角度和扭矩的光学传感器.pdf

一种用于确定一个可转动物体(13)的角位移和扭矩的光学传感器构成。该传感器包括至少一个形成图案的表面(1)，一个ASIC(3)，至少一个透镜(2)和至少一个EMR源(1 6，17)。ASIC(3)包括处理装置和一个用于EMR的检测器阵列。至少一个EMR源(16，17)照亮形成图案的表面(1)，并且，至少一个透镜(2)将来自形成图案的表面(1)的被反射的EMR(5)的一部分聚焦到用于EMR的检测器阵列上。形成图案的表面(1)包括一个图案，该图案包括转向标记和激光标记(8)。至少一个透镜(2)将被转向标记(14)反射的EMR基本上聚焦到检测器阵列上。转向标记(14)不对称。

1.  一种用于确定可转动物体(13)的角位移和扭矩的光学传感器，该传感器包括至少一个形成图案的表面(1)，ASIC(3)，至少一个透镜(2)和至少一个EMR源(16，17)，所述ASIC(3)包括处理装置和用于EMR的检测器阵列，所述至少一个EMR源(16，17)照亮形成图案的表面(1)，而所述至少一个透镜(2)将来自形成图案的表面(1)的被反射的EMR(5)的一部分聚焦到用于EMR的检测器阵列上，其特征在于，形成图案的表面(1)包括图案，该图案包括转向标记和激光标记(8)，所述至少一个透镜(2)将被转向标记(14)反射的EMR基本上聚焦到检测器阵列上，并且转向标记(14)不对称。

2.  一种用于确定可转动物体(13)的角位移和扭矩的光学传感器，传感器包括至少一个形成图案的表面(1)，一个ASIC(3)，至少一个透镜(2)和至少一个EMR源(16，17)，所述ASIC(3)包括处理装置和用于EMR的检测器阵列，所述至少一个EMR源(16，17)照亮形成图案的表面(1)，并且所述至少一个透镜(2)将来自形成图案的表面(1)的被反射的EMR(5)的一部分聚焦到用于EMR的检测器阵列上，其特征在于，形成图案的表面(1)包括图案，该图案包括转向标记和激光标记(8)，所述至少一个透镜(2)将被激光标记(8)反射的EMR基本上聚焦到检测器阵列上，并且转向标记(14)不对称。

3.  按照权利要求1或2所述的光学传感器，其特征在于，不对称的转向标记(14)形成在形成图案的表面(1)上的锯齿形表面上。

4.  按照权利要求1或2所述的光学传感器，其特征在于，所述至少一个EMR源(16，17)是LED。

5.  按照权利要求1或2所述的光学传感器，其特征在于，检测器阵列是光二极管的阵列。

6.  按照权利要求1所述的光学传感器，其特征在于，EMR源(16，17)以一个有利的照射角度(15)照亮形成图案的表面(1)，这样产生被不对称的转向标记(14)反射的最大的EMR反射强度。

7.  按照权利要求6所述的光学传感器，其特征在于，光学引导件(20，21)将由EMR源(16，17)发出的EMR以不对称转向标记(14)的有利的照射角度(15)传输到形成图案的表面(1)上。

8.  按照权利要求1或2所述的光学传感器，其特征在于，使两个形成图案的表面(1)的不对称转向标记(14)在相反的方向上对准。

9.  按照权利要求8所述的光学传感器，其特征在于，两个EMR引导件(20，21)中的每一个引导件将EMR以有利的照射角度(15)传输到两个形成图案的表面(1)中的一个表面上，在该有利的照射角度，两个形成图案的表面(1)的不对称的转向标记(14)在一个透镜(2)的方向上反射EMR。

10.  按照权利要求1或2所述的光学传感器，其特征在于，要确定的角位移和扭矩是车辆的转向角度和方向盘扭矩或者转向轴扭矩。

11.  按照权利要求8所述的光学传感器，其特征在于，两个EMR引导件(20，21)中的每一个引导件将EMR以有利的照射角度(15)传输到两个形成图案的表面(1)中的一个表面上，在该有利的照射角度，两个形成图案的表面(1)的对称的激光标记在一个透镜(2)的方向上反射EMR。

角度和扭矩的光学传感器
技术领域
靠线转向对于车辆是一种先进的转向概念，它消除了方向盘与前轮之间的机械连接。这种车辆转向系统的所有部件通过数字而不是以机械的方式连接。将驾驶者在方向盘上的输入转换成数字信号。因此，一个传感器测量方向盘的扭矩和角度。
背景技术
专利文件US 5930905公开了一种方法和一种装置，用来测量一个可转动的物体特别是一个可以转动超过360度的物体的角度。该可转动物体与至少两个另外的可转动物体合作，其中靠两个传感器的帮助确定出角度位置。一种改进的游标计算(a modified noniuscalculation)由检测到的角度位置确定出该可转动物体的角度位置，从而可以给出明确的说明，所有三个可转动的物体或者齿轮有确切的预先确定的齿数是必须的。可以使用这种方法和装置确定出动力车辆的方向盘角度。
专利文件DE-A 10 041 095涉及一种装置，它用来测量一个可转动物体上的角度和/或扭矩。借助于磁学传感器或者光学传感器检测出转动的角度。在一个优选实施例中有两个装置，每个装置设有两个在光学上可以阅读的条码踪迹，以相同的方式嵌入每个装置的两个条码踪迹，并且设置的方式使得所述装置相对于彼此偏置，从而所指定的传感器输出一个数字信号。由两个数字信号的偏离值计算出转动的角度。在另一个实施例中，在两个装置之间设置一个有已知的扭转刚硬度的一个扭转件。因此可以由两个装置的角度差计算出由可转动的物体传递的扭矩。最好在动力车辆的转向柱轴(thesteering column shaft)中使用这种装置。
专利文件WO 00/28285涉及一种光学传感器，用来确定一个可运动的表面的位置，该表面有对于EMR(电磁辐射)反射率高和低的形成图案的区域。该传感器包括一个ASIC(对应用专用的集成线路)，至少一个透镜和至少一个EMR源。ASIC包括对EMR敏感的检测器的至少一个阵列和处理装置。EMR源可以对表面照射，并且至少一个透镜可以将由表面反射的EMR聚焦，并在对EMR灵敏的检测器的至少一个阵列上产生与表面上的图案相对应的图像。将ASIC，至少一个透镜和至少一个EMR源都包在同一外壳中，使这些件可以实现精确的光学对准，并且把它们集成作为单一的可更换的模块。ASIC的处理装置可以对图像进行处理，确定出图案在表面上的位置。
按照先有技术，例如由表面上的对称的转向标记(turningmarks)和激光标记(laser marks)形成表面的图案。每个对称的转向标记的对称轴线的位置与形成图案的表面垂直。这些标记可以例如有形状为圆弧的截面。对称的转向标记的目的是将来自EMR源的EMR反射进入包括至少一个透镜的图像系统。结果，被对称的转向标记反射的EMR在对EMR敏感的检测器阵列上产生一个明亮的区域。激光标记由形成图案的表面上平的表面构成，将它们设计成将EMR反射离开图像系统。结果，激光标记在对EMR敏感的检测器阵列上产生暗的区域。
仅只在照射效率高、并且暗的区域与明亮的区域之间的对比度高的条件下，才能正确地检测出由明亮区域与暗的区域形成地图案。照射效率和对比度取决于EMR源与形成图案的表面之间的照射角度。
按照先有技术，高的照射效率与低的对比度相联系，或者相反。结果，所选择的照射角度代表在一方面使照射效率为最佳与在另一方面使对比度为最佳之间的一种折衷。
发明内容
本发明的优点是提高照射效率并且同时增加暗的区域与明亮区域之间的对比度。这个优点通过一种用于确定一个可转动物体的角位移和扭矩的光学传感器来达到。该传感器包括至少一个形成图案的表面，一个ASIC，至少一个透镜和至少一个EMR源。所述ASIC包括处理装置和一个用于EMR的检测器阵列。所述至少一个EMR源照亮形成图案的表面，并且，所述至少一个透镜将来自形成图案的表面的被反射的EMR的一部分聚焦到用于EMR的检测器阵列上。形成图案的表面包括一个图案，该图案包括转向标记和激光标记。所述至少一个透镜将被转向标记反射的EMR基本上聚焦到检测器阵列上。转向标记不对称。
转向标记不对称的含义是：它们没有与形成图案的表面垂直的对称轴线。使用不对称的转向标记的好处是：在一定的照射角度下，对EMR敏感的检测器检测到的反射强度为最大，同时暗的区域与明亮区域之间的对比度很高。
附图说明
现将在附图的基础上描述本发明，这些图代表本发明的示例性实施例，其中：
图1示出了由对称的转向标记和激光标记反射的EMR光束路径(先有技术)；
图2示出的图中反射强度作为对于对称的转向标记和激光标记的照射角度的函数(先有技术)；
图3示出了通过由本发明提出的不对称的转向标记和激光标记反射的EMR光束路径；
图4示出的图中反射强度作为对于由本发明提出的不对称的转向标记和激光标记的照射角度的函数；
图5示出了带有对称的转向标记的传感器的照射和成像概念(先有技术)；
图6示出了带有不对称的转向标记的传感器的照射概念；
图7示出了包含带有不对称的转向标记的形成图案的表面的传感器的总概念。
具体实施方式
图1示出了由先有技术中的对称的转向标记和激光标记反射的EMR光束路径。
图1的左部示意性地表示一个光学传感器的一部分，它包括一个形成图案的表面1，一个透镜2，一块ASIC 3(应用专门的集成线路)和一块印刷线路板4。一个EMR源(未示出)将形成图案的表面1照亮。形成图案的表面1将EMR的一部分反射进入图像系统(透镜2)中，而形成图案的表面1将EMR的另一部分反射离开图像系统。透镜2将反射进入图像系统(透镜2)中的那部分EMR 5聚焦到ASIC 3上，在ASIC 3上产生明亮的区域。被反射离开图像系统的另一部分EMR 6的效果是使在ASIC 3上的某些区域保持“黑暗”。结果，在ASIC 3上产生暗和亮的区域的一个图像。ASIC 3包括检测器的一个阵列(未示出)，此阵列检测被聚焦到检测器阵列上的EMR。进而，ASIC 3包括处理装置(未示出)，用来评估被检测器阵列产生的信号。信号取决于形成图案的表面1反射EMR的位置。由EMR源照亮的实际视场取决于条码盘的角度位置，形成图案的表面1就装在此条码盘上。通过评估在ASIC 3的检测器阵列上的图案的图像可以明确地将视场中的一种图案与条码盘和连接到该条码盘上的可转动物体的一个角度位置对应起来。
在图1的右侧以放大图示出了形成图案的表面。在形成图案的表面上的图案包括对称的转向标记7和激光标记8。在这种情况下，对称的转向标记7的截面有圆弧的形式。入射的EMR 9被对称的转向标记7在透镜2的方向上反射。把反射进入图像系统(透镜2)中的这部分EMR 5聚焦到ASIC 3上，形成明亮的区域10。激光标记8是形成图案的表面1上的平的区域，把它们设计成将入射的EMR 9反射离开图像系统(透镜2)。被反射离开图像系统(透镜2)中的这部分EMR 6基本上没有被聚焦到ASIC 3上。因此，在ASIC 3上某些区域11仍保持“黑暗”。在形成的暗区域与明亮区域11，10之间的对比度很低。因为在ASIC 3上的EMR检测器阵列的检测原理是以利用对比度读出形成图案的表面1的条码结构为基础，所以改善信噪比是有利的。在带有对称的转向标记的传感器中信噪比很低。可以在图2中看出信噪比低并且对比度低的原因。
图2示出了作为对于对称的转向标记和对于激光标记的照射角度α的函数的反射强度。
左图示出了被对称的转向标记7反射的作为照射角度α的函数的EMR的反射强度I₁。照射角度α是入射的EMR 9与形成图案的表面1的平的部分之间的角度(见图1)。在图2的左图中可以看到：对于90度的照射角度α检测到来自对称的转向标记7的最大反射强度I₁。反射强度I₁是一个对称函数，它有钟形曲线的形式。随着照射角度α由90度的照射角度开始增大和减小，它不对称地趋近零值。
右图示出了被激光标记8反射的作为照射角度α的函数的EMR的探测的反射强度I₂。反射强度I₁也有钟形曲线的形状，90度为最大。与反射强度I₁的差别在于：强度I₂的最大值较小，并且强度I₂有较小的范围。为了避免检测到被激光标记反射的EMR，必须选择一个照射角度，在这个角度下反射强度I₁高并且同时反射强度I₂低(最好为零)。在图2的左图中的箭头12标出在实际中使用的照射角度，表示在一方面使照射效率为最佳与在另一方面使对比度为最佳之间的一种折衷。在这些照射角度12，改善了信噪比，这是因为反射强度I₂(被激光标记反射的)接近零，因此不产生噪音。在另一方面，照射效率非常低，这是因为用这些照射角度12反射强度I₁非常低。
图3示出了由本发明所提出的不对称的转向标记和激光标记反射的EMR的光束路径。
传感器的原理保持不变，如可以在图3的左部看到的那样。光学传感器类似地包括连接到可转动物体13上的一个形成图案的表面1，此表面可以将入射的EMR的一部分5反射进图像系统(透镜2)中，并且将入射的EMR 9的另一部分6反射离开图像系统。透镜2将EMR的部分5聚焦到定位在印刷线路板4上的ASIC 3上。ASIC 3检测出被聚焦的EMR，并且处理所产生的检测信号。
在图3的右侧以放大图示出了形成图案的表面。在形成图案的表面上的图案包括不对称的转向标记14和激光标记8。
在图3中所示的本发明的优选实施例中，不对称的转向标记14形成在形成图案的表面1上的一个锯齿形表面。不对称的转向标记14将入射的EMR 9反射进入图像系统(透镜2)中，该透镜将EMR聚焦到ASIC 3上，在那里它形成明亮的区域10。激光标记8以照射角度β反射到达形成图案的表面1的入射EMR，离开图像系统(入射的EMR的一部分6)。结果，某些区域11在ASIC 3上保持“黑暗”。
在图4中可以看出不对称的转向标记14与对称的转向标记7相比的优点。
图4示出了作为对于本发明所提出的不对称的转向标记和激光标记的照射角度的函数的反射强度。
图4a示出了两个图，左图给出了作为照射角度β的函数的被不对称的转向标记14反射的EMR的反射强度I₃。对于一个照射角度β_α15，此角度比90度小，检测出来自不对称的转向标记14的最大反射强度I₃。90度与带有最大反射强度I₃的照射角度15之间的差取决于不对称的转向标记的形状。对于例如带有锯齿形状的非对称转向标记来说，这个差取决于锯齿的角度γ(见图3)。反射强度I₃再一次被表示为一个钟形曲线，对于90度的照射角度β反射强度I₃明显地减小。
图4a的右图示出了被激光标记8反射的作为照射角度β的函数的EMR的探测的反射强度I₂。反射强度的形状与在图2中的相同，这是因为在本发明中激光标记没有变化。反射强度I₂的最大值仍然位于90度的照射角度。
在这种情况下，最有利的照射角度β_α15是带有最大反射强度I₃的照射角度。采用这个照射角度的效果是高信噪比与高照射效率和ASIC 3上的暗区域与明亮区域之间的高对比度的结合。在照射角度15下对形成图案的表面1的照射产生来自不对称的转向标记14的最大反射强度I₃。同时，它产生由激光标记8反射的EMR形成的非常低的反射强度信号。
因此，本发明的一个优选实施例包括以照射角度β_α15照亮形成图案的表面的EMR源，它产生被不对称的转向标记14反射的最大反射强度I₃的EMR。
图5示出了在先有技术中有对称的转向标记的传感器的照射和成像概念。
将两个条码盘18，19与形成图案的表面1一起装接到一个可转动的物体13上。把ASIC 3和两个EMR源16，17(发射光的二极管LED)安装在同一块印刷线路板4上。使用两个EMR引导件20，21将EMR由两个EMR源16，17传送到两个可转动的条码盘18，19，为的是使光学损失最小。这些EMR引导件20，21可以由传输EMR的塑料管或者玻璃纤维构成。透镜2用来将EMR聚焦到ASIC 3上。该透镜将视场成像到ASIC 3上的EMR检测器阵列上。
在图5中示出了光束路径，此图说明这种成像概念如何工作。第一EMR源16发射EMR，第一光学引导件20将EMR传输到第一条码盘18。由到达被照亮的条码盘18，19的外边界的两条光束22，23代表这种入射的EMR。两个条码盘18，19被由第一EMR源16发出的入射EMR照亮。在第一条码盘18上，对称的转向标记7(未示出)将入射的EMR反射到透镜2上。用两条光束24，25表示在这个方向上被条码盘18反射的EMR。透镜2将这种被反射的EMR聚焦到ASIC3上(光束26，27)，在那里产生第一条码盘16上的视场中图案的图像30。用来检测在ASIC 3上的图像的反射强度的在ASIC 3上的检测器阵列最好是光二极管阵列。在第二条码盘19上对称的转向标记在透镜2的方向上也反射入射的EMR(光束28，29)，并且将EMR聚焦到ASIC 3上(光束31，32)。在ASIC 3的这个区域中产生第二条码盘上的视场中图案的图像33。第二EMR源17发出的EMR光束路径与发自第一EMR源16的光束路径类似，唯一的差别是它们在两个EMR源16，17之间的对称轴线上为镜像对称。在图5中没有示出这个光束路径，为的是使图简单。
在图5中示出的组件不仅能够测量可转动物体13的绝对角度，而且可以是对扭矩感知的系统的一部分。因此用预先确定扭转刚硬度的件34把两个条码盘18，19连接起来，并且，通过评估它们的相对角度可以计算出扭矩。
图6示出了带有不对称的转向标记的传感器的照射概念。
将两个条码盘18，19与形成图案的表面1一起装到一个可转动的物体13上。把两个EMR源16，17安装在一块印刷线路板4上。在本发明的这个优选实施例中，EMR源是LED。两个EMR引导件20，21将EMR由EMR源16，17传送到条码盘18，19上。在本发明的这个优选实施例中，至少一个光学引导件将由至少一个EMR源发出的EMR以有利的照射角度β_α传输到至少一个形成图案的表面上，当被照亮的形成图案的表面1上的不对称的转向标记反射EMR时，这样可以获得最大的反射强度。
图7示出了包含不对称的转向标记的传感器的总概念。
该传感器包括两个条码盘18，19，它们带有装到一个可转动物体13的两个不同部分上的形成图案的表面1，在这两部分之间的一个预先确定扭转刚硬度的件34，两个EMR源16，17和安装到印刷线路板4上的ASIC 3，以及一个透镜2。图7示出了两个条码盘18，19的形成图案的表面1的两个放大图35，36。两个放大图35，36示出了平的激光标记8和锯齿形的不对称转向标记14。在本发明的这个优选实施例中，使不对称的锯齿形转向标记在相反的方向上对准，并且在形状上比较精确。不对称的转向标记的这种对准有如下优点：可以在一个紧凑的传感器外壳中实现以有利的照射角度β_α对两个条码盘的照射和对反射的EMR的聚焦。在本发明的这个优选实施例中，由两个EMR引导件传输的EMR可以有交叉的光束路径。这意味着第一引导件20将来自第一EMR源16的EMR传输到第二条码盘19上，而第二引导件21将来自第二EMR源17的EMR传输到第一条码盘18上。通过使两个条码盘18，19上的不对称转向标记14在相反的方向上对准，两个条码盘18，19上的不对称转向标记14将入射的EMR 9反射进入一个成像系统(透镜2)中。通过透镜将条码盘18，19上的被照亮的图案反射到ASIC 3上。在图案的基础上，在ASIC 3上可以计算出可转动物体13的角度和扭转偏转。畸变与施加在可转动物体13上的扭矩成正比。
在本发明的一个优选实施例中，至少一个透镜将激光标记所反射的EMR基本上聚焦到EMR检测器阵列上，并且将不对称的转向标记所反射的EMR反射离开成像系统。因此，相对条码盘的不同的照射角度和成像系统的不同位置是必须的。在图4b的右部中标出了用于本发明的这一实施例的有利的照射角度37。结果，激光标记在ASIC3上产生明亮的区域，而不对称的转向标记产生暗的区域。按照图4b，对于任何照射角度β反射强度I₃都比反射强度I₂高。这意味着必须选择有最大强度的一个优选的照射倾斜角度。在图4b中示出了优选的照射倾斜角度38。
在本发明的一个优选实施例中，被本发明的传感器确定的角度和扭矩是动力车辆的转向角度和方向盘扭矩或者转向轴扭矩。
                          标号表
1   形成图案的表面
2   透镜
3   ASIC
4   印刷线路板
5   被反射进入图像系统的那部分EMR
6   被反射离开图像系统的那部分EMR
7   对称的转向标记
8   激光标记
9   入射的EMR
10  明亮的区域
11  暗的区域
12  与对称的转向标记一起使用的照射角度
13  可转动的物体
14  不对称的转向标记
15  对于不对称的转向标记的有利的照射角度
16  第一EMR源
17  第二EMR源
18  带有一个形成图案的表面的第一条码盘
19  带有一个形成图案的表面的第二条码盘
20  第一EMR引导件
21  第二EMR引导件
22  入射的EMR的第一光束
23  入射的EMR的第二光束
24  反射的EMR的第一光束
25  反射的EMR的第二光束
26  第一被聚焦的EMR光束
27  第二被聚焦的EMR光束
28  反射的EMR的第三光束
29  反射的EMR的第四光束
30  第一条码盘上的图案的图像
31  第三被聚焦的EMR光束
32  第四被聚焦的EMR光束
33  第二条码盘上的图案的图像
34  扭转刚硬度被预先确定的件
35  第一条码盘的形成图案的表面的第一放大图
36  第二条码盘的形成图案的表面的二放大图
37  对于激光标记的有利的照射角度
38  优选的照射倾斜角度