JP2004522156A - 改善された変位及びトルクセンサ - Google Patents
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Abstract
光学変位センサ（２００）は光放射線の源（２３０）と、放射線検出器の列（２４０）と、少なくとも1つの変調素子（２０４、２０５）であって、同素子の中央軸線のまわりで円周方向に離間した交互する第1及び第2の変調区域（２０６、２０７）を有し、第1及び第2の変調区域が異なる光学特性を有し、隣接する第1及び第2の区域間の遷移部が実質上半径方向に延びる縁部により画定されるような少なくとも1つの変調素子とを備え、変調素子（２４０）は、第1及び第2の区域（２０６、２０７）が源（２３０）からの光放射線に曝され、かつ、列（２４０）上に変調素子の第1及び第2の区域の像を形成するように検出器の列（２４０）を通過するように、検出器の列（２４０）に関して変位でき、検出器上に投射する放射線の強度を表すそれぞれの信号を検出器から受け取るように検出器に接続されたデータプロセッサを更に備える。検出器列（２４０）は第1及び第2の区域の二次元像を生じさせる検出器素子の二次元列を有し、一方、プロセッサは二次元像から少なくとも1つの変調素子（２０４、２０５）上の少なくとも２つの異なる半径方向に延びる区域の縁部の方位を特定し、縁部の決定された方位から素子の中心の位置を決定するようになっている。
Description
【技術分野】
【０００１】
本発明は変位センサ及びトルクセンサに関する。特に、本発明は角度変位センサに関する。センサは車両の電気パワーアシスト操舵装置（ＥＰＡＳ）内で使用するのに適している。
【背景技術】
【０００２】
ＥＰ１００１２５６Ａ１号明細書は、近接して装着され、トルク伝達シャフトのそれぞれの端部に取付けられた２つのディスク１０１、１０２を有するトルクセンサ１００を開示している。両方のディスク１０１、１０２は1組の円周方向で離間したスロット１０３、１０４を担持し、2つのディスクの各々のスロットは光を通過させるための開口を画定するように共働する。光源１０５が第1のディスクの一側に設けられ、第1のディスクのスロット及び第2のディスクのスロットを通してディスクの反対側に設けた光学検出器１０６上へ光を放出する。トルクがトルク伝達シャフトに加えられると、２つのディスク間の相対運動は、スロットが重なる態様、従って、光学検出器上に入射する光のパターンを制御する開口の寸法を変更する。
【特許文献１】
ヨーロッパ特許出願公開第１００１２５６号明細書
【０００３】
光学検出器は検出器素子の一次元列を有し、列からの出力は、検出器列上に形成されたパターンの明部から暗部への遷移部の相対位置を決定することにより2つのディスクの相対位置を決定するように作動するプロセッサへ渡される。各遷移部は一方のディスクのスロットの縁部に対応する。実用上は、２つのディスクの相対位置を明確に決定するためには、５つの縁部を直線列上に作像しなければならない。これは、列上に受け取られたパターンに対応する、シャフトに加えられたトルクの表示を提供する。
【０００４】
トーションバーを省略した場合、２つのディスクは簡単な角度変位センサとしての装置の使用を許容する。更なる修正においては、単一のディスクを設けることができ、この場合、簡単な回転位置センサとなる。本発明は3つのすべての形式のセンサに関する。
【０００５】
直線列センサにおいては、トルクは典型的には2つの変調ディスク上の広いスポーク及び狭いスポークの相対角度位置から導き出される。不運にも、2つのディスクが精確に整合していない場合は、この形式のトルクセンサ（又は角度変位又は回転位置センサ）に関して問題が生じることがある。この問題は、トルク伝達シャフトの曲げのため又は多分センサの製造中の不整合のために生じることがある。単一の直線列のみを使用した場合、結果として表れるのは、一方（又は両方）のディスクのスロットが列に沿って長手方向に移動するということである。この形式の不整合による、本来のものからの逸脱(run out) はディスクの完全な１回転にわたって測定トルクに正弦変化を生じさせ、これは単一の列では識別できない。
【０００６】
上記特許文献１はこの問題に対する解答を教示する。ディスク上の直径方向で対向する位置に配置された2つの光源１０５、１０７を設け、各光源はそれぞれの直線列１０６、１０８上へ２つのディスクにより画定される開口を通して光を伝達する。この形式の従来のセンサは添付図面の図1に示してある。
【０００７】
各直線列１０６、１０８は列上に形成された光パターンの表示をプロセッサに対して提供し、プロセッサは各パターンからトルク値を計算する。次いで、2つのトルク値の平均をとることにより、逸脱による正弦誤差を補償することができる。これは、ディスクの逸脱誤差に対してセンサを有効に免疫化する。
【０００８】
例えば、添付図面の図７ａは変調ディスクの対向する側上の2つの列３００、３０１の位置を示す。2つの幅広いスポーク３０２、３０３が第1の列３００上に作像され、さらに２つの幅広いスポーク３０４、３０５が第2の列上に作像される。各列上では、狭いスポーク３０６、３０７も作像される。
【０００９】
同様に、図７（ｂ）は2つの列上に作像された同じスポークを示す。図７（ａ）においては、狭いスポークディスクは加えられたトルクのために幅広いスポークディスクに関して回転させられているが、図７（ｂ）においては、列はトルクが加えられていないときの狭いスポークディスクの逸脱のため同じ結果を「見る」。
【００１０】
2つの列が設けられるので、決定されたトルクの結果は逸脱の効果を排除するようにアレンジすることができ、図７（ａ）を図７（ｂ）から区別する。それにも拘わらず、直線列の測定を角度的な測定に変換するために逆正接計算を遂行することによりトルクを決定する必要があるため、誤差が依然として存在することがある。これには、変調ディスクの精確な中心に、直線列の中心を通させる必要がある。明らかに、事実、これは、逸脱が存在するときには生じないことで、この場合性能が劣化する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
センサ内の２つの直径方向で対向する位置に直線列を設けると、デザインの全体コストが増大してしまう。列の各々の相対位置は装置の寿命全体にわたって高精度で維持しなければならない。2つの列からプロセッサへの別個の接続が必要であり、光源の数も簡単な１列装置に比べて倍となる。
本発明の目的は従来の変位及びトルクセンサに関連する問題のいくつかを改善することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
第1の態様によれば、本発明は、光放射線の源と、放射線検出器の列と、少なくとも1つの変調素子であって、同素子の中央軸線のまわりで円周方向に離間した交互する第1及び第2の変調区域を有し、第1及び第2の変調区域が異なる光学特性を有し、隣接する第1及び第2の区域間の遷移部が実質上半径方向に延びる縁部により画定されるような少なくとも1つの変調素子とを備え、変調素子は、第1及び第2の区域が源からの光放射線に曝され、かつ、列上に変調素子の第1及び第2の区域の像を形成するように検出器の列を通過するように、検出器の列に関して変位でき、検出器上への放射線の投射に応じたそれぞれの信号を検出器から受け取るように検出器に接続されたデータプロセッサを更に備えた光学変位センサにおいて、検出器列が第1及び第2の区域の二次元像を生じさせる検出器素子の二次元列を有し、プロセッサが二次元像から少なくとも1つの変調素子上の少なくとも２つの異なる半径方向に延びる区域の縁部の方位を特定し、縁部の決定された方位から素子の中心の位置を決定するようになっていることを特徴とする光学変位センサを提供する。
【００１３】
データプロセッサにより生じた信号は最も好ましくは検出器に投射される放射線の強度に依存する。
従来技術においては、単一の一次元列が設けられ、この列は、縁部の存在を特定できるが、空間内でのその方位を特定できない。これは、第1の素子の中心の位置を決定することができない。
【００１４】
変調素子は第1及び第2の変調区域（即ち、一層幅広い異なる光学特性）とは異なる第3の変調区域を含むことができる。これは位置割り出しスポークとして使用することができる。
好ましくは、プロセッサは、二次元像において、検出器列により得られた像からそれぞれ特定された縁部の少なくとも２つの半径方向に離間した部分を特定するようになっている。
【００１５】
プロセッサは、2つの特定された部分を通過するベクトルを発生させることにより、検出された縁部の方位を決定するようにすることができる。
二次元列とは、変調区域の縁部上に少なくとも２つの異なる半径方向で離間した部分を作像できる列を意味する。
【００１６】
二次元列を設けることにより、同じ縁部の少なくとも２つの半径方向で離間した点を得ることができる。
二次元列は便宜的には2つの副列を有することができ、各副列は検出器素子の直線列を有する。2つの列は実質上同一とすることができる。これらの列は平行に及び変調素子の中央軸線の一側で近接して配置することができる。最も便宜的には、両方の副列上に作像された縁部の検出を補助するために、2つの列の検出器間の間隔は特定すべき縁部間の角度間隔よりも小さい。他の配列は、例えば、１２８×１６列を含み、この場合、変調区域の縁部上の１６個の異なる半径方向で離間した部分を検出することができる。
【００１７】
２つの副列を設けた場合、各列はプロセッサへ渡されるそれぞれの副像を発生させるようにすることができる。２つの副列の各々は第１及び第２の区域の異なる部分に対応する。好ましくは、副像は時間的に同じ瞬間又は時間的に実質上同じ瞬間に得られる。
【００１８】
プロセッサは第1の像における変調区域の第1の縁部の内側部分の位置及び第2の像における第1の縁部の外側部分の位置を特定することにより、縁部の方位を特定する手段と、第1の像における変調区域の第2の縁部の内側部分の位置及び第2の像からの第2の縁部の外側部分の位置を特定する手段と、第1及び第2の像における部分の相対位置から2つの縁部の方位を決定するための方位決定手段と、2つの特定された縁部の決定された方位から変調素子の中心の位置を決定するための位置決定手段とを有することができる。
【００１９】
従って、一対の近接離間した直線列はディスク上の変調区域の２つの異なる縁部の方位を決定することにより変調素子の位置を特定できるのに十分な情報を提供する。これは、変調素子の逸脱による中心出力における誤差を補償できる。また、変調素子の光学半径を導き出せる。
【００２０】
プロセッサは各素子上の少なくとも２つの縁部の方位を特定することにより第１及び第２の素子の両方の回転中心を決定するようにすることができる。
第１及び第２の変調素子の各第１の区域は円周方向で離間した半径方向に延びる縁部間に形成された半径方向に延びるスロットを有することができる。
【００２１】
スロット間の第２の区域は不透明とすることができる。列上の像の明部及び暗部間の最大強度差を提供するので、この構成は好ましい。縁部の位置を特定するために使用される像において１つの強度レベルから他の強度レベルへの遷移部がある。
二次元列の空間的な広がりは、使用時に、第１及び第２の強度しきい間の少なくとも５つの遷移部が各列により常に検出できるようなものとするのが好ましい。これは少なくとも５つの縁部の検出に対応する。
【００２２】
光源及び検出器列は伝送型のセンサを形成するために変調素子の両側に設けることができる。代わりに、光源及び検出器列は変調素子の同じ側に設けることができる。第１の場合、源からの光は検出器列を通過するか又は変調区域により遮断される。第２の場合、源からの光は検出器列上の変調区域から反射されるか又は検出器列から離れた変調区域を通過する。
当業者なら、センサに対する多くの修正がこれら２つの広い形式内で可能であることを理解できよう。
【００２３】
光源は少なくとも部分的に拡散するのが好ましい。代わりに、光源の前面に設けたディフューザと組み合わせて点源を使用することができる。第１及び第２の変調素子を設けることができる。各変調素子は重なった第１及び第２の変調区域を有することができ、第１の変調素子は第２の変調素子に関して変位できる。これらはトーションバーに沿った軸方向で離間した位置において接続することができる。
【００２４】
第１の変調素子は入力シャフトに取付けることができ、第２の変調素子は出力シャフトに取付けることができ、入力及び出力シャフトはトーションバーに接続される。この構成においては、トーションバーに加えられたトルクは第１及び第２の素子の相対角度変位を生じさせる。
【００２５】
この形式のセンサはトルクの測定を可能にする。
従って、第２の態様によれば、本発明は、第１の素子及び第２の素子がトーションバーにより接続されているような本発明の第１の態様に係る変位センサを有するトルクセンサを提供する。
ここで、単なる例として、添付図面を参照して本発明の１つの実施の形態を説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
添付図面の図２に示すように、入力及び出力シャフトと同軸のトルク伝達シャフト２０３を介して出力シャフト２０２に結合された入力シャフト２０１を有するトルクセンサ２００を設ける。トルク伝達シャフトは、時として、羽軸シャフト又はトーションバーとして知られる。トーションバーは図からは見えないが、構成の内部構造を示すために破線で示してある。それぞれディスクを有する第１及び第２の変調素子２０４、２０５は入力及び出力シャフトによりそれぞれ担持される。
【００２７】
添付図面の図３、４は第１及び第２の変調素子２０４、２０５を平面図として示す。各素子はその中に形成された一組の半径方向に延びかつ円周方向で離間したスロット２０６、２０７を有する。各スロットは比較的狭く、ディスクの円周に追従する円弧となって延びる。スロットはスポークにより隔離される。各スロットは、縁部を含むベクトルがディスクの中心を通過するように半径方向に延びる直線縁部により境界を定められる。図示の例においては、ディスクの１つは他方のディスクよりも幅広いスポークを具備するが、スロットの幅が各ディスク上で同じであるようなセンサを構成することが可能である。異なる幅のスポークの使用は正のトルクから負のトルクを区別させることができる。
【００２８】
使用において、2つのディスクは、第1のディスク２０４のスロットが第2のディスク２０５のスロットと重なるように、共通軸線のまわりで整合される。トルクがトーションバーに加えられたときに、2組のスロットは互いに相対運動する。これは、2つのディスクのスロット間部分が重なりの量を変えることにより、スロットを通過する光のパターンを変化させる。本発明のこの態様は周知であり、異なるスロット構成のために生じることのある異なるパターンのための十分な検討のために上記特許文献１の教示を参照されたい。
【００２９】
単なる例として、図5は、任意に選択されたトルクの場合についての図３、４の2つのディスクから生じたパターンを示す。スロット同士の重なりは2つのスロットが重なることによる開口を画定することが分かる。これらの開口間には、第1のディスクの１つのスロットがスロット間部分（スポーク）と重なる区域、即ち第2のディスクのスロットが第1のディスクのスロット間区域と重なる区域２１５、２１６、２１７及び2つのスロット間部分が重なる区域２１８、２１９、２２０がある。開口から開口間区域へのパターンの各遷移部の縁部は半径方向に延び、２つのディスクの一方又は他方上のスロットの縁部に対応することを特筆しておく。トルクが変化すると、パターンもまた開口の幅と共に変化し、開口間区域はトルクの関数である。
【００３０】
図2に示すように、両方のディスクは（可視の又は赤外又は紫外の光を放出できる）光源２３０と検出器素子２４０の二次元列との間に位置する。源からの光は検出器列２４０上のディスクのスロットにより形成されたパターンの像を生じさせる。
【００３１】
検出器素子２４０の列は添付図面の図6に示す。これは共通基体上で検出器の2つの直線列２４１、２４２を画定する単一チップデバイスを有する。列内の各検出器は光源により放出される光に対して感応性である。配列された２つの直線列は平行である。2つの列間の間隔は2つのディスク内の変調スロットの縁部の半径方向の広がりよりも小さくなるように選択される。更に、2つの列の広がりは、変調区域の５つの縁部の像が各副列上に常に形成されるように選択される。各列は１２８個の検出器を有するが、これよりも多いか又は少ない検出器を設けることができる。
【００３２】
また図６には、変調素子により形成された開口を通過する光による２つの直線列上での光学パターンの形成を示す。分かる通り、各直線列はスロットにより形成されたパターンの一次元像を、他の直線列により「見られた」対応する像から片寄った（ずれた）象として「見る」。一緒にまとめて、これらの像は変調素子のスロットにより形成された開口のパターンの二次元像を形成する。
【００３３】
各像はプロセッサ（図示せず）へ渡され、プロセッサは像から像内の遷移点の位置を引き出す。これらの特定された遷移位置の各々は変調素子のスロットにより形成された開口の縁部を表す。２つの像内の各遷移位置を特定した後、プロセッサは位置を対にグループ分けし、各対は２つのディスクの一方のスロットの同じ縁部に対するものである。遷移部を対にグループ分けした後、対の遷移部の対応する縁部についてのベクトルが決定される。
【００３４】
変調スロットの縁部の方位に対応する一組のベクトルを発生させた後、プロセッサは次に、重なりの地点へ各ディスクのための２つの縁部を外挿法を適用することにより、各ディスクの中心を決定する。
中心地点の決定に使用されるプロセッサは添付図面の図６を参照して良好に理解することができる。
【００３５】
例えば幅が広い方のスロットを有する第１の変調素子を考えると：
Ｙ1 は列２４１上で測定した幅広いスポークのための縁部位置
Ｙ2 は列２４２上で測定した幅広いスポークのための縁部位置
Ｙ3 は列２４１上で測定した隣接する幅広いスポークのための縁部位置
Ｙ4 は列２４２上で測定した隣接する幅広いスポークのための縁部位置
Ｘ は幅広いスポークディスク及び列２４１のための光学半径
ｄ は直線列２４１と直線列２４２との間の距離
ｙ は列の中央軸線と幅広いスポーク付きディスクの中心との間の接線方向の変位。
【００３６】
上述の表記を使用すると、幅広いスポークディスクの光学半径ｘは次式により与えられることが分かる。
【００３７】
【数１】
【００３８】
ｘの値は本出願人の先のヨーロッパ特許出願（特許文献１）に記載されたような逆正接及びパララックス縁部補正のために使用される各素子の光学倍率を決定するためにプロセッサにより使用することができる。
幅広いスポークディスクの接線方向の変位ｙは次式により与えられることも分かる。
【００３９】
【数２】
【００４０】
これらの式は狭いスロットを有する第２の素子のための中心位置を計算するために同等に使用することができる。
像に対する補正を施した後、開口及び開口間区域の補正された幅からトルクが最終的に決定される。
【００４１】
ｙファクターはディスクの逸脱を補償するように元の縁部の位置値を調整するために使用できる。逆正接及びパララックス補正がスロットの縁部位置に適用される前に、この調整を行うべきである。
【００４２】
これら式は直線列デバイスの正確な接線方向又はヨー方向の位置決めを必要としない、すなわち、ｙ補正ファクターは列の中心に対して各ディスクの中心を自動的に整合させる。また、補正ファクターは特定のディスク方位に対して最適化されるのではなく、すべてのディスク位置に対して最適な逆正接補正を与える。
【００４３】
また、式（１）は、従来既知のセンサ装置については必要であるような二次方程式の平方根を解く必要なしに、光学半径を与える。
改善において、プロセッサはトーションバーのための推定された回転軸線に相対的なディスクの計算された中心の変位を監視する。推定された軸線からまっすぐな計算された中心が所定の安全限界を越える量になった場合、警報フラグを立てることができる。
【００４４】
もちろん、本発明がどんな方法でも前述の特定の実施の形態に限定されないことを理解されたい。本発明は一方又は両方のディスク逸脱の量の補償を可能にすることができる検出器列と一緒に回転変調ディスクを使用する変位中心を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】従来のトルクセンサの斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態を形成するトルクセンサの斜視図である。
【図３】各スロット間に幅広いスポークを含む、図２のセンサの第１の変調素子の平面図である。
【図４】各スロット間に狭いスポークを含む、図２のセンサの第２の変調素子の平面図である。
【図５】センサのトーションバーに加えられる任意のトルクがかかかったときの２つのディスク内のスロットによる開口の形成の例を示す図である。
【図６】図２の構成により第１及び第２の検出器上に形成された二次元像の重ね合わせを示し、また、像から特定される縁部のベクトルをも示す図である。
【図７】セクション（ａ）及びセクション（ｂ）は加えられたトルクの効果及び従来のトルクセンサにおいて形成された像のディスク逸脱誤差を示す図である。
【０００１】
本発明は変位センサ及びトルクセンサに関する。特に、本発明は角度変位センサに関する。センサは車両の電気パワーアシスト操舵装置（ＥＰＡＳ）内で使用するのに適している。
【背景技術】
【０００２】
ＥＰ１００１２５６Ａ１号明細書は、近接して装着され、トルク伝達シャフトのそれぞれの端部に取付けられた２つのディスク１０１、１０２を有するトルクセンサ１００を開示している。両方のディスク１０１、１０２は1組の円周方向で離間したスロット１０３、１０４を担持し、2つのディスクの各々のスロットは光を通過させるための開口を画定するように共働する。光源１０５が第1のディスクの一側に設けられ、第1のディスクのスロット及び第2のディスクのスロットを通してディスクの反対側に設けた光学検出器１０６上へ光を放出する。トルクがトルク伝達シャフトに加えられると、２つのディスク間の相対運動は、スロットが重なる態様、従って、光学検出器上に入射する光のパターンを制御する開口の寸法を変更する。
【特許文献１】
ヨーロッパ特許出願公開第１００１２５６号明細書
【０００３】
光学検出器は検出器素子の一次元列を有し、列からの出力は、検出器列上に形成されたパターンの明部から暗部への遷移部の相対位置を決定することにより2つのディスクの相対位置を決定するように作動するプロセッサへ渡される。各遷移部は一方のディスクのスロットの縁部に対応する。実用上は、２つのディスクの相対位置を明確に決定するためには、５つの縁部を直線列上に作像しなければならない。これは、列上に受け取られたパターンに対応する、シャフトに加えられたトルクの表示を提供する。
【０００４】
トーションバーを省略した場合、２つのディスクは簡単な角度変位センサとしての装置の使用を許容する。更なる修正においては、単一のディスクを設けることができ、この場合、簡単な回転位置センサとなる。本発明は3つのすべての形式のセンサに関する。
【０００５】
直線列センサにおいては、トルクは典型的には2つの変調ディスク上の広いスポーク及び狭いスポークの相対角度位置から導き出される。不運にも、2つのディスクが精確に整合していない場合は、この形式のトルクセンサ（又は角度変位又は回転位置センサ）に関して問題が生じることがある。この問題は、トルク伝達シャフトの曲げのため又は多分センサの製造中の不整合のために生じることがある。単一の直線列のみを使用した場合、結果として表れるのは、一方（又は両方）のディスクのスロットが列に沿って長手方向に移動するということである。この形式の不整合による、本来のものからの逸脱(run out) はディスクの完全な１回転にわたって測定トルクに正弦変化を生じさせ、これは単一の列では識別できない。
【０００６】
上記特許文献１はこの問題に対する解答を教示する。ディスク上の直径方向で対向する位置に配置された2つの光源１０５、１０７を設け、各光源はそれぞれの直線列１０６、１０８上へ２つのディスクにより画定される開口を通して光を伝達する。この形式の従来のセンサは添付図面の図1に示してある。
【０００７】
各直線列１０６、１０８は列上に形成された光パターンの表示をプロセッサに対して提供し、プロセッサは各パターンからトルク値を計算する。次いで、2つのトルク値の平均をとることにより、逸脱による正弦誤差を補償することができる。これは、ディスクの逸脱誤差に対してセンサを有効に免疫化する。
【０００８】
例えば、添付図面の図７ａは変調ディスクの対向する側上の2つの列３００、３０１の位置を示す。2つの幅広いスポーク３０２、３０３が第1の列３００上に作像され、さらに２つの幅広いスポーク３０４、３０５が第2の列上に作像される。各列上では、狭いスポーク３０６、３０７も作像される。
【０００９】
同様に、図７（ｂ）は2つの列上に作像された同じスポークを示す。図７（ａ）においては、狭いスポークディスクは加えられたトルクのために幅広いスポークディスクに関して回転させられているが、図７（ｂ）においては、列はトルクが加えられていないときの狭いスポークディスクの逸脱のため同じ結果を「見る」。
【００１０】
2つの列が設けられるので、決定されたトルクの結果は逸脱の効果を排除するようにアレンジすることができ、図７（ａ）を図７（ｂ）から区別する。それにも拘わらず、直線列の測定を角度的な測定に変換するために逆正接計算を遂行することによりトルクを決定する必要があるため、誤差が依然として存在することがある。これには、変調ディスクの精確な中心に、直線列の中心を通させる必要がある。明らかに、事実、これは、逸脱が存在するときには生じないことで、この場合性能が劣化する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
センサ内の２つの直径方向で対向する位置に直線列を設けると、デザインの全体コストが増大してしまう。列の各々の相対位置は装置の寿命全体にわたって高精度で維持しなければならない。2つの列からプロセッサへの別個の接続が必要であり、光源の数も簡単な１列装置に比べて倍となる。
本発明の目的は従来の変位及びトルクセンサに関連する問題のいくつかを改善することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
第1の態様によれば、本発明は、光放射線の源と、放射線検出器の列と、少なくとも1つの変調素子であって、同素子の中央軸線のまわりで円周方向に離間した交互する第1及び第2の変調区域を有し、第1及び第2の変調区域が異なる光学特性を有し、隣接する第1及び第2の区域間の遷移部が実質上半径方向に延びる縁部により画定されるような少なくとも1つの変調素子とを備え、変調素子は、第1及び第2の区域が源からの光放射線に曝され、かつ、列上に変調素子の第1及び第2の区域の像を形成するように検出器の列を通過するように、検出器の列に関して変位でき、検出器上への放射線の投射に応じたそれぞれの信号を検出器から受け取るように検出器に接続されたデータプロセッサを更に備えた光学変位センサにおいて、検出器列が第1及び第2の区域の二次元像を生じさせる検出器素子の二次元列を有し、プロセッサが二次元像から少なくとも1つの変調素子上の少なくとも２つの異なる半径方向に延びる区域の縁部の方位を特定し、縁部の決定された方位から素子の中心の位置を決定するようになっていることを特徴とする光学変位センサを提供する。
【００１３】
データプロセッサにより生じた信号は最も好ましくは検出器に投射される放射線の強度に依存する。
従来技術においては、単一の一次元列が設けられ、この列は、縁部の存在を特定できるが、空間内でのその方位を特定できない。これは、第1の素子の中心の位置を決定することができない。
【００１４】
変調素子は第1及び第2の変調区域（即ち、一層幅広い異なる光学特性）とは異なる第3の変調区域を含むことができる。これは位置割り出しスポークとして使用することができる。
好ましくは、プロセッサは、二次元像において、検出器列により得られた像からそれぞれ特定された縁部の少なくとも２つの半径方向に離間した部分を特定するようになっている。
【００１５】
プロセッサは、2つの特定された部分を通過するベクトルを発生させることにより、検出された縁部の方位を決定するようにすることができる。
二次元列とは、変調区域の縁部上に少なくとも２つの異なる半径方向で離間した部分を作像できる列を意味する。
【００１６】
二次元列を設けることにより、同じ縁部の少なくとも２つの半径方向で離間した点を得ることができる。
二次元列は便宜的には2つの副列を有することができ、各副列は検出器素子の直線列を有する。2つの列は実質上同一とすることができる。これらの列は平行に及び変調素子の中央軸線の一側で近接して配置することができる。最も便宜的には、両方の副列上に作像された縁部の検出を補助するために、2つの列の検出器間の間隔は特定すべき縁部間の角度間隔よりも小さい。他の配列は、例えば、１２８×１６列を含み、この場合、変調区域の縁部上の１６個の異なる半径方向で離間した部分を検出することができる。
【００１７】
２つの副列を設けた場合、各列はプロセッサへ渡されるそれぞれの副像を発生させるようにすることができる。２つの副列の各々は第１及び第２の区域の異なる部分に対応する。好ましくは、副像は時間的に同じ瞬間又は時間的に実質上同じ瞬間に得られる。
【００１８】
プロセッサは第1の像における変調区域の第1の縁部の内側部分の位置及び第2の像における第1の縁部の外側部分の位置を特定することにより、縁部の方位を特定する手段と、第1の像における変調区域の第2の縁部の内側部分の位置及び第2の像からの第2の縁部の外側部分の位置を特定する手段と、第1及び第2の像における部分の相対位置から2つの縁部の方位を決定するための方位決定手段と、2つの特定された縁部の決定された方位から変調素子の中心の位置を決定するための位置決定手段とを有することができる。
【００１９】
従って、一対の近接離間した直線列はディスク上の変調区域の２つの異なる縁部の方位を決定することにより変調素子の位置を特定できるのに十分な情報を提供する。これは、変調素子の逸脱による中心出力における誤差を補償できる。また、変調素子の光学半径を導き出せる。
【００２０】
プロセッサは各素子上の少なくとも２つの縁部の方位を特定することにより第１及び第２の素子の両方の回転中心を決定するようにすることができる。
第１及び第２の変調素子の各第１の区域は円周方向で離間した半径方向に延びる縁部間に形成された半径方向に延びるスロットを有することができる。
【００２１】
スロット間の第２の区域は不透明とすることができる。列上の像の明部及び暗部間の最大強度差を提供するので、この構成は好ましい。縁部の位置を特定するために使用される像において１つの強度レベルから他の強度レベルへの遷移部がある。
二次元列の空間的な広がりは、使用時に、第１及び第２の強度しきい間の少なくとも５つの遷移部が各列により常に検出できるようなものとするのが好ましい。これは少なくとも５つの縁部の検出に対応する。
【００２２】
光源及び検出器列は伝送型のセンサを形成するために変調素子の両側に設けることができる。代わりに、光源及び検出器列は変調素子の同じ側に設けることができる。第１の場合、源からの光は検出器列を通過するか又は変調区域により遮断される。第２の場合、源からの光は検出器列上の変調区域から反射されるか又は検出器列から離れた変調区域を通過する。
当業者なら、センサに対する多くの修正がこれら２つの広い形式内で可能であることを理解できよう。
【００２３】
光源は少なくとも部分的に拡散するのが好ましい。代わりに、光源の前面に設けたディフューザと組み合わせて点源を使用することができる。第１及び第２の変調素子を設けることができる。各変調素子は重なった第１及び第２の変調区域を有することができ、第１の変調素子は第２の変調素子に関して変位できる。これらはトーションバーに沿った軸方向で離間した位置において接続することができる。
【００２４】
第１の変調素子は入力シャフトに取付けることができ、第２の変調素子は出力シャフトに取付けることができ、入力及び出力シャフトはトーションバーに接続される。この構成においては、トーションバーに加えられたトルクは第１及び第２の素子の相対角度変位を生じさせる。
【００２５】
この形式のセンサはトルクの測定を可能にする。
従って、第２の態様によれば、本発明は、第１の素子及び第２の素子がトーションバーにより接続されているような本発明の第１の態様に係る変位センサを有するトルクセンサを提供する。
ここで、単なる例として、添付図面を参照して本発明の１つの実施の形態を説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
添付図面の図２に示すように、入力及び出力シャフトと同軸のトルク伝達シャフト２０３を介して出力シャフト２０２に結合された入力シャフト２０１を有するトルクセンサ２００を設ける。トルク伝達シャフトは、時として、羽軸シャフト又はトーションバーとして知られる。トーションバーは図からは見えないが、構成の内部構造を示すために破線で示してある。それぞれディスクを有する第１及び第２の変調素子２０４、２０５は入力及び出力シャフトによりそれぞれ担持される。
【００２７】
添付図面の図３、４は第１及び第２の変調素子２０４、２０５を平面図として示す。各素子はその中に形成された一組の半径方向に延びかつ円周方向で離間したスロット２０６、２０７を有する。各スロットは比較的狭く、ディスクの円周に追従する円弧となって延びる。スロットはスポークにより隔離される。各スロットは、縁部を含むベクトルがディスクの中心を通過するように半径方向に延びる直線縁部により境界を定められる。図示の例においては、ディスクの１つは他方のディスクよりも幅広いスポークを具備するが、スロットの幅が各ディスク上で同じであるようなセンサを構成することが可能である。異なる幅のスポークの使用は正のトルクから負のトルクを区別させることができる。
【００２８】
使用において、2つのディスクは、第1のディスク２０４のスロットが第2のディスク２０５のスロットと重なるように、共通軸線のまわりで整合される。トルクがトーションバーに加えられたときに、2組のスロットは互いに相対運動する。これは、2つのディスクのスロット間部分が重なりの量を変えることにより、スロットを通過する光のパターンを変化させる。本発明のこの態様は周知であり、異なるスロット構成のために生じることのある異なるパターンのための十分な検討のために上記特許文献１の教示を参照されたい。
【００２９】
単なる例として、図5は、任意に選択されたトルクの場合についての図３、４の2つのディスクから生じたパターンを示す。スロット同士の重なりは2つのスロットが重なることによる開口を画定することが分かる。これらの開口間には、第1のディスクの１つのスロットがスロット間部分（スポーク）と重なる区域、即ち第2のディスクのスロットが第1のディスクのスロット間区域と重なる区域２１５、２１６、２１７及び2つのスロット間部分が重なる区域２１８、２１９、２２０がある。開口から開口間区域へのパターンの各遷移部の縁部は半径方向に延び、２つのディスクの一方又は他方上のスロットの縁部に対応することを特筆しておく。トルクが変化すると、パターンもまた開口の幅と共に変化し、開口間区域はトルクの関数である。
【００３０】
図2に示すように、両方のディスクは（可視の又は赤外又は紫外の光を放出できる）光源２３０と検出器素子２４０の二次元列との間に位置する。源からの光は検出器列２４０上のディスクのスロットにより形成されたパターンの像を生じさせる。
【００３１】
検出器素子２４０の列は添付図面の図6に示す。これは共通基体上で検出器の2つの直線列２４１、２４２を画定する単一チップデバイスを有する。列内の各検出器は光源により放出される光に対して感応性である。配列された２つの直線列は平行である。2つの列間の間隔は2つのディスク内の変調スロットの縁部の半径方向の広がりよりも小さくなるように選択される。更に、2つの列の広がりは、変調区域の５つの縁部の像が各副列上に常に形成されるように選択される。各列は１２８個の検出器を有するが、これよりも多いか又は少ない検出器を設けることができる。
【００３２】
また図６には、変調素子により形成された開口を通過する光による２つの直線列上での光学パターンの形成を示す。分かる通り、各直線列はスロットにより形成されたパターンの一次元像を、他の直線列により「見られた」対応する像から片寄った（ずれた）象として「見る」。一緒にまとめて、これらの像は変調素子のスロットにより形成された開口のパターンの二次元像を形成する。
【００３３】
各像はプロセッサ（図示せず）へ渡され、プロセッサは像から像内の遷移点の位置を引き出す。これらの特定された遷移位置の各々は変調素子のスロットにより形成された開口の縁部を表す。２つの像内の各遷移位置を特定した後、プロセッサは位置を対にグループ分けし、各対は２つのディスクの一方のスロットの同じ縁部に対するものである。遷移部を対にグループ分けした後、対の遷移部の対応する縁部についてのベクトルが決定される。
【００３４】
変調スロットの縁部の方位に対応する一組のベクトルを発生させた後、プロセッサは次に、重なりの地点へ各ディスクのための２つの縁部を外挿法を適用することにより、各ディスクの中心を決定する。
中心地点の決定に使用されるプロセッサは添付図面の図６を参照して良好に理解することができる。
【００３５】
例えば幅が広い方のスロットを有する第１の変調素子を考えると：
Ｙ1 は列２４１上で測定した幅広いスポークのための縁部位置
Ｙ2 は列２４２上で測定した幅広いスポークのための縁部位置
Ｙ3 は列２４１上で測定した隣接する幅広いスポークのための縁部位置
Ｙ4 は列２４２上で測定した隣接する幅広いスポークのための縁部位置
Ｘ は幅広いスポークディスク及び列２４１のための光学半径
ｄ は直線列２４１と直線列２４２との間の距離
ｙ は列の中央軸線と幅広いスポーク付きディスクの中心との間の接線方向の変位。
【００３６】
上述の表記を使用すると、幅広いスポークディスクの光学半径ｘは次式により与えられることが分かる。
【００３７】
【数１】
ｘの値は本出願人の先のヨーロッパ特許出願（特許文献１）に記載されたような逆正接及びパララックス縁部補正のために使用される各素子の光学倍率を決定するためにプロセッサにより使用することができる。
幅広いスポークディスクの接線方向の変位ｙは次式により与えられることも分かる。
【００３９】
【数２】
これらの式は狭いスロットを有する第２の素子のための中心位置を計算するために同等に使用することができる。
像に対する補正を施した後、開口及び開口間区域の補正された幅からトルクが最終的に決定される。
【００４１】
ｙファクターはディスクの逸脱を補償するように元の縁部の位置値を調整するために使用できる。逆正接及びパララックス補正がスロットの縁部位置に適用される前に、この調整を行うべきである。
【００４２】
これら式は直線列デバイスの正確な接線方向又はヨー方向の位置決めを必要としない、すなわち、ｙ補正ファクターは列の中心に対して各ディスクの中心を自動的に整合させる。また、補正ファクターは特定のディスク方位に対して最適化されるのではなく、すべてのディスク位置に対して最適な逆正接補正を与える。
【００４３】
また、式（１）は、従来既知のセンサ装置については必要であるような二次方程式の平方根を解く必要なしに、光学半径を与える。
改善において、プロセッサはトーションバーのための推定された回転軸線に相対的なディスクの計算された中心の変位を監視する。推定された軸線からまっすぐな計算された中心が所定の安全限界を越える量になった場合、警報フラグを立てることができる。
【００４４】
もちろん、本発明がどんな方法でも前述の特定の実施の形態に限定されないことを理解されたい。本発明は一方又は両方のディスク逸脱の量の補償を可能にすることができる検出器列と一緒に回転変調ディスクを使用する変位中心を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】従来のトルクセンサの斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態を形成するトルクセンサの斜視図である。
【図３】各スロット間に幅広いスポークを含む、図２のセンサの第１の変調素子の平面図である。
【図４】各スロット間に狭いスポークを含む、図２のセンサの第２の変調素子の平面図である。
【図５】センサのトーションバーに加えられる任意のトルクがかかかったときの２つのディスク内のスロットによる開口の形成の例を示す図である。
【図６】図２の構成により第１及び第２の検出器上に形成された二次元像の重ね合わせを示し、また、像から特定される縁部のベクトルをも示す図である。
【図７】セクション（ａ）及びセクション（ｂ）は加えられたトルクの効果及び従来のトルクセンサにおいて形成された像のディスク逸脱誤差を示す図である。
Claims (13)
- 光放射線源と、放射線検出器の列と、少なくとも1つの変調素子であって、同素子の中央軸線のまわりで円周方向に離間した交互する第1及び第2の変調区域を有し、同第1及び第2の変調区域が異なる光学特性を有し、隣接する当該第1及び第2の区域間の遷移部が実質上半径方向に延びる縁部により画定されるような少なくとも1つの変調素子とを備え、上記変調素子は、上記第1及び第2の区域が上記放射線源からの光放射線に曝され、しかも、上記列上に当該変調素子の当該第1及び第2の区域の像を形成するように上記検出器の列を通るように、当該検出器の列に関して変位でき、
さらに上記検出器上への放射線の投射に応じたそれぞれの信号を当該検出器から受け取るように同検出器に接続されたデータプロセッサを更に備えた光学変位センサにおいて、
上記検出器列が上記第1及び第2の区域の二次元像を生じさせる検出器素子の二次元列を有し；
上記プロセッサが上記二次元像から少なくとも1つの上記変調素子上の少なくとも２つの異なる半径方向に延びる上記区域の縁部の方位を特定し、上記縁部の決定された方位から当該素子の中心の位置を決定するようになっている；
ことを特徴とする光学変位センサ。 - 上記変調素子が上記第1及び第2の変調区域とは異なる第3の変調区域を有することを特徴とする請求項１に記載の光学変位センサ。
- 上記プロセッサが、上記二次元像において、上記検出器列により得られた像から各特定された縁部の少なくとも２つの半径方向に離間した部分を特定するようになっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学変位センサ。
- 上記プロセッサが、上記2つの特定された部分を通過するベクトルを発生させることにより、検出された縁部の方位を決定するようになっていることを特徴とする請求項３に記載の光学変位センサ。
- 上記二次元列が検出器の直線列をそれぞれ備えた２つの副列を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか記載の光学変位センサ。
- 上記2つの副列の上記検出器間の間隔が特定すべき上記縁部間の角度間隔よりも小さいことを特徴とする請求項５に記載の光学変位センサ。
- 上記各副列が上記プロセッサへ渡されるそれぞれの副像を発生させるようになっており、上記2つの副像の各々が上記第1及び第2の区域の異なる部分に対応することを特徴とする請求項５又は６に記載の光学変位センサ。
- 上記副像が時間的に同じ瞬間に又は時間的に実質上同じ瞬間に得られることを特徴とする請求項５、６又は７のいずれか記載の光学変位センサ。
- 上記プロセッサが、第1の像における上記変調区域の第1の縁部の内側部分の位置及び第2の像における上記第1の縁部の外側部分の位置を特定することにより、当該縁部の方位を特定する手段と；
上記第1の像における上記変調区域の第2の縁部の内側部分の位置及び第2の像からの上記第2の縁部の外側部分の位置を特定する手段と；
上記第1及び第2の像における上記部分の相対位置から上記2つの縁部の方位を決定するための方位決定手段と；
上記2つの特定された縁部の決定された方位から上記変調素子の中心の位置を決定するための位置決定手段と；
を有することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか記載の光学変位センサ。 - 上記プロセッサが、上記素子の各々上の少なくとも2つの縁部の方位を特定することにより、当該第1及び第2の素子の双方の回転中心を決定するようになっていることを特徴とする請求項９に記載の光学変位センサ。
- 上記第1及び第2の変調素子の各第1の区域が円周方向に離間した半径方向に延びる縁部間に形成された半径方向に延びるスロットを有することを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか記載の光学変位センサ。
- 上記スロット間の上記第2の区域が不透明であることを特徴とする請求項１１に記載の光学変位センサ。
- 上記二次元列の空間的な広がりは、使用時に、第1及び第2の強度しきい間の少なくとも５つの遷移部が各列により常に検出可能となるようなものであることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか記載の光学変位センサ。
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