[發明專利]轉動位置檢測器和相關方法

有效

• 申請號: 201110066043.6
• 申請日: 2011-03-18
• 公開（公告）號: CN102679910A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發明（設計）人: 小威廉·R·本納
• 申請（專利權）人: 小威廉·R·本納
• 主分類號: G01B11/26
• 分類號: G01B11/26
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038
• 代理人: 白皎

技術領域

本發明涉及一種用來表示軸或其他轉動元件角位置的轉動位置檢測器。更具體而言，本發明涉及這種用在馬達和基于電流計的光學掃描器上的位置檢測器。

背景技術

轉動位置檢測器具有許多應用，例如檢測馬達上軸的位置以便電氣變換。另一種應用是檢測磁帶唱機或卷筒式印刷機中張緊輪的位置，以便在帶或紙上保持恒定張力。轉動位置檢測器的一個最新應用是感應使用馬達作為驅動車輪的部分或整個裝置的汽車中加速踏板(油門)的位置。

基于電流計的光學掃描器被用來將不可移動的輸入光束導向目標區域。這類掃描器使用有限轉動馬達將轉動傳遞到例如鏡子的光學元件上。通常鏡子直接安裝在馬達的輸出軸上。位置檢測器包含在馬達內，靠近輸出軸或位于馬達的“后”部上。該位置檢測器通常輸出一電流或電壓信號，該信號與馬達軸的相對角成正比，從而與鏡子相對于不可移動的輸入光束的角有關。

基于電流計的光學掃描器引導激光束用于標記、切割或顯示，這對定位準確度和再現性至關重要。因此，準確度和再現性中的一個限制因素是與光學掃描器一起使用的位置檢測器的性能。

理論上，轉動位置檢測器應當只對掃描器軸的旋轉角敏感。因為鏡子直接連接到掃描器軸上，這是表示出口光束方向的軸的旋轉角。軸向運動和徑向運動一般情況下不會影響通過鏡子反射的光束的目標位置，并且因為這是對掃描系統重要的目標光束位置，位置檢測器的輸出應該表示目標位置并對不影響目標位置的事物不敏感，例如軸向和徑向運動。軸向的軸運動可以作為掃描器的動態特性存在。例如，如果掃描器的磁性結構不理想，當在猛烈的加速和減速期間將強電流脈沖輸入掃描器時該軸可以向外或向內起伏。掃描器的徑向運動可以作為產生“噪聲”或制造中缺陷的結果而存在，該結果允許軸有少量的徑向運動。如果轉子不完全與定子部件同心，或者附接于輸出軸的慣性負載(鏡子和支架)不完全平衡，徑向軸運動還可以作為動態效應而存在。

一伺服控制器連接在位置檢測器和馬達之間。如果該位置檢測器給出作為軸向或徑向軸運動結果的某一輸出，該伺服控制器將這個不定輸出錯誤地解釋為轉動位置的變化，則導致整個系統的定位錯誤。由此，理想的轉動位置檢測器將給出僅僅作為轉動結果的輸出，而不會給出作為軸向或徑向運動結果的輸出。

轉動位置檢測器的其他優良特性，尤其是同模擬伺服系統一起使用的電流計掃描器的特性，包括輸出電壓或電流相對于旋轉角為線性關系的特征。也就是說，軸轉動上的遞增量將會在位置檢測器的輸出信號方面產生同等的遞增量。進一步地，信噪比將盡可能的高。

存在幾種方式來感應軸在光學掃描器中的位置。兩個通用種類的位置檢測器包括電容位置檢測器和光學位置檢測器。

電容位置檢測器用在一些非常原始的基于電流計的光學掃描器中。在一個已知檢測器中，一轉動介電蝶形板連接到掃描器軸上，并且檢測板被固定。

光學位置檢測器最近已經形成為基于電流計的光學掃描領域中的精選位置檢測器。通常，光學位置檢測器可以制成很小，具有低慣量，并且可以低成本制造。這些特性使光學位置檢測器合乎商業市場和消費者市場中采用的光學掃描器的需要。

一種光學位置檢測器是“投影”位置檢測器，其中試圖均勻地照亮光傳感器材料的較大區域，并通過光攔截器將影子投射在光傳感器上。光學位置檢測器可以使用光電管作為光傳感器。這些光電管是最通用的大面積PIN型光電二極管，并用于“光電”模式，由此通過光電管產生電流并通過運算放大器進行放大。當整個光電管區域上的光強線性增加時，電流的數值線性增加。只要整個區域上的照明恒定，電流的數值還在光電管的照亮部分線性增加時線性增加。也就是說，如果光照亮半個光傳感器區域，并且光在另半個光傳感器區域被阻擋，輸出的電流將是光傳感器全部照明量的一半，形成位置檢測器輸出與光電管區域照明的線性關系。

不管使用位置檢測器的種類是電容還是光學，所有已知的位置檢測器都被認為具有一個共同的問題：它們都輸出表示相對軸轉動的信號，但是沒有輸出表示絕對軸轉動的信號。也就是說，對伺服控制器來說不可能讀出位置信號電壓或電流以及以絕對項獲知軸的精確機械角。這是因為來自光電管或電容板的輸出分別與LED產生的光或振蕩器產生的信號成正比。在光學位置檢測器情況下，如果來自LED的光由于環境變化或者元件漂移而增加，通過光電管產生的輸出將按比例地增加。這種相對增長將欺騙伺服系統相信軸已經轉動到更大的機械角。于是該伺服系統將設法進行補償并產生錯誤。