(57)【要約】本発明は、回転角またはねじれを無接触で捕捉する測定装置または方法に関する。測定装置は第１の共振器（２）と第２の共振器（４）を有している。これら両方の共振器（２，４）は実質的に円形の周囲を有しており、そこに少なくとも１つの突出部および／または切り欠きが配置されている。これら両方の共振器（２，４）は向き合って共面に配置されており、かつ互いに相対的に回転可能に配置されている。さらに共振器を励起するための励起装置（６）および後方散乱した信号を測定するための受信装置（６）が設けられている。両方の共振器（２，４）が互いに相対的に回転すると共振周波数が変化し、これが回転角を求めるための尺度として用いられる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転する部材（１０）の回転角またはねじれを無接触で捕捉する測定装置において、
第１の共振器（２）、第２の共振器（４）、励起装置（６）および受信装置（６）が設けられており、
前記の各共振器（２，４）は実質的に円形の周囲を有しており、該実質的に円形の周囲に少なくとも１つの突出部および／または切り欠きが設けられており、
前記の各共振器（２，４）は向き合って共面に配置されており、互いに相対的に回転可能に配置されており、
少なくとも１つの共振器が回転する部材（１０）と接続されていることを特徴とする、
回転角またはねじれを無接触で捕捉する測定装置。
【請求項２】
前記共振器（２，４，）はリング状に形成されている、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記共振器（２，４）は円形に形成されている、請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記切り欠きはスリット（３，５）として形成されている、請求項１から３のいずれか１項記載の装置。
【請求項５】
前記スリット（３，５）は連続的に形成されている、請求項４記載の装置。
【請求項６】
前記第１の共振器（２）は前記第２の共振器（４）よりも小さい外径を有する、請求項２記載の装置。
【請求項７】
前記第１の共振器（２）は前記第２の共振器（４）の内径（Ｄ２）よりも小さい外径（Ｄ１）を有する、請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記共振器（２，４）はプリント配線板材料およびその上に取り付けられた金属化部（１５，１６）から成る、請求項１から７のいずれか１項記載の装置。
【請求項９】
ただ１つのアンテナ（６）が同時に励起装置としても受信装置としても設けられている、請求項１から８のいずれか１項記載の装置。
【請求項１０】
前記共振器（２，４）はマイクロ波スペクトルにより励起され、または前記共振器（２，４）は正確に１つの周波数により励起され、該周波数は共振曲線の側縁に位置する、請求項１から９のいずれか１項記載の装置。
【請求項１１】
回転角またはねじれを求める方法において、
少なくとも１つの突出部および／または切り欠き（３，５）の設けられた２つの共振器（２，４）を励起し、
これら両方の共振器（２，４）に実質的に円形の周囲をもたせ、それらを互いに回転可能に配置し、
一方の共振器と他方の共振器を相対的に回転させて、それらの共振周波数を変化させ、または一定の周波数において各共振器（２，４）から後方散乱した信号の振幅を変化させ、
共振周波数または振幅の変化を回転角を求めるための尺度として用いることを特徴とする、
回転角またはねじれを求める方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
従来の技術
本発明は回転角もしくはねじれを無接触で測定する方法および装置に関し、たとえば本発明は非常に小さい角度もしくは非常に小さいねじれを無接触で測定する方法および装置に関する。
【０００２】
たとえば回転トルクセンサのように回転角を無接触で測定する測定装置は、様々な形態で知られている。その種の測定装置は部分的にそれぞれ異なる方式に基づいている。たとえば回転部材に付けられたコードによって回転角を検出する光学式のセンサが知られている。さらに、回転角に依存して磁気的に生成された場を変化させるマグネットセンサが知られており、この変化を回転角に対する尺度として利用することができる。磁石の原理に基づくこのようなセンサの欠点は、これが複雑な積層技術に基づいていること、ならびにその構造がかなり複雑であり製造に非常にコストがかかることである。他方、光学的なセンサは汚れに非常に敏感であり、したがってたとえば自動車などには条件付きでしか組み込めず、あるいはそのようなセンサは極端な条件のもとで使用されることが多いことから寿命が相当に短くなってしまう。
【０００３】
発明の利点
これに対し請求項１の特徴部分に記載の構成を備えた回転角またはねじれを無接触で測定する装置により得られる利点とは、回転角またはねじれの測定に対する尺度としてたとえば共振周波数の変化が利用されることである。この場合、第１の共振器と第２の共振器が設けられており、少なくとも１つの共振器が回転角を測定しようとする回転部材（たとえば軸）と接続されている。各共振器は実質的に円形の周囲を有している。さらに共振器の周囲にそれぞれ少なくとも１つの突出部および／または切り欠きが形成されており、各共振器は向き合って共面に配置されている。
【０００４】
励振装置によって共振器が励起され、共振器が互いに相対的に回転したときに共振器の突出部または切り替え器の位置が変化し、それによって個々の共振周波数が変化する。共振周波数のこのような変化は回転角またはねじれの変化に対する尺度を成す。また、一定の周波数（たとえば共振器曲線の側縁における周波数）のときに共振器から後方散乱される信号の振幅を求めて、回転角またはねじれの尺度として利用することもできる。したがって本発明によればたとえば非常に小さい角度変化を捉えることができる。
【０００５】
有利には両方の共振器はリング状に形成されている。これにより本発明による測定装置の構造が簡単になり製造が容易になる。
【０００６】
本発明の別の有利な容易に製造可能な実施形態によれば、共振器は円形に形成されている。
【０００７】
本発明の１つの有利な実施形態によれば、共振器の切り欠きはスリットとして形成されている。
【０００８】
共振器を良好に励起できるようにする目的で、スリットはリング状の共振器に連続的に形成されている。
【０００９】
格別にコンパクトな測定装置を実現する目的で、リング状の共振器において第１の共振器は第２の共振器よりも小さい外径を有する。殊に有利には、第１の共振器の外径は第２の共振器の内径よりも小さい。
【００１０】
有利には共振器は、プリント配線板材料およびその上に被着された金属化部から成る。これにより本発明による測定装置の製造コストを小さく抑えることができる。また、プリント配線板材料の代わりにたとえばセラミック材料などを用いることもできる。材料の選定にあたり重要であるのは、金属化部の支持体材料として非導電材料を用いることである。
【００１１】
有利には共振器はアンテナにより励起される。この場合、同じアンテナによって漂遊パラメータの反射を測定することも可能であり、これにより共振周波数つまりは共振器の各突出部もしくは各スリット間の角度を表すことができる。本発明による測定装置を正確に１つの周波数によって励起すると、有利には共振曲線の側縁に位置する周波数によって励起すると、後方散乱した信号の振幅もアンテナによって捉えることができ、この振幅から共振器の突出部もしくは切り欠き相互間の位置に関する情報が得られる。この場合、まえもって定められた共振曲線において周波数を適切に選択するとほぼ直線的な信号を得ることができ、これにより適切な回転角度に対して信号をきわめて簡単に評価できる。しかしながら１つの別個の励起アンテナと１つの別個の受信アンテナを設けることも考えられる。この場合、励起アンテナと受信アンテナとの間に共振器を配置することができる。
【００１２】
格別に高い精度すなわち非常に小さい角度の測定を可能にする目的で１つの実施形態によれば各共振器を、それらの共振器に形成されたスリットが共振器に対し垂直におかれた１つの面に位置するよう、互いに配置されている。
【００１３】
有利には共振器はマイクロ波スペクトルにより励起されるかまたは、共振器は正確に１つの周波数により励起され、その際に周波数は共振曲線の側縁に位置する。
【００１４】
さらに、３つ以上の共振器を１つの測定装置内に組み込むことも可能である。
【００１５】
回転角を求めるための本発明による方法の場合、少なくとも１つの突出部および／または切り欠きが設けられた両方の共振器が励起される。実質的に円形の周囲をもつ両方の共振器が互いに相対的に回転すると後方散乱した信号が変化し、この場合、後方散乱信号の変化は両方の共振器相互間の相対的な回転に比例する。したがって後方散乱信号を回転角もしくはねじれに対する尺度として用いることができる。換言すれば本発明による方法は回転角を求めるために、共振周波数の変化または選択された周波数の振幅の変化を利用している。
【００１６】
したがって本発明によれば、殊に小さい角度のためのロバストで簡単に製造可能かつ低コストの測定装置が提供される。本発明による測定装置は有利にはハンドルロッドにおいて使用され、あるいはスロットルバルブ位置を求めるために使用される。
【００１７】
図面
図面には本発明の複数の実施例が示されており、次にそれらについて詳しく説明する。
【００１８】
図１は、本発明の第１の実施例による２つの共振器における金属化部の配置を示す平面図である。
【００１９】
図２は、本発明の第１の実施例による回転角を無接触で測定する装置の断面図である。
【００２０】
図３は、本発明の第２の実施例による回転角を無接触で測定する装置の断面図である。
【００２１】
図４は、本発明の第３の実施例による回転角を無接触で測定する装置の断面図である。
【００２２】
図５ａは、本発明の第４の実施例による第１の共振器の平面図である。
【００２３】
図５ｂは、第４の実施例による第２の共振器の平面図である。
【００２４】
図６ａは、本発明の第５の実施例による第１の共振器の平面図である。
【００２５】
図６ｂは、第５の実施例による第２の共振器の平面図である。
【００２６】
図７ａは、本発明の第６の実施例による共振器の平面図である。
【００２７】
図７ｂは、第６の実施例による第２の共振器の平面図である。
【００２８】
図８は、図７ａおよび図７ｂに示した本発明の第６の実施例による各共振器が相対的に回転したときの周波数のずれを示す図である。
【００２９】
図９は、本発明の第６の実施例による図７ａおよび図７ｂに示した両方の共振器のねじれに依存して第１の一定の周波数における信号変化を示す図である。
【００３０】
図１０は、本発明の第６の実施例による図７ａおよび図７ｂに示した各共振器のねじれに依存して第２の一定の周波数における信号変化を示す図である。
【００３１】
実施例の説明
図１および図２には、回転角を無接触で測定する本発明による装置が描かれている。測定装置１は第１の共振器２と第２の共振器４を有している。これらの共振器２，４はそれぞれ支持プレート８または９とその上に取り付けられた金属化部１５または１６から成る（図２参照）。支持プレート８，９はプリント配線板材料から成る。図１に示されているように、第１の共振器２の金属化部１５はスリット３を有しており、第２の共振器４の金属化部１６はスリット５を有している。図１の場合、共振器２，４においてリング状に構成された両方の金属化部１５，１６はそれらの初期位置で描かれている。なお、図１に描かれている実施形態のほかに互いにねじれ合ったスリットをもつ初期位置も可能である。これにより感度の上昇を実現することができる。また、スリットが互いにねじれ合っていると回転方向も簡単に測定できる。
【００３２】
この場合、両方の共振器２，４は、初期位置においてスリット３とスリット５が両方の共振器に対し垂直な１つの面内に位置するよう、互いに配向されている。この場合、第１の共振器２における金属化部１５の外径Ｄ１ は第２の共振器４における金属化部１６の内径Ｄ２ よりも小さい。両方の共振器２，４は互いに平行な２つの面に位置しており、相互間で規定の間隔をもっている。
【００３３】
図２に示されているように、両方の共振器２，４は向き合って共面に配置されている。共振器２の支持プレート８は第１の軸１０にじかに取り付けられている。共振器４の支持プレート９は結合部材７を介して第２の軸１１に取り付けられている。この場合、第１の軸１０は中空軸として形成されていて、その内部に第２の軸１１が配置されている。その際にたとえば、スロットルバルブのそのつどの位置を求める目的で第２の軸１１をスロットルバルブの回転軸と接続することができる。
【００３４】
さらにリング状のアンテナ６が設けられており、これは導線１３を介して制御および評価ユニットと接続されている。アンテナ６は共通の励起および受信装置として用いられる。外部からの妨害量を遮蔽するため、ケーシングとして用いられる遮蔽部材１２が設けられている。
【００３５】
第１の実施例による測定装置１の機能は以下のとおりである。アンテナ６を介して測定装置はマイクロ波スペクトルにより励起される。アンテナ６は漂遊パラメータの反射も測定する。さて、軸１１が回転した結果、第１の共振器２が第２の共振器４に対し相対的に中心軸を中心に回転すると、測定装置の共振周波数が変化する。第１の共振器２と第２の共振器４との間のねじれを求めるためにこの共振周波数変化を評価電子装置において回転角に対応づけることができる。このようにして第１の共振器２と第２の共振器４との間の回転角を求めることができ、つまりは第１の軸１０と第２の軸１１の相対的な回転を求めることができる。
【００３６】
共振器とアンテナを利用したことから、本発明による測定装置を外部からの影響に対して非常にロバストにかつ簡単に製造することができる。さらに汚れの影響を受けにくくなり、したがって寿命も長くすることができる。さらにたとえば、ごく小さい回転角度でもきわめて精確に測定できるようになる。
【００３７】
図３には、本発明の第２の実施例による測定装置１が描かれている。同じ部材もしくは同種の部材には第１の実施例と同じ参照符号が付されている。
【００３８】
第１の実施例とは異なり第２の実施例の場合、第１の軸１０と第２の軸１１は互いに対向して配置されている。第２の軸１１は結合部材７を介して第２の共振器４の支持プレート９と接続されており、この支持プレートは第２の共振器４の金属化部１６を支持している。第１の共振器２の金属化部１５は第１の支持プレート８上に配置されており、これ自体は第１の軸１０と接続されている。アンテナ６は導線１３を介して図示されていない評価電子装置と接続されている。また、遮蔽部材１２により外部からの影響に対し測定装置１が遮蔽される。
【００３９】
第２の実施例による測定装置１の動作は第１の実施例に相応しており、したがってこれ以上は説明しない。
【００４０】
図４には、軸１０のねじれを測定するための本発明による測定装置１の第３の実施例が示されている。同じ部材もしくは同種の部材には、これまでに説明した両方の実施例と同じ参照符号が付されている。
【００４１】
両方の共振器２および４はそれぞれ支持プレート８または９とリング状に形成された金属化部１５または１６を有している。軸１０は結合部材７を介して第２の支持プレート９と接続されており、さらに結合部材１４を介して第１の支持プレート８とも接続されている。この場合、第２の結合部材１４は中空軸として形成されており、これは軸１０を内部に収容している。導線１３を介して評価ユニットと接続されているアンテナ６は励起および受信装置として用いられる。
【００４２】
第３の実施例による測定装置の構成により、第１の軸区間１０ａと第２の軸区間１０ｂとの間における軸１０のねじれを測定することができる。共振器の使用することでごく小さいねじれであってもすでに検出することができるので、軸１０の非常に小さいねじれであっても求めることができる。第３の実施例よる測定装置を、たとえばハンドルのロッドにおいてハンドルの切れ角の大きさを求めるために用いることができる。
【００４３】
第３の実施例による測定装置の動作は最初の２つの実施例に対応しており、したがって以下ではもはや説明しない。しかしここで述べておくと、第３の実施例による測定装置は１つの軸の任意の位置に簡単に配置してそのねじれを求めることができる。
【００４４】
図５ａおよび図５ｂには、本発明の第４の実施例による２つの共振器２，４の金属化部が描かれている。同じ部材もしくは同種の部材にはこれまで説明した実施例と同じ参照符号が付されている。
【００４５】
図５ｂに示されているように、第１の共振器２は支持プレート８とその上に取り付けられた金属化部１５によって構成されている。金属化部１５はリング状に構成されており、その外周には鋸歯状に突出した多数の領域が設けられている。図５ａに示されている第２の共振器４もやはり、支持プレート９とリング状に形成された金属化部１６を有している。図５ａに示されているように、金属化部１６の内側周縁部には鋸歯状の切り欠きが設けられており、これは第１の共振器２の金属化部１５における鋸歯状突出部に対応している。両方の共振器２，４の初期位置においてこれら両方の共振器２，４を次のように互いに配置することができる。すなわち、金属化部１５の鋸歯状突出部が金属化部１６の鋸歯状切り欠きの上に正確に位置するように（事例１）、鋸歯が正確に上下に対称に位置するように（事例２）、ならびに鋸歯が事例１と事例２の間の中間位置をとるようにし（事例３）、その際に鋸歯が部分的にのみその側縁のところでオーバラップするように配置することができる。事例１および事例２では、初期位置の信号は図８に示されている特性曲線の下方のピークのところに位置している。このため一方の方向または他方の方向へのねじれのときに回転方向を求めることができない。その理由は、これらの特性曲線は曲線の下方のピークに対し対称だからである。事例３による中間位置において、初期位置の信号は上昇曲線領域または下降特性曲線領域にあるので（図８参照）、上昇値であるか下降値であるかに従い回転方向を求めることもできる。事例１の場合、両方の共振器２，４が互いに相対的に回転すると、第１の共振器２における金属化部１５の鋸歯状突出部が第２の共振器４において鋸歯状の切り欠きの間に形成された突出部とオーバラップする。これによりシステムの共振周波数が変化し、そのことを回転角またはねじれの測定に利用できる。
【００４６】
なお、ここで述べておくと、図５ａおよび図５ｂに示されている共振器金属化部の実施形態を、２つの共振器が図５ａに示されている金属化部形態だけまたは図５ｂに示されている金属化部形態だけをもてばよいように利用することもできる。この場合、このように構成された各共振器が相互に回転すると、個々の突出部または切り欠きのオーバラップ部分の絶対値が変化する。
【００４７】
図６ａおよび図６ｂには、本発明の第５の実施例による共振器２，４の実施形態が描かれている。同じ部材もしくは同等の部材にはこれまでの実施例と同じ参照符号が付されている。
【００４８】
図６ａおよび図６ｂに示されているように第１の共振器２の場合には金属化部１５が支持プレート８上において、金属化部１５がその外周に実質的に矩形の突出部１５をもつように形成されている（図６ｂ参照）。第２の共振器４もその金属化部１６の周囲に矩形の突出部を有しており、したがって金属化部１６の各矩形突出部の間に、第１の共振器２における金属化部１５の矩形突出部に対応する矩形の切り欠きが生じることになる。初期位置において、これら両方の共振器２，４は既述の事例１〜事例３のいずれか１つのように配置することができ、その際、殊に突出部が部分的にしかオーバラップしていない場合には（事例３）、やはり回転方向を特定することができる。両方の共振器２，４が互いに相対的に回転すると、共振周波数または周波数が一定のときに共振器から散乱して戻される振幅が変化し、これを回転角に対する尺度として利用することができる。
【００４９】
なお、図６ａおよび図６ｂにそれぞれ示されている金属化部形態を、２つの共振器を同一の金属化部形態（たとえば図６ａまたは図６ｂに描かれている形式の金属化部）で形成できるように構成することもできる。
【００５０】
図７ａおよび図７ｂには、本発明の第６の実施例による２つの共振器２，４が描かれている。この場合も、同じ部材にはこれまでに説明した実施例と同じ参照符号が付されている。
【００５１】
図７ａおよび図７ｂに示されている第６の実施例は、基本的に第５の実施例に対応する。とはいえ第５の実施例とは異なり第６の実施例の場合には金属化部１５，１６の突出部は、それらが互いにいっそう狭い幅およびいっそう短い相互間の間隔をもつように構成されている。ここで述べておくと、突出部の繰り返しレートが大きくなればなるほどいっそう小さい角度を測定できるようになる。その他の点では、第６の実施例の共振器２，４は第５の実施例に対応する。
【００５２】
図８には、図７ａおよび図７ｂに描かれている第６の実施例による共振器が相対的に回転したときの周波数のずれが描かれている。ここでΔφはφ＝０゜の絶対角度に対する個々の変化を表す。
【００５３】
図９には、ｆ０＝２．３７０ＧＨｚの一定の周波数における信号の変化が共振器ディスク相互間の回転に依存して描かれている。この場合も、図７ａおよび図７ｂに描かれている第６の実施例による共振器ディスクを用いた。ここで図９に示されているようにほぼ直線的な領域が生じており、したがって回転角φの変化についてほぼ直線的な信号を得ることができる。
【００５４】
図１０には図９と同様に一定の周波数について特性曲線が描かれているが、ここでは周波数としてｆ０＝２．４０４ＧＨｚを選択した。この場合もほぼ直線的な領域が得られ、そこにおいてほぼ直線的な信号を得ることができる。
【００５５】
このように本発明は、回転角もしくはねじれを無接触で捕捉する測定装置もしくは方法に係わるものである。この場合、測定装置は第１の共振器２と第２の共振器４を有している。両方の共振器２，４は実質的に円形の周囲をもっており、そこには少なくとも１つの突出部および／または切り欠きが配置されている。両方の共振器２，４は向き合って共面に配置されており、かつ互いに相対的に配置されている。さらに共振器を励起するための励起装置６ならびに後方散乱した信号を測定するための受信装置６が設けられている。両方の共振器２，４が互いに相対的に回転すると、共振周波数または後方散乱した信号の振幅が変化し、これが回転角を求めるための尺度として用いられる。
【００５６】
これまで述べてきた本発明による実施例の説明は例示の目的で用いられたにすぎず、本発明を限定する意図ではない。本発明の範囲やそれと等価のものから逸脱することなく、本発明の枠内で様々な変更や修正が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の第１の実施例による２つの共振器における金属化部の配置を示す平面図である。
【図２】
本発明の第１の実施例による回転角を無接触で測定する装置の断面図である。
【図３】
本発明の第２の実施例による回転角を無接触で測定する装置の断面図である。
【図４】
本発明の第３の実施例による回転角を無接触で測定する装置の断面図である。
【図５】
図５ａは、本発明の第４の実施例による第１の共振器の平面図である。
図５ｂは、第４の実施例による第２の共振器の平面図である。
【図６】
図６ａは、本発明の第５の実施例による第１の共振器の平面図である。
図６ｂは、第５の実施例による第２の共振器の平面図である。
【図７】
図７ａは、本発明の第６の実施例による共振器の平面図である。
図７ｂは、第６の実施例による第２の共振器の平面図である。
【図８】
図８は、図７ａおよび図７ｂに示した本発明の第６の実施例による各共振器が相対的に回転したときの周波数のずれを示す図である。
【図９】
図９は、本発明の第６の実施例による図７ａおよび図７ｂに示した両方の共振器のねじれに依存して第１の一定の周波数における信号変化を示す図である。
【図１０】
図１０は、本発明の第６の実施例による図７ａおよび図７ｂに示した各共振器のねじれに依存して第２の一定の周波数における信号変化を示す図である。
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
2004506888.tif 000030
2004506888.tif 000031
2004506888.tif 000032
2004506888.tif 000033