KR100482248B1 - 토크변환기 - Google Patents

Abstract

토크변환기는 비틀림에 순응하는 커플링에 의해 연결된 실질적으로 강성인 제 1 및 제 2토크입력부재을 갖춘 회전샤프트를 포함한다. 상기 커플링에 의해 샤프트에서 토크의 크기의 함수로서 제 2토크입력부재에 관하여 제 1토크입력부재의 각편향이 가능하다. 제 1격자구성요소는 제 1토크입력부재에 부착되거나 일체로 되고 그리고 제 2격자구성요소는 제 2토크입력부재에 부착되거나 일체로 된다. 상기 격자구성요소들은 비틀림에 순응하는 커플링에 의해 연결된 고 및 저 반사율의 교호하는 영역으로 구성된 면을 포함한다. 이러한 면들은 전자기방사(EMR)원에 의해 비추어지고, 전자기방사(EMR)원은 EMR에 민감한 검출기의 하나 이상의 어레이상에 무늬를 발생시킨다. 상기 무늬의 배치는 상기 샤프트에 가해진 토크의 함수이고, 그리고 하나 이상의 어레이의 출력은 상기 샤프트에 가해진 토크의 측정을 생성하도록 처리될 수 있다.

Description

토크변환기{TORQUE TRANSDUCER}

본 발명은 샤프트, 상세하게는 차량의 전력조향시스템에서 볼 수 있는 것과 같은 회전하는 샤프트의 토크크기를 측정하는 토크변환기에 관한 것이다.

전력조향시스템은 통상적으로 중간 샤프트 및 훅조인트(Hookes joint)장치에 의해 조향바퀴에 연결된 입력샤프트구성요소를 통합하고 있다. 상기 입력샤프트는 그 결과 중심조향위치상의 양측에서 전형적으로 1 대 2의 회전각에 의해 회전하는 것이 필요하다. 상기 입력샤프트는 조향기어의 고정된 하우징에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인다. 이러한 회전하는 샤프트의 연속적으로 변화하는 토크를 정확하게 측정하는 것은 전력조향서보시스템의 필요 조건이다. 통상적으로 상기 샤프트에 가해진 토크는 각도적으로 편향을 유발하고, 그러한 편향은 샤프트의 한 부분을 다른 부분에 관하여 각도적으로 변위를 유발하여, 이 변위는 이러한 토크의 측정을 제공하도록 탐지된다.

상기 탐지수단은 상기 하우징내에서 샤프트의 회전을 허용하기 위해 필요하고, 대개 비접촉 또는 기계적인 신호전달수단을 사용한다. 비접촉수단은 자기왜곡적인 또는 가변 자기저항 커플링과 같은 장치 또는 자기적인 장치에 기초한 광학적인 구멍을 포함한다. 기계적인 수단은 활판으로 연결된 전위차계 및 다른 지시장치를 포함한다.

상기와 같은 탐지수단의 정확도를 개선하기 위해 토션바의 형태로 비틀림에순응하는 커플링이 샤프트의 양 단부에서 2 개의 입력부재를 연결하도록 사용된다. 2 개의 입력부재들 사이에서 토크가 가해지면, 상기 토션바는 편향하여 증가된 각변위를 유발하고, 이것은 덜 민감하거나 또는 덜 정확한 탐지수단의 사용을 허용한다.

상기 토션바는 통상적인 회전유압조향밸브의 경우로서 분리된 구성요소의 형태로 사용될 수 있다. 택일적으로, 몇 개의 제안된 전력조향시스템의 경우에 있어서, 토션바는 사실상 샤프트부재와 일체로 될 수 있고 샤프트부재의 각 단부에서 실질적으로 강성인 토크입력부재를 커플링하는 샤프트부재의 상대적으로 비틀림에순응하는(즉, 비틀림에 덜 완강한) 부분이 될 수 있다. 이러한 후자의 시스템에 있어서 샤프트부재는 단일의 강철요소로서 쉽게 기계가공될 수 있고, 그리고 단지 필요 조건은 상대적으로 비틀림에 순응하는, 2 개의 실질적으로 강성인 토크입력부재부분을 연결하는, 커플링부분의 각편향이 상기 탐지시스템이 상대적으로 비틀림에 순응하는 커플링부분의 각편향을 정확하게 측정할 수 있는 충분히 낮은 비틀림의 강도를 갖추는 것이다.

일반적으로, 토션바의 사용은, 피할 수 없는 토크 과부하조건이 발생할 경우 토션바의 파괴를 방지하는 토크한계장치가 되는, 안전보장장치기구의 사용을 요구한다.

상기 토크한계장치는 차량조향의 기술분야에 있어서 공지되어있고, 따라서 본 명세서에서는 기술되지 않을 것이다.

본 발명의 기술분야와 가장 밀접하게 관련된, 선행 기술은 토크측정용 광학적인 디스크구멍을 사용하는 센서를 개시하는 미국 특허5,369,583 및 국제특허출원 PCT/GB95/02017에 기술되어 있다.

본 발명의 핵심은 비틀림에 순응하는 커플링에 의해 연결된 고 및 저 반사율의 교호하는 영역으로 구성된 면을 포함하는 격자구성요소의 설비에 있다. 이러한 면은 전자기방사(EMR)원, 즉 EMR에 민감한 검출기의 하나 이상의 어레이 상에 무늬를 발생하는 전형적으로 UV, 가시광선 또는 IR광선에 의해 비추어진다. 어레이는 CCD장치, VLSI영상칩,1 및 2차원 광검출기어레이 그리고 측방향효과 광다이오우드(통상 PSD 즉 위치탐지장치로 불린다)를 포함한다. 상기 무늬의 배치는 샤프트에 가해진 토크의 함수이고, 그리고 하나 이상의 어레이의 출력은 샤프트에 가해진 토크의 측정을 할 수 있도록 처리될 수 있다. 본 발명은 무아레 간섭(Moire fringe), 스페클패튼(speckle patterns) 또는 다른 회절격자에 좌우되지 않는 반사영상방법의 사용에 의해 다른 반사토크변환기와 구별된다. 본 발명은 광검출기 어레이들을 사용하기 때문에, 상기 격자들로부터 반사된 EMR은 개개의 광검출기를 가지고 가능한 것보다 더 빠르고 더 완전한 상기 정보의 해석수단을 허용하는 동시영상을 제공한다. 후자의 경우에 있어서는 보다 느리고 보다 에러를 범하기 쉬운 광검출기 상에 입사한 EMR강도의 연속적인 변화를 계산하는 것이 필요하다.어레이를 사용하는 다른 반사토크변환기는 미국특허 5,490,430에 기술되어있다. 이것은 토크의 적용에 의해 비틀림적으로 긴장되는 2 개 이상의 회절격자의 회절각의 차이에 의존한다. 이 장치는 불일치와 만곡하중(bending load) 때문에 에러를 발생하기 쉬워서 조준되고 단색인 EMR원을 요구한다. 고 및 저 반사율의 영역은 샤프트의 회전축선에 대하여 축방향으로 또는 방사상으로 배치될 수 있고, 그리고 제한된 어레이크기가 상기 어레이에 의해서 조사되는 완전한 원주 또는 방사상면을 허용하지 않을 수 있기 때문에, 샤프트의 각위치에 관계없이 매 순간마다 시간을 맞추어 상기 어레이의 연속적인 출력을 허용하는 것과 같은 특징이 있다. 미국 특허5,369,583 및 국제특허출원번호 PCT/GB95/02017에 개시된 것과 같은 구조의 이점은 아래의 하나 이상의 것으로서 나타날 수 있다.첫째로, 반사격자구성요소의 사용은 원통형 격자구성요소의 배열의 사용에 의해 보다 간단하고 콤팩트한 구조를 허용하고, 이것은 현저하게 증가된 직경을 요구함이 없이는 선행기술분야에서 개시된 바와 같이 디스크구멍을 사용하여 쉽게 성취할 수 없다. 그것은 또한 EMR원 및 어레이를 공간 및 비용에 있어서 보다 절약하면서 동일한 조립체내에서 일체화되도록 허용한다. 둘째로, EMR원 또는 어레이를 교란시키지 않고 축방향으로 변환기의 한 단부로부터 상기 격자구성요소를 제거할 수 있기 때문에, 변환기의 간편한 조립 및 분해를 허용한다.

셋째로, 반사격자구성요소의 사용의 다른 이점은 EMR이 상기 면으로부터 반사되고, 그리고 영이 아닌 두께를 가진 구멍을 갖춘 경우와 같이 가장자리 산란에 의한 영향이 없다는 것이다. 이러한 산란은 상기 장치의 최대 해상도를 제한한다. 넷째로, 반사격자구성요소의 사용은 공지되고 정확한 사진기술 또는 예를 들면, 유리위에 금속을 입히는 금속화기술의 사용을 허용한다. 구멍을 가지고 하는 이러한 기술의 사용은 해상도의 손실 또는 내부반사로부터의 다른 문제점, 상기 EMR이 금속화된 영역사이의 유리를 통하여 이동해야만 하는 시간에 걸친 회절 또는 감쇠를 초래할 수 있다.

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마지막으로, 반사격자구성요소의 사용은 토션바의 최대 각편향을 제한하는 손실된 운동연결을 제공할 수 있는 서로 맞물린 캐스틀레이션(castellation)의 사용을 허용하고, 이로 인해 장치를 제한하는 분리된 토크에 대한 필요를 제거하고 상기 변환기의 비용 및 복잡함을 감소시킨다.

도 1은 격자구성요소 및 연관된 2 개의 어레이의 면 상에 고 및 저반사율의 영역을 도시하는, 토션바에 의해 연결된 2 개의 토크입력부재의 개략도,

도 2는 도 1에 도시된 개념을 기초로 한 본 발명의 제 1실시예에 따른 토크변환기의 단면도,

도 3은 인접한 격자구성요소들 및 연관된 단일 어레이의 면 상의 고 및 저반사율의 영역을 도시하는, 토션바에 의해 연결된 2 개의 토크입력부재의 개략도,

도 4는 캐스틀레이션을 포함하는 2 개의 격자구성요소의 맞물리는 장치의 분해된 등거리 도면,

도 5는 2 개의 격자구성요소 및 연관된 단일 어레이의 실제적인 관계를 도시하는 도 4의 다른 도면,

도 6은 도 4 및 도 5에 도시된 개념에 바탕을 둔, 본 발명의 제 2실시예에 따른 토크변환기의 단면도,

도 7은 도 2, 6, 8, 11, 12 및 16에 도시된 실시예의 안전보장장치기구의 단면도,

도 8은 실질적으로 매끈한 원통면을 포함하는 격자구성요소를 이용하는, 본 발명의 제 3실시예에 따른 토크변환기의 단면도,

도 9는 도 8에 도시된 토크변환기의 격자구성요소의 세부를 도시하는 도면,

도 10은 도 1에 유사하지만 방사상으로 배치된 면을 가진 격자구성요소를 도시하는 개략도,

도 11은 도 10에 도시된 개념에 바탕을 둔, 본 발명의 제 4실시예에 따른 토크변환기의 단면도,

도 12는 방사상으로 돌출하기보다는 축방향으로 돌출한 캐스틀레이션을 사용하는 본 발명의 제 5실시예에 따른 토크변환기의 단면도,

도 13 및 14는 도 12에 도시된 축방향으로 돌출하여 맞물리는 캐스틀레이션의 분해 및 조립된 상태를 각각 도시하는 등거리 도면,

도 15는 2 개의 토크입력부재 및 방사상으로 배치된 면을 가진 부착된 격자구성요소의 개략도,

도 16은 도 15에 도시된 개념에 바탕을 둔, 본 발명의 제 6실시예에 따른 토크변환기의 단면도,

도 17 및 18은 안전보장장치기구를 또한 제공하는 캐스틀레이션을 포함하는 깍지끼듯이 서로 맞물리는 격자구성요소의 분해 및 조립된 상태를 각각 도시하는 사시도,

도 19는 토크입력부재들 중의 하나의 절대 각위치의 측정을 또한 허용하는 본 발명의 제 3실시예의 개량형을 도시하는 도면,

도 20a는 어레이들이 2차원 어레이인, 본 발명의 제 1실시예에 따른 제 1 및 제 2어레이 상에 발생된 전형적인 무늬를 도시하는 도면,

도 20b는 어레이들이 1차원 어레이인, 본 발명의 제 1실시예에 따른 제 1 및 제 2어레이 상에 발생된 전형적인 무늬를 도시하는 도면,

도 21a는 어레이가 2차원 어레이인, 본 발명의 제 2실시예에 따른 단일 어레이 상에 발생된 전형적인 무늬를 도시하는 도면,

도 21b는 어레이가 1차원 어레이인, 본 발명의 제 2실시예에 따른 단일 어레이 상에 발생된 전형적인 무늬를 도시하는 도면,

도 22는 본 발명의 제 3실시예에 따른 단일 2차원어레이 상에 발생된 전형적인 무늬를 도시하는 도면,

도 23a는 어레이들이 2차원 어레이인, 본 발명의 제 4실시예에 따른 제 1 및 제 2어레이 상에 발생된 전형적인 무늬를 도시하는 도면,

도 23b는 어레이들이 1차원 어레이인, 본 발명의 제 4실시예에 따른 제 1 및 제 2어레이 상에 발생된 전형적인 무늬를 도시하는 도면,

도 24a는 어레이가 2차원 어레이인, 본 발명의 제 5실시예에 따른 단일 어레이 상에 발생된 전형적인 무늬를 도시하는 도면,

도 24b는 어레이가 1차원 어레이인, 본 발명의 제 5실시예에 따른 단일 어레이 상에 발생된 전형적인 무늬를 도시하는 도면,

도 25는 본 발명의 제 6실시예에 따른 단일 2차원 어레이 상에 발생된 전형적인 무늬를 도시하는 도면,

도 26a 부터 26e는 토크입력부재의 절대 각위치의 측정을 또한 허용하는 본 발명의 제 3실시예의 다른 개량형에 대한 격자구성요소들의 연속된 상대적인 위치를 도시하는 도면,

도 27은 도 26a 부터 26e에 도시된 2진법바코드 중의 하나 상의 고 및 저반사율의 영역의 상세를 도시하는 도면,

도 28a 및 28b는 토크입력부재의 절대 각위치의 측정을 또한 허용하는 본 발명의 제 3실시예의 보다 개량된 형에 대한 격자구성요소들의 연속된 상대적인 위치를 도시하는 도면, 그리고

도 29는 도 28a 및 28b에 도시된 2진법바코드 중의 하나 상의 고 및 저반사율의 영역의 상세를 도시하는 도면이다.

본 발명은 고정된 하우징에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인 회전하는 샤프트로서, 샤프트의 회전축선은 하우징에 관하여 고정되고, 샤프트는 비틀림에 순응하는 커플링에 의해 연결된 실질적으로 강성인 제 1 및 제 2토크입력부재를 포함하고, 상기 커플링에 의해서 샤프트에 있어서 토크크기의 함수로서 제 2토크입력부재에 관하여 제 1토크입력부재의 각편향을 가능하게 하는 상기 회전하는 샤프트; 제 1토크입력부재에 부착되거나 일체로 된 제 1격자구성요소 그리고 제 2토크입력부재에 부착되거나 일체로 된 제 2격자구성요소로서, 제 1격자구성요소는 제 1면을 포함하고 제 2격자구성요소는 제 2면을 포함하는 상기 제 1 및 제 2격자구성요소; 그리고 하나 이상의 전자기방사(EMR)원 및 EMR탐지검출기의 하나 이상의 어레이를 포함하는 토크변환기로서, 각 방사원은 상기 면의 한 면 또는 양 면에 방사하고 각 어레이는 상기 면의 한 면 또는 양 면으로부터 반사된 입사EMR을 수용하며, 각 면을 방사하는 하나 이상의 방사원과 이 면으로부터 반사된 입사EMR을 수용하는 하나 이상의 어레이는 이 면의 같은 쪽위에 모두 위치되어 상기 하우징에 관하여 고정되고, 양 면은 고 및 저반사율의 교호하는 영역을 포함하고, 샤프트의 각위치에 무관하고 그리고 제 1 및 제 2토크입력부재의 상대적인 각편향에 관계없이 상기 어레이에 반사된 EMR을 제공하는 한 면 또는 양 면 상의 고 및 저반사율의 교호하는 영역으로부터 임의의 순간에 하나 이상의 어레이 각각의 위에 입사EMR에 의해 무늬가 발생되고, 상기의 임의의 순간에 하나 이상의 어레이 상의 무늬 또는 무늬군으로부터 발생된, 하나 이상의 어레이로부터의 출력은 제 1및 제 2토크입력부재의 상대적인 각편향을 유도하기 위해 프로세서에 의해 처리되고, 그로 인해 샤프트의 토크크기의 측정을 제공하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 몇 가지 실시예에 있어서, 제 1어레이는 제 1면으로부터 반사된 입사EMR을 수용하여 제 1무늬를 발생하고, 그리고 제 2어레이는 제 2면으로부터 반사된 입사EMR을 수용하여 제 2무늬를 발생한다. 프로세서는 제 1 및 제 2어레이로부터 입력을 수용하고, 그리고 상기 프로세서는 소프트웨어 또는 하드웨어 전자수단을 포함하여 제 1 및 제 2무늬의 상대적인 변위를 결정하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 실시예들에 있어서, 제 1 및 제 2면은 양자가 서로 인접하거나 접촉하고, 단일 어레이는 제 1 및 제 2면의 양자로부터 반사된 입사EMR을 수용하여 단일 무늬를 생성하고, 상기 무늬는 제 1면으로부터 반사된 입사EMR에 의해 발생된 제 1이차무늬 및 제 2면으로부터 반사된 입사EMR에 의해 발생된 제 2이차무늬를 포함한다. 상기 프로세서는 상기 단일 어레이로부터 입력을 수용하고, 그리고 상기 프로세서는 소프트웨어 또는 하드웨어 전자수단을 포함하여 제 1 및 제 2이차무늬의 상대적인 변위를 결정하는 것이 바람직하다. 상기 단일 무늬는 제 2이차무늬 사이에 삽입된 제 1이차무늬를 포함하는 서로 맞물린 무늬인 것이 바람직하다.

제 1 또는 제 2면 중의 적어도 하나는 샤프트의 회전축선과 동일 직선상의 중심축선을 가진 실질적인 원통형이고, 상기 적어도 한 면으로부터 반사된 입사EMR을 수용하는, 상기 어레이는 상기 면의 내측 또는 외측에 방사상으로 위치되는 것이 바람직하다. 각 격자구성요소의 외면 둘레로 방사상으로 돌출한 캐스틀레이션을 포함하는 각 격자구성요소 때문에 상기 적어도 하나의 실질적인 원통면이 불연속이고, 상기 캐스틀레이션은 실질적으로 축방향으로 맞추어져 있고, 상기 고반사율의 영역은 상기 원통면의 중심축선에 관하여 캐스틀레이션의 최대 반경의 면적에 상당하고, 그리고 상기 저반사율의 영역은 캐스틀레이션 사이의 불연속인 틈새(gap)면적 또는 보다 짧은 반경의 면적과 각을 이루어 맞추어져 있는 것이 바람직하다. 또한 상기 격자구성요소는 금속 또는 플라스틱재료로 제조되고 상기 최대반경의 면적은 매끈하게 기계가공되거나, 성형되거나 또는 소결되고, 즉 고 반사율을 부여하기 위해 면이 페인트 또는 재료침착으로 처리되고, 그리고 상기 불연속인 틈새면적 또는 보다 짧은 반경의 면적은 기계가공되거나, 성형되거나 또는 소결되는, 즉 저 반사율을 부여하기 위해 면이 페인트 또는 재료침착으로 처리되는 것이 바람직하다.

택일적으로, 일정한 응용에 있어서, 실질적으로 매끈한 원통을 포함하는 각각의 격자구성요소 때문에 상기 적어도 하나의 실질적인 원통면이 실질적으로 연속적이고, 상기 원통의 내측 또는 외측면은 고 및 저반사율의 교호하는 영역을 포함하고, 그리고 상기 영역들은 실질적으로 축방향으로 맞추어져 있는 것이 바람직할 수 있다. 바람직하게는 고 반사율의 영역은 금속으로 입혀지거나, 광택이 있거나 또는 밝은 색으로 착색되고 그리고 저반사율의 영역은 실질적으로 투명하거나, 거칠게 가공되거나 어두운 색으로 착색된다.

택일적으로, 일정한 응용에 있어서, 상기 제 1 또는 제 2면 중의 적어도 하나는 샤프트의 회전축선에 관하여 실질적으로 방사상으로 배치되어 있고, 그리고 상기 적어도 한 면으로부터 반사된 입사EMR을 수용하는 어레이는 상기 면의 한 쪽위에 축방향으로 위치되는 것이 바람직할 수 있다. 바람직하게는, 각 격자구성요소의 외면 둘레로 축방향으로 돌출한 캐스틀레이션을 포함하는 각 격자구성요소 때문에 상기 적어도 하나의 실질적으로 방사상으로 배치된 면은 불연속이고, 캐스틀레이션은 실질적으로 방사상으로 배치되고, 고반사율의 영역은 상기 캐스틀레이션의 최대 축방향의 돌출부의 면적에 상응하고, 그리고 저반사율의 영역은 상기 캐스틀레이션의 사이의 불연속적인 틈새면적 또는 축방향으로 덜 돌출한 면적과 각을 이루어 맞추어져 있다. 또한 상기 격자구성요소는 금속 또는 플라스틱재료로 제조되고, 상기 최대 축방향의 돌출부의 면적은 매끄럽게 기계가공되거나, 성형되거나 또는 소결되고, 즉 고반사율을 부여하기 위해 면이 페인트 또는 재료침착으로 처리되고, 그리고 불연속적인 틈새면적 또는 축방향으로 덜 돌출한 면적은 기계가공되거나, 성형되거나 또는 소결되는, 즉 저반사율을 부여하기 위해 면이 페인트 또는 재료침착으로 처리되는 것이 바람직하다.

택일적으로, 일정한 응용에 있어서, 실질적으로 매끈한 디스크 또는 평면링을 포함하는 각 격자구성요소 때문에 상기 적어도 하나의 실질적으로 방사상으로 배치된 면이 실질적으로 연속적이고, 디스크 또는 평면링의 한 쪽은 고 및 저반사율의 교호하는 영역을 포함하고, 상기 영역들은 실질적으로 방사상으로 배치되고, 고반사율의 영역은 금속으로 입혀지거나, 광택이 있거나 또는 밝은 색으로 착색되고, 그리고 저반사율의 영역은 실질적으로 투명하거나, 거칠게 가공되거나 또는 어두운 색으로 착색되는 것이 바람직할 수 있다.

바람직하게는 상기 어레이는 1차원 또는 2차원 어레이, CCD, VLSI영상칩 또는 측방향효과 광다이오우드를 포함한다.

바람직하게는 상기 무늬 또는 무늬군은 각속도 그리고/또는 토크입력부재의 적어도 하나의 상대적인 각위치를 유도하도록 프로세서에 의해 또한 처리된다. 바람직하게는 적어도 하나의 격자구성요소의 면은 면적 또는 고 또는 저반사율의 부가적인 영역을 포함하고 면적 또는 고 또는 저반사율의 부가적인 영역의 결과로서 생기는 무늬는 또한 상기 적어도 하나의 격자구성요소가 부착되거나 일체화되는 토크입력부재의 절대 각위치를 유도하도록 처리된다.

바람직하게는 상기 적어도 하나의 격자구성요소의 면 상의 고 및 저반사율의 교호하는 영역은 개개의 바코드가 겹치지 않도록 배열된 연속적인 개개의 2진법바코드의 형태로 배열된다. 택일적으로 상기 적어도 하나의 격자구성요소의 면 상의 고 및 저반사율의 교호하는 영역은 개개의 바코드가 겹치도록 배열된 연속적인 개개의 바코드의 형태로 배열된다. 각 어레이상에 상기 결과로서 생기는 무늬는 상기 적어도 하나의 격자구성요소가 부착되거나 일체화되는 토크입력부재의 절대 각위치를 유도하기 위해 처리된다. 연속적인 2진법바코드는 양자의 격자구성요소 상에 사용되고 제 1 및 제 2토크입력부재의 절대 각위치의 차이는 샤프트의 토크크기의 측정을 제공하도록 사용되는 것이 바람직하다.

바람직하게는 제 1 및 제 2격자구성요소는 인접하고 축방향으로 뻗어서 서로 맞물리는 캐스틀레이션을 포함하고, 간극은 상기 캐스틀레이션 사이에 제공되어서 제 1 및 제 2토크입력부재 사이의 회전손실운동연결을 제공하고 따라서 비틀림에 순응하는 커플링의 최대 각편향을 제한한다.

이제 본 발명은 첨부된 도면에 관하여 실예에 의해 기술될 것이다.

도 1은 토션바(2)의 형태로 비틀림에 순응하는 커플링의 양 단부에 있는 토크입력부재(1a, 1b)에 부착된 격자구성요소(3, 4)를 도시한다. 격자구성요소(3, 4)는 고 및 저반사율의 교호하는 영역으로 구성된 면을 포함한다. 전자기방사(EMR)원(5, 6)은 상기 면을 비추도록 배치되어 있다. EMR탐지검출기의 어레이(7, 8)는 상기 면으로부터 반사된 입사EMR을 수용하고 그로 인해 어레이(7, 8)상에 생성된 무늬는 프로세서(9)에 의해 처리된다. 이 프로세서(9)는 당해 기술분야에서 공지된 소프트웨어 또는 하드웨어 전자수단을 포함할 수 있다.

도 2는 도 1에 도시된 원리를 이용하는, 본 발명의 제 1실시예에 따른 토크변환기의 단면도를 도시한다. 교호하는 고 및 저반사율로 구성된 면을 포함하는, 원통형 격자구성요소(3, 4)는 토션바(2)의 양 단부에 연결된 토크입력부재(1a, 1b)에 부착된다. 다른 실시예(도시되지 않음)에 있어서, 양자의 격자구성요소는 그들 각각의 토크입력부재와 일체가 될 수 도 있다. 상기 조립체는 하우징(10)에 둘러싸이고 베어링(11, 12)에 의해 지지된다. EMR원(5, 6)은 상기 면을 비추도록 배치되어 있다. 검출기의 어레이(7, 8)는 상기 면으로부터의 입사EMR을 수용하고 그로 인해 상기 어레이들 상에 발생된 무늬는 토크의 측정을 제공하는 프로세서(9)에 의해 처리된다. 토크가 토크입력부재(1a, 1b) 사이에 가해지면 토션바(2)는 각을 이루어 편향하고, 다른 무늬에 관하여 한 무늬의 변위를 초래한다. 안전보장장치기구(15)는 토크입력부재(1b)에 관하여 토크입력부재(1a)의 각편향의 양에 대한 한계를 제공함에 의해 토션바(2)에 의해 지탱된 최대 토크를 제한한다. 상기의 안전보장장치기구는 동력조향의 기술분야에서 공지되어 있다.

도 3은 다른 실시예를 도시한다. 각각 교호하는 고 및 저반사율의 실질적으로 축방향으로 맞추어진 영역으로 구성된 연속적인 원통면을 포함하는, 원통형 격자구성요소(17, 18)는 토션바(2)의 양 단부에 교대로 연결된 토크입력부재(1a, 1b) 각각에 부착된다. 격자구성요소(17, 18)는 그들이 인접하도록 배치된다. EMR원(19)은 양 면을 비추도록 배치되고, 그리고 검출기의 어레이(20)는 양 면으로부터의 입사EMR을 수용하고 그로 인해 상기 어레이 상에 발생된 무늬는 토크의 측정을 제공하는 프로세서(9)에 의해 처리된다.

도 4, 5 및 6은 본 발명의 제 2실시예를 도시한다. 원통형 격자구성요소(21, 22)는, 토션바(2)의 양 단부에 연결된 토크입력부재(1a, 1b)에 부착된다. 격자구성요소(21, 22)의 외부 원통면은 불연속이고 실질적으로 축방향으로 맞추어진, 각각 방사상으로 돌출한 캐스틀레이션(13, 14)에 의해 부분적으로 형성된다. 고반사율의 영역은 캐스틀레이션의 상호 중심축선(16)에 관하여 캐스틀레이션의 최대 반경의 면적, 즉 각각 외부 둘레면적(13a, 14a)에 상응하고, 그리고 매끄럽게 기계가공되거나, 성형되거나 또는 소결된다, 즉 요구된 고반사율을 부여하기 위해 면이 페인트 또는 재료침착으로 처리된다. 저반사율의 영역은 격자구성요소(21, 22)의 외부 원통면의 불연속적인 틈새면적, 즉 각각의 면적(13b, 14b)과 각을 이루어 맞추어져 있고, 그리고 여기에 도시된 실시예에 있어서, 각각 격자구성요소(21, 22) 상의 인접한 캐스틀레이션(13, 14) 사이의 완전히 방사상으로 뻗어 있는(즉 완전한 깊이) 공동(13c, 14c)의 존재 때문에 실질적으로 비반사적이다. 다른 실시예(도시되지 않음)에 있어서, 상기 공동은 앞서 언급한 최대 반경보다 더 짧은 반경에서 교대로 잘릴 수 있고, 그와 같은 결과로 발생하는 보다 짧은 반경의 면은 이상적으로 기계가공되거나, 성형되거나 또는 소결된다, 즉 저반사율을 부여하기 위해 면이 페인트 또는 재료침착으로 처리된다. 격자구성요소(21, 22)는 도 5에 도시된 바와 같이 깍지끼듯이 맞물려서 배열된다. 이러한 조립은 하우징(10)에 둘러싸이고 베어링(11, 12)에 의해 지지된다. EMR원(19)은 상기 면을 비추도록 배치되고, 검출기의 어레이(20)는 각 격자구성요소(21, 22)의 외부 원통면 상의 고반사율의 영역(13a, 14a)으로부터 반사된 입사EMR을 수용한다. 그로 인해 각 영역(13a, 14a)으로부터 반사된 입사EMR에 의해 발생된 깍지끼듯이 맞물리게 배열된 이차무늬를 포함하는, 어레이(19) 상에 발생된 무늬는 토크의 측정을 제공하는 프로세서(9)에 의해 처리된다.

도 7에 단면도로 도시된, 안전보장장치기구(15)는 그것의 각편향에 대한 최대 한계치를 제공함에 의해 토션바(2)에 의해 지탱된 최대 토크를 제한한다. 도 2로 되돌아가서 참고하면, 구성요소(51)는 토크입력부재(1a)의 특징이고 구성요소(52)는 토크입력부재(1b)의 특징이고, 그리고 상호작용하여 토션바(2)의 최대 각편향을 제한한다. 토션바(2)에 가해진 토크가 소정의 최대값에 도달하면, 토션바(2)에 대한 교호하는 비틀림부하통로를 제공하는 구성요소(51, 52)는 교대로접촉한다.

도 8 및 9는 본 발명의 제 3실시예를 도시한다. 각각 고 및 저반사율의 교호하는 영역을 가진 실질적으로 매끈한 원통면을 포함하는, 원통형 격자구성요소(25, 26)는 토션바(2)의 양 단부에 교대로 연결된 토크입력부재(1a,1b)에 각각 부착된다. 이러한 조립은 하우징(10)에 둘러싸이고 베어링(11, 12)에 의해 지지된다. 금속화된 코팅, 즉 다른 광택이 있는 또는 밝은 색으로 착색된 재료 또는 표면처리는 고반사율의 실질적으로 축방향으로 맞추어진 영역(25a, 26a)을 제공한다. 실질적으로 투명하거나, 거칠게 가공되거나 또는 어두운 색으로 착색된 재료 또는 표면처리는 저반사율의 사이에 공간을 둔 영역(25b, 26b)을 제공한다. EMR원(19)은 양 면을 비추도록 배열되고, 그리고 검출기의 어레이(20)는 상기 면으로부터의 입사EMR을 수용하고 그로 인해 상기 어레이 상에 발생된 무늬는 토크의 측정을 제공하는 프로세서(9)에 의해 처리된다. 도 7에 단면도로 도시된 안전보장장치기구(15)는 상기한 바와 같이 토션바(2)에 의해 지탱된 최대 토크를 제한한다.

도 10 및 11은 본 발명의 제 4실시예를 도시한다. 각각 토크입력부재(1a, 1b)에 부착된, 격자구성요소(29, 30)는 연속적이고 방사상으로 배치된 면(23, 24)을 편입한다. 이러한 방사상으로 배치된 면은 회전축선(16)에 수직으로 배치되고, 그리고 회전축선(16)과 동일직선을 이루는 상호중심축선을 갖추고 있다. 각 면은 각각 고 및 저반사율의 실질적으로 방사상으로 배치된 교호하는 영역(27, 28)을 포함한다. 격자구성요소(29, 30)는 하우징(10)에 의해 둘러싸이고 상기 조립체는 베어링(11, 12)으로 지탱된다. EMR원(31, 32)은 상기 면들을 비추도록 배치된다. 검출기의 어레이(33, 34)는 상기 면으로부터의 입사EMR을 수용하고 그로 인해 상기 어레이상에 발생된 무늬는 프로세서(9)에 의해 처리된다. 토크입력부재(1a, 1b) 사이에 토크가 가해지면, 토션바(2)는 각을 이루어 편향하고, 다른 무늬에 관하여 한 무늬의 변위를 초래한다. 도 7에 단면도로 도시된, 안전보장장치기구(15)는 상기한 바와 같이 토션바(20에 의해서 지탱된 최대 토크를 제한한다.

도 12, 13 및 14는 본 발명의 제 5실시예를 도시한다. 격자구성요소(35, 36)는 회전축선(16)에 수직으로 배치되고, 그리고 회전축선(16)과 동일직선을 이루는 상호 중심축선을 가지는 방사상으로 배열된 면을 포함한다. 상기 면은 각각 축방향으로 돌출한 캐스틀레이션(37, 38), 즉 캐스틀레이션(37, 38)의 최대 축방향의 돌출부(37a, 38a)의 면적에 의해서 제공된 고반사율의 영역, 그리고 상기 캐스틀레이션들의 사이의 불연속적인 틈새면적(37b, 38b)과 각을 이루어 맞추어진 저반사율의 영역에 의해 형성된다. 캐스틀레이션(37)의 밑면적(37c, 37d), 그리고 캐스틀레이션(38)의 측면(38d)은 영역(37a, 38a)보다 더 짧은 축방향의 돌출부를 갖추고 있고 그리고 기계가공되거나, 성형되거나 또는 소결된다, 즉 저반사율을 부여하기 위해 면이 페이트 또는 재료침착으로 처리된다. 상기 격자구성요소는 도 14에 도시된 바와 같이 깍지끼듯이 맞물려있다. 이러한 조립은 하우징(10)에 의해 둘러싸이고 베어링(11, 12)에 의해 지탱된다. EMR원(39)은 상기 면들을 비추도록 배치되고, 그리고 검출기의 어레이(40)는 상기 면들로부터 반사된 입사EMR을 수용한다. 그로 인해 어레이(19) 상에 생성된, 각각 영역(37a, 38a)으로부터 반사된 입사EMR에 의해 발생된 깍지끼듯이 배치된 이차무늬를 포함하는, 무늬는 토크의 측정을 제공하는 프로세서(9)에 의해 처리된다. 도 7에 단면도로 도시된, 안전보장장치기구(15)는 상기 한 바와 같이 토션바(2)에 의해 지탱된 최대토크를 제한한다.

도 15 및 16은 본 발명의 제 6실시예를 도시한다. 토크입력부재(1a, 1b)에 각각 부착된, 격자구성요소(41, 42)는 연속적이고 방사상으로 배치된 면(43, 44)을 편입한다. 이러한 방사상으로 배치된 면은 실질적으로 공통평면이고 회전축선(16)에 관하여 공통중심을 이룬다. 각 면은 매끈하고 고 및 저반사율의 실질적으로 방사상으로 배치된 교호하는 영역을 편입한다. 금속으로 입혀진 코팅, 즉 다른 광택이 있는 또는 밝은 색으로 착색된 재료 또는 표면처리는 고반사율의 영역(41a, 42a)을 제공한다. 실질적으로 투명하거나, 거칠게 가공되거나 또는 어두운 색으로 착색된 재료 또는 표면처리는 저반사율의 영역(41b, 42b)을 제공한다. 검출기의 EMR원(39, 40) 및 프로세서(9)는 토크의 측정을 발생하도록 사용된다.

도 17 및 18은 본 발명의 제 7실시예의 개량형을 도시한다(도 4, 5 및 6으로 되돌아가서 참고). 2 개의 격자구성요소(44, 45)는 인접해 있고, 제 2실시예의 격자구성요소(21, 22)에 관하여 기술된 것과 유사하게, 토크의 측정을 제공하는 방사상으로 뻗어서 서로 맞물리는 캐스틀레이션(44a, 45a)을 포함한다. 캐스틀레이션(44a, 45a) 사이에 제공된 간극은 제 1 및 제 2토크입력부재 사이의 회전손실운동연결을 제공하여서 토션바(2)의 최대 각편향을 제한한다. 토크입력부재(1a, 1b) 사이에 가해진 토크가 양 방향으로 소정의 최대치에 도달하면, 캐스틀레이션(44a, 45a)은 접촉하여 토션바(2)에 교호하는 비틀림부하통로를 제공하고, 이로 인해 동일한 작용을 제공함에 의해 안전보장장치기구(15)의 제거를 허용한다.

도 19는 본 발명의 제 3실시예(도 8 및 9로 되돌아가서 참고)의 개량형을 도시하지만, 그러나 이러한 동일한 개념은 본 명세서에 개시된 실시예의 어느 것에도 쉽게 적용될 수 있다는 것을 주의해야만 한다. 2 개의 격자구성요소(46, 47)는 도 8 및 9에 도시된 것과 유사하게, 고 및 저반사율의 교호하는 영역으로 구성된 원통면을 포함한다. 이러한 영역에 더하여, 고 또는 저반사율의 적어도 하나의 부가적인 홈마크영역(48)(즉, 교호적으로 도시되지 않은, 축방향으로 연장되어 존재하는 영역)이 소정의 각위치에서 상기 면의 하나에 부가된다. EMR원(19)은 양쪽 면을 비추도록 배열되고, 검출기의 어레이(20)는 상기 면으로부터의 입사EMR을 수용하여 그로 인해 상기 어레이상에 생성된 무늬는 토크의 측정 및 또한 관련 격자구성요소가 부착되거나 일체로 되는 상기 토크입력부재의 절대 각위치를 제공하도록 프로세서(9)에 의해 처리된다.

도 20 내지 25는 본 발명에 따른 다양한 어레이조합 상의 입사EMR에 의해 생성된 전형적인 무늬를 도시한다. 모든 이러한 그림에 있어서의 설명을 위해서, 검은색으로 표현된 부분은 상기 무늬의 많이 비추어진 부분에 상응하고 반면에 표현되지 않은(즉, 흰색)부분은 상기 무늬의 적게 비추어진(즉, 사실상 비추어지지 않은)부분에 상응한다.

도 20a 및 20b는 본 발명의 제 1실시예에 따른 제 1 및 제 2어레이 상의 입사EMR에 의해 생성된 전형적인 무늬를 도시한다. 도 20a에 있어서 어레이는 2차원 어레이이고, 그리고 예를 들어 각각은 699×288 화소를 갖춘 텍사스 인스트루먼트 TC277 블랙 앤 화이트 CCD이미지센서 및 대략 8mm×6mm 크기의 액티브창을 편입한다. 상기 무늬가 처리되는 방법은 이미지분석의 기술분야에서 일반적으로 공지되어 있고, 그리고 사용된 이러한 방법들 중의 몇 가지는 ISBN 0-8186-6492-4, IEEE 컴퓨터 소사이어티 프레스의 크리스토프 코흐와 후아 리의 "영상칩:아날로그 VLSI회로에 의한 영상 알고리즘의 실행"이라는 문헌에 기술되어 있다. 모서리 윤곽을 개선하기 위해서, 도 20a에 도시된 것은 각각의 무늬에 관하여 작은 각 't'(전형적으로 15˚ 보다 작은)에서 상기 어레이가 장착되어 있는 것이다. 무늬가 어레이의 화소일치와 더 이상 부합하지 않고 그리고 그 결과 증가된 양의 데이타로 인해 리그레션(regression)기술이 더욱 정확하기 때문에 이러한 불일치는 모서리 위치에 관련하여 보다 많은 정보를 생성한다. 2 개의 어레이 상의 무늬들 사이의 평균 상대변위인,크기 'x'는 2 개의 격자구성요소의 상대 각변위에 직접 관련되고 그 결과 샤프트 토크에 관련된다. 도 20b에 있어서 어레이는 1차원 어레이이고, 그리고 예를 들어 각각은 128 화소를 갖춘 테사스 인스트루먼트 TSL1410 블랙 앤 화이트 선형 어레이칩 및 대략 8mm 길이의 액티브창을 편입한다. 상기한 2차원 어레이에 의해 제공된 개선된 모서리 윤곽의 이점도 없이, 크기 'x'는 비슷하게 측정되었다. 본 명세서에서 기술된 어레이의 모든 실시예의 경우에 있어서, 뚜렷한 무늬로서 입사EMR이 초점이 맞추어지고 일정한 가짜교차반사(spurious cross-reflection)가 최소화되도록 렌즈(예를 들면 구면렌즈, 비구면렌즈, 또는 프레스넬렌즈) 또는 광섬유어레이라이트가이드(fibre optic array light guide)가 EMR탐지검출기의 전방에 편입된다.

도 21a 및 21b는 본 발명의 제 2실시예에 따른 단일 어레이 상의 입사EMR에 의해 생성된 전형적인 무늬를 도시한다. 상기한 바와 같이 도 21a에 있어서의 어레이는 2차원 어레이이다. 깍지끼듯이 맞물려 배치된 넓고 좁은 이차무늬(50, 51) 각각의 사이의 평균 상대변위인, 크기 '(x-y)/2'는 2 개의 격자구성요소의 상대각변위에 직접 관련되고 그 결과 샤프트토크에 관련된다. 도 21b는 상기한 바와 같이 1차원 어레이의 경우에 있어서의 무늬를 도시한다. 크기 '(x-y)/2'는 비슷하게 측정될 수 있고 적절한 인식과 처리하는 양상이 국제특허출원 PCT/GB95/02017에 잘 기술되어 있다.

도 22는 본 발명의 제 3실시예에 따른 단일 2차원 어레이 상의 입사EMR에 의해 생성된 전형적인 무늬를 도시한다. 2 개의 측방향으로 분리된 이차무늬(52, 53) 사이의 평균 상대변위인, 크기 '(x-y)/2'는 2 개의 격자구성요소의 상대각변위에 직접 관련되고 그 결과 샤프트토크에 관련된다.

도 23a 및 23b는 본 발명의 제 4실시예에 따른 제 1 및 제 2어레이 상의 입사EMR에 의해 생성된 전형적인 무늬를 도시한다. 물론 이 경우에 있어서 상기 무늬는 도 20a 및 20b에 도시된 제 1실시예의 경우에 있어서와 같이 평행하기 보다는 실질적으로 방사상으로 배치되어 있고, 더우기 크기 'x'의 결정에 대한 기본적인 방법론, 그리고 그에 따른 샤프트토크는 2차원 또는 1차원인 어레이의 양 경우에 대해서 비슷하다.

도 24a 및 24b는 본 발명의 제 5실시예에 따른 단일 어레이 상의 입사EMR에 의해서 생성된 전형적인 무늬를 도시한다. 폭이 넓은 것 및 좁은 것으로부터 떨어져서 깍지끼듯이 맞물려 배치된 이차무늬(54, 55)는, 크기 '(x-y)/2'의 결정에 대한 기본적인 방법론인, 도 21a 및 21b에 도시된 제 2실시예의 경우에서와 같이 평행이라기 보다는 실질적으로 방사상으로 배치되어있고, 따라서 샤프트토크는 2차원 및 1차원 어레이의 두 경우에 대해서 유사하다.

도 25는 본 발명의 제 6실시예에 따른 단일 2차원 어레이 상의 입사EMR에의 해 생성된 전형적인 무늬를 도시한다. 2 개의 방사상으로 분리된 이차무늬(56, 57) 사이의 평균 상대변위인, 크기 '(x-y)/2'는 2 개의 격자구성요소의 상대 각변위에 직접 관련되고 그 결과 샤프트토크에 관련된다.

상기한 6 개의 실시예 모두에 대해서 무늬는, 샤프트가 샤프트토크에 완전히 무관하게 회전함에 따라, 제한된 1차원 또는 2차원 어레이의 폭에 걸쳐서 이동한다. 다시, 무늬인식의 분야에 있어서 공지된 기술을 사용하면, 토크입력부재의 각속도 및 상대각위치의 측정을 제공하는 무늬이동율 및 무늬의 전체 변위가 산출될 수 있다. 도 19에 관하여 기술된 바와 같이, 격자구성요소의 하나의 면 상의 홈마크는 절대 각위치의 참조마크로서 사용될 수 있다. 상기 사이에 끼인 마크는 관련 격자구성요소가 부착되거나 또는 일체화되는 토크입력부재의 절대 각위치의 측정을 제공하도록 프로세서에 의해 상기 홈마크위치로부터 계산될 수 있다.

도 26a 부터 26e는 본 발명의 제 3실시예(도 8 및 9로 되돌아가서 참고)의 다른 개량형에 따른, 격자구성요소(58, 59)의 원통면 상의 고 및 저반사율영역의 상세를 도시한다. 이러한 영역은 격자구성요소(58, 59) 각각의 외면 상에 60a-g.... 및 61a-g.... 의 120 개의 개개의 겹치지 않은 2진법바코드의 연속의 형태로 배열되어 있다. 이러한 120 개의 바코드는 각 격자구성요소의 외면상에 일정한 3˚의 각간격으로 배치되어있다.

도 27은 상기 바코드의 전체 구성을 보다 잘 기술하기 위하여 격자구성요소(58) 상의 바코드(60a)의 상세를 도시한다. 각각의 바코드는 도합 9 개의 바를 포함하는데; 하나는 시작 바(62a), 7 개는 각위치 바(62b-h) 그리고 하나는 종료 바(62i)이다. 이 실시예에 있어서, 시작 바(62a) 및 종료 바(62i)는 항상 고반사율의 영역이고 반면에 사이에 위치한 각위치 바는 암호화된 각위치값의 2진법의 값에 따라 고 또는 저반사율의 영역이다. 예를 들면 바코드(60a)는 바(62c, 62d, 62f)의 형태로 고반사율의 영역 및 바(62b, 62e, 62g, 62h)의 형태로 저반사율의 영역을 포함한다. 바코드(60a)는 그러므로 0110100의 2진법의 값 또는 52의 각위치값(베이스(10))을 가진다. 7 개의 각위치 바의 사용은 이론적으로 128 개에 달하는 개개의, 각각의 격자구성요소 상의 120 개의 바코드를 포함하고 개별적으로 확인하는데 필요한, 각위치값의 암호화를 가능하게 한다.

도 26a는 토크입력부재(1a, 1b)에 제로토크가 가해진 경우 격자구성요소(58, 59)의 위치를 도시한다(도 8로 되돌아가서 참고). 격자구성요소(58, 59) 상의 각각에 52의 각위치값에 상응하는 바코드(60a, 61a)는 상기 제로토크조건을 위하여 서로 일렬로 맞추어져있는 것을 볼 수 있다. 전술한 것은 119 개의 다른 모든 바코드쌍((60b, 61b),(60c, 61c) 등)에 대해서도 마찬가지이다. 격자구성요소 상의 상기와 같은 바코드의 연속 및 제로토크조건에서 정확하게 서로 일렬로 맞추는 제조방법은 "광학적인 토크변환기의 제조방법"이라는 명칭으로 출원중인 오스트레일리아 특허출원에 기술되어있다.

도 26b 부터 26e는 토크입력부재(1a)에 관하여 토크입력부재(1b)에 증가하는 반시계방향의 토크가 가해질 때 격자구성요소(58, 59)의 연속적인 상대 각변위를 도시한다. 2차원 어레이(20)의 조사창은 이러한 도면에서의 2점쇄선으로서 중첩되어 도시된다. 이러한 조사창은 충분히 크게 선택되어서, 상기 2 개의 격자구성요소의 상대 각변위(입력토크의 함수로서) 및 그들의 360˚ 가능한 범위를 넘어선 상기 격자구성요소의 절대 회전각(조향각의 함수로서)에 관계없이, 항상 상기 2 개의 격자구성요소의 각각으로부터 적어도 하나의 완전한 바코드를 확보한다는 것을 주의하라. 전체 실리콘의 사용(그리고 그에 따른 비용)을 줄이기 위해, 2 개의 분리된 1차원(즉, 선형)어레이 또는 보다 작은 길다란 2차원 어레이(63, 64)는 보다 큰 2차원 어레이(20)의 대신으로 사용될 수 있다. 어떤 VLSI영상칩 외형에 있어서, 어레이(20) 또는 어레이(63, 64)는, 필요한 처리를 수행하기 위해 사용된 마이크로프로세서칩, 즉 프로세서(9)에 끼워지거나, 부착되거나 또는 부분으로서 일체화될 수 있다.

어레이(20) (또는 어레이 (63, 64))는 상기 어레이(또는 어레이들)의 조사창내에 순간적으로 있는 격자구성요소(58, 59)의 면 상의 고반사율의 영역으로부터 반사된 입사EMR을 수용한다. 도 26b 부터 26d에 도시된 실예에 있어서, 어레이(20) (또는 어레이 (63, 64))는 바코드(60c, 61c)로부터 입사EMR을 수용하고 프로세서(9)는 따라서 각각의 격자구성요소(58, 59)의 외면의 상대 변위거리'd'를 유도할 수 있고 그리고 그 결과 입력토크의 측정을 유도할 수 있다.

도 28a 및 28b는 본 발명의 제 3실시예(도 8 및 9로 되돌아가서 참고)에 따른, 2 개의 연속적인 상대위치에 대한 격자구성요소(58, 59)의 위치를 도시한다. 제로토크가 도 28a의 경우에 있어서의 토크입력부재(1a, 1b)(도 8로 되돌아가서 참고)에 가해진다. 도 28b는 각각의 격자구성요소(58, 59)의 외면의 상대 변위 'd'를 생성하는 토크입력부재(1a, 1b)에 가해진 토크의 상황을 도시한다. 이러한 영역은 각 격자구성요소(58, 59)의 외면 상에 개개의 9비트 2진법바코드(70a-i... 및 71a-i...) 512 개의 연속의 형태로 배열되어있다. 상기와 같은 바코드의 하나의 조합의 실예가 1989년, 펭귄서적, 이안 스튜어트에 의한 "게임, 집합 및 수학"에 오로보리안 링(Ouroborean ring)으로서 기술되어있다. 이러한 512 개의 바코드는 겹치고 각 격자구성요소의 외면 상에 바(72) 중의 하나의 폭의 정수배와 동일한 둘레상의 간격에서 배치되어있다. 도시된 상기 실시예에 있어서, 상기 배수는 1이고, 그리고 상기 간격은 상기 바 중의 하나의 폭과 동일하다. 2차원 어레이(20)의 조사창은 또한 이러한 도면에 있어서 2점쇄선으로서 겹쳐져서 도시된다. 전체 실리콘의 사용(그리고 그에 따른 비용)을 감소시키기 위해, 2 개의 분리된 1차원(즉, 선형) 어레이 또는 보다 작은 길다란 2차원 어레이(63, 64)가 보다 큰 2차원 어레이(20)의 대신에 사용될 수 있다. 어떤 VLSI영상칩 외형에 있어서, 어레이(20) 또는 어레이(63, 64)가, 필요한 처리를 수행하기 위해 사용된 마이크로프로세서, 즉 프로세서(9)에 끼워지거나, 부착되거나 또는 부분으로서 일체화될 수 있다. 어레이(20) (또는 어레이 (63, 64))는 상기 어레이(또는 어레이들)의 조사창내에 순간적으로 있는 격자구성요소(58, 59)의 면 상의 고 반사율의 영역으로부터 반사된 입사EMR을 수용한다. 도 28b 도시된 바와 같이, 어레이(20) (또는 어레이 (63, 64))는 바코드(80a-i, 81a-i)로부터 입사EMR을 수용하고 프로세서(9)는 따라서 각각의 격자구성요소(58, 59)의 외면의 상대 변위거리'd'를 유도할 수 있고 그리고 그 결과 입력토크의 측정을 유도할 수 있다. 도 28b에 도시된 상황에 있어서, 격자구성요소(58, 59)는 또한, 어레이(20) (또는 어레이 (63, 64))가, 바코드(70a-i, 71a-i)로부터 변위된(그러나 여전히 겹쳐진) 바코드(80a-i, 81a-i)로부터 입사EMR을 수용하도록 유발하는, 도 28a에 도시된 위치로부터 정미 회전하였다. 상기 조사창은 충분히 크게 선택되어서, 상기 2 개의 격자구성요소의 상대 각변위(입력토크의 함수로서) 및 그들의 360˚ 가능한 범위를 넘어선 상기 격자구성요소의 절대 회전각(조향각의 함수로서)에 관계없이, 항상 상기 2 개의 격자구성요소의 각각으로부터 적어도 하나의 완전한 바코드를 확보한다는 것을 주의하라.

도 29는 상기 바코드의 전체 구성을 보다 잘 기술하기 위하여 격자구성요소(58) 상의 바코드(70a-i)의 상세를 도시한다. 각각의 바코드는 도합 9 개의 바를 포함한다. 이 실시예에 있어서, 상기 바는 암호화된 각위치값의 2진법의 값에 따라 고 또는 저반사율의 영역이다. 도시된 예에 대하여, 바코드(70a-i)는 바(70c, 70e, 70g)의 형태로 고반사율의 영역 및 바(70a, 70b, 70d, 70f, 70h, 70i)의 형태로 저반사율의 영역을 포함한다. 바코드(70a-i)는 그러므로 001010100의 2진법의 값 또는 84의 각위치값(베이스(10))을 가진다. 9 개의 각위치 바의 사용은 이론적으로 512 개에 달하는 개개의, 각각의 격자구성요소상의 512 개의 바코드를 포함하고 개별적으로 확인하는데 필요한, 각위치값의 암호화를 가능하게 한다.

도 26 부터 29에서 기술된 바코드 실시예의 양자에 있어서, 가장 중요한 것은, 프로세서(9)가 이제 또한 임의의 순간에 조사창내에 있는 모든 완전한 2진법바코드의 각위치값을 해독하도록 프로그램되어있다는 것이다. 도 26 및 27에 도시된 바코드 실시예의 경우에 있어서 예를 들면, 양자의 바코드(60c, 61c)는 각위치값 54에 상응한다. 본 발명의 경우에 있어서 일반적으로 바코드의 사용은 2 가지 중요한 이점을 가지고 있다.

첫째로, 격자구성요소(59)에 관하여 격자구성요소(58)의 훨씬 더 큰 상대 변위에 대하여, 앨리어싱(aliasing)의 문제는 제거된다. 이것은 도 26 및 27에 도시된 바코드 실시예의 경우에 있어서 쉽게 예시되어있다. 도 26e에 있어서 격자구성요소(58) 상의 바코드(60b)(각위치값 53)는 격자구성요소(59) 상의 바코드(61c, 61d)(각각의 각위치값은 54 및 55) 사이에서 실제로 놓여있는 오른쪽으로 충분한 거리로 변위되어있다. 그러나 바코드(60b)의 각위치값이 53, 그리고 그로 인해 제로토크조건에서 그것의 상대 위치가 격자구성요소(59) 상의 바코드(61b)에 인접해있는 것을 인식함에 의해, 격자구성요소의 정확한 상대 변위는 다음과 같이 산출될 수 있다:

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

여기서 r은 상기 격자구성요소의 반경이다.

바코드의 사용이 없었다면, 2 개의 격자구성요소의 훨씬 더 작은 상대 변위에 대하여, 즉 바코드(60b)가 바코드(61c)에 인접하게 되었을 경우, 앨리어싱이 발생할 수 있었을 것이다. 연속적인 2진법바코드의 형태로 고 및 저반사율의 영역을 배열함에 의해, 격자구성요소(58, 59)의 상대 각변위는 제로토크조건으로부터 실질적인 변이에 대해 정확하게 측정될 수 있고, 그리고 고 및 저반사율영역의 실제적인 간격에 무관하게 될 수 있다.

둘째로, 바코드의 사용은 360˚, 즉 몇개의 알려진 절대 위치로부터 +/- 180˚, 의 범위에 걸쳐서 2 개의 토크입력부재(1a, 1b) 양자의 절대 각위치의 측정을 가능하게 한다. 이것은 프로세서(9)내에서 수행되어지는 어떠한 계산처리에 대한 필요없이도 성취된다(도 19에 도시된 본 발명의 제 3실시예의 이전의 개량형의 경우에 있어서와 같이).

만약 격자구성요소의 최대 상대 각변위가 어떠한 방식으로, 예를 들어 앞서 언급한 바와 같이 안전보장장치기구의 사용을 통해서, 외면상으로 제한된다면, 앨리어싱은 문제가 되지않을 수 있고 이러한 경우에 있어서 연속적인 바코드는 2 개의 격자구성요소 중 단지 하나의 상에 사용될 수 있다. 이것은 위에서 언급한 +/- 180˚의 범위를 넘어서 절대 각위치의 측정을 제공하도록 충분한 정보를 제공할 것이다.

바코드의 사용은 다른 원통형의 반사격자구성요소의 외형에 비슷하게 적용될 수 있다는 것, 예를 들어 본 발명의 제 1실시예(도 1 및 2를 참고)에 관하여 기술된 것, 을 주의해야만 한다. 또한 바코드는 방사상으로 배치된 반사격자구성요소의 외형, 예를 들어 본 발명의 제 4실시예(도 10 및 11을 참고) 및 제 6실시예(도 15 및 16을 참고)에 관하여 기술된 것들, 에 적용될 수 있다.

또한, 바코드는 도 26a 부터 26e 및 도 27에 도시된 겹치지 않은(분리된) 바코드 배열, 그리고 도 28a 부터 28b 및 도 29에 도시된 겹치는(오로보리언) 바코드 배열과 다른 많은 형태를 가질수 있다는 것을 주의해야만 한다. 예를 들면 클래식 맨체스터 바코드 배열(컴퓨터 하드디스크드라이브 상에 사용되는 것으로서) 또는 일정하게 피치가 있는 "시크-신 라인(thick-thin line)" 바코드 배열(많은 가정용 소비물 상에 사용되는 것으로서)는 원통형으로 그리고 방사상으로 배열된 격자구성요소에 적용하기에 또한 적합할 것이다.

연속적인 바코드는 상기한 실시예, 즉 상기한 것과 반대라기 보다는 고반사율의 바탕위에 저반사율의 영역이 부과된 것, 에 비하여 반대의 반사율을 가질 수 있다는 것을 또한 주의해야만 한다. 또한 본 명세서에 있어서 "고반사율" 및 "저반사율"은 선택된 특정한 EMR원에 관하여 넓게 정의된다. 예를 들면, 만약 적색광EMR원이 사용되었다면, 반사격자면의 고 및 저반사율의 영역은 각각 적색 및청색표면코팅으로서 채색되는(또는 몇가지 수단에 의해 달리 착색되는)영역들로 구성될 수 있다.

마지막으로 반사격자구성요소의 면은 상기한 실시예들에 의해서 기술된 원통형 또는 디스크형과는 다른 형태를 가질 수 있다는 것을 주의해야만 한다. 특히 상기 격자구성요소의 면은 샤프트의 축선에 대하여 다른 3차원 선대칭 형태인, 예를 들면 원뿔형, 타원형 또는 포물면형을 가질 수 있다. 면과 각각의 어레이(이 면으로부터 입사EMR을 수용하는) 사이의 거리의 편차가 크기에 있어서 충분히 작고, 앞서 언급한 렌즈 또는 광섬유라이트가이드시스템이 무늬(또는 상기 어레이상의 이차무늬)초점의 만족할 만한 수준을 유지할 수 있다면, 면의 어떤 임의의 선대칭형은 잠재적으로 사용될 수 있다.

본 발명의 기본정신과 영역으로부터의 이탈없이 본 발명에 대하여 다양한 변형과 개량이 만들어질 수 있다는 것이 당해 기술분야의 전문가에 의해 인정될 것이다.

Claims (32)

1. 고정된 하우징에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인 회전하는 샤프트로서, 샤프트의 회전축선은 하우징에 관하여 고정되고, 샤프트는 비틀림에 순응하는 커플링에 의해 연결된 실질적으로 강성인 제 1 및 제 2토크입력부재를 포함하고, 상기 커플링에 의해서 샤프트에 있어서 토크크기의 함수로서 제 2토크입력부재에 관하여 제 1토크입력부재의 각편향을 가능하게 하는 상기 회전하는 샤프트;

   제 1토크입력부재에 부착되거나 일체로 된 제 1격자구성요소 그리고 제 2토크입력부재에 부착되거나 일체로 된 제 2격자구성요소로서, 제 1격자구성요소는 제 1면을 포함하고 제 2격자구성요소는 제 2면을 포함하는 상기 제 1 및 제 2격자구성요소; 그리고

   하나 이상의 전자기방사(EMR)원 및 EMR탐지검출기의 하나 이상의 어레이를 포함하는 토크변환기에 있어서,

   각 방사원은 상기 면의 한 면 또는 양 면에 방사하고 각 어레이는 상기 면의 한 면 또는 양 면으로부터 반사된 입사EMR을 수용하며, 각 면을 방사하는 하나 이상의 방사원과 이 면으로부터 반사된 입사EMR을 수용하는 하나 이상의 어레이는 이 면의 같은 쪽위에 모두 위치되어 상기 하우징에 관하여 고정되고, 양 면은 고 및 저반사율의 교호하는 영역을 포함하고, 샤프트의 각위치에 무관하고 그리고 제 1 및 제 2토크입력부재의 상대적인 각편향에 관계없이 상기 어레이에 반사된 EMR을 제공하는 한 면 또는 양 면 상의 고 및 저반사율의 교호하는 영역으로부터 임의의 순간에 발생하는 하나 이상의 어레이 각각의 위에 입사EMR에 의해 무늬가 발생되고, 상기의 임의의 순간에 하나 이상의 어레이 상의 무늬 또는 무늬군으로부터 발생된, 하나 이상의 어레이로부터의 출력은 제 1및 제 2토크입력부재의 상대적인 각편향을 유도하기 위해 프로세서에 의해 처리되고, 그로 인해 샤프트의 토크크기의 측정을 제공하는 것을 특징으로 하는 토크변환기.
2. 제 1 항에 있어서, 제 1어레이는 제 1면으로부터 반사된 입사EMR을 수용하여 제 1무늬를 생성하고, 제 2어레이는 제 2면으로부터 반사된 입사EMR을 수용하여 제 2무늬를 생성하며, 프로세서는 제 1 및 제 2어레이로부터 입력을 수용하고, 그리고 상기 프로세서는 소프트웨어 또는 하드웨어 전자수단을 포함하여 제 1 및 제 2무늬의 상대 변위를 결정하는 것을 특징으로 하는 토크변환기.
3. 제 1 항에 있어서, 제 1 및 제 2면은 양자가 서로 인접하거나 접촉되고, 단일 어레이는 제 1 및 제 2면 양자로부터 반사된 입사EMR을 수용하여 단일 무늬를 생성하고, 상기 무늬는 제 1면으로부터 반사된 입사EMR에 의해 생성된 제 1이차무늬 및 제 2면으로부터 반사된 입사EMR에 의해 생성된 제 2이차무늬를 포함하고, 프로세서는 상기 단일 어레이로부터의 입력을 수용하고, 그리고 상기 프로세서는 소프트웨어 또는 하드웨어 전자수단을 포함하여 제 1 및 제 2이차무늬의 상대 변위를 결정하는 것을 특징으로 하는 토크변환기.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 단일 무늬는 제 2이차무늬 사이에 삽입된 제 1이차무늬를 포함하는 서로 맞물린 무늬인 것을 특징으로 하는 토크변환기.
5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 제 1 또는 제 2면 중의 적어도 하나는 샤프트의 회전축선과 동일직선을 이루는 중심축선을 가진 실질적인 원통형이고, 그리고 상기 적어도 한 면으로부터 반사된 입사EMR을 수용하는, 어레이는 상기 면의 내부 또는 외부에 방사상으로 위치하는 것을 특징으로 하는 토크변환기.
6. 제 5 항에 있어서, 각 격자구성요소의 외면 둘레에 방사상으로 돌출하는 캐스틀레이션을 포함하는 각 격자구성요소 때문에 상기 적어도 하나의 실질적인 원통형면은 불연속인 것을 특징으로 하는 토크변환기.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 캐스틀레이션은 실질적으로 축방향으로 맞추어져있는 것을 특징으로 하는 토크변환기.
8. 제 6 항에 있어서, 고반사율의 영역은 상기 원통면의 중심 축선에 관하여 캐스틀레이션의 최대 반경의 면적에 상응하고, 그리고 저반사율의 영역은 상기 캐스틀레이션들의 사이의 불연속인 틈새면적 또는 보다 짧은 반경의 면적과 각을 이루어 맞추어져 있는 것을 특징으로 하는 토크변환기.
9. 제 6 항에 있어서, 상기 격자구성요소는 금속 또는 플라스틱재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 토크변환기.
10. 제 6 항에 있어서, 상기 최대 반경의 면적은 매끈하게 기계가공되거나, 성형되거나 또는 소결되고, 즉 고반사율을 부여하기 위해 면이 페인트 또는 재료침착으로 처리되고, 그리고 상기 불연속인 틈새면적 또는 보다 짧은 반경의 면적은 기계가공되거나, 성형되거나 또는 소결되는, 즉 저반사율을 부여하기 위해 면이 페인트 또는 재료침착으로 처리되는 것을 특징으로 하는 토크변환기.
11. 제 5 항에 있어서, 실질적으로 매끈한 원통을 포함하는 각각의 격자구성요소 때문에 상기 적어도 하나의 실질적인 원통면은 실질적으로 연속이고, 그리고 상기 원통의 내부 또는 외부면은 고 및 저반사율의 교호하는 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 토크변환기.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 영역들은 실질적으로 축방향으로 맞추어져있는 것을 특징으로 하는 토크변환기.
13. 제 11 항에 있어서, 고반사율의 영역은 금속으로 입혀져있거나, 광택이 있거나 또는 밝은 색으로 착색되고, 그리고 저반사율의 영역은 실질적으로 투명하거나, 거칠게 가공되거나 또는 어두운 색으로 착색되는 것을 특징으로 하는 토크변환기.
14. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 제 1 또는 제 2면 중의 적어도 하나는 샤프트의 회전축선에 관하여 실질적으로 방사상으로 배치되어있고, 상기한 적어도 한 면으로부터 반사된 입사EMR을 수용하는, 어레이는 상기 면의 한 쪽위에 축방향으로 위치되어있는 것을 특징으로 하는 토크변환기.
15. 제 14 항에 있어서, 각각의 격자구성요소의 외면 둘레에 축방향으로 돌출한 캐스틀레이션을 포함하는 각각의 격자구성요소 때문에 상기 방사상으로 배치된 면은 불연속인 것을 특징으로 하는 토크변환기.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 캐스틀레이션은 실질적으로 방사상으로 배치되어있는 것을 특징으로 하는 토크변환기.
17. 제 15 항에 있어서, 고반사율의 영역은 캐스틀레이션의 최대 축방향의 돌출부의 면적에 상응하고, 그리고 저반사율의 영역은 상기 캐스틀레이션들 사이의 불연속인 틈새면적 또는 보다 작게 축방향으로 돌출한 면적과 각을 이루어 맞추어져있는 것을 특징으로 하는 토크변환기.
18. 제 15 항에 있어서, 상기 격자구성요소는 금속 또는 플라스틱재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 토크변환기.
19. 제 15 항에 있어서, 상기 최대 축방향의 돌출부의 면적은 매끈하게 기계가공되거나, 성형되거나 또는 소결되고, 즉 고반사율을 부여하기 위해 면이 페인트 또는 재료침착으로 처리되고, 그리고 상기 불연속인 틈새면적 또는 보다 작게 축방향으로 돌출한 면적은 기계가공되거나, 성형되거나 또는 소결되는, 즉 저반사율을 부여하기 위해 면이 페인트 또는 재료침착으로 처리되는 것을 특징으로 하는 토크변환기.
20. 제 14 항에 있어서, 실질적으로 매끈한 디스크 또는 평면링을 포함하는 각각의 격자구성요소 때문에 상기 방사상으로 배치된 면은 실질적으로 연속이고, 그리고 디스크 또는 평면링의 한 쪽은 고 및 저반사율의 교호하는 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 토크변환기.
21. 제 20 항에 있어서, 상기 영역들은 실질적으로 방사상으로 배치되어있는 것을 특징으로 하는 토크변환기.
22. 제 20 항에 있어서, 고반사율의 영역은 금속으로 입혀져있거나, 광택이 있거나 또는 밝은 색으로 착색되어있고, 그리고 저반사율의 영역은 실질적으로 투명하거나, 거칠게 가공되거나 또는 어두운 색으로 착색되어있는 것을 특징으로 하는 토크변환기.
23. 제 1 항에 있어서, 어레이는 1차원 또는 2차원 어레이, CCD, VLSI영상칩 또는 측방향효과 광다이오우드를 포함하는 것을 특징으로 하는 토크변환기.
24. 제 1 항에 있어서, 상기 무늬 또는 무늬군은 또한 토크입력부재 중의 적어도 하나의 각속도를 유도하도록 프로세서에 의해 처리되는 것을 특징으로 하는 토크변환기.
25. 제 1 항에 있어서, 상기 무늬 또는 무늬군은 또한 토크입력부재 중의 적어도 하나의 상대 각위치를 유도하도록 프로세서에 의해 처리되는 것을 특징으로 하는 토크변환기.
26. 제 1 항에 있어서, 제 1 및 제 2격자구성요소는 인접해있고 그리고 축방향으로 뻗어서 서로 맞물리는 캐스틀레이션을 포함하고, 간극은 상기 캐스틀레이션들 사이에 제공되어서 제 1 및 제 2토크입력부재 사이에서 회전손실운동연결을 제공하고 그 결과 비틀림에 순응하는 커플링의 최대 각편향을 제한하는 것을 특징으로 하는 토크변환기.
27. 제 1 항에 있어서, 적어도 하나의 격자구성요소의 면은 면적 또는 고 또는 저반사율의 부가적인 영역을 포함하고 면적 또는 고 또는 저반사율의 부가적인 영역의 결과로 발생하는 무늬는 또한 상기 적어도 하나의 격자구성요소가 부착되거나 일체화되는 토크입력부재의 절대 각위치를 유도하도록 처리되는 것을 특징으로 하는 토크변환기.
28. 제 1 항에 있어서, 적어도 하나의 격자구성요소의 면상의 고 및 저반사율의 교호하는 영역은 개개의 2진법바코드의 연속형태로 배열되어있는 것을 특징으로 하는 토크변환기.
29. 제 28 항에 있어서, 상기 바코드의 연속은 개개의 바코드가 겹치지 않도록 배열되어있는 것을 특징으로 하는 토크변환기.
30. 제 28 항에 있어서, 상기 바코드의 연속은 개개의 바코드가 겹치도록 배열되어있는 것을 특징으로 하는 토크변환기.
31. 제 28 항에 있어서, 각각의 어레이상의 상기 결과로 발생하는 무늬는 상기 적어도 하나의 격자구성요소가 부착되거나 일체화되는 토크입력부재의 절대 각위치를 유도하도록 처리되는 것을 특징으로 하는 토크변환기.
32. 제 31 항에 있어서, 연속적인 2진법바코드는 양자의 격자구성요소상에서 사용되고 그리고 제 1 및 제 2토크입력부재의 절대 각위치에 있어서의 차이는 샤프트의 토크크기의 측정을 제공하도록 사용되는 것을 특징으로 하는 토크변환기.