專利名稱：光學(xué)位置編碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于檢測可圍繞轉(zhuǎn)動軸旋轉(zhuǎn)的軸的位置的光學(xué)位置編碼器 (Positionsgeber)，尤其是光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器(Drehgeber)。
背景技術(shù)：
位置編碼器通常用來監(jiān)測和控制機(jī)械運(yùn)動過程。例如位置編碼器在作為旋轉(zhuǎn)編碼器的構(gòu)造中被用于轉(zhuǎn)數(shù)檢測和控制電機(jī)。通過非接觸地對可旋轉(zhuǎn)的軸進(jìn)行單圈或多圈掃描以確定角位置的旋轉(zhuǎn)編碼器在不同的實(shí)施方式中已知。EP 145^36B1描述了一種裝置，該裝置利用計量用具來測量兩個可相對于彼此旋轉(zhuǎn)的構(gòu)件的絕對旋轉(zhuǎn)角，該計量用具通過相對于旋轉(zhuǎn)軸和計量用具位于中心的光源以透射光被完全照亮。計量用具包括角光柵結(jié)構(gòu)，并且通過同軸布置的圓形碼道由光學(xué)傳感器元件掃描。這種掃描首先表明是一種增量角測量，其中增量角測量信號可以具有正弦和余弦信號的形狀。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，傳感器元件具有光敏表面，該表面大致具有徑向?qū)R的橢圓形狀。傳感器元件在此被布置為準(zhǔn)一維的，因?yàn)闄E圓傳感器元件的中心位于圓上。通過對正弦和余弦信號的信號電壓進(jìn)行內(nèi)插，增量角測量的較高分辨率是可能的。此外還可以從圓環(huán)形結(jié)構(gòu)的分別錯開90°的角范圍中獲取傳感器元件的信號，從而可以生成相位分別相互錯開90°的增量信號，通過對這些增量信號進(jìn)行分析來從計算上補(bǔ)償計量用具的偏心誤差。在此，絕對角測量不是通過掃描計量用具的附加的數(shù)字編碼的碼道和附加掃描來工作，而是用于增量角測量的傳感器元件被通過與軸一起旋轉(zhuǎn)的標(biāo)記元件調(diào)制。該標(biāo)記元件被實(shí)施為其余部分為周期性規(guī)則的角光柵結(jié)構(gòu)中的不規(guī)則性。為了避免在計量用具的大偏心率情況下的絕對角測量的誤差，設(shè)置與第一標(biāo)記元件錯開一定角度的第二標(biāo)記元件。但是，由于計量用具具有其余部分為規(guī)則的角光柵結(jié)構(gòu)與由標(biāo)記元件引起的不規(guī)則性相組合的實(shí)施方式，產(chǎn)生顯著的缺點(diǎn)。如果這種位置編碼器應(yīng)提供高的角分辨率和角測量精度，并且同時應(yīng)補(bǔ)償計量用具的大偏心率、其他機(jī)械安裝公差以及計量用具和傳感器元件的臟污，則缺點(diǎn)尤其明顯。US 2009/0231574A1描述了一種位置編碼器，該位置編碼器具有類似于 EP1452836B1的結(jié)構(gòu)和掃描功能。計量用具在中央具有絕對碼道以及在周邊具有周期性增量的光柵結(jié)構(gòu)，并且在光學(xué)上以透射光或者通過反射被掃描。通過點(diǎn)狀LED或者平面LED 陣列進(jìn)行照明。為了掃描使用矩形布置的光敏元件陣列，例如CCD或者CMOS圖像傳感器。 利用對大量光敏元件的灰度值進(jìn)行確定和內(nèi)插通過計算各個碼道的相位角來進(jìn)行分析。在生產(chǎn)增量和絕對位置編碼器時出現(xiàn)降低可達(dá)到的分辨率和精度的制造公差。減小制造過程中的位置公差通常導(dǎo)致制造成本顯著提高。同樣已知要校準(zhǔn)絕對位置誤差。為此使增量編碼器經(jīng)歷示教過程(Teach-in)，確定誤差，并且然后以電子方式進(jìn)行校正。這種方法也導(dǎo)致費(fèi)用提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)在于，說明一種經(jīng)過優(yōu)化且具有自校準(zhǔn)信號分析的位置編碼器裝置，該位置編碼器裝置能夠無需示教即可識別正確的絕對位置，并且不僅可根據(jù)靜止位置而且也可在整個速度范圍內(nèi)校正誤差，以及同時實(shí)現(xiàn)高的角分辨率和角精度。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)的任務(wù)在于，實(shí)現(xiàn)一種緊湊并且能夠以低廉成本生產(chǎn)的光學(xué)位置編碼器。該位置編碼器應(yīng)通過計量用具的經(jīng)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)和傳感器裝置的經(jīng)改善的分析，相對于安裝公差和臟污實(shí)現(xiàn)盡可能大的精度以及盡可能大的魯棒性。通過根據(jù)權(quán)利要求1所述的位置編碼器來解決上述任務(wù)。要求保護(hù)的測量裝置涉及一種光學(xué)位置編碼器，包括計量用具，所述計量用具包括具有第一透光環(huán)狀區(qū)域和第一不透光環(huán)狀區(qū)域的第一環(huán)狀結(jié)構(gòu)(Pi)，其中第一透光環(huán)狀區(qū)域和第一不透光環(huán)狀區(qū)域之間的界線在方位角方向上具有周期的形狀，優(yōu)選逐段單調(diào)的形狀和/或正弦形狀，該周期的形狀具有第一周期數(shù)(nl)；至少一個用光來照明計量用具的光源；以及圍繞中心以環(huán)狀布置的第一傳感器裝置，該第一傳感器裝置具有至少兩個相同的傳感器組，所述傳感器組在方位角方向上分別以整數(shù)個周期相互錯開，且偏差小于周期的10%，優(yōu)選小于周期的5%， 最優(yōu)選小于周期的1%，其中每一個傳感器組具有至少一個用于接收第一環(huán)狀結(jié)構(gòu)的光的光學(xué)傳感器元件(Sij)。所述第一環(huán)狀結(jié)構(gòu)在此可以例如由半徑為Rl的內(nèi)邊界圓和半徑為R2的外邊界圓構(gòu)成，其中R2 > R1。界線的周期形狀必須是這樣的，即使得整數(shù)個周期經(jīng)歷完整循環(huán)，從而界線封閉并且重新周而復(fù)始。例如透光區(qū)域和不透光區(qū)域之間的正弦形界線的徑向距離r 可以通過以下函數(shù)描述rl = r0+a*sin (nl* α )，其中r0_a彡Rl且r0+彡a彡R2，由此界線在環(huán)狀區(qū)域內(nèi)延伸，并且其中方位角α介于0和360°之間(或者以弧度表示介于0和 2 π之間)，并且因此是計量用具的一個完整幾何循環(huán)。于是例如由徑向布置的線性光學(xué)傳感器元件所檢測的光量在計量用具的一個完整循環(huán)期間正弦形地變化nl次。在此，每一個傳感器元件的徑向延伸和布置優(yōu)選為如此，即使得被照亮而且被傳感器元件光學(xué)掃描的界線在計量用具旋轉(zhuǎn)期間不會“偏離”傳感器元件的掃描區(qū)域或者從中引出，否則將會導(dǎo)致逐段分割到恒定水平的信號。周期界線的另一示例是一種鋸齒形曲線。與現(xiàn)有技術(shù)相比，這種光學(xué)位置編碼器的優(yōu)點(diǎn)在于通過對至少兩個以整數(shù)個周期錯開的位置上的周期圖案進(jìn)行掃描，可以進(jìn)行誤差校正。在(僅近似實(shí)現(xiàn)的)理想情況下，傳感器元件的信號應(yīng)當(dāng)具有準(zhǔn)確的周期性，尤其是(除了可能恒定的相加份額之外)正弦形的。但是以下原因仍然會造成偏離理想情況，例如偏離確平行性的照明和/或沒有相對于旋轉(zhuǎn)編碼器的旋轉(zhuǎn)軸將計量用具精確置于中心(偏心誤差)和/或計量用具平面的定向相對于旋轉(zhuǎn)軸偏離90°。通過使用以整數(shù)個周期錯開的至少兩個傳感器元件(分別在傳感器組之一中)可以形成信號和，所述信號和導(dǎo)致減少與理想情況的偏離。例如當(dāng)?shù)谝画h(huán)狀區(qū)域上存在偶數(shù)個周期時，并且當(dāng)傳感器元件相對于計量用具正好相對布置、也就是在幾何上錯開全圓的180°時，如果另有理想條件，則可精確補(bǔ)償偏心誤差。在此以基本上整數(shù)個周期錯開應(yīng)理解為與整數(shù)個周期之間偏差小于周期的士5-10%還可提供良好的測量結(jié)果，偏差小于周期的士 1-5%可提供極好的測量結(jié)果，即是優(yōu)選的，并且偏差在士0-1%范圍內(nèi)得到關(guān)于校正的最佳測量結(jié)果，即是最優(yōu)選的。
根據(jù)本發(fā)明的位置編碼器的一種改進(jìn)方式是，計量用具可以包括具有第二透光區(qū)域和第二不透光區(qū)域的第二環(huán)狀結(jié)構(gòu)(P2)，其中第二透光區(qū)域和第二不透光區(qū)域之間的界線在方位角方向上具有周期的、優(yōu)選逐段單調(diào)的和/或正弦形的形狀，該形狀具有第二周期數(shù)(π2)，或者其中所述計量用具可以具有標(biāo)記；并且其中所述光學(xué)位置編碼器還可以包括圍繞中心以環(huán)狀布置的第二傳感器裝置，該第二傳感器裝置具有用于接收來自第二環(huán)狀結(jié)構(gòu)或者來自標(biāo)記的光的光學(xué)傳感器元件(Zi)。第二光線傳感器元件的信號可以用來檢測旋轉(zhuǎn)軸一轉(zhuǎn)內(nèi)的絕對位置和/或用來檢測旋轉(zhuǎn)軸的完整連續(xù)轉(zhuǎn)動圈數(shù)。為了檢測旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動圈數(shù)可以設(shè)置第二傳感器裝置和/或光源的脈沖式運(yùn)行。另一種改進(jìn)方式在于，第一傳感器裝置和/或第二傳感器裝置的每一個傳感器組可以包括兩個光學(xué)傳感器元件以及一個用來電平檢測的元件或者三個或四個光學(xué)傳感器元件(SOj, Slj, S2j，S3j ；ZOj, Zlj，Z2j，Z3j)，且每一個傳感器組內(nèi)的分別相鄰的光學(xué)傳感器元件相互間隔第一環(huán)狀結(jié)構(gòu)(Pl)和/或第二環(huán)狀結(jié)構(gòu)(P2)的四分之一周期。如果設(shè)置用于電平檢測的元件，則應(yīng)將其布置為使其不受到界線所引起的信號變化影響，而是僅僅提供參考信號。如果以Aij表示傳感器Sij的相應(yīng)信號，就可以通過信號A0j-A2j和 Alj-A3j的相減來補(bǔ)償零線的偏移量，并且通過借助于這兩個差值的內(nèi)插可以確定周期之一內(nèi)的相位，尤其是可以在正弦形界線的情況下可以通過形成(A0j-A2j)/(Alj-A3j)的反正切函數(shù)來進(jìn)行內(nèi)插。此外由于條件A0j+A2j = Alj+A3j,因此這四個傳感器元件之一在物理上是非必需的，并且僅作為邏輯傳感器元件進(jìn)入到分析中。根據(jù)本發(fā)明的位置編碼器的一種改進(jìn)方式在于，可以將第一傳感器裝置的數(shù)量m 個傳感器組和/或第二傳感器裝置的數(shù)量N2個傳感器組布置為，使得第一和/或第二傳感器裝置的傳感器組的重心與相應(yīng)傳感器裝置的環(huán)中心之間的距離最小，其中相應(yīng)傳感器裝置的傳感器組優(yōu)選分別以基本上360° /N的角度相互錯開地布置，尤其是其中兩個傳感器組基本上以180°相互錯開地布置，或者其中三個傳感器組基本上以120°相互錯開地布置，或者其中四個傳感器組基本上以90°相互錯開地布置。只能以整數(shù)周期Pl或P2移動環(huán)狀布置的傳感器組。在此例如按照以下方式確定第一和/或第二傳感器裝置的傳感器組的重心與相應(yīng)傳感器裝置的環(huán)中心之間的距離 A。如果中心以笛卡爾方式具有坐標(biāo)(0，0)，并且總計N( = m或N2)個中的第i個傳感器
裝置具有坐標(biāo)(xi，yi)，則重心坐標(biāo)(XS，YS)計算為Μ =如，并且通過
得出距離Α。例如在第一環(huán)狀結(jié)構(gòu)中存在偶數(shù)nl個周期的情況下可以將兩個傳感器組基本上以(nl)/2個周期相互錯開布置，并且在奇數(shù)nl個周期的情況下可以將兩個傳感器組以基本上(nl+l)/2個周期相互錯開布置。表達(dá)“基本上”在這種情形下表示偏移量不必正好為 360° /N，而是可以有分別小于360° /N的偏差。通過這種布置，可以利用對稱性導(dǎo)致良好的誤差校正。例如顯而易見的是，如果正好沿著兩個傳感器組定位計量用具的旋轉(zhuǎn)中心與環(huán)狀結(jié)構(gòu)的中心之間的連線(它們在偏心誤差方面不一致)，則兩個相對的傳感器組的布置得出偏心誤差的良好校正。另一種改進(jìn)方案在于，為第一傳感器裝置提供Kl個附加傳感器組，和/或?yàn)榈诙鞲衅餮b置提供K2個傳感器組，這些傳感器組分別以任意角度與第一傳感器布置和/或第二傳感器布置的傳感器組間隔開，優(yōu)選分別以基本上為360° /4的角度Delta的整數(shù)倍除以第一個周期數(shù)(nl)再除以K1+1，和/或除以第二個周期數(shù)(π2)再除以Κ2+1。以這種方式可以提供附加的冗余掃描，并且可以分別求算兩次獨(dú)立掃描的測量值的平均值。另一種改進(jìn)方案在于，計量用具可以包括具有第三透光環(huán)狀區(qū)域和第三不透光環(huán)狀區(qū)域的環(huán)狀結(jié)構(gòu)(Ρ3)，并且第三透光環(huán)狀區(qū)域與第三不透光環(huán)狀區(qū)域之間的界線在方位角方向上是恒定的，并且其中所述光學(xué)位置編碼器還可以包括具有傳感器元件(Rij)的第三環(huán)狀傳感器布置以用于接收第三環(huán)狀結(jié)構(gòu)的光。第三環(huán)狀結(jié)構(gòu)可以(在徑向上)處于第一環(huán)狀結(jié)構(gòu)之內(nèi)或之外?？梢允褂玫谌h(huán)狀結(jié)構(gòu)Ρ3和所屬的傳感器元件Rij來改善校正。上述改進(jìn)方案的另一種改進(jìn)方案在于，可以將第三傳感器布置中的M個傳感器元件布置為，使得第三傳感器布置的傳感器元件的重心與第三傳感器布置的環(huán)中心之間的距離最小，其中第三傳感器布置的傳感器元件優(yōu)選分別以基本上為360° /M的角度相互錯開布置；尤其是其中兩個傳感器元件基本上以180°相互錯開地布置，或者其中三個傳感器元件基本上以120°相互錯開地布置，或者其中四個傳感器元件基本上以90°相互錯開地布置，或者其中為第一或第二傳感器布置中的每一個傳感器元件均恰好分配第三傳感器布置中的一個傳感器元件。關(guān)于第一傳感器布置的實(shí)施方式在此是類似的。另一種改進(jìn)方案在于，第一數(shù)目(nl)和第二數(shù)目(M)可以互質(zhì)，或者第二數(shù)目 (n2)的值可以取一。通過這種方式，利用第一和第二環(huán)狀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一種游標(biāo)裝置，該游標(biāo)裝置可用來確定旋轉(zhuǎn)編碼器軸的一轉(zhuǎn)內(nèi)的高分辨率的絕對角位置。如果π2= 1，則第二環(huán)狀結(jié)構(gòu)僅用作為借助第一環(huán)狀結(jié)構(gòu)所確定的相對位置的絕對或參考位置。另一種改進(jìn)方案在于，光學(xué)位置編碼器還可以包括用于處理傳感器元件的信號以計算增量角位置和/或計算一轉(zhuǎn)內(nèi)的絕對角位置的裝置，其中根據(jù)計量用具的偏心誤差和 /或傾斜誤差校正增量角位置和/或絕對角位置；并且其中第一傳感器裝置(Sij)和/或第二傳感器裝置(Zij)和/或第三傳感器裝置(Rij)和/或用于將第一和/或第二和/或第三傳感器裝置的信號處理成一個總信號的裝置可以集成在一個組件中，特別優(yōu)選地集成在一個ASIC中。另一種改進(jìn)方案在于，可以從第一和/或第二傳感器裝置中的傳感器組所確定的位置值中確定計量用具的角位置，其中所述位置值分別以第一和/或第二傳感器布置中的相關(guān)傳感器組的相應(yīng)周期偏移量來校正。借助于例如第一傳感器布置的每一個傳感器組可以確定第一環(huán)狀結(jié)構(gòu)的相應(yīng)周期內(nèi)的位置值。如果這些位置值被校正了相應(yīng)的基本上為整數(shù)的周期偏移量(相對于所選的傳感器組)，然后被求平均，則針對所選周期得出更精確的位置值。此外可以非常迅速地執(zhí)行所需的信號相加。另一種改進(jìn)方案在于，可以從第一傳感器布置的信號(Si)中和/或從第二傳感器裝置的信號(Zi)中計算出正弦信號和余弦信號。如果界線為正弦形的，并且兩個傳感器元件關(guān)于一個周期具有90°的偏移量，并且因此信號具有90°的相位差，那么這些信號具有除了加常數(shù)之外的正弦和余弦形狀。另一種改進(jìn)方案在于，可以從每一個傳感器組(SOj，Slj, S2j，S3j)和/或(ZOj， Zlj，Z2j，Z3j)的信號 Aij 中形成形式為 SIN[j] = A0j-A2j 和 / 或 C0S[j] = Alj_A3j 的信號差，和/或形成信號和SIN((P) = Ij SIN[j]和COS(Cp) = ZjC0S[j]來求傳感器組信號的
平均值，和/或能夠通過反正切函數(shù)從信號SIN((p)和COS(Cp)中計算出計量用具在周期之一內(nèi)的相位角(φ)的增量部分，和/或能夠通過非線性轉(zhuǎn)換從SIN(Cp)/COS(cp)之比中確定相位角。另一種改進(jìn)方案在于，位置編碼器包括可以用來將第一和/或第二和/或第三傳感器裝置(Sij，Zij，Rij)的信號組合成一個總信號的裝置，從該總信號中可以確定相對角位置和/或在傳感器裝置和計量用具之間在完整一轉(zhuǎn)上的絕對角位置。另一種改進(jìn)方案在于，能夠從第一傳感器裝置(Sij)和/或第二傳感器裝置(Zij) 和/或第三傳感器裝置(Rij)的至少分別兩個基本上相互以180°角度相互錯開的傳感器元件的信號中計算出第一差值，并且能夠從第一傳感器裝置(Sij)和/或第二傳感器裝置 (Zij)和/或第三傳感器裝置(Rij)的至少分別兩個基本上相互以90°角度相互錯開的傳感器元件的信號中計算出第二差值，并且能夠?qū)⒌谝缓?或第二差值用于校正角位置。另一種改進(jìn)方案在于，能夠從第一和/或第二和/或第三傳感器裝置的信號中確定在坐標(biāo)系中表示環(huán)狀結(jié)構(gòu)中心相對于旋轉(zhuǎn)軸的偏移量的信號，和/或能夠從偏移坐標(biāo)中計算出優(yōu)選正弦形校正函數(shù)的相位和/或振幅，并且能夠?qū)⒃撔Ｕ瘮?shù)用于補(bǔ)償偏心誤差和/或傾斜誤差。


以下將參考附圖對本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行描述，這些附圖僅為圖解說明示例性實(shí)施方式，并不代表本發(fā)明的全部范圍。應(yīng)當(dāng)理解，所示特征可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)用在不同于在示例中所述的組合中。圖1示出根據(jù)第一實(shí)施例的計量用具和傳感器裝置的俯視圖。圖2是未校正的信號誤差(反正弦曲線)和根據(jù)本發(fā)明校正的信號誤差(水平延伸的曲線)。圖3是旋轉(zhuǎn)編碼器的剖視圖。圖4示出根據(jù)本發(fā)明的位置編碼器的第二實(shí)施方式。圖5示出本發(fā)明的具有附加掃描系統(tǒng)2的實(shí)施方式，其中分別僅圖解說明一個傳
感器組。圖6以正弦信號為例示出信號分析的示意圖。圖7示出計算輸出信號的示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明不僅可以用于旋轉(zhuǎn)編碼器、套輪(Mantelrad)，而且也可以用于線性位置編碼器。這些實(shí)施例限于在旋轉(zhuǎn)編碼器時的應(yīng)用。圖1示出根據(jù)第一實(shí)施例的計量用具20和傳感器裝置Si j、Zi、Ri j的俯視圖。計量用具1具有對稱軸A，該對稱軸與計量用具的交點(diǎn)構(gòu)成以下所述環(huán)狀結(jié)構(gòu)的中心。第一正弦形環(huán)狀結(jié)構(gòu)Pl具有第一周期數(shù)nl。第二正弦形環(huán)狀結(jié)構(gòu)P2具有第二周期數(shù)n2。此外還有圓形的第三環(huán)狀結(jié)構(gòu)Ρ3。整個傳感器裝置由三個部分傳感器裝置Si j、Ri j和Zi構(gòu)成，其中第一部分傳感器裝置Sij被設(shè)置用于對第一正弦形環(huán)狀結(jié)構(gòu)Pl進(jìn)行方位角掃描， 第二部分傳感器裝置Zi被設(shè)置用于對第二正弦形環(huán)狀結(jié)構(gòu)P2進(jìn)行方位角掃描，并且第三部分傳感器裝置Rij被設(shè)置用于對環(huán)狀結(jié)構(gòu)P3進(jìn)行徑向掃描。根據(jù)圖1的第一實(shí)施例，分度碼道P1、P2、P3被構(gòu)造為圓形，而且以不同的直徑相對于旋轉(zhuǎn)軸A同心布置或者徑向相互錯開地布置在計量用具的基底上。分度碼道分別由光學(xué)透明的和光學(xué)不透明的分區(qū)構(gòu)成。在所有所示示例中將鉻涂敷在基底上作為光學(xué)不透明區(qū)域的材料。而在光學(xué)透明區(qū)域中沒有對基底進(jìn)行涂層。按照第一實(shí)施例，分度結(jié)構(gòu)由具有第一周期數(shù)nl的第一正弦形環(huán)狀結(jié)構(gòu)PI、具有第二周期數(shù)n2的第二正弦形環(huán)狀結(jié)構(gòu)P2以及環(huán)狀結(jié)構(gòu)P3構(gòu)成。所述周期數(shù)nl和n2在此既可以是偶數(shù)，也可以是奇數(shù)。周期數(shù)nl優(yōu)選比周期數(shù)n2至少大一。周期數(shù)π2的最小值可以為一。替代于第二正弦形環(huán)狀結(jié)構(gòu)Ρ2，可替換地可以使用任意形狀的標(biāo)簽(標(biāo)記)。傳感器裝置由多個部分結(jié)構(gòu)組成。每一個部分結(jié)構(gòu)具有至少一個獨(dú)立的部分掃描系統(tǒng)，這些部分掃描系統(tǒng)由光敏元件——例如PIN光電二極管——構(gòu)成。部分掃描系統(tǒng)可以完整地如圖1所示那樣或者分部分來實(shí)現(xiàn)。部分掃描系統(tǒng)的信號可以在其總體上被用于確定盡可能精確的位置。正弦形亮度分布——通過部分傳感器裝置SOj、Slj、S2j、S3j檢測——確定絕對精度。通過透光區(qū)域與不透光區(qū)域之間的分隔線的半徑變化來實(shí)現(xiàn)正弦形亮度分布。該光學(xué)系統(tǒng)現(xiàn)在將正弦形亮度分布成像于傳感器上。在本實(shí)施例中使用遠(yuǎn)心光路，該遠(yuǎn)心光路按照1 1成像比例將圖案成像于傳感器上。同樣可以用經(jīng)修改的光路，該經(jīng)修改的光路以另一種比例對圖案進(jìn)行成像，以便例如節(jié)約硅面積并且因此節(jié)約成本。為了高分辨率地檢測增量位置，由傳感器元件(掃描元件)SOj、Slj、S2j、S3j構(gòu)成的傳感器組對第一正弦形環(huán)狀結(jié)構(gòu)Pl進(jìn)行掃描。在信號分析時將分別兩個元件Sij的信號Aij相減(例如S0j_S2j和Slj_S3j)。以這種方式形成第j個傳感器組的輸出信號 SIN(j) = S0j-S2j和COS(j) =Slj-S3j。這里和以下相互同義地使用信號Aij的符號以及傳感器元件Sij的相應(yīng)符號(傳感器元件Rij和Zi同樣如此)。將多個這樣的傳感器組(至少2個)定位在整個傳感器裝置上?？梢詫Σ糠謷呙?br> 系統(tǒng)的相應(yīng)輸出信號進(jìn)行累加。
權(quán)利要求
1.光學(xué)位置編碼器，包括計量用具，所述計量用具包括具有第一透光環(huán)狀區(qū)域和第一不透光環(huán)狀區(qū)域的第一環(huán)狀結(jié)構(gòu)(Pi)，其中第一透光環(huán)狀區(qū)域和第一不透光環(huán)狀區(qū)域之間的界線在方位角方向上具有周期的形狀、優(yōu)選逐段單調(diào)的形狀和/或正弦形狀，該周期的形狀具有第一周期數(shù)(nl)；至少一個用光來照明計量用具的光源；以及圍繞中心以環(huán)狀布置的第一傳感器裝置，該第一傳感器裝置具有至少兩個相同的傳感器組，所述傳感器組在方位角方向上分別以整數(shù)周期相互錯開，且偏差小于周期的10%，優(yōu)選小于周期的5%，最優(yōu)選小于周期的1%，其中每一個傳感器組具有至少一個光學(xué)傳感器元件(Sij)以用于接收第一環(huán)狀結(jié)構(gòu)的光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)位置編碼器，其中計量用具包括具有第二透光環(huán)狀區(qū)域和第二不透光環(huán)狀區(qū)域的第二環(huán)狀結(jié)構(gòu)(P2)，其中第二透光環(huán)狀區(qū)域和第二不透光環(huán)狀區(qū)域之間的界線在方位角方向上具有周期的、優(yōu)選逐段單調(diào)的和/或正弦形的形狀，該形狀具有第二周期數(shù)(M)；并且其中所述光學(xué)位置編碼器還包括圍繞中心以環(huán)狀布置的第二傳感器裝置，該第二傳感器裝置具有用于接收來自第二環(huán)狀結(jié)構(gòu)或者來自標(biāo)記的光的光學(xué)傳感器元件(Zi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)位置編碼器，其中第一傳感器裝置和/或第二傳感器裝置的每一個傳感器組包括兩個光學(xué)傳感器元件以及一個用于電平測量的元件或者三個或四個光學(xué)傳感器元件(SOj，Slj, S2j，S3j ；ZOj，Zlj，Z2j，Z3j)，并且每一個傳感器組內(nèi)的分別相鄰的光學(xué)傳感器元件相互間間隔第一環(huán)狀結(jié)構(gòu)(Pl)和/或第二環(huán)狀結(jié)構(gòu)(P2)的四分之一周期。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的光學(xué)位置編碼器，其中第一傳感器裝置的數(shù)目m個傳感器組和/或第二傳感器裝置的數(shù)目N2個傳感器組被布置為，使得第一和/或第二傳感器裝置的傳感器組的重心與相應(yīng)傳感器裝置的環(huán)中心之間的距離最小，優(yōu)選相應(yīng)傳感器裝置的傳感器組分別以基本上360° /N的角度相互錯開地布置，尤其是其中兩個傳感器組以基本上180°相互錯開地布置，或者其中三個傳感器組以基本上120°相互錯開地布置，或者其中四個傳感器組以基本上90°相互錯開地布置。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)位置編碼器，其中為第一傳感器裝置設(shè)置數(shù)目Kl個附加傳感器組和/或?yàn)榈诙鞲衅餮b置設(shè)置數(shù)目K2個傳感器組，這些傳感器組分別以任意角度與第一傳感器裝置和/或第二傳感器裝置的傳感器組相間隔，優(yōu)選分別以基本上為 360° /4的角度Delta的整數(shù)多倍除以第一周期數(shù)(nl)再除以K1+1，和/或除以第二周期數(shù)(n2)再除以K2+1。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的光學(xué)位置編碼器，其中計量用具包括具有第三透光環(huán)狀區(qū)域和第三不透光環(huán)狀區(qū)域的環(huán)狀結(jié)構(gòu)(P； )，并且第三透光環(huán)狀區(qū)域與第三不透光環(huán)狀區(qū)域之間的界線在方位角方向上是恒定的，并且其中所述光學(xué)位置編碼器還包括布置在環(huán)中心的第三傳感器裝置，該第三傳感器裝置具有用于接收來自第三環(huán)狀結(jié)構(gòu)的光的傳感器元件(Rij)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學(xué)位置編碼器，其中第三傳感器裝置的數(shù)目M個傳感器元件被布置為，使得第三傳感器裝置的傳感器元件的重心與第三傳感器裝置的環(huán)中心之間的距離最小，優(yōu)選第三傳感器裝置的傳感器元件分別以基本上為360° /M的角度相互錯開地布置；尤其是其中兩個傳感器元件基本上以180°相互錯開地布置，或者其中三個傳感器元件基本上以120°相互錯開地布置，或者其中四個傳感器元件基本上以90°相互錯開地布置，或者其中為第一或第二傳感器裝置的每一個傳感器元件恰好分配第三傳感器裝置的一個傳感器元件。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求之一結(jié)合權(quán)利要求5所述的光學(xué)位置編碼器，其中第一數(shù)目(nl) 和第二數(shù)目(M)互質(zhì)，或者第二數(shù)目(M)取值為一。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的光學(xué)位置編碼器，還包括用于處理傳感器元件的信號以計算增量角位置和/或以計算一轉(zhuǎn)內(nèi)的絕對角位置的裝置，其中鑒于計量用具的偏心誤差和/或傾斜誤差來校正增量角位置和/或絕對角位置；并且其中第一傳感器裝置(Sij) 和/或第二傳感器裝置(Zij)和/或第三傳感器裝置(Rij)和/或用于將第一和/或第二和/或第三傳感器裝置的信號處理成總信號的裝置被集成在一個構(gòu)件中，最優(yōu)選集成在一個ASIC中。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的光學(xué)位置編碼器，其中能夠根據(jù)從第一和/或第二傳感器裝置的傳感器組中確定的位置值的平均值來確定計量用具的角位置，所述位置值分別被校正第一和/或第二傳感器裝置的相關(guān)傳感器組的相應(yīng)周期偏移量。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求之一結(jié)合權(quán)利要求2所述的光學(xué)位置編碼器，其中能夠從第一傳感器裝置的信號(Si)和/或從第二傳感器裝置的信號(Zi)中計算出正弦信號和余弦信號。
12.根據(jù)上述權(quán)利要求之一結(jié)合權(quán)利要求3所述的光學(xué)位置編碼器，其中從每一個傳感器組(SOj, Slj, S2j，S3j)和 / 或(ZOj, Zlj, Z2j，Z3j)的信號 Aij 中形成形式為 SIN[j] =A0j-A2j 和 / 或 C0S[j] = Alj-A3j 的信號差，和 / 或形成信號和SIN(Cp) = Ij SIN[j] 和COS(cp) = Zj C0S[j]來求傳感器組信號的平均值，和/或能夠通過反正切函數(shù)從信號 SIN((p)和COS(cp)中計算出計量用具在周期之一內(nèi)的相位角(φ)的增量部分，和/或能夠通過非線性轉(zhuǎn)換從SIN(Cp) / C0S(q>)之比中確定相位角。
13.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的光學(xué)位置編碼器，其中所述位置編碼器包括能夠用來將第一和/或第二和/或第三傳感器裝置(Sij，Zij, Rij)的信號組合成總信號的裝置， 從該總信號中能夠確定相對角位置和/或在傳感器裝置和計量用具之間在完整一轉(zhuǎn)上的絕對角位置。
14.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的光學(xué)位置編碼器，其中能夠從第一傳感器裝置 (Sij)和/或第二傳感器裝置(Zij)和/或第三傳感器裝置(Rij)的至少分別兩個基本上相互以180°角度相互錯開的傳感器元件的信號中計算出第一差值，并且能夠從第一傳感器裝置(Sij)和/或第二傳感器裝置(Zij)和/或第三傳感器裝置(Rij)的至少分別兩個基本上相互以90°角度相互錯開的傳感器元件的信號中計算出第二差值，并且能夠?qū)⒌谝缓?或第二差值用于校正角位置。
15.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的光學(xué)位置編碼器，其中能夠從第一和/或第二和/或第三傳感器裝置的信號中確定在坐標(biāo)系中表示環(huán)狀結(jié)構(gòu)中心相對于旋轉(zhuǎn)軸的偏移量的信號，和/或能夠從偏移坐標(biāo)中計算出優(yōu)選正弦形校正函數(shù)的相位和/或振幅，并且能夠?qū)⒃撔Ｕ瘮?shù)用于補(bǔ)償偏心誤差和/或傾斜誤差。
全文摘要
光學(xué)位置編碼器。本發(fā)明涉及一種計量用具，該計量用具包括具有第一透光環(huán)狀區(qū)域和第一不透光環(huán)狀區(qū)域的第一環(huán)狀結(jié)構(gòu)(P1)，其中第一透光環(huán)狀區(qū)域和第一不透光環(huán)狀區(qū)域之間的界線在方位角方向上具有周期形狀、優(yōu)選逐段單調(diào)的形狀和/或正弦形狀，該周期形狀具有第一周期數(shù)(n1)；至少一個用光來照明計量用具的光源；以及圍繞中心以環(huán)狀布置的第一傳感器裝置，該第一傳感器裝置具有至少兩個相同的傳感器組，所述傳感器組在方位角方向上分別以整數(shù)周期相互錯開，且偏差小于周期的10％，優(yōu)選小于周期的5％，最優(yōu)選小于周期的1％，其中每一個傳感器組具有至少一個光學(xué)傳感器元件(Sij)以用于接收第一環(huán)狀結(jié)構(gòu)的光。
文檔編號G01D5/347GK102435215SQ20111023820
公開日2012年5月2日 申請日期2011年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月18日
發(fā)明者B·希勒, J·伊勒費(fèi)爾德, M·施奈德 申請人:堡盟英諾泰克股份公司