专利名称：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表示轴或其他转动元件角位置的转动位置检测器。更具体而言，本发明涉及这种用在马达和基于电流计的光学扫描器上的位置检测器。
背景技术：
转动位置检测器具有许多应用，例如检测马达上轴的位置以便电气变换。另一种应用是检测磁带唱机或卷筒式印刷机中张紧轮的位置，以便在带或纸上保持恒定张力。转动位置检测器的一个最新应用是感应使用马达作为驱动车轮的部分或整个装置的汽车中加速踏板(油门)的位置。基于电流计的光学扫描器被用来将不可移动的输入光束导向目标区域。这类扫描器使用有限转动马达将转动传递到例如镜子的光学元件上。通常镜子直接安装在马达的输 出轴上。位置检测器包含在马达内，靠近输出轴或位于马达的“后”部上。该位置检测器通常输出一电流或电压信号，该信号与马达轴的相对角成正比，从而与镜子相对于不可移动的输入光束的角有关。基于电流计的光学扫描器引导激光束用于标记、切割或显示，这对定位准确度和再现性至关重要。因此，准确度和再现性中的一个限制因素是与光学扫描器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器轴的旋转角敏感。因为镜子直接连接到扫描器轴上，这是表不出口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通过镜子反射的光束的目标位置，并且因为这是对扫描系统重要的目标光束位置，位置检测器的输出应该表示目标位置并对不影响目标位置的事物不敏感，例如轴向和径向运动。轴向的轴运动可以作为扫描器的动态特性存在。例如，如果扫描器的磁性结构不理想，当在猛烈的加速和减速期间将强电流脉冲输入扫描器时该轴可以向外或向内起伏。扫描器的径向运动可以作为产生“噪声”或制造中缺陷的结果而存在，该结果允许轴有少量的径向运动。如果转子不完全与定子部件同心，或者附接于输出轴的惯性负载(镜子和支架)不完全平衡，径向轴运动还可以作为动态效应而存在。一伺服控制器连接在位置检测器和马达之间。如果该位置检测器给出作为轴向或径向轴运动结果的某一输出，该伺服控制器将这个不定输出错误地解释为转动位置的变化，则导致整个系统的定位错误。由此，理想的转动位置检测器将给出仅仅作为转动结果的输出，而不会给出作为轴向或径向运动结果的输出。转动位置检测器的其他优良特性，尤其是同模拟伺服系统一起使用的电流计扫描器的特性，包括输出电压或电流相对于旋转角为线性关系的特征。也就是说，轴转动上的递增量将会在位置检测器的输出信号方面产生同等的递增量。进一步地，信噪比将尽可能的闻。存在几种方式来感应轴在光学扫描器中的位置。两个通用种类的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非常原始的基于电流计的光学扫描器中。在一个已知检测器中，一转动介电蝶形板连接到扫描器轴上，并且检测板被固定。光学位置检测器最近已经形成为基于电流计的光学扫描领域中的精选位置检测器。通常，光学位置检测器可以制成很�。哂械凸吡浚⑶铱梢缘统杀局圃�。这些特性使光学位置检测器合乎商业市场和消费者市场中采用的光学扫描器的需要。一种光学位置检测器是“投影”位置检测器，其中试图均匀地照亮光传感器材料的较大区域，并通过光拦截器将影子投射在光传感器上。光学位置检测器可以使用光电管作为光传感器。这些光电管是最通用的大面积PIN型光电二极管，并用于“光电”模式，由此通过光电管产生电流并通过运算放大器进行放大。当整个光电管区域上的光强线性增加时，电流的数值线性增加。只要整个区域上的照明恒定，电流的数值还在光电管的照亮部分线性增加时线性增加。也就是说，如果光照亮半个光传感器区域，并且光在另半个光传感器区域被阻挡，输出的电流将是光传感器全部照明量的一半，形成位置检测器输出与光电管区域照明的线性关系。
不管使用位置检测器的种类是电容还是光学，所有已知的位置检测器都被认为具有一个共同的问题它们都输出表示相对轴转动的信号，但是没有输出表示绝对轴转动的信号。也就是说，对伺服控制器来说不可能读出位置信号电压或电流以及以绝对项获知轴的精确机械角。这是因为来自光电管或电容板的输出分别与LED产生的光或振荡器产生的信号成正比。在光学位置检测器情况下，如果来自LED的光由于环境变化或者元件漂移而增加，通过光电管产生的输出将按比例地增加。这种相对增长将欺骗伺服系统相信轴已经转动到更大的机械角。于是该伺服系统将设法进行补偿并产生错误。所有已知的位置检测器试图通过本领域中已知的自动增益控制(AGC)电路来修正这个问题。在光学位置检测器的情况下，将所有光电管接收到的光加起来形成“总光度”信号电压。这个“总光度”电压与基准电压进行比较，并且产生一驱动LED的错误信号。如果感应到“总光度”已经增加，那么使通过LED的光输出减去对应的数量，从而设法随时间保持位置检测器的敏感性。然而，使用AGC只是足以修正最初指令问题。由于二阶效应，所有已知位置检测器都有位置偏移漂移(位置检测器认为轴的“绝对零度”位置方面的变化)和位置刻度漂移(位置检测器用每度电压的方式表示的变化)，例如基准电压本身的漂移或者运算放大器电路中使用的反馈电阻器的变化。这些变化与时间和温度同时存在。过去，已经试图为转动位置检测器提供表示某些绝对位置的其他信号。以选择或自动算法，伺服系统可以运用电流计扫描器寻找其他信号，从而发现位置检测器的绝对位置刻度和位置偏移。当用在电容位置检测器时，这项技术有几个附加问题。第一，电容位置检测器对板元件的形状很敏感。由于突出或凹槽产生的边缘效应，带有突出或凹槽的板将具有受影响的线性。如果使用其他的电容板，边缘效应也会影响线性。并且无论该技术是否与光学位置检测器或者电容位置检测器一起使用，特定形状的移动蝶形板制造起来更加
曰虫印贝ο用于控制基于电流计的光学扫描器的主要伺服系统是完全由模拟元件制成的PID伺服系统(模拟伺服系统)。因为相对便宜且相对简单，模拟伺服系统已经开始使用，以及由于直到现在数字伺服系统都不能获得对使用快速电流计扫描器来说必需的高分辨率和高采样率。为了支持当前市场出售的快速电流计扫描器，并且在不足100微秒范围的工作时间内完成步骤，必须使用200kHz的采样率以及16bits的采样分辨率。并且由于需要多个内部计算步骤，浮点计算非常合乎需要。直到最近，以数字形式实现具有高采样率和分辨率的伺服控制器都是成本过高的。然而，随着技术领域中不可避免出现的稳定进展，具有足够速度和合理成本的数字信号处理器(DSPs)和模-数转换器目前变得可用，这将有助于产生供电流计扫描器使用的、从模拟伺服系统到基于DSP的伺服系统的转换。模拟伺服系统通常具有相对大量的、用来“调节”伺服系统最佳性能的电位计。这些电位计调整大量伺服系统参数，包括伺服 系统增益、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。通常还有两个附加电位计来调整位置检测器的位置刻度和位置偏移。虽然最后两个从严格意义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手动调整的或者通过人“调节”的。通常这种调节在工厂进行，但是有时需要在现场进行进一步调节。因为工程师不是带有电流计扫描器的系统最终用户，任何一种非工厂调节都可能导致次佳运行。向基于DSP的伺服系统转换将避免使用所有这些调整电位计，因为例如伺服系统增益、阻尼、陷波滤波器频率等等的伺服系统参数都将由算法常数设定。这些算法常数可通过人以与进行电位计调整相同的方式进行手动“调节”，仅仅使用用户界面来进行调整，或者可替换地，这些算法常数可通过一些智能调节算法自动调节。因为有关扫描系统的几乎所有信息仅仅通过运用扫描器并观察位置信号发生了什么进行收集，这是可能的。例如，扫描器的转矩常数可通过观察扫描器的反电动势获得。机械工程中表述为KT = KE。也就是说，每安培的达因/厘米转矩与每秒每度电压的反电动势成正比。因此，如果伺服系统引起扫描器运动并且能够测量“度/秒”和马达反电动势，那么该伺服系统能够获得扫描器的精确转矩常数(KT)。一旦KT已知，该伺服系统接下来可以短时间施加已知电流脉冲并且测量产生的角加速度，由于力等于质量乘以加速度，从而该伺服系统可以收集转子、镜子和位置检测器的系统惯量(J)。因此，惯量等于KT除以加速度。接下来，该伺服系统将在扫描器周围围上光环并作出波特图，因此显示所有系统的共振。根据这个信息，伺服系统可设定限波双二阶滤波器的所有极点和零点常数。一旦转矩常数、系统惯量和系统谐振全部已知，所有伺服系统参数都可用数字精确到秒的方式顺利设定，获得来自扫描器和伺服系统的绝对最大性能。但是为了使所有这些发生，该伺服系统需要一个基本信息单元。该伺服系统必须知晓“位置刻度”。也就是说，该伺服系统必须首先知晓来自位置检测器的每度电压。如上所述，对于先前已知的位置检测器，伺服系统不可能知晓绝对确定的位置刻度；因此不可能形成完全自动调节的数字伺服系统。直到现在，扫描器厂商已经通过将小内存芯片放到扫描器中侧面解决该问题。数字伺服系统能够读取该内存芯片，该内存芯片是在工厂预编程的，包括转矩常数、位置刻度和位置偏移的信息以及其他与扫描器有关的信息。采用该方法的问题是这些参数会随着时间改变。扫描器的转矩常数取决于转子(或其它扫描器元件)的磁性，并且该磁性确定地随温度变化，并且如果该扫描器滥用或过热还会随时间变化。由于元件漂移以及由于温度和其他环境影响，位置检测器元件还随时间变化。因此，有益的是提供一种具有改进的信噪比的转动位置检测器以及提供绝对位置精度。
发明内容
本发明指的是一种提供低惯量操作并能与小型光学扫描器一起使用的光学位置检测器。此外，本发明提供改进的信噪比并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壳体，至少在一部分内壁上具有反射面。设置光源来使光线从壳体底部射进壳体的内部空间。底座设在壳体内部空间中；光检测器组件位于该壳体的内部空间中并且包括第一数量的基本上呈环状扇形的光传感器，该光传感器设在底座上并绕马达轴的轴线成对设置。每一对包括一个“A”检测器元件和一个“B”检测器元件。每对都布置成使每个“A”检测器沿周向设置在两个“B”检测器之间并且每个“B”检测器设在两个“A”检测器之间。术语“光传感器”在此用来表示大体具有所述形状的光敏材料的区域；例如，可以提供并且“修饰”不同形状的光传感器 材料来提供所述光传感器。光拦截器固定在壳体的内部空间中以便与位于光检测器组件和光源上方的马达轴一起转动。该光拦截器包括第二数量的、绕马达轴的轴线排列的、不透明的、具有大体相等表面积的元件。第二数量等于第一数量的一半。因此从光源发出的、到达反射面的光线在光检测器组件上进行反射，而被光拦截器阻挡不能到达反射面的光线未被光检测器组件接收。信号连接件设在光检测器元件和一电路之间，该电路用于测量与落在其中的光量有关、从“A”检测器到“B”检测器的信号。“A”检测器信号和“B”检测器信号之间的差值与马达轴的角位置有关。结合附图，根据接下来的描述可以更好地理解表征本发明结构和操作方法的特征，以及其进一步的目的和优势。可以清楚地理解附图是出于图示和说明的目的而未打算对本发明进行限制。当结合附图阅读接下来的说明书时，通过本发明实现的这些及其他目的和本发明提供的优势将变得更加明了。
图I是本发明的光学位置检测器的一个实施例的侧面透视图，以剖视示了壳体。图2是图I中光学位置检测器的侧面透视图，图示出不存在光拦截器时光线的光路，再次以剖视示了壳体。图3是本发明的位置传感器的顶部/侧面透视图，移开了壳体并图示为轴逆时针转动。图4是包括电路板、光传感器的位置传感器和光拦截器的顶部俯视图，图示出比光传感器的外径小得多的光拦截器。图5A、5B图不了杯状光拦截器的备选实施例的顶部/侧面(图5A)和底部(图5B)透视图。图5C、 图示了具有“礼帽”形状的光拦截器的备选实施例的顶部/侧面(图5C)和底部(图5D)透视图。图5E图示了具有一部分切掉的顶面的光拦截器的另一个实施例的顶部/侧面透视图。图6图不出连接用来提供输出信号的光传感器的实施例,其中直径方向相对的光传感器相连并且只提供两个输出。图7图示出连接用来提供输出信号的光传感器的另一个实施例，其中每个光传感器的输出被直接使用而未与其他光传感器连接。图8给出了光拦截器元件和光传感器之间关系的顶部俯视图。虚线表示各个光传感器元件与光拦截器相对。图9是来自“A”和“B”对光传感器的输出信号以及合成“A-B”输出的曲线，其中图示出合成输出是线性的直到“A”对或“B”对光传感器完全暴露；在那之后，位置检测器仍 旧提供输出，但是是以减小的变化率来提供。图10是本发明的光学位置检测器的另一个实施例的侧面透视图，其具有设在以剖视示的壳体中的反射镜。图11是本发明的光学位置检测器的另一个实施例的侧面透视图，其中光拦截器是由马达轴的底端形成的，以剖视示了壳体。
具体实施例方式现在将在下文中根据图1-11更加彻底地描述本发明，其中显示了本发明的优选实施例。除非另有限定，这里所用的所有科技和科学术语都具有与本发明所属技术领域普通技术人员通常理解的相同的含义。虽然与在此描述类似或等效的方法和材料已经用于实际应用或本发明的实验，合适的方法和材料如下所述。这里提及的所有出版物、专利申请、专利或其它参考文献都通过引用而全部并入。在矛盾的情况下，包括任何定义的本说明书将进行核实。另外，给出的材料、方法和实施例本质上仅仅是示例性的而非意欲限制。因此，本发明可以采用多种不同方式表现而不应看做限制为在此阐述的图示实施例。倒不如说，提供这些图示实施例以使公开内容透彻完整，并且将本发明的范围完全传达给本领域的普通技术人员。根据接下来的详细说明，本发明的其他特征和优势将变得明了。本发明的光学位置检测器使用“投影”技术。当与其他已知的光学位置检测器相比时改进该位置检测器的各个元件，得到位置精度以及信噪比方面的改进结果。此外，该位置检测器的某些实施例允许根据位置检测器能力确定绝对位置来表示其已经到达某一角状态。本发明的优选实施例可在图I中看到，并在其用在马达或电流计扫描器的范围内进行描述，不过不打算作为限制。在图I的位置检测器中，光源4设在壳体6的内部空间21中。壳体6适合于容纳位置传感器系统元件并且从环境吸收不需要的光线，以及在特定实施例中将这些元件连接到马达的轴10。壳体6包括例如注模塑料或机加工金属，不过这不打算作为限制。光源4优选产生大体沿周向分布的均匀光场，将光线5导向壳体6的内壁20。壳体6的内壁20包括镜面反射面11，该反射面将光线5重新指向多个例如包括环状扇形元件的光传感器7A、7B、8A、8B。光传感器7A、7B、8A、8B可在光检测器芯片7、8上制造并安装在包括电路板2的底座上，并在马达的与光源4相同的一侧上。具有多个基本上饼状突出部90和92的光拦截器12周期性地阻挡到达壳体6内表面的光线5，因此还通过在其上投射阴影来周期性地阻挡到达光传感器7A、7B、8A、8B某些区域的光线。这种结构中的光拦截器12可操作地连接到马达轴10上，该轴穿过壳体6的顶部70中的孔60延伸。通过马达驱动的马达轴10的转动使光拦截器12转动。当某些光传感器7A、8A、7B、8B的照亮区域增加时(当较少光传感器区域位于阴影下时)，来自光传感器7A、8A、7B、8B的输出信号同时增加。当 其他光传感器7A、8A、7B、8B的照明区域同时并以同样数量减少时(当更多光传感器区域位于阴影下时)，来自这些光传感器7A、8A、7B、8B的输出信号减少。现在根据图I和2描述位置传感器光源和内部壳体。光源4优选包括与光检测器芯片7和8安装在同一电路板2上的单一 LED。图I和2显示了与光检测器芯片7和8安装在电路板的相对侧上的LED，并且来自光源4的光线被导向电路板2中的通孔3。这是合乎需要的，因为以横向方式发射的任一光线将终止于电路板2材料上并且不能直接照在光检测器芯片7和8上。然而，只要光源合适并且大体上居中设置，其他实施例也是可能的。例如，单个LED芯片可与光检测器7和8安装在电路板的同一侧上，甚至直接安装在光检测器模片上。光线5沿远离光检测器芯片7和8的方向从光源4射出并射向壳体6的内壁20。壳体6的内壁20包括镜面反射面11，该反射面将光线5反射回到光检测器芯片7和8。该镜面反射面11可以是如图所示的弯曲的，例如成抛物线或椭圆形状，因此使光线更加平行并且是使光线集中在光检测器7A、7B、8A、8B的常规区域中。然而，该镜面反射面11还可表现为其他形状，例如锥形乃至扁平环61，只要允许未被光拦截器12阻挡的、来自光源4的光线5到达光检测器7A、7B、8A、8B。此外，图I和2显示了具有镜面反射面11的壳体6的内壁20，但是可以设想，存在一实施例，由此采用通过壳体6保持就位的单独元件来提供镜面反射面11。虽然已经将位置检测器光源4描述为LED，光源还可以表示为磷光点或者沿需要方向产生合适光锥的任何其他源。应当指出位置检测器光源可以是光纤供给。也就是说，实际光源可以远距离设置，例如设在伺服系统驱动板上并利用光纤供给到电流计扫描器。这可能用在军事应用中，在该应用中，扫描器将在高温下工作，这是直接LED操作所禁止的。此外，当通过光纤供给时，可将激光用作用于光源的发光装置。现在例如根据图3和4讨论光检测器组件和光拦截器的实施例，其定位如图I所示。光检测器组件位于壳体6的内部空间21内。在图3和4的示例性检测器组件中，光传感器包括第一数量(这里为4个)基本上呈环状扇形的、具有基本上相等的表面积的光传感器7A、7B、8A、8B，这些光传感器成对设置在光源4周围的光检测器芯片7、8上，并且安装在电路板2上。每一对都包括一个“A”检测器元件7A、8A和一个“B”检测器元件7B、8B。每对都布置成使每个“A”检测器7A、8A沿周向设置在两个“B”检测器7B、8B之间并且每个“B”检测器7B、8B设在两个“A”检测器7A、8A之间。该传感器结构主要决定光拦截器12及其叶片90、92的结构。光拦截器12包括第二数量(这里为2个)排列在马达轴的轴线10周围的、具有基本上相等的表面积的不透明的元件90、92。应当指出第二数量(例如2个)等于第一数量(例如4个)的一半。参考图8,其中光拦截器完全露出“B”对光传感器,而未完全盖住“A”对,光拦截器的每一开口区域的弦角(这里为60度)可以比检测器元件7A、7B、8A、8B的弦角(这里为55度)大不同的弦角(这里为5度)。由于这个，进一步增加的顺时针方向转动不会在“B”对光传感器的信号输出方面导致任何增量，但是在“A”对信号输出方面导致大量减少。当光拦截器开口的弦角大于光检测器元件7A、7B、8A、8B的弦角时，传感器对不超过光检测器元件7A、7B、8A、8B弦角的角度变化提供线性输出，然后对超过该点的角度变化提供非线性输出。每一光拦截器元件90、92的径向延伸量可以小于光检测器元件7A、7B、8A、8B的径向延伸量，并且不大于光检测器元件7A、7B、8A、8B的内缘71的径向延伸量。在某些情况下，取决于包括光源4的锥角和内壁20的反射部分11的延伸量，光拦截器元件90、92的径向延伸量可以明显更小。这在与现有技术的传感器相比时是有利的，现有技术中光拦截器的径向延伸量必须大于光检测器7A、7B、8A、8B的外径的径向延伸量。较小的径向延伸量本质 上减少了惯量，从而同时提高系统性能。光拦截器12可配置成在轴10沿“正”向85转动时(从图I所示的结构移向图3所示的结构)，大部分“A”光传感器区域被光源4照亮，而大部分“B”光传感器区域处于阴影下。因此，当光拦截器12转动时，一旦完全露出“A”光传感器7A、8A，可以实际上在它完全阻挡光线到达“B”光传感器7B、8B之前进一步转动。这使伺服系统在“A”和“B”传感器完全被盖住时进行准确检测，从而以绝对项准确检测位置传感器的外角。然而，有些应用不需要这种绝对位置确定，并且可以使用其开口具有与传感器元件7A、7B、8A、8B相同的弦角的光拦截器。虽然附图显示了四个光检测器7A、7B、8A、8B和带有两个突出元件90、92的光拦截器，应该理解，少至四个光检测器和两个光拦截器突出部，或者多至八个光检测器和四个光拦截器突出部，或者更多都是可能的，并且仍旧落在本发明的范围内。分立的光传感器可以包括光传感器材料或根据原则操作的装置，由此每一单位面积上光的线性增加使得在输出信号中产生线性增加。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。这些通称为“光电池”。已知的是在如图1-4所示为矩形的单个“光电池”模片上设置分立的光传感器对。然而，分立的光传感器可以任何方式进行组装，只要符合上述的线性和形状限制就可以。进一步地，光传感器可以具有比图示更大的面积，例如可以分别包括任意形状的芯片，并且在其上设置有装饰元件，以形成希望使用的扇形。该光拦截器被设计为防止由光源4散发出的光线到达壳体内壁20上的镜面反射膜11的各部分上，从而防止光线到达光传感器7A、7B、8A、8B的各部分。包括饼状叶片90、92的光拦截器12利用环氧树脂或其他附接装置可操作地连接到转动轴10上。因为光拦截器只需防止光线到达光传感器，因此其可由各种材料制成。例如，可由陶瓷、玻璃纤维/环氧树脂、金属薄板、玻璃、塑料或任何一种可以阻挡光线的合适材料制成。可以使用常规制造工艺制造光拦截器，诸如注塑、激光切割、冲压、光刻蚀或标准机加工工艺。
光拦截器被制成与图1-4所示的形状一致，或者由透明盘制成，由此通过沉积在透明盘上的不透明材料实现阻挡功能。另外，其它实施例也是可能的。图5A、5B显示了光拦截器30的备选实施例,其中杯状光拦截器形成有轴向突出部。也就是说，光拦截器30的顶面31具有两个排列在中央盘33周围的基本上呈饼状的元件32。从顶面31向下垂下的是形成部分圆筒体的侧壁34，该圆筒体具有与顶面31的外边缘36同等延伸的顶部边缘35。图5C、 显示了内部部分具有与上述光拦截器30类似的形状的光拦截器40的另一实施例。然而在此，两个底部元件41从侧壁42向外延伸，形成一对环状扇形凸缘，该凸缘的内缘43在其底部边缘44处结合侧壁42。因此该光拦截器40具有一种“礼帽”形状。图5E图示了光拦截器50的又一实施例，包括基本上呈圆筒形的元件，具有由侧壁54限定的内部空间57并设置为接收来自光源4的光线。在特定实施例中该圆筒形元件具有通过其顶面51并沿中央盘53在直径方向相对的、基本上具有相等面积的一对相对的开口 52。开口 52用于允许光线穿过到达反射面11。
在又一个实施例(图11)中，光拦截器70包括马达轴10的底部71。底部包括一大体为圆筒形的部分，具有设置为接收来自光源4的光线的内部空间72。该圆筒形部分71具有两个相对的、相同尺寸的开口 73或“窗口”，例如在这个实施例中，从其底部边缘74开始延伸通过，不过这不构成限制。开口 73限定出可用作光拦截器元件的圆筒形部分71的部件。此外，措辞“一对”不打算作为限制，在某些应用数量可以包括多至8乃至更多。每个开口 73都具有足以允许光线通过其到达反射面11的高度75。应该相信，如上所述的光拦截器30、40、50、70可以改善投射在光检测器上的阴影，特别是如果光源不是点光源和/或如果镜面反射面的质量勉强够格或很差时。应当指出备选的光拦截器实施例具有矩形特征不是严格必需的。该杯可做成锥形部件，可以实现更容易地制造光拦截器或更好的光阻性。此外，光拦截器本身可表现为叶片乃至直接在马达轴本身上进行机加工从而实现阻光功能的键槽。与先前已知的转动位置传感器不同，光拦截器的开口可以具有比分立的光传感器更大的弦角。当完成这个时存在几个优势。一个优势是，因为光拦截器开口的弦角大于光传感器的弦角，当沿“正向”方向85转动时，“A”光传感器在“B”光传感器完全被阻挡之前完全没有阻挡。进一步的“正向”转动仍旧产生一来自“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。因此一个输出进一步变化而另一个没有进一步变化的这种状态可被用来以绝对项准确地确定轴角。另一个优势是，如果A和B输出相减，正如用于这种传感器的代表性方法一样，存在与输出信号相对应的轴旋转角的“线性”部分，并且在边缘处存在与输出信号相对应的轴角的“非线性”部分。例如，在图9中，输出的变化率表示为超过25度变化。优选地，总的来说，光拦截器开口具有至少与光传感器弦角一样大的弦角。然而，本领域普通技术人员可以理解，在不背离本发明的精神的情况下弦角可以与光传感器的弦角基本相同，甚至更小。在一些实施例中，光拦截器开口的弦角可制成比光传感器的弦角大可满足系统的工程需要的任一合乎需要的数值。然而，对于光学扫描应用，其通�？梢栽�2-10度范围内。 光拦截器开口的数目包括少至2多至8或更多，只要每一光拦截器开口有2个光传感器(“A”和“B”)即可，大量光拦截器开口减少了位置检测器的操作角。位置检测器能从“主”输出区输出单个斜坡信号的最大角(以度计算)等于360除以叶片数目减去(叶片弦角减去光传感器弦角)。当光拦截器由基本上完全吸收光线的材料制成时，不允许光经过到达镜面反射面以及检测器。对于这个实施例，光拦截器包括黑色塑料、黑色氧化金属或者沉积在透明盘或透明管上的黑色涂层。由此可见， 从光源发出的所有光线从镜面反射涂层反射然后到达光检测器或者由光拦截器的各部分吸收。同时应当指出，虽然这里所述的光拦截器具有突出部，本领域普通技术人员应当承认它们可以没有突出部但是有挡光区域。例如，光拦截器可以包括带有印在上面的阻挡区域的透明盘或者其他光导向装置。在替代实施例63 (图10)中，反射面可以包括位于壳体的内部空间21中的环状反射元件61的底面62的至少一部分，允许马达轴10通过从而在其间转动的孔64。在这个实施例63中，反射兀件61固定到位于光拦截器12上方的壳体内壁20上。至于图I中的实施例I，未被光拦截器12阻挡的光线5到达反射兀件61的反射底面62并反射到光传感器 7A、7B、8A、8B 上。现在讨论通过本发明的转动位置检测器产生的信号。在一个实施例中，分立的光传感器并联连接，因此最少的电线被送到伺服控制器，如图6所示。这种连接方式的好处在于减少了连接位置检测器和伺服系统所需的电线数目。然而，与现有技术中位置传感器共同的缺陷在于，如果对于给定光量、并联连接的分立的光传感器没有刚好产生与其他分立的光传感器一样的输出信号量，那么对径向和轴向运动的不敏感性不是最佳的。作为备选的连接方式，来自分立光传感器的输出可被逐一使用，如图7所示。这种布置的优势在于该伺服系统可以表征来自每个光传感器的输出，然后按算法增加线性和径向的不敏感性。在这个实施例中，通过电路板2上的焊盘9形成输出连接。当连接到数字伺服系统时本发明的位置检测器尤其有用，该数字伺服系统可以运用该扫描器并将该点顺利地设置在“A”和“B”光传感器完全被阻挡的轴转动中，从而以绝对项确定角漂移程度。由此，不需要AGC系统，并且光源始终以最大输出进行工作，从而使信噪比最大。在附图和说明书中，已经公开了本发明的代表性优选实施例，虽然已经采用了专用术语，使用的术语仅仅是描述意义而不是为了限制。已经具体参考这些图示实施例非常详细地描述了本发明。然而，显而易见的是在上述说明书描述的本发明的本质和范围内可进行各种变形和变化。
权利要求
1.一种转动位置检测器，该转动位置检测器包括 壳体，具有由内壁限定的内部空间并具有位于所述壳体的顶部以允许马达轴穿过的孔； 底座，设在所述壳体的内部空间中； 光源，被设置为使光线从邻近的所述壳体的底部向上射入所述壳体的内部空间； 光检测器组件，设置在所述壳体的内部空间内，并且包括基本上呈环状扇形的、第一数量的光传感器，这些光传感器设置在所述底座上并且绕所述马达轴的轴线和光源成对布置，每一对光传感器包括一个“A”检测器元件和一个“B”检测器元件，成对布置的光传感器被布置成使每个“A”检测器沿周向设置在两个“B”检测器之间并且每个“B”检测器设置在两个“A”检测器之间； 光拦截器，位于所述壳体的内部空间中，并能够与位于所述光检测器组件和所述光源上方的所述马达轴一起转动，所述光拦截器包括第二数量的、绕所述马达轴的轴线排列的、具有基本上相等的表面积的、不透明的元件，所述第二数量等于所述第一数量的一半，其中，所述光拦截器的各兀件的径向延伸量基本上小于所述光传感器的径向延伸量； 反射面，位于所述光拦截器上方的所述壳体的内部空间中，其中，从光源发出的、到达所述反射面的光线被向下反射，使得光线中的一些光线到达所述光检测器组件，而被所述光拦截器阻挡而不能到达所述反射面的光线未被所述光检测器组件接收；以及 信号连接件，位于所述光检测器元件和用于测量来自所述“A”检测器和所述“B”检测器的、与照射到其上的光量有关的信号的电路之间，来自“A”检测器的信号和来自“B”检测器的信号之间的差值与所述马达轴的角位置有关。
2.根据权利要求I所述的转动位置检测器，其特征在于，所述光拦截器的各元件的径向延伸量不大于所述光传感器的内缘的径向延伸量。
3.根据权利要求I所述的转动位置检测器，其特征在于，所述光拦截器具有多个开口，每个开口位于所述光拦截器的相邻元件之间，并且其中所述光拦截器的多个开口中的每一个开口的弦角至少与所述光传感器的弦角一样大。
4.根据权利要求I所述的转动位置检测器，其特征在于，所述光源包括基本上与所述马达轴的轴线对准的单一光源。
5.根据权利要求I所述的转动位置检测器，其特征在于，所述第一数量的光传感器包括四个光传感器。
6.根据权利要求I所述的转动位置检测器，其特征在于，所述光传感器包括对光敏感的光传感器材料，其中，照射在所述光传感器上的每一单位面积上光的线性增加使得输出信号基本上线性增加。
7.根据权利要求I所述的转动位置检测器，其特征在于，所述光拦截器的各元件包括叶片。
8.根据权利要求I所述的转动位置检测器，其特征在于，所述光拦截器包括基本上透明的盘，所述不透明的元件已经施加在该盘上。
9.根据权利要求I所述的转动位置检测器，其特征在于，所述反射面包括所述壳体的内壁的一部分。
10.根据权利要求I所述的转动位置检测器，其特征在于，所述反射面包括位于所述壳体的内部空间中的元件，该元件具有底面，所述底面的至少一部分是反光的，并且该元件还具有足以允许所述马达轴穿过的孔。
11.根据权利要求I所述的转动位置检测器，其特征在于，所述光拦截器的各元件中的每一个元件还包括由该元件向下悬垂的侧壁，从而形成基本上呈杯状的光拦截器。
12.根据权利要求11所述的转动位置检测器，其特征在于，所述光拦截器的各元件中的每一个元件还包括从所述侧壁的底部边缘向外延伸的环状扇形凸缘。
13.根据权利要求I所述的转动位置检测器，其特征在于，所述光拦截器包括基本上呈圆筒形的元件，该圆筒形的元件具有由侧壁限定并设置为接收来自所述光源的光线的内部空间，该圆筒形元件具有一对相互间隔的、基本上具有相等面积的、通过其顶面的开口，以允许光线穿过到达所述反射面。
14.根据权利要求13所述的转动位置检测器，其特征在于，所述开口的弦角至少与所述光传感器的弦角一样大。
15.根据权利要求I所述的转动位置检测器，其特征在于，所述光拦截器包括所述马达轴的底部，该底部包括具有内部空间的基本上呈圆筒形的部分，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通过从其底部边缘延伸的、相互间隔的开口分隔的圆筒形部分的部件，该开口具有足以允许光线穿过到达所述反射面的高度。
16.根据权利要求15所述的转动位置检测器，其特征在于，所述开口的弦角至少与所述光传感器的弦角一样大。
17.—种检测马达轴的转动位置的方法，该方法包括 使光向上照射到壳体的内部空间中，该壳体具有位于其顶部的孔，以允许所述马达轴穿过； 向下反射至少一些光； 利用光检测器组件检测至少一些反射光，该光检测器组件设置在所述壳体的内部空间中并且包括基本上呈环状扇形的、第一数量的光传感器，这些光传感器设置在底座上并且绕所述马达轴的轴线成对设置，每一对光传感器包括一个“A”检测器元件和一个“B”检测器元件，成对设置的光传感器被布置成使得每个“A”检测器沿周向设置在两个“B”检测器之间并且每个“B”检测器设置在两个“A”检测器之间； 利用位于所述壳体的内部空间中、与所述马达轴一起转动的光拦截器阻挡一部分向上照射的光，所述光拦截器包括第二数量的、绕所述马达轴的轴线排列的、基本上具有相等表面积的不透明的元件，所述第二数量等于所述第一数量的一半，由此被阻挡的光部分不会到达所述光传感器，其中各元件的径向延伸量基本上小于所述光传感器的径向延伸量；以及 接收和处理来自“A”检测器和“B”检测器的、与照射到其上的光量有关的信号，来自“A”检测器的信号和来自“B”检测器的信号之间的差值与所述马达轴的角位置有关。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述光拦截器的各元件的径向延伸量不大于所述光传感器的内缘的径向延伸量。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述照射步骤包括由基本上与所述马达轴的轴线对准的单一光源照射光。
20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述第一数量的光传感器包括四个光传感器。
21.根据权利要求17所述的方法,其特征在于,所述光传感器包括对光敏感的光传感器材料，其中，照射在所述光传感器上的每一单位面积上光的线性增加使得输出信号基本上线性增加。
22.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述光拦截器的各元件包括叶片。
23.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述光拦截器包括基本上透明的盘，所述不透明的元件已经施加在该盘上。
24.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述反射步骤包括由所述壳体的内壁的反射部分反射所述至少一些光。
25.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述反射步骤包括由位于所述壳体的内部空间中的元件反射所述至少一些光，该元件具有底面，该底面的至少一部分是反光的，并且该元件还具有足以允许所述马达轴穿过的孔。
全文摘要
本发明公开了一种转动位置检测器，包括具有内部空间的壳体，该内部空间内具有反射元件。光源向上发射光线。底座支撑具有第一数量的环状扇形光传感器的光检测器组件，这些光传感器绕马达轴的轴线成对设置，一个“A”检测器元件和一个“B”检测器元件交替设置。光拦截器与位于光检测器组件和光源上方的轴一起转动，并且包括第二数量的、绕轴线排列的、具有相等表面积的不透明元件，第二数量等于第一数量的一半。电路测量来自“A”和“B”检测器的、与落在上面的光量有关的信号，差值与马达轴的角位置有关。
文档编号G01B11/26GK102679910SQ20111006604
公开日2012年9月19日 申请日期2011年3月18日 优先权日2011年3月18日
发明者小威廉·R·本纳 申请人:小威廉·R·本纳
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