CN104121869B - 转动位置检测器和相关方法 - Google Patents

Abstract

一种转动位置检测器包括具有内部空间的外壳，该内部空间具有反射元件。光源向上射出光线。底座支承光检测器组件，该组件具有围绕马达轴成对设置的、第一数量的环状扇形光传感器，一个“A”检测元件和一个“B”检测元件交替设置。位于光源和光传感器之间的光拦截器随轴一起转动。该光拦截器包括围绕轴线排列的、第二数量的不透明的、具有相等表面积的元件，第二数量等于第一数量的一半。一电路测量来自“A”检测器和“B”检测器的、与落在其上的光量有关的信号，差值与该电机轴的角位置有关。

Description

转动位置检测器和相关方法

技术领域

本发明涉及一种用来显示轴或者其他转动元件的角位置的转动位置检测器。更具体而言，本发明涉及用在电机和基于振镜的光学扫描仪上的这种位置检测器。

背景技术

转动位置检测器有许多应用，例如检测电机上轴的位置以便电学换向。另一种这样的应用是检测磁带播放器或者转轮式印刷机中张紧滑轮的位置，以便在磁带或者纸张上保持恒定张力。转动位置检测器的一个最新应用是感应汽车中加速踏板（油门）位置，这种汽车将电机用作驱动车轮的部分或者全部装置。

基于振镜的光学扫描仪用来将不可移动的输入光束引向目标区域。这类扫描仪使用有限旋转马达将转动传递至例如反光镜的光学元件上。通常，反光镜直接安装在电机的输出轴上。位置检测器包括在电机内，靠近输出轴或者位于电机后部。这种位置检测器通常输出电流或电压信号，该信号与电机轴的相对角成正比，因而与反光镜相对于不可移动的输入光束的角度有关。

基于振镜的光学扫描仪引导激光束用于标记、切割或者显示，定位准确度和可重复性对此目的是至关重要的。因此，准确度和可重复性的一个限制因素为与光学扫描仪一起使用的位置检测器的性能。

理论上，转动位置检测器应当只对扫描仪轴的旋转角度敏感。由于反光镜直接连接到扫描仪轴，就是指示输出光束方向的轴的旋转角。轴向运动和径向运动一般情况下不会影响反光镜反射的光束的目标位置，并且由于它是对扫描系统很重要的目标光束位置，位置检测器的输出将表示目标位置并且对不影响目标位置的情况不敏感，例如轴向运动和径向运动。轴向轴运动可作为扫描仪的动态特性。举例来说，如果扫描仪的磁性结构不完备，在猛烈加速和减速期间，轴会在强电流脉冲输入扫描仪时向外或者向内窜动。由于轴承“轰鸣”或者加工不完全，出现扫描仪的径向运动，这允许轴的少量径向运动。如果转子未与定子部件绝对同心，或者附接到输出轴的惯性负载（反光镜和装配台）没有绝对平衡，径向轴运动还可作为动态效应出现。

伺服控制器连接在位置检测器和电机之间。如果位置检测器由于轴向或者径向的轴运动产生若干输出，该伺服控制器会错误地将这种错误输出译码为转动位置的变化，导致整个系统的定位错误。因此，理想的转动位置检测器将产生仅仅由于转动造成的输出，而不会产生由于轴向或径向运动造成的输出。

转动位置检测器，尤其是与模拟伺服系统一起使用的基于振镜的扫描仪的转动位置检测器的其他要求特性包括如下特征，输出电压或电流与旋转角成线性关系。也就是说，轴转动上的递增量将在位置检测器的输出信号上产生同样的递增量，但是少量的非线性度通常是可以容忍的。进一步地，信号-噪声比应尽可能高。

存在用来感应光学扫描仪中轴位置的若干方法。两种通用型位置检测器包括电容位置检测器和光学位置检测器。

电容位置检测器用在一些最早期的基于振镜的光学扫描仪中。在一种已知检测器中，转动的介电蝶阀连接到扫描仪轴上，并且检测板是固定的。

光学位置检测器最近呈现为基于振镜的光学扫描仪领域内所选择的位置检测器。典型地，光学位置检测器可被制成小型化，具有低惯量，并且可以以低成本制造。这些特性使光学扫描仪所需的光学位置检测器用于商业和消费市场。

一种光学位置检测器是“投影”位置检测器，其中试图使光传感器材料的大面积被均匀照亮，并且通过光拦截器使阴影投射在光传感器上。光学位置检测器可以使用光传感器作为光电元件。这些光电元件最常见的是大面积PIN型光电二极管，并且以“光电”方式使用，由此，电流是由光电元件产生的并且通过运算放大器进行放大。当光电元件整个区域上的光强线性增加时，电流量线性增加。当光电元件照亮部分线性增加时，电流值也线性增加，只要整个区域上的照度是不变的。也就是说，如果光照亮半个光传感器区域，并且另半个光传感器区域的光被挡住，输出的电流将是光传感器整个照度的一半的量，获得位置检测器输出与光电元件区域照度的线性关系。

不管所用位置检测器的类型是电容的还是光学的，所有已知位置检测器都被认为有一个共同的问题：都输出表征相对轴转动的信号，而未输出表征绝对轴转动的信号。也就是说，伺服控制器不可能读取位置信号电压或者电流，也不可能知道绝对意义上的、轴的准确机械角。这是因为，光电元件或者电容板的输出分别与LED产生的光或者振荡器产生的信号成正比。在光学位置检测器的情况下，如果来自LED的光由于环境变化或者元件漂移而增加，该光电元件产生的输出将成比例地增加。这种成比例的增加将诱使伺服系统相信该轴已经转到更大的机械角。该伺服系统于是将试图弥补这些，并且导致错误。

所有已知的位置检测器都试图通过使用例如本领域中已知的自动增益控制（AGC）回路进行修正。在光学位置检测器的情况下，所有光电元件接收到的光加起来形成“总光”信号电压。该“总光”电压与基准电压进行比较，并且产生驱动LED的错误信号。如果感应到“总光”已经增加，那么将使LDE输出的光减少相应的量，因此试图在一段时间内保持位置检测器的灵敏度。然而，AGC的使用只不过足以矫正一阶问题。由于二阶效应，例如基准电压本身的漂移或者用于运算放大器回路中的反馈电阻器的变化，所有已知的位置检测器都有位置零点漂移（位置检测器认为是轴的“绝对零度”位置的变化）和位置标度漂移（位置检测器以伏/度表示的变化）。这些变化随着时间和温度出现。

过去，已经试图为代表某些绝对位置的转动位置检测器提供辅助信号。在任选或者自动的基础上，伺服系统可以运用振镜扫描仪寻找这些辅助信号，并因此发现位置检测器的绝对位置标度和位置偏移。当用于电容位置检测器时，该项技术存在一些寄生问题。首先，电容位置检测器对板状元件的形状非常敏感。由于突出或者切口带来的边际效应，带有突出或者切口的板具有受到影响的线性。如果使用辅助电容板，边际效应也会影响线性。不管该技术用于光学位置检测器还是用于电容位置检测器，特定形状的移动蝶阀制造成本都很昂贵。用来控制基于振镜的光学扫描仪的主要伺服系统是完全由模拟部件制成的PID伺服系统（模拟伺服系统）。模拟伺服系统一直被使用，因为相对便宜并且相对简单，同时因为直到现在，数字伺服系统不能获得用于快速振镜扫描仪的、必需的高分辨率和高采样率。为了支持当前市场可售的快速振镜扫描仪，并且为了在100亚微秒范围内获得步进时间，必需使用200kHz的采样率以及16bits的采样分辨率。由于所需的多个内部计算步骤，浮点计算是高度可取的。直到最近，实现具有高采样率和分辨率的数字形式的伺服控制器仍是成本高昂的。然而，利用技术领域内不可避免出现的恒久发展，数字信号处理器（DSPs）和模数（A/D）转换器目前由于足够的速度和合理的成本而变得可用，这将使模拟伺服系统向基于DSP的伺服系统的改变可用于振镜扫描仪。

模拟伺服系统典型地具有相对大量的电位计，该电位计用来针对最佳性能“调节”该伺服系统。这些电位计调整若干伺服系统参数，包括伺服增益、阻尼、陷波滤波器频率、陷波滤波器深度、输入增益、输入偏移等等。通常还有两个辅助电位计来调整位置检测器的位置标度和位置偏移。虽然最后这两个严格上说不是伺服系统参数，但是它们确实影响伺服系统性能和精度。所有这些电位计必须是通过人手动调整或者“调节”的。通常这种调节是在工厂进行的，但是有些需要在现场进一步调节。因为工程师不是带有振镜扫描仪的系统的最终用户，任何一种非工厂调节都会导致次优操作。

向基于DSP的伺服系统的改变将不需要所有这些调整电位计，因为例如伺服增益、阻尼、陷波滤波器频率等等的伺服系统参数将通过算法常数进行设置。这些算法常数可以通过人以电位计调整期间形成的同样的方式进行手动“调节”，只是使用用户界面进行调整，或者选择性地，这些算法常数可通过若干智能调节算法自动调节。这是可能的，因为关于扫描系统的几乎所有信息都是仅仅通过运行扫描仪以及观察位置信号发生什么事情进行收集的。例如，扫描仪的转矩常数可通过观测扫描仪的反电动势得到。机械工程术语表述为KT=KE。也就是说，每安培的转矩达因厘米与每秒每度的马达反电动势电压成正比。因此，如果伺服系统形成扫描仪运动，并且可以测量“度/秒”和马达反电动势，那么该伺服系统可得到扫描仪的准确转矩常数（KT）。

只要KT已知，伺服系统接下来会短时施加已知电流脉冲，并且测量产生的角加速度，因此该伺服系统可以收集转子、反光镜和位置检测器的系统惯量（J），因为力等于质量乘以加速度。因此，惯量等于KT除以加速度。

接下来，该伺服系统将光环绕在扫描仪附近并且作出Bode图，从而显示出所有的系统谐振。利用这个信息，该伺服系统可以为切口和双二阶滤波器的极点与零点设置全部常数。

只要转矩常数、系统惯量和系统谐振全部已知，所有的伺服系统参数可以以秒的数字精度进行设置，从扫描仪和伺服系统获得绝对最大的性能。但是为了使所有事情发生，该伺服系统需要一个基本的信息单元。该伺服系统必须知道“位置标度”。也就是说，该伺服系统必须首先知道来自位置检测器的每度伏特值。

如上所述，利用先前已知的位置检测器，伺服系统不可能知道绝对可信的位置标度；正如不可能制造完全自动调节的数字伺服系统一样。直到现在，扫描仪制造商通过在扫描仪内放置小内存芯片来回避这个问题。数字伺服系统可以读取内存芯片，该内存芯片在工厂进行预编程，具有包括转矩常数、位置标度和位置偏移的信息以及其他与扫描仪有关的信息。利用该方法问题在于，这些参数随着时间变化。扫描仪的转矩常数取决于转子（或者其他扫描仪部件）的磁性，并且该磁性必然随着温度变化，并且如果扫描仪是违规操作或者过热，该磁性还会随时间变化。位置检测器部件也由于部件漂移以及温度和其它环境影响而随时间改变。

因此，有利的是提供一种具有改进的信号-噪声比的转动位置检测器并且提供绝对位置精度。

发明内容

本发明涉及一种光学位置检测器，并且提供包括低惯量操作并且可用于小型光学扫描仪的实施例。此外，本发明的实施例提供改进的信号-噪声比并且可以选择性地提供绝对位置精度。

在此提供一种转动位置检测器，包括具有由内壁限定的内部空间的外壳。光源设置为将光线从其底部发射到外壳的内部空间内。底座设在外壳的内部空间内。

光检测器组件设在外壳的内部空间内并且包括第一数量的光传感器，光传感器设在底座上并且绕着马达轴的轴线成对设置。每一对都包括一个“A”检测元件和一个“B”检测元件。成对元件设置成使得每个“A”检测元件沿周向设置在两个“B”检测件之间并且每个“B”检测元件设置在两个“A”检测元件之间。术语“光传感器”在此用来包含感光材料区域。

光拦截器附着在外壳的内部空间内以与马达轴一起在光源上方转动，基本上在光源和光检测器组件之间。该光拦截器包括第二数量的、围绕马达轴的轴线排列的不透明的、具有基本相等表面积的元件。第二数量等于第一数量的一半。因此，未被光拦截器阻断的、从光源发出的光线到达光检测器组件，而被光拦截器阻断的光线不能被光检测器组件接收。

信号接头设在光检测元件和电路之间，该电路用来测量来自“A”检测器和“B”检测器的、与落在其上的光量有关的信号。“A”检测器信号和“B”检测器信号之间的差值与电机轴的角位置有关。

附图说明

根据结合伴随附图使用的以下描述，表征本发明实施例以及组织和操作方法的特征，连同其进一步的目标和优势都能得到更好地理解。可以明确理解的是，附图是出于图示和说明的目的而未意欲限定为对本发明的限制。当结合伴随附图阅读以下描述时，本发明实现的这些和其他目标以及本发明所提供的优势将变得更加明了，其中：

图1是本发明的光学位置检测器的一个实施例的侧视透视图，以剖视图图示外壳；

图2是本发明的光学位置检测器的另一个实施例的侧视透视图，其中光拦截器是由马达轴的底端形成的，并且光传感器是矩形的，以剖视图图示外壳；

图3是本发明的位置传感器的一个实施例的俯视图，包括电路板、环形光传感器和光拦截器，图示出比光传感器的外径小得多的光拦截器；

图4以俯视图图示出光拦截器元件和光传感器之间的关系，虚线表示各个传感器元件相对于光拦截器的位置；

图5A和5B分别图示出杯状光拦截器的备选实施例的俯视/侧视和仰视透视图；

图6和6A图示出另一个光拦截器实施例的俯视/侧视透视图；

图7和7A分别是本发明另一个实施例的电路板和矩形光传感器的部分俯视图和透视图；

图8是来自光传感器的“A和B”对的输出信号以及合成的“A-B”输出信号曲线，其中，图示的是，合成输出是线性的直至光传感器的“A”对或者“B”对被完全露出；之后，位置检测器仍旧提供输出，但是是以减小的变化率提供的；

图9图示出光传感器元件连通以提供输出信号的实施例，其中，在直径方向上对置的光传感器元件相连并且只提供两个输出；和

图10图示出光传感器元件连通以提供输出信号的另一个实施例，其中，每个光传感器元件的输出都直接使用而未与其他光传感器元件连接。

具体实施方式

现在在下文中参考伴随附图更完全地描述本发明，其中图示出本发明的实施例。除非另外限定，这里所用的技术术语和科学名词都具有与本发明所属领域普通技术人员公知的相同含义。虽然与这里所述的方法和材料类似或者等效的方法和材料可用于实际应用或者本发明的测试，合适的方法和材料如下所述。所有在此提及的公开文本、专利申请、专利或者其他参考在此全文引入以供参考。在矛盾的情况下，包括任何一种限定的本说明书将处于控制地位。另外，给出的材料、方法和实施例本质上仅仅图示性的而非意欲限制。因此，本发明可以许多种不同形式表现并且不应被看作限制为在此所述的图示实施例。反之，提供图示实施例因此公开内容将会是全面完整的，并且向本领域普通技术人员充分传达本发明的范围。根据接下来的详细说明，本发明的其他特征和优势将是显而易见的。

在此描述根据本发明教导的光学位置检测器的实施例使用了投影技术。与其他已知的光学位置检测器相比，该位置检测器的各个元件都进行了改进，在位置精度以及信号-噪声比方面获得改进结果。此外，位置检测器的若干实施例允许使用基于位置检测器性能的绝对位置确定来表示其已到达某些角条件。

在此最初参考图1和2描述本发明的转动位置检测器10的实施例和检测器10A的备选实施例，其中每个实施例都包括具有内部空间14的外壳12。可绕轴线18转动的轴16延伸到外壳内部空间14内。光源20设置为将光线22发射到外壳内部空间14内。光检测器24与光源22成间隔关系设在外壳内部空间14内。光检测器24包括围绕轴线18成对28、30设置的、第一数量的分段光传感器26、27。每一对28、30包括一个“A”检测元件26A、27A和一个“B”检测元件26B、27B，其中对28、30设置成使得每个“A”检测器沿轴向设置在两个“B”检测元件之间并且“B”检测元件设置在两个“A”检测元件之间。光拦截器32位于光检测器24和光源20之间。光拦截器32包括可随轴16转动的、第二数量的不透明的、大体具有相等表面积的光拦截器元件34。光拦截器元件34的第二数量等于分段光传感器26的第一数量的一半，其中光拦截器元件34的径向延伸量36小于光传感器26、27的径向延伸量38。正如在该部分稍后进一步描述的那样，提供用于光检测器24的信号接头40来检测投射在分段光传感器26、27上的光量从而测量轴16的转动位置。

举例来说，继续参考图1和2，在此描述的实施例是在马达或者振镜扫描仪的应用范围内进行描述的，但是这不意味着作为限制。外壳12适合于容纳传感器部件以及从环境中吸收不需要的光线，同时在特定实施例中直接或者间接连接轴16和马达42。外壳12可以包括例如注塑塑料或者机加工金属，但是这不意味着作为限制。

光源20优选为产生基本上沿轴向均匀的光场，将光线22引向多个光传感器26、27，举例来说，这些光传感器包括设在大体垂直于转动轴16的平面44内的环状扇形元件，正如参考图1中检测器10所图示的。光传感器26、27可制造在光检测器芯片46A、46B上，如参考图1所图示的，或者分隔安装到电路板48上，如参考图2所图示的。光检测器24与光源20一样设在马达42的同一侧，但是与光源间隔开，其中光拦截器32位于光源和光传感器元件26A、26B、27A、27B之间。

正如这里参考图1通过举例方式描述检测器10一样，光拦截器32包括元件34，该元件形成为大体饼状的突出34A、34B并且通过在传感器上投射阴影周期性阻断到达光传感器元件26A、26B、27A、27B某些区域的光线22。

在此通过举例方式描述的光拦截器32可操作地连接到轴16。由马达42驱动的轴16的转动使光拦截器32转动。当若干光传感器元件26A、26B、27A、27B的光照区域增加时（当较少光传感器区域位于阴影下时），来自光传感器的输出信号也增加。同时并且以同样的量，当其他光传感器元件26A、26B、27A、27B的光照区域减少时（较多光传感器区域位于阴影下时），这些光传感器的输出信号减少。

继续参考图1和2，光源20优选包括安装在电路板48或者附接到外壳12的其他合适表面上的单一LED。举例来说，对于在此所述的实施例来说，LED安装在电路板48的底面48上，从光源20发出的光线22通过电路板中的孔50进行引导。这种结构是希望的，因为以横向方式发射的任何一种光都终止于在电路板48中形成孔的壁并且不能间接地照在光传感器元件26A、26B、27A、27B上。然而，只要光源20合适并且大体沿着轴线18设置并且位于轴16下方，其他实施例也是可能的，正如继续参考图1和2所图示的。光线22从光源20伸向光传感器元件26A、26B、27A、27B。

虽然光源20已被描述为LED，光源还可体现为磷光点阵或者在所需方向上产生包括光线22的合适光锥的任何一种其他光源。应当指出，光源20可由光纤52提供，其中光源例如可以是远距离地位于伺服系统驱动板上并且传送至检测器的光纤。这是在军事应用中是优选的，在军事应用中检测器必须在高温下工作，这是LED操作所禁止的。同时，当通过光纤传送时，激光器可用作光源的发光装置。

现在继续参考图1-3，有四个光传感器元件26A、26B、27A、27B，正如通过举例方式在此所述的成环状扇形的并且在此描述为围绕轴线18成对28、30设置。传感器元件26A、26B、27A、27B的这种结构基本上限定了光拦截器32及其元件34A、34B的结构。正如通过举例方式在此所述的，光拦截器32包括两个不透明的、具有大体相等表面积、围绕轴线10排列的元件34A、34B。应当指出，第二数量（例如两个）等于第一数量（例如四个）的一半。

正如参考图4所示，光拦截器32完全露出“B”对环形光传感器元件26B、27B，而不是完全盖住“A”对元件26A、27A，正如光线22的锥形所示。光拦截器32的每个开口区域的弦角54（这里为60度）比光传感器元件26A、26B、27A、27B的第一弦角56（这里为55度）大不同的第二弦角58（这里为5度）。因此，进一步增加的顺时针转动未在光传感器的“B”对信号输出上提供任何逐渐增长的增加，但是在“A”对信号输出上给出逐渐增长的减少。当光拦截器32开口的弦角54大于光传感器元件26A、26B、27A、27B的弦角时，光检测器24为不超过光传感器元件26A、26B、27A、27B的弦角的角度变化提供线性输出，然后为超过该点的角度变化提供非线性输出。

继续参考图4，正如上参考图1和2所述的，每个光拦截器元件34A、34B的径向延伸量36小于光传感器元件26A、26B、27A、27B外缘的径向延伸量38，并且实际上不大于光传感器元件内缘的径向延伸量38A。在某些情况下，光拦截器元件34A、34B的径向延伸量36明显较小，取决于包括光源20的锥角和光传感器元件26A、26B、27A、27B距光源20的距离的因素。当与现有技术中的传感器相比这是有利的，现有技术中的传感器的光拦截器径向延伸量毫无疑问地大于光传感器元件26A、26B、27A、27B外径的径向延伸量。较小的径向延伸量显著地降低了惯量，因而也提高了系统性能。

光拦截器32可配置成使得当轴16沿图3中箭头85所示的“正向”（从图1中所示的结构移动到图3所示的结构）转动时，大部分的“A”光传感器元件表面区域被光源20照亮，而大部分的“B”光传感器元件区域位于阴影下。因此，当光拦截器32转动时，只要它完全露出“A”光传感器26A、27A，就可实际上在该光拦截器完全挡住来自“B”光传感器26B、27B的光之前进一步转动。这允许伺服系统在“A”或“B”传感器被完全盖住时准确检测，因此以绝对项（inabsolute terms）准确检测位置传感器的外角。然而，某些应用不需要这种绝对位置确定，而是可以使用如下光拦截器，该光拦截器的开口具有与传感元件相同的弦角。

虽然附图显示了四个光传感器元件和带有两个突出元件的光拦截器，可以理解的是，像四个光传感器元件和两个光拦截器元件那么少，或者像八个光传感器元件和四个光拦截器元件那么多或者更多都是可能的，并且仍旧落入本发明的范围内。

各个光传感器元件26A、26B、27A、27B包括根据如下原理工作的光传感材料或者装置，每一单位面积上线性增加的光引起输出信号的线性增加。作为非限制性实施例，硅光电二极管、PIN型光电二极管、雪崩光电二极管和硫化镉电池可用作本发明中的光传感器元件。从种属上说，这些都被称为“光电元件”。

虽然公知的是在矩形的一个“光电元件”模或芯片46A、46B上设置各个光传感器元件对26A、26B、27A、27B，如图1所示，各个光传感器元件可以任何方式组装，只要满足如上概述的线性和形状限制即可。进一步地，光传感器元件26A、26B、27A、27B具有比图示更大的区域，例如，每个元件都包括任一形状的芯片，使掩模元件布置其上以形成希望使用的扇形形状。

如上描述，光拦截器32防止光源20发出的光线22到达光传感器元件26A、26B、27A、27B的一部分。包括饼状元件34A、34B的光拦截器32直接连接到轴16，并且该轴与马达42一体形成，但是可以使用包括轴突出部或者齿轮组件的备选实施例而不脱离本发明的教导。进一步地，因为光拦截器32仅仅需要防止光到达光传感器元件26A、26B、27A、27B，其可由各种材料制成。举例来说，其可由陶瓷、纤维玻璃/环氧树脂、金属板、玻璃、塑料或者可以挡光的任何一种其他合适的材料制成。光拦截器32可使用常规制造工艺制造，例如注塑模制、激光切割、冲压、光刻蚀或者标准的机加工技术，以与在此以举例方式描述的形状一致，或者由透明盘或者透明管制成，由此通过沉积在透明盘或者透明管上的不透明材料执行阻挡功能。另外，其他实施例也是可能的，正如参考图5A和5B的光拦截器32的备选实施例32A、通过举例方式所图示的，其中该光拦截器是杯状的并且在此描述为包括前面参考图1描述的光拦截器元件34A、34B，光拦截器32是两个大体上饼状的元件并在此描述为围绕中间盘32C排列。从光拦截器元件34A、34B向下垂下的是形成部分封闭的圆筒体的侧壁32D、32E，该圆筒体具有与上部光拦截器元件34A、34B的外缘同等延伸的顶部边缘32F。

正如参考图6所图示的，光拦截器33的另一个实施例包括大体圆筒形的壁33A，设置为接收来自光源的光线的、由壁限定的内部空间33B。圆筒形光拦截器33包括一对对置的、具有大体相等面积的开口33C，这些开口穿过该光拦截器的顶面33D并且在直径方向上围绕中间盘33E对置。开口33C允许光线通过到达光传感器元件。

参考图6A，光拦截器35的其他实施例包括大体锥形的壁35A，设置为接收来自光源的光线的、由壁限定的内部空间35B。锥形的光拦截器35包括一对对置的、具有大体相等面积的开口35C，这些开口穿过其壁35A并且在直径方向上围绕中间衬套35E对置。开口35C允许光线通过到达光传感器元件。

再次参考图2并参考图7和7A，也在用于马达或者振镜扫描仪的应用范围内对检测器10A进行描述，不过这不意味着限制。在位置检测器10A中，光检测器24如上所述包括矩形光传感器元件26A、26B、27A、27B，这些元件大体平形于轴线18以及转动轴16设置。光传感器元件26A、26B、27A、27B安装在电路板48上，并且光源20和马达42安装在同一侧上。光拦截器32与轴16的底部16A一体形成。底部16A包括具有内部空间64的、大体圆筒形部分62，该内部空间设置为接收来自光源20的光线。形成为轴16的延伸部的圆筒形部分62具有两个对置的、同等大小的开口66或者“窗口”，例如在这个实施例中，该开口或窗口从其底部边缘贯穿延伸，不过这不意味着限制。开口66限定了用作光拦截器元件的圆筒形部分62的部分68。此外，措辞“一对”不意味着限制，并且在某些应用中数字包括8乃至更多。对于在此举例来说的检测器10A的实施例，每个开口66都具有参考图2所示的高度尺寸70，该尺寸足以允许光线通过到达光传感器元件26A、26B、27A、27B。

应当指出，虽然在此参考图2所述的光拦截器包括轴的底部，可以使用例如参考图5A、6和6A所述的那些其他光拦截器。光拦截器还可由具有执行将开口66作为“窗口”功能的透明区域和不透明区域的透明管或者光导管形成。

继续参考图2和7，因为光传感器元件26A、26B、27A、27B是矩形的而不是圆形，光线22行进到光传感器元件中心的距离72不同于光线行进到光传感器元件边缘的距离74。这造成输出信号误差，该误差与轴转动的正切成正比。然而，对于采用基于振镜的光学扫描仪的角度范围，该误差是很可能接受的，并且一般情况下可在伺服系统或者驱动伺服系统的计算机软件中进行外部矫正。

如上所述的光拦截器实施例增加了投射在各个光传感器元件上的阴影，特别是假设光源不是点光源的情况。进一步地，对于备选光拦截器实施例来说不是严格必须地具有矩形特征。如图6A所示，杯子可具有锥形特征，可提供容易制造或者较低惯量的光拦截器或者更好的阻光性。此外，光拦截器本身不是可具体为遮光板乃至直接加工在马达轴本身上实现阻光功能的花键。

与先前已知的转动位置传感器不同，光拦截器的开口具有不同于各个光传感器元件的弦角。这么做时，有一些优点。一个优点在于，由于光拦截器的弦角大于光传感器的弦角，当如上参考图1和3所述，在图2实施例的“正向”转动时，“A”光传感器在“B”光传感器被完全阻挡之前完全无遮挡。进一步的“正向”转动还会产生来自“B”传感器的可检测输出，但是不会产生来自“A”传感器的输出。因此一个输出有进一步变化而另一个没有进一步变化的状态可被用来以绝对项准确确定轴角。另一个优点在于，如果减去A和B输出，正像这类传感器的典型方法一样，存在轴旋转角与相应输出信号的“线性”部分，并且在边缘存在轴角与相应输出信号的“非线性”部分。正如通过举例方式参考图8的曲线所示，传感器输出的变化率图示为变化超过25度。

优选地，总体来说，光拦截器开口具有至少跟光传感器的弦角同样大的弦角。然而，本领域普通技术人员可以理解的是，在不背离本发明的精神的情况下，弦角大体上与光传感器的相同，乃至更小。在某些实施例中，可使光拦截器开口的弦角比光传感器元件的弦角大或小满足系统工程要求的任一希望值。然而，对于光学扫描应用，弦角的差值通常在2-10度范围内。

光拦截器开口的数量包括像2一样少，像8一样多或者更多，只要每个光拦截器开口有两个光传感器（“A”和“B”）即可，较大数量的光拦截器开口会减小位置检测器的操作角。位置检测器可从“主”输出中输出一个斜坡信号的最大角（度）等于360除以遮光板数减去（遮光板弦角减去光传感器弦角）。

现在参考图9，各个光传感器元件可以是并联的，因此最少的导线连接到伺服控制器。这种连接方案的好处在于，减少了需要从位置检测器连接到伺服系统的导线数量。然而，现有技术中的位置传感器的共同缺点在于，对于给定光量，如果并联的各个光传感器元件没有准确产生与其他各个光传感器元件相同的输出信号量，那么对径向和轴向运动的不敏感性也不是最佳的。

作为备选的连接方案，各个光传感器元件的输出是可分别使用的，正如参考图10所示的。这种布置的优势在于，伺服系统可以表征每个光传感器的输出，然后在算法上增加线性和径向不敏感性。在这些实施例中，通过电路板48上的信号接头40焊接区形成到输出的连接。

本发明的位置检测器在连接到数字伺服系统时特别有用，该数字伺服系统可以运用扫描仪并且轻易地在轴转动中定位，在该位置中，“A”和“B”光传感器被完全阻断，因此以绝对项确定角偏移的范围。因此，不需要AGC系统，并且可以始终以最大输出操作光源，因而使信号-噪声比最大化。

在附图和说明书中，已经公开了本发明的典型优选实施例，虽然已经采用特定术语，但是仅以描述意义使用这些术语而非限制目的。已经专门参考这些图示实施例非常详细地描述了本发明。然而，显而易见的是，可在上述说明书中所述的本发明的本质和范围内进行各种变形和变化。

Claims (21)

1.一种转动位置检测器，包括：

具有内部空间的外壳；

延伸到所述外壳的内部空间内的轴，所述轴能够围绕其轴线转动；

设置为将光线发射至所述外壳的内部空间内的光源；

光检测器，所述光检测器被布置在所述外壳的内部空间内，与所述光源成间隔关系，所述光检测器包括围绕所述轴线成对设置的第一数量的分段光传感器，每一对分段光传感器包括一个“A”检测元件和一个“B”检测元件，成对设置的分段光传感器设置成使得每个“A”检测元件沿周向设置在两个“B”检测元件之间并且每个“B”检测元件设置在两个“A”检测元件之间，所述分段光传感器大体上被限定在与所述轴线平行的平面内；

光拦截器，设置在所述光检测器和所述光源之间，所述光拦截器包括能够随所述轴转动的、不透明的、具有大体上相等表面积的第二数量的元件，所述第二数量等于所述第一数量的一半，其中，所述光拦截器的各元件的径向延伸量小于所述光传感器的径向延伸量，所述光拦截器包括马达轴的底部，该底部包括具有内部空间的大体圆筒形部分，该内部空间被设置为接收来自光源的光线，所述光拦截器的各元件包括由从所述马达轴的底部边缘伸出的相互间隔的开口分开的圆筒形部分的各段；和

用于光检测器的信号接头，用来测量投射在所述分段光传感器上的光量，因而测量所述轴的转动位置，

其中，所述光传感器具有接收光的矩形表面，并且所述光源包括大体与所述轴线对准的单一光源。

2.根据权利要求1所述的转动位置检测器，进一步包括能够与所述信号接头一起操作的电路，用于测量来自“A”检测元件和“B”检测元件的、与投射在其上的光量有关的信号，其中，“A”检测元件的信号和“B”检测元件的信号的差值与轴的角位置有关。

3.根据权利要求1所述的转动位置检测器，其中，所述光拦截器的各元件的径向延伸量明显小于所述光传感器的径向延伸量。

4.根据权利要求3所述的转动位置检测器，其中，所述光拦截器的各元件的径向延伸量不大于光传感器的内边缘的径向延伸量。

5.根据权利要求1所述的转动位置检测器，其中，所述光拦截器具有多个开口，每个开口都位于光拦截器的相邻元件之间，并且每个光拦截器的开口的弦角至少与光传感器的弦角一样大。

6.根据权利要求1所述的转动位置检测器，其中，第一数量的分段光传感器包括四个光传感器。

7.根据权利要求1所述的转动位置检测器，其中，所述光传感器包括对光敏感的光传感器材料，并且投射在所述光传感器上的、每一单位面积上光的线性增加都造成输出信号的明显线性增加。

8.根据权利要求1所述的转动位置检测器，其中，所述光拦截器的各元件包括遮光板。

9.根据权利要求1所述的转动位置检测器，其中，所述光拦截器包括基本上透明的管，在所述管上施加有不透明元件。

10.根据权利要求1所述的转动位置检测器，其中，所述光拦截器的各元件中的每一个元件还包括侧壁，所述侧壁由每一个元件向光源延伸以形成大体为杯状的光拦截器。

11.根据权利要求1所述的转动位置检测器，其中，所述光拦截器包括具有内部空间的大体圆筒形元件，所述内部空间由侧壁限定并且设置为接收来自光源的光线，所述圆筒形元件具有通过其顶面以允许光线穿过的、具有大体相等面积的一对间隔设置的开口。

12.根据权利要求11所述的转动位置检测器，其中，所述开口的弦角至少与所述光传感器的光传感器弦角一样大。

13.根据权利要求1所述的转动位置检测器，进一步包括马达，其中，所述马达能够与所述轴一起运转。

14.根据权利要求1所述的转动位置检测器，其中，所述光拦截器包括具有内部空间的大体锥形的元件，所述内部空间由侧壁限定并且设置为接收来自光源的光线，所述锥形元件具有通过侧壁以允许光线穿过的、具有大体相等面积的一对间隔设置的开口。

15.一种检测轴的转动位置的方法，该方法包括：

将光传递至具有轴的外壳的内部空间内，所述轴延伸通过所述外壳并且能够围绕其轴线转动；

利用设置在所述外壳的内部空间内的光检测器检测至少一些光线，其中，所述光检测器包括围绕所述轴的轴线成对设置的、第一数量的分段光传感器，每一对分段光传感器都包括一个“A”检测元件和一个“B”检测元件，这些成对设置的分段光传感器设置成使得每个“A”检测元件沿周向设置在两个“B”检测元件之间并且每个“B”检测元件设在在两个“A”检测元件之间，所述分段光传感器大体上被限定在与所述轴线平行的平面内；

采用光拦截器遮挡一部分光，所述光拦截器设置在所述外壳的内部空间内并能够与所述轴一起转动，所述光拦截器包括围绕所述轴线布置的、不透明的、具有大体相等表面积的第二数量的元件，第二数量等于第一数量的一半，从而被遮挡的那部分光不能到达所述光传感器，其中，所述光拦截器的外部延伸量不大于所述光传感器的外部延伸量，所述光拦截器包括马达轴的底部，该底部包括具有内部空间的大体圆筒形部分，该内部空间被设置为接收来自光源的光线，所述光拦截器的各元件包括由从所述马达轴的底部边缘伸出的相互间隔的开口分开的圆筒形部分的各段；和

处理从“A”检测元件和“B”检测元件接收的、与投射在其上的光量有关的信号，其中，“A”检测元件的信号和“B”检测元件的信号的差值与所述轴的转动位置有关，

其中，所述光传感器具有接收光的矩形表面，并且光传递步骤包括从大体与所述轴的轴线对准的单一光源发光。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述光拦截器的各元件的径向延伸量明显小于所述光传感器的径向延伸量。

17.根据权利要求15所述的方法，其中，所述光拦截器的各元件的径向延伸量不大于光传感器的内边缘的径向延伸量。

18.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第一数量的分段光传感器包括四个光传感器。

19.根据权利要求15所述的方法，其中，所述光传感器包括对光敏感的光传感器材料，并且投射在所述光传感器上的、每一单位面积上光的线性增加都引起输出信号的明显线性增加。

20.根据权利要求15所述的方法，其中，所述光拦截器的各元件包括遮光板。

21.根据权利要求15所述的方法，其中，所述光拦截器包括基本上透明的管，在所述管上施加有不透明元件。