用于机动车辆的电动助力转向系统的光学旋转角度传感器的制作方法

旋转角度传感器具有集中测量通过多个方向盘转数的方向盘角度和速度的能力。除了差动扭矩测量之外，扭矩传感器还用在电动助力转向系统中，该电动助力转向系统包括固定到上转向轴的环形磁铁和固定到下转向轴的磁通导体部分。扭矩传感器测量由扭杆连接的转向柱的两个旋转轴之间的相对偏移角。该角度数据被转换成电压输出并且被馈送到电动助力转向系统的电子控制单元，以确定需要多少电力辅助。此外，电动助力转向系统的电动马达设置有附接到马达轴的转子位置传感器。

除了磁传感器以外，光学传感器也是已知的。当前的光学转向角度传感器是昂贵的，因为它们使用图像传感器或多个光源。常用的转子位置传感器的缺点是它们需要计数器来存储转数。

us2014/0360804a1公开了一种光学扭矩传感器，其中，基于所测量的透射光或反射光的偏振以模拟方式读出两个轴之间的扭转。

us7,327,056b2公开了可被读取以用于感测马达轴的旋转速度的图案，其中，图案中的标记具有与间隔不同的反射率，并且光电检测器接收反射光。

本发明的目的是提供具有高分辨率的用于机动车辆的电动助力转向系统的、改进和简化的光学旋转角度传感器，其可以在电池关闭后提供信号。

该问题通过具有权利要求1中列出的特征的旋转角度传感器和具有权利要求7中列出的特征的电动助力转向设备来解决。

因此，提供了用于机动车辆的电动助力转向系统的旋转角度传感器，该旋转角度传感器包括具有光源、光学部件和光电检测器的光学传感器单元以及具有光学图案的盘，其中，光学传感器单元和盘被布置成使得它们能够绕旋转轴相对于彼此旋转，并且其中，光学传感器单元被构建成使得由光电检测器测量从光学图案反射的光，其中，光学图案包括台阶和分隔台阶的间隔，台阶和间隔被设计成使得由台阶和间隔反射的光破坏性地干涉，导致根据光学图案对反射的光的强度调制，该光学图案针对盘的旋转角度编码二进制类型代码。与图像传感器或具有多个光源的传感器相比，该传感器非常简单且便宜。通过利用光学传感器单元读出光学图案，可以确定盘相对于单元的位置和角度。

优选地，光源是激光器或发光二极管(led)或集成编码器ic。

优选地，台阶和间隔被布置成与旋转轴同心的圆形或螺旋形。

有利地，光具有在可见光和红外光之间的范围内的波长。优选地，光束具有在230nm和800nm之间的波长。更优选地，光具有在350nm至550nm之间的波长。

为了保持光学传感器单元小并且紧凑，优选的是，光学部件包括偏振棱镜和四分之一波片。

光学图案可以通过调整台阶和间隔的长度来传输二进制类型代码。传感器的灵敏度可以通过调整光学图案的半径和图案布局以及图案的密度来修改。优选地，旋转角度传感器被分成两个部分，这两个部分可以沿旋转轴相对于彼此移动并绕该轴旋转，使得线性运动产生光衰减，光衰减可以由光电检测器检测并且被转换成盘在多圈上的绝对旋转角度。这允许在启动传感器时立即提供绝对转向角。

此外，可以实现致动器，其在电池的启动位置处提供低分辨率。因此，在没有存储单元的情况下提供旋转位置信号。此外，提供了如上所述的电动助力转向系统，其用于通过将由电动马达生成的支承扭矩赋予转向机构来辅助机动车辆的转向，该电动助力转向系统包括具有由扭杆连接的上转向轴和下转向轴的转向柱和旋转角度传感器。

优选地，为了测量绝对转向角，旋转角度传感器的一个部分是与固定到壳体的聚焦透镜分开布置的光学传感器单元，并且另一部分是所述聚焦透镜，聚焦透镜可以在上转向轴的螺纹上沿该转向轴的旋转轴移动。线性运动和产生的光衰减被转换成盘的圈数，从而允许测量绝对转向角或检测致动器位置，作为启动信号。

在一个实施方式中，旋转角度传感器是扭矩传感器，其中，光学传感器单元被布置成测量上转向轴和下转向轴之间的扭转。在这种配置中，有利的是，当光学传感器单元被抗扭转地布置到上转向轴并且盘与下转向轴一起旋转时，其中，台阶和间隔被布置成圆形或螺旋形或与旋转轴径向同心。

也可以使用两个旋转角度传感器读出布置在上转向轴上的一个盘和布置在下转向轴上的一个盘，使得两个盘与方向盘运动一起旋转，同时具有相对于他们的扭转的角度偏移。因此，优选的是，两个盘的光学图案没有交叠地同心地布置。

在另一实施方式中，旋转角度传感器是电动马达的转子位置传感器，其中，盘布置在马达轴的一端，并且其中，马达轴的旋转轴等同于盘及其光学图案的对称轴。

将参照附图描述本发明的优选实施方式。在所有附图中，相同的附图标记表示相同的部件或功能相似的部件。

图1示出了电动助力转向系统的示意图；

图2示出了电动助力转向系统的可替选实施方式的示意图；

图3示意性地示出了旋转角度传感器的功能；

图4示出了旋转角度传感器作为转子位置传感器的用途；

图5示出了传感器在转向轴上的布置；

图6示出了传感器作为扭矩传感器的装置；

图7示出了图6的布置，而传感器可以在转向轴的螺纹上移动；

图8示出了检测两个转向轴的扭转的传感器的布置；

图9示出了分别用于检测上转向轴和下转向轴的旋转的两个传感器的布置；

图10示出了具有致动器以检测转向轴的旋转的传感器的布置；

图11示出了具有两个致动器以分别检测上转向轴和下转向轴的旋转的两个传感器的布置；以及

图12示出了由传感器读出的示例性光学图案。

图1和图2是电动助力转向系统1的示意图。方向盘2固定到上转向轴3，驾驶员的转向运动经由扭杆19传递到下转向轴4。下转向轴4经由齿条齿轮机构5耦接到齿条6。伴随转向操作的上转向轴3和下转向轴4的旋转被齿条齿轮机构5转换成齿条6的往复直线运动。齿条6的线性运动改变了转向车轮7的转向角。为了提供转向辅助，电动马达8可以如图1所示安装到转向轴3的侧面或者如图2所示安装到齿条6的侧面。将辅助扭矩分别从马达8传递到下转向轴4或齿条6提供转向辅助。

根据图1和图2的电动助力转向系统配备有旋转角度传感器。在图3中说明旋转角度传感器的操作。

光学传感器单元9读出盘10上存储的信息。光学传感器单元9包括光源11、光学准直透镜12、偏振棱镜13、第一聚焦透镜14和第二聚焦透镜15、四分之一波片16和光电检测器17。来自光源11的光被传输到用作对准光的光学准直器的透镜12。光源11可以是激光器或发光二极管(led)或集成编码器ic。之后，光照射在使光束平面偏振的偏振棱镜13上。接下来，光通过四分之一波片16，其在电场矢量的两个分量之间引入90°相位差。光束现在是圆偏振的。在通过四分之一波片16之后，光被第一聚焦透镜14聚焦。聚焦的光照射在图案化的盘10上并且被反射。第二次穿过四分之一波片16在分量之间引入另外的90°相位差，这使得光束在与从偏振棱镜13出射的光束的平面旋转90°的平面中偏振。现在偏振平面使得偏振棱镜13将返回的光束有效地反射向光电检测器17，而不是向光源11传输回光束。光被第二聚焦透镜15聚焦并且由光电检测器17检测，光电检测器17将光转换成电流。盘10上的光学图案10'由台阶18和台阶18之间的间隔18'形成。从台阶18反射的光束和从间隔18'反射的光束之间的路径差是波长的一半。该路径差通过四分之一波长的台阶高度在光束的向外和返回行程中实现。来自台阶18的光将与从间隔18'反射的光破坏性地干涉，并且因此对光电检测器17而言显得暗。如果光仅从台阶或间隔反射，则不会发生破坏性干涉，并且光电检测器检测到光。因此，传感器的询问基于反射测量术。

台阶18和它们之间的间隔18'的长度传输二进制类型代码，该二进制类型代码被处理以重构绝对角位置。台阶18被布置成圆形或螺旋形。优选地，光源光束具有在红外光和可见光的范围内的波长。

光学旋转角度传感器也可以实现为电动马达8的转子位置传感器，如图4所示。盘10布置在电动马达8的马达轴8'的端部，其中，马达轴8'的旋转轴分别等同于盘10和光学图案10'的对称轴。

图5至图9示出了旋转角度传感器的不同放置。

在图5中，盘10布置在转向轴3、4上，或者更确切地说是以抗扭转的方式固定到转向轴3、4上。光学图案10'与转向轴3、4同心布置。光学传感器单元9固定到壳体。

图6示出了被布置成使得传感器检测经由扭杆19连接的上转向轴3和下转向轴4之间的扭转的旋转角度传感器。光学传感器单元9被抗扭转地布置到上转向轴3，并且盘10与下转向轴4一起旋转。扭矩传感器不限于这种布置；光学传感器单元9同样可以固定到上转向轴，并且相应地，盘固定到下转向轴。如图7所示，在本发明的优选实施方式中，与聚焦透镜14分开的光学传感器单元9'固定到壳体。透镜14可以在上转向轴3的螺纹上沿转向轴的旋转轴移动。这种布置将方向盘旋转转换成聚焦透镜14在光学传感器单元和盘10之间的线性运动，盘10如上所述被抗扭转地固定到下转向轴4。透镜14的线性运动产生光衰减，光衰减可以由光电检测器17检测并且被转换成聚焦透镜14的位置和方向盘2的相应的绝对角度。即使在重新启动系统之后，这也允许在不需要旋转计数器的情况下准确地读出多圈上的绝对角度。在其他优选实施方式中，盘10或光学传感器单元9'可以相对于旋转角度传感器的其余部件移动，从而产生相同的测量技术。

图8示出了单个光学传感器单元9可以通过读出分别放置在每个转向轴3、4上的两个盘10的信息来检测上转向轴3、下转向轴4相对于传感器单元9的扭转。图9示出了可以布置两个传感器单元9，每个传感器单元9读出布置在上转向轴3和下转向轴4上的一个盘。还可以将盘10直接安装到扭杆19的两端。两个盘10与方向盘运动一起旋转，同时具有相对于它们的扭转的角度偏移。当同心地布置两个盘的光学图案10'时，可以从相同方向读出图案。

在图10中，光学传感器单元9布置在致动器20上。致动器20可以使光学传感器单元9相对于转向轴3、4沿轴向方向dx移动。通过读出盘10的图案10'，由光学传感器单元9检测转向轴3、4的扭转。光学传感器单元9的信息被传送回致动器20，因此在故障中或当电池关闭时，可以通过回读致动器20的分辨率来提供较低分辨率的启动转向角。

在图11中，两个盘10彼此相邻地布置并且连接到转向轴3、4。每个盘10的光学图案10'由一个光学传感器9读出，该光学传感器9通过第一致动器20沿轴向或径向方向dx2向转向轴3、4移动。另一个盘的螺旋形光学图案10'由第二光学传感器9读出，第二光学传感器9通过第二致动器20'沿轴向或径向方向dx1移动。这种布置提供了具有较低分辨率的多圈角感测和启动转向角。

在盘的表面上布置有光学图案，可以在图12中看到该光学图案。该图案由具有不同长度的台阶18和间隔18'组成。当转向轴3、4旋转时，盘10相应地旋转。例如在de3309779a1中公开的那样，光学传感器检测反射的光并且将其转换成二进制信号。这样，可以确定两个轴之间的绝对角度或扭转。在适应盘半径和图案布局的情况下，传感器的分辨率是高度可扩展的。

盘优选地由聚合物制成并涂覆有高反射率的材料。压印在塑料基板表面上的台阶18和间隔18'优选通过注射成型形成。

光学传感器单元优选地基于低成本注模透镜和光学器件。可以通过附加的光学图案(轨道)和询问光学器件引入冗余。

根据光学部件相对于彼此的移动和光电检测器的灵敏度，可以以较低的分辨率提供启动转向角。这可以通过使用致动器进一步提供。

为了在多于一个的整圈上读出信息，光学传感器单元沿径向方向移动。台阶18以螺旋形布置。还可以具有跳跃焦点和/或两层光学图案。