CN1184455C - 光学传感器 - Google Patents

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Abstract

一种用以确定可移动表面的位置的传感器(10)，该可移动表面包括对于EMR具有高和低反射率的构图区域(7，8)，该传感器包括一个ASIC(22)、至少一个透镜以及至少一个EMR源(16)。该ASIC包括EMR传感探测器的至少一个阵列和处理装置，该EMR源有利于照射表面，该至少一个透镜(19)有利于从该表面所反射的EMR的聚焦以及在EMR传感探测器的至少一个阵列上产生与该表面上的构图相应的图像。所述ASIC、至少一个透镜以及至少一个EMR源全部被封装在一单一的壳体(15)中并且被集成为一单个的可更换模块，该壳体提供了对这些元件的精确光学对准，并且ASIC的处理装置有利于对图像的处理以便对表面上构图的位置加以确定。

Description

光学传感器
技术领域
本发明涉及用于确定一个或多个可移动表面的位置的光学传感器，其中这些表面包括对于电磁辐射(EMR)而言具有高和低反射率的构图区域(patterned region)。这些可移动的表面被设置在位移传感器、角度传感器和转矩传感器中。
背景技术
一般而言，这些传感器由用于照射至少一个可移动表面上的构图区域的至少一个EMR源、用以对从该表面反射的EMR进行聚焦的至少一个透镜或其它聚焦装置、以及用以接收聚焦图像的至少一个EMR传感阵列构成。构图由对于从EMR源发射的EMR具有高和低反射率的区域构成，并且通常被标记、连接或以其它方式施加在相应的可移动表面上。构图可以具有恒定的周期，但是也可以通过格式条码编成绝对的位置信息。这些传感器还需要对图像进行处理的装置以便对与可移动表面的位置相关的有意义的信息进行解码，还需要对此信息进行输出的装置。在共同未决的国际专利申请PCT/AU98/00645中，这些功能通过专用集成电路(ASIC)的阵列构造形成部分来实现。在本说明书中，所有这些部件的组合(包括各个可移动的表面)都将被称为“传感系统”。
在线性位移传感系统的情况下，在平移板的表面上施加构图。采用此原理的线性位移传感系统的一个例子在国际专利公开WO97/03338中公开。在此专利中，可移动的表面具有两个构图，这两个构图分别具有高反射率和低反射率。对于粗略的位置测量，采用粗糙的构图，对于精确的位置测量，采用精细的构图。
在角位移传感系统中，构图通常被施加在圆柱形的表面上，以基本上径向方向进行EMR的照射和反射，或者被施加在一个盘形的表面上，以基本上轴向方向进行EMR的照射和反射。也可以采用许多其它的轴对称的形状。所述类型的角位移传感系统的一个例子在德国专利申请DE19705312中公开。在此专利中清楚示出了EMR照射、聚焦透镜、阵列和处理构造的设置。
转矩传感系统还可以通过利用多个阵列(或者，例如一个单一的二维阵列)且具有根据所施加的转矩彼此相对沿周向改变位置的构图构造成。这种装置的一个例子在共同未决的国际专利申请PCT/AU98/00645中公开了。这个专利示出了利用上述基本原理来测量转矩的一个可能的方案。
在所有这些实施方案中，传感系统被支承在一个封闭罩中。这个封闭罩用于消除由于外来材料或外部EMR在可移动构图表面上产生的污物。构成传感系统的电气构件通常被安装在这个封闭罩内的印刷电路板(PCB)上，而其它固定的构件例如聚焦透镜(以及辅助构件)通常独立安装在这个封闭罩内。传感系统的固定构件需要相互精确地对准，这样就需要相对于可移动的表面正确地空间定位。这些装置的所有先有设计都需要拆开封闭罩以便修理或更换传感系统的所有或部分构件，如果这不是由一个有经验的人员完成的话，就可能导致固定和可移动传感系统构件的对准和空间定位的恶化，而这将会显著地降低传感系统的光学和电子性能。
本发明的本质在于提供一种包含传感系统的所有固定构件的可拆除的传感器模块。因此，这些固定的构件精确地相互对准并且被集成在传感器模块的壳体中。传感器模块则可以被安装在封闭罩中，而该封闭罩通过其上的一个孔围绕着传感系统的可移动表面，该孔被设计作为安装传感模块的“基准”。以这种方式，传感系统的各固定构件(在传感器模块中)相互对准并且相对于封闭罩内的可移动表面精确地空间安装定位。此外，传感系统的固定构件的更换可以通过将传感器模块作为一单一的构件加以更换来由一个未经受过训练的人员实现，同时能够保持对传感系统的固定和可移动构件的精确对准和空间定位。
发明概述
本发明由一种用以确定可移动表面的位置的传感器构成，该可移动表面包括对于EMR具有高和低反射率的构图区域，该传感器包括一个ASIC、至少一个透镜以及至少一个EMR源，该ASIC包括EMR传感探测器的至少一个阵列和处理装置，该EMR源有利于照射表面，该至少一个透镜有利于从该表面所反射的EMR的聚焦以及在EMR传感探测器的至少一个阵列上产生与该表面上的构图相应的图像，其特征在于，所述ASIC、至少一个透镜以及至少一个EMR源全部被封装在一单一的壳体中并且被集成为一单个的可更换模块，该壳体提供了对这些元件的精确光学对准，并且ASIC的处理装置有利于对图像的处理以便对表面上构图的位置加以确定。
优选的是，传感器的壳体还包括一个电连接器，处理装置还有利于将位置的数字或模拟电信号输出至电连接器。
优选的是，电连接器包括一个多脚插头。
优选的是，由至少一个EMR源发射的EMR穿过光导件。
优选的是，多脚插头还为传感器提供了电源。
优选的是，至少一个透镜形成了透镜系统的一部分，该透镜系统包括通过一个隔膜(iris)分隔开的至少两个透镜。
优选的是，至少一个透镜是折射、反射或衍射光学构件中的任何一个。
优选的是，至少一个EMR源包括一个发光二极管(LED)。
优选的是，ASIC被安装在一个PCB上，并且该PCB被安装在壳体中。
在本发明的某些实施方案中，所有的构成传感器模块的光电构件(包括ASIC和LED)利用表面安装装置(SMD)被安装在一单个的PCB上。LED可以具有备集成到其本体内的聚焦透镜，或者一个或多个光导件可以用于将EMR从LED传输给可移动表面，以便尽可能减小光损耗。这个光导件可以由一个模制的透明塑料管状体或实心体部分构成，或者可以采用纤维光学技术。
本发明所述类型的光电位置传感系统依赖于离散(即，不连续)的图像取样方法。因此，优选的是，LED根据一个预定的工作循环以高“接通”(“on”)电流以非常短的时间周期间断性地加以脉冲。“接通”电流事实上可以等同于LED的许多次稳态电流能量。这样就可以在不损坏LED的前提下获得更加高的瞬态光学能量发射。这也“选通”了可移动表面上的构图，因此在这些表面的更高的速度下减小了在阵列上的聚焦图像的“拖影”现象。优选的是，LED的工作循环的控制被包括在ASIC构造中。
优选的是，形成ASIC的一部分的至少一个阵列是一个一维或二维阵列，其采用了一个光电二极管或电荷耦合器件(CCD)技术。
至少一个透镜将从可移动表面反射的EMR加以聚焦并且在ASIC中在阵列上产生了一鲜明清晰的图像。透镜在传感器模块壳体中的安装确保了其聚焦性能和各可移动表面之间的几何关系，透镜和ASIC在取出或更换传感器模块时不会受到干扰。透镜可以包括一个标准的弯曲折射构件，它将通过透镜材料传送的EMR进行聚焦。或者，透镜可以包括一个反射的弯曲构件，它将从透镜材料的内或外表面反射的照射EMR进行聚焦。这些折射或反射透镜可以具有由简单的连续弯曲表面(例如球形或parboloidal)构成的光学表面，或者，这些表面可以是Freznel设置形式的不连续的表面。在其它实施方案中，透镜可以被设置为一个衍射构件。
在传感器模块形成早先提到的线性位移传感系统的一部分的情况下，在每一次取样时，可移动表面的线性位移、速度和加速度可以在可移动表面的位置的基础上在ASIC上通过模拟和/或数字处理计算出来。
在传感器模块形成早先提到的角位移传感系统的一部分的情况下，在每一次取样时，角位移、角速度和角加速度可以在圆柱形、盘形或其它轴对称形可移动表面的位置的基础上在ASIC上通过模拟和/或数字处理计算出来。
在传感器模块形成早先提到的转矩传感系统的一部分的情况下，转矩、转矩变化速度和转矩加速度以及上面提到的角位移传感系统中的那些变量也可以在ASIC上通过模拟和/或数字处理计算出来。在这个实施方案中，ASIC通常具有至少两个一维阵列，至少一个阵列检测一个构图。或者，一单个的二维阵列可以被安装在ASIC上。上面提到的以转矩为基的变量在每一瞬时通过测量两个分隔开的可移动表面的不同位置被计算出来，该分隔开的可移动表面由一个具有预定抗扭刚度的部件加以连接。适当的处理算法在共同未决的国际专利申请PCT/AU98/000645中公开，能够测量一个静止轴以及一个旋转轴的转矩，并且对于某些实施方案采用了条码构图，能测量静止轴以及旋转轴的绝对角位置。
优选的是，处理装置提供了对传感器模块的电连接器的输出的固定协议。具有许多用以将输出与其它装置、例如模拟电压加以连通的已知协议，可以采用脉冲宽度调制(PWM)和各种串行协议。输出协议也可以被“分裂”在电连接器中的多个电输出导体之间，即在各导线或插脚连接器之间。在一个实施方案中，传感器模块的一个输出协议是一个与一导体上的转矩成比例的模拟电压，一个同步的串行输出协议与另一个导体上的角位移连通。在另一个实施方案中，一单个的高位串行输出协议被用作将传感器模块、例如控制器区域网络(CAN)协议的各个变量值进行输出。
优选的是，EMR源和ASIC从同一个电压源发送出。该电压源优选通过同一个电连接器连接于传感器模块，该电连接器包含用于输出通信的导体。该电连接器可以被集成为传感器模块壳体的一部分，或者可以处在导线束的端部并且根据需要远离传感器壳体。
优选的是，传感器模块壳体由工程塑料和“原位”模制的传感器模块内部构件注射模制而成。这提供了对这些内部构件的坚固支承，并且能够防止未经授权就拆开传感器模块，这种做法可能会破坏这些内部构件的对准和空间定位。
附图简述
下面将参照附图借助于例子描述本发明，其中：
图1是示出传感器模块的一个实施方案的车辆电动转向(EPS)转矩、绝对角度和角速度传感系统的剖开透视图；
图2是示出所述组件的各个构件的关系的图1所示传感器模块的剖开透视图；
图3是图1所示传感器模块的剖开立视图；以及
图4示出具有表面安装的ASIC和两个LED的传感器模块PCB。
实施本发明的方式
图1示出通过滚动轴承3和4安装在封闭罩2中的转子组件1，该转子组件形成车辆中电动转向(EPS)系统的光电转矩、绝对角度和角速度传感系统的一部分。分别包括圆柱形激光构图表面7和8的两个构图盘5和6通过扭力杆9可旋转地连接。由此，施加在转子组件1上的转矩使构图表面7和8产生与该转矩成比例的小的相对周向位移。另外，转子组件1的旋转使得构图表面7和8产生同时的(以及可能较大幅度的)周向位移。
传感器模块10在空间上被插入封闭罩2的安装孔11中，并且由一个簧环12夹持住。O形圈13也是传感器模块10的一部分并且将封闭罩2和传感器模块10之间的界面密封住。多脚插头14形式的电连接器作为传感器模块10的塑料注塑壳体15的一部分被原位模制，从而有利于模块与相关EPS和车辆系统的电连接。
图2示出传感器模块10的透视剖开视图。两个LED16(在此视图中只能看见一个)形式的EMR源通过透明管状塑料光导件17照射圆柱形表面7和8。LED16可以在可见光谱中操作，然而已发现例如Siemens SFH480红外发射器的红外LED最适合于这些用在车辆上的传感器模块，因为它们具有宽的操作温度范围。
从构图表面7和8反射的EMR穿过管状光导件17中的孔18并且由一个球形透镜19被聚焦分别在一维阵列20和21上形成图像(图4)，这些阵列形成ASIC22的硅构造的一部分。透镜19被轴向固定在孔18中并且可以例如由透明玻璃或聚碳酸酯材料制成。特定的表面涂层可以用来降低光行差。也可采用以平面-球面透镜装置(未示出)和中间隔膜(圆形窗)组合形式的多透镜系统，以增加多透镜系统的场深。或者，也可以采用光学领域中周知的其它透镜装置。例如，除了标准折射透镜19，可以重新设置传感器模块10中的光学路径，使得透镜19是内或外反射或衍射透镜构件。
此外，安放在ASIC22上的处理装置构造23(图4)对在一维阵列20和21上聚焦的图像进行处理，以便确定构图表面7和8的绝对和相对位置。ASIC处理装置构造23还将这个绝对和相对位置数据转换成绝对转向角度和转矩数据，并且将此数据转换成用于插头14输出的串行协议。或者，在未示出的实施方案中，ASIC22的输出可以由例如Motorola MC68376的高位独立微控制器芯片进行处理，该芯片也被装在传感器模块10中。这样可以对ASIC输出进行非常特定的高位处理，并且能够容易地实现更加复杂(以及坚固)的串行通信协议、例如CAN。这个微控制器将会通过插头14输出高位信号。
传感器模块10的所有光电构件都被表面安装在PCB上(图4)。插头14的插脚连接件25也被直接焊接在PCB24上，且由此电连接于ASIC22。插头14的插脚连接件还为PCB24提供了一个或多个电压(例如+5V和+12V)和地电位(0V)的电源输入，以此为各个光电构件例如LED16和ASIC22通电。上面提到的独立的微控制器芯片(如果有的话)也将优选地安装在PCB24上。
传感器模块10的壳体15是塑料注射模塑的并且将传感系统的所有固定构件彼此相对地夹持在正确的空间方位，以确保正确的功能。壳体可以由高温度、高强度、和热稳定的塑料例如Hoechst FORTRONTM制造。壳体的模制特性使得不可能在未经允许的情况下在内部改动，由此确保传感器必须作为一个单元来更换，从而始终保持最佳的系统性能。
图3示出传感器模块10的剖面立视图，更加清楚地示出了其构件的几何关系。
图4示出具有表面安装的ASIC 22和两个LED 16的陶瓷PCB 24。五个插脚连接件25连接于PCB 24的后部并且端接于五脚插头14。
对于本领域的技术人员显而易见的是可以对传感器模块作出各种变化和改型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (9)

1.一种用以确定可移动表面的位置的传感器，该可移动表面包括对于EMR具有高和低反射率的构图区域，该传感器包括一个ASIC、至少一个透镜以及至少一个EMR源，该ASIC包括EMR传感探测器的至少一个阵列和处理装置，该EMR源照射表面，该至少一个透镜对从该表面所反射的EMR进行聚焦以及在EMR传感探测器的至少一个阵列上产生与该表面上的构图相应的图像，其特征在于，所述ASIC、至少一个透镜以及至少一个EMR源全部被封装在一单一的壳体中并且被集成为一单个的可更换模块，该壳体提供了对这些元件的精确光学对准，并且ASIC的处理装置对图像进行模拟和/或数字处理以便对表面上构图的位置加以确定。
2.权利要求1的传感器，其特征在于，传感器的壳体还包括一个电连接器，处理装置还将位置的数字或模拟电信号输出至电连接器。
3.权利要求2的传感器，其特征在于，电连接器包括一个多脚插头。
4.权利要求1的传感器，其特征在于，由至少一个EMR源发射的EMR穿过一个光导件。
5.权利要求3的传感器，其特征在于，多脚插头还为传感器提供了电源。
6.权利要求1的传感器，其特征在于，至少一个透镜形成了透镜系统的一部分，该透镜系统包括通过一个隔膜分隔开的至少两个透镜。
7.权利要求1的传感器，其特征在于，至少一个透镜是折射、反射或衍射光学构件中的任何一个。
8.权利要求1的传感器，其特征在于，至少一个EMR源包括一个脉冲LED。
9.权利要求1的传感器，其特征在于，ASIC被安装在一个PCB上，并且该PCB被安装在壳体中。
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