CN109827599A - 用于光电编码器的定光栅和光电编码器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及光电检测技术领域，尤其涉及一种用于光电编码器的定光栅及包含其的光电编码器。用于光电编码器的定光栅包括同圆心设置的绝对码道和正弦码道，其中，所述绝对码道的数量为X，X＞1且X为整数；所述正弦码道由n个在圆周方向上依次连接的扇环构成，n＞1且n为整数，每个扇环均与所述绝对码道共圆心，所述正弦码道的对应圆心角为θ，满足有θ＝π/2^X，每个所述扇环的圆心角均为θ/n，n个所述扇环的面积在圆周方向上呈正弦函数变化。定光栅可以产生接近理想正弦信号的波形，保证了用于电子细分的源信号的正弦性，提高了电子细分的精度，解决了绝对式光电编码器要同时满足高分辨率及尺寸小的难题。

Description

用于光电编码器的定光栅和光电编码器

技术领域

本申请涉及光电检测技术领域，尤其涉及一种用于光电编码器的定光栅及包含其的光电编码器。

背景技术

光电编码器是一种集光学、机械、电气于一体的测角设备,通过机械结构和信号处理电路将光学信号转换成电信号,从而实现对角位移、速度和位置等多种物理量的直接或间接测量。在绝对式光电编码器中，通过动光栅的绝对编码可实现一圈内每一个角度的编码都是唯一的。为了同时满足高分辨率及尺寸小的要求，须通过电子细分的方式对信号进行处理。而电子细分中需要用到的源信号是电子细分的基石。源信号的产生取决于定光栅的图案设计。目前大多数定光栅的设计所产生的源信号为三角波形式，不利于高精度的细分。为解决上述问题，有必要提出一种产生正弦信号的定光栅设计，以提高细分的精度。

发明内容

为了解决上述技术问题，以获得一种可以产生正弦信号的定光栅设计，以提供光电编码器的细分精度，本申请提供了如下技术方案。

第一方面，本申请实施例提供了一种用于光电编码器的定光栅。

根据本申请实施例提供的用于光电编码器的定光栅，其包括同圆心设置的绝对码道和正弦码道，其中，

所述绝对码道的数量为X，X＞1且X为整数；

所述正弦码道由n个在圆周方向上依次连接的扇环构成，n＞1且n为整数，每个扇环均与所述绝对码道共圆心，所述正弦码道的对应圆心角为θ，满足有θ＝π/2^X，每个所述扇环的圆心角均为θ/n，n个所述扇环的面积在圆周方向上呈正弦函数变化。

进一步的，所述正弦码道在圆周方向上第m个扇环的母线长度为Hm，满足有H_m＝H*sin(πm/n)，H为所述正弦码道的圆心角θ的角平分线所对应的扇环母线长度，1≤m≤n且m为整数，每一个扇环的母线的中点均位于同一条与所述绝对码道共圆心的圆弧上。

进一步的，所述绝对码道的数量为8个，所述正弦码道的对应圆心角θ＝π/2⁸。

进一步的，正弦码道中扇环的数量为30个，各所述扇环的面积比满足有195:578:1133:1840:2672:3596:4577:5577:6557:7481:8313:9020:9575:9958:10153:10153:9958:9575:9020:8313:7481:6557:5577:4577:3596:2672:1840:1133:578:195。

进一步的，所述正弦码道设置有多个。

进一步的，所述定光栅的材质为光学玻璃。

第二方面，本申请实施例提供了一种光电编码器。

根据本申请实施例提供的光电编码器，其包括本申请提供的上述用于光电编码器的定光栅。

进一步的，所述的光电编码器还包括光源、动光栅、感光单元和信号处理电路。

本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：定光栅可以产生接近理想正弦信号的波形，保证了用于电子细分的源信号的正弦性，提高了电子细分的精度，解决了绝对式光电编码器要同时满足高分辨率及尺寸小的难题。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请提供的一种用于光电编码器的定光栅的结构示意图；

图2是本申请提供的正弦码道的放大图；

图3是本申请提供的正弦码道的结构示意图；

图4是本申请提供的定光栅正弦码道面积变化的函数图像示意图；以及

图5是本申请提供的光电编码器的结构示意图。

图中：

1、定光栅；101、绝对码道；102、正弦码道；1021、扇环；2、光源；3、动光栅；4、感光单元；5、信号处理电路。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语“上”、“下”、“内”、“中”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“设置”、“连接”、“固定”应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图1-5并结合实施例来详细说明本申请。

实施例1

如图1-3所示，给出了一种用于光电编码器的定光栅。如图1所示，定光栅1包括同圆心设置的绝对码道101和正弦码道102，其中绝对码道101的数量为X，X＞1且X为整数；正弦码道102由n个在圆周方向上依次连接的扇环1021构成，n＞1且n为整数，每个扇环1021均与绝对码道101共圆心，正弦码道102的对应圆心角为θ，满足有θ＝π/2^X，每个扇环1021的圆心角均为θ/n，n个扇环1021的面积在圆周方向上呈正弦函数变化。

如图所示的定光栅1，由绝对码道101及正弦码道102组成。在光电编码器工作过程中，其中M个绝对码道101用于产生单圈的绝对编码，每一个单圈的绝对编码对应唯一的位置信息；而本申请实施例提供的正弦码道102可以产生正弦信号，在每个单圈的绝对编码里对应一个周期的正弦信号。由于正弦码道102的透光面积成三角函数变化，所以光电编码器的感光单元通过光电转换得到的电信号也成相应的三角函数变化，可以通过对三角函数进行插值来细分动光栅的旋转角度。由于正弦码道102所产生的正弦信号是电子细分的基石，通过内插算法对正弦信号进行处理后可以达到提高光电编码器分辨率的目的。

在本申请实施例中，每个扇环1021的圆心角均为θ/n，即正弦码道102所对应的圆心角被n等分，在设计时只需要考虑将每个扇环面积按照正弦函数的规律进行分布即可，方案易于实现，方便加工，而且通过光电转换得到的电信号会更加接近于正弦信号。

如图1所示，在本申请中定光栅1的绝对码道101数量设置为8个，可以实现的分辨率为2π/2⁸。8个绝对码道101之间以及8个绝对码道101和正弦码道102同圆心设置。

作为一种优选的实施方式，如图2和3所示，正弦码道102在圆周方向上第m个扇环1021的母线长度为H_m，满足有：

H_m＝H*sin(πm/n)；

其中H为所述正弦码道102的圆心角θ的角平分线所对应的扇环母线长度；

1≤m≤n且m为整数。

且每一个扇环1021的母线的中点均位于同一条与绝对码道101共圆心的圆弧上。最终形成如图2和3所示近似于双金字塔形状的码道结构。上述的正弦码道102的结构近似于对称结构，在定光栅上会更加的节省空间，可以解决绝对式光电编码器的高分辨率与尺寸小两个要求同时满足困难的技术问题。

具体的，本申请中定光栅1的材质为优选为光学玻璃。

优选的，正弦码道102的数量可以设置有多个，如图1所示，正弦码道102的数量为12个，多个正弦码道可以根据需要实现。正弦码道一共有12个，其中3个为1组，共4组。3个一组的设计可以增加感光面积，增大信号，提高抗干扰能力。其中正弦码道分为2对，每对包含两组，对与对之间相差为90度，对内的2组相差为180度。通过设置面积变化的正弦函数具有相位差的多个正弦码道，对具有相位差的多个三角函数进行插值运算，可以使得运算结果更精确，细分角度也就更精确。

实施例2

本申请给出了一种用于光电编码器的定光栅。定光栅1包括同圆心设置的绝对码道101和正弦码道102，其中绝对码道101的数量为8个，正弦码道102由30个在圆周方向上依次连接的扇环1021构成，每个扇环1021均与绝对码道101共圆心，每个扇环1021的圆心角均为π/(30*2^X)。正弦码道102在圆周方向上第m个扇环1021的母线长度为H_m，满足有：

H_m＝H*sin(πm/30)；

其中H为正弦码道102的圆心角的角平分线所对应的扇环母线长度；

1≤m≤30且m为整数。

正弦码道102中的扇环数量为30个，各扇环1021的面积比满足195:578:1133:1840:2672:3596:4577:5577:6557:7481:8313:9020:9575:9958:10153:10153:9958:9575:9020:8313:7481:6557:5577:4577:3596:2672:1840:1133:578:195。本申请实施例所提供的正弦码道102的形状为径向近似对称的塔状，在径向根据PWM波原理等效占空比正弦曲线进行分布、在圆周方向上根据与径向相同台阶数进行圆心角的等分，形成近似对称的类金字塔状。本申请实施例中的正弦码道102的整体光量的走向参考图4所示。

实施例3

如图5所示，给出了一种光电编码器，光电编码器包括定光栅1、光源2、动光栅3、感光单元4和信号处理电路5。其中定光栅1为本申请中任意实施例提供的定光栅结构，定光栅1的转动轴线和动光栅2的转动轴线相同。其中光源2包括但不限于LED灯。

本申请实施例公开的光电编码器包括了定光栅，该定光栅是本申请上述实施例提供的定光栅结构。因此具有定光栅的光电编码器也具有上述实施例所有的技术效果，即定光栅和动光栅配合可以通过信号处理电路产生接近理想正弦信号的波形，保证了用于电子细分的源信号的正弦性，提高了电子细分的精度，解决了光电编码器要同时满足高分辨率及尺寸小的难题。

需要说明的是，根据上述实施例的定光栅以及光电编码器还可以包括其他必要的组件或结构，并且对应的布置位置和连接关系均可参考现有技术中的同类装置，各未述及结构的连接关系、操作及工作原理对于本领域的普通技术人员来说是可知的，在此不再详细描述。

本说明书中部分实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种用于光电编码器的定光栅，其特征在于，包括同圆心设置的绝对码道(101)和正弦码道(102)，其中，

所述绝对码道(101)的数量为X，X＞1且X为整数；

所述正弦码道(102)由n个在圆周方向上依次连接的扇环(1021)构成，n＞1且n为整数，每个扇环(1021)均与所述绝对码道(101)共圆心，所述正弦码道(102)的对应圆心角为θ，满足有θ＝π/2^X，每个所述扇环(1021)的圆心角均为θ/n，n个所述扇环(1021)的面积在圆周方向上呈正弦函数变化。

2.根据权利要求1所述的用于光电编码器的定光栅，其特征在于，所述正弦码道(102)在圆周方向上第m个扇环(1021)的母线长度为H_m，满足有H_m＝H*sin(πm/n)，H为所述正弦码道(102)的圆心角θ的角平分线所对应的扇环母线长度，1≤m≤n且m为整数，每一个扇环(1021)的母线的中点均位于同一条与所述绝对码道(101)共圆心的圆弧上。

3.根据权利要求1所述的用于光电编码器的定光栅，其特征在于，所述绝对码道(101)的数量为8个，所述正弦码道(102)的对应圆心角θ＝π/2⁸。

4.根据权利要求1所述的用于光电编码器的定光栅，其特征在于，所述正弦码道(102)中所述扇环(1021)的数量为30个，各所述扇环(1021)的面积比满足有195:578:1133:1840:2672:3596:4577:5577:6557:7481:8313:9020:9575:9958:10153:10153:9958:9575:9020:8313:7481:6557:5577:4577:3596:2672:1840:1133:578:195。

5.根据权利要求1所述的用于光电编码器的定光栅，其特征在于，所述正弦码道(102)设置有多个。

6.根据权利要求1所述的用于光电编码器的定光栅，其特征在于，所述定光栅(1)的材质为光学玻璃。

7.一种光电编码器，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的用于光电编码器的定光栅(1)。

8.根据权利要求7所述的光电编码器，其特征在于，还包括光源(2)、动光栅(3)、感光单元(4)和信号处理电路(5)。