CN117178169A - 旋转编码器 - Google Patents

Abstract

一种旋转编码器，用于根据可绕旋转轴线旋转的控制器的角位置提供控制信号。旋转编码器包括用于利用该控制器绕该旋转轴线旋转的部件；辐射源和检测器装置，被配置为将辐射导向目标区域并根据从目标区域内反射的辐射生成检测器信号；以及计算机处理器，被配置为处理该检测器信号以确定到该目标区域内的反射表面区域的距离或距离变化的度量，并且使用该度量来提供该控制信号。该部件限定穿过该目标区域的反射表面，使得反射表面区域存在于该目标区域内，其中距离随部件围绕该轴线的角位置而变化。

Description

旋转编码器

技术领域

本发明涉及旋转编码器，并且尤其是，尽管不是必须的，涉及用于根据手表表冠机构的角位置提供控制信号的旋转编码器。

背景技术

在传统机械手表领域，手表的“表冠”是从手表边缘突出的按钮或旋钮，允许用户设置时间和日期以及控制其他功能。表冠固定在“杆”或轴上，杆或轴是连接表冠和内部机构的细长管。为了简洁起见，下文中使用的术语“表冠”是指传统表冠和杆的组合，除非另有说明。

智能手表是传统手表的高级迭代，当然包括更多特征，通常实现智能手机的许多功能。然而，许多此类智能手表的共同点是使用表冠型旋钮，允许用户访问和控制功能。表冠的优点在于，它不仅允许通过简单的按钮按压来控制某些“二进制”类型的操作，例如，开/关，它还可以通过旋转的方式用于滚动许多功能状态。因此，表冠的旋转可以用于通过滚动数字范围来设置时间、滚动菜单选项、缩放相机特征等。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界面(GUI)屏幕132，其可被用于结合表冠(以及附图中未示出的可能的其他开关和旋钮)来控制智能手表。

为了执行操作，智能手表必须包括用于检测表冠绕其旋转轴线的角位置以及沿该轴的位置的装置。这种装置可以检测绝对位置以及旋转速度。这种装置通常被称为“旋转编码器”(有时称为“轴编码器”)。旋转编码器获得的测量值可被转换成模拟或数字输出以供进一步处理。旋转编码器可以包括一个或多个机械、光学、磁性和/或电容部件。例如，旋转编码器可以实现为机电设备。当然，在智能手表的背景下，旋转编码器的两个关键因素是小型化和成本。

图2示出了用于(i)测量经由杆111联接到手表的表冠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和显示器131，显示器由计算机系统154提供给它的显示控制信号156控制。例如，系统150可以用于控制诸如智能手表的电子设备。

插图图示A中示出了旋转轴102的端视图，从中可以看出，沿着轴的长度同轴地形成了多个槽104。旋转编码器100包括系统101，该系统具有至少一个可操作以生成光的光生成元件105，以及一对可操作以检测光并将检测到的光转换成信号的光检测元件106a、106b。显而易见，控制旋钮110的旋转产生旋转轴102的对应旋转，从而引起朝向光检测元件反射的光108a、108b的调制。由光检测元件106a、106b生成的电信号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包括靠近旋转轴102的端部定位的开关接触机构152(例如，按钮机构)。此外，该系统包括弹簧元件151，其使旋转轴102偏离开关接触机构152。当用户没有按压控制旋钮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压靠开关接触机构152，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，经由导线或柔性印刷电路板)控制信号153来检测开关接触机构152的打开和关闭，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，其涉及通过在给定的轴向位置处围绕旋转轴102引入其他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，其位于轴的照明区域的外侧。然而，当压下旋钮时，其他标记会移动到该照明区域中，并产生反射光的调制，该反射光的调制可被光检测元件106a、106b和联接的计算机系统154检测到。例如，标记可以是与旋转轴线的其余部分的反射金属表面形成对比的暗带。WO2019156629A1的旋转编码器减少了总部件数量，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。这种方法依赖于从手表转轴反射的光与光源光的相干混合来检测转轴的旋转。

诸如上面讨论的那些已知的旋转编码器相对复杂，因为它们使用许多部件，例如一个或多个光源和一个或多个光接收元件，它们需要相对于彼此精确对齐。尤其是具有精确标记的旋转轴线的构造可能非常复杂并且昂贵。

发明内容

在所附的权利要求中阐述了本发明的各个方面。

反射表面是基本连续和光滑的表面，使得方向根据部件的旋转方向在连续增加或减少的方向上变化。然而，可以在表面中提供一个或少量特征，以在表面中提供不连续性作为标记。

附图说明

图1示意性地示出了智能手表；

图2示意性地示出了已知的旋转编码器；

图3A-E示出了旋转编码器的位置；

图4示出了图3的旋转编码器的角位置与距离的曲线；

图5再次示出了具有照明光束的旋转编码器的位置；

图6和图7示出了替代的旋转编码器；

图8示出了图7的旋转编码器的角位置与距离的曲线；

图9示出了带有凹口的旋转编码器；

图10示出了图9的旋转编码器的角位置与距离的曲线；

图11示出了带有脊的旋转编码器；

图12示出了图11的旋转编码器的角位置与距离的曲线；

图13a-d示出了另一种旋转编码器；

图14示出了图13a-d的旋转编码器的角位置与距离的曲线；

图15a-b示出了另一种旋转编码器；

图16示出了图15b的旋转编码器的角位置与距离的曲线；

图17示出了另一种旋转编码器；

图18示出了图17的旋转编码器的角位置与距离的曲线；

图19a-c示出了另一种旋转编码器；

图20示出了图19a-c的旋转编码器的角位置与距离的曲线；

图21a-d示出了各种光源和检测器装置；

图22a-b示出了不同的VCSEL布置。

具体实施方式

参考图1的一般智能手表结构，现在将描述一种改进的旋转编码器，其依赖于相对于旋钮或表冠110的旋转轴线偏心安装的部件的原理。图3A-E中示出了基本原理，示出了偏心部件200的旋转位置序列，在这种情况下是圆柱体，从端部上看，旋钮的旋转轴线由附图标记202标识，并延伸到页面中。当然，轴线202保持固定。附图标记205指示光源和检测器装置的位置，而数字206a至206e指向位置205和偏心部件的照明表面之间的距离，假设来自光源的光“竖直”朝向轴线202。随着偏心部件200旋转(在图中按从左到右的顺序顺时针旋转)，该距离会变化。附图标记203a至203e指示围绕轴线202的旋转方向。图4绘制了y轴221上的距离(206a至206e)相对于x轴222上的角位置(0至360度)的变化。被测量的距离，无论是直接度量还是间接度量(即，随距离变化的信号)，都可以被用于提供控制信号。

应当理解，通过测量距离206，或者更确切地说，取决于距离的一个或多个参数，可以直接确定旋钮110的角位置。这在图5A-E的序列中进一步示出，显示了光源和检测器装置300(位于位置205)、朝向偏心部件200发射的光301a-e和从偏心部件200反射的光302a-e。标识符“X”指示光指向的目标区域。

还应进一步理解，偏心部件不必是圆柱体，而是可以具有其他横截面。图6示出了例如具有相对于旋转轴线202偏心安装的椭圆形横截面的部件200a。这种装置的距离与角位置的曲线具有类似于图4中所示的圆柱形部件的形状。图7示出了偏心部件200b的又一示例，该部件具有遵循大致螺旋路径的圆周，该路径在位于相对于旋转轴线202的轴向平面中的面204处从最内点返回到最外点。图8示出了这种装置的距离与角位置的曲线，从中可以看出，假设顺时针旋转，该曲线由距离增加的区域223组成，这些区域被急剧(实际上是瞬时)变化分开。当然，图7的装置的优点是可以通过观察斜率变化方向来确定旋转方向(顺时针或逆时针)。距离增加表示顺时针旋转，而方向减少表示逆时针旋转。曲线中的急剧变化提供了“复位”位置，可以用于校正曲线其他区域的漂移。

图9示出了偏心部件200的又一实施方式。为了允许确定旋转方向，该部件设置有一对径向相对的凹口211a、211b。它们沿着部件的长度同轴延伸，或者至少在被光源照射的部分上延伸。凹口相对于部件的最大和最小距离点(相对于光源和检测器装置300测量)围绕圆周稍微偏移。偏移进一步由图10中所示的距离与角的曲线示出，其中由数字225a和225b标识测量到凹口的距离。假设旋钮110处于对应于最大距离的位置，通过观察指示通过凹口211b的检测信号是否存在变化，可以确定后续旋转是顺时针方向还是逆时针方向。如果是，则旋转是顺时针方向，如果不是，则旋转是逆时针方向。类似地，对于旋钮的起始位置处于对应于最小距离的位置的情况。当然，对于介于最大和最小距离之间的位置之间的移动，可以通过分析所确定的距离变化的斜率来确定方向。图11和12示出了类似的装置，但是其中方向指示由来自偏心部件200的凸起216a、216b而不是由凹口来实现。

如上面已经讨论过的，希望或者甚至需要能够检测旋钮或表冠110沿着旋转轴线202以及围绕该轴线的运动。参考图2描述了传统的机电装置。还已知在旋转轴102上使用可以通过光学装置检测的可见标记来指示这种轴向运动。这种可见标记可被设置在关于图3A-E至12描述的偏心部件周围，使得当偏心部件轴向移动时，它们被光源和检测器装置300检测到。

上述装置依赖于测量相对于旋转轴线偏心安装的部件的周向边缘的距离。图13a-d示出了采用替代方法的装置，即提供部件500的端面，该端面位于与横向于旋转轴线的平面偏移角度β的平面中。图13a示出了端视图，即，沿着部件的轴线，图13b示出了部件在A-A上的轴向横截面侧视图，图13c和13d示出了部件在第一角位置和相对于第一角位置旋转180度的第二角位置的侧视图。在这种装置中，光源和检测器装置位于与部件500的(最内)端轴向间隔开的位置515。光源和检测器装置在基本同轴的方向上引导光束，使得光束入射到部件的端部并从部件的端部反射。随着部件旋转，光源和检测器装置与部件的端部之间的距离平滑地变化，如图14的曲线所示。图13c和13d示出了针对部件500的两个所示角位置测量的距离516a、516b。

图15a示出了用于图13a-d的实施方式的光源和检测器装置，其使用提供单个距离测量的单个装置。图15b示出了替代光源和检测器装置，其利用一对这样的装置提供一对距离度量，光束的目标区域由“X”指示。结果曲线如图16中所示。一对光源和检测器装置的使用提供了冗余，因此增加了可靠性和安全性。

图17通过端视图示出了图13a-d的装置的修改，其依赖于类似的端部曲线，增加了当轴向观察时沿径向延伸穿过端部的凹口(由凹口部分531、532组成)。这产生了图18中所示的距离与角位置的曲线，其包括分别到最小距离和最大距离一侧的部分531a和532a。与图9的实施方式一样，这种装置允许进行旋转方向的确定。

图19a是允许检测端部曲线的另一装置的端视图，而图19b示出了B-B上的横截面图。图19c示出了该装置的侧视图。这种装置类似于图7的装置，因为图20中所示的距离曲线在单个(轴向方向)上连续变化，除了在端部提供基本上径向延伸的面的阶梯变化605。与图7的装置一样，这种装置允许通过分析方向变化的斜率来确定旋转方向。

上述旋转编码器非常适合在需要编码器小型化的智能手表中使用。导出的距离度量，无论是直接度量还是间接度量，都可以用作或用于导出智能手表的控制信号。所描述的旋转编码器当然可以应用于其他领域，包括但不限于传统的机电表和智能手机。

现在考虑适合与上述实施方式一起使用的光源和检测器装置，这些可以依赖于SMI(自混合干涉)。这是一种众所周知的技术，其中光从共振光源(具有光在其中循环的光学谐振器)发射，例如激光器，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。可以感知这种效应，并且可以与同物体的相互作用相关，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)相关。通过校准，可以将SMI装置的输出信号映射到距离。基于SMI的传感器可以做得非常紧凑，因此体积很小，并使绝对距离和速度测量成为可能。VCSEL(竖直腔表面发射激光器)可以用于SMI，其可以做得非常小并且具有成本效益。

更详细地考虑这种方法，VCSEL输出的光的强度随着谐振器和目标之间的距离的变化而正弦变化。因此，检测器的输出也将正弦变化。通过对输出信号中条纹(波峰和波谷)的数量进行计数，可以获得距离变化的测量。

在图21a至21d中示出了确定到反射/散射表面的距离的各种装置：

图21a.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指示的发射光的强度可以与距离相关。

图21b.分束器606可以靠近出射镜定位，以使从出射镜出射的大部分光通过，并将其一小部分反射到光电检测器609。同样，检测到的光强度可以与距离相关。

图21c.盖板玻璃611位于光源与目标之间，使得一部分发射光从盖板玻璃反射回检测器604c。

图21d.光电检测器604d位于VCSEL的正下方，以检测谐振器内生成的光。

用于检测距离度量的替代装置可以涉及监测光源的驱动信号，例如，

1)用恒定电流驱动光源，并且确定电压的变化；或者

2)用恒定电压驱动光源，并且确定电流的变化。

然而，电信号可能比光学获得的信号噪声更大(图21a-d)。

本领域技术人员将会理解，在不脱离本发明范围的情况下，可以对上述实施方式进行各种修改。例如，这些可以包括：

在从紫外到红外的任何波长下运行激光器；

使用边缘发射器激光器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可以是前侧或后侧发射VCSEL；

在VCSEL的情况下，如图22a中所示，可以添加透镜633a，以便聚焦光束或准直圆盘或轴上的光束，或者可以使用后侧发射VCSEL将透镜633b集成到VCSEL本身上(图22b)。

还将理解，光源(和检测器)可以由任何其他合适的辐射源和检测器代替，例如在可见或不可见光谱中运行，例如，红外线、紫外线。

参考标记列表

Claims (23)

1.一种旋转编码器，用于根据可绕旋转轴线旋转的控制器的角位置提供控制信号，所述旋转编码器包括：

与所述控制器一起绕所述旋转轴线旋转的部件；

辐射源和检测器装置，被配置为将辐射导向目标区域并根据从所述目标区域内反射的辐射生成检测器信号；

计算机处理器，被配置为处理所述检测器信号以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，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，其中距离随着所述部件围绕所述轴线的所述角位置而变化。

2.根据权利要求1所述的旋转编码器，其中，所述辐射源和检测器装置被配置为在基本上垂直于所述轴线的方向上将辐射导向所述目标区域，并且所述部件的反射表面围绕所述部件的周向区域延伸。

3.根据权利要求2所述的旋转编码器，其中，所述部件基本上是轴线偏离所述旋转轴线的圆形或椭圆形圆柱体的形式。

4.根据权利要求2所述的旋转编码器，其中，所述部件提供反射表面作为围绕所述旋转轴线的螺旋表面。

5.根据权利要求2所述的旋转编码器，其中，所述反射表面包括限定所述部件绕所述轴线旋转时所述距离的一个或多个不连续性的一个或多个特征。

6.根据权利要求5所述的旋转编码器，其中，该特征或每个特征由基本上平行于所述旋转轴线延伸的槽或脊提供。

7.根据权利要求1所述的旋转编码器，其中，所述辐射源和检测器装置被配置为在基本上平行于所述轴线的方向上将辐射导向所述目标区域，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。

8.根据权利要求7所述的旋转编码器，其中，所述横向的端部区域位于与垂直于所述轴线的平面偏移的平面中。

9.根据权利要求7所述的旋转编码器，其中，所述横向的端部区域呈现螺旋反射表面。

10.根据权利要求7所述的旋转编码器，其中，所述反射表面包括限定所述部件绕所述轴线旋转时所述距离的一个或多个不连续性的一个或多个特征。

11.根据权利要求10所述的旋转编码器，其中，该特征或每个特征是在相对于所述轴线的主要径向方向上从所述轴线延伸的脊或槽。

12.根据权利要求1所述的旋转编码器，其中，所述辐射源和检测器装置包括辐射源和辐射检测器。

13.根据权利要求12所述的旋转编码器，其中，所述辐射源和所述辐射检测器基本上位于同一位置。

14.根据权利要求12所述的旋转编码器，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，并且所述旋转编码器包括用于将辐射转移到所述辐射检测器的装置。

15.根据权利要求1所述的旋转编码器，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。

16.根据权利要求15所述的旋转编码器，其中，所述辐射源是VCSEL。

17.根据权利要求12所述的旋转编码器，其中，所述辐射检测器是光电二极管。

18.根据权利要求1所述的旋转编码器，其中，所述辐射源和检测器装置是用于以下一项或多项的源和检测器装置：可见光、红外线辐射和紫外线辐射。

19.一种包括根据权利要求1所述的旋转编码器的手表，所述控制器是所述手表的表冠。

20.根据权利要求19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为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。

21.一种根据可绕旋转轴线旋转的控制器的角位置提供控制信号的方法，所述方法包括：

使联接到所述控制器的部件与所述控制器一起绕所述旋转轴线旋转；

将辐射束导向目标区域并根据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，其中距离随着所述部件围绕所述轴线的角位置而变化；以及

使用所述度量提供所述控制信号。

22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述距离是与辐射源或者与辐射源和辐射检测器装置的辐射检测器的距离。

23.根据权利要求22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。