JP2005500548A - 光学的な測定データ検出のための方法および装置 - Google Patents

Abstract

回転運動または直進運動をする部材の光学的な測定データ検出のための方法、たとえば光学的な角度検出、トルク検出または区間検出のための方法において、
該部材の運動方向に延在する周期的なラインパターン（２ａ、２ｂ）の第１のペアを設けるステップと、
該部材の運動方向に延在する周期的なラインパターン（２ｃ、２ｄ）の第２のペアを設けるステップと、
前記第１のペアのラインパターンの各周期性（Ｐ１、Ｐ２）ないしは各位相（Ｆ１、Ｆ２）を、基準値に基づいて該部材の運動方向に対して垂直に検出するステップと、
前記第２のペアのラインパターンの各周期性（Ｐ３、Ｐ４）ないしは各位相（Ｆ３、Ｆ４）を、基準値に関連して該部材の運動方向に対して垂直に検出するステップと、
ラインパターン（２ａ、２ｂ）の前記第１のペアの位相位置（ＰＨ１）を、周期性（Ｐ１，Ｐ２）ないしは位相（Ｆ１，Ｆ２）に基づいて求めるステップと、
ラインパターン（２ｃ、２ｄ）の前記第２のペアの位相位置（ＰＨ２）を、周期性（Ｐ３，Ｐ４）ないしは位相（Ｆ３，Ｆ４）に基づいて求めるステップと、
前記位相位置（ＰＨ１，ＰＨ２）に基づいて該部材の位置を求めるステップとが含まれており、
前記第１のペアのラインパターン（２ａ、２ｂ）は、回転運動または直進運動をする該部材の運動領域、たとえば規定された区間、またはたとえば３６０°の角度領域にわたって、それぞれｎ個の周期を有し、
該部材の運動方向における前記ラインパターン（２ａ、２ｂ）は、相互に固定的な相関係にあり、
前記第２のペアのラインパターン（２ｃ、２ｄ）は、回転運動または直進運動をする該部材の運動領域、たとえば規定された区間、またはたとえば３６０°の角度領域にわたって、それぞれｍ個、たとえばｎ＋１個の周期を有し、
該部材の運動方向における前記ラインパターン（２ｃ、２ｄ）は、相互に固定的な相関係にあることを特徴とする方法。

Description

【０００１】
本発明は、光学的な測定データ検出、とりわけ光学的な角度検出、トルク検出、または区間検出のための方法および装置に関する。
【０００２】
従来の技術
これまで、角度測定のための光学的な種々の方法が紹介されてきた。通常、これらの方法はデジタル式の方法であり、汚染問題および耐性問題の点で、アナログ式の測定方法と比較して有利である。
【０００３】
インクリメンタルに測定する方法と絶対的に測定する方法とは区別される。典型的に、絶対的に測定する方法では光学的なコーディング、たとえばクレイ・コードまたはマンチェスタ・コードが使用される。
【０００４】
特定の適用、たとえばいわゆる電動パワーステアリング（ＥＰＳ）に関しては、軸の角度情報の他に、負荷されるトルクの知識も所望される。トルク測定は比較的簡単に、角度測定に基づく捻転区間によって示すことができるので、ここでは主に、軸の角度と付加的または択一的にトルクとを角度測定によって検出できる方法が発展される。公知の方法における共通点は、これらの公知の方法によって捻転区間の前後の角度が非常に正確に測定されるので、比較的小さな角度差から、測定すべきトルクが推定されることである。
【０００５】
ＤＥ−Ｐ１００４２６５６からは、回転角および／または角度差を位相信号から検出する方法が公知である。この方法は分割されたシャフトで、位相トラックおよび中間接続されたトーションバーによって実施される。ここでは、所属のセンサおよび評価ユニットによって、シャフトの回転に関してそれぞれ多義的な位相信号が得られる。この方法ではまず、少なくとも２つの位相信号が重みづけされ加算されて１つの信号になり、続いて、この信号から非整数の成分が形成される。この非整数の成分は角度差に比例する。この角度差から、中間接続されたトーションバーのばね係数と乗算することにより、シャフトに負荷されるトルクが求められる。
【０００６】
本発明の目的は、絶対的な測定データ検出、とりわけ、たとえば操舵軸である軸の角度測定を、軸に作用するトルクを検出するための付加的な光学的手段によって、可能な限り簡単に実現することである。本発明の別の目的は、区間測定を可能な限り簡単に実施することである。
【０００７】
これらの目的は、請求項１の特徴を有する方法、および請求項８の特徴を有する装置によって達成される。
【０００８】
本発明の方法は従来の方法と比較して、異なるラインパターンが規則的で周期的であるため、汚染や他の障害に対して格段に耐久性がある。たとえば各ラインパターンが汚染されることによる解釈エラーのおそれが、本発明によって格段に低減される。（たとえば水や粒子に対する）汚染感度が低減することの他に、従来の方法と比較して、光学的センサの寿命、距離依存性および位置依存性による光源の輝度の偏差も補償できる。さらに有利には、本発明で提案される方法の冗長性は比較的低い。
【０００９】
本発明による装置は、本発明による方法を特に簡単に実施できるという特徴を有する。
【００１０】
本発明の利点
本発明の有利な構成は、従属項に記載されている。
【００１１】
本発明による方法の有利な構成によれば、ラインパターンのペアはそれぞれ、少なくとも１つのサイン経過および１つのコサイン経過を有する。すなわちラインパターンのペアの経過は、相互に９０°位相シフトされた関係にある。このような周期的な経過の計算処理ないしは関連づけは、とりわけ簡単に実行できる。ここで有利なのは、それぞれ、周期長が等しく振幅が異なるサイン経過およびコサイン経過のグループを使用することである。複数のサイン経過ないしはコサイン経過の振幅間に規則的な間隔を設けることにより、個々のサイン経過が延在方向において、ラインパターンの主延在方向に対して垂直に、常に相互に等しい間隔を有することを保証できる。
【００１２】
ラインパターンの各ペアの角度ないしは位相位置は、各ラインパターン（成分の経過方向に対して垂直な方向にある）の位相ないしは周期性の商の逆正接を形成することによって求められるのが目的に適っている。ここで、
ＰＨ１＝ａｒｃｔａｎ（Ｐ１／Ｐ２）ないしはａｒｃｔａｎ（Ｆ１／Ｆ２）
ＰＨ２＝ａｒｃｔａｎ（Ｐ３／Ｐ４）ないしはａｒｃｔａｎ（Ｆ３／Ｆ４）
という関係が成り立つ。ラインパターンの角度ないしは位相位置はＰＨ１、ＰＨ２によって示されており、周期性はＰ１〜Ｐ４ないしはＦ１〜Ｆ４によって示されている。
【００１３】
有利には、求めるべき回転角はノギス原理を使用することによって、前記のように検出された位相位置ＰＨ１、ＰＨ２から求められる。
【００１４】
本発明の方法の特に有利な発展形態では、各ラインパターンの位相位置は、シャフトの回転方向に対して垂直に、各ラインパターンの個々のラインの間の間隔を介して求められる。ラインパターンに複数のラインを設けることにより、たとえば汚染によって不正確になるのを効果的に回避することができる。
【００１５】
ここでは、個々のラインパターンの隣接したラインが（仮想の）交線上で、シャフトの回転方向に対して垂直に、常に相互に等しい間隔を有すると有利である。このことによって、位相ないしは位相位置Ｐ１〜Ｐ４を求めるための、たとえばパターン比較やフーリエ分解による計算評価が容易になる。ここでは、周期ないしは周期性は、ライン相互間に正確に設けられた間隔によって決められることにも留意すべきである。
【００１６】
本発明による方法の別の有利な実施形態によれば、ラインパターンの位相はシャフトの回転方向に対して垂直に、ラインパターンのライン間で変化する間隔を介して、回転方向に対して平行に延在する実際または仮想の基準ラインまでのラインパターンのラインの変化する間隔が求められる。この方法によって、シャフトの回転方向に対して垂直な個々のライン間の間隔が一定であるラインパターンを形成することが可能になる。既知の周期長を有するこのようなパターンの位相位置を電子的に検出ないしは計算によって検出するのは、簡単かつ低コストで実施することができる。ここでは位相は、各ラインから基準ラインまでの間隔によって求められる。
【００１７】
ここで本発明を、添付された図面に基づいてさらに説明する。
【００１８】
図１ とりわけ本発明による方法を実施するための、本発明による装置の第１の有利な実施例の（概略的な）斜視図を示している。
【００１９】
図２ 本発明による方法の第１の有利な実施例を実施するための、図１に示されたコーディングのための第１の有利なコードトラックの斜視図を示している。
【００２０】
図３ 図２に示されたコードトラックの経過方向に対して垂直にコードトラックによって得られた位相ないしは周期性を示した図である。
【００２１】
図４ 本発明による方法の第２の有利な実施例を実施するための、図１に示されたコーディングのための別の有利なコードトラックの斜視図を示している。
【００２２】
図５ 図４に示されたコードトラックの経過方向に対して垂直にコードトラックによって得られた位相ないしは周期性を示した図である。
【００２３】
図６ 本発明による方法の第３の有利な実施例を実施するための、図１に示されたコーディングのための別の有利なコードトラックの斜視図を示している。
【００２４】
図７ 図６に示されたコードトラックの経過方向に対して垂直にコードトラックによって得られた位相ないしは周期性を示した図である。
【００２５】
図１には、本発明による装置の有利な実施形態の全体が１０によって示されている。この装置では、角度位置を検出すべきシャフトないしは軸にコードリング３が取り付けられている。このコードリング３上には、レーザ手段によってコードトラック２が設けられている。コードトラック２の回転方向はシャフト４の回転方向に相応し、矢印Ｘによって示されている。コードリング３はシャフト４に固定的に接合されており、このシャフト４の回転角Ｐｈｉを正確に求めなければならない。
【００２６】
本装置はさらに、コードトラック２の経過方向に対して垂直に配向されたセンサを有する。このセンサは、シャフト４およびコードトラック２に対して回転せずに固定されており、以下ではＣＣＤライン１と称される。このＣＣＤライン１によってコードトラック２に基づいて検出された情報は、コンピュータ５（概略的に示されている）上でさらに処理するために送出される。
【００２７】
コードトラックは、図２から理解されるように、４つのセグメント２ａ、２ｂ、２ｃおよび２ｄに分割されており、それぞれ閉じた周期的なパターン、たとえばアナログのサイン経過またはコサイン経過を有している。ここでは、セグメント２ａ、２ｂは第１のラインパターンペアを形成し、セグメント２ｃ、２ｄは第２のラインパターンペアを形成する。ラインパターンペアの周期性は、セグメント２ａおよび２ｂがｎ個の周期をコードトラックの周面にわたって（回転方向Ｘに３６０°にわたって）有し、それに対してセグメント２ｃおよび２ｄはｎ＋１個の周期を有するように構成されている。これらのパターンはそれぞれ複数のラインであり、ライン間の間隔はＣＣＤライン１の走査線に沿って（ないしは、経過方向Ｘに対して垂直な任意の仮想交線に沿って）一定であるという特徴を有する。このパターンは、相互に重なり合った、振幅の異なるサイントラックおよびコサイントラックによって、たとえば図２に示されているようにして簡単に形成される。
【００２８】
ＣＣＤライン１はシャフト４の各角度位置で、規則的な等幅の４つのラインパターン２ａ’、２ｂ’、２ｃ’および２ｄ’を検出する。これらのラインパターンは図３に示されており、ほぼコードトラックの瞬時の検出を表す。これらのラインパターンの周期性は評価電子回路（コンピュータ５）で求められる。前記のような評価を介して、ラインパターン２ａ’〜２ｄ’の各瞬時検出に所属する周期長ないしは位相Ｐ１〜Ｐ４がシャフト４の回転方向Ｘに対して垂直に得られる。続いて、走査線に沿ったこれらの周期長ないしは位相Ｐ１〜Ｐ４は、絶対的な角度検出のための入力量として使用される。周期長は具体的には、ラインパターンの隣接したライン間の間隔として表される。
【００２９】
位相Ｐ１およびＰ２から第１のサイン‐コサインペアの角度ないしは位相位置が、Ｐ１とＰ２との商の簡単な逆正接計算を介して求められ、それに相応して、Ｐ３およびＰ４から第２のラインパターンペアの位相位置が求められる。ここで２つの位相値が得られる：
ＰＨ１＝ａｒｃｔａｎ（Ｐ１／Ｐ２）および
ＰＨ２＝ａｒｃｔａｎ（Ｐ３／Ｐ４）
０〜２πの範囲である両値はノギス原理、たとえば改善されたノギス方法によって、コードリング３ないしはシャフト４の周面上で一義的な、コードリングの絶対位置角度Ｐｈｉが計算される。このことはたとえば、ＤＥ１９５０６９３８Ａ１に記載されている。初めに１８０°の角度範囲に設定された一義性は、値Ｐ１〜Ｐ４の正負符号分析によって３６０°の角度範囲に拡大できることにも留意されたい。
【００３０】
シャフト４の位置角度Ｐｈｉを検出するため、まず動作値ｋを両位相値ＰＨ１およびＰＨ２から方程式
ｋ＝｛（ｎ＋１）・ＰＨ１−ｎ・ＰＨ２｝／３６０
にしたがって計算される。この値は通常、ＰＨ１およびＰＨ２の測定誤差によって整数ではない。しかしＰＨ１とＰＨ２との間の数学的関係に基づき、値ｋは整数でなければならない。したがってここでは、ｋに最も近い整数がさらなる計算のために使用することが目的に適っている。簡単にするため、以下ではこの最も近い整数もｋと称する。シャフト４の回転角は、次のように計算される：
Ｐｈｉ＝｛（ｎ＋１）・Ｐｈ１＋ｎ・ＰＨ２−（２ｎ＋１）・ｋ・３６０｝／２ｎ・（ｎ＋１）
この関係が、図示された方法によって得られる誤差補正を示していることは明らかである。ＰＨ１またはＰＨ２の誤差は約１／ｎの比率で、求めるべき角度Ｐｈｉに引き継がれるだけである。
【００３１】
最も近い整数の実数ｋ（これもｋと称する）の偏差は、検出される測定値Ｐｈｉの信頼性に対する尺度として使用することができる。
【００３２】
本発明の方法を使用する、図示された装置１０によって、ＣＣＤライン１の取り付け位置に公差が生じることによる不正確さを大幅に自動的に補正することができる。ＣＣＤラインを縦方向（図１では矢印Ｙによって示されている）に移動することは、規則的なパターンの周期性のみが検出されるので、重要ではない。周期性の増大または減少となって現れるＣＣＤライン１からコードリング３までの大きなずれ、すなわち距離は、商を計算することによって消去される。ＣＣＤライン１の傾きでさえ、平均値を算出することにより（この場合、ラインパターンの個々のラインの間隔はもはや完全に一定でなくてもよい）、または逆正接形成によって、ある程度まで補正できる。
【００３３】
ここに示された方法は、公知のように、捻転区間上でトルクに依存して捻転可能な第２のコードリングによって、トルク測定にも使用することができる。測定される各角度が正確であることにより、数多くの適用において十分に正確なトルク検出を行うことができる。
【００３４】
ここに示された方法によって、簡単に線形距離測定を可能にできることに留意されたい。たとえば図２に示されたパターンは、紙に印刷して測定すべき区間に貼付することができる。このような測定は、同一または類似の光学系および評価によって実施される。
【００３５】
ここで本発明による方法の別の有利な実施形態を、図４および５に基づいて説明する。本発明の方法の前記の第１の有利な実施形態では、場所に依存する位相から位置的な角度情報が検出されてノギス方法によって計算処理され、全角度が得られる。異なるないしは可変の周期性を光学的ないしは電子的に識別するためには、ハードウェアないしはソフトウェアのコストがある程度必要とされるため（たとえばフーリエ変換を行うため）、ここに図示された、本発明による方法の第２の実施形態では、周期が一定であり相互にシフトされたラインパターンから位置的な角度情報を求める。周期長が既知であるこのようなパターンの位相の電子的な検出は、非常に簡単かつ低コストで実現することができる。
【００３６】
図４および５の視点はそれぞれ、図２ないしは３の視点に相応する。ここでもＣＣＤライン１は同様に、コードトラック２の運動方向Ｘに対して垂直に配置されている。コードトラック２は４つのセグメント２ａ、２ｂ、２ｄ、２ｃに分類され、これらのセグメントもまた、サイン経過およびコサイン経過のような、それぞれ閉じた周期的なラインパターンを有する。これらのパターンの周期性は、第１のラインパターンペアを形成する２つの第１セグメント２ａおよび２ｂがコードトラック（３６０°）の周面上にｎ個の周期を有し、かつセグメント２ｃおよび２ｄがｍ（たとえばｎ＋１）個の周期を有するように設定される。
【００３７】
ＣＣＤライン１上ではラインパターンは、既知であり固定的な周期ないしは周期性を有する周期的な構造体として示される。このことは図５に示されている。しかしここではパターンＦ１、Ｆ２、Ｆ３およびＦ４は、仮想の基準ライン、すなわち運動方向Ｘの任意のラインと相関係にある。位相シフトは場合によっては付加的に、取り付けジオメトリないしは公差または遊びによって引き起こされ得る一定のずれ（オフセット）の影響を受ける。この一定のずれは４つのセグメントすべてにおいて等しいので、位相位置Ｆ１およびＦ２ないしはＦ３およびＦ４はそれぞれ共通の角のサインおよびコサインに相応しなければならないという事実を考慮すれば、このずれを簡単に算出できる。
【００３８】
全角度の別の計算は、すでに本発明の方法の第１の有利な実施形態に基づいて説明したような評価に類似して行われる。
【００３９】
第２の有利な実施例に対して、図６および７に示されているような、本発明による方法を実施するためのコードトラックの実施形態によれば、ラインパターン２ａ〜２ｄに加えて、コードトラックの中間のセグメントに別のラインパターン２ｅが設けられる。このラインパターン２ｅはまっすぐな一定のラインパターンを基準として有する。このような基準パターンを使用すること、詳細に言うとコードトラック上に設けられた基準パターンを使用することは、位相位置Ｆ１〜Ｆ４を計算によって評価する際に有利である。たとえば、取り付けジオメトリまたは公差によって引き起こされた一定のずれを、第５のラインパターン２ｅに基づいて直接検出することができる。というのもこの直線も、この一定のずれの量だけずれているからである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
とりわけ本発明による方法を実施するための、本発明による装置の第１の有利な実施例の（概略的な）斜視図である。
【図２】
本発明による方法の第１の有利な実施例を実施するための、図１に示されたコーディングのための第１の有利なコードトラックの斜視図である。
【図３】
図２に示されたコードトラックの経過方向に対して垂直にコードトラックによって得られた位相ないしは周期性を示した図である。
【図４】
本発明による方法の第２の有利な実施例を実施するための、図１に示されたコーディングのための別の有利なコードトラックの斜視図である。
【図５】
図４に示されたコードトラックの経過方向に対して垂直にコードトラックによって得られた位相ないしは周期性を示した図である。
【図６】
本発明による方法の第３の有利な実施例を実施するための、図１に示されたコーディングのための別の有利なコードトラックの斜視図である。
【図７】
図６に示されたコードトラックの経過方向に対して垂直にコードトラックによって得られた位相ないしは周期性を示した図である。

Claims (9)

1. 回転運動または直進運動をする部材の光学的な測定データ検出のための方法、たとえば光学的な角度検出、トルク検出または区間検出のための方法において、
   該部材の運動方向に延在する周期的なラインパターン（２ａ、２ｂ）の第１のペアを設けるステップと、
   該部材の運動方向に延在する周期的なラインパターン（２ｃ、２ｄ）の第２のペアを設けるステップと、
   前記第１のペアのラインパターンの各周期性（Ｐ１、Ｐ２）ないしは各位相（Ｆ１、Ｆ２）を、基準値に基づいて該部材の運動方向に対して垂直に検出するステップと、
   前記第２のペアのラインパターンの各周期性（Ｐ３、Ｐ４）ないしは各位相（Ｆ３、Ｆ４）を、基準値に関連して該部材の運動方向に対して垂直に検出するステップと、
   ラインパターン（２ａ、２ｂ）の前記第１のペアの位相位置（ＰＨ１）を、周期性（Ｐ１，Ｐ２）ないしは位相（Ｆ１，Ｆ２）に基づいて求めるステップと、
   ラインパターン（２ｃ、２ｄ）の前記第２のペアの位相位置（ＰＨ２）を、周期性（Ｐ３，Ｐ４）ないしは位相（Ｆ３，Ｆ４）に基づいて求めるステップと、
   前記位相位置（ＰＨ１，ＰＨ２）に基づいて該部材の位置を求めるステップとが含まれており、
   前記第１のペアのラインパターン（２ａ、２ｂ）は、回転運動または直進運動をする該部材の運動領域、たとえば規定された区間、またはたとえば３６０°の角度領域にわたって、それぞれｎ個の周期を有し、
   該部材の運動方向における前記ラインパターン（２ａ、２ｂ）は、相互に固定的な相関係にあり、
   前記第２のペアのラインパターン（２ｃ、２ｄ）は、回転運動または直進運動をする該部材の運動領域、たとえば規定された区間、またはたとえば３６０°の角度領域にわたって、それぞれｍ個、たとえばｎ＋１個の周期を有し、
   該部材の運動方向における前記ラインパターン（２ｃ、２ｄ）は、相互に固定的な相関係にあることを特徴とする方法。
2. 前記ラインパターン（２ａ、２ｂ；２ｃ、２ｄ）のペアはそれぞれ、少なくとも１つのサイン経過およびコサイン経過を有し、たとえばそれぞれ周期長が等しく振幅が異なる複数のサイン経過およびコサイン経過を有する、請求項１記載の方法。
3. 前記位相位置（ＰＨ１、ＰＨ２）を、
   ＰＨ１＝ａｒｃｔａｎ（Ｐ１／Ｐ２） ないしは ＰＨ１＝ａｒｃｔａｎ（Ｆ１／Ｆ２） および
   ＰＨ２＝ａｒｃｔａｎ（Ｐ３／Ｐ４） ないしは ＰＨ２＝ａｒｃｔａｎ（Ｆ３／Ｆ４）
   の数式に相応して計算する、請求項１または２記載の方法。
4. シャフト（４）の回転角を、ノギス原理を使用して位相位置（ＰＨ１、ＰＨ２）から求める、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記ラインパターンの周期性（Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４）ないしは位相（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４）をシャフトの回転方向に対して垂直に、各ラインパターン（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）の個々のライン間の周期的に変化する間隔を介して求める、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 個々のラインパターン（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）の隣接するラインは、シャフトの回転方向に対して垂直な部分ライン上で常に相互に等しい間隔を有する、請求項５記載の方法。
7. 前記ラインパターンの位相（Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４）をシャフト（４）の回転方向に対して垂直に、ラインパターンのラインから、回転方向に直線的に延在する実際または仮想の基準ラインないしは基準ラインパターン（２ｅ）までの変化する間隔を介して求め、
   前記ラインパターンの個々のラインは、部材の運動方向において常に相互に一定の間隔を有する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
8. 回転運動または直進運動をする部材の光学的な測定データ検出のための装置、たとえば光学的な角度検出、トルク検出または区間検出のための装置であって、前記１から７までのいずれか１項記載の方法に適した装置において、
   回転運動または直進運動をする該部材にコードトラック（２）が設けられており、
   前記コードトラック（２）は、周期的なラインパターン（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）の少なくとも２つのペアを有し、
   ラインパターンを光学的に検出するためのセンサ（１）と、センサによって検出されたラインパターンに基づき、前記ラインパターンから導出された周期性ないしは位相から該部材（４）の位置を算出するための計算装置（５）とを有することを特徴とする装置。
9. 請求項１から７までのいずれか１項記載の方法または請求項８記載の装置において使用するためのコードリングにおいて、
   周期的なラインパターン（２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ）の少なくとも２つのペアが設けられており、
   第１のペアはコードリングの周面上にわたってｎ個の周期を有し、
   第２のペアはコードリングの周面上にわたってｍ個、たとえばｎ＋１個の周期を有し、
   前記各ペアのラインパターンは、相互に固定的な相関係にあることを特徴とするコードリング。