專利名稱：利用反射圓柱形表面的編碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)編碼設(shè)備。
背景技術(shù)：
光學(xué)軸編碼器被用來測量轉(zhuǎn)軸的位置旋轉(zhuǎn)。光學(xué)編碼器一般包括光源、編碼條和光電探測器組件，所述編碼條安裝在隨轉(zhuǎn)軸移動的碟盤上并且調(diào)制來自光源的光，所述光電探測器組件將已調(diào)制光信號轉(zhuǎn)換成用于確定轉(zhuǎn)軸位置的電信號。
增量式編碼器在每一次轉(zhuǎn)軸移動通過預(yù)定角度時(shí)產(chǎn)生一個信號。如果光電探測器組件包括兩個彼此偏離的光電探測器，那么就可以從這些光電探測器所產(chǎn)生的信號確定轉(zhuǎn)軸運(yùn)動的方向和幅度。工作于編碼條上的不同“軌道”上的多個增量式編碼器可以被用來構(gòu)造絕對編碼器，該絕對編碼器產(chǎn)生指示相對于預(yù)定的固定參照點(diǎn)的轉(zhuǎn)軸位置的信號。
兩種類型的編碼器中所使用的編碼條可以被分成兩個寬泛的類型。在第一類型中，編碼條由交替的不透明和透明的條紋構(gòu)成，光源和探測器陣列位于該編碼條的相對兩側(cè)。在第二類型中，編碼條由交替的非反射條紋和反射條紋構(gòu)成，光源和探測器陣列位于該編碼條的同一側(cè)。
由于光源和探測器陣列可以結(jié)合到單個預(yù)包裝的組件內(nèi)，所以原則上，第二類型的編碼器比第一類型的編碼器更便宜。在美國專利5,317,149中給出了這樣一種編碼器設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)除了光源和探測器陣列以外還使用了兩個透鏡。第一透鏡用來產(chǎn)生從代碼條被反射的光束。第二透鏡將代碼條成像到光電探測器陣列上。第二透鏡的成本增加了編碼器的成本。
此外，利用該設(shè)計(jì)難以獲得能夠?qū)崿F(xiàn)較寬范圍的編碼器分辨率的單個編碼器模塊。編碼條一般通過在隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的碟盤上設(shè)置條紋圖案來構(gòu)造。所期望的分辨率設(shè)定了編碼條上的條紋圖案。代碼條在光電二極管上的像是一系列明暗條紋，條紋的寬度必須與光電二極管上的有效區(qū)域的尺寸相匹配。例如，在用來確定運(yùn)動方向和運(yùn)動量的兩個光電二極管的陣列中，代碼條像中的條紋理想地應(yīng)具有兩倍于光電二極管上的有效區(qū)域的寬度的寬度。由于光電二極管的尺寸是在制造過程中設(shè)定的并且不容易被改變，所以條紋尺寸的任何不匹配都必須通過改變由上述第二透鏡所提供的放大率來被調(diào)整適應(yīng)。當(dāng)分辨率變化時(shí)，放大倍數(shù)也可能變化。因此，其中第一和第二透鏡具有固定焦距的單個設(shè)計(jì)通常是不可能實(shí)現(xiàn)的。
在這種類型的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)中，代碼條圖案中的每個條紋的形狀是梯形。條紋必須被布置在隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的碟盤周圍。因此，每個條紋覆蓋由碟盤上的兩個半徑和編碼器的角分辨率所定義的區(qū)域。如果光電探測器具有矩形有效區(qū)域，那么就存在形狀不匹配，該形狀不匹配降低了編碼器中的信噪比。所以，需要梯形的光電探測器。由于必須使用專用光電探測器，這同樣增加了編碼器的成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括用于測量旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸位置的編碼器。該編碼器包括其上具有編碼軌道的鼓輪以及具有光源和光電探測器的探測器模塊。該鼓輪包括特征在于軸的圓柱形表面，鼓輪具有有著與該軸垂直的法線的表面。編碼軌道包括布置在圓柱形表面上的多個交替的反射和非反射條紋。第一光源以相對于所述法線的傾斜角度照明條紋。第一光電探測器被定位以在所述鼓輪相對于光電探測器運(yùn)動時(shí)接收來自所述光源的、從反射條紋被反射的光。在一個實(shí)施例中，當(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，該鼓輪繞所述軸旋轉(zhuǎn)。編碼軌道可以在所述鼓輪的內(nèi)側(cè)或者在其外側(cè)。絕對編碼器可以通過包括多個編碼軌道來構(gòu)造，其中不同軌道之間條紋的寬度變化。


圖1是對轉(zhuǎn)軸的位置進(jìn)行編碼的現(xiàn)有技術(shù)編碼器的俯視圖。
圖2是圖1所示編碼器沿線19-19’的橫截面圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的編碼器的透視圖。
圖4是圖3所示編碼器的一部分沿線24-24’的橫截面圖。
圖5示出了圖3和圖4所示編碼器中的有關(guān)距離。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的編碼器的另一個實(shí)施例的透視圖，其中編碼條位于鼓輪表面的內(nèi)側(cè)。
圖7是圖6所示編碼器的側(cè)視圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明另一個實(shí)施例的絕對編碼器的一部分的透視圖。
具體實(shí)施例方式
參考圖1和圖2，可以更容易地理解本發(fā)明給出其優(yōu)點(diǎn)的方式，在圖1和圖2中示出了用于對轉(zhuǎn)軸13的位置進(jìn)行編碼的現(xiàn)有技術(shù)編碼器。圖1是編碼器10的俯視圖，圖2是編碼器10沿線19-19’的橫截面圖。編碼器10由具有梯形形狀的非反射區(qū)域12的反射式碟盤11構(gòu)造成，所述非反射區(qū)域12將碟盤分成多個反射和非反射區(qū)域。探測器模塊14包括光源15和探測器陣列16，用于產(chǎn)生指示碟盤11的運(yùn)動的信號。編碼器10的角分辨率由反射和非反射區(qū)域的數(shù)量決定。因此，為了提高編碼器的分辨率，區(qū)域的數(shù)量必須增加。如果碟盤11的半徑不增大，那么每個區(qū)域的大小必須減小。這樣的減小也會導(dǎo)致用于檢測反射和非反射區(qū)域之間的差異的可用的光的量的減少。從而，隨著分辨率提高，信噪比降低了。
如上所述，探測器陣列16一般包括決定每個編碼條在探測器陣列表面上的像的大小的透鏡。當(dāng)分辨率改變時(shí)，或者成像系統(tǒng)的放大率必須改變，或者光電二極管的有效區(qū)域必須改變。在其它情況下，很難提供能夠被使用實(shí)現(xiàn)較寬范圍的分辨率的探測器陣列。
本發(fā)明通過將反射式鼓輪用于編碼表面而避免了這些問題?，F(xiàn)在參照圖3和圖4，其示出了根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的編碼器20。圖3是編碼器20的透視圖，圖4是編碼器20的一部分沿線24-24’的橫截面圖。編碼條的功能是由非反射區(qū)域23提供的，該非反射區(qū)域?qū)⒐妮喌谋砻娣殖煞瓷浜头欠瓷鋮^(qū)域。反射和非反射區(qū)域在形狀上優(yōu)選為矩形。鼓輪22的軸21可以與其位置正被編碼的轉(zhuǎn)軸的軸重合或者通過適當(dāng)?shù)鸟詈蠙C(jī)構(gòu)而被耦合到該轉(zhuǎn)軸上。探測器模塊25包括光源26和一個或者多個光電探測器27。
現(xiàn)參照圖5，其示出了編碼器20中的相關(guān)距離。為了討論的目的，假設(shè)鼓輪22被與鼓輪22距離S的非準(zhǔn)直光源26所照明。另外假設(shè)來自該光源的光以相對于鼓輪表面的法線的一定角度照射在該表面上。在這種情況下，鼓輪的外凸表面形成光源26的虛像31。如果反射區(qū)域的寬度記為h，反射區(qū)域在光電探測器處的視在寬度(apparent width)會是h’，從而編碼條紋將被放大了。放大的量由M＝1+D(|f|-1+S-1)大致給出。這里，D是從鼓輪到光電探測器的距離，f是外凸反射鏡表面的焦距。應(yīng)該認(rèn)識到，f對于內(nèi)凹反射鏡是正的，對于外凸反射鏡是負(fù)的，例如圖5所示。所以，通過變化D和S，放大率可以變化。如果光電探測器和光源在同一模塊中，那么改變模塊距表面的距離使得能夠調(diào)節(jié)放大率，以與鼓輪上的代碼條寬度匹配。例如，如果D＝S，那么放大率為2+D/|f|。
以上描述的實(shí)施例利用了非準(zhǔn)直光源。如果光源是準(zhǔn)直的，S是無窮大。在這種情況下，M＝1+D/|f|。
如在以上討論中可以發(fā)現(xiàn)的，本發(fā)明避免了需要成像透鏡的設(shè)計(jì)中固有的局限性。通過調(diào)節(jié)鼓輪與光電探測器之間的距離，不同編碼條分辨率可以與同一探測器模塊相適應(yīng)，而不用變化模塊的光學(xué)系統(tǒng)。相應(yīng)地，單個探測器模塊的設(shè)計(jì)能夠被用于一定范圍的編碼器。
此外，根據(jù)本發(fā)明的編碼器可以提供比基于安裝在具有與鼓輪相同半徑的碟盤上的代碼條的現(xiàn)有技術(shù)編碼器更高的分辨率。例如圖1所示的基于碟盤的編碼器中設(shè)置代碼條的有效半徑小于碟盤本身的半徑。此外，所述代碼條存在最小寬度，該寬度由從反射條紋被反射的光的量決定。從條紋被反射的光的量與條紋的面積成比例。條紋的數(shù)量與被條紋寬度分割的有效半徑成比例。如果有人試圖在基于碟盤的設(shè)計(jì)中通過利用更長的條紋來增大面積，那么具有該條紋的軌道的有效半徑被減小。而且，基于碟盤的設(shè)計(jì)中條紋的最大長度受限于碟盤的半徑。相反，在基于鼓輪的設(shè)計(jì)中設(shè)置代碼條的半徑是鼓輪的完全半徑。此外，條紋的面積可以通過使用更長的鼓輪來增大，而不用變化條紋的寬度。所以，基于鼓輪的設(shè)計(jì)可以提供顯著更高的分辨率。
在以上描述的本發(fā)明的實(shí)施例中，編碼條紋被設(shè)置在響應(yīng)于轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)的鼓輪的外表面上，而探測器模塊固定到當(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)保持靜止的某個支撐物。但是，本發(fā)明的其中編碼條紋被設(shè)置在反射鼓輪的內(nèi)側(cè)的實(shí)施例也可以被使用?，F(xiàn)參照圖6和圖7，其示出了本發(fā)明的一個實(shí)施例，其中編碼條紋位于鼓輪表面的內(nèi)側(cè)。圖6是編碼器30的透視圖，圖7是編碼器30的側(cè)視圖。編碼器30包括具有反射內(nèi)表面的鼓輪31，該反射內(nèi)表面上設(shè)置了非反射條32以形成一系列交替的反射和非反射編碼條紋。條紋被探測器模塊33中的光源照明。探測器模塊33還包括一個或者多個光電探測器，用于探測從編碼條紋被反射的光。鼓輪31優(yōu)選被耦合到具有與鼓輪31的軸重合的軸的轉(zhuǎn)軸34，使得當(dāng)轉(zhuǎn)軸34旋轉(zhuǎn)時(shí)鼓輪31旋轉(zhuǎn)。探測器模塊33被安裝到當(dāng)鼓輪31旋轉(zhuǎn)時(shí)保持靜止的表面35上。在一個實(shí)施例中，表面35形成覆蓋未被連接到轉(zhuǎn)軸34的鼓輪31的端部的罩。該罩距離鼓輪31足夠遠(yuǎn)，以允許鼓輪旋轉(zhuǎn)而同時(shí)罩保持靜止。如果罩與鼓輪之間的間距足夠小，探測器模塊33和鼓輪31的內(nèi)表面被有效地封閉并與外部環(huán)境隔離，從而阻止環(huán)境中的塵埃。
本發(fā)明的上述實(shí)施例利用了當(dāng)鼓輪繞其軸旋轉(zhuǎn)時(shí)保持靜止的探測器模塊。這是優(yōu)選的實(shí)施例，因?yàn)橹撂綔y器模塊中部件的電源和信號連接不必適應(yīng)任何運(yùn)動。但是，人們可以構(gòu)造其中探測器模塊繞鼓輪的軸旋轉(zhuǎn)而鼓輪保持固定的實(shí)施例。
以上已經(jīng)就其中設(shè)置非反射條紋的反射表面對本發(fā)明的上述實(shí)施例進(jìn)行了描述。但是交替的反射和非反射條紋的圖案可以通過得到所希望的條紋圖案的任何機(jī)制來生成。
本發(fā)明的上述實(shí)施例利用了單個代碼條。這些實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了增量式編碼器的功能。但是，本發(fā)明可以被用來構(gòu)造絕對編碼器。絕對編碼器能夠讀出轉(zhuǎn)軸相對于某個預(yù)定位置的位置。例如，絕對轉(zhuǎn)軸編碼器能夠讀出轉(zhuǎn)軸要返回預(yù)定起始位置所需旋轉(zhuǎn)的角度度數(shù)。
現(xiàn)參照圖8，其為根據(jù)本發(fā)明另一個實(shí)施例的絕對編碼器40的一部分的透視圖。一般，如果設(shè)備提供對位置的N位讀數(shù)，那么就有N個獨(dú)立的代碼條，每位一個。同樣有N個獨(dú)立的探測器模塊，每個軌道一個。圖8中示出了兩個這樣的軌道42、43。該軌道以類似于以上所描述的方式處于圓柱形鼓輪41的表面上，并且探測器47和48被定位成使得相對于運(yùn)動的鼓輪保持固定。每個探測器具有以類似于以上所描述的方式工作的光電探測器和光源。每個探測器在相關(guān)聯(lián)的編碼條紋的其中一個經(jīng)過該探測器時(shí)提供信號。在具有N位的二進(jìn)制編碼器中，第K個軌道上的條紋的寬度是第(K-1)個軌道上的條紋的寬度的兩倍。也就是說，條45是相鄰軌道中的條44的寬度的兩倍。各軌道彼此對準(zhǔn)，使得探測器模塊的讀數(shù)提供N位二進(jìn)制數(shù)中的第K位，所述N位二進(jìn)制數(shù)代表了轉(zhuǎn)軸相對于固定參照位置的位置。
從以上描述和附圖中，本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯然可以對本發(fā)明做出各種修改。因此，本發(fā)明僅僅受所附權(quán)利要求的范圍的限制。
權(quán)利要求
1.一種編碼器，包括鼓輪，包括特征在于軸的圓柱形表面，所述鼓輪具有有著與所述軸垂直的法線的表面；第一軌道，包括布置在所述圓柱形表面上的多個交替的反射和非反射條紋；第一光源，用于以相對于所述法線的傾斜角度照明所述條紋；和第一光電探測器，其被定位以當(dāng)所述鼓輪相對于所述光電探測器運(yùn)動時(shí)，接收來自所述光源的、從所述反射條紋被反射的光，所述反射條紋在所述第一光電探測器上形成所述光源的像。
2.如權(quán)利要求1所述的編碼器，其中所述光源發(fā)射準(zhǔn)直光束。
3.如權(quán)利要求1所述的編碼器，其中當(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，所述鼓輪繞所述軸旋轉(zhuǎn)。
4.如權(quán)利要求3所述的編碼器，其中所述轉(zhuǎn)軸與所述軸重合。
5.如權(quán)利要求1所述的編碼器，其中所述圓柱形表面位于所述軌道和所述軸之間。
6.如權(quán)利要求1所述的編碼器，其中所述軌道位于所述圓柱形表面和所述軸之間。
7.如權(quán)利要求1所述的編碼器，還包括第二軌道，包括布置在所述圓柱形表面上的多個交替的反射和非反射條紋；第二光源，用于以相對于所述法線的傾斜角度照明所述條紋；和第二光電探測器，其被定位以接收來自所述光源的、從所述反射條紋被反射的光，其中所述鼓輪相對于所述光電探測器運(yùn)動。
8.如權(quán)利要求7所述的編碼器，其中所述第二軌道的所述反射條紋具有不同于所述第一軌道的所述反射條紋的寬度。
全文摘要
本發(fā)明公開用于測量旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸位置的編碼器。該編碼器包括其上具有編碼軌道的鼓輪以及具有光源和光電探測器的探測器模塊。該鼓輪包括特征在于軸的圓柱形表面，鼓輪具有有著與該軸垂直的法線的表面。編碼軌道包括布置在圓柱形表面上的多個交替的反射和非反射條紋。第一光源以相對于所述法線的傾斜角度照明條紋。第一光電探測器被定位以在所述鼓輪相對于光電探測器運(yùn)動時(shí)接收來自所述光源的、從反射條紋被反射的光。在一個實(shí)施例中，當(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，該鼓輪繞所述軸旋轉(zhuǎn)。編碼軌道可以在所述鼓輪的內(nèi)側(cè)或者在其外側(cè)。
文檔編號G01D5/347GK1624427SQ200410091299
公開日2005年6月8日 申請日期2004年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月1日
發(fā)明者俊也畑口, 陳日隆, 胡國興, 斯里尼瓦?！だ耸猜⒙? 蔡萊興 申請人:安捷倫科技有限公司