CN1276060A - 转矩传感器 - Google Patents

Abstract

一种转矩传感器,包括一个转轴,具有第一和第二基本上刚性的转矩输入件,它们通过转短变形连接件予以连接。该连接件使得第一转矩输入件相对于第二转矩输入件产生角变形,其变形量是施加在转轴上的转矩大小的函数。第一格栅件连接在所述第一转矩输入件上或者与之构成一个整体,第二格栅件连接在第二转矩输入件上或者与之构成一个整体。格栅件具有表面,该表面包括交替分布的高反射率区域和低反射率区域,通过转矩变形连接件予以连接。采用一个电磁辐射(EMR)源对所述表面进行照射,在对EMR敏感的一个或者多个检测器阵列上产生图形。该图形的分布是施加在转轴上的转矩的函数,对所述一个或者多个阵列的输出进行处理,从而产生对施加在转轴上的转矩的测量值。

Description

转矩传感器

本发明涉及一种转矩传感器，用于测量轴中转矩的大小，尤其是测量车辆的电力操纵系统中的转轴的转矩大小。

背景技术

电力操纵系统通常采用一个输入轴元件，通过一个中间轴和万向连轴节机构与方向盘相连接。因此，需要输入轴能够朝其中性操纵位置的两侧各旋转一定的角度，例如一圈到两圈。该输入轴至少部分地被操纵齿轮的固定外壳所包围。对电力操纵伺服系统的要求是能够精确地测量转轴中转矩的变化。施加给转轴的转矩通常会使转轴产生角变形，这样的变形使轴的一部分相对于另一部分产生角位移，对这一角位移进行检测，就能够提供对转矩的测量值。

检测装置应当允许转轴在壳体中进行旋转，因此通常采用非接触式或者机械信号发送装置。非接触式检测机构包括基于光学孔洞的装置以及磁性装置，例如磁致伸缩或者可变磁阻耦合。机械式装置包括可滑动连接的电位计和其他指示装置。

为了改进这样的检测装置的精度，需要采用一个扭力杆形式的转矩连接件，使它与位于转轴两端的两个输入件相连接。当转矩被施加在两个输入件之间时，该扭力杆产生变形，导致一个增大的角位移，这样的位移允许采用灵敏度较低或者精度较低的检测装置。

在采用常规旋转液压操纵阀的情况下，扭力杆可以为单独部件的形式。另外，在采用某些建议的电动操纵系统的情况下，扭力杆事实上可以与轴件形成一个整体，成为轴的一个能够在扭力作用下产生变形(亦即具有较小的扭曲刚性)的部分，它在轴件的两端与基本上刚性的转矩输入件相连接。在后者系统中，所述轴件可以被加工为一个单个的钢制部件，仅有的要求是与两个基本上刚性的转矩输入件相连接的能够相对扭力变形的连接部分的角变形具有足够低的扭曲变形刚度，从而使检测系统能够精确地测量其角变形。

一般说来，采用扭力杆需要采用安全机构，该机构是一种转矩限制装置，用于当发生不可避免转矩过载情况时，防止扭力杆出现故障。

这样的转矩限制装置在车辆操纵技术领域中是人们所熟知的，本说明书中将不对其进行说明。

与本发明密切相关的已知技术是美国专利5369583号以及国际申请PCT/GB95/02017号，它们记载了采用测量转矩的光学圆盘和孔洞的检测器。

本发明的实质性特点在于提供了格栅件，其表面上具有交错分布的高反射率区域和低反射率区域，通过扭力变形连接件予以连接。这些表面由一个电磁辐射(EMR)源予以照射，典型的EMR源为紫外光、可见光或者红外光、它们在一个或者多个对EMR敏感的检测器阵列上形成图形。阵列包括CCD装置、VLSI显示芯片、一维或者两维的发光二极管阵列、以及侧向效果的发光二极管(通常称为相敏检测的(PSD)或者位置敏感装置)。所述图形的排列是施加在转轴上的转矩的函数，所述一个或者多个阵列的输出经过处理，产生施加在转轴上的转矩的测量值。所述高反射率区域和低反射率区域围绕转轴的旋转轴线，以轴向或者径向方式予以排列，因为有限的阵列尺寸导致不可能在任何瞬间观看到整个圆周或者径向表面。与美国专利5369583号以及国际申请PCT/GB95/02017号相比，采用这种结构的优点在于：

第一，采用反射性格栅件通过采用圆筒形格栅件，能够获得更为简单和更为紧凑的结构，而采用已知技术的圆盘孔洞，在不显著增大直径的情况下，就不能获得这样的效果。本发明使EMR源和阵列能够安装在相同的机构中，这样就进一步节约了空间，降低了成本。

第二，由于格栅件可以在一个轴向方向上从变送器的一端取下来而不影响EMR源或者阵列，从而使该转矩传感器能够更为容易地予以组装和拆卸。

第三，采用反射性格栅件的另一个优点是EMR由表面予以反射，这样就不会象采用具有一定厚度的孔洞那样由于边缘漫射而受到影响。上述漫射限制了装置的分辩率。

第四，采用反射性格栅件能够采用熟知而又精确的照相或者金属涂覆技术，例如在玻璃上涂覆金属。在孔洞型装置上采用这些技术时，由于EMR必须在涂覆金属的区域之间穿过玻璃而产生内部反射、衍射、或者随着时间而降质，有可能导致降低分辩率或者其他问题。

最后，采用反射性格栅件导致可以采用交错分布的凸起，它能够实现与限制扭力杆最大角变形的机构之间的可使运动消失的连接，因而不需要采用单独的转矩限制装置，这降低了成本，减小了变送器的复杂程度。

对发明的概略说明

本发明提供了一种转矩传感器，它包括：一个转轴，该转轴至少部分地被一个固定的外壳包围，所述转轴的旋转轴线相对于所述外壳固定，该转轴包括第一和第二基本上刚性的转矩输入件，它们通过可扭转变形的连接件予以连接，该连接件使得第一转矩输入件相对于第二转矩输入件产生角偏移，其偏移量是施加在转轴上的转矩大小的函数，第一格栅件连接在所述第一转矩输入件上或者与之构成一个整体，第二格栅件连接在第二转矩输入件上或者与之构成一个整体，第一格栅件具有第一表面，第二格栅件具有第二表面，所述传感器还包括一个或者多个电磁辐射(EMR)源，以及一个或者多个EMR源检测器阵列，其特征在于：每一个源对一个或者两个所述表面进行照射，每一个阵列接受有所述一个或者两个表面反射的入射EMR，所述对每一个表面进行照射的一个或者多个EMR源以及接受由所述表面反射的入射EMR一个或者多个阵列都排列在这一表面的同一侧，并相对于外壳固定，两个表面都具有交错分布的高反射率区域和低反射率区域，由一个或者两个表面上交错分布的高反射率区域和低反射率区域反射在阵列上的EMR，在一个或者多个阵列的每一个上产生一个或者多个图形，一个或者多个阵列上的一个或者多个图形由处理器进行处理，以便得出第一转矩输入件相对于第二转矩输入件的角偏移，从而获得对施加在转轴上的转矩的测量值。

在本发明的一些实施例中，第一阵列接受由第一表面反射的入射EMR，产生第一图形；第二阵列接受由第二表面反射的入射EMR，产生第二图形。最好使处理器接受来自第一和第二阵列的输入，并使该处理器包括能够确定第一和第二图形的相对位移的软件和硬件电子装置。

在本发明的另一些实施例中，第一和第二表面可以是相邻的，或邻接的，一个单一的阵列接受由第一和第二表面反射的EMR，并形成单个的图形，该图形包括由第一表面反射的EMR形成的第一子图形以及由第二表面反射的EMR形成的第二子图形。最好使处理器接受单个阵列的输入，并使该处理器包括能够确定所述第一和第二子图形的相对位移的软件和硬件电子装置。所述单个的图形最好是一个插值数字图形，由第一子图形插入到第二子图形构成。

最好使所述第一和第二表面中的至少一个基本上是圆筒形的，其中心轴线与转轴的旋转轴线共轴，接受由所述至少一个表面反射的EMR的阵列位于所述表面的径向内侧或者外侧。所述至少一个基本上为圆筒形的表面由于相应的格栅件包括围绕其周边的径向突出的凸起，因而是不连续的，所述凸起基本上是轴向对正的，所述高反射率区域对应于凸起上相对于圆筒形表面的中心轴线具有最大半径的区域，低反射率区域在圆周上对准凸起之间的不连续间隙或者具有较小半径的区域。所述格栅件最好用金属或者塑料材料制成，所述具有最大半径的区域是平滑加工、模制、烧结或者用涂料或者材料沉积进行表面处理的，以使之具有高反射率，所述不连续或者具有较小半径的区域是机加工、模制、烧结或者采用涂料或者材料沉积进行表面处理的，以使之具有低反射率。

此外，在某些应用场合，所述至少一个基本上为圆筒形的表面由于相应的格栅件基本上为平滑圆筒，因而基本上是连续的，表面的内侧或者外侧表面包括交错分布的高反射率区域和低反射率区域，所述区域基本上轴向对正。所述高反射率区域最好是经过金属化处理的、光亮的或者浅色的，低反射率区域最好是基本上透明的、粗糙的或者深色的。

此外，在某些应用场合，所述第一或者第二表面中的至少一个基本上是相对于转轴的旋转轴线径向分布的，所述接受由至少一个表面反射的EMR的阵列在所述表面的一侧轴向定位。所述至少一个径向分布的表面由于相应格栅件具有围绕其周边的轴向凸起，因而是不连续的，所述凸起是基本上径向分布的，所述高反射率区域对应于凸起的具有最大轴向突出的区域，低反射率区域角度地对准凸起之间的不连续间隙区域或者具有较小轴向突出的区域。所述格栅件最好是用金属或者塑料材料制成的，所述具有最大轴向突出的区域是平滑加工、模制、烧结或者采用涂料或者材料沉积进行表面处理的，以使之具有较高的反射率，所述不连续间隙或者具有较小轴向突出的区域通过加工、模制、烧结或者采用涂料或者材料沉积进行表面处理，以使之具有较低的反射率。

此外，在某些应用场合，由于相应的格栅件，其包括基本上平滑的圆盘或者平坦的环形件，因此所述径向分布的表面基本上是连续的，所述圆盘或者平的环形件的一侧具有交错分布的高反射率区域和低反射率区域，这些区域基本上径向分布，所述高反射率区域是经过金属化处理的、光亮的或者浅色的，所述低反射率区域是基本上透明的、粗糙的或者深色的。

所述阵列最好包括一维阵列或者两维阵列，一个CCD、一个VLSI显示芯片或者侧向效果的发光二极管。

所述一个或者多个图形最好也由处理器进行处理，以便获得至少一个转矩输入件的角速度。至少一个格栅件的表面包括高反射率或者低反射率的区域或者附加区域，它们所形成的图形经过处理，以获得转矩输入件的绝对角位置，所述至少一个格栅件与该转矩输入件相连接或者与之构成一个整体。

所述至少一个格栅件的表面上的交错分布的高反射率区域和低反射率区域被安排成单个二进制条形码连续分布的形式，以使单个的条形码不相重叠。另一种不同的方式是，至少一个格栅件的表面上的交错分布的高反射率区域和低反射率区域被安排成单个二进制条形码连续分布的形式，使单个的条形码相重叠。在相应阵列上形成的图形经过处理，获得转矩输入件的绝对角位置，所述至少一个格栅件与该转矩输入件相连接或者与之构成一个整体。最好在两个格栅件上都采用所述连续二进制条形码，第一和第二转矩输入件的绝对角位置之间的差用于提供施加在轴上的转矩的测量值。

所述第一和第二格栅件最好是相邻的，并包括径向延伸的交错分布的凸起，在这些凸起之间提供了间隙，从而在第一和第二转矩输入件之间提供了可使旋转空动连接，这样就可以限制能够转矩变形连接件的最大角变形。

附图说明

参考附图举例说明本发明，其中：

图1是两个转矩输入件通过一个扭力杆予以连接的示意图，示出了格栅件表面上的高反射率区域和低热反射率区域以及相关的两个检测器阵列；

图2是基于图1所示概念提出的本发明第一种实施例的转矩传感器的剖视图；

图3是两个转矩输入件通过一个扭力杆予以连接的示意图，示出了相邻格栅件表面上的高反射率区域和低热反射率区域以及相关的单个检测器阵列；

图4是包括凸起的两个格栅件交错配合的分解视图；

图5是图4的另一个视图，示出了两个格栅件以及相关单个检测器阵列的实际关系；

图6是基于图4、5所示概念的本发明第二种实施例的转矩传感器的剖视图；

图7是图2、6、8、11、12、16所示实施例中采用的安全机构的剖视图；

图8是本发明第三种实施例的转矩传感器的剖视图；所采用的格栅件包括基本上平滑的圆筒表面；

图9详细示出了图8所示转矩传感器的格栅件；

图10是与图1相似的示意图，不同的是所示格栅件具有径向分布的表面；

图11是基于图10所示概念的本发明第四种实施例的转矩传感器的剖视图；

图12是本发明第五种实施例的转矩传感器的剖视图，该变送器采用轴向突出的而不是径向突出的凸起；

图13和图14分别是分解和组装的透视图，示出了图12所示的轴向突出交错分布的凸起；

图15是两个转矩输入件以及具有径向分布表面的附加格栅件的示意图；

图16是基于图15所示概念的本发明第六种实施例的转矩传感器的剖视图；

图17和图18分别是分解和组装透视图，示出了交错啮合的格栅件，其凸起也提供了安全机构；

图19是本发明第三种实施例的另一种不同的方式，能够测量其中之一的转矩输入件的绝对角位置；

图20a是本发明第一种实施例的第一和第二检测器阵列所产生的典型图形，其中所述阵列为两维阵列；

图20b是本发明第一种实施例的第一和第二检测器阵列所产生的典型图形，其中所述阵列是一维阵列；

图21a是本发明第二种实施例的单个检测器阵列所产生的典型图形，其中所述阵列为两维阵列；

图21b是本发明第二种实施例的单个检测器阵列所产生的典型图形，其中所述阵列为一维阵列。

图22是本发明第三种实施例的单个两维检测器阵列所产生的典型图形；

图23a是本发明第四种实施例的第一和第二检测器阵列所产生的典型图形，其中所述阵列为两维阵列；

图23b是是本发明第四种实施例的第一和第二检测器阵列所产生的典型图形，其中所述阵列为一维阵列；

图24a是本发明第五种实施例的单个检测器阵列所产生的典型图形，其中所述阵列为一个两维阵列；

图24b是本发明第五种实施例的单个检测器阵列所产生的典型图形，其中所述阵列为一个一维阵列；

图25是本发明第六种实施例的单个两维检测器阵列所产生的典型图形；

图26a-e是本发明第三种实施例另一种不同方式的格栅件的相继相对位置，也能够测量转矩输入件的绝对角位置；

图27详细示出了图26a-e所示二进制条形码中的一个上的高反射率区域和低反射率区域；

图28a和图28b示出了本发明第三种实施例另一种不同方式的格栅件的相继相对位置，也能够测量转矩输入件的绝对角位置；

图29详细示出了图28a、28b所示二进制条形码中的一个上的高反射率区域和低反射率区域。

如图1所示，格栅元件3、4安装在转轴的转矩输入轴1a、1b上，位于扭力杆形式的转矩变形连接件2的两端。格栅元件3、4包括高反射率区域和低热反射率区域交替分布的表面。电磁辐射(EMR)源5、6用于对所述表面进行照射。对EMR敏感的检测器阵列7、8接受该表面反射的EMR，阵列7、8所产生的图形由处理器9进行处理。

图2示出了本发明第一种实施例的转矩传感器，它采用图1所示的构思。圆筒形格栅件3、4具有高反射率区域和低热反射率区域交替分布的表面，它们安装在转矩输入轴1a、1b上，转矩输入轴1a、1b分别与扭力杆2的任意一端相连接。在另一实施例中(图中未示)，两个格栅件或者其中任何一个可以与相应的转矩输入件形成一个整体。该装置封装在一个外壳10中，并通过轴承11、12予以支持。EMR源5、6用于照射所述表面。检测器阵列7、8接受表面四反射的EMR，阵列所产生的图形信号由处理器9进行处理，以提供转矩的测量值。当转矩通过转矩输入轴1a、1b施加在扭力杆2上时，扭力杆2产生角变形，导致一个格栅图形相对于另一个格栅图形的位移。安全机构15通过对转矩输入件1a相对于转矩输入件1b的角变形量进行限制，从而限制施加扭力杆2所承受的最大转矩。这样的安全机构在动力操纵领域中是人们所熟知的。

图3示出了本发明的另一个实施例。圆筒形格栅件17、18中的每一个都具有连续的圆筒形表面，该表面包括基本上轴向延伸的交替分布的高反射率区域和低反射率区域，格栅件17、18分别安装在转矩输入件1a、1b上，转矩输入件1a、1b分别与扭力杆2的任意一端相连接。格栅件17和18的安装方式使它们彼此相邻。EMR源19用于对两个表面进行照射，检测器阵列20接受两个表面所反射的EMR，阵列所产生的图形信号处理器9进行处理，以提供转矩的测量值。

图4、5、6示出了本发明的第二种实施例。圆筒形格栅件21、22安装在转矩输入件1a、1b上，转矩输入件1a、1b分别与扭力杆2的任意一端相连接。格栅件21、22的外圆周表面是不连续的，其一部分分别由基本上轴向对准、径向突出的凸起13、14形成。具有高反射率的区域对应相对于其共同轴线16具有最大半径的凸起，这就是外圆周区域13a，14a，该区域可以通过平滑加工、模制或者烧结方式，或者通过在表面上涂覆涂料或者材料沉积处理表面，以便使之具有所需要的反射率。具有低反射率的区域对应于格栅件21、22的外圆周表面上的不连续间隙，这就是13b、14b所表示的区域，在这一实施例中，由于该区域实际是分别由每一个格栅件21、22的相邻凸起13、14之间的径向延伸空腔13c、14c构成的，因此它们是完全不反射的。在另一个实施例中(图中未示)，空腔也可以通过去掉一部分来形成，使其半径小于所述最大半径，这样所获得的具有较小半径的部分的表面可以通过加工、模制或者烧结方式，或者通过涂覆涂料或材料沉积处理表面，使之具有较小的反射率。图5示出了将格栅件21、22组装在一起的情况。这一装置被封装在外壳10中，并由轴承11、12予以支持。EMR源19用于照射表面，检测器阵列20接受分别由格栅件21、22外圆周表面上的高反射率区域13a、14a所反射的EMR。阵列19所产生的图形包括分别由区域13a、14a反射的EMR所产生的以交错方式排列的子图形，该图形由处理器9进行处理，以提供所测量的转矩。

图7以剖视图方式示出了安全机构15，该机构通过对其角位移提供一个最大值限制，从而限制了扭力杆2所承受的最大转矩。参见图2，部件51是转矩输入件1a的一部分，部件52是转矩输入件1b的一部分，它们相互作用以限制扭力杆2的最大角位移。当施加在扭力杆2上的转矩达到一个预定的最大值时，部件51、52以转动方式相互接触，为扭力杆2提供了一个另外的转矩承受途径。

图8、9示出了本发明的第三种实施例。圆筒形格栅件25、26中的每一个都具有基本上平滑的圆筒表面，其上交替分布了高反射率和低反射率区域，它们分别与转矩输入件1a、1b相连接，转矩输入件1a、1b分别与扭力杆2的两端相连接。该机构被封装在外壳10中，由轴承11、12予以支持。通过金属涂覆或者采用光亮或浅色材料，或表面处理，形成基本上轴向对准的高反射率区域25a、26a。基本上透明的、粗糙化或者暗色材料或表面处理形成了彼此相距的低反射率的区域25b、26b。EMR源19用于对两种表面进行照射，检测器阵列20接受由表面反射的EMR，阵列所产生的图形由处理器9进行处理，以便提供转矩的测量值。防故障部件15的剖视图如图7所示，如同上面所述，该部件限制扭力杆2所承受的最大转矩。

图10、11示出了本发明的第四种实施例。圆筒形格栅件29、30分别与转矩输入件1a、1b相连接，具有连续的径向分布的表面23、24。这些径向分布的表面与旋转轴线16相垂直，具为相互共线的中心轴线。每一个表面包括基本上径向交错分布的高反射率区域27和低反射率区域28。格栅件29、30由外壳10予以封装，该机构由轴承11、12予以支持。EMR源31、32用于对表面进行照射，检测器阵列33、34接受由表面反射的EMR，由阵列所产生的图形由处理器9进行处理。当转矩在转矩输入件1a和1b之间予以施加时，扭力杆2产生角位移，从而导致一个图形相对于另一个图形产生位移。防故障部件15的剖视图如图7所示，如同上面所述，该部件限制扭力杆2所承受的最大转矩。

图12、13、14示出了本发明的第五种实施例。格栅件35、36包括径向分布的表面，该表面与旋转轴线16相垂直，其为相互共线的中心轴线。该表面分别由径向突出的凸起37、38形成，所述凸起37、38的最大轴向突出部位37a、38a提供了高反射率区域，凸起之间的不连续间隙部位37b、38b提供了低反射率区域。凸起37的根部部位37C和侧部37d以及凸起38的侧部38d与区域37a、38a相比具有较小的轴向突出，通过机械加工、模制、烧结或者采用涂料或材料沉积进行表面处理，使之具有较小的反射率。在图14中，格栅件交错地相互配合。该机构被封装在外壳10中，并由轴承11、12予以支持。EMR源39用于对表面进行照射，检测器阵列40接受由表面反射的EMR。阵列19产生的图形包括分别由区域37a、38a反射的EMR产生的交错分布的子图形，所述图形由处理器9进行处理，以提供对转矩的测量值。防故障部件15的剖视图如图7所示，如同上面所述，该部件限制扭力杆2所承受的最大转矩。

图15、16示出了本发明的第六种实施例。格栅件41、42分别与转矩输入件1a、1b相连接，包括连续径向分布的表面43、44。这些径向分布的表面基本上是共面的，并与旋转轴线16同心。每一个表面是平滑的，包括径向交错分布的高反射率区域和低反射率区域。采用金属涂覆或者采用其他光亮或浅色的材料或表面处理，形成具有高反射率的区域41a、42a。基本上透明的、经过粗糙化处理或者用暗色材料或表面处理，形成具有低反射率的区域41b、42B。采用EMR源39、检测器阵列40和处理器9来产生转矩的测量值。

图17、18是本发明第二种实施例的另一种不同的实施方式(参见图4、5、6)。两个格栅件44、45是相邻的，其包括径向延伸的交错啮合的凸起44a、45a，它们提供的转矩测量值的方式与第二种实施例的格栅件21、22相似。凸起44a、45a之间的间隙在第一和第二转矩输入件之间提供旋转空动连接，从而限制了扭力杆2的最大角位移。当施加在转矩输入件1a、1b之间的转矩在两个方向上达到预定的最大值时，凸起44a、45a相接触，为扭力杆2提供了另一个转矩承受途径，因而在取消安全机构15的同时保留了其功能。

图19示出了本发明第三种实施例的另一种不同的方式(参见图8和图9)，然而应当指出的是其所示的构思可以应用到本说明书中介绍的任何一个实施例。与图8、图9所示的相似，两个格栅件46、47具有圆筒形的表面，其中包括交错分布的高反射率区域和低反射率区域。除了这些区域之外，在其中一个表面的预定角位置上增加了至少一个附加的高反射率或者低反射率的“原始标记”区域48(或者是一个轴向伸长的已经存在的区域，图中未示)。EMR源19用于对两个区域进行照射，检测器阵列20接受由表面所反射的EMR，在阵列上所产生的图形由处理器9进行处理，以提供转矩的测量值以及转矩输入件的绝对角位置，相关格栅件与所述转矩输入件相连接或者形成一个整体。

图20-25示出了在本发明各种不同的检测器阵列组合上由入射的EMR所产生的图形。需要指出的是，在所有这些图中，黑色部分对应于图形的高照射部分，而非黑色部分(亦即白色部分)对应于图形的低照射(或者基本上不照射)部分。

图20a、20b示出了在本发明第一种实施例的第一和第二阵列上由入射的EMR所产生的典型图形。在图20a中，所述阵列为两维阵列，其中每一个例如可以采用美国德克萨斯仪器公司产生的TC277黑白CCD图像检测器，它具有699×288象素，其有效视窗尺寸为大约8mm×6mm。用于对图形进行处理的方法对于图像分析领域中的普通技术人员来说是熟知的，其中一些方法参见“显示芯片：采用模拟超大规模集成电路实现显示算法”，Christor Koch & Hua Li，IEEE计算机协会评论，ISBN0-8186-6492-4。为了改善边缘轮廓，从图20a中可以看到，阵列以一个小的相对于相应图形的角度“t”(通常小于15度)予以安装。由于图形不再与阵列的象素对准产生“跳动”，回归技术由于数据量增大而更为精确，因此这一错位产生了更多的相对于边缘位置的信息。距离“X”是两个阵列上的图形之间的平均相对位移，它与两个格栅件的相对角位移直接相关，因而与轴转矩直接相关。在图20b中，所述阵列为一维阵列，每一个例如可以采用美国德克萨斯仪器公司产生的TC1410黑白线性阵列芯片，具有128象素，有效视窗长度为大约8mm。距离“X”的测量方式与上面所述相似，然而不具有上面所述的通过两维阵列来改善边缘轮廓的好处。在本说明书所述阵列的所有实施例中，在对EMR敏感的检测器前面安装了一个镜头或者光纤阵列光导，以便使入射的EMR聚焦成为清晰的图形，消除任何杂生的交叉反射。

图21a、21b示出了本发明第二种实施例的单个阵列上由入射的EMR所产生的典型图形。在图21a中，阵列是如同上面所述的两维阵列。距离“(x-y)/2”是交错分布的宽、窄子图形50、51之间的平均相对位移，该尺寸与两个格栅件的相对角位移直接相关，因而与轴转矩直接相关。图21b是如同上面所述的一维阵列的图形，距离“(x-y)/2”可以类似地进行测量，在国际申请PCT/GB95/02017中介绍了适合的识别和处理方法。

图22示出了在本发明第三种实施例的单个两维阵列上由入射的EMR所产生的典型图形。同样地，距离“(x-y)/2”是两个横向分离的子图形52、53之间的平均相对位移，它与两个格栅件的相对角位移直接相关，因而与轴转矩直接相关。

图23a、23b是本发明第四种实施例的第一和第二阵列上由入射的EMR所产生的典型图形。当然，在这一实施例中，图形是基本上径向分布的，而不是如同图20a、20b所示的第一种实施例那样平行分布的，距离“X”的确定方法对于两维或者一维的阵列来说是相似的，因而轴转矩的确定方法也是相似的。

图24a、24b是本发明第五种实施例的单个阵列上由入射的EMR所产生的典型图形。除了交错分布的宽、窄子图形54、55基本上是径向分布，而不是如图21a、21b所示的第二种实施例那样平行分布之外，确定距离“(x-y)/2”的基本方法对两维和一维阵列来说是类似的，因此确定轴转矩的方法也是类似的。

图25是本发明第六种实施例的单个两维阵列上由入射的EMR所产生的典型图形。距离“(x-y)/2”是两个径向分布的子图形56、57之间的平均位移，它与两个格栅件的相对角位移直接相关，因而与轴转矩直接相关。

对于上面所述的所有6个实施例来说，当轴转动时，图形在两维或者一维阵列的有限宽度上的迁移完全与轴转矩无关。同样，采用图形识别领域中熟知的技术，计算图形迁移的速度和总的图形位移量，就能够测量转矩输入件的角速度和相对角位置。如上面结合图19所述，一个格栅件的表面上的“原始标志”可以用作绝对角位置的参照。可以采用处理器从这一原始标志位置对插入标志进行计数，以便提供对转矩输入件的绝对角位置的测量，相关格栅件与所述转矩输入件相连接或者构成一个整体。

图26a-e示出了根据本发明第三种实施例的另一种不同形式(参见图8、9)，格栅件58、59的圆筒形表面上的高反射率区域和低反射率区域。这些区域以分别位于格栅件58、59周边上的120个单独不重叠的二进制条形码60a-g……和61a-g……的形式予以安排。这120个条形码在每一个格栅件的周边上以均匀相隔3度圆周角的间距予以分布。

图27详细示出了格栅件58上的条形码，以便更好地介绍条形码的格式。每一个条形码总共包括9条，即一个“起始”条62a，七个角度位置条62b-h，以及一个“停止”条62i。在这一实施例中，起始条62a和停止条62i始终是高反射率区域，而分布其间的角度位置条可以是高反射率区域，也可以是低反射率区域，这取决于需要编码的角度位置值。例如，条形码60a包括高反射率区域62b、62e、62g和62h。条形码60a因而具有0110100的二进制数值，或者52(十进制)的角度位置值。采用七个角度位置条从理论上说可以编码到128个离散的角度位置值，这一数值是容纳和逐个识别每一个格栅件上的120个条形码所需要的。

图26a示出了当无转矩施加在转矩输入件1a、1b上时(参见图8)，格栅件58、59的位置。条形码60a和61a分别对应于格栅件58、59上52的角度位置值52，可以看到在这一零转矩条件下，条形码60a和61a是彼此相互对准的。其余的119个条形码60b、61b；60c、61c等等来说也是相互对准的。在本申请人的另一份名称为“制造光学转矩传感器的方法”的待批专利申请中介绍了在格栅件上提供这种相继的条形码，并使之在零转矩条件下精确地相互对准的方法。

图26b-e示出了当反时针方向相对于转矩输入件1a施加在转矩输入件1b上的转矩增大时时，格栅件58、59所产生的相对角位移。在这些图中，以虚线方式重叠示出了两维阵列20的视窗。应当注意的是，这一视窗被选取得足够大，以便在任何情况下都能够容纳来自每一格栅件的至少一个完整的条形码，不论两个格栅件的相对角位移(作为输入转矩的函数)以及格栅件在其360度的可能范围内的绝对角位移(作为转向角的函数)如何。为了减少硅的总用量(从而减少成本)，可以采用两个单独的一维(亦即线性)阵列或者较小的长形两维阵列63、64来取代较大的两维阵列20。在某些VLSI显示芯片结构中，可以设法在执行处理功能的芯片，即处理器9中包括、容纳阵列20或者阵列63、64，或者使之成为其一部分。

阵列20(或者阵列63、64)接受由瞬时位于阵列视窗之中的格栅件58、59表面上的高反射率区域所反射的关联的EMR。在图26b-d所示的示例中，阵列20(或者阵列63、64)接受自条形码60c和61c入射的EMR，处理器9因而能够计算出相应格栅件58、59周边的相对位移距离“d”，从而获得输入转矩的测量值。

图28a、28b示出了根据本发明第三种实施例的另一种不同方式，格栅件58、59在两个连续位置上的位置。在图28a所示的情况下，零转矩施加在转矩输入件1a、1b上。在图28B所示的情况下，施加在转矩输入件1a、1b上的转矩在相应格栅件58、59的周边上产生相对位移“d”。这些区域分别在格栅件58、59中的每一个的周边上以512个相继的9位二进制条形码70a-i、71a-i的形式予以排列。这样的条形码的一种组合的例子在Ian Stewart所著的“游戏、设定和算法”一书(Penguin Book出版社出版)中称为“Ourborean”环。所述512个条形码相互重叠，以相等的圆周间隔分布，其间隔为每一个格栅件周边上的条形码72的宽度的整数倍。在图示的实施例中，所述的整数倍是一致的，该间隔等于条形码中的一个的宽度。两维阵列20的视窗在这些附图中用虚线予以表示。为了减少硅的用量(从而也就减少成本)，可以采用两个单独的一维(亦即线性的)阵列或者具有较小长度的两维阵列63、64来取代较大的两维阵列20。在某些VLSI型的芯片布图中，阵列20或者阵列63、64可以组合在或者拼接在微处理器芯片中，或者使之成为微处理器的一部分，所述微处理器就是用于进行所需处理的处理器9。阵列20(或者阵列63、64)接受由瞬间位于阵列视窗之内的格栅件58、59表面上的高反射率区域所反射的EMR。如图所示，阵列20(或者阵列63、64)接受来自条形码70a-i和71a-i的入射的EMR，处理器9因而能够计算出相应格栅件58、59周边上的位移距离“d”，从而获得输入转矩的测量值。在图示28B所示情况下，格栅件58、59已经由图28A所示位置产生旋转，导致阵列20(或者阵列63、64)接受来自条形码80a-i、81a-i的入射的EMR，该条形码是由条形码70a-i、71a-i位移而来的(但是仍然重叠)。应当注意的是，视窗的选取应当足够大，使之在任何情况下都能够容纳至少一个完整的来自两个格栅件中每一个的条形码，不论两个格栅件的角位移如何(它是输入转矩的函数)，也不论格栅件在其可能的360度范围内的绝对旋转角度如何(它是转向角度的函数)。

图29示出了格栅件58上的条形码70a-i，以便更好地介绍条形码的格式。每一个条形码总共包括9条。在这一实施例中，这些条形码即可以是高反射率区域，也可以是低反射率区域，这取决于需要予以编码的角度位置值的二进制数值。在图示的示例中，条形码70a-i包括高附率区域70a、70b、70d、70f、70h、70i，这样该条形码所表示的二进制数值就是001010100，84(十进制)的角度位置值是采用9条条形码从理论上说能够对512个不同的角度位置值进行编码，这一点是囊括和识别每一个格栅件的512个条形码中的每一个所必须的。

然而，最为重要的是，在图示26-29所示的两种条形码实施例中，处理器9需要配置适合的程序，以便能够对任何时候落入视窗中的所有完整的二进制条形码所表示的角度位置值进行解码。例如，在图示26、27所示的条形码情况下，条形码60c、61c都对应于角度位置值54。在本发明中，采用条形码总的来说具有如下两个好处。

第一，对于格栅件58相对于格栅件59的较大位移来说，避免了混淆的问题。这一点已经在图示26、27所示的条形码实施例中予以显示。在图示26中，格栅件58上的条形码60a(角度位置值53)朝右移动了一个足够的距离，现在它位于格栅件59上的条形码61c和61d之间(分别表示角度位置值54和55)。然而通过识别条形码60b的角度位置值为53，因而其在零转矩条件下的相对位置与格栅件59上的条形码61b相邻，格栅件的正确相对位移可以被计算为：

d＝e+(54-53)*3*r*pi/180＝e+3*r*pi/180(度)

其中r为格栅件的半径。

如果不采用条形码，在两个格栅件之间出现很小的相对位移时，也就是当条形码60b接近条形码61c时，就会产生混淆。通过将高反射率区域和低反射率区域以相继的二进制条形码的方式予以排列，对与零转矩位置之间的实质偏差，就能够正确地测量格栅件58、59的相对角位移，并且与高反射率区域和低反射率区域的实际间距无关。

第二，采用条形码能够在360度的范围内，也就是由某些已知的绝对位置+/-180度的范围内，测量两个转矩输入件1a、1b中的每一个的绝对角位置。这一点不需要处理器9进行任何计算就能够实现(如图19给出的本发明第三种实施例的另一种不同方式所示)。

如果格栅件的最大相对角位移以某种方式受到一定限制，例如通过前面所述的安全机构，混淆就不会成为问题，在这种情况下可以仅仅对两个格栅件中的一个采用连续的条形码。这仍然能够提供足够的信息，以实现在+/-180度范围内提供绝对角位置的测量值。

应当指出的是，条形码也可以类似地应用于圆筒形的反射格栅件，例如以本发明第一种实施例所述的方式(参见图1、2)。条形码也可以应用于径向分布的格栅件，例如以本发明第四种实施例(参见图10、11)和第六种实施例(参见图15、16)所述的方式。

还应当指出的是，除了采用如图26a-e和图27所示的不重叠(离散)条形码方式之外，也可以采用图28a-b和图29所示的重叠(Ouroborean)条形码形式。例如，典型的Manehester条形码形式(如同用于计算机硬盘驱动)或者具有恒定间距的“厚—薄线”条形码形式(如同用于许多家用消费制品)也适合用于圆筒形和径向分布的格栅件。

还应当指出的是，连续的条形码与所述的实施例相比，其反射率较差，这是因为低反射率区域是叠加在高反射率背景上，而不是因为所述的其他方式。在本发明中，“高反射率”和“低反射率”根据所述选择的EMR源，有广泛的含义。例如，如果采用红色光的EMR源，格栅件表面上的高反射率区域和低反射率区域可以分别由涂覆了(或者采用其他着色方式)红色和蓝色的区域构成。

最后，应当注意的是，格栅件的反射表面也可以不采用上面实施例所述的圆筒形或者盘状形式。格栅件可以采用其他围绕转轴的三维轴对称形式，例如锥形、椭圆、双曲线形式。任何任意的轴对称形式的表面都是潜在可用的，只要表面和相应阵列之间距离的偏差值足够小，使前面所述镜头或者光纤引导系统能够维持对图形(或者阵列上的子图形)的令人满意的聚焦水平即可。

应当指出的是，本领域中的技术人员在本发明实质内容的范围内还可以对本发明作出种种变化和改进。

Claims (32)

1、一种转矩传感器，包括一个转轴，该转轴至少部分地被一个固定的外壳包围，所述转轴的旋转轴线相对于所述外壳固定，该转轴包括第一和第二基本上刚性的转矩输入件，它们通过可扭转变形的连接件予以连接，该连接件使得第一转矩输入件相对于第二转矩输入件产生角偏移，其偏移量是施加在转轴上的转矩大小的函数，第一格栅件连接在所述第一转矩输入件上或者与之构成一个整体，第二格栅件连接在第二转矩输入件上或者与之构成一个整体，第一格栅件具有第一表面，第二格栅件具有第二表面，所述传感器还包括一个或者多个电磁辐射(EMR)源，以及一个或者多个EMR源检测器阵列，其特征在于：每一个源对一个或者两个所述表面进行照射，每一个阵列接受由所述一个或者两个表面反射的入射EMR，所述对每一个表面进行照射的一个或者多个EMR源以及接受由所述表面反射的入射EMR的一个或者多个阵列都排列在这一表面的同一侧，并相对于外壳固定，两个表面都具有交错分布的高反射率区域和低反射率区域，由一个或者两个表面上交错分布的高反射率区域和低反射率区域反射在阵列上的EMR，在一个或者多个阵列的每一个上形成了一个或者多个图形，一个或者多个阵列上的一个或者多个图形由处理器进行处理，以便得出第一转矩输入件相对于第二转矩输入件的角偏移，从而获得对施加在转轴上的转矩的测量值。

2、如权利要求1所述的转矩传感器，其中第一阵列接受由第一表面反射的入射EMR，第二阵列接受由第二表面反射的入射EMR，处理器接受来自第一和第二阵列的输入，该处理器包括能够确定第一和第二图形的相对位移的软件和硬件电子装置。

3、如权利要求1所述的转矩传感器，其中所述第一和第二表面可以是相邻的，或邻接的，一个单一阵列接受由第一和第二表面反射的EMR，并形成单个的图形，该图形包括由第一表面反射的EMR形成的第一子图形以及由第二表面反射的EMR形成的第二子图形，处理器接受单个阵列的输入，该处理器包括能够确定所述第一和第二子图形的相对位移的软件和硬件电子装置。

4、如权利要求3所述的转矩传感器，其中所述单个图形是一个整体的图形，包括插入到第二子图形之间的第一子图形。

5、如权利要求2或者3所述的转矩传感器，其中所述第一和第二表面中的至少一个基本上是圆筒形的，其中心轴线与转轴的旋转轴线共轴，接受由所述至少一个表面反射的EMR的阵列位于所述表面的径向内侧或者外侧。

6、如权利要求5所述的转矩传感器，其中由于相应的格栅件包括围绕其周边的径向伸出的凸起，所述至少一个基本上为圆筒形的表面是不连续的。

7、如权利要求6所述的转矩传感器，其中所述凸起基本上是轴向对正的。

8、如权利要求6所述的转矩传感器，其中所述高反射率区域对应于凸起上相对于圆筒形表面的中心轴线具有最大半径的区域，低反射率区域在角度地对准凸起之间的不连续间隙或者具有较小半径的区域。

9、如权利要求6所述的转矩传感器，其中所述格栅件用金属或者塑料材料制成。

10、如权利要求6所述的转矩传感器，其中所述具有最大半径的区域是平滑加工、模制、烧结或者用涂料或者材料沉积进行表面处理的，以使之具有高反射率，所述不连续或者具有较小半径的区域是机加工、模制、烧结或者采用涂料或者类似材料沉积进行表面处理的，以使之具有低反射率。

11、如权利要求5所述的转矩传感器，其中由于相应的格栅件包括基本上平滑的圆筒，所述至少一个基本上圆筒形的表面是大体连续的，圆筒形的内侧或者外侧表面包括交错分布的高反射率区域和低反射率区域。

12、如权利要求11所述的转矩传感器，其中所述区域基本上轴向对正。

13、如权利要求11所述的转矩传感器，其中所述高反射率区域是经过金属化处理的、光亮的或者浅色的，低反射率区域是基本上透明的、粗糙的或者深色的。

14、如权利要求2或者3所述的转矩传感器，其中所述第一或者第二表面中的至少一个基本上是相对于转轴的旋转轴线径向分布的，所述接受由至少一个表面反射的EMR的阵列在所述表面的一侧轴向定位。

15、如权利要求14所述的转矩传感器，其中由于相应格栅件围绕其周边具有轴向凸起，所述径向分布的表面是不连续的。

16、如权利要求15所述的转矩传感器，其中所述凸起是基本上径向分布的。

17、如权利要求15所述的转矩传感器，其中所述高反射率区域对应于凸起的具有最大轴向突出的区域，低反射率区域角度地对准凸起之间的不连续间隙区域或者具有较小轴向突出的区域。

18、如权利要求15所述的转矩传感器，其中所述格栅件是用金属或者塑料材料制成。

19、如权利要求15所述的转矩传感器，其中具有最大轴向突出的区域是平滑加工、模制、烧结或者采用涂料或者材料沉积进行表面处理的，以使之具有较高的反射率，所述不连续间隙或者具有较小轴向突出的区域是机加工、模制、烧结或者采用涂料或者材料沉积进行表面处理的，以使之具有较低的反射率。

20、如权利要求14所述的转矩传感器，其中由于相应的格栅件，其包括基本上平滑的圆盘或者平的环形件，所述径向分布的表面基本上是连续的，所述圆盘或者平环形件的一侧具有交错分布的高反射率区域和低反射率区域。

21、如权利要求20所述的转矩传感器，其中所述区域基本上是径向分布的。

22、如权利要求20所述的转矩传感器，其中所述高反射率区域是经过金属化处理的、光亮的或者浅色的，所述低反射率区域是基本上透明的、粗糙的或者深色的。

23、如权利要求1所述的转矩传感器，其中所述阵列包括一维阵列或者两维阵列，一个CCD、一个VLSI显示芯片或者侧向效果的发光二极管。

24、如权利要求1所述的转矩传感器，其中所述一个或者多个图形也由处理器进行处理，以便获得至少一个转矩输入件的角速度。

25、如权利要求1所述的转矩传感器，其中所述一个或者多个图形也由处理器进行处理，以便获得至少一个转矩输入件的相对角位置。

26、如权利要求1所述的转矩传感器，其中所述第一和第二格栅件是相邻的，并包括径向延伸相互啮合的凸起，在凸起之间提供了间隙，由此在第一和第二转矩输入件之间提供了旋转空动连接，从而限制了转矩变形连接件的最大角变形。

27、如权利要求1所述的转矩传感器，其中所述至少一个格栅件的表面包括高反射率或者低反射率的区域或者附加区域，它们所形成的图形经过处理，以获得转矩输入件的绝对角位置，所述至少一个格栅件与该转矩输入件相连接或者与之构成一个整体。

28、如权利要求1所述的转矩传感器，其中所述表面上的交错分布的高反射率区域和低反射率区域被安排成单个二进制条形码连续分布的形式。

29、如权利要求28所述的转矩传感器，其中所述条形码连续分布以使单个的条形码不相重叠。

30、如权利要求28所述的转矩传感器，其中所述条形码连续分布以使单个的条形码相重叠。

31、如权利要求28所述的转矩传感器，其中在相应阵列上形成的图形经过处理，以获得转矩输入件的绝对角位置，所述至少一个格栅件与该转矩输入件相连接或者与之构成一个整体。

32、如权利要求31所述的转矩传感器，其中在两个格栅件上都采用所述连续二进制条形码，第一和第二转矩输入件的绝对角位置的差用于提供施加在转轴上的转矩的测量值。

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