CN102252632A - 光学角度传感器及光学旋转速度传感器 - Google Patents

光学角度传感器及光学旋转速度传感器 Download PDF

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Abstract

在示例实施例中，系统检测旋钮的旋转角度，所述系统包含具有长度和第一末端和第二末端的轴；第二末端具有定义在其上的倾斜反射面，第一末端固定连接到旋钮上。旋转体包含轴，具有容纳轴的具有暴露倾斜反射面的第二末端的插座。集成电路光学模块光耦合到旋转体，并且光学模块检测来自倾斜反射面的光辐照形状。光学模块包括固态光源和多个光电检测器，其基于暴露给光产生电信号。当旋钮旋转时，倾斜反射面产生变化的不对称辐照形状，这种变化经过光电检测器被转换为电信号。电信号对应旋钮的旋转角度。

Description

光学角度传感器及光学旋转速度传感器
技术领域
本发明涉及用户接口设备。更具体地，本发明涉及测量轴的机械旋转和旋转速度的光学传感器设备。该轴可以是装配在电子设备上的转盘或旋钮的一部分。
背景技术
世界上发明了无数可供用户使用电子设备。为了使用户能够利用特定设备，他必须能够与它接口。一种接口是旋钮，几乎所有的机械或电子设备上都能够找到。人类在早期就学会了使用这种接口，并且迅速将旋钮的转动与改变设备操作的方式关联起来——例如，顺时钟旋转旋钮到“高”，逆时针旋转旋钮到“低”。在收音机的示例中，旋钮可能被连接到分压器；用户加大音量，分压器的电阻减小，从而更多的输出功率从收音机的放大器被送往扬声器。在旋钮的旋转过程中，用户可能会遇到由于低于旋转导电接触和可变电阻的表面的固体电连接而产生的杂音。这种杂音最低限度会降低用户的聆听体验的享受，或这种杂音可能是送往扬声器的大瞬时电压并损坏扬声器。
进一步，分压器的机械属性限制了其在小的便携式设备(例如PDAs，智能电话，桌面计算机等)中的使用；在机械上只能达到这样的程度。
需要常见的基于旋钮的用户接口克服机械控制的缺点以适合现代电子装置。
发明内容
在应用中，例如汽车音响系统，用户接口应是常见的，从而其在驾车的复杂环境中可以直观使用并容易识别。典型的音量控制旋钮和旋转旋钮的安排可以提供易于使用的方式以调整汽车的收音机。为了关联旋钮的旋转角度到所需参数的调整，使用角度传感器。
角度传感器在许多应用中用作控制器的一部分。例如，在许多现代音频设备如立体声音响、汽车收音机、广播调谐器等中，有用于改变音量、调谐或调整对于用户的其它参数的控制旋钮或转盘。在旋钮后面(或与之关联的)，有角度传感器以检测旋钮的角位置(即，旋钮从开始的位置旋转了多少度)。在许多机械手臂中，有角度传感器检测手臂的位置以精确控制它。在一些情况下，角度传感器也被称之为编码器。在例如使用在汽车窗户上的现代无刷电动机中，角度传感器用于适时激活定子线圈。在更宽范围的应用中，许多机械，如汽车发动机、机器人等，使用旋转速度传感器以控制或监控发动机速度、发动机管理等。这些旋转角速度传感器实际上是角度传感器，或只计数旋转的计数器。
编码器、角度传感器或旋转速度传感器可以基于光学、磁或机械原理。下文的讨论专注于通过光学原理工作的传感器。
在一个示例实施例中，有用于检测装置中的旋钮的旋转角度的系统，所述系统包含具有预定长度和第一末端和第二末端的轴，第二末端具有定义在其上的倾斜反射面，第一末端固定连接到旋钮上。旋转体包括轴，并且旋转体具有容纳轴的第二末端的插座，第二末端的倾斜反射面暴露。光耦合到旋转体的是光学模块。光学模块检测来自暴露的倾斜反射面的光辐照；光学模块处于集成电路衬底上。光学模块包括固态光源、多个光电检测器，其每一个基于暴露给光而产生电信号，所述多个光电检测器以至少两对的形式布置在光源附近的平面上，每一对定义了平行于平面的第一和第二方向，第一和第二方向实质上互相垂直。当来自固态光源的光反射回多个光电检测器时，倾斜反射面产生不对称的辐照形状。每一对光电检测器响应倾斜反射面的辐照形状，产生第一电信号和第二电信号。当旋钮旋转时，光学模块检测在来自轴的倾斜反射面的非对称辐照形状中的变化。
在另一个实施例中，提供了一种检测电动轴的旋转角度的系统；电动轴具有定义在其上的暴露的倾斜反射面。所述系统包含调节电动轴的暴露倾斜反射面的旋转体。集成电路光学模块光耦合到旋转体。光学模块包含固态光源和多个光电检测器，所述光电检测器布置为，当来自固态光源的光被从暴露倾斜反射面反射回多个光电检测器时，检测非对称辐照形状。多个光电检测器产生表示具有幅度和角度的矢量的输出，所述矢量表示了电动轴的旋转角度。
在另一个实施例中，提供了一种检测设备中轴的旋转角度的方法；轴具有预定长度和第一末端和第二末端；第二末端具有定义于其上的倾斜反射面。所述方法包含将轴的第二末端插入具有可容纳轴的第二末端的插座的旋转体。集成电路光学模块光耦合到旋转体；光学模块包含固态光源和多个光电检测器。当来自固态光源的光被从暴露倾斜反射面反射回多个光电检测器时，检测非对称辐照形状。从多个光电检测器产生表示具有幅度和角度的矢量的输出。从矢量表示中确定轴的旋转角度。
本发明的上述概要并不能代表本发明的每一个披露的实施例，或每一个方面。其它方面和示例实施例将在下面附图和详细描述中提供。
附图说明
结合附图，参考下面本发明的不同实施例的详细描述，本发明可以更完全的理解，其中：
图1以截面图描述了应用在本发明的实施例中的光学传感器模块；
图2是图1中的光学传感器的电子示意图；
图3描述了根据本发明，使用如图1中描述的光学传感器模块而应用到旋钮上的角度传感器应用的布置；
图4是沿传感器阵列的X方向的辐照形状形状图示；
图5A描述了相对于旋钮的倾斜轴的底部，图2中的传感器的示意图；
图5B是描述了轴的角度作为X-Y位移的函数的矢量图；和
图6是根据本发明的另一个实施例，当旋钮被用户压下时，沿传感器的X方向的辐照形状图。
本发明具有各种修改和替换形式，其细节在附图中以示例示出，并且被详细描述。但是应当理解，本发明不限于所描述的具体实施例。相反，本发明覆盖落在所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同物和备选方案。
具体实施方式
在测量旋转轴的角位移中，特别是对于必须有效使用空间的便携式电子设备中的控制旋钮，已经证实本发明是有用的。通过在硅衬底上建造传感器可以节约空间。
衬底包括布置在光源周围的多个光电检测器。包含光电检测器的衬底也包含用于控制和信号处理的集成电路。当用于应用中时，具有平滑抛光末端的旋转轴安置在传感器模块的附近。抛光的末端担当镜子的功能。反射体的表面相对于轴的垂直横截面稍微倾斜。光从光源发出，被镜子反射并在光电检测器上产生光点。光辐照在光电检测器上具有非对称分布，因此在处理电路的输出上产生差分信号。当轴旋转时，从光电检测器上获得差分信号形成一个矢量，其角度对应轴的角位置。
在根据本发明的一个示例实施例中，角度传感器具有两个独立元件，(1)位于集成电路(IC)封装内的光学传感器模块和(2)旋转体。
参考图1，光学传感器模块100包含光源110和位于封装120内部的公共衬底140上的许多光电检测器130。光源110大约位于衬底的中心(其它位置也是可能的)。在衬底140上，多个光电检测器130对称布置在光源110周围。光源110可以是发光二极管(LED)管芯或有机发光二极管(OLED)结构。光电检测器130可以是硅光电二极管或光电晶体管或光电电阻器。衬底可以是硅裸片，在其中光学传感器模块100是对于特定设备提供定制功能(即控制、接口和处理信号等)的专用集成电路(ASIC)的一部分。光学传感器模块100经过键合焊盘150和150a连接到外部和衬底140的其它部分。光学传感器模块100也可以是片上系统(SoC)的一部分。在其它应用中，光学传感器模块100也可以是一个独立的产品。
光学传感器模块100可以位于在光源和检测器区域之上具有空腔的封装内。空腔可以是开口的或者被透明盖子覆盖。可选地，衬底可以模塑在密封封装的透明化合物120内部。出于披露的目的，透明意味着该材料可以基本无衰减地传送由光源110发射的光的频率。
参考图2。在如电路200中描述的示例传感器模块中，任意形状的四个光电检测器230(D1-D4)对称地安置在光源210周围(也可以使用非对称布置)。如果必要，每一个光电检测器均可以分割成元件。光电检测器230连接到两个差分放大器220和240，其分别输出X和Y方向的输出信号Sx和Sy。Kim Le Phan的公布于2009年10月15日的PCT申请“Optical Pointing Device”(WO2009/125360A2)提供了关于前述讨论的本发明中使用的光电检测器的更多详细背景信息。读者可参考附录。
在另一个示例实施例中，光学传感器模块与旋转体组合在一起作为系统的一部分。当在需要测量旋转体的角位置或角速度的应用如旋钮、转盘、旋转轴、机械手臂等中使用时，光学传感器模块放置于旋转轴的附近。
参考图3。在此示例中，提供了使用如之前所描述的光学模块340的角度传感应用的布置300。传感器衬底所在的平面基本垂直于轴320的旋转轴，所述轴320与处于旋转380下的旋钮310连接。轴面对传感器模块的末端被削成平面，更适宜的是抛光以形成反射体330(可选的，只有轴末端的一部分被加工成反射体330)。反射体330的平面相对于衬底片面350的倾斜角为θ。在一个示例实施例中，角θ的范围为0到90度；在另一个示例实施例中，角θ的范围为0到45度。在另一个示例实施例中，角θ的范围为45到90度。从光学模块340中的LED光源发射的入射光360从反射体330反射回(反射光365)光学模块340中的光传感器。由于反射体330的倾斜角和光源的光强的角分布，在光电检测器处接收的辐照形状是非对称的。接收到的非对称形状提供了旋钮旋转角度的信息。
在另一个示例实施例中，当轴的材料无法抛光成具有充分的反射率时，独立的反射体以倾斜的角度可以安装在轴的末端。反射体按合适的尺寸制作，从而传感器上的反射光斑具有边界，所述边界部分横过二极管的形状。在另一种情况下，轴的反射面(集成到轴的表面或是独立反射体)的尺寸通常与二极管形状的尺寸是相当的。这种设计的优点是，产生的差分信号可以相当大。相应的设计考虑是，反射体(也可以是轴)的中心优选地应与传感器模块的中心很好的对准，以使光斑部分横过传感器的形状。可选地，反射体的尺寸可以实质上大于光电检测器形状的尺寸。光学模块340典型的位于旋转轴395的中心。然而，实际上，假设从光学模块340投射的光仍然很好的落在反射范围365内，在这种情况下，光学模块340的侧面位置对于操作并不严格。这很大程度上放松了对于构建旋钮和光学传感器布置300的对准误差要求。
参考图4。在示例实施例中，图400描述了当反射体与衬底平面350形成了20度角时，辐照形状405与到光学检测器D3和D4的中心的位置之间的关系。D3上的信号与位置410处的光辐照成正比，并且D4上的信号与位置420处的光辐照成正比。这两个位置位于曲线405上。在这个曲线图上，假设轴位于这样的角位置，其中经过轴的轴线并且垂直于反射体表面的平面与光电检测器平面沿X方向相交。辐照形状405在X方向是非对称的并偏向左边。因而，在D3处的光辐照比在D4处的大，并且D3的信号输出高于D4的信号输出。作为结果，差分信号Sx是非零的。同样的，当轴位于所述角位置，从而经过轴的轴线并且垂直于反射体表面的平面与光电检测器平面沿Y方向相交，则差分信号Sy是非零的。虽然未图示，Sy的相应曲线图也是同样的结果。
参考图5A。当轴320以任意角安置时，传感器D1和D2产生信号，所述信号输入其输出为Sy的差分放大器520。同样的，传感器D3和D4产生信号，所述信号输入其输出为Sx的差分放大器540。两个差分信号Sx和Sy均为非零的。参考图5B。这两个信号(Sx和Sy)形成了一个矢量S，其具有角度θ。该矢量的角θ对应轴的角位置，并且因此可以代表轴的角位置。图5A也包括了与撞击光传感器510的反射光形状550(具有旋转中心555)相关的光学传感器模块的示意性描述。如前所讨论的，参考图3，由于倾斜反射体，反射光形状关于传感器形状的中心是非对称的。剖面550应包含被传感器530和530’覆盖的区域，并且光斑的最亮区域不在中心。当轴旋转时，最亮区域在传感器形状周围形成了一个圆。反射体的中心可以移动远离传感器形状530和530’的中心。在特定的示例实施例中，轴320的旋转轴395基本位于传感器形状530和530’的中心。
参考图5B。轴的角位置映射为矢量S的角θ。信号Sx和Sy可以是正的和负的，因此角θ可以明确的确定。例如，当Sx＞0且Sy＞0时，轴的角位于0-90度象限(I)，当Sx＜0且Sy＞0时，轴的角位于90-180度象限(II)，等等，如图中505所示。特殊的情况如Sx＞0，Sy＝0、Sx＝0，Sy＞0、Sx＜0，Sy＝0和Sx＝0，Sy＜0分别对应角0°、90°、180°、和270°(即笛卡尔坐标空间的X轴和Y轴)。
在另一个实施例中，在图3描述的一些应用中，旋钮可以按下，用于独立于角位移检测的开关功能，并且当压力移走时其能够利用弹簧(未示出)返回其静止位置。当旋钮被按下时，反射体移动更接近传感器表面，并且因此在所有光电检测器上光辐照均等的增加。参考图6。光辐照与距离中心的位置的曲线图600展示了分别对应旋钮静止位置和按下位置的两条曲线605和605’。描述了在静止位置610和按下位置610’的传感器D3和在静止位置620和按下位置620’的传感器D4。通过检测共模信号(即，来自至少两个光电检测器或所有光电检测器的信号之和)，开关动作可以独立于给出角信息的差分信号被检测到。利用这些原理，可以设计具有开关功能的旋钮，其中开关通过向上拉出旋钮激活(图6的反射率曲线切换，从而“正常”的曲线位于拉出的曲线位置之上)。
可选的，在另一个实施例中，共模信号相对于时间的导数可以被监测。通过对导数设置阈值值，按下的动作可以更容易被检测到。实质上，按下按钮的速率被监测。
在根据本发明的另一个示例实施例中，轴不一定是用户可操作的旋钮。这样的轴可以出现在小型化机械系统如硬盘驱动器、光盘驱动器、冷却风扇等中。在磁盘驱动器电机组件内部，轴的一端具有削成预设角θ的倾斜反射表面。无须占据大量空间，光学模块可以安置于接近轴的旋转轴的位置。旋转体具有插座，以将轴与光源和光学模块内的光电检测器对准。
采用光学角度传感器制造的电子配套元件，可以测量轴相对时间的旋转位置，从而提供了一种速度监测器。这样的监测器提供了硬件驱动失败的早期指示，其中硬盘被指定以特定速率运行，例如5400rpm、7200rpm或9600rpm(对于专用高速率驱动器)。背离额定速率表明驱动器不准备接收数据或故障即将发生。这样的故障可能是由于驱动硬盘盘片自由旋转的机械轴承的磨损导致的。用户当发现硬盘驱动器故障的早期预警时，可以采取谨慎的步骤以备份重要数据。
回到图6中。在根据本发明的一个实施例的监测电动轴的速率的另一个应用中，轴的垂直位置同样可以被监测。当硬盘驱动器启动时，轴存在特定数量的垂直运动(在预定方向)——虽然是很小量的。这种垂直运动可以被监测到。具有倾斜反射表面的旋转轴移动更靠近光学传感器模块(类似于处于停止位置605和按下位置605’的旋钮)。
一种解决信号检测的技术可在Kim Le Phan的申请日为2009年8月11日、2010年2月25日公布(WO2010/020906A1)的PCT申请“Methodand Device for Processing Signals form a Pointing Device”(国际申请号PCT/IB2009/053520)中找到，其提供了前述讨论的在本发明中使用的信号处理的更详细的背景信息。读者可以参考附录。
在另一个实施例中，已知任意时刻的轴的角位置，角速度也可以计算出来。在光学传感器模块内部，包括确定消耗时间的电路。因此，当旋钮从一个角位置旋转到另一个角位置，相对于时间的角变化将给出角速度。测量旋钮从第一位置到第二位置的旋转消耗的时间的电路可以由本领域的技术人员设计。
解决运动目标的运动检测的技术，可在Kim Le Phan的申请日为2009年9月16日的PCT申请“Detection System for the Detection ofMovements of a Movable Object，A Method of Detecting Movements of aMovable Object，and an IC having Implemented Therein the DetectionSystem”(国际申请号PCT/IB2009/054036)中找到，其提供了前述讨论的在本发明中使用的信号处理的更详细的背景信息。读者可以参考附录。
在不背离如附加权利要求中定义的本发明的精神和范畴内，本发明的许多其它的实施例对于本领域的技术人员是显而易见的。
附录
1).Kim Le Phan 2009年4月8日提交、2009年10月15日公布(WO2009/125360 A2)的PCT申请“Optical Pointing Device”(国际申请号PCT/IB2009/051485)，其内容在本文中作为参考。
2).Kim Le Phan申请日为2009年8月11日、2010年2月25日公布(WO2010/020906 A1)的PCT申请“Method and Device for ProcessingSignals form a Pointing Device”(国际申请号PCT/IB2009/053520)，其内容在本文中作为参考。
3).Kim Le Phan申请日为2009年9月16日的PCT申请“DetectionSystem for the Detection of Movements of a Movable Object，A Methodof Detecting Movements of a Movable Object，and an IC havingImplemented Therein the Detection System”(国际申请号PCT/IB2009/054036)，其内容在本文中作为参考。

Claims (20)

1.一种检测设备中旋钮的旋转的系统，所述系统包含：
具有预定长度和第一末端和第二末端的轴，第二末端具有定义在其上的倾斜反射面，第一末端固定连接到旋钮上；
包含轴的旋转体，旋转体具有容纳轴的第二末端的插座，第二末端的倾斜反射面是暴露的；
光耦合到旋转体的光学模块，光学模块检测来自暴露的倾斜反射面的光辐照；光学模块处于集成电路衬底上，光学模块包括：
固态光源；
多个光电检测器，每一个光电检测器在暴露于至少阈值量的光时产生电信号，所述多个光电检测器以至少两对的形式布置在光源附近的平面上，每一对定义了平行于平面的第一和第二方向，第一和第二方向互相垂直；
其中，当来自固态光源的光反射回所述多个光电检测器时，倾斜反射面产生不对称的辐照形状；
其中，每一对光电检测器响应倾斜反射面的辐照形状，产生第一电信号和第二电信号；和
当旋钮旋转时，光学模块检测在来自轴的倾斜反射面的非对称辐照形状中的变化。
2.根据权利要求1中所述的系统，其中非对称辐照形状布置在至少部分被所述多个光电检测器覆盖的边界内。
3.根据权利要求2中所述的系统，其中轴的旋转轴实质上相对于固态光源位于中心位置。
4.根据权利要求1中所述的系统，其中每一对光电检测器耦合到差分电路，每一个差分电路接收第一电信号和第二电信号，并且作为响应，分别产生表示X坐标和Y坐标的非零差分输出信号。
5.根据权利要求2中所述的系统，其中非零差分输出信号定义了具有角度的矢量，矢量的角度表示轴旋转的角度。
6.根据权利要求4中所述的系统，其中轴旋转的角度由下列信号的组合来指示：Sx＞0，Sy＞0表示角θ处于0°到90°范围内；Sx＜0，Sy＞0表示角θ处于90°到180°范围内；Sx＜0，Sy＜0表示角θ处于180°到270°范围内；并且Sx＞0，Sy＜0表示角θ处于270°到360°范围内。
7.根据权利要求3中所述的系统，其中轴旋转的角度处于0°到360°范围内。
8.根据权利要求3中所述的系统，其中相对于光从固态光源发射的方向，倾斜反射面的角度处于0°到90°范围内。
9.根据权利要求3中所述的系统，其中相对于光从固态光源发射的方向，倾斜反射面的角度处于22°到68°范围内。
10.根据权利要求3中所述的系统，其中相对于光从固态光源发射的方向，倾斜反射面的角度处于5°到30°范围内。
11.根据权利要求7中所述的系统，其中相对于光从固态光源发射的方向，倾斜反射面的角度为45°。
12.根据权利要求3中所述的系统，其中倾斜反射面通过下列方式之一形成在轴的第二末端：直接将轴的第二末端抛光到预定的角度；将轴的第二末端研磨到预定的角度并将反射面连接到底端。
13.根据权利要求2中所述的系统，
其中旋钮装配有弹簧，旋钮可以在停止位置和移动位置之间移动，响应于在旋钮上施加垂直压力来达到移动位置，一旦释放垂直压力，弹簧就使旋钮返回到停止位置；和
其中旋钮的移动位置至少是下列之一：拉出位置、按下位置；
进一步，一旦旋钮到达按下位置，在按下位置，倾斜反射面的辐照形状具有比停止位置更高的强度；和
进一步，一旦旋钮到达拉出位置，在拉出位置，倾斜反射面的辐照形状具有比停止位置更低的强度。
14.根据权利要求13中所述的系统，其中辐照形状的强度至少通过下列方式之一来测量：
监测所有至少两个光电检测器的共模信号；和
当旋钮被按下时，监测共模信号相对于时间的导数。
15.一种检测电动轴的旋转角度的系统，电动轴具有定义在其上的暴露的倾斜反射面，所述系统包含：
旋转体，容纳电动轴的暴露的倾斜反射面；
光耦合到旋转体的集成电路光学模块，光学模块包括固态光源和多个光电检测器，所述多个光电检测器布置为当来自固态光源的光从暴露的倾斜反射面反射回所述多个光电检测器时检测非对称辐照形状，所述多个光电检测器产生对具有幅度和角度的矢量加以表示的输出，所述矢量表示电动轴的旋转角度。
16.根据权利要求15中所述的系统，进一步包含：
用于计算相对于时间的旋转角度，从而测量电动轴的速度的电路。
17.根据权利要求16中所述的系统，进一步包含用于计算电动轴从停止状态到运行状态的垂直位移，从而测量电动轴的垂直运动量的电路。
18.一种检测设备中的轴的旋转角度的方法，轴具有预定的长度和第一末端和第二末端，第二末端具有定义在其上的倾斜反射面，所述方法包含：
将轴的第二末端插入旋转体中，所述旋转体具有可容纳轴的第二末端的插座；
将集成电路光学模块光耦合到旋转体，光学模块包含固态光源和多个光电检测器；
当来自固态光源的光从暴露的倾斜反射面反射回所述多个光电检测器时，检测非对称辐照形状；
从所述多个光电检测器产生输出，所述输出表示具有幅度和角度的矢量；和
根据矢量表示来确定轴的旋转角度。
19.根据权利要求18中所述的方法，进一步包含：
计算相对于时间的旋转角度，从而测量轴的速度。
20.根据权利要求19中所述的方法，进一步包含：
计算轴从停止状态到运行状态的垂直位移，从而测量轴的垂直运动量。
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