專利名稱：經(jīng)改進的內(nèi)插編碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及經(jīng)改進的內(nèi)插編碼器。
背景技術(shù)：
編碼器提供對系統(tǒng)中的組件相對于某個預定參考點的位置的測量。編碼器一般被用來向電動機或其他致動器提供閉環(huán)反饋系統(tǒng)。例如，軸編碼器輸出指示旋轉(zhuǎn)軸相對于某個不移動的已知參考位置的位置的數(shù)字信號。線性編碼器在可移動車架沿預定路徑移動時測量可移動車架的當前位置和相對于可移動車架固定的參考位置之間的距離。
絕對軸編碼器一般使用連接到軸的盤上的多個軌道。每個軌道包括被檢測器查看的一系列暗條帶和亮條帶，該檢測器根據(jù)檢測器所查看的區(qū)域是亮還是暗輸出數(shù)字值1或0。N位二進制編碼器一般使用N個這樣的軌道，對于每一位有一個軌道。增量編碼器一般使用被檢測器查看的單個軌道，該檢測器確定經(jīng)過檢測器的條帶的方向和數(shù)目。通過在每個條帶經(jīng)過檢測器時增加或減小計數(shù)器來確定位置。
在兩類編碼器中，最終分辨率都由條帶圖樣和用于查看條帶圖樣的檢測器的大小確定。為了提供更高的分辨率，必須增大條帶密度。例如，在軸編碼器中，必須增大每旋轉(zhuǎn)度的條帶數(shù)目。類似地，在線性編碼器中，必須增大線性運動的限度之間的條帶數(shù)目。但是，對于條帶密度存在實際限制，該限制是由光學和成本約束所設(shè)置的。
用于提供更高的分辨率的一種方法是利用內(nèi)插方案來提供對在檢測到條帶邊緣的點之間的光電檢測器和代碼條帶的相對位置的估計。在一種方案中，來自軌道的光被兩組檢測器查看。檢測器的形狀和位置被設(shè)置為提供相位相差90度的兩個正弦信號。通過測量基于這些正弦波的兩個信號交叉的點，可以提供中間位置測量結(jié)果。中間點確定的精確度取決于正弦波的頻率，而正弦波的頻率又由代碼條帶或盤中的條帶數(shù)目設(shè)置。從而，這類系統(tǒng)只能使分辨率增大有限的量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括一種編碼器，其具有檢測器和在檢測器上生成代碼條帶的圖像的光學系統(tǒng)。該圖像包括多個亮條帶和暗條帶，該檢測器在代碼條帶相對于檢測器移動時生成彼此相位不同的多個正弦信號。當代碼條帶相對于檢測器移動等于一個亮條帶和一個暗條帶的距離時，每個正弦信號循環(huán)經(jīng)過一個周期。該編碼器包括頻率倍增器，該頻率倍增器生成多個頻率倍增的信號，每個頻率倍增的信號對應(yīng)于所述正弦信號之一，并且具有是該相應(yīng)正弦信號的頻率的整數(shù)倍的頻率。該編碼器使用信號內(nèi)插器，該信號內(nèi)插器利用頻率倍增的信號限定多個位置，相應(yīng)于代碼條帶相對于檢測器移動等于一個亮條帶和一個暗條帶的距離，至少有5個這樣的點。信號內(nèi)插器可以生成具有第一狀態(tài)和第二狀態(tài)的信號，其中，每當頻率倍增的信號之一經(jīng)過預定值時，該信號改變狀態(tài)。


圖1示出透射性編碼器。
圖2示出反射性編碼器。
圖3示出成像編碼器。
圖4示出利用正弦內(nèi)插的2信道編碼器。
圖5示出提供信道A信號的組合A和A’信號，所述信道A信號是正弦波。
圖6是光電檢測器40的頂視圖。
圖7是光電檢測器40的沿圖6所示的線7-7的截面圖。
圖8示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的編碼器100。
圖9是線性編碼器90的一部分的頂視圖。
圖10是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的編碼器80的頂視圖。
具體實施例方式
現(xiàn)參考圖1-3，這些圖示出了某些典型編碼器設(shè)計。編碼器可以被劃分成發(fā)射器/檢測器模塊15和代碼輪或代碼條帶。模塊15包括發(fā)射器11，發(fā)射器11照射代碼條帶12的一部分。被照射的代碼條帶被檢測器13查看。發(fā)射器一般利用LED作為光源。檢測器一般基于一個或多個光電二極管。圖1示出透射性編碼器。在透射性編碼器中，來自發(fā)射器的光被作為發(fā)射器的一部分的準直光學器件(例如透鏡)校準成平行光束。代碼條帶12包括不透明條帶16和透明條帶17。當代碼條帶12在發(fā)射器11和檢測器13之間移動時，光束被代碼條帶上的不透明條帶打斷。檢測器中的光電二極管接收光的閃現(xiàn)。所產(chǎn)生的信號隨后被用來生成在邏輯1和邏輯0之間轉(zhuǎn)換的邏輯信號。
圖2示出反射性編碼器。在反射性編碼器中，代碼條帶包括反射性條帶18和吸收性條帶19。同樣，發(fā)射器包括準直光學器件，例如透鏡。來自發(fā)射器的光被代碼條帶上的條帶反射或吸收。反射光被成像到檢測器中的光電二極管上。來自光電檢測器的輸出再次被轉(zhuǎn)換成邏輯信號。
圖3示出成像編碼器。成像編碼器的操作基本上與上述反射性編碼器相同，只不過模塊15包括成像光學器件，其在檢測器14上形成被照射的代碼條帶的圖像。
在這些類型的編碼器中的每一類中，在光電二極管陣列中的光電二極管的光敏區(qū)域上生成條帶圖樣的一部分的圖像。為了簡化以下論述，將利用示出代碼條帶的圖像和其上形成圖像的光電二極管的表面區(qū)域的圖。在每幅圖中，代碼條帶的圖像將被顯示在光電二極管陣列旁邊，以簡化附圖。但是，要理解，在實踐中，代碼條帶的圖像會被投影到光電二極管陣列的表面上。此外，為了進一步簡化附圖，圖中省略了光源和任何準直或成像光學器件。
現(xiàn)參考圖4和圖5，這些圖示出了利用正弦內(nèi)插的2信道編碼器。內(nèi)插器20包括將圖像21投影到光電二極管陣列22上的代碼條帶。該圖像具有交替的亮帶和暗帶，分別在24和25處示出。光電二極管陣列包括4個標注為A、B、A’、B’的光電二極管。A’和B’光電二極管分別相對于A和B光電二極管偏移了一段距離，以便這些光電二極管分別生成來自A和B光電二極管的信號的補充信號。A和B光電二極管彼此偏移一定量，這個量導致B光電二極管信號相對于A光電二極管信號有90度的相位差。
A和A’信號被電路31組合以提供信道A信號，該信道A信號是正弦波，如圖5所示。類似地，B和B’信號被電路32組合以提供信道B信號，該信道B信號是相對于信道A信號有90度相位差的正弦波。在一個傳播方向上，信道A信號將會領(lǐng)先信道B信號。在另一個傳播方向上，信道B信號將會領(lǐng)先信道A信號。從而，通過觀察這兩個信號之間的關(guān)系，可以確定傳播方向。
兩個信道信號被內(nèi)插器23組合以生成輸出信號，該輸出信號是周期小于代碼條帶圖像的周期的方波。即，當代碼條帶圖像的2D部分經(jīng)過光電二極管之一時，輸出信號將會經(jīng)歷多于一個周期。輸出信號的周期取決于內(nèi)插器23所使用的特定算法。由于這些算法是本領(lǐng)域中公知的，并且對于理解本發(fā)明并不重要，因此這里將不會詳細論述這些算法。對于本論述的目的，注意到以下這一點就足夠了2D周期內(nèi)的中間點的數(shù)目可以通過確定正弦之一與通過用整數(shù)乘以另一正弦波而生成的曲線相交叉的點來限定。
如上所述，光電二極管中的每一個生成一個輸出信號，該輸出信號是正弦波?，F(xiàn)參考圖6和圖7，這些圖示出了提供這種信號的光電二極管。圖6是光電檢測器40的頂視圖，圖7是光電檢測器40的沿圖6所示的線7-7的截面圖。光電檢測器40是由光電二極管43和屏幕41構(gòu)造成的，所述光電二極管43具有活動區(qū)域46，所述屏幕41中具有一個或多個開口。示例性的開口在42處示出。光電二極管生成輸出信號，該輸出信號與入射在光電二極管上的光量成比例。在代碼條帶圖像以恒定速度移動經(jīng)過光電二極管時，光圖樣移動越過開口。假定在光圖樣移動跨過開口時，亮帶內(nèi)的光強度保持恒定。開口的形狀被確定成使得作為時間函數(shù)的光強度為正弦波。
本發(fā)明利用了信道A信號和信道B信號來生成一對新的信號，這對新信號是正弦波并且具有更高的頻率。隨后可以在進行或不進行進一步內(nèi)插的情況下使用更高頻率的信號來提供比起從原始信道A信號和信道B信號獲得的分辨率來級別更高的分辨率?，F(xiàn)參考圖8，該圖示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的編碼器100。為了簡化以下論述，編碼器100中提供與以上參考圖4描述的元件類似的功能的那些元件被賦予相同的標號，并且在這里將不被詳細論述。
編碼器100利用頻率倍增電路101來將以上所述的正弦信道A信號和信道B信號轉(zhuǎn)換成兩個新的信號，信道A’信號和信道B’信號，這兩個新信號的頻率是信道A信號和信道B信號的倍數(shù)。這些頻率倍增的信號隨后被輸入到內(nèi)插器電路102，以提供最終的輸出信號。對于本論述，將假定信道A＝sin(θ)，信道B＝cos(θ)。本發(fā)明基于以下觀察cos(nθ)和sin(nθ)可以根據(jù)sin(θ)和cos(θ)計算。例如sin(2θ)＝2sin(θ)cos(θ)，以及cos(2θ)＝cos2(θ)-sin2(θ)。
類似地，sin(3θ)＝3sin(θ)-4sin3(θ)，以及cos(3θ)＝4cos3(θ)-3cos(θ)。
這些信號的更高階倍數(shù)可以通過使用原始信號或通過對cos(2θ)、sin(2θ)、cos(θ)、sin(θ)等的各種組合進行乘法和加法來計算。這些計算可以用模擬或數(shù)字電路來執(zhí)行。將兩個信號乘起來以及將兩個信號加在一起的模擬電路是本領(lǐng)域中公知的，從而在這里將不會詳細論述。對于便宜的編碼器，模擬電路是優(yōu)選的。
原則上，任何可用于原始信道A信號和信道B信號的內(nèi)插算法都可以用于新的信道A’信號和信道B’信號。內(nèi)插的最簡單的形式測量信道A’信號或信道B’信號經(jīng)過零的點。在這種情況下，每當任一信號經(jīng)過零時，輸出信號就在0和1之間切換。在頻率倍增之前，在代碼條帶移動距離2D的時段中，存在4個這樣的點。從而，當使用通過使頻率加倍而生成的信號時，可以限定8個這樣的點，從而相對于只使用原始信道A信號和信道B信號的系統(tǒng)，分辨率可以額外增加2倍。類似地，如果新信號是通過將原始頻率乘以3倍而生成的，則當代碼條帶移動經(jīng)過2D距離時可以限定12個這樣的點。
上述實施例利用了代碼條帶來調(diào)制來自發(fā)射器檢測器模塊的光。術(shù)語代碼條帶通常用來指線性編碼器，即沿著一條線的一系列交替的矩形條帶，這些條帶用于測量一個組件相對于另一個的線性位移?，F(xiàn)參考圖9，該圖是線性編碼器90的一部分的頂視圖，該線性編碼器90具有代碼條帶91，該代碼條帶91包括分別沿線96排列的反射性和吸收性條帶92和93。發(fā)射器檢測器模塊95被放置在代碼條帶的一部分之下。代碼條帶沿著平行于線96的方向相對于發(fā)射器檢測器模塊95移動。發(fā)射器檢測器模塊包括多個具有以上形式的光電檢測器。每個光電檢測器包括一個窗口和一個光電二極管，該光電二極管在代碼條帶圖樣相對于檢測器移動時生成正弦信號。光電二極管的數(shù)目將取決于檢測器中實現(xiàn)的信道的數(shù)目。
但是，將會意識到，利用本發(fā)明教導還可以構(gòu)造利用代碼盤來測量軸相對于固定位置的角位移的軸編碼器?，F(xiàn)參考圖10，該圖是根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的編碼器80的頂視圖。編碼器80對軸86的角位置進行編碼。編碼器80與上述編碼器的類似之處在于發(fā)射器檢測器模塊85照射代碼圖樣并且測量被代碼圖樣的反射性部分所反射的光。上述代碼條帶被代碼盤81所取代，該代碼盤包括沿著一個圓的交替的截餅狀扇形82和83，該圓的圓心與軸86的一致。每個扇形由圓心位于軸86的圓心處的圓89的兩條半徑以及圓88和89限定。光電檢測器包括在圓的半徑上對準的代碼窗口，從而光電二極管生成彼此相位有偏移的正弦信號。光源和發(fā)射器檢測器模塊85的光電檢測器在圓89的半徑84上對準。為了簡化這里使用的術(shù)語，術(shù)語“代碼條帶”被定義為既包括線性代碼條帶，也包括圓形代碼盤。
上述實施例利用了相位相差90度的兩個正弦信號。但是，也可以構(gòu)造使用不同數(shù)目的正弦信號的實施例。例如，編碼器可以利用生成相位相差60度的三個正弦信號的三個檢測器。這些信號隨后將被組合以提供頻率倍增的信號。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員從前述描述和附圖中將明顯看出對本發(fā)明的各種修改。因此，本發(fā)明只應(yīng)當由所附權(quán)利要求書的范圍限定。
權(quán)利要求
1.一種編碼器，包括檢測器；光學系統(tǒng)，用于在所述檢測器上生成代碼條帶的圖像，所述圖像包括多個亮條帶和暗條帶，所述檢測器在所述代碼條帶相對于所述檢測器移動時生成彼此相位不同的多個正弦信號，當所述代碼條帶相對于所述檢測器移動等于一個亮條帶和一個暗條帶的距離時，每個正弦信號循環(huán)經(jīng)過一個周期；頻率倍增器，其生成多個頻率倍增的信號，每個頻率倍增的信號對應(yīng)于所述正弦信號之一，并且具有是該相應(yīng)正弦信號的頻率的整數(shù)倍的頻率，所述整數(shù)倍大于1；以及信號內(nèi)插器，其利用所述頻率倍增的信號限定多個位置，相應(yīng)于所述代碼條帶相對于所述檢測器移動等于一個亮條帶和一個暗條帶的距離，至少有5個這樣的點。
2.如權(quán)利要求1所述的編碼器，其中所述檢測器生成相位相差90度的所述正弦函數(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的編碼器，其中所述信號內(nèi)插器生成具有第一狀態(tài)和第二狀態(tài)的信號，其中，每當所述頻率倍增的信號之一經(jīng)過預定值時，所述信號改變狀態(tài)。
4.如權(quán)利要求2所述的編碼器，其中所述整數(shù)倍是2的整數(shù)倍。
5.如權(quán)利要求1所述的編碼器，其中所述檢測器包括多個光電檢測器。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種經(jīng)改進的內(nèi)插編碼器。公開了一種編碼器，其具有檢測器和在檢測器上生成代碼條帶的圖像的光學系統(tǒng)。該圖像包括多個亮條帶和暗條帶，該檢測器在代碼條帶相對于檢測器移動時生成彼此相位不同的多個正弦信號。當代碼條帶相對于檢測器移動等于一個亮條帶和一個暗條帶的距離時，每個正弦信號循環(huán)經(jīng)過一個周期。頻率倍增器生成多個頻率倍增的信號。該編碼器使用信號內(nèi)插器，該信號內(nèi)插器利用頻率倍增的信號限定多個位置，相應(yīng)于代碼條帶相對于檢測器移動等于一個亮條帶和一個暗條帶的距離，至少有5個這樣的點。
文檔編號G01D5/347GK1975339SQ20061008690
公開日2007年6月6日 申請日期2006年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月1日
發(fā)明者傅相隆 申請人:安捷倫科技有限公司