用于测量可移置构件的位移的设备和方法 技术领域 本发明涉及用于测量可移置构件沿预定位移路径的位移的设备和方法。 在下文中 具体地就诸如在旋转编码器内的旋转可移置构件而言描述本发明， 但是也可以就诸如在线 性编码器内的线性可移置构件而言使用本发明。
背景技术 旋转构件的位移通常通过计数旋转构件所经历的转动或者绕转 (revolution) 及 其部分 (fraction) 的数量来测量， 该部分决定测量设备的分辨率。举例来说在被装配于发 动机上的绝对编码器中需要转动计数， 例如由 Netzer 在美国专利 6.628.741 中所解释的那 样。
转动计数系统被用在旋转编码器中以提供高精度的绝对位置信息， 即使在有系统 电源中断并且要被监视的轴在这些电源中断期间已经在转动的情况下。 许多绝对编码器使 用电池以便在内部电力被中断的时候监视和记录转动计数。然而， 对电池的使用具有多个 缺点。因此， 电池具有有限的寿命。此外， 在不丢失所记录的转动计数的情况下替换电池需 要例如大电容器等特殊的电路系统， 以在电池替换期间支持所记录的数据， 该电路系统导 致编码器的额外成本。 另外， 电池容忍有限范围的温度， 并且因而在编码器要被用于高温环 境中的地方， 电池不能被放置在编码器内部。
美国专利 5,565,769 和美国专利 5,714,882 描述了能够在不用电池的情况下计数 和寄存轴转动数量的系统 ； 然而， 这些系统对振动敏感。美国专利 6,628,741 B1 描述了通 过使用簧片继电器 (reed relay) 在不用电池的情况下实现转动计数器的设备 ； 然而， 簧片 继电器对振动敏感， 具有有限的寿命， 并且在高加速度的情况下可能被损坏或者被破坏。 另 一个缺点是所产生的以便计数和存储转动数量的能量的量非常小， 这将该系统限制于使用 铁电存储器 (ferroelectric memories) ； 不幸的是， 这些存储器在小的尺寸中不可用， 并且 这再次限制了它们在编码器中的应用。
对于测量可移置构件的线性位移， 在线性编码器中涉及类似的问题。
发明内容 本发明的目的是要提供在一个或者多个上述方面具有优势的、 用于测量可移置构 件的位移的设备， 并且也提供这样的方法。
根据本发明的一个方面， 提供了用于通过计数可移置构件沿预定位移路径的位移 周期来测量可移植构件沿所述预定位移路径的位移的设备， 所述设备包含 ：
第一机器可感测元件， 其由可移置构件携载并且占据该可移植构件的一段长度， 该段长度仅定义可移置构件的一部分位移周期 ；
第一传感器， 其被设置在最接近位移路径的感测站处， 以便能够感测在感测站中 存在或者不存在第一机器可感测元件， 并且从而能够确定可移置构件在可移置构件的位移 期间的任何特定时刻的状态 ；
脉冲发生器， 其被设置在最接近位移路径的脉冲发生站处 ；
多个第二机器可感测元件， 其沿位移构件的每个位移周期以间隔的区间由可移置 构件所携载， 第二机器可感测元件中的每一个在移动通过脉冲发生站时， 有效地来致动脉 冲发生器 ；
电计数器， 其用于计数可移置构件的位移周期 ；
以及由脉冲发生器控制用于致动第一传感器来感测可移置构件在第二机器可感 测元件中的一个通过脉冲发生站的特定时刻的状态， 并且用于根据状态确定来增加计数器 的电路。
根据所描述的优选实施例中另外的特征， 第一和第二机器可感测元件是磁性元 件， 并且脉冲发生器包括线圈、 与线圈磁耦合的磁芯， 以及用于磁芯的弹簧垫架， 其使得该 芯在与第二机器可感测元件中的一个对齐时相对于线圈在一个方向上从初始位置移动， 并 且通过弹簧在相反方向上返回到它的初始位置， 由此线圈在磁芯的每一个这种移动期间生 成脉冲。这样的构建避免了对于独立电池供应的需求。
若干实施例被描述， 其中可移置构件是旋转构件， 并且计数器计数旋转构件的旋 转周期和其部分的数量。 另一个实施例被描述， 其中可移置构件是线性可移置构件， 并且计 数器计数可移置构件所经历的线性位移周期及其部分的数量。 根据本发明的另一个方面， 提供了用于通过计数可移置构件沿预定位移路径的位 移周期来测量可移置构件沿所述预定位移路径的位移的方法， 所述方法包含 ：
将第一机器可感测元件应用于可移置构件以占据可移置构件的一段长度， 该段长 度仅定义可移置构件的一部分位移周期 ；
在最接近位移路径的感测站处提供第一传感器， 以能够感测在感测站中存在或者 不存在第一机器可感测元件， 并且从而能够确定可移置构件在所述可移置构件的位移期间 的任何特定时刻的状态 ；
在最接近位移路径的脉冲发生站处设置脉冲发生器 ；
将多个第二机器可感测元件沿位移构件的每个位移周期以间隔的区间应用于可 移置构件， 第二机器可感测元件中的每一个在移动通过脉冲发生站时， 有效地来致动脉冲 发生器 ；
控制脉冲发生器以致动第一传感器来感测可移置构件在第二机器可感测元件中 的一个通过脉冲发生站的特定时刻的状态 ； 并且
用来自脉冲发生器的每个脉冲根据状态确定来增加电计数器。
如将在下文中更具体地描述的那样， 如在上文中所简要描述的本发明的设备和方 法允许以不需要电池、 使用标准电子装置并且对振动相对不敏感的方式来测量可移置构件 的位移。
根据下文的描述， 本发明的另外的特征和优势将是显而易见的。
附图说明
参考附图， 仅以举例的方式在此描述本发明， 其中 ： 图 1 示意性地示出根据本发明的用于测量旋转构件的位移的设备的一种形式 ； 图 2 为有助于解释图 1 的设备的操作的图表 ；图 3 示意性地示出根据本发明的用于测量旋转轴的位移的另一种设备， 与图 1 的 设备相比其提供更高的分辨率 ；
以及图 4 示意性地示出根据本发明的用于测量线性可移置构件的位移的设备的 一种形式。
将理解的是上述附图， 以及下文的描述主要为了促进理解本发明及其可能的实施 例的概念方面的目的而被提供， 包括目前被认为是优选实施例的那些。为了清楚和简要起 见， 没有进行尝试来提供比能使本领域的技术人员使用常规技术和设计便理解和实现所描 述的发明所必要的更多的细节。还应当理解的是所描述的实施例仅是为了示例的目的， 并 且本发明能够以除在本文中所描述之外的其它形式和应用来实施。 具体实施方式
首先参考图 1， 其示意性地示出了根据本发明所构建的用于测量轴 (shaft)10 围 绕旋转轴线 (axis)11 的转动或者旋转的测量设备的一种形式。 图 1 中所示的设备可以是以 独立转动计数器的形式， 或者以提供对轴的旋转角的精确测量的一次转动 (one-turn) 绝 对编码器的形式。如将在下文中所示出的那样， 图 1 中所示的设备被设计用于在不需要外 部电力的情况下记录转动和 / 或者转动的部分的数量， 因为借助于磁感应从旋转轴接收了 所需要的电力。 因此， 如图 1 中所示， 其旋转要被计数的旋转轴 10 本身或者固定于该轴的独立圆 盘， 包括围绕轴的外部圆周延伸一段长度的第一机器可感测元件 12， 该段长度定义轴的位 移 ( 一次旋转 ) 周期的二分之一。因此， 如在图 1 中可看到的那样， 机器可感测元件 12 覆 盖轴 10 的二分之一圆周， 留下另外半个圆周未被覆盖。相应地， 轴 10 的每个完整的旋转或 者转动由单个周期构成， 该单个周期的二分之一由机器可感测元件 12 占据， 而另外半个周 期没有被该元件占据。
图 1 中所示的设备还包括至少一个传感器， 优选地包括彼此隔开的两个传感器 13a、 13b。传感器 13a、 13b 被设置在最接近旋转轴 10 的位移路径的感测站处， 以能够感测 在感测站中存在或者不存在机器可感测元件 12， 并且从而能够确定轴 10 在轴的旋转期间 的任何特定时刻的状态。在所描述的优选实施例中， 机器可感测元件 12 是磁性元件， 并且 两个传感器 13a、 13b 是围绕轴 10 的外部表面彼此间隔 90 度的霍尔传感器。
图 1 中所示的设备还包括通常被标记为 14 的脉冲发生器， 其被固定在最接近旋转 轴 10 的、 被称为脉冲发生站的另一个地点处。脉冲发生器 14 包括以悬臂形式装配在弹性 臂 14b 的一端处的磁芯 14a， 该弹性臂 14b 的相反端被固定在 14c 处， 并且相对于线圈 14d 可移动以基于该芯相对于线圈的每次移动而在其中生成脉冲。
轴 10 还携载在围绕轴的旋转轴线 11 的环形阵中等距间隔的多个第二机器可感测 元件 15a-15d。 在所示出的例子中， 有四个这样的机器可感测元件 15a-15d ； 两个 (15a， 15b) 被设置在由第一机器可感测元件 12 所占据的轴 10 的扇区中， 而另外两个 (15c， 15d) 被设 置在没有被机器可感测元件 12 所占据的轴 10 的扇区中。机器可感测元件 15a-15d 也是磁 体， 以吸引脉冲发生器 14 的磁芯 14a 从而每当磁性元件 15a-15d 近似地朝着， 然后远离， 脉 冲发生器的芯 14a 移动时， 就在线圈 14d 中产生脉冲。
两个传感器 13a、 13b 中的每一个通过导线 16a、 16b 连接电控制电路 18， 并且脉冲
发生器 14 的线圈 14d 通过导线 17 被连接到电控制电路 18， 该电路控制转动计数器 19。
图 1 中所示的系统如下操作 ：
当 轴 10 旋 转 时， 四 个 磁 体 15a-15d 也 围 绕 旋 转 轴 线 11 旋 转， 使得四个磁体 15a-15d 中的每一个朝着脉冲发生器 14 的磁芯 14a 并且接着远离脉冲发生器 14 的磁芯 14a 移动。随着磁体 15a-15d 相对于线圈 14a 的每次这样的移动， 后面的磁芯被朝着线圈 14d 或者远离线圈 14d 突然地 (abruptly) 移动， 从而因每次这样的移动在线圈内生成脉冲。这 些脉冲经导线 17 被馈送至电控制电路 18。在线圈 14d 中所生成的并且经导线 17 被应用 于电控制电路 18 的每一个这样的脉冲激活电路一段短的时间， 在该段短的时间期间电路 使传感器 13a、 13b 能寄存轴 10 在那个时刻的旋转位置。传感器 13a、 13b 因此充当状态传 感器， 确定轴在任何特定时刻的状态， 即在电路 18 从脉冲发生器 14 接收脉冲的时刻。电路 18 也控制转动计数器 19， 其通过计数由轴所经过的周期 ( 旋转 ) 及其功能的数量来在非易 失存储器中累积轴的绝对位置。
将会看到的是由于磁体 15a-15d 彼此间隔 90 度， 可以用四分之一转动的分辨率来 确定轴的旋转位置。同样地， 由于有被设置为相对于彼此成 90 度的两个状态传感器 13a、 13b， 测量系统能够区分旋转的各个增量的方向， 即， 在向前的方向还是在相反的方向。 还将会看到的是每当磁体 15a-15d 朝着磁芯 14a 并且接着远离磁芯移动时， 脉冲 发生器 14 输出脉冲， 并且在磁芯 14d 中所产生的每一个这样的脉冲不是线性的， 而是在磁 体朝着磁芯移动时急剧增加， 并且在磁体远离磁芯移动时急剧减少。还将会看到的是磁芯 的这些移动将生成激活转动计数器 19 的能量。因此， 所示设备的特定优势在于可从脉冲发 生器 14 得到的能量的量大到足以允许将轴位置存储在类似于铁电存储器、 闪存存储器或 者 EPROM 的非易失存储器中。
图 2 示出在图 1 所示的设备中所涉及的状态的顺序， 其中要被计数的一次转动由 一个周期构成， 因为只有一个延伸轴的二分之一圆周的磁体 12。下面是被用于根据图 2 中 的状态的顺序来更新轴的转动数量的增量表。
因此， 在图 2 中相对于旋转角示出了传感器 13a、 13b 的状态 21 和 22 的顺序。每 个传感器的状态由两个值表示， 这两个值指示传感器是否接近可感测元件。只要电路 18 被 激活， 则每个传感器状态由电路感测。
图 2 也以灰色区域 23 示出了在脉冲发生器 14 输出脉冲以使得电路 18 激活转动 计数器 19 时的角的范围。扇区可以被定义为传感器 13a、 13b 的状态在其中不变的角的范 围。如图 2 所示， 四个扇区 s0-s3 被定义在一次转动 24 中， 并且脉冲发生器在状态 21 或者 22 的两个变换之间输出一个能量脉冲。
如在上文中所解释的那样， 每当轴 10 移动至少四分之一转动时电路 18 和转动计 数器 19 就被激活至少一次， 使得对于每个四分之一转动将始终有位置测量的至少一次更 新。在优选实施例中， 霍尔传感器被使用， 因为它们以最小的电力消耗来提供感测。然而， 其它类型的传感器可以被使用， 诸如簧片继电器、 近程传感器 (proximitysensor)、 或者其 它类型的传感器。
也将会理解的是在图 1 和图 2 的所描述的优选实施例、 以及在下文所描述的其它 实施例中， 机器可感测元件 12 和 15a-15d 是生成所需要的电并且因而不需要电池的磁性元 件。然而， 在其中电池可以被使用的一些应用中， 这样的元件可以是光学元件， 而不是磁性 元件， 因此状态传感器 13a、 13b 以及脉冲发生器 14 将被光激活而不是被磁激活。
另外， 尽管在图 1 和 2 中所示的优选实施例中， 两个状态传感器 13a、 13b 被使用， 使得轴在两个方向上的旋转可以被寄存， 但是可以有在其中轴能仅在一个方向上移动的应 用， 在该情况中将只需要一个状态传感器来计数半次转动 (half-turns)。
另外， 优选实施例中的扇区被示出为覆盖 90 度的角的范围 ； 然而， 扇区可以具有
不同尺寸， 只要在每个传感器的范围中至少有一次脉冲发生器的激活。
所示设备的特定优势在于其不计数由脉冲发生器所输出的脉冲的数量， 而相反地 这种脉冲被用于向独立的转动计数器 19 提供能量。作为结果， 所描述的系统对于振动不敏 感。如果振动出现， 并且这些振动导致脉冲发生器 14 的活动磁芯 14a 的移动， 并且在四分 之一转动中能量脉冲被输出不止一次， 则四分之一转动的增量将仅为第一脉冲而被完成 ； 随后的脉冲将产生 0 增量值。这在上面的增量表中被清楚地示出， 其中位置增量被作为传 感器的当前状态以及由电路 18 和转动计数器 19 所感测的先前状态的函数而给出。只要被 激活， 电路 18 以高速率检查传感器的状态， 并且根据表来更新轴位置。检查周期足够短， 使 得即使在轴具有高旋转速度的情况下轴位置也将被更新。
同样地在上述增量表中， 扇区被定义为传感器 13a 和 13b 的状态在其中保持不变 的角的范围。
必须理解的是所示优选实施例示出正好四分之一转动的扇区 ； 然而扇区可以具有 不同尺寸， 只要在一个扇区内至少有一次脉冲发生器的激活， 即第二可感测构件中的至少 一个在扇区范围内激活脉冲发生器。
所示设备的另一个优势在于转动计数分辨率是四分之一转动， 即， 四分之一周期， 仅使用两个传感器。所示设备的另一个优势在于只有一个磁能发生元件， 即， 脉冲发生器 14， 被用于双向转动计数器。 这显著地区别于上文所引用的美国专利中所示的系统， 该系统 需要至少三个磁能发生元件以便在两个方向上计数。 在图 1 和 2 所示的实施例中， 设备被用于以四分之一转动的分辨率来计数轴的转 动数量， 每次转动表示一位移周期。将会理解的是通过提供不同数量的磁体 12( 或者其它 机器可感测元件 )， 相同的设备可以包括具有除四分之一转动以外的不同分辨率的计数系 统， 从而定义轴的不同数量的扇区以便每扇区产生至少一个能量脉冲。
图 3 示出一设备， 其中在围绕轴的旋转轴线 31 的环形阵中等间距布置的八个磁体 35a-35h 将轴 30 划分为八个扇区。在图 3 所示的设备中， 有两个外部磁体 32a、 32b， 其每个 都延伸旋转轴的二分之一圆周， 以便为每次旋转定义要被计数的两个周期， 每个周期被划 分为由两个状态传感器 33a、 33b 的状态所定义的四个扇区， 每个扇区在四分之一周期处， 即， 八分之一的角转动。对于每个扇区范围， 放置内部磁体 (35a-35d) 以激活脉冲传感器。
图 3 中所示的系统的剩余部分以与上文中相对于图 1 和 2 所描述的大体上相同的 方式被构建和操作。因此， 图 3 中所示的设备包括通常被标记为 34 的脉冲发生器， 脉冲发 生器包括固定于弹性构件 34b 的一端的可移动磁芯 34a， 该弹性构件 34b 的相反端 34c 被固 定， 并且当内部磁体 35a-35h 中的每一个变为与磁芯 34a 对齐或者变为不与磁芯 34a 对齐 的时候， 磁芯 34a 在线圈 34d 内可移动。由线圈 34d 所生成的脉冲经导线 37 被应用于电路 38 ； 并且状态传感器 33a、 33b 中的每一个的状态相对于外部磁体 32a、 32b 从两个状态传感 器 33a、 33b 经导线 36a 和 36b 被馈送至电路 38。电路 38 因此根据所感测的状态增加 ( 或 者减少 ) 转动计数器 39， 如在上文中相对于图 1 和 2 所描述的那样。
因此， 将会看到的是图 3 中所示的设备具有八分之一转动的分辨率， 而不是如在 图 1 和 2 中那样的四分之一转动。
将会理解的是根据本发明所构建的位移测量系统就每次转动而言， 可以是基于一 个或者两个以上周期的， 通过向旋转轴提供恰当数量的外部磁体 (12)， 即为每个这样的周
期提供一个并且延伸相应周期的二分之一距离。 也将会理解的是该设备可以被构建用于提 供不同数量的扇区， 并且从而提供不同的分辨率， 通过提供恰当数量的内部磁体以在每次 旋转期间对每个扇区致动脉冲发生器至少一次。
图 4 示意性地示出了在用于沿线性位移路径的以线性位移周期及其部分的形式 而不是如在图 1-3 中那样的旋转位移的形式来测量线性位移的设备中所实现的本发明。因 此， 图 4 中所示的设备包括通常被标记为 40 的线性可移置构件， 其如箭头 41 所指示的那样 在线性路径上可移置。 可移置构件 40 在一侧上包括多个机器可感测元件， 即磁体 42a-42g， 一个用于构件 40 的每一个位移周期， 其中每个这种磁体覆盖二分之一周期。 可移置构件 40 的相应侧还包括两个状态传感器 43a、 43b。
向可移置构件 40 的相反侧提供脉冲发生器 44， 脉冲发生器 44 包括在弹性臂 44b 的一端处所携载的可移动磁芯 44a， 其中弹性臂的相反端 44c 被固定地装配， 并且其中磁芯 44a 相对于线圈 44d 可移动以便因线圈的每次移动生成电脉冲。然而， 在这种情况下， 脉冲 发生器 44 由多个磁体 45a-45n 致动， 其对应于由磁体 42a-42g 所定义的周期的数量以及测 量设备中所希望的分辨率。在图 4 所示的例子中， 磁体 42a-42g 将可移置构件的长度划分 为 7 个周期 46， 而磁体 45a-45n 将每个周期 46 划分为四个部分， 使得测量设备具有四分之 一周期的分辨率。 图 4 中所示的设备另外以与上文中相对于图 1-3 所描述的相同方式被构建和操 作， 以便用四分之一周期的分辨率按照周期 46 测量构件 40 的线性位移。将会理解的是每 个周期 46 的距离是精确已知的， 使得图 4 中所示的设备按照位移的绝对值测量位移。
虽然已经就若干优选实施例描述了本发明， 将被理解的是可以进行许多变化。举 例来说， 一种类型的机器可感测元件或者两种可以是光学元件或者电容型元件， 而不是磁 性元件， 并且脉冲发生器可以是光致动的那种， 而不是磁致动的那种。另外， 测量设备的分 辨率可以被提高 ( 或者降低 )， 通过提供用于致动脉冲发生器的磁体的恰当数量以及可与 状态磁体合作的状态传感器的恰当间隔。
本发明的许多其它变化、 改动及应用将是显而易见的。