CN103256901A - 用于获取在转动部件上的旋转角的组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于测量在转动部件上的旋转角的组件，其具有：第一测量器件，其包括与转动部件相联接的带有相应的接收器的第一盘，第一测量器件根据转动部件的旋转运动提供能被评价以确定所述转动部件的角度位置的重复的精确信号；以及用于产生粗略信号的第二测量器件，所述粗略信号可被评价用于获得转动部件的旋转圈数。根据本发明，第一测量器件为光学的测量系统，其包括至少两个分别具有光发射器和被实施成光探测器的接收器的精测量通道和布置在所述至少两个精测量通道的照射路径中的被实施成具有偏振滤波器的检偏振轮的第一盘，其中，所述至少两个精测量通道引导具有不同的偏振面的偏振光穿过被实施成带有偏振滤波器的检偏振轮的第一盘。

Description

用于获取在转动部件上的旋转角的组件
技术领域
本发明涉及一种根据独立权利要求1所述的类型的用于获取在转动部件上的旋转角的组件。
背景技术
在一种已知的转向角传感器中，借助于磁场传感器对用于确定方向盘的旋转圈数的计数轮无接触地进行探测。这种转向角传感器可以磁性的游标原理为基础，其使用两个齿数相差一个齿的带有齿圈的齿轮。这种类型的系统具有下列缺点，即，在切断点火装置时，必须提供静电流，用于在切断点火装置时能够识别方向盘的转动。在长时间不使用车辆的情况下，这导致不期望的车辆电池耗尽。如果不提供这种静电流，则可能在切断点火装置或断开电池的情况下旋转方向盘时无法明确地确定转向角。
例如，在公开文献DE4409892A1中描述了一种用于获取转向角的传感器。所描述的传感器包括被多个接收器探测并且以与方向盘相同的速度旋转的第一编码盘、以及以第一编码盘的速度的四分之一旋转的第二编码盘、以及被相应的接收器探测的三个编码轨道。通过合适地结合如此产生的精确信号和粗略信号，能够进行单值的角度确定。例如，应用磁性霍尔传感器作为接收器。
发明内容
带有独立权利要求1所述的特征的根据本发明的用于获取在转动部件上的旋转角的组件以有利的方式通过少量机械的组件实现简化地、成本适宜地对旋转角的获取。此外，紧接在第一光强度测量之后当前的旋转角是固定的，从而可提供“真实功率接通(true poweron)”能力。此外，该用于获取在转动部件上的旋转角的组件的实施方式仅仅具有非常小的电功率并且实现高的精度，因为仅需考虑小的机械误差。
本发明的实施方式提供了一种用于测量在转动部件上的旋转角的组件，其包括：第一测量器件，所述第一测量器件包括与转动部件相联接的具有相应的接收器的第一盘，该第一测量器件根据转动部件的转动运动提供重复的精确信号，所述精确信号可被评价用于确定转动部件的角度位置；以及该组件还包括用于产生粗略信号的第二测量器件，该粗略信号可被评价用于获得转动部件的旋转圈数。根据本发明，第一测量器件被构造成光学的测量系统，其包括至少两个分别具有光发射器和实施成光探测器的接收器的精测量通道和布置在该至少两个精测量通道的照射路径中的被实施成具有偏振滤波器的检偏振轮的第一盘，其中，该至少两个精测量通道引导具有不同的偏振面的偏振光穿过被实施成具有偏振滤波器的检偏振轮的第一盘。
根据本发明的用于获取在转动部件上的旋转角的组件的实施方式例如可用于确定在机动车中的转向角回转或油门踏板位置。
通过在从属权利要求中提出的措施和改进方案，实现了对在独立权利要求1中给出的用于获取在车辆中的转动部件上的旋转角的传感器组件的有利改进。
特别有利的是，被实施成具有偏振滤波器的检偏振轮的第一盘可具有预先规定的优选为π或2π的周期。在π周期的检偏振轮中，滤波器线彼此平行，并且在2π周期的检偏振轮中，滤波器线分别旋转了一个小的角度。
在根据本发明的用于获取在转动部件上的旋转角的组件的有利的设计方案中，第二测量器件可构造成具有至少一个粗测量通道的光学的测量系统，该粗测量通道具有光发射器和被实施成光探测器的接收器。由此，可以有利的方式以相同的测量原理获得用于获取或获得在转动部件上的旋转角的所有物理参数，从而需要较少的组件。为了将转动部件的旋转圈数编码，第二测量器件可具有与转动部件相联接的带有可透光的区域和不可透光的区域的编码盘，其中，可透光的区域具有至少一个可透光的圆环段，其在至少一个粗测量通道的照射范围中作用并且被该粗测量通道探测。通过合适地选择在编码盘中的可透光的圆环段及其数量，可确定转动部件的粗略旋转圈数。此外，带有可透光的区域和不可透光的区域的编码盘可通过传动机构与转动部件相联接，其中，该传动机构可具有优选为1∶8或1∶16的预先规定的传动比。由此，用于旋转圈数测量的转动部件的角度变化可根据所选择的检偏振轮的周期被转换成较小的角度变化。同时，转动部件的旋转运动可以1∶1或1∶2的比例被传递到检偏振轮上，利用该检偏振轮进行精确测量。备选地，转动部件的旋转圈数可作为在至少一个粗测量通道的光发射器和光探测器之间的距离变化求出，其中，转动部件的旋转被转换成至少一个粗测量通道的光探测器的线性的运动，并且其中，可通过光强度测量求出该距离变化。光探测器的线性的移动例如可通过蜗轮蜗杆机构实现。在求出该距离变化时能够利用这种情况，即，点状光源的光强度随着与光源的距离而二次方地减小。那么，通过在不同的距离/旋转时在光强度中的区别能够获得转动部件的旋转圈数。
在根据本发明的用于获取在转动部件上的旋转角的组件的另一有利设计方案中，测量通道的各个光发射器可实施成光学的去耦装置，其可由共同的非偏振光源供给。由此，以有利的方式能够避免由于所使用的光源的递降引起的系统的易故障性，因为仅仅应用一个光源而非多个光源，该光源的光线例如在一个光纤中被分配到多个测量通道上。此外，可设置带有参考光发射器和参考探测器的参考测量通道，其求出并提供用于光强度的参考值。那么，通过该参考测量能够确定光强度下降并且在进一步信号处理或信号评价时考虑该光强度下降。此外，可给出相应的光学的和/或声学的报警或故障显示。此外，为了产生具有不同偏振面的偏振光，第一精测量通道的照射路径由具有第一偏振面的偏振盘影响，并且第二精测量通道的照射路径由具有第二偏振面的偏转盘影响，其中，第二偏振面具有优选地相对于第一偏振面的旋转角。
在根据本发明的用于获取在转动部件上的旋转角的组件的另一有利设计方案中，第一精测量通道的第一光发射器发出在第一偏振面中的偏振光，并且第二精测量通道的第二光发射器可发出在第二偏振面中的偏振光，其中，第二偏振面具有相对于第一偏振面优选为45°的旋转角。
光强度曲线在最小值和最大值附近非常平缓，从而在该区域中角度分辨率很低。通过在两个精测量通道之间的偏振面旋转了优选地45°的角度，第二精测量通道位于具有特别高的斜率和良好的角度分辨率的区域中，而第一精测量通道位于具有不良的角度分辨率的区域中，从而在使用具有不同的偏振面的两个精测量通道时，能够在任意时刻获得良好的角度分辨率。此外，通过两个偏振的精测量通道的组合的测量，角度精确测量在180°的角度范围中为单值的。为了在360°的角度范围上实现角度精确测量的单值性，要么可以以1∶2的比例将方向盘角运动转换到检偏振轮上，要么应用2π周期的检偏振轮。
附图说明
本发明的实施例在附图中示出，并且在下面进行详细阐述。在附图中相同的附图标记表示功能相同或类似的部件或元件。
图1以示意图示出了根据本发明的用于测量在转动部件上的旋转角的组件的实施例，
图2以示意图示出了π周期的检偏振轮，其用于图1中的根据本发明的用于测量在转动部件上的旋转角的组件，
图3以示意图示出了2π周期的检偏振轮，其用于图1中的根据本发明的用于测量在转动部件上的旋转角的组件，
图4示出了在转动部件完全旋转一圈时具有彼此旋转了45°的偏振面的两个偏振的精测量通道的、可根据π周期的检偏振轮的角度位置测得的光强度，
图5示出了在转动部件完全旋转一圈时具有彼此旋转了45°的偏振面的两个偏振的精测量通道的、可根据2π周期的检偏振轮的角度位置测得的光强度，
图6示出了可根据粗测量通道的光发射器和光探测器的距离测得的光强度。
具体实施方式
如可从图1至3中看出的那样，根据本发明的用于获取在转动部件3上的旋转角的组件1的所示出的实施例具有：第一测量器件5，其包括与转动部件3相联接的带有对应的接收器34.1、34.2的第一盘32，该第一测量器件根据转动部件3的转动运动提供重复的精确信号，该精确信号由评价和控制单元10评价以确定转动部件3的角度位置；以及用于产生粗略信号的第二测量器件7，由评价和控制单元10评价该粗略信号以获得转动部件3的旋转圈数。根据本发明，第一测量器件5构造成光学的测量系统，其包括至少两个分别具有光发射器24.1、24.2和实施成光探测器34.1、34.2的接收器的精测量通道K1、K2和布置在该至少两个精测量通道K1、K2的照射路径中的被实施成带有偏振滤波器的检偏振轮的第一盘32、32′，其中，该至少两个精测量通道K1、K2引导具有不同偏振面的偏振光线穿过被实施成带有偏振滤波器的检偏振轮的第一盘32、32′。在所示出的实施例中，设置两个用于产生由评价和控制单元10评价以获得转动部件3的旋转角的精确信号的精测量通道K1、K2。实施成带有偏振滤波器的检偏振轮的第一盘32、32′可具有优选为π或2π的预先规定的周期。图2示出了被实施成带有偏振滤波器的检偏振轮的第一盘32的π周期的实施方式，并且图3示出了被实施成带有偏振滤波器的检偏振轮的第二盘32′的2π周期的实施方式。
如还可从图1中看出的那样，第二测量器件7同样被构造为具有至少一个粗测量通道K3、K4的光学测量系统，该粗测量通道具有光发送器24.3、24.4和实施成光探测器34.3、34.4的接收器。在所示出的实施例中，设置两个用于产生粗略信号的粗测量通道K3、K4，由评价和控制单元10评价该粗略信号以求出转动部件3的旋转圈数。
此外，为了将转动部件3的旋转圈数编码，第二测量器件7包括与转动部件3相联接的带有可透光区域和不可透光区域的编码盘36。在所示出的实施例中，可透光的区域具有两个可透光的圆环段36.1、36.2。在此，第一可透光的圆环段36.1在第一粗测量通道K3的照射范围中作用并且被第一粗测量通道K3探测。第二可透光的圆环段36.2在第二粗测量通道K4的照射范围中作用并且被第二粗测量通道K4探测。此外，带有可透光区域和不可透光区域的编码盘36通过未示出的传动机构与转动部件3相联接，该传动机构具有优选为1∶8或1∶16的预先规定的传动比。
如还可从图1中看出的那样，用于获取在转动部件3上的旋转角的组件1包括发光单元20和探测单元30。该发光单元20包括多个实施成光学去耦装置的光发射器24.1至24.4、RS，其由共同的非偏振的光源22供给。探测单元30包括多个光探测器34.1至34.4、RD，其接收由光发射器24.1至24.4、RS发射的光线。如还可从图1中看出的那样，第一光发射器24.1和第一光探测器34.1被分配给第一精测量通道K1，第二光发射器24.2和第二光探测器34.2被分配给第二精测量通道K2，第三光发射器24.3和第三光探测器34.3被分配给第一粗测量通道K3，并且第四光发射器24.4和第四光探测器34.4被分配给第二粗测量通道K4。此外，设置带有参考光发射器RS和参考探测器RD的参考测量通道R，其求出并提供用于光强度的参考值。评价和控制单元10评价利用光探测器34.1至34.4获取的光强度值和利用参考探测器RD获取的参考值以求出转动部件3的旋转角。为了避免在各个光学的通道K1至K4和R之间的串扰，可设置屏蔽墙。备选地，通道可以有利的方式以方位角在整个角度范围上分布。
如还可从图1中看出的那样，用于产生具有不同偏振面的偏振光的发光单元20包括具有偏振盘26，该偏振盘具有影响第一精测量通道K1的照射路径的第一偏振面26.1和影响第二精测量通道K2的照射路径的第二偏振面26.2的。在此，第二偏振面26.2具有相对于第一偏振面26.1优选为45°的旋转角
Figure BSA00000859316200071
备选地，用于两个精测量通道K1、K2的发光单元20具有直接产生和发出偏振光的光发射器。在此，第一精测量通道K1的第一光发射器可发出在第一偏振面26.1中的偏振光，并且第二精测量通道K2的第二光发射器可发出在第二偏振面26.2中的偏振光，其中，第二偏振面26.2具有相对于第一偏振面26.1优选地45°的旋转角
Figure BSA00000859316200072
根据本发明的用于获取在转动部件3上的旋转角的组件1的实施方式可使用在机动车中例如以用于确定转向角回转或油门踏板位置。
在作为转向角传感器的应用中，根据本发明的组件1在约1500°的角度范围上单值地获取方向盘的当前位置，精确到约4°。为了获得方向盘的角度变化，根据所选择的检偏振轮32、32′的周期，通过未示出的传动机构将用于旋转圈数测量的转动部件3的转动运动以在1∶8和1∶16之间的比例以更小的角度变化转换到编码盘36上。同时，将转动部件3的转动以1∶1或1∶2的比例传递到检偏振轮32、32′上，利用该检偏振轮32、32′进行角度精测量。通过在编码盘36中合适地选择和布置可透光的圆环段36.1、36.2，通过评价和控制单元10确定转动部件3或具体而言方向盘的粗略旋转圈数。
如可从图4和图5中看出的那样，第一精测量通道K1的偏振光信号的可在检偏振轮32后面测得的第一光强度I1、I1′与第一检偏振轮32、32′相对于第一偏振面26.1的角度位置φ和第一光发射器24.1的输出强度Ipol相关地根据公式(1)变化：
I 1 , I 1 ′ = I pol * cos 2 ( ∅ ) - - - ( 1 )
对于带有旋转了角度
Figure BSA00000859316200074
的第二偏振面26.2和相同的检偏振轮32、32′的第二精测量通道K2，根据公式(2)得到偏振的光信号的第二光强度I2、I2′：
Figure BSA00000859316200081
如还可从图4中看出的那样，该用于第一和第二光强度I1、I2的函数在“标准的”π周期的检偏振轮32中首先分别为以π为周期，并且对于每个函数值存在四个相应的角度值φ。对于
Figure BSA00000859316200082
的旋转角，可通过评价第一或第二光强度I1、I2的总和信号I1+I2或差信号I1-I2得出该多值性，随后在0°至360°的角度范围中仅仅还有两个角度值具有相同的函数值。如果方向盘或者说转动部件3的转动以1∶2的比例被转换到检偏振轮32上，那么可从中确定单值的角度值。如还可从图5中看出的那样，备选地可应用特殊的2π周期的检偏振轮32′，其引起所示出的第一和第二光强度I1′、I2′。
以有利的方式，预先规定第二精测量通道K2的第二偏振面26.2相对于第一精测量通道K1的第一偏振面26.1旋转一个角
Figure BSA00000859316200083
光强度曲线在特征曲线的最小值和最大值附近非常平缓，从而在该区域中角度分辨率差。如果第二偏振面26.2相对于第一偏振面26.1旋转了角度
Figure BSA00000859316200084
那么在第一精测量通道K1中的角度分辨率虽然差，然而在相同的时刻，在相应的第二精测量通道K2中角度分辨率由于尤其高的斜率而特别好，从而可准确地获得转动部件3的相应的角度位置φ。此外，通过两个偏振的精测量通道K1、K2的组合测量，由此角度精测量在180°的角度范围上为单值的。为了在360°的角度范围上确保角度精测量的单值性，要么使方向盘角运动应以1∶2的比例传递到π周期的检偏振轮32′上，要么应用特定的2π周期的检偏振轮32′。
作为通过编码盘36测量旋转圈数A的备选，转动部件3的旋转圈数A可以作为在至少一个粗测量通道K3、K4的光发射器24.3、24.4和相应的光探测器34.3、34.4之间的距离变化被求出。在此，转动部件3的旋转被转换成至少一个粗测量通道K3、K4的光探测器34.3、34.4的线性运动，并且通过强度测量装置获得该距离变化。如可从图6中看出的那样，点状光源的光强度随着到光源的距离成二次方地减小。通过在不同的距离/旋转时在光强度方面的差别，可求出旋转圈数A。

Claims (10)

1.一种用于测量在转动部件(3)上的旋转角的组件，其具有：第一测量器件(5)，所述第一测量器件包括与所述转动部件(3)相联接的带有相应的接收器(34.1、34.2)的第一盘(32)，所述第一测量器件根据所述转动部件(3)的转动运动提供重复的精确信号，所述精确信号能够被评价用于确定所述转动部件(3)的角度位置；所述组件还具有用于产生粗略信号的第二测量器件(7)，所述粗略信号能够被评价用于获得所述转动部件(3)的旋转圈数，其特征在于，所述第一测量器件(5)为光学的测量系统，其包括至少两个分别具有光发射器(24.1、24.2)和被实施成光探测器(34.1、34.2)的接收器的精测量通道(K1、K2)和布置在所述至少两个精测量通道(K1、K2)的照射路径中的被实施成带有偏振滤波器的检偏振轮的第一盘(32、32′)，其中，所述至少两个精测量通道(K1、K2)引导具有不同偏振面的偏振光穿过所述被实施成带有偏振滤波器的检偏振轮的第一盘(32、32′)。
2.按照权利要求1所述的组件，其特征在于，所述被实施成带有偏振滤波器的检偏振轮的第一盘(32、32′)具有预先规定的优选为π或2π的周期。
3.按照权利要求1或2所述的组件，其特征在于，所述第二测量器件(7)为具有至少一个粗测量通道(K3、K4)的光学测量系统，所述粗测量通道(K3、K4)具有光发射器(24.3、24.4)和被实施成光探测器(34.3、34.4)的接收器。
4.按照权利要求3所述的组件，其特征在于，为了将所述转动部件(3)的旋转圈数编码，所述第二测量器件(7)具有与所述转动部件(3)相联接的具有可透光的区域和不可透光的区域的编码盘(36)，其中，所述可透光的区域具有至少一个可透光的圆环段(36.1、36.2)，所述可透光的圆环段在所述至少一个粗测量通道(K3、K4)的照射区域中作用并且被所述粗测量通道探测。
5.按照权利要求4所述的组件，其特征在于，所述具有可透光的区域和不可透光的区域的编码盘(36)通过传动机构与所述转动部件(3)相联接，其中，所述传动机构具有优选为1∶8或1∶16的预先规定的传动比。
6.按照权利要求3所述的组件，其特征在于，所述转动部件(3)的旋转圈数能够作为在所述至少一个粗测量通道(K3、K4)的光发射器(24.3、24.4)和光探测器(34.3、34.4)之间的距离变化被求出，其中，所述转动部件(3)的转动能够被转换成所述至少一个粗测量通道(K3、K4)的光探测器(34.3、34.4)的线性运动，以及其中，能够通过光强度测量求出所述距离变化。
7.按照权利要求1至6中任一项所述的组件，其特征在于，所述测量通道(R、K1至K4)的至少两个光发射器(24.1至24.4、RS)为光学的去耦装置，其由共同的非偏振光源(22)供给。
8.按照权利要求7所述的组件，其特征在于，设有参考测量通道(R)，所述参考测量通道具有参考光发射器(RS)和参考探测器(RD)，所述参考测量通道求出并提供用于光强度的参考值。
9.按照权利要求7或8所述的组件，其特征在于，为了产生具有不同的偏振面的偏振光，第一精测量通道(K1)的照射路径由具有第一偏振面(26.1)的偏振盘(26)影响，并且第二精测量通道(K2)的照射路径由具有第二偏振面(26.2)的偏振盘(26)影响，其中，所述第二偏振面(26.2)具有相对于所述第一偏振面(26.1)优选为45°的旋转角
Figure FSA00000859316100021
10.按照权利要求1至6中任一项所述的组件，其特征在于，所述第一精测量通道(K1)的第一光发射器发出在第一偏振面(26.1)中的偏振光，并且第二精测量通道(K2)的第二光发射器发出在第二偏振面(26.2)中的偏振光，其中，所述第二偏振面(26.2)具有相对于所述第一偏振面(26.1)优选为45°的旋转角
Figure FSA00000859316100022
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