CN116724275A - 用于检测沿轴线的运动的仪器和方法 - Google Patents

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Abstract

用于检测沿轴线的运动的仪器和方法，用于取决于沿轴线可移位的控制器的轴向位置来提供控制信号的仪器。该仪器包括：用于与控制器一起沿轴线移动的部件；辐射源和检测器结构，被配置为将辐射引向目标区域并取决于从目标区域内反射的辐射来生成检测器信号；以及计算机处理器，被配置为处理检测器信号以确定与目标区域内的反射表面区域的距离或距离变化的度量，并使用该度量来提供控制信号。部件限定了穿过目标区域的反射表面，使得反射表面区域存在于目标区域内，其距离随部件沿轴线的轴向位置而变化。

Description

用于检测沿轴线的运动的仪器和方法
技术领域
本发明涉及一种用于检测控制器沿轴线的运动的仪器和方法，尤其是但不是必须地涉及一种用于与旋转编码器一起使用的方法和仪器。
背景技术
在传统机械手表的领域中，手表的“表冠”是从手表的边缘突出的按钮或旋钮，以允许用户设置时间和日期并控制其它功能。表冠固定到“杆”或轴上，该“杆”或轴是将表冠连接到内部机构的细长管。为了简洁起见，除非另有说明，下文中使用的术语“表冠”是指常规冠和杆的组合。
智能手表是传统手表的高级迭代，并且当然包括更多的特征，通常实现智能电话的许多功能。然而，许多这样的智能手表共同的是使用冠型旋钮以允许用户访问和控制功能。表冠的优点是它不仅允许用简单的按钮按压来控制某些“二进制”类型的操作，例如开/关，它还可以用于通过旋转来滚动通过许多功能状态。因此，通过滚动一定范围的数字，滚动菜单选项、缩放相机特征等，可以使用表冠的旋转来设置时间。图1示意性地示出了包括显示器131和表冠110的智能手表130的主体。还示出了一系列图形用户接口(GUI)屏幕132，其可用于与表冠(以及可能的其它开关和旋钮，图中未示出)一起控制智能手表。
为了执行这些操作，智能手表可以包括用于检测表冠围绕其旋转轴线的角位置以及沿着该轴线的位置的装置。该装置可以检测绝对位置以及旋转速度。这种装置通常称为“旋转编码器”(有时称为“轴编码器”)。由旋转编码器获得的度量可以被转换成模拟或数字输出用于进一步处理。旋转编码器可以包括一个或多个机械的、光学的、磁性的和/或电容性的部件。例如，旋转编码器可以实现为机电设备。当然，在智能手表的情况下，对于旋转编码器关键的两个因素是小型化和成本。
图2示出了用于(i)测量经由杆111联接到表冠110的旋转轴102的角位置和/或运动，以及(ii)检测旋转轴102的纵向运动的系统。系统150包括光学旋转编码器系统100、计算机系统154和由计算机系统154提供给它的显示控制信号156控制的显示器131。系统150可用于例如控制诸如智能手表的电子设备。
在插图图示A中示出了旋转轴102的端视图，从该插图中可以看出，多个凹槽104沿着轴的长度同轴地形成。旋转编码器100包括系统101，系统具有可操作以产生光的至少一个光产生元件105以及可操作以检测光并将检测到的光转换成信号的一对光检测元件106a、106b。显而易见的是，控制旋钮110的旋转引起旋转轴102的对应旋转，从而使得朝向光检测元件反射的光108a、108b被调制。由光检测元件106a、106b产生的电信号155被提供给计算机系统154，允许计算机系统解调信号，从而检测旋转轴102绕其轴线111a的旋转和位置。
系统150包括位于旋转轴102端部附近的开关接触机构152(例如，按钮机构)。此外，该系统包括弹簧元件151，该弹簧元件将旋转轴102偏置远离开关接触机构152。当用户不按压控制旋钮110时，旋转轴102远离开关接触机构152定位，并且开关接触机构152保持电断开。当用户向内(例如，沿箭头158的方向)按压控制旋钮/表冠110时，旋转轴102抵靠开关接触机构152按压，并使开关接触机构152电闭合。计算机系统154可以通过监测(例如，经由电线或柔性印刷电路板)控制信号153来检测开关接触机构152的断开和闭合，并相应地控制电子设备130的操作。
WO2019156629A1描述了对图1的旋转编码器的改进，其包括通过在给定的轴向位置处围绕旋转轴102引入另外的标记来替换开关接触机构152。当控制旋钮110处于其静止位置时，这位于轴的照明区域之外。然而，当按下旋钮时，另一标记移动到该照明区域中并产生反射光的调制，该调制可由光检测元件106a、106b和联接的计算机系统154检测。标记可以是例如与旋转轴的其余部分的反射金属表面形成对比的暗黑条带。WO2019156629A1的旋转编码器减少了总的部件数并且因此提供了降低成本的可能性。
US20190317454A1还描述了一种适用于智能手表的旋转编码器。该方法依靠从手表旋转轴反射的光与光源光的相干混合来检测轴的旋转。
发明内容
在所附权利要求中叙述了本发明的各方面。
各种实施例可以允许检测控制器沿着轴线的运动，而不管控制器的角度取向如何，从而允许该仪器另外包括旋转编码器。
附图说明
图1示意性地示出了已知的智能手表设计；
图2示出了具有轴向位置检测机构的一个已知的旋转编码器；
图3a-c示出了用于检测控制器的轴向位置的第一实施例；
图4a-c示出了用于检测控制器的轴向位置的第二实施例；
图5a-d示出了用于检测控制器的轴向位置的第三实施例；
图6示出了图5的实施例的轴向位置与距离的曲线；
图7a-c示出了用于检测控制器的轴向位置的第四实施例；
图8a-d示出了用于度量距离的各种光源和检测器结构；以及
图9a-b示出了将透镜结合到光源和检测器结构中。
具体实施方式
如上所论述，希望或甚至必须能够检测旋钮或表冠110沿旋转轴线202以及可能围绕该轴线的运动。参照图2描述了传统的机电结构。还已知在旋转轴102上使用可由光学装置检测的可见标记来指示这种轴向运动。这样的可见标记可以围绕参照图3至图12描述的偏心部件设置，使得它们在偏心部件轴向移动时由光源和检测器结构300检测。图13a-c示出了依赖于检测距离变化的可选结构，其中图3a示出了向设备(例如智能手表)内观察的结构的正面视图，而图3b和3c示出了该结构的侧视图。
在该结构中，在该示例中为圆柱体的部件400在给定轴向位置处具有其直径的阶梯变化。这产生两个不同的部分401’和410’，前者具有比后者更大的直径。较大部分401’在旋钮110的静止轴向位置(即，当旋钮未被按压时)位于光源和检测器结构300的照明区域内。当旋钮被压入时，例如抵抗由内部弹簧提供的阻力，较小的部分410’移动到照明区域中，如图13b和图13c之间的变化所示。可以检测在光源和检测器结构300与偏心部件的表面之间的距离的所得(阶梯)变化，并将其视为按钮按压的指示。无论部件400的旋转取向如何，都可以检测到按压。还应当理解，可以沿着偏心部件的长度提供多个阶梯变化，以允许检测不同程度的按钮按压。这种阶梯变化也可被用于检测将旋钮拉到伸展状态。
图4a-c示出了另一种结构，其中直径沿着偏心部件420的轴线线性变化(相对于旋转轴线成角度α)。通过这种结构，不仅可以确定特定轴向位置已经被越过(由阶梯指示)，而且可以定量地确定轴向位置。这种结构潜在地提供了用于控制设备的附加“自由度”。
图5a-d示出了另一种可选结构，其中部件430在中间轴向位置处设置有周向延伸的凹口432。凹口位于照明的正常区域之外，但是当按下旋钮110时，凹口在该区域内移动。旋钮的完全按压将凹口另一侧上的部件的轴向部分移动到照明区域中。因此，通过观察度量距离的短暂增加来检测按钮按压。类似地，旋钮的释放通过距离的随后临时变化来检测。通过图6的距离关于轴向位置的曲线进一步说明该结构的操作。
上述结构依赖于度量到相对于旋转轴线安装的部件的周围边缘的距离。图7a-c示出了采用替代方法的结构。在该结构中，光源和检测器结构位于与部件500的(最内)端轴向间隔开的位置处。光源和检测器结构沿基本上同轴的方向引导光束，使得光束入射到部件的端部上并从该端部反射。
图7a示出了使用提供单个距离度量的单个结构的光源和检测器结构。图7b示出了可替换的光源和检测器结构，其利用提供一对距离度量的一对这样的结构，光束的目标区域由“X”表示。使用一对光源和检测器结构提供了冗余且因此提高了可靠性和安全性。
上述机构非常适合用于智能手表中，在智能手表中需要使编码器小型化。导出的距离度量(例如直接度量或间接度量)可被用作或导出智能手表的控制信号。所描述的机构当然可应用于其它领域，包括但不限于常规的机电手表和智能手机。
现在考虑适合与上述实施例一起使用的光源和检测器结构，这些可以依赖于SMI(自混合干涉)。这是众所周知的技术，其中光从谐振光源(具有光在其中循环的光学谐振器)例如激光器发射，反射(或散射)光被反馈到谐振器中。反馈光与谐振器中的光相互作用，或者更准确地说，它通过干涉在光源中引入干扰。这种效应可以被感测到并且可以与和物体的相互作用有关，例如与到物体的距离或物体的速度(相对于光源/谐振器出射镜)有关。通过校准，可以将SMI结构的输出信号映射到距离。基于SMI的传感器可以制造得非常紧凑，因此很小，并且可以进行绝对距离和速度度量。多个VCSEL(垂直腔面发射激光器)可被用于SMI，其可被制造得非常小并且成本有效。
更详细地考虑这种方法，当谐振器和目标之间的距离改变时，VCSEL输出的光强度以正弦的方式变化。因此，检测器的输出也将正弦地变化。可以通过对输出信号中的条纹(峰和谷)的数目进行计数来获得距离变化的度量。
在图8a至图8d中示出了用于确定到反射/散射表面的距离的各种仪器：
图8a。利用光电二极管604a检测由VCSEL通过从目标反射而发射的光。由光电二极管的输出电流表示的发射光的强度可以与距离相关。
图8b。分束器606可以靠近出射镜定位，以使离开出射镜的大部分光通过并将其一小部分反射到光电检测器609。再次，所检测到的光强度可以与距离相关。
图8c。盖玻璃611位于光源和目标之间，使得发射光的一部分从盖玻璃反射回检测器604c。
图8d。光电检测器604d直接位于VCSEL之下，以检测谐振器内产生的光。
用于检测距离度量的替代结构可涉及监视光源的驱动信号，例如，
1)以恒定电流驱动光源，并确定电压变化；或
2)用恒定电压驱动光源，并确定电流的变化。
然而，电信号的噪声可能比光学获得的信号更大(图8a-d)。
本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。这些可包括，例如：
在从UV到IR的任何波长下操作激光器；
使用边缘发射激光器EEL、VCSEL、量子点激光器QDL或量子级联激光器QCL；
在VCSEL的情况下，VCSEL可以是正面或背面发射VCSEL；
在VCSEL的情况下，可以添加透镜633a以便将光束聚焦或将光束准直在盘或轴上，如图9a所示，或者可以使用背面发射VCSEL将透镜633b集成到VCSEL自身上，如图9b所示。
还应当理解，光源(和检测器)可以由任何其它合适的辐射源和检测器代替，例如在可见或不可见光谱(例如红外、紫外)中操作。
附图标记表

Claims (19)

1.一种用于取决于沿着轴线可移位的控制器的轴向位置来提供控制信号的仪器，所述仪器包括：
用于与所述控制器一起沿所述轴线移位的部件；
辐射源和检测器结构，被配置成用于将辐射引向目标区域并且取决于从所述目标区域内反射的辐射来生成检测器信号；
计算机处理器，被配置成处理所述检测器信号以确定与所述目标区域内的反射表面区域的距离或距离变化的度量，并且使用所述度量来提供所述控制信号，
其中，所述部件限定了穿过所述目标区域的反射表面，使得所述反射表面区域存在于所述目标区域内，具有随所述部件沿所述轴线的轴向位置而变化的距离。
2.根据权利要求1所述的仪器，其中，所述辐射源和所述检测器结构被配置为在基本上垂直于所述轴线的方向上将辐射引向所述目标区域，并且所述部件的所述反射表面围绕所述部件的周围区域延伸。
3.根据权利要求2所述的仪器，其中，所述部件基本上为圆形或椭圆形柱体的形状。
4.根据权利要求1所述的仪器，其中，所述辐射源和所述检测器结构被配置为在基本上平行于所述轴线的方向上将辐射引向所述目标区域，并且所述反射表面由所述部件的基本上横向的端部区域提供。
5.根据权利要求1所述的仪器，其中，所述部件限定以下中的一项：
凹槽或脊，围绕所述部件基本上周向地延伸；
所述部件的横截面形状沿所述轴线的阶梯变化；或
所述部件的横截面形状沿所述轴线的逐渐变细。
6.根据权利要求1所述的仪器，并且包括弹簧机构，用于沿所述轴线提供回复力，以抵抗所述控制器的按压。
7.根据权利要求1所述的仪器，其中，所述辐射源和所述检测器结构包括辐射源和辐射检测器。
8.根据权利要求7所述的仪器，其中，所述辐射源和所述辐射检测器基本上共处一地。
9.根据权利要求7所述的仪器，其中，所述辐射源和所述辐射检测器被设置在间隔开的位置处，并且所述仪器包括用于将辐射转向到所述辐射检测器的装置。
10.根据权利要求1所述的仪器，其中，所述距离是从所述辐射源到所述反射表面区域的距离。
11.根据权利要求10所述的仪器，其中，所述辐射源是VCSEL。
12.根据权利要求11所述的仪器，其中，所述辐射检测器是光电二极管。
13.根据权利要求1所述的仪器，其中，所述辐射源和所述检测器结构是用于可见光、红外辐射和紫外辐射中的一项或多项的源和检测器结构。
14.根据权利要求1所述的仪器，并且还包括旋转编码器，用于确定所述部件关于所述轴线的角位置或角位置变化。
15.一种包括根据权利要求1所述的仪器的手表，所述控制器是所述手表的表冠。
16.根据权利要求15所述的手表，所述手表是智能手表，并且所述计算机处理器被配置以使用经确定的距离或距离变化的度量来控制所述智能手表的一个或多个功能。
17.一种用于取决于可沿着轴线移位的控制器的轴向位置来提供控制信号的方法，所述方法包括：
使联接到所述控制器上的部件与所述控制器一起沿着所述轴线移位；
将辐射束引向目标区域并取决于从所述目标区域内反射的辐射生成检测器信号；
使用所述检测器信号来确定到所述目标区域内的反射表面区域的距离或距离变化的度量，其中，所述部件限定了穿过所述目标区域的反射表面，使得反射表面区域存在于所述目标区域内，具有随所述部件沿所述轴线的轴向位置而变化的距离；以及
使用所述度量来提供所述控制信号。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述距离是与辐射源和辐射检测器结构的辐射源或辐射检测器的距离。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述辐射源是VCSEL，并且所述辐射检测器是光电二极管。
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