CN1237329C - 确定可回转元件角度位置的轴向发光二极管检测器 - Google Patents

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Abstract

一种位置检测系统(12)，用于确定可回转元件(14)的角度位置，此检测系统(12)具有一单个光源(46)，用于沿可回转元件(14)的纵向轴线方向生成一均匀广角光场，多个扇形检测器环绕可回转元件圆周对准，以接受从光源(46)来的光，光遮挡器(30)与可回转元件(14)连接，随之绕纵向轴线旋转，用以周期性地遮挡投射到光检测器上的一部分光。光源与检测器间的空间(B)内，除光遮挡器(30)外，本质上没有任何物体，于是，从光源(46)来的光中，至少未被光遮挡器(30)遮挡的那一部分光，可直接投射到检测器上。检测器的线性输出用于检测可回转元件(14)的角度位置。

Description

确定可回转元件角度位置的轴向发光二极管检测器
                        横向对比文件
本申请要求美国专利申请No.09/061,935的优先权，该专利申请由本发明人于1998年4月17日提交。
                          发明背景
本发明总体涉及能确定运动元件角度位置的装置，更具体说，涉及一种光学位置检测器，该检测器依靠一种轴向对准的发光二极管光源，这种发光二极管保证了位置检测器整体尺寸减小。
旋转元件，例如有限旋转马达(limited rotation motors)，常常需要精确测量其回转位置，例如在使用旋转镜来控制激光束的角度位置。有多种各不相同的方法，可用于传感与检测旋转运动。这些检测器对于某些使用类型许多是可以接受的，但存在种种缺点或对于其它应用类型不能的得到令人满意的结果。
已发现使用不同的差动变压器的技术存在不足，因为它们对于磁场的存在极为敏感。各种电位器已发现存在过大的机械滞后特性，而且，特别是在角度位置的平衡区域即零区域附近使用时，经受振动和颤动，这将导致接触磨损问题。此外电位器由于其机械运动而面临寿命有限的共同问题。
电容传感器系统尽管能极精确，却需要设置在系统内的(on-board)、能对电容器系统生成激励的振荡回路。这就难于将这种电路包装在一个小的空间，从而本质上增加了制造成本。再者，所设置运动的不导电蝶形元件具有巨大的惯性，这种惯性对于较小尺寸电机总惯性的增大变成大的贡献者。运动板式(moving plate)电容传感器可能具有低的惯性，却因一系列其它缺点而受到损害，其中包括对轴的径向运动高敏感度和随温度变化而产生高的输出漂移。
基于使用光检测技术的位置检测器，也因随时间增长而温度不稳定例如漂移问题而受到损害。光检测装置对振动敏感，并常常产生本质上为非线性的运行，即使在较小范围的旋转运动。其它使用从扩散器反射光结合成像物镜的光学装置，存在信号生成较低、精度差、尺寸大而导致高制造成本等问题。单光源/双光电器件的光学位置检测器对轴的径向运动敏感。这一因素极为重要，因为它影响角度位置的重复性。即使转轴有不希望的小的径向运动，本质上对于检测器输出精度存在不利的影响。
在转让给本申请受让人的美国专利No.5,671,043提出的位置检测器本质上克服了现有技术中位置检测器的上述问题。但是，如果可能，希望从根本上减小这种光学检测器的尺寸，以更进一步提高其测量精度而不损失这一系统的优点。
因此，本发明的目的之一在于提供一种光学位置检测器，该检测器能精确地检测可回转元件的角度位置。
本发明的另一目的在于提供一种位置检测器，该位置检测器的尺寸大为减小。
本发明的另一目的在于减少其组成元件数、简化装配并总体降低光学位置检测器的制造成本。
发明概述
本发明的上述目的以及另外其它目的和优点，通过下面所说明的本发明实施例实现。
本发明的光学位置检测器最好设置成邻近一扫描器的一端。本发明依赖于利用一种具有独特形状的遮挡元件(推荐为蝶形)，该元件固定在构成扫描器一部分的轴端。遮挡元件用于部分遮挡四个大面积扇形光敏元件所接受的光，该光是由单一的发光二极管光源发射的。
本发明功能的关键在于，将光源设置在尽可能靠近光敏元件处。此外，蝶形遮挡元件也是重要的，此蝶形元件与转轴通过键连接，并随转轴旋转，也设置在级靠近光敏元件处。光源生成一种均匀广角光场光(uniformwide-angle field of light)，该光能同时照射全部光敏元件。这样，本发明之位置检测装置作到尽可能紧凑。此外，光源紧接近光敏元件，增加了所接受辐射的强度，因此增加了信号的生成。上述全部功能的实现，不需要在蝶形遮挡元件与光源之间和遮挡元件与光敏元件之间插入元件。
广角光源的使用使单个发光二极管能在本发明使用。单个发光二极管光源，即使在光源设置在十分靠近光敏元件处时，能同时照射全部四个光敏元件。照射到光敏元件的光沿圆周均匀分布的。这一点对于获得高测量精度是极为重要的。当蝶形遮挡元件以递增角度旋转，它递增地覆盖和解除覆盖新的光敏元件面积。为使装置的输出呈线性，新的增量区域必须像先前增量区域那样产生相同的变化。这就要求光强在圆周均匀分布，从而使这种形式的发光二极管在本发明中的使用。
当蝶形遮挡元件旋转或摆动时，使得两个光敏元件暴露出更多的面积，而使另外两个光敏元件暴露更少的面积。光敏元件用对角交叉连接(diagonally cross-connected)，因此，一对光敏元件求和输出增加而另一对减小。这些求和输出随后连接至差动放大器的相反两边，以生成最终的双向线性输出。这种交叉连接技术具有大大降低光敏元件对转轴的径向和轴向运动误差的敏感性。
在本发明装置工作时，光敏元件产生一正比于总辐射能的电流，此辐射能是从单个光源照射到光敏元件的激励表面。由于光强恒定，光敏元件的输出正比于其暴露在光线下的的面积。在直径上处于相反两端的一对光敏元件所产生的电流被求和，随后连接至差动放大器的的两端以生成最终的输出。由光敏元件的最终输出代表可回转或可振荡转轴的角度位置(转角)。
为了更好地了解本发明及本发明另外的其它目的，提供了一至多个推荐实施例的附图和详细说明，本发明的范围将在所提权利要求中指出。
                          附图简介
图1为本发明一推荐实施例之设置在光学位置检测器上一运动磁扫描器的横截面图；
图2为图1所示运动磁扫描器的前视图，是从图1中II-II线处观察；
图3A和3B分别为遮挡元件的蝶形设计的侧视图和前视图，该遮挡元件用于部分覆盖光敏元件的光敏区域，该光敏元件用于本发明的光学位置检测器；
图4为本发明之光学位置检测器所用两光电器件之一的前视图；和
图5为光电器件板组件的前视图，包括本发明所用PC板架。
                  对推荐实施例的详细说明
参看附图中的图1和图2，此图描绘了本发明之一推荐实施例，该实施例包括一旋转装置，例如一设置在光学位置检测器中的运动磁铁扫描器10。尽管此光学位置检测器是关于运动磁铁扫描器的说明，应当认识到，本发明的本实施例和其它实施例能加入和利用于任何检测和传感旋转或摆动运动的装置，只要这些装置需要检测或传感旋转运动或摆动运动。
更具体地说，运动磁扫描器10包括，但并不局限于，一可旋转轴或轴组件14，该轴组件安装在一构成扫描器体的线圈架16内，以实现旋转运动或摆动运动。轴组件借助于一对轴承18和20安装就位。由于运动磁扫描器确切的细节对于了解本发明并不必要，其其余组成部分就没有必要进一步说明。
继续参看图1和图2，光线位置检测器设置在运动磁扫描器的一端22，而另一端最好有一镜子(未示出)，设置在转轴端部25。镜子可借助于任何传统的方法直接固定在转轴端部，该轴通常是指扫描器的输出轴。正是此镜子的旋转运动或摆动运动对其它固定在转轴上的其它组成部分进行检测。在下面的说明中将可互换地使用“旋转”、“旋转的”、“摆动”、“摆动的”等术语表述转轴14的旋转运动和摆动运动两者。再有，术语“旋转”、“旋转的”、“转动”、“可转动”既包括完全的旋转运动也包括部分的旋转运动即摆动、摆动的、精确的、过渡的或振荡运动。任何这些旋转运动自然可转换成直线运动也可由直线运动转换而来，且任何这种二维运动可转换成三维运动，也可由三维运动转换而来。
仍参看附图，对本发明之光学位置检测器12的各组成部分进行更详细地说明。如图所示，一蝶形遮挡元件30(在附图3A和3B中清楚地示出)固定在转轴的端部32处。蝶形遮挡元件30沿径向延伸，如图1、2、3A和3B所示，于是部分地遮挡扇形光敏元件34、36、38和40的四个大区域面积，该光敏元件分别构成一对双元件光电器件42、44。这种双元件光电器件42在附图4中清楚地示出。光电器件42和44绕转轴圆周设置，形成与转轴径向相距一段距离的圆的几段圆弧。光电器件42和44相对于遮挡元件30的位置在图2中示出。光电器件42和44的光敏区(光敏元件34、36、38和40)部分被蝶形遮挡元件30覆盖，该元件用不透明材料制成，对此将在下面更全面地说明。
蝶形遮挡元件30对于转轴及其旋转是关键。此外，遮挡元件30的背面距光电器件表面一较小距离A，大约为0.005至0.010英寸。这就生成一投射至光敏元件表面清晰限定的窗口边(shadow edge)。这样，散射光就极少有甚至没有机会绕遮挡元件逸散至后面而损害照射区与非照射区鲜明的反差(对比度)。此外，蝶形遮挡元件30的外径足够大以便覆盖光敏区，从而有助于消除与转轴14之不希望的径向运动相关的问题。
与转轴14轴向对准并沿轴向延伸的，是一单个发光二极管光源46，该光源照射四个光敏元件34、36、38和40未被蝶形遮挡元件30所遮挡的部分。本发明运行有效的关键在于光源46尽可能靠近光敏元件，例如距离B大约为0.1至0.15英寸。光源46应生成能同时照射全部四个光敏元件的均匀广角光场。这样，位置检测器的尺寸可尽可能紧凑。此外，光源46紧靠近光敏元件，增强了所接受辐射的强度，从而增强所生成的信号。实现全部这一切，并不需要加入插入元件于其间。
下面对发光二极管光源46详细说明。本发明使用单个发光二极管照明器即光源46。光源46固定在扫描器壳体21上，并直接对准旋转轴线。光源的光直接投射向光电器件阵列。在发光二极管壳体21内侧设置一小芯片47，该芯片是实际辐射源。芯片47用一清洁透明的环氧树脂曲线窗49所覆盖。小的芯片尺寸与窗49的折射特性相结合使发光二极管起到点光源的作用。光在向前方向上、在全部角度是均匀强度分布。这是一种广角辐射器。这对于了解本发明位置检测器的全部功能是重要的。广角光源意味着，即使当发光二极管光源46设置在极其靠近光敏元件处，可使用单个发光二极管来同时照射全部四个光敏元件，以便提供一种尽可能紧凑的尺寸。此外，投射到光敏元件上的光在圆周上是均匀的。这对于获得高精度是关键。当蝶形遮挡元件30以递增角度转动，它递增地对光敏元件区域面积覆盖与解除覆盖。这就要求先强在圆周均匀，从而使这种类型的发光二极管光源在本发明中得以应用。
发光二极管光源46的的例子可以是L2690发光二极管，不过，应当认识到，能满足上述要求的任何其它形式的光源也可用于本发明。发光二极管光源设计成以十分接近均匀的强度照射整个半球内部。
当蝶形遮挡元件30旋转(摆动)，它使两光敏元件36和38上更多的面积暴露，而使两光敏元件34和40上更少的面积暴露。光敏元件是对角交叉连接的，于是从一对光敏元件的求和输出增加而从另一对光敏元件的求和输出减小。这些求和输出随后通过导线连接至差动放大器的两边，以生成最终的双向线性输出。此求和技术与美国专利No.5,671,043所提出的求和技术和程序是一致的，该专利在此是作为横向参考文件。此处提供的交叉连接技术在大大减小传感器对径向和轴向运动误差的敏感度方面有效。因此，本发明之位置检测器可经受转轴14的弯曲和/或转轴的跳动而不致生成等效于转轴旋转的输出。
更具体地说，如图3A和3B所示，蝶形遮挡元件30最好是用塑料喷注模塑技术制成，从而可为极低的成本而设计。应当认识到，等效的技术和材料也可用于制造此种元件。由于塑料通常刚性并不很好，具体的蝶形遮挡元件30包括肋条48，用于起刚性增强件的作用以提高抗振频率。这些增强元件即肋条48如图3B所示。元件30还包括模制而成的键槽平面50，该键槽平面使遮挡元件30将自动对准转轴14。蝶形遮挡元件30的自对准使其能正确对准光电器件阵列的光电器件42、44。
现参看图5，该图清楚地示出了由光敏元件(激活区)34和36构成的双元件光电器件阵列45中的一个光电器件42。光敏元件均连接至光电器件板组件52，如图5所示。尽管在图4中未示出，双元件光电器件44本质上与光电器件42一致。光电器件42和44最好是用晶片平版印刷术(wafer lithograph)制成的硅芯片的形式。光电器件激活区即光敏元件34、36、38和40为扇形，以与蝶形遮挡元件30的形状相适应。这种设置使本发明之光线位置检测器12能生成对应于转轴转角呈线性的输出。图5还示出了光敏元件芯片42和44与印刷线路板52的连接，其中，芯片与线路板的连接是用导线连接粘接制成以便于制造。
光电器件板56是用户化设计的。激活的光电器件区(光敏感区)为扇形，并制成与蝶形遮挡元件30的形状匹配。扇形的角度范围制成略大于位置检测器预定的检测范围。略微超出范围是必要的，这是考虑到制造公差。不过，并不希望将扇形制得过大，即不希望充满四分之一圆周。因为，额外暴露光电器件面积并不必要。它们存在产生所不希望的系统噪声的负面影响。
在工作中，当转轴14旋转或摆动一有限的转动角度，随转轴旋转的遮挡元件30，阻止一部分从发光二极管光源发射的光到达此对双元件光电器件42和44。遮挡元件30设置成使其在其满转位置(fully rotatedposition)，如图2中所示，能完全且同时阻止光源46发射的光线到达在直径上相反位置的光敏元件34和40。在满转位置的另一端，遮挡元件30能阻止光线到达光敏元件36和38。在转轴14的零位，每一光敏元件34、36、38和40的一半是被覆盖的。
当转轴14转动或者，更具体说转轴摆动时，光敏元件34、36、38和40因此被遮挡或不被遮挡。遮挡元件30吸收而不是反射从光源46发出的光。因此，遮挡元件30用不反射的不透明材料制成。
光敏元件34、36、38和40产生正比于投射到它们的激活表面总辐射能的电流。由于光强恒定，光敏元件的输出正比于暴露在光中的面积。设置在直径相反两侧的一对光敏元件产生的电流是求和后然后通过导线传导至差动放大器的相反两边以生成最终输出。具体的求和技术在美国专利No.5,671,043更清楚地做了陈述，该专利在此作为对比文件。实现光敏元件对的交叉连接还保证了抵消因转轴在任何方向可能的径向运动而导致的误差是重要的。误差抵消是由于暴露面积的对角互连的求和在遮挡元件有平移运动的情况下仍保持恒定。这可以从检查被遮挡元件所覆盖光电器件面积的微分几何学可以看出。因此，径向平移运动并不产生对应于转轴旋转的等效输出。
类似的补偿发生在有误差的转轴轴向运动。不过，发生补偿效应的方式略有不同，是由于光照系统对称共轴(on-axis)几何学的结果。这是通过研究当蝶形遮挡元件处于零位时的效应得出的最佳解释。如果蝶形遮挡元件现在沿轴向运动，即沿旋转轴线移动，全部四个光电器件暴露的面积将有小的但却是相等的改变。由于上述求和然后差分放大器的技术(summing-then-differencing amplifier technique)，最后输出信号将没有净变化(net change)，因此，对于轴向运动不敏感。从光敏元件的最终输出代表可回转(可摆动)转轴14的角度位置(旋转角度)。
尽管对本发明已结合具体实施例给予了说明，应当认识到在所提权利要求的精神和范围内，本发明还能有各种其它的实施例。

Claims (26)

1.一种位置检测器(12)，用于检测可回转元件的角度位置，该元件具有一沿轴向延伸的纵向轴线，位置检测器(12)包括：
一单独光源(46)，用于沿纵向轴线方向照射向一均匀广角光场；
多个扇形光检测器(42，44)，对准环绕可回转元件的圆周，用于接受从所述光源(46)投射的光，所述检测器(42，44)环绕纵向轴线设置，并距所述光源(46)一段距离，成对的所述多个扇形光检测器是在直径上相面对设置并电气连接在一起，每一所述在直径上成对连接的检测器保证了线性输出；
光遮挡器(30)，可操作地与可回转元件连接以随之绕纵向轴线旋转，用于周期性地遮挡从所述光源(46)照射到所述光检测器(42，44)的一部分光，所述光遮挡器(30)具有一表面，该表面距所述光源(46)一段距离，而其另一表面距所述光检测器(42，44)一段距离，所述线性输出与受控于光遮挡器(30)的旋转位置的暴光面积成正比；和
输出装置(52)，用于接收每一对相互连接的检测器的线性输出作为输入；和装置(52)用作对各输出彼此求和以保证对可回转元件的角度位置的测量。
2.如权利要求1所述的位置检测装置，其中，所述多个扇形光检测器包括四个扇形光检测器。
3.如权利要求1所述的位置检测装置，其中，所述光源与检测器间的空间内，除光遮挡器外没有任何物体，因此，从光源来的光直接照射到光遮挡器没有遮挡的所述检测器上的那些部分，而不经过任何其它物体。
4.如权利要求1所述的位置检测装置，其中，所述光遮挡器与光检测器之间的空间内没有任何物体。
5.如权利要求2所述的位置检测装置，其中，所述光遮挡器与光检测器之间的空间内没有任何物体。
6.如权利要求1所述的位置检测装置，其中，所述光遮挡器的另一表面与检测器的光敏感区间的间距大约0.005-0.010英寸。
7.如权利要求1所述的位置检测装置，其中，光源的光发射器与光检测器的光敏感区间的间距大约0.1-0.15英寸。
8.如权利要求1所述的位置检测装置，其中，所述光遮挡器为蝶形外轮廓，并包括用于保持所述光遮挡器刚性的装置。
9.如权利要求8所述的位置检测装置，其中，所述光遮挡器用塑料制成。
10.如权利要求8所述的位置检测装置，其中，所述光遮挡器用不反射、不透明的材料制成。
11.如权利要求1所述的位置检测装置，其中，每一所述多个扇形光学检测器包括一具有预定形状的光敏感表面，而所述光遮挡器制成具有两遮挡光的扇形部，每一所述扇形部设置成与所述扇形光检测器之一的所述光敏感表面的预定形状相匹配。
12.如权利要求1所述的位置检测装置，其中，每一所述多个扇形光检测器包括一具有预定形状的光敏感表面，而所述光遮挡器制成具有两光遮挡扇形部，每一所述扇形部设置成略大于所述扇形光检测器之一的所述光敏感表面的预定形状。
13.如权利要求1所述的位置检测装置，其中，所述光源包括光发射器和覆盖所述光发射器的曲线窗。
14.如权利要求13所述的位置检测装置，其中，所述窗具有一种折射特性，该折射特性能使光源起点光源的作用，该点光源的光分布成在向前方向、在全部角度具有均匀强度，从而形成一种广角发射器。
15.如权利要求13所述的位置检测装置，其中，所述光发射器是一种光发射芯片。
16.如权利要求12所述的位置检测装置，其中，每一所述光遮挡器的光遮挡扇形部具有足够大的外直径以覆盖所述扇形光检测器之一的所述光敏感表面的预定形状。
17.如权利要求3所述的位置检测装置，其中，所述光遮挡器为蝶形形状，且包括用于保持所述光遮挡器刚性的装置。
18.如权利要求17所述的位置检测装置，其中，所述保持所述光遮挡器刚性的装置至少包括一刚性肋条。
19.如权利要求5所述的位置检测装置，其中，每一所述多个扇形光检测器包括具有预定形状的光敏感表面，所述光遮挡器包括两光遮挡部，每一所述光遮挡部的形状设置成与所述光检测器之一的所述光敏感表面的预定形状相匹配。
20.如权利要求19所述的位置检测装置，其中，所述光源包括光发射器和覆盖所述光发射器的曲线窗。
21.如权利要求20所述的位置检测装置，其中，所述窗具有一种折射特性，该折射特性能使光源起点光源的作用，该点光源的光分布成在向前方向、在全部角度具有均匀强度，从而形成一种广角发射器。
22.一种位置检测器(12)，用于检测可回转元件的角度位置，该元件具有一沿轴向延伸的纵向轴线，检测器(12)包括：
一单独光源(46)，用于在沿纵向轴线方向照射到一均匀广角光场；
一光检测器件(42，44)，对准环绕可回转元件的圆周，用于接受从所述光源(46)投射的光，所述光检测器件(42，44)环绕纵向轴线设置并距所述光源(46)一段距离，并保证线性输出；
光遮挡器(30)，可操作地与可回转元件连接，随之绕纵向轴线旋转，用于周期性地遮挡从所述光源(46)照射到所述光检测器件(42，44)的一部分光，所述光遮挡器(30)具有一表面，该表面距所述光源(46)一段距离，而其另一表面距所述光检测器(42，44)一段距离，所述线性输出与受控于光遮挡器(30)的旋转位置的暴光面积成正比；和
输出装置(52)，用于接收所述光检测器件的线性输出，并利用所述输出保证对可回转元件的角度位置的测量。
23.如权利要求22所述的位置检测装置，其中，所述光源与检测器间的空间内，除光遮挡器外没有任何物体，因此，从光源来的光可直接照射到至少光遮挡器没有遮挡的所述检测器上的那些部分，而不经过任何其它物体。
24.如权利要求22所述的位置检测装置，其中，所述光遮挡器与光检测器之间的空间内没有任何物体。
25.如权利要求22所述的位置检测装置，其中，所述光遮挡器的另一表面与检测器的光敏感区间的间距大约0.005-0.010英寸。
26.如权利要求25所述的位置检测装置，其中，所述光源的光发射器与光检测器的光敏感区间的间距大约0.1-0.15英寸。
CN98813973.1A 1998-04-17 1998-10-21 确定可回转元件角度位置的轴向发光二极管检测器 Expired - Lifetime CN1237329C (zh)

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