專利名稱：制造光學扭矩傳感器的方法
技術領域：
本發明涉及一種制造光學扭矩傳感器的方法。此種扭矩傳感器用于測量軸中扭矩的大小，特別是車輛用途中電力駕駛系統內轉動軸中扭矩的大小。
背景電力駕駛系統通常包括一個輸入軸元件，該元件經過Hooke接頭裝置和中間軸連接在方向盤上。因此該輸入軸需要轉動而通過一個角度，該角度通常為中心駕駛位置兩側各一至兩圈。電力駕駛系統需要精確測量該轉動軸中的連續變化的扭矩。通常施加在該軸上的扭矩使軸產生角偏移，此種偏移使軸的一部分相對于另一部位部分產生角位移，而該角位移可以被感知而測量到該扭矩。
該感知機構需要考慮到軸的轉動，為了可靠或簡單，最好利用非接觸的信號傳輸機構。所述感知機構包括以孔為基礎的反射式光學器件和磁學器件如磁致收縮式可變磁阻聯軸器。
為了提高此種感知機構的精確度，該扭矩傳感器可以包括一個軸裝置，后者包括兩個連接在兩個扭矩輸入部件上或與其整體結合的光柵元件，這兩個扭矩輸入部件用一個扭矩順應聯軸器連接。當扭矩施加在兩個扭矩輸入部件之間時，扭矩順應聯軸器偏轉，導致兩個光柵元件的相對角位移增大，這允許使用不太敏感的感知機構。
本方法涉及制造使用反射式或透射式光學感知機構的扭矩傳感器，它包括兩個光柵圖形，由對一給定的入射電磁輻射(EMR)為交替的(分別是)高反射率或透射率和低反射率或透射率的區域組成。高和低反射率包括直接鏡面反射的變化和擴散反射的變化。光柵圖形用電磁輻射源(通常為紫外光源、可見光源或紅外光源)照射，然后用一個或多個對電磁輻射敏感的檢測器陣列檢測。這些陣列包括電荷耦合器件(CCD)、超大規模集成電路(VLSI)視覺芯片和一組或二維光探測器陣列。該檢測圖形的一個或多個陣列可以受到處理而產生對施加到軸上的扭矩的測量。
高和低反射率或透射率的區域可以沿軸向或圍繞軸的轉動軸線沿徑向排列，其性能允許陣列連續輸出而不管軸的角位置如何，因為陣列尺寸可能不允許陣列在任何瞬時觀察到全部周面或徑向面。
與本發明最密切有關的先有技術為美國專利No.4,406,939(Golker)，題目為“制造用于光學增量軸編碼器和絕對軸編碼器的代碼盤的方法”，它表示使用激光技術來制造軸編碼器圖形。
本發明的關鍵在于，將輻射(特別是光學激光輻射)圖形技術同時應用于一個軸裝置的兩個相鄰的光柵元件。該軸裝置在照射前組裝，并包括連接在兩個扭矩輸入部件上或與其整體結合的兩個光柵元件，這兩個扭矩輸入部件由一個扭矩順應聯軸器連接。該軸裝置的兩個光柵元件的同時照射提供對零扭矩校準狀態產生的兩個光柵圖形的相對配置的極精確控制。其次，因為光柵圖形是相鄰的，所以對兩個圖形可以使用單獨一個輻射源，并進一步改善了圖形的配置。這與上述先有技術中公開的光學圖形方法的使用相反，先有技術方法使用時要求在該軸組裝前對兩個光柵元件獨立地“預先制備圖形”(稱作“代碼盤”)，因而在隨后的組裝操作期間引入兩個光柵圖形的相互配置的誤差。
本說明書的輻射包括真空中波長在40nm和1mm之間的光學電磁輻射，如國際光學工程學會所定義。
本發明方法的優點是，在組裝該軸后，從圖形的產生制造一種“反射光柵”式扭矩傳感器(如待審的國際專利申請No.PCT/AU 98/00 645中公開的)或一種“透射光柵”式扭矩傳感器(如1997年12月17日提出申請的題為“透射路徑扭矩傳感器”的待審的澳大利亞臨時專利申請No.PP 0984中公開的)。這意味著，高度精確地確定兩個圖形的相對配置，它不受隨后的裝置操作的干擾，而如果圖形在軸組裝之前產生，那么會受到干擾。
首先，成品換能器不需要校準，從而節省了制造成本和時間。
其次，這些軸可以相互交換而不需要重新校準或精確的組裝方法，而且這些陣列同樣可以互相交換而不需要重新校準或精確的組裝方法。
第三，如果需要，該換能器可以為了維護或修理而拆卸和重新組裝，不需要特別的工具或精確的組裝方法。
第四，相對圖形配置的“鎖定”性質意味著不需要螺釘和止動件之類調整部件，因此消除了換能器被使用人或未經訓練的修理人員無意地誤校準的可能性。
第五，使用輻射的照射允許在光柵元件上高度精確地和快速地產生圖形。
最后，使用輻射的照射允許例如通過激光的操縱而靈活地產生條碼之類復雜的和角度上不重復的圖形。這允許扭矩傳感器軸的構造比較簡便，因為單個標記(或高低反射率或透射率的區域系列)具有獨特的代碼同一性，所以可以消除“混淆”問題。在該用途中混淆被規定為那種情況，就是在兩個光柵元件之間出現充分的角偏移，以致各個圖形的配置相同于其對較小尺寸的角偏移的配置，由此產生不確定性和可能誤測量軸中的扭矩。條碼提供絕對的指示，其標記由陣列觀察，因此消除了由混淆引起的不確定性。條碼圖形形狀的標記也能容易地確定軸的絕對角位置，提供換能器的附加的功能作用，或不需要外部角編碼器。
發明概要本發明在于一種在扭矩傳感器的光柵元件表面上制造光柵圖形的方法，該扭矩傳感器包括一個具有縱向軸線的軸，該軸包括第一和第二基本上剛性的扭矩輸入部件，它們通過一個扭矩順應的聯軸器連接，由此該聯軸器使第一扭矩輸入部件相對于第二扭矩輸入部件的角偏移能夠作為軸中扭矩大小的函數，一個第一光柵元件連接在第一扭矩輸入部件上或與其整體結合，一個第二光柵元件連接在第二扭矩輸入部件上或與其整體結合，這兩個光柵元件的表面是相鄰的，并能夠作為軸中扭矩的函數而相對移動，該方法包括下列步驟第一步驟是，將第一和第二扭矩輸入部件及相應的光柵元件可以轉動地沿軸向固定在扭矩順應的聯軸器上而形成一個裝置；第二步驟是，將該裝置安裝在一個包括一個輻射源的機器中，該輻射源設置成照射兩個光柵部件的相鄰表面區域，而保持兩個扭矩輸入部件之間相對于其零扭矩校準狀態的預定相對角位移；第三步驟是，同時照射兩個光柵元件的相鄰表面區域，而保持兩個扭矩輸入部件之間的預定角位移；由此在該裝置的兩個光柵元件表面上產生光柵圖形，它們對應于該零扭矩校準狀態是精確地互相準直的。
在第一實施例中，最好是，該機器提供用于使該裝置圍繞軸的縱軸線轉動的安裝，而第三步驟還包括轉動該裝置和在裝置的預定角轉動位置處相繼地照射該相鄰表面區域。
最好是，該裝置在相繼的轉動期間基本上轉動通過一圈。
最好是，在相繼的照射中的至少一次期間，該裝置在轉動方面是靜止的。
或者最好是，在相繼的照射中的至少一次期間，該裝置是轉動的。
在第二實施例中，最好是，在第三步驟期間，該裝置在機器中是安裝成靜止的。
最好是，第一或第二光柵元件中的至少一個的表面基本上是圓柱形的，其中心軸線與該軸的縱向軸線共直線。
或者最好是，第一或第二光柵元件中的至少一個的表面基本上為平面，相對于該軸的縱軸線沿徑向設置。
再一次或者最好是，第一或第二光柵元件中的至少一個的表面基本上為圓錐形，其中心軸線與該軸的縱軸線共直線。
再一次或者最好是，第一或第二光柵元件中的至少一個的表面基本上為軸對稱，其中心軸線與該軸的縱軸線共直線。
最好是，每個光柵圖形對一種給定的入射電磁輻射包括交替的高反射率或透射率和低反射率或透射率的區域。
最好是，在輻射源和光柵元件表面之間安置一個輻射不透明的屏蔽件，該屏蔽件的幾何形狀決定光柵圖形的形狀和配置。
或者是，該輻射源為激光，該激光照射光柵元素的表面，光柵圖形的形狀和位置是通過控制激光束焦點和/或對光柵元件的照射位置來確定的。
或者是，該輻射源為激光，該激光照射光柵元件的表面，光柵圖形的形狀和位置是通過控制激光和光柵元件的相對位置來確定的。
最好是，在兩個扭矩輸入部件之間保持的預定相對角位移基本上為零。
最好是，在至少一個光柵元件上的光柵圖形被安排成條碼或條碼序列的形狀。
最好是，該輻射除去光柵元件鄰近表面區域的物質或改變其物理或化學性能，由此增大或減小這些區域的反射率或透射率。
或者是，一層聚合物如聚酰亞胺在照射之前涂敷在光柵部件的鄰近表面上，而輻射從光柵元件的區域中除去該層聚合物，由此曝露光柵元件的原始表面，與聚合物層的表面比較，該原始表面具有增大的或減小的反射率或透射率。
或者是，一層無機物質如氧化鋁陶瓷在照射之前涂敷在光柵元件的鄰近表面上，而輻射從光柵元件的區域中除去該層物質，由此暴露元件的原始表面，與無機層的表面比較，該原始表面具有增大的或減小的反射率或透射率。
或者是，一層金屬材料如電鍍銅在照射之前涂敷在光柵元件的鄰近表面上，而輻射從光柵元件的區域中除去該層材料，由此暴露光柵元件的原始表面，與金屬層的表面比較，該原始表面具有增大的或減小的反射率或透射率。
或者是，這些表面包含一定比例的二氧化鈦，而化學性能的改變是通過改變二氧化鈦對氧化鈦的比例而實現的。
或者是，這些表面包含一定比例的氧化鋁，而化學性能的改變是通過減少氧化鋁對鋁的比例而實現的。
或者是，該輻射固化在照射前涂敷在光柵元件鄰近表面上的一層未固化的聚合物區域，與通過照射后除去余下的未固化聚合物而隨后曝露的光柵元件的原始表面比較，這些固化區域的表面具有增大的或減小的反射率或透射率。
最好是，在光柵圖形產生之前，該裝置進行車削、研磨、軋輥磨光、珩磨或其它處理，以提高該至少一個基本上圓柱形的光柵元件表面的相對圓柱度或同心度，或者是，提高該至少一個基本上平面的和沿徑向設置的光柵元件的表面的相對扁平度或平面度，又或者是，提高該至少一個基本上圓錐形的光柵元件表面的相對圓錐度或同心度。
附圖簡述現在參照附圖作為不起限制作用的例子描述本方法，圖中
圖1是用本發明第一實施例的方法制造的一種“反射光柵”式扭矩傳感器的截面圖，表示一個軸裝置和電磁輻射源，該軸裝置包括兩個由扭桿連接的扭矩輸入部件、兩個帶光柵圖形的光柵元件和相關的陣列。
圖2是圖1所示軸裝置的等比例圖，根據本發明的第一實施例，該軸裝置圍繞其軸線轉動，有一個在光柵元件上產生光柵圖形的輻射源(兩個扭矩輸入部件之間的預定的相對角位移不等于零)。
圖3a-3c表示照射光柵元件表面的其它方法。
圖4是圖1所示軸裝置的等比例圖，根據本發明的第一實施例，該軸裝置圍繞其軸線轉動，有一個在光柵元件上產生光柵圖形的輻射源(兩個扭矩輸入部件之間的預定的相對角位移基本上為零)。
圖5是一種“反射光柵”式扭矩傳感器的截面圖，其中光柵元件為平面式，相對于軸的軸線沿徑向設置。
圖6是圖5所示軸裝置的等比例圖，根據本發明的第一實施例，該軸裝置圍繞其軸線轉動，有一個在光柵元件上產生光柵圖形的輻射源。
圖7是圖5所示軸裝置的等比例圖，根據本發明的第二實施例，該軸裝置靜止，具有一個通過沿預定路徑橫切聚焦輻射而在光柵元件上產生光柵圖形的輻射源。
圖8是圖7所示軸裝置的更詳細區段，表示輻射橫過的路徑。
圖9表示圖1中截面AA上光柵元件之一的一個區段，例示當軸轉動時產生光柵圖形的情況。
圖10是圖1所示光柵元件表面一部分的示意圖，其中光柵圖形取另外一種條碼子圖形序列的形狀。
圖11表示圖1中截面AA上光柵元件之一的一個區段，其中，光柵圖形是通過除去物質或改變光柵元件的化學或物理性能而產生的。
圖12表示圖1中截面AA上光柵元件之一的一個區段，其中，光柵圖形是通過將附加物質涂敷在光柵元件上及隨后照射涂去預定區域而產生的。
圖13表示圖1中截面AA上光柵元件之一的一個區段，其中，光柵圖形是通過將附加物質涂敷在光柵元件上并照射固化預定區域及隨后除去未固化物質而產生的。
實施發明的方案圖1是通過本發明第一實施例的方法制造的一種“反射光柵”式扭矩傳感器的截面圖，它表示一個包括圓柱形光柵元件4和5的軸裝置，光柵元件4和5連接在扭矩輸入部件1和2上或與它們整體結合。扭矩輸入部件1和2通過十字銷61和62可以轉動地沿軸向固定在扭桿3形式的扭動順應式聯軸器的兩端上。光柵元件4和5包括圓柱形周面，該周面包括分別由光柵圖形11和12提供的高反射率和低反射率的交替區域。該裝置封閉在外殼6中，并由軸承7和8支承。設置一個或多個電磁輻射(EMR)源13，以照射陣列9附近的表面。包括一個或多個電磁輻射靈敏檢測器的陣列9接受從這些表面來的入射電磁輻射，由此在陣列9上產生的圖象由處理器10處理。圖象處理方法在圖象分析技術中是眾所周知的，使用的這些方法中的一些描述于Christof Koch和Hua Li的“視覺芯片用模擬的超大規模集成(VLSI)電路實施視覺算法”(IEEE計算機協會出版社，ISBN 0-8186-6492-4)。一種合適的陣列可以用雙直線光檢測線陣列如由德克薩斯儀器公司制造的TSL 1410型器件構成。
圖2和3表示一種根據本發明的第一實施例制造圖1所示扭矩傳感器的軸裝置的方法。圖2是該軸裝置的等比例圖，表示連接在扭矩輸入部件1和2上或與其整體形成的圓柱形光柵元件，扭矩輸入部件1和2轉過來又可以轉動地沿軸向固定在扭桿3的兩端上。該軸裝置的兩端分別由傳動裝置50和51的夾套16和17夾住。每個傳動裝置50和51包括一個連接在控制器52上的空心電樞伺服馬達和角編碼器，并受到支承而在機器結構(未示出)的框架中的軸線49上轉動。控制器52接受從每個傳動裝置50和51的編碼器來的角位置輸入信號，并對相應的伺服馬達產生適當的控制信號，從而獲得供軸裝置用的預定的轉動程度。傳動裝置50和51施加足夠的扭矩，通過閉合線路控制保持扭矩輸入部件1和2(因此還有光柵部件4和5)的固定的相對角移動，后者在整個圓形處理過程中被保持住。輻射源18通過包含孔54和55的屏蔽件53將擴散的輻射19提供給光柵元件4和5的圓筒形周面。輻射源18也由控制器52控制。傳動裝置50和51、輻射源18和屏蔽件53的位置由機器結構(未示出)相對于軸裝置精確確定。
傳動裝置50和51設置成使軸裝置以預定的角位運動程序圍繞軸裝置的軸線49轉動，由此在施加由控制器52引導的輻射19期間，軸裝置在一個預定的角位置處靜止，然后以預定的角速度和加速度分布沿方向B轉動到下一個預定的角位置，并在下一次施加輻射19之前停止。因此該輻射產生光柵圖形11和12，包括對給定電磁輻射源(圖1中13)的高反射率和低反射率的交替區域，在光柵元件4和5的表面上分別包括順序產生的單個子圖形11a、b、c、d、e、…和12a、b、c、d、e…(參照圖3a)。當完成圖形處理時，傳動裝置50和51停止將扭矩施加到軸裝置上，從而允許放松扭桿3和使扭矩輸入部件1和2(以及因此還有光柵元件4和5)的相對角位移恢復到零。光柵圖形的最終未偏移的相對配置可以如光柵元件5和虛線所示，光柵圖形11安置在光柵圖形12之間。
圖3b和3c表示某些可用于根據本發明第一實施例的制造方法的其它產生光柵圖形的配置。圖3b表示由屏蔽件53中的單孔56引導的擴散照射19，它在光柵元件4和5上產生光柵圖形11和12，這些圖形一直延伸到其共同界面。圖3c表示，輻射源18直接向光柵元件4和5提供狹窄的光束照射19而無需使用屏蔽件。該照射通過使用能夠偏轉的鏡子而行進，受從控制器52來的信號控制。這樣一種配置可以利用輻射19與鏡子偏轉配合的合適的“通-斷”調制而產生如圖3a中所示的光柵圖形。
圖4表示根據本發明的第一實施例制造扭矩傳感器的軸裝置的另一種方法，是軸裝置的等比例圖，表示連接在扭矩輸入部件1和2上或與其整體結合的圓柱形光柵部件4和5，輸入部件1和2轉過來又可以轉動地沿軸向固定在扭桿3的兩端上。軸裝置的一端由傳動裝置51的夾套17夾住，傳動裝置51包括一個連接在控制器52上的空心電樞伺服馬達和角編碼器，而另一端支承在活頂尖60上。傳動裝置51和頂尖60兩者由機器構造的框架(未示出)支承。控制器52接受從傳動裝置51的編碼器來的角位置輸入信號并產生供伺服馬達用的適當的控制信號，以獲得供軸裝置用的預定的轉動程序。輻射源18通過包括孔54和55的屏蔽件53提供擴散輻射19到光柵元件4和5的圓柱形表面上。輻射源18也由控制器52控制。傳動裝置51、頂尖60、輻射源18和屏蔽件53通過機器構造(未示出)相對于軸裝置精確確定。傳動裝置51設置成使軸裝置以預定的角運動程序圍繞軸裝置軸線49轉動，由此在施加由控制器52引導的輻射19期間，軸裝置在一個預定的角位置處靜止，然后以預定的角速度和加速度分布沿方向B轉動到下一個預定的角位置，并在下一次施加輻射19之前停止。因此該輻射產生光柵圖形11和12，包括對給定電磁輻射源(圖1中13)的高反射率和低反射率的交替區域，在光柵元件4和5的表面上分別包括順序產生的單個子圖形11a、b、c、d、e…和12a、b、c、d、e(參照圖3a)。頂尖60的轉動摩擦相當低，因此在圖形處理期間，光柵圖形11和12離未偏轉(即零扭矩)狀態的相對角位移基本上為零，因而不會對扭矩傳感器的功能產生壞影響。
圖5是用本發明的第一或第二實施例的方法制造的另一種“反射光柵”式扭矩傳感器。光柵元件4和5分別連接在扭矩輸入部分1和2上或與其整體結合，部件1和2轉過來通過十字銷61和62可以轉動地沿軸向固定在扭桿3的兩端上。光柵元件4和5包括平面的和沿徑向設置的表面，包括由光柵圖形11和12提供的交替的高反射率和低反射率區域。該裝置封閉區外殼6內并由軸承7和8支承。設置一個或多個電磁輻射源13，以照射陣列9附近的表面。由一個或多個電磁輻射靈敏檢測器組成的陣列9接受從這些表面入射的電磁輻射，而由此在陣列9上產生的圖象由處理器10處理。
圖6表示一種根據本發明第一實施例制造圖5所示扭矩傳感器的軸裝置的方法，類似于參照圖2、3和4描述的方法。但是，在該情況下，輻射源18、輻射19和屏蔽件53的準直軸線重新排列，以允許將光柵圖形11和12加到垂直于軸線的光柵元件4和5的平面表面上。
圖7和8表示一種根據本發明的第二實施例制造圖5中所示的扭矩傳感器的軸裝置的方法，是軸裝置的等比例圖，表示連接在扭矩輸入部件1和2上或與其整體結合的平面的沿徑向設置的光柵元件4和5，部件1和2轉過來又可以轉動地沿軸向固定在扭桿3的兩端上。軸裝置由夾套51夾住，夾套51又剛性地連接在機器構造(未示出)的框架51上，因此軸裝置不能繞軸線49轉動。輻射源18也連接在機器構造上，因此夾套51和輻射源18的位置通過機器構造(未示出)相對于軸裝置精確地確定。
輻射源18對光柵元件4和5的平面表面提供聚焦的輻射19，由此產生光柵圖形11和12，后者包括對給定電磁輻射源(圖5中13)的高反射率和低反射率的交替區域。在本發明的該第二實施例中，高反射率區域是順序產生的，其中每個相繼的高反射率區域91a、91b、91c等是通過使在光柵元件4和5處引導的聚焦輻射19行進經過弧度C而產生的。在完成行程C之后，輻射源18重新引向下一區域，方法是沿方向E使輻射移動一個增量弧度D。圖7表示的情況是，已經完成了通過區域91b的行程，而輻射已經從區域91b移動一個增量弧度D而到達區域91C。通過區域91C的行程從位置91C1延伸到91C2，并示出部分完成。用虛線標示的91C、91d等區域表示有待在后繼的行程中照射的區域。控制器52對輻射源18提供適當的控制信號，以實現通過91a、91b、91c、91d等的行程。一個包括控制器和可偏轉鏡子的合適系統是由美國華盛頓州的Synrad制造的“SH系列標記頭”。在圖示的例子中，區域91a、91b、91c、91d等是由輻射19一次通過弧度C產生的。但是，顯然，該同一方法可以同樣用于對每個相繼區域需要多次行程的場合，例如當區域的預定寬度大于聚焦輻射的寬度時，或者用于產生該區域所需的化學或物理變化要求比輻射源18在一次行程期間能夠提供的能量更大的場合。同樣顯然的是，同一方法可以通過相對于光柵元件4和5來移動輻射源18而同樣應用，卻不是圖7和8中示出的實施例，在該實施例中輻射19是通過限定的弧度C和D而行進的，輻射源18的位置相對于光柵元件4和5的位置是固定的。
圖9表示根據本發明的第一實施例不用對每次相繼的照射停止軸裝置就產生光柵圖形。這是對圖1中圓柱形光柵元件4的截面AA的視圖，表示通過由輻射源18提供的輻射19產生光柵圖形11。該輻射19“在飛行中”產生，而光柵元件沿圖示方向“B”轉動。因為輻射19要求有限時間“t”來產生預定的子圖形，所以光柵元件在輻射產生期間移動距離“e”，這意味著面積“x”和“y”的照射時間比子圖形的其余部分短，因此子圖形的邊緣不清晰。通過正確選擇軸裝置角速度和照射時間“t”，該位移“e”可以充分地小，使得光柵圖形11對扭矩傳感器的正確作用提供足夠的精確度。
圖10是圖1所示光柵元件4和5的表面的一部分的視圖，其中光柵圖形以條碼子圖形序列的形狀交替排列。包括軸裝置的換能器的構造基本上與圖1中示出的相同。光柵元件4和5在其圓柱形周面上分別包括光柵圖形11和12，其中單個的光柵子圖形由高反射率區域24(圖中用黑條表示)和低反射率區域25(圖中用白條表示)的條碼序列組成。設置一個或多個電磁輻射源13以照射陣列9附近的表面。包括一個或多個電磁輻射靈敏檢測器的陣列9從這些表面接受入射的電磁輻射，而由此在陣列9上產生的圖象由處理器10處理。單個的條碼子圖形適當地編碼，并以預定方式設置在光柵元件圓柱形周面的周圍，使得處理器10能夠確定光柵圖形11和12的相對角位移，以及光柵圖形11和12相對于陣列9的絕對角位置。
圖11是圖1中截面AA上光柵元件4的表面的一個區段，表示在產生光柵圖形11期間輻射19在光柵元件表面上的物理效果。在光柵元件沿圖示的方向“B”轉動期間，輻射19重復出現，并造成材料清除或光柵元件4區域的表面拋光、物理或化學性能的變化，這增大或減小這些區域的反射率，從而產生光柵圖形11。例如，光柵圖形11可以由鋁的區域組成，這些鋁的區域是通過輻射19照射光柵元件的陽極化處理的鋁表面而產生的，其中該輻射利用化學作用減少陽極化處理的氧化鋁材料。
圖12是圖1中截面AA上光柵元件4的表面的一個區段，表示對圖11中描述的產生高反射率和低反射率區域的另一種方法。一層聚合物26已預涂在光柵元件4的表面上。在光柵元件沿圖示的方向“B”轉動期間輻射19重復出現，并除去層26的區域，造成光柵元件4的原始表面區域27的曝光。與層26的表面比較，這些區域27的反射率較高或較低，從而產生光柵圖形11。一種合適的聚合物26的例子是Shipley公司制造的“鷹牌阻抗劑”。
圖13是圖1中截面AA上光柵元件4的表面的一個區段，表示對圖11中描述的產生高反射率和低反射率區域的又一種方法。一層未固化的聚合物28已預涂在光柵元件4的表面上。在光柵元件沿圖示的方向“B”轉動期間，輻射19重復出現，這造成層28的區域30固化。隨后除去余下的未固化的聚合物31，造成光柵元件4的原始表面的區域29的曝光。與層28相比，這些區域29的反射率較高或較低，從而產生光柵圖形11。一種合適聚合物的例子是美國印地安那州Mishawaka市的Doco Chem公司制造的“Flexmate”。
本發明的第一和第二實施例在本文中是相對于制造“反射光柵”式扭矩傳感器的方法來描述的。但是顯然，該同一方法也同樣可以用于制造“透射光柵”式扭矩傳感器。這樣一種扭矩傳感器同樣利用基本上圓筒形的或沿徑向設置的平面光柵元件。但是，對其產生光柵圖形的相應光柵元件的部分安排成對輻射源發射的電磁輻射基本上透明。輻射源和陣列以這樣的方式設置，使得由這些陣列發射的電磁輻射通過該透明介質，并受到涂敷在相應的光柵元件表面上或靠近該表面的光柵圖形的阻擋。在該圖形中的高透射率和低透射率的區域在接受入射的電磁輻射的相應陣列上產生一個圖象。根據本發明，制造用于這樣一種“透射光柵”式扭矩傳感器的光柵圖形的方法與本說明書中描述的參考“反射光柵”式扭矩傳感器的光柵圖形的制造方法是相同的，其唯一的差別是，在“透射光柵”式情況下，產生光柵圖形的介質必須對由輻射源發射的電磁輻射基本上透明(通常用玻璃或透明塑料制成)。
該技術的專業人員可以理解，對用具體實施例示出的本發明可以進行許多變化和/或修改，而并不偏離廣泛描述的本發明的精神或范圍。因此，本發明的實施例在所有方面都被認為是例示性質和不起限制作用的。
權利要求
1.一種在扭矩傳感器的光柵元件表面上制造光柵圖形的方法，該扭矩傳感器包括一個具有縱向軸線的軸，該軸包括第一和第二基本上剛性的扭矩輸入部件，它們通過一個扭矩順應的聯軸器連接，由此該聯軸器使第一扭矩輸入部件相對于第二扭矩輸入部件的角偏移能夠作為軸中扭矩大小的函數，一個第一光柵元件連接在第一扭矩輸入部件上或與其整體結合，一個第二光柵元件連接在第二扭矩輸入部件上或與其整體結合，這兩個光柵元件的表面是相鄰的，并能夠作為軸中扭矩的函數而相對移動，該方法包括下列步驟第一步驟是，將第一和第二扭矩輸入部件及相應的光柵元件可以轉動地沿軸向固定在扭矩順應的聯軸器上而形成一個裝置；第二步驟是，將該裝置安裝在一個包括一個輻射源的機器中，該輻射源設置成照射兩個光柵部件的相鄰表面區域，而保持兩個扭矩輸入部件之間相對于其零扭矩校準狀態的預定相對角位移；第三步驟是，同時照射兩個光柵元件的相鄰表面區域，而保持兩個扭矩輸入部件之間的預定角位移；由此在該裝置的兩個光柵元件表面上產生光柵圖形，它們對于該零扭矩校準狀態是精確地互相準直的。
2.一種如權利要求1所述的方法，其特征在于，該機器提供用于使該裝置圍繞軸的縱軸線轉動的安裝，而第三步驟還包括轉動該裝置和在裝置的預定角轉動位置處相繼地照射該相鄰表面區域。
3.一種如權利要求2所述的方法，其特征在于，該裝置在相繼的轉動期間基本上轉動通過一圈。
4.一種如權利要求2所述的方法，其特征在于，在相繼的照射中的至少一次期間，該裝置在轉動方面是靜止的。
5.一種如權利要求2所述的方法，其特征在于，在相繼的照射中的至少一次期間，該裝置是轉動的。
6.一種如權利要求1所述的方法，其特征在于，在第三步驟期間，該裝置在機器中是安裝成靜止的。
7.一種如權利要求1所述的方法，其特征在于，第一或第二光柵元件中的至少一個的表面基本上是圓柱形的，其中心軸線與該軸的縱向軸線共直線。
8.一種如權利要求1所述的方法，其特征在于，第一或第二光柵元件中的至少一個的表面基本上為平面，相對于該軸的縱軸線沿徑向設置。
9.一種如權利要求1所述的方法，其特征在于，第一或第二光柵元件中的至少一個的表面基本上為圓錐形，其中心軸線與該軸的縱軸線共直線。
10.一種如權利要求1所述的方法，其特征在于，第一或第二光柵元件中的至少一個的表面基本上為軸對稱，其中心軸線與該軸的縱軸線共直線。
11.一種如權利要求1所述的方法，其特征在于，每個光柵圖形對一種給定的入射電磁輻射包括交替的高反射率或透射率和低反射率或透射率的區域。
12.一種如權利要求1所述的方法，其特征在于，在輻射源和光柵元件表面之間安置一個輻射不透明的屏蔽件，該屏蔽件的幾何形狀決定光柵圖形的形狀和配置。
13.一種如權利要求1所述的方法，其特征在于，該輻射源為激光，該激光照射光柵元件的表面，光柵圖形的形狀和位置是通過控制激光束焦點和/或對光柵元件的照射位置來確定的。
14.一種如權利要求1所述的方法，其特征在于，該輻射源為激光，該激光照射光柵元件的表面，光柵圖形的形狀和位置是通過控制激光和光柵元件的相對位置來確定的。
15.一種如權利要求1所述的方法，其特征在于，在兩個扭矩輸入部件之間保持的預定相對角位移基本上為零。
16.一種如權利要求1所述的方法，其特征在于，在至少一個光柵元件上的光柵圖形被安排成條碼或條碼序列的形狀。
17.一種如權利要求11所述的方法，其特征在于，該輻射除去光柵元件鄰近表面區域的物質或改變其物理或化學性能，由此增大或減小這些區域的反射率或透射率。
18.一種如權利要求11所述的方法，其特征在于，一層聚合物如聚酰亞胺在照射之前涂敷在光柵元件的鄰近表面上，而輻射從光柵元件的區域中除去該層聚合物，由此暴露光柵元件的原始表面，與聚合物層的表面比較，該原始表面具有增大的或減小的反射率或透射率。
19.一種如權利要求11所述的方法，其特征在于，一層無機物質如氧化鋁陶瓷在照射之前涂敷在光柵元件的鄰近表面上，而輻射從光柵元件的區域中除去該層物質，由此暴露光柵元件的原始表面，與無機層的表面比較，該原始表面具有增大的或減小的反射率或透射率。
20.一種如權利要求11所述的方法，其特征在于，一層金屬材料如電鍍銅在照射之前涂敷在光柵元件的鄰近表面上，而輻射從光柵元件的區域中除去該層材料，由此暴露光柵元件的原始表面，與金屬層的表面比較，該原始表面具有增大的或減小的反射率或透射率。
21.一種如權利要求17所述的方法，其特征在于，這些表面包含一定比例的二氧化鈦，而化學性能的改變是通過二氧化鈦對氧化鈦的比例而實現的。
22.一種如權利要求17所述的方法，其特征在于，這些表面包含一定比例的氧化鋁，而化學性能的改變是通過減少氧化鋁對鋁的比例而實現的。
23.一種如權利要求11所述的方法，其特征在于，該輻射固化在照射前涂敷在光柵元件鄰近表面上的一層未固化的聚合物區域，與通過照射后除去余下的未固化聚合物而隨后暴露的光柵元件的原始表面比較，這些固化區域的表面具有增大的或減小的反射率或透射率。
24.一種如權利要求7所述的方法，其特征在于，在光柵圖形產生之前，該裝置進行車削、研磨、軋輥磨光、珩磨或其它處理，以提高該至少一個基本上圓柱形的光柵元件表面的相對圓柱度或同心度。
25.一種如權利要求8所述的方法，其特征在于，在光柵圖形產生之前，該裝置進行車削、研磨、軋輥磨光、珩磨或其它處理，以提高該至少一個基本上平面的和沿徑向設置的光柵元件的表面的相對扁平度或平面度。
26.一種如權利要求9所述的方法，其特征在于，在光柵圖形產生之前，該裝置進行車削、研磨、軋輥磨光、珩磨或其它處理，以提高該至少一個基本上圓錐形的光柵元件表面的相對圓錐度或同心度。
全文摘要
一種在扭矩傳感器的光柵元件表面上制造光柵圖形的方法,該換能器有一個包括第一和第二剛性扭矩輸入部件的軸,兩個部件由扭矩聯軸器連接,能夠在第一和第二輸入部件之間進行相對角偏移,第一和第二光柵元件分別與第一和第二輸入部件聯接,這兩個光柵元件的表面是相鄰的,能作為軸中扭矩的函數而相對移動,該方法包括下列步驟:將兩個輸入部件及相應的光柵元件可以轉動地沿軸向固定在扭矩聯軸器上而形成一個裝置;將該裝置安裝在一個包括一輻射源的機器中,該輻射源設置成照射兩個光柵元件的表面區域,而保持兩個扭矩輸入部件之間相對于其零扭矩校準狀態的預定相對角位移;同時照射兩個光柵元件的相鄰表面區域,而保持兩個扭矩輸入部件之間的預定角位移。
文檔編號B23K26/00GK1276749SQ98810267
公開日2000年12月13日 申請日期1998年10月15日 優先權日1997年10月17日
發明者K·Y·埃森豪爾 申請人:畢曉普創新有限公司