专利名称：用于旋转轴的基于单轨道刷子的位置编码器的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及用于输出旋转轴位置的基于刷子的位置编码器，更具体地，涉及用于电动窗罩、遮棚、安全幕布(security screen)、投影幕布等的位置编码器。
背景技术：
本受让人提供了几种系统，用于在手持遥控或其他控制设备的控制下，降下或升起窗罩，或者在打开与关闭位置之间移动窗罩的板条(slat)。这些系统包括通过齿轮与窗罩致动机构耦合的电动机。当响应于用户的命令信号而对电动机通电时，致动机构移动窗罩。这样的组件在美国专利No.6,433,498中被公开，在此以引用的方式将其并入。
本受让人还提供了用于基于计数电动机脉冲来确定窗罩位置的系统。通过获知窗罩的位置，可以提供诸如将窗罩自动重定位到预设位置的特征。
如在此所承认的，已经提供了用于输出旋转轴位置的基于刷子的位置编码器，并且优点是趋于廉价且可靠。在基于刷子的系统中，刷子被设置为依靠在轨道上，每一个轨道都构成圆周的一部分，并且每个轨道相对于其他两个轨道错开，即三个轨道具有彼此不同的半径。要么是利用轴使刷子旋转而轨道固定，要么是利用轴使轨道旋转而刷子固定。在任一种情况下，为了提供正交信号输出，使用三个轨道和三个刷子，每个轨道一个刷子。
如在此进一步承认的，这种基于刷子的系统要求足够的空间来容纳三个轨道，这使得它们难以适用于较小的系统。另外，各个刷子必须与各个轨道对齐，以确保该刷子依靠在其轨道上且仅依靠在其轨道上。因此刷子的定位很关键，在部件之间要求较严格的公差(tolerance)，因此，导致较高的制造成本。
本发明的目的是提供一种位置传感器，其使得能够克服前述缺点，并对现有技术所述的已知传感器提供改进。具体地，本发明使得基于刷子的正交位置传感器具有较小的尺寸，并针对定位刷子允许使用比当前的可能情况更加宽松的公差。
发明内容
利用根据权利要求1限定的位置传感器来实现该目的。
根据从属权利要求2至9来限定传感器的各种实施例。
本发明还涉及根据独立权利要求10限定的电动组件。
在电动组件的某些实施例中，致动器可以是遮档物的上卷管(roll-up tube)，在这种情况下，位置传感器可以检测管的角度位置。环形齿轮可以利用上卷管来旋转，并且位置传感器齿轮与环形齿轮啮合并与刷子或轨道耦合，以使刷子或轨道彼此相对运动。
在一个实施例中，位置传感器可与旋转对象耦合，以生成表示对象的角度位置、角速率、和/或旋转方向的信号。位置传感器包括至少一个轨道段，其限定了由半径表征的圆周的一部分，并且位置传感器包括多个刷子，其中每一个都与该圆周的圆心间隔基本上等于半径的距离。当对象的旋转引起刷子和轨道段之间的相对运动时，刷子依靠在轨道段上以产生信号。传感器可以不包括除所述多个刷子之外的刷子。
在一个实施例中，电动组件包括-至少一个对象，其可以在第一配置和第二配置之间移动，所述对象是从包括窗罩、遮棚、天窗罩、帘、幕布的组中选出的；-至少一个电动机组件；-至少一个致动器，其与电动机组件和所述对象耦合，以当电动机被通电时使所述对象运动；-至少一个根据权利要求1至9所限定的或根据前面的段落所限定的位置传感器。
本发明的关于其结构和操作的细节，最好可参照附图来理解，在附图中，相似的附图标记表示相似的部分，其中
图1是在一种指定环境中示出的窗罩致动器的透视图，为了清楚而切除了顶端横杆(head rail)、窗罩，以及顶端横杆环形齿轮多个部分，并且示出了远离滚筒管(roller tube)的轴环(collar)；图2是沿图1的线2-2所看到的截面图；图3A至图3D是各种配置中的位置传感器的一个实施例的平面图，其中刷子旋转，并一起示出了在各个配置中生成的信号的各自示意图；图4A至图4D是各种配置中的位置传感器的另选实施例的平面图，其中轨道旋转，并一起示出了在各个配置中生成的信号的各自示意图；图5是位置传感器的另选实施例的平面图，其中生成每回转两个信号周期，并且其中轨道旋转；图6是位置传感器的又一实施例的平面图，其中生成每回转两个信号周期，并且其中刷子旋转；图7是位置传感器的又一实施例的平面图，其中生成每回转三个信号周期；图8是旋转柱轨道的透视图；以及图9是图8所示轨道的前正视图。
具体实施例方式
本发明是用于任何旋转轴的位置编码系统，即，用于输出表示可旋转对象的角度位置的信号的传感器。为了例示，图1示出了在窗罩中实现的位置传感器，但是应该理解，如在图3-7所示的任一方案中具体实施的本发明的位置传感器都可以根据本发明的原理来输出表示任一轴的角度位置(如果希望，还有该轴的角速度)的信号。
首先参照图1，示出了一种电动窗罩，总体上指定为10，该电动窗罩包括诸如窗罩14的可旋转杆12的致动器，诸如帘组件但并不限于此，该帘组件具有可升起(通过向上卷)并可降下(通过向下卷或解开)的帘16。致动器12可以可旋转地安装在窗罩14的顶端横杆中。当致动器12围绕其纵向轴旋转时，帘16介于打开结构和关闭结构之间而升起或降下。
尽管示出了上卷帘，但是应该理解，此处的原理可用于宽范围的窗罩以及通过电动机来移动的其他对象。例如，本发明应用于可升起并可降下的折叠帘和格孔式帘(cellular shade)，以及可被升起并降下的投影幕布、遮棚等。此外，尽管在仅要求转条(tilting slat)的应用中(诸如在水平百叶窗(horizontal blind)中)较少地需要本发明，但是本发明也可用于这些系统。因此，例如，杆12可以是帘、遮棚、或投影幕布的杆12，或者是水平(或垂直)百叶窗的转杆(tilt rod)，或者类似的操作器。因此应当进一步理解，本发明的原理应用于宽范围窗罩和其他对象，这些对象包括但并不限于垂直百叶窗、折叠帘(fold-up pleated shade)、上卷帘、格孔式帘、天窗罩等。电动形式的这些帘在美国专利No.6,433,498中被公开，在此以引用的方式将其并入。
图1示出了手持用户命令信号发生器18可用于使用红外线(IR)遥控单元或射频(RF)遥控单元来生成使对象移动的命令信号。或者，用户命令信号可由现有技术中公知的任何其他通信装置来生成，诸如通过可操作的手动开关。用户命令信号可以包括打开、关闭、升起、降下等等。
椭圆形端帽20可将管12的一端装入，并可以包括在非限制例示性实施例中的本发明的位置传感器的多个部分，以及非限制型电动机组件的多个部分。特别是，端帽20可以支撑具有小交流或直流电动机组件24的电动机管22。减速齿轮、电子器件、以及碱性或锂原直流电池(如果希望，其可以是电动机的唯一电源)可被支撑在电动机管22中。电动机组件24使可与轴环28啮合的输出轴26旋转。进而，轴环28可与管12啮合，以使管12旋转。迄今为止所示出和描述的组件细节可以在上面引用的专利中找到。
参照图1和图2，环形齿轮30可以外接管12的内表面。位置传感器齿轮32可与环形齿轮30啮合，以在管12旋转时进行旋转。另选地，位置传感器齿轮可与电动机组件24或其减速齿轮耦合，以当这些部件旋转时进行旋转。在任何情况下，位置传感器齿轮32可以是可在电动机管22之上或之内旋转的类似轴的结构，或者是其他结构。
最好如图2所示，位置传感器齿轮32可与依靠于金属轨道36的导电刷子34连接，金属轨道36进而可形成在端帽20中的电路板38上。另选地，位置传感器齿轮32可与轨道连接，以相对于固定刷子来旋转轨道。在任何情况下，图3至图7的位置传感器中的任一个都可用于图1和图2所示的系统中，以输出表示可旋转对象的角度位置(如果希望，以及其角速度)的信号。在图1和图2的非限制性实施例中，可旋转对象是滚筒管12。
优选的电子电路板38包括微处理器，其用于处理来自信号发生器18的命令信号以及来自本发明的位置传感器的信号。另外，电路板38可以包括有与下面要公开的位置传感器电连接的适当信号调节电路，其用于调节信号并将信号发送到电路板38上的处理器，以确定滚筒管的旋转位置和/或速度和/或方向。
如在上面参照的美国专利中所阐述的，用户可以操作信号发生器18，以生成发送到电路板38中的信号处理电路的信号。继而，通过使用取决于可旋转对象的角度位置的算法，在电子电路板38上的处理器的控制下，根据命令信号对电动机组件24通电以将窗罩打开或关闭，其中该角度位置是由本发明的位置传感器检测的。
现在参照图3A至3D，可以看到本发明的位置传感器的第一实施例，总体上被指定为40。通常，传感器40包括一个且仅一个轨道，该轨道可以是单一结构或可以限定多个段，但是在任何情况下，该轨道都是部分环形的，从而限定由半径来表征的圆周。当所测量对象旋转时，多个刷子被设置为依靠在轨道上，使得这些刷子的每一个都与圆周的圆心相隔基本上等于半径的距离。
对图3A至3B所示的具体传感器40进行更加详细的说明，第一至第三刷子42、44、46依靠在第一至第三轨道段48、50、52上。在图3A至3D所示的实施例中，刷子42、44、46如图所示地彼此电连接，并与可旋转对象耦合，其中要针对如箭头54所指示的逆时针(CCW)旋转来检测该对象的角度位置。然而，应该理解，也可以设想是顺时针(CW)旋转。
轨道段48、50、52构成了单个轨道元件，其环绕圆周的270度(270°)，并且通过刚好足够的间隔或非导电材料来将第一和第二轨道段48、50彼此分开，以防止从段48向段50导电。同样地，通过刚好足够的间隔或非导电材料来将第二和第三轨道段50、52彼此分开，以防止从段50向段52导电。因此，每个轨道段48、50、52跨过约90度(90°)。
图3A至3D示出了在非限制性实施例中，第一刷子42与第二刷子44在角度上间隔略小于90度(90°)，例如89度(89°)，尽管可能更普遍地使用其他间隔。类似地，第二刷子44与第三刷子46在角度上间隔略小于90度(90°)。
如图3A至3D所示，第一信号抽头(signal tap)56建立在第一轨道段48上，第二信号抽头58建立在第三轨道段52上。基准电压输入端60(在图中被指定为“Vcc”)被施加给介于第一和第三轨道48、52中间的第二轨道50。在基准电压输入端60处施加电压，并将第一和第二信号抽头56、58处的电压作为对象的角度位置的指示，发送给处理电路。
有了以上结构，图3A的曲线图示出了当刷子42、44、46旋转到图3A所示的位置时，来自第一信号抽头56的信号(标记为“第一信号”)为高，即，其基本上等于基准电压，因为第二刷子44在第一轨道段48上并且第三刷子46在第二轨道段50上，从而使基准电压与第一信号抽头56电连接。然而，因为在第三轨道段52上没有刷子，所以来自第二信号抽头58的信号是低电平，如图3A的曲线图所示。
图3B示出了当这些刷子旋转了约90°时，因为其上具有基准电压抽头的第二轨道段50上没有刷子，所以第一和第二信号都为低。然而，再转90°则导致第一刷子42位于第二轨道段50上并且第二刷子44位于第三轨道段52上，所以第二信号抽头与基准电压电连接，因此如图所示，第二信号为高。因为在第一轨道段48上没有刷子，所以第一信号为低。
一个完整回转的最后90°旋转产生如图3D所示的结构，其中每个轨道段都支持有各自的刷子，将两个信号都驱动为高。现在可以理解，所示的信号与各自的刷子位置相关联，并因此与传感器40的角度位置相关联(并因此与刷子所连接的可旋转对象的角度位置相关联)。
在图3A至图3D的曲线图中，尽管第一和第二信号的高电平看上去不具有相同的值，但是应当注意，它们具有相同的值基准电压Vcc。这种表示的目的是防止混淆信号。这些信号的低电平也可以具有相同的值。
现在可以进一步理解，通过测量信号变换之间的时间段，可通过利用信号变换之间的时间段除相邻刷子之间的角度间隔，来确定传感器40的角速率。此外，通过观察，或者通过记录具体的信号变换的顺序，可以获得旋转方向。接收按照所示顺序的信号变换表明CCW旋转；如果顺序相反则表明是CW旋转。因此，可以确定传感器40的角速度(具有方向的角速率)。
图4A至图4D示出了另选的角度位置传感器，总体上指定为62，除以下几点之外，该传感器在结构和操作方面与图3A至图3D示出的传感器40在实质上完全相同。第一、第二和第三刷子64、66、68不旋转而是固定的，并且当单轨道段70旋转通过它们时它们依靠在该单轨道段70上。轨道段70可以限定为圆周的270°，并与角度位置要被测量的对象进行耦合。如图所示，第一信号抽头72从第一刷子64抽出，并且第二信号抽头74从第三刷子68抽出，而在第一刷子和第三刷子之间基准电压信号输入76被施加给第二刷子66。根据上面所阐述的原理进行信号处理和分析。
在图4A至图4D的曲线图上，尽管第一和第二信号的高电平看上去不具有相同的值，但是应当注意到，它们具有相同的值基准电压Vcc。这种表示的目的是防止混淆信号。这些信号的低电平也可以具有相同的值。
现在参照图5，示出了一种角度位置传感器，总体上被指定为80，其包括可旋转的第一和第二轨道段82、84。第一和第二轨道段82、84每一个占据了圆周的约135°，并且位于同一个圆周上，它们的末端与另一轨道段的对端间隔至少5度(5°)，更加优选地如图所示间隔45°。在第一信号抽头92从第一刷子86抽出、在第二信号抽头94从第二刷子88抽出、以及基准电压输入96被施加给第三刷子90的情况下，第一、第二和第三固定刷子86、88、90依靠在轨道段82、84上。图5所示的位置传感器80针对轨道段82、84的每个完整回转，输出两个信号周期。根据上述原理来进行对每半个回转的信号处理。
图6示出了一种传感器100，除以下区别之外，其在结构和操作方面与图5所示的传感器80在实质上相同，所述区别即，图6具有旋转刷子102，这些旋转刷子102彼此电连接在一起，并且如图所示依靠在每组具有三轨道段108的第一组和第二组104、106上，组104、106位于同一圆周上。一组中的多段108彼此间隔很近，只要足够使它们相互电绝缘就可以，这些组的末端彼此间隔至少5°，或许如图所示可以达到45°或更大。在每组内，当电压基准112施加给该组的中间段的同时，第一和第二信号抽头110从各自的末端段108抽出。图6所示的位置传感器100对于轨道端82、84的每个完整回转，输出两个信号周期。根据上述原理来进行对每半个回转的信号处理。
图7示出了上述原理可由传感器120应用，以对每回转生成三个信号周期。尽管图7示出了三个固定刷子122和三个运动轨道段124，但是此处阐述的原理可应用于运动刷子和固定轨道段。图7所示的轨道段124彼此分离30°，并且每个段124跨越90°。根据是刷子还是轨道段进行旋转，各个轨道段124可以包括至少一个子段。甚至更多的段可用于生成每回转三个以上信号周期。
在结束说明之际，尽管示出了平坦轨道段，但是应该理解，轨道段可以是曲线，更具体地，可以描述成如图8和9所示的柱体的一部分。特别是，描述成柱体的一部分的轨道200(并因此，如在此使用的“柱体的”)可附着到可旋转对象202。三个刷子204可附着到固定板206上，用于当轨道200旋转通过刷子204时如上所述地进行操作，以当轨道进行旋转并且基准电压(在图8和图9中被标记为“Vcc”)被施加到中间刷子204时生成第一和第二信号(在图8和图9中被标记为“S1”和“S2”)。
在结合图3至图7描述的所有实施例中，轨道段可以具有柱体的多个部分的形式，刷子与轨道段径向接触。
权利要求
1.一种位置传感器(40；62；80)，其使用单个轨道圆周中布置的轨道结构来输出表示可旋转对象的角度位置的正交信号，在该圆周上设置有至少一个轨道段，以及多个刷子，当对象旋转时所述多个刷子依靠在该轨道段上。
2.根据权利要求1所述的位置传感器，其中所述对象是从包括窗罩、遮棚、天窗罩、帘和幕布的组中选出的。
3.根据权利要求1或2所述的位置传感器，其中所述刷子旋转，并且所述位置传感器包括第一、第二和第三轨道段，每一个跨过约90度(90°)，并且所述多个刷子包括第一、第二和第三刷子，第一信号抽头建在第一轨道段上，第二信号抽头建在第三轨道段上，并且基准电压抽头建在介于第一和第三轨道段中间的第二轨道段上。
4.根据权利要求1或2所述的位置传感器，其中轨道段旋转，并且轨道段跨过约270度(270°)，并且多个刷子包括第一、第二和第三刷子，第一信号抽头建在第一刷子上，第二信号抽头建在第三刷子上，并且基准电压抽头建在介于第一和第三刷子中间的第二刷子上。
5.根据权利要求1或2所述的位置传感器，其中所述刷子旋转，并且所述位置传感器包括至少第一组和第二组轨道段，其中每组具有三个轨道段，第一组和第二组彼此间隔45度(45°)或更小，位置传感器对于每个完整回转输出至少两个信号周期。
6.根据权利要求1或2所述的位置传感器，包括至少第一和第二轨道段，当所述对象旋转时所述轨道段旋转，所述第一和第二轨道段彼此间隔45度(45°)或更小，位置传感器对于每个完整回转输出至少两个信号周期。
7.根据权利要求1或2所述的位置传感器，包括彼此间隔45度(45°)或更小的至少第一、第二和第三轨道段，根据是刷子还是轨道段旋转，每个轨道段包括至少一个子段，位置传感器对于每个完整回转输出至少三个信号周期。
8.根据权利要求3或5至7之一所述的位置传感器，其中所述轨道段是柱体的多个部分。
9.根据权利要求4所述的位置传感器，其中所述轨道段是柱体的一个部分。
10.一种电动组件，包括-至少一个对象，其可以在第一配置和第二配置之间移动，所述对象是从包括窗罩、遮棚、天窗罩、帘、幕布的组中选出的；-至少一个电动机组件；-至少一个致动器，其与电动机组件和所述对象耦合，用于当电动机被通电时使所述对象移动；以及-至少一个位置传感器，用于生成表示电动机组件和致动器中至少一个的角度位置的信号，所述位置传感器包括-多个刷子；以及-限定单个半径的一个且仅一个轨道，该轨道包括限定圆周的一部分的至少一个轨道段，刷子依靠在该轨道上，当对象移动时轨道与刷子之间发生相对运动，以生成表示角度位置的信号。
全文摘要
位置传感器仅使用单个圆周轨道以及当对象旋转时依靠在轨道上的多个刷子，来生成表示旋转对象的角度位置的信号，如果希望，并且生成表示旋转对象的角速度的信号。单个圆周轨道可以具有多段，并且传感器对于每回转可以生成一个以上信号周期。
文档编号G01D5/12GK1965213SQ200580018534
公开日2007年5月16日 申请日期2005年6月6日 优先权日2004年6月7日
发明者皮埃尔-埃马纽埃尔·卡瓦雷克, 克里斯托弗·K·施罗特 申请人:Somfy两合公司