMR靈敏檢測器陣列，第一光柵元件連接第一轉(zhuǎn)矩輸入部件，第二光柵元件連接第二轉(zhuǎn)矩輸入部件，每個第一和第二光柵元件包括光柵帶，每個光柵帶包括對EMR具有高、低透射率的交替區(qū)域，其特征在于，僅一個光柵元件的一個光柵帶處于將EMR從任一源傳遞到任一陣列的傳遞路徑中，由處于通向該陣列的一條或多條傳遞路徑中的一個或多個光柵帶的交替的高、低透射率區(qū)域造成一個或多個陣列中每個陣列上的入射EMR產(chǎn)生圖案，一個或多個陣列上的這個圖案或這些圖案經(jīng)處理器處理得到第一和第二轉(zhuǎn)矩輸入部件的相對角偏轉(zhuǎn)，由此提供軸轉(zhuǎn)矩大小的量度。
優(yōu)選地，至少其中一個光柵元件還包括對EMR基本透明的媒質(zhì)，將EMR從任一源傳遞到任一陣列的傳遞路徑包括這樣一條路徑從各個源開始，通過媒質(zhì)的第一邊界，光學傳遞通過媒質(zhì)，然后通過媒質(zhì)的第二邊界退出并終止在相應陣列，光柵帶與第一或第二邊界中的任一個接合。
優(yōu)選地，傳感器包括兩條傳遞路徑，每條路徑從分別的源開始，通過每個光柵帶，終止在獨立陣列。
或者，在某些應用中，傳感器包括兩組傳遞路徑，每組包括兩條或多條傳遞路徑，所述路徑從兩個或多個分立的源開始，每組傳遞路徑通過相應的光柵帶，終止在獨立陣列。
或者，在某些應用中，傳感器包括兩條傳遞路徑，每條路徑從共同的源開始，通過相應光柵帶，終止在獨立陣列。
或者，在某些應用中，傳感器包括兩條傳遞路徑，每條路徑從獨立源開始，通過相應光柵帶，終止在共同的陣列。
或者，在某些應用中，傳感器包括兩條傳遞路徑，每條路徑從共同的源開始，通過相應光柵帶，終止在共同的陣列。
或者，在某些應用中，傳感器包括兩組傳遞路徑，每組包括兩條或多條傳遞路徑，所述路徑從兩個或多個獨立源開始，每組傳遞路徑通過相應的光柵帶，終止在共同的陣列。
優(yōu)選地，第一邊界相對于軸的旋轉(zhuǎn)軸線基本徑向布置，各個源發(fā)射的EMR基本以軸向、平行于軸的旋轉(zhuǎn)軸線發(fā)射。
或者，第一邊界為具有與軸的旋轉(zhuǎn)軸線在同一直線上的中心軸的圓柱形，各個源發(fā)射的EMR基本以徑向、垂直于軸的旋轉(zhuǎn)軸線發(fā)射。
優(yōu)選地，第二邊界為具有與軸的旋轉(zhuǎn)軸線在同一直線上的中心軸的圓柱形，各陣列鄰近該邊界定位。
或者，第二邊界相對于軸的旋轉(zhuǎn)軸線徑向布置，各陣列鄰近該邊界定位。
優(yōu)選地，這個圖案或這些圖案也經(jīng)過處理器處理得出至少其中一個轉(zhuǎn)矩輸入部件的角速度。
優(yōu)選地，這個圖案或這些圖案也經(jīng)過處理器處理得出至少其中一個轉(zhuǎn)矩輸入部件的相對角位置。
優(yōu)選地，至少一個光柵帶包括高或低透射率的特征或附加區(qū)域，所得到的圖案也經(jīng)過處理得出連接相應光柵元件的轉(zhuǎn)矩輸入部件的絕對角位置。
在一個實施例中，至少一個光柵帶布置成一連串條形碼的形式，在相應陣列上得到的圖案經(jīng)過處理得出至少其中一個轉(zhuǎn)矩輸入部件的絕對角位置。
優(yōu)選地，在相應陣列上得到的圖案經(jīng)過處理得出兩個轉(zhuǎn)矩輸入部件的絕對角位置，并且對第一和第二轉(zhuǎn)矩輸入部件的絕對角位置之差進行處理以提供軸轉(zhuǎn)矩大小的量度。
優(yōu)選地，陣列包括一維或二維陣列，電荷耦合裝置，大規(guī)模集成電路視覺芯片或橫向效應光電二極管。
優(yōu)選地，透明媒質(zhì)包括聚合物或玻璃。
優(yōu)選地，光柵帶包括第一或第二邊界上的金屬鍍層。
或者，光柵帶包括通過對第一或第二邊界進行光刻處理所沉積的涂層。
或者，光柵帶包括媒質(zhì)的物理或化學改變。
以下參考附圖以舉例的方式描述本發(fā)明，附圖中

圖1使本發(fā)明第一實施例所述的轉(zhuǎn)矩傳感器橫截面圖，示出了軸組件，該組件包含通過扭桿連接起來的兩個轉(zhuǎn)矩輸入部件、兩個含光柵帶的光柵元件和相關(guān)陣列及EMR源，其中第一和第二邊界基本為具有與軸的旋轉(zhuǎn)軸線在同一直線上的中心軸的圓柱形；圖2是圖1所示的通過扭桿連接的兩個轉(zhuǎn)矩輸入部件的詳細圖解視圖，使出了EMR源、光柵帶和相關(guān)陣列；圖3是圖2的局部視圖，示出了一個光柵元件以及邊界、光柵帶、EMR源和相關(guān)陣列的關(guān)系，圖4a、4b、4c、4d、4e和4f是可替換的傳遞路徑的示意圖，圖5是本發(fā)明第二實施例所述的轉(zhuǎn)矩傳感器的橫截面圖，示出了軸組件，該組件包含通過扭桿連接起來的兩個轉(zhuǎn)矩輸入部件、兩個含光柵帶的光柵元件和相關(guān)陣列及EMR源，其中光柵元件的第一和第二邊界相對于軸的旋轉(zhuǎn)軸線基本徑向布置；圖6是圖5所示的通過扭桿連接的兩個轉(zhuǎn)矩輸入部件的詳細圖解視圖，使出了EMR源、光柵帶和相關(guān)陣列，圖7是圖6的局部視圖，示出了一個光柵元件以及邊界、光柵帶、EMR源和相關(guān)陣列的關(guān)系，圖8是與圖3相似的視圖，示出了確定軸的角位置的“出發(fā)點標記”，圖9a示出了本發(fā)明第一實施例所述的第一和第二陣列上產(chǎn)生的典型圖案，這些陣列是二維陣列，圖9b示出了本發(fā)明第一實施例所述的第一和第二陣列上產(chǎn)生的典型圖案，這些陣列是一維陣列，圖10a示出了本發(fā)明第二實施例所述的第一和第二陣列上產(chǎn)生的典型圖案，這些陣列是二維陣列，圖10b示出了本發(fā)明第二實施例所述的第一和第二陣列上產(chǎn)生的典型圖案，這些陣列是一維陣列，圖11a-e示出了本發(fā)明第一實施例的另一個版本的光柵帶連續(xù)相對位置，其中光柵帶可替換成一連串允許測量轉(zhuǎn)矩輸入部件的絕對角位置的條形碼子圖案，以及圖12示出了圖11a-e中所示的其中一個條形碼上高、低透射率區(qū)域的細節(jié)，圖13與圖3相似示出了一個光柵元件的一部分，其中光柵帶由在光柵元件的第二邊界上光刻或金屬沉積產(chǎn)生，以及圖14與圖3相似示出了一個光柵元件的一部分，其中光柵帶由第二邊界或媒質(zhì)的物理或化學變化產(chǎn)生。
圖1、2和3是根據(jù)本發(fā)明第一實施例所述的轉(zhuǎn)矩傳感器視圖。圖1和2分別為傳感器的橫截面圖和透視圖。圖3是一個光柵元件的部分展開圖，示出了光柵元件的結(jié)構(gòu)。
基本為圓柱形的光柵元件3和4與轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩輸入部件1a和1b相接并且以扭桿2的形式通過扭轉(zhuǎn)適應耦合連接在每個端部。光柵元件3和4設有與軸的旋轉(zhuǎn)軸線1在同一直線上的中心軸，并分別包括光柵帶101和102。轉(zhuǎn)矩輸入部件1a和1b以及扭桿2通過橫銷61和62連接。組件裝入外殼10內(nèi)并由軸承11和12支撐。電磁輻射(EMR)的傳遞路徑90和91從每個EMR源5和6開始，依次通過相應的第一邊界103和104、相應的媒質(zhì)105和106、相應的第二邊界107和108、相應的光柵帶101和102，終止在相應的陣列7和8，光柵帶101和102分別與第二邊界107和108接合。在采用“光導”的方式下，由于內(nèi)反射而使通過媒質(zhì)的EMR能改變方向，“光導”方式通常用于沿特定路徑引導EMR，例如在汽車內(nèi)的發(fā)光儀表板中。在其他實施例(未示出)中，相應的光柵元件3和4的光柵帶101和102中的其中一個光柵帶或兩個光柵帶可以選擇性地與相應的第一第二邊界接合，因此，傳遞路徑90和91中的第一邊界103和104、第二邊界107和108以及光柵帶101和102的順序可以與圖1-3所描述的不同。但是，在所有實施例中，僅一個光柵元件的一個光柵帶位于將EMR從相應源傳遞到相應陣列的每個相應傳遞路徑中。EMR源5和6布置成相對于軸的旋轉(zhuǎn)軸線1基本以徑向提供EMR，照亮相應的傳遞路徑90和91。EMR靈敏檢測器的陣列7和8布置成相對于軸的旋轉(zhuǎn)軸線1基本以徑向從傳遞路徑90和91接收EMR，這樣通過處理器9處理在陣列7和8上產(chǎn)生的圖案。當在轉(zhuǎn)矩輸入部件1a和1b之間施加轉(zhuǎn)矩時，扭桿2有角度地偏轉(zhuǎn)，導致一個圖案相對于另一個圖案位移。防障機構(gòu)15通過限制轉(zhuǎn)矩輸入部件1a相對于轉(zhuǎn)矩輸入部件1b的角偏轉(zhuǎn)量來限制扭桿2所能達到的最大轉(zhuǎn)矩。這種防障機構(gòu)在動力轉(zhuǎn)向技術(shù)中是眾所周知的，在此不作描述。在圖象分析技術(shù)中，通過這種方法處理圖象是眾所周知的，所用的這些方法中有一些方法在IEEE計算機協(xié)會出版社ISBN0-8186-6492-4中Christof Koch和Hua Li的“視覺芯片用模擬超大規(guī)模集成電路實現(xiàn)視覺算法”中進行了描述?？梢杂脙蓚€線性光檢測器陣列來構(gòu)建合適的陣列，例如德克薩斯儀器公司生產(chǎn)的設備TSL1410。
圖4a、4b、4c、4d、4e和4f是傳遞路徑另一方案的示意圖。在所示的每種情況下，傳遞路徑通過包含相應的第一邊界103和104、相應的媒質(zhì)105和106、相應的第二邊界107和108以及相應的光柵帶101和102的光柵元件。
圖4a示出了包含兩條傳遞路徑90和91的傳感器，在每條路徑中，每條相應的路徑從獨立的EMR源5和6開始，分別依次通過相應的第一邊界103和104、相應的媒質(zhì)105和106、相應的第二邊界107和108、相應的光柵帶101和102，終止在相應的陣列7和8，光柵帶101和102分別與第二邊界107和108接合。
圖4b示出了包含兩組傳遞路徑的傳感器，每組分別包含兩條傳遞路徑90a和90b以及91a和91b，每條路徑分別從獨立的EMR源5a和5b、6a和6b開始，然后分別依次通過相應的第一邊界103和104、相應的媒質(zhì)105和106、相應的第二邊界107和108、相應的光柵帶101和102，終止在每組相應的單獨陣列7和8，光柵帶101和102分別與第二邊界107和108接合。
圖4c示出了包含兩條傳遞路徑90和91的傳感器，每條相應的路徑從共同的源5開始，然后分別依次通過相應的第一邊界103和104、相應的媒質(zhì)105和106、相應的第二邊界107和108、相應的光柵帶101和102，終止在相應獨立的陣列7和8，光柵帶101和102分別與第二邊界107和108接合。
圖4d示出了包含兩條傳遞路徑90和91的傳感器，每條路徑從各自獨立的源5和6開始，然后分別依次通過相應的第一邊界103和104、相應的媒質(zhì)105和106、相應的第二邊界107和108、相應的光柵帶101和102，終止在共同的陣列7，光柵帶101和102分別與第二邊界107和108接合。
圖4e示出了包含兩條傳遞路徑90和91的傳感器，每條路徑從共同的源5開始，然后分別依次通過相應的第一邊界103和104、相應的媒質(zhì)105和106、相應的第二邊界107和108、相應的光柵帶101和102，終止在共同的陣列7，光柵帶101和102分別與第二邊界107和108接合。
圖4f示出了包含兩組傳遞路徑的傳感器，每組分別包含兩條傳遞路徑90a和90b以及91a和91b，每條路徑分別從獨立的EMR源5a和5b、6a和6b開始，然后分別依次通過相應的第一邊界103和104、相應的媒質(zhì)105和106、相應的第二邊界107和108、相應的光柵帶101和102，終止在共同的陣列7，光柵帶101和102分別與第二邊界107和108接合。
圖5、6和7是本發(fā)明第二實施例的轉(zhuǎn)矩傳感器圖。圖5和圖6分別是傳感器的橫截面圖和透視圖。圖7是一個光柵元件的部分展開圖，示出了光柵元件的結(jié)構(gòu)。
平面環(huán)形的光柵元件3和4接到軸的轉(zhuǎn)矩輸入部件1a和1b上，并以扭桿2的形式通過扭轉(zhuǎn)適應耦合連接在每個端部。光柵元件3和4以與軸的旋轉(zhuǎn)軸線1在同一直線上的中心軸徑向布置并分別包括光柵帶101和102。轉(zhuǎn)矩輸入部件1a和1b以及扭桿2通過橫銷61和62連接。組件裝入外殼10內(nèi)并由軸承11和12支撐。電磁輻射(EMR)的傳遞路徑90和91從每個EMR源5和6開始，依次通過相應的第一邊界103和104、相應的媒質(zhì)105和106、相應的第二邊界107和108、相應的光柵帶101和102，終止在相應的陣列7和8，光柵帶101和102分別與第二邊界107和108接合。組件裝入外殼10內(nèi)并由軸承11和12支撐。電磁輻射(EMR)的傳遞路徑90和91從每個EMR源5和6開始，依次通過相應的第一邊界103和104、相應的媒質(zhì)105和106、相應的第二邊界107和108、相應的光柵帶101和102，終止在相應的陣列7和8，光柵帶101和102分別與第二邊界107和108接合。在采用“光導”的方式下，由于內(nèi)反射而使通過媒質(zhì)的EMR能改變方向，“光導”方式通常用于沿特定路徑引導EMR，例如在汽車內(nèi)的發(fā)光儀表板中。在其他實施例(未示出)中，相應的光柵元件3和4的光柵帶101和102中的其中一個光柵帶或兩個光柵帶可以選擇性地與相應的第一第二邊界接合，因此，傳遞路徑90和91中的第一邊界103和104、第二邊界107和108以及光柵帶101和102的順序可以與圖5-7所描述的不同。但是，在所有實施例中，僅一個光柵元件的一個光柵帶位于將EMR從相應源傳遞到相應陣列的每個相應傳遞路徑中。EMR源5和6布置成以基本平行于軸的旋轉(zhuǎn)軸線1的方向提供EMR，照亮相應的傳遞路徑90和91。EMR靈敏檢測器的陣列7和8布置成以基本平行于軸的旋轉(zhuǎn)軸線1的方向從傳遞路徑90和91接收EMR，這樣通過處理器9處理在陣列7和8上產(chǎn)生的圖案。當在轉(zhuǎn)矩輸入部件1a和1b之間施加轉(zhuǎn)矩時，扭桿2有角度地偏轉(zhuǎn)，導致一個圖案相對于另一個圖案位移。防障機構(gòu)15通過限制轉(zhuǎn)矩輸入部件1a相對于轉(zhuǎn)矩輸入部件1b的角偏轉(zhuǎn)量來限制扭桿2所能達到的最大轉(zhuǎn)矩。這種防障機構(gòu)在動力轉(zhuǎn)向技術(shù)中是眾所周知的，在此不作描述。在圖象分析技術(shù)中，通過這種方法處理圖象是眾所周知的，所用的這些方法中有一些方法在IEEE計算機協(xié)會出版社ISBN0-8186-6492-4中ChristofKoch和Hua Li的“視覺芯片用模擬超大規(guī)模集成電路實現(xiàn)視覺算法”中進行了描述?？梢杂脙蓚€線性光檢測器陣列來構(gòu)建合適的陣列，例如德克薩斯儀器公司生產(chǎn)的器件TSL1410。
圖8示出了本發(fā)明第一實施例的另一個版本(回過頭參考圖1、2和3)，但應指出，這種相同的概念可以很容易地應用到說明書所公開的任何實施例中。光柵元件4包括由交替的高、低透射率區(qū)域組成的光柵帶102，與圖2和3所示那些相類似。除了這些區(qū)域以外，以便于存在于傳遞路徑中的方式在預定角度的位置將至少一個附加的高或低透射率的“出發(fā)點標記”區(qū)域70加到該帶上。陣列8從傳遞路徑接收EMR，并由此通過處理器9處理陣列上產(chǎn)生的圖案以提供轉(zhuǎn)矩量度，插入的標記可以由處理器從該出發(fā)點標記位置開始計數(shù)，從而提供相關(guān)轉(zhuǎn)矩輸入部件的絕對角度位置量度。
圖9a、b，10a、b，11a-e和12示出了根據(jù)本發(fā)明不同實施例的陣列上入射EMR所產(chǎn)生的典型圖案。注意，在所有這些圖中，黑底色的部分對應具有低(或基本沒有)照度的圖案部分，而沒有底色的(即白色)部分對應圖案的被高度照亮的部分。
圖9a和9b示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例所述的陣列上入射EMR所產(chǎn)生的典型圖案(如圖1、2和3所示)。圖9a中，陣列是二維陣列，例如包括德克薩斯儀器TC277黑＆白CCD圖象傳感器，像素為699×288且有源窗口尺寸大約為8mm×6mm。在圖象分析技術(shù)中，通過這種方法處理圖象是眾所周知的，所用的這些方法中有一些方法在IEEE計算機協(xié)會出版社ISBN0-8186-6492-4中Christof Koch和Hua Li的“視覺芯片用模擬超大規(guī)模集成電路實現(xiàn)視覺算法”中進行了描述。為了改善邊緣輪廓，在圖9a中可見，陣列相對于圖案成小角‘t’安裝(通常小于15度)。由于圖案不再“拍(beat)”合陣列的像素對準，這種錯位產(chǎn)生更多與邊緣位置有關(guān)的信息，因此回歸技術(shù)因數(shù)據(jù)量的增加而更準確。尺寸‘x’，是陣列上圖案邊緣位置之間的平均相對位移，直接涉及兩個光柵帶的相對角位移以至軸轉(zhuǎn)矩。圖9b中，陣列是一維陣列，例如每個陣列包括德克薩斯儀器TSL1410黑＆白線列芯片，具有128像素，有源窗口長度大約為8mm。同樣對尺寸‘x’進行測量，但不具有上述二維陣列所提供的改善邊緣輪廓的優(yōu)點。
圖10a示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例所述的單個陣列上入射EMR所產(chǎn)生的典型圖案(圖5-7所示)。陣列是如上所述的二維陣列。維數(shù)‘x’，是圖案中兩個邊緣位置之間的相對位移，又直接涉及兩個光柵帶的相對角位移以至軸轉(zhuǎn)矩。圖10b示出了兩個上述一維陣列情況下的圖案。同樣可以測量維數(shù)‘x’，適當?shù)淖R別和處理方面也在國際專利申請PCT/GB95/02017中作了描述。
對于上述兩個實施例來說，隨著軸轉(zhuǎn)動，圖案移動跨過有限寬度的一維或二維陣列，與軸轉(zhuǎn)矩完全無關(guān)。再者，利用圖象識別領(lǐng)域中公知的技術(shù)，通過測量轉(zhuǎn)矩輸入部件的角速度和相對角位移可以計算出圖案的遷移速度和圖案的總位移。參考圖8所描述的，可以用其中一個光柵帶上的“出發(fā)點標記”作為絕對角位置參考。可以通過處理器從該出發(fā)點標記位置開始對插入標記計數(shù)，從而提供相關(guān)轉(zhuǎn)矩輸入部件的絕對角位置量度。
圖11a-e示出了本發(fā)明第一實施例的另一個可替換方案的各光柵元件3和4的光柵帶101和102的高、低透射率區(qū)域的細節(jié)(參考圖1-3)。光柵帶101和102布置成一連串120二進制條形碼60a-g和61a-g的形式。這些120條形碼以均勻的3度角間隔布置在每個圓柱形光柵元件的圓周周圍。在這些圖表中還示出了以虛線疊加的二維陣列20的視窗。
圖12示出了光柵帶101上條形碼60a的細節(jié)，目的是更好地描述條形碼格式。每個條形碼共包括9個條一個“開始”條62a，七個“角位置”條62b-h和一個“停止”條62i。在該實施例中，開始條62a和停止條62I總是低透射率區(qū)域，而插入的角位置條根據(jù)將被加密的角位置值的二進制值可以是高透射率區(qū)域或低透射率區(qū)域。例如，條形碼60a包括條62c、62d和62f形式的高透射率區(qū)域和62b、62e、62g和62h形式的高透射率區(qū)域。條形碼60a于是具有0110100的二進制值或52的角位置值(基數(shù)10)。用七個角位置條理論上能使加密高達128個分立的角位置值，這對于包含以及單獨識別每個光柵帶上的每個120條形碼是必要的。
圖11a示出了零轉(zhuǎn)矩加到轉(zhuǎn)矩輸入部件1a和1b上時光柵帶101和102的位置(回過頭參考圖1)?？梢钥吹?，分別對應光柵帶101和102上52角位置值的條形碼60a和61a在該零轉(zhuǎn)矩條件下互相對準。所有其他的119個條形碼對60b和61b、60c和61c等也如此。制造這種條形編碼光柵帶和在零轉(zhuǎn)矩條件下使它們準確地互相對準的方法在名稱為“光學轉(zhuǎn)矩傳感器的制造方法”的國際專利申請No.PCT/AU98/00857中有所描述。
圖11b-e示出了相對于轉(zhuǎn)矩輸入部件1a在轉(zhuǎn)矩輸入部件1b上施加增加的逆時針轉(zhuǎn)矩時光柵帶101和102的連續(xù)相對角位移。二維陣列20的視窗用虛線疊加示出。注意，該視窗選擇得充分大，以便總能從兩個光柵帶中的每一個光柵帶捕獲至少一個完整的條形碼，與兩個光柵帶的相對角位移(作為輸入轉(zhuǎn)矩的函數(shù))和在其360度可能范圍內(nèi)光柵帶的絕對轉(zhuǎn)角(作為轉(zhuǎn)向角的函數(shù))無關(guān)。為了減少總的硅用量(由此降低成本)，可以使用兩個分開的一維(即直線)陣列或較小的細長二維陣列63和64來代替較大的二維陣列20。在某種超大規(guī)模集成電路視覺芯片結(jié)構(gòu)中，陣列20或陣列63和64可以嵌入、連接或集成作為用于執(zhí)行必要處理的微處理器芯片即處理器9的一部分。
陣列20(或陣列63和64)從同時位于這個陣列(或這些陣列)視窗內(nèi)的光柵帶101和102的高透射率區(qū)域接收入射EMR。在圖11b-d所示的例子中，陣列20(或陣列63和64)從條形碼60c和61c接收入射EMR，因此處理器9能得出光柵元件3和4各自圓周上的光柵帶101和102的相對位移距離‘d’，由此測量輸入轉(zhuǎn)矩。
但最重要的，在該實施例中，還對處理器9進行編程以對在任一時刻處于視窗內(nèi)的所有完整條形碼的角位置值進行解碼，在該例中，條形碼60c和61c都對應角位置值54。使用這種條形碼有兩個重要優(yōu)點。
首先，對于光柵帶101相對光柵帶102的相對位移仍然較大來說，避免了混疊的問題。這在圖11e中可以證明，在圖11e中，光柵帶101上的條形碼60b(角位置值53)向右移位充分距離，使得它目前實際上位于光柵帶102上的條形碼61c和61d(分別為角位置值54和55)之間。但是通過識別出條形碼60b的角位置值是53，因此其在零轉(zhuǎn)矩條件下的相對位置鄰近光柵帶102上的條形碼61b，正確的光柵帶相對位移‘d’就能計算出來d=e+(54-53)*3*r*pi/180=e+3*r*pi/180(mm)其中r是光柵元件的半徑。在不用條形碼的情況下，兩個光柵帶的相對位移非常小即條形碼60b變成鄰近條形碼61c時會出現(xiàn)混疊。通過以連續(xù)二進制條形碼的形式布置高、低透射率區(qū)域，可以在真正脫離零轉(zhuǎn)矩條件下正確測量光柵元件3和4的相對角位移，而與高、低透射率區(qū)域的實際間隔無關(guān)。
其次，使用條形碼能在360度的范圍內(nèi)測量兩個轉(zhuǎn)矩輸入部件1a和1b中任何一個的絕對角位置，即從某個已知的絕對位置開始+/-180度。這可以在不需要在處理器9中執(zhí)行任何計算過程的情況下實現(xiàn)(正如圖8中所示的本發(fā)明前面的可替換版本的情況)。
如果以某種方式外部地限制光柵部件的最大相對角位移，例如通過使用前面所描述的防障機構(gòu)，混疊也不會成為問題，在這種情況下，可以僅在兩個光柵帶的其中一個光柵帶上采用連續(xù)條形碼。這仍將提供足夠信息，從而在上述+/-180度范圍內(nèi)提供絕對角位置量度。
應指出，條形碼的使用同樣可以應用到徑向布置的傳感器排列上，例如參考本發(fā)明第二實施例(圖5、6和7)所描述的那樣。
此外在本說明書中，“高透射率”和“低透射率”是關(guān)于所選的特殊EMR源和陣列廣泛定義的。例如，如果使用對紅光和白光源敏感的陣列，光柵帶的高、低透射率區(qū)域就可由分別涂有(或通過其他方法上色)紅、藍傳遞涂層的區(qū)域組成。
圖13示出了光柵元件4的一部分，示出了產(chǎn)生由高、低透射率區(qū)域組成的光柵帶102的方法。利用光刻法將低透射率區(qū)域110應用到光柵元件4的媒質(zhì)106的第二邊界108。尚未被處理的剩下的區(qū)域109保持高透射率。合適的光刻處理的例子是5700系列光刻膠，由臺灣高雄的Eternal化學有限公司制造。或者，用金屬涂層工藝施加區(qū)域110，例如鍍鋁或氣相淀積。
圖14示出了光柵元件4的一部分，示出了產(chǎn)生由高、低透射率區(qū)域組成的光柵帶102的另一種方法。通過物理或化學方法修改鄰近媒質(zhì)106的初始第二邊界的區(qū)域110以改變區(qū)域110的透射率。立刻在低透射率區(qū)域110的下面建立媒質(zhì)106的新的第二邊界108，于是形成與該第二邊界108接合的光柵帶102。剩下的區(qū)域109未作修改，保持高透射率。合適的修改處理的一個例子是聚合物膜磨損以產(chǎn)生在逆光應用中使用的較高透射率區(qū)域。該技術(shù)的一個例子在歐洲專利申請No.0547343(Metzei)中作了描述。
可以理解，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下對本發(fā)明作為各種修改和變形。
權(quán)利要求
1．一種轉(zhuǎn)矩傳感器，包括至少被固定外殼部分包圍的轉(zhuǎn)軸，軸的旋轉(zhuǎn)軸線相對于外殼固定，該軸包括通過扭轉(zhuǎn)適應耦合連接的基本剛性的第一和第二轉(zhuǎn)矩輸入部件，由此所述耦合能使第一轉(zhuǎn)矩輸入部件相對于第二轉(zhuǎn)矩輸入部件的角偏轉(zhuǎn)作為軸轉(zhuǎn)矩大小的函數(shù)，所述傳感器還包括一個或多個電磁輻射(EMR)源和一個或多個EMR靈敏檢測器陣列，連接到第一轉(zhuǎn)矩輸入部件的第一光柵元件，連接到第二轉(zhuǎn)矩輸入部件的第二光柵元件，每個第一和第二光柵元件包括光柵帶，每個光柵帶包括對EMR具有高、低透射率的交替區(qū)域，其特征在于，僅一個光柵元件的一個光柵帶處于將EMR從任一源傳遞到任一陣列的傳遞路徑中，由處于通向陣列的一條或多條傳遞路徑中的一個或多個光柵帶的交替的高、低透射率區(qū)域造成的一個或多個陣列中每個陣列上的入射EMR產(chǎn)生圖案，一個或多個陣列上的這個圖案或這些圖案經(jīng)處理器處理得到第一和第二轉(zhuǎn)矩輸入部件的相對角偏轉(zhuǎn)，由此提供軸轉(zhuǎn)矩大小的量度。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)矩傳感器，其中，至少其中一個光柵元件還包括對EMR基本透明的媒質(zhì)，所述將EMR從任一源傳遞到任一陣列的傳遞路徑包括這樣一條路徑從各個源開始，通過媒質(zhì)的第一邊界，光學傳遞通過媒質(zhì)，然后通過媒質(zhì)的第二邊界退出并終止在相應陣列，光柵帶與第一或第二邊界中的任一個接合。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)矩傳感器，其中，所述傳感器包括兩條傳遞路徑，每條路徑從獨立的源開始，通過每個光柵帶，終止在獨立的陣列。
4．根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)矩傳感器，其中，所述傳感器包括兩組傳遞路徑，每組包括兩條或多條傳遞路徑，所述路徑從兩個或多個獨立源開始，每組傳遞路徑通過相應的光柵帶，終止在獨立的陣列。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)矩傳感器，其中，所述傳感器包括兩條傳遞路徑，每條路徑從共同的源開始，通過相應光柵帶，終止在獨立的陣列。
6．根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)矩傳感器，其中，所述傳感器包括兩條傳遞路徑，每條路徑從獨立源開始，通過相應光柵帶，終止在共同陣列。
7．根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)矩傳感器，其中，所述傳感器包括兩條傳遞路徑，每條路徑從共同源開始，通過相應光柵帶，終止在共同陣列。
8．根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)矩傳感器，其中，所述傳感器包括兩組傳遞路徑，每組包括兩條或多條傳遞路徑，所述路徑從兩個或多個獨立源開始，每組傳遞路徑通過相應的光柵帶，終止在共同陣列。
9．根據(jù)權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)矩傳感器，其中，第一邊界相對于軸的旋轉(zhuǎn)軸線基本徑向布置，各個源發(fā)射的EMR基本以軸向、平行于軸的旋轉(zhuǎn)軸線發(fā)射。
10．根據(jù)權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)矩傳感器，其中，第一邊界為具有與軸的旋轉(zhuǎn)軸線在同一直線上的中心軸的圓柱形，各個源發(fā)射的EMR基本以徑向、垂直于軸的旋轉(zhuǎn)軸線發(fā)射。
11．根據(jù)權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)矩傳感器，其中，第二邊界為具有與軸的旋轉(zhuǎn)軸線在同一直線上的中心軸的圓柱形，各陣列鄰近該邊界定位。
12．根據(jù)權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)矩傳感器，其中，第二邊界相對于軸的旋轉(zhuǎn)軸線徑向布置，各陣列鄰近該邊界定位。
13．根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)矩傳感器，其中，這個圖案或這些圖案也經(jīng)過處理器處理得出至少其中一個轉(zhuǎn)矩輸入部件的角速度。
14．根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)矩傳感器，其中，這個圖案或這些圖案也經(jīng)過處理器處理得出至少其中一個轉(zhuǎn)矩輸入部件的相對角位置。
15．根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)矩傳感器，其中，所述至少一個光柵帶包括高或低透射率的特征或附加區(qū)域，所得到的圖案也經(jīng)過處理得出連接相應光柵元件的轉(zhuǎn)矩輸入部件的絕對角位置。
16．根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)矩傳感器，其中，所述至少一個光柵帶布置成一連串條形碼的形式。
17．根據(jù)權(quán)利要求16所述的轉(zhuǎn)矩傳感器，其中，在相應陣列上得到的圖案經(jīng)過處理得出至少其中一個轉(zhuǎn)矩輸入部件的絕對角位置。
18．根據(jù)權(quán)利要求16所述的轉(zhuǎn)矩傳感器，其中，在相應陣列上得到的圖案經(jīng)過處理得出兩個轉(zhuǎn)矩輸入部件的絕對角位置，并且對第一和第二轉(zhuǎn)矩輸入部件的絕對角位置之差進行處理以提供軸轉(zhuǎn)矩大小的量度。
19．根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)矩傳感器，其中，所述陣列包括一維或二維陣列，電荷耦合裝置，大規(guī)模集成電路視覺芯片或橫向效應光電二極管。
20．根據(jù)權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)矩傳感器，其中，所述透明媒質(zhì)包括聚合物或玻璃。
21．根據(jù)權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)矩傳感器，其中，所述光柵帶包括第一或第二邊界上的金屬鍍層。
22．根據(jù)權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)矩傳感器，其中，所述光柵帶包括通過對第一或第二邊界進行光刻處理所沉積的涂層。
23．根據(jù)權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)矩傳感器，其中，所述光柵帶包括媒質(zhì)的物理或化學改變。
全文摘要
一種轉(zhuǎn)矩傳感器包括具有通過扭轉(zhuǎn)適應耦合(2)連接的第一和第二轉(zhuǎn)矩輸入部件(1a,1b)的轉(zhuǎn)軸,從而能使轉(zhuǎn)矩輸入部件之間的相對角偏轉(zhuǎn)作為軸轉(zhuǎn)矩大小的函數(shù)。傳感器具有EMR源(5,6)和陣列或EMR靈敏檢測器(7,8)。每個轉(zhuǎn)矩輸入部件具有帶交替的對EMR有高、低透射率區(qū)域的光柵帶(101,102)。光柵帶位于EMR從源傳遞到陣列的傳遞路徑(90,91)。通過位于通向陣列的傳遞路徑中的光柵帶的交替的高、低透射率區(qū)域所造成陣列上的入射EMR產(chǎn)生圖案。陣列上的圖案經(jīng)處理得出轉(zhuǎn)矩部件的相對角偏轉(zhuǎn)并提供軸轉(zhuǎn)矩大小的量度。
文檔編號G01L3/10GK1282420SQ98812361
公開日2001年1月31日 申請日期1998年12月15日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月17日
發(fā)明者K·Y·埃森豪爾 申請人:畢曉普創(chuàng)新有限公司