确定可回转元件角度位置的轴向发光二极管检测器制造技术

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。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
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，该专利申请由本专利技术人于1998年4月17日提交。
技术介绍
本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。专利技术概述本专利技术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专利技术实施例实现。本专利技术的光学位置检测器最好设置成邻近一扫描器的一端。本专利技术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。本专利技术功能的关键在于，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，本专利技术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专利技术使用。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专利技术中的使用。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。在本专利技术装置工作时，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)。为了更好地了解本专利技术及本专利技术另外的其它目的，提供了一至多个推荐实施例的附图和详细说明，本专利技术的范围将在所提权利要求中指出。附图简介附图说明图1为本专利技术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，该光敏元件用于本专利技术的光学位置检测器；图4为本专利技术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，包括本专利技术所用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，此图描绘了本专利技术之一推荐实施例，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，本专利技术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专利技术并不必要，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，对本专利技术之光学位置检测器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，如图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种位置检测器（１０），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（１０）包括： 一单独光源（４６），用于在总体上沿纵向轴线方向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，该表面紧密地距所述光源（４６）一段距离，而其另一表面紧密地距所述光检测器（４２，４４）一段距离，所述线性输出信号可与光遮挡器（３０）的旋转位置相关；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可靠测量。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：理查德J艾弗斯，
申请(专利权)人：剑桥技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]