CN1896694B - 在图案介质的两个相对表面上进行光学编码的***和方法 - Google Patents

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Abstract

所公开的光学编码器***具有单图案介质、被布置朝向第一侧面的第一光学编码器和被布置朝向第二侧面的第二光学编码器，所述单图案介质具有布置在第一侧面上的第一编码图案以及布置在第二侧面上的第二编码图案。公开了一种光学编码器设备，具有布置在第一侧面上的第一编码图案以及布置在第二侧面上的第二编码图案。公开了一种使用光学编码器设备获得有关电动机的信息的方法，所述方法包括以下步骤：照射布置在图案介质的第一侧面上的第一编码图案；照射布置在图案介质的第二侧面上的第二编码图案；检测从第一侧面反射的光；检测从第二侧面反射的光；并且分析所反射的光。

Description

在图案介质的两个相对表面上 进行光学编码的***和方法
背景技术
图9-14说明了使用发射器/检测器模块10的光编码器***5的典型设计，所述发射器/检测器模块10配置成提供闭环反馈给电动机控制***。存在各种配置的光编码器***5以提供闭环反馈给电动机控制***。可以以透射配置15(图9)、反射配置20(图10)、或者成像配置25(图11)来设计光编码器5。当连同图案介质30(所述图案介质通常包括编码盘35(图12)或编码条40(图13))进行操作时，光编码器5将旋转运动或线性运动转化为双通道数字输出。
参考图9-11，光编码器5包括发射器45，例如LED45，如光源。在透射编码器15(图9)中，通过位于LED45之上的透镜55A将光50准直为平行光束。与发射器45相对的是包括光电二极管阵列65(图12和图13)以及信号处理器(未示出)的检测器60。当图案介质30在发射器45和检测器60之间移动时，光束50被图案介质30上的条状图案70和空间图案75中断。
类似地，在反射编码器20(图10)或者成像编码器25(图11)中，透镜55B(图10)或者在LED45上的另一光整形设备将光50聚焦到图案介质30上。取决于图案介质30的位置，光50被反射回到发射器/检测器模块10或者不被反射回到发射器/检测器模块10。反射光50可以通过光电检测器60上的透镜80而通过发射器/检测器模块10来接收。图案介质30的运动产生对应条状图案70和空间图案75的明亮和黑暗的交替图案，从而落在光电二极管60上。光电二极管60检测这些中断并且由信号处理器处理输出以产生数字波形。这些编码器输出可以被用于提供关于电动机的位置、速度和加速度的信息。
参考图12和13，除了透镜55A(图9)或者透镜55B(图10)之外，还可以使用光整形元件55C、55D和55E，或者可以使用光整形元件55C、55D和55E代替透镜55A(图9)或者透镜55B(图10)。光整形元件55C可以包括光束扩展器。光整形元件55D可以包括准直透镜。光整形元件55E可以包括柱面透镜。
现在参考图12，示出了使用绝对编码器图案介质30的光编码器***5的常规方法。光编码器***5包括具有合适数目的同心轨道85的玻璃盘35，每个轨道都具有交替的透明区70和不透明区75。这些图案允许盘35的角位置被确定。从盘35的一侧由LED45照明所有轨道。由轨道85调制光束50。窄径向隙缝90限制光束50通过的宽度。窄径向隙缝90也称为准直缝隙90。准直光束50由在LED45对面的在盘35的一侧上的光电二极管阵列65收集。任选地，在光电二极管阵列65之前布置第二窄径向隙缝92以便减少相邻检测器之间的串扰并且增加灵活性以通过改变分度线开口使用具有不同分辨率水平的相同检测器。每一光电二极管阵列65是读出信道的输入元件。每一光电二极管阵列65放大相应信号并且产生适合用于随后处理的数字波形。
使用这个常规方法的绝对光旋转编码器5提供有关机械***的角位置的直接绝对信息，盘35与所述机械***连接。例如，驱动轴是这样一种类型的机械***。分辨率比特(Sn)的数目等于盘轨道85的数目。通常，格雷码(gray code)被用于最小化读出误差。
参考图13，示出了线性编码条40，类似于旋转编码盘35，所述线性编码条40具有一个带有LED45和光电二极管部件65的组件。与旋转编码盘35的一个区别在于线性编码条40具有线性化的图案95而不是同心轨道85。通常，为了获得更高分辨率或精确度的编码器，无论旋转编码盘35或线性编码条40都需要在图案介质30上的更多轨道85或轨迹95。例如，13比特绝对编码器通常具有13个轨道85或轨迹95。由于每一个轨道85或轨迹85都占有空间，即对于旋转编码条35径向地占有空间并且对于线性编码条40横向地占有空间，所以图案介质30基本上定义了编码器***5的横截面宽度。图案介质30宽度的任何增加又增加了包含编码器***5的最终产品的尺寸。应该理解的是，13比特绝对编码器通常需要在编码盘上的13个轨道。然而，在本现有技术中已知一些方法通过输出信号的电子内插获得比编码盘上的实际轨道数目高的比特数目。
发明概述
在一个实施例中，提供了一种用于获得关于运动信息的光编码器***，所述光编码器***包括具有彼此相对的第一侧面和第二侧面的图案介质，第一编码图案被布置在图案介质的第一侧面，并且第二编码图案被布置在图案介质的第二侧面，其中第一编码图案具有配置成反射光的部分，并且其中第二编码图案具有配置成反射光的部分；第一光编码器被布置朝向图案介质的第一侧面，并且第一光编码器配置成产生对应第一编码图案的第一输出信号；并且第二光编码器被布置朝向图案介质的第二侧面，并且第二光编码器配置成产生对应第二编码图案的第二输出信号；其中第一输出信号和第二输出信号被分析以获得关于运动的信息。
在另一实施例中，提供一种用于获得关于电动机的信息的光编码器设备，所述光编码器设备具有彼此相对的第一侧面和第二侧面的图案介质，第一编码图案被布置在图案介质的第一侧面，并且第二编码图案被布置在图案介质的第二侧面，其中第一编码图案具有配置成反射光的部分，并且其中第二编码图案具有配置成反射光的部分。
在又另一实施例中，提供一种使用光编码器设备获得有关电动机的信息的方法，所述方法包括照射在图案介质的第一侧面上布置的第一编码图案，照射在图案介质的第二侧面上布置的第二编码图案，第一侧面和第二侧面彼此相对，其中第一编码图案具有配置成反射光的部分，并且其中第二编码图案具有配置成反射光的部分；检测从图案介质的第一侧面反射的光以产生对应第一编码图案的第一输出信号；检测从图案介质的第二侧面反射的光以产生对应第二编码图案的第二输出信号；分析第一输出信号和第二输出信号以获得关于电动机的信息
还公开了其他实施例。
附图简述
在附图中说明了本发明的说明性实施例，其中：
图1-图4说明了用于在编码盘形状的单图案介质的两个相对表面上进行光学编码的新颖性***；
图5-图8说明了用于在编码条形状的单图案介质的两个相对表面上进行光学编码的新颖性***；
图9说明了透射型光学编码器***；
图10说明了反射型光学编码器***；
图11说明了成像型光学编码器***；
图12说明了透射型光学编码器***中的编码盘；
图13说明了透射型光学编码器***中的编码条；
图14说明了透射型光学编码器***中的6个轨道编码盘的横截面视图；以及
图15说明了图14中所示出的6个轨道编码盘的平面视图。
详细描述
参考图1-图8，在两个典型实施例中，示出了在单图案介质110上具有双侧面编码图案的新颖性反射编码器***105。光学编码器***105配置成获得关于运动的信息。光学编码器***105通常包括具有光反射部分115的图案介质110。光学编码器***105的图案介质110具有布置在第一侧面120和第二侧面125上的光反射部分115。由图案介质110的第一侧面120上的光反射部分115形成第一编码图案130。由图案介质110的第二侧面125上的光反射部分115形成第二编码图案135。
第一光学编码器140布置成朝向图案介质110的第一侧面120。第一光学编码器140配置成产生对应第一编码图案130的第一输出信号。第二光学编码器145布置成朝向图案介质110的第二侧面125。第二光学编码器145配置成产生对应第二编码图案135的第二输出信号。分析所述第一输出信号和第二输出信号以获得关于运动的信息。
参看图1-图4，在一个典型实施例中，光学编码器设备105具有编码盘150形式的图案介质110。布置在编码盘150的第一侧面120上的多个轨道155形成第一编码图案130。第一光学编码器140产生的第一输出信号对应第一编码图案130的多个轨道155的每一个。布置在编码盘150的第二侧面125上的多个轨道160形成第二编码图案135。第二光学编码器145产生的第二输出信号对应第二编码图案135的多个轨道160的每一个。
参考图2，示出了第一光学编码器140以及编码盘150。第一光学编码器140包括分别对应布置在编码盘150的第一侧面120上的多个轨道155的多个发射器165和接收器170，以及第二光学编码器145包括分别对应布置在编码盘150的第二侧面125上的多个轨道160的多个发射器175和接收器180。可以使用单光源或者多光源以照射光电检测器阵列170和光电检测器阵列180的每一个。
参看图5-图8，示出了线性编码条185形式的图案介质110，所述图案介质110具有两侧面图案编码表面。在一个典型实施例中，光学编码器设备105具有布置在编码条185的第一侧面120上的多个轨迹190以形成第一编码图案130。第一光学编码器140产生的第一输出信号对应第一编码图案130的多个轨迹190的每一个。布置在编码条185的第二侧面125上的多个轨迹195形成第二编码图案135。第二光学编码器145产生的第二输出信号对应第二编码图案135的多个轨迹195的每一个。利用在图案介质110的两侧上的光电检测器阵列170和光电检测器阵列180，来自轨迹190和轨迹195的每一组的代码可以分别在侧面120和侧面125上被调制和编码。
参考图6，示出了第一光学编码器140以及编码条185。第一光学编码器140包括分别对应布置在编码条185的第一侧面120上的多个轨迹190的多个发射器165和接收器170，以及第二光学编码器145包括分别对应布置在编码条185的第二侧面125上的多个轨迹190的多个发射器175和接收器180。可以使用单光源或者多光源以照射光电检测器阵列170和光电检测器阵列180的每一个。
在一个实施例中，光学编码器***105分别将发射器165和定位朝向第一编码图案130的检测器170提供给第一光学编码器140。发射器165照射第一编码图案130并且第一光学编码器140的检测器170从第一编码图案130接收反射光。另外，第二光学编码器145分别包括发射器165和定位朝向第二编码图案135的检测器170。发射器165照射第二编码图案135并且第二光学编码器145的检测器175从第二编码图案135接收反射光。例如，第一光学编码器140可以被布置在单独包装内并且第二光学编码器145可以被布置在单独包装内。
参考图14和图15，示出了具有6个轨道85的典型6比特分辨率图案，这导致图案介质30具有42mm直径。在一个实施例中，新颖性反射编码器***105(图1和图3)在具有30mm直径的单图案介质110上具有双面编码图案。图案的功能区域被径向减少，因为代码盘35的三个(3)最外面轨道85(图15)被再分配在图案介质110上(图1和图3)以便在第一侧面120(图1)上定位三个(3)轨道115并且在第二侧面125(图3)上定位与第一侧面120上的轨道115相反的另外三个(3)轨道。在图15中由轨道85所说明的图案的编码完整性被布置在图案介质110的两侧面上的轨道115保持。
在一个实施例中，通过分析第一输出信号和第二输出信号获得一个或多个位置信息、速度信息、加速度信息或运动信息的方向。
在一个实施例中，公开了一种使用光学编码器***105获得有关运动信息的方法。布置在图案介质的第一侧面上的第一编码图案被照射。布置在图案介质的第二侧面上的第二编码图案被照射。第一侧面和第二侧面彼此相对而立。第一编码图案和第二编码图案的每一个都具有配置成反射光的部分。从图案介质的第一侧面反射的光被检测以产生对应第一编码图案的第一输出信号。从图案介质的第二侧面反射的光被检测以产生对应第二编码图案的第二输出信号。分析第一输出信号和第二输出信号以获得关于运动的信息。
在一个实施例中，具有两侧面编码表面的图案介质将给一个较小的编码器***提供较高的分辨率，所述较小的编码器***比具有单图案表面的图案介质的编码器***小。这个较小的编码器***可允许具有较小设备(即微型电动机)的应用。另外，标识为“AEDR-8300”的Agilent反射编码器模块是一个可以用于这钟类型应用的反射编码器模块。这为高分辨率的应用提供了相对便宜的解决方案。

Claims (7)

1.一种用于获得关于运动的信息的光学编码器***，所述光学编码器***包括：
图案介质，其包括带有双面编码图案的盘，其中，所述盘的第一面上布置的第一组同心反射轨道中包含有所述双面编码图案的第一部分，所述盘的相反的第二面上布置的第二组同心反射轨道中包含有所述双面编码图案的第二部分，所述第二组同心反射轨道与所述第一组同心反射轨道被彼此相反地布置；
第一光学编码器，其布置成朝向所述盘的所述第一面，并且所述第一光学编码器配置成产生第一输出信号，所述第一输出信号对应于所述双面编码图案的所述第一部分；以及
第二光学编码器，其布置成朝向所述盘的所述第二面，并且所述第二光学编码器配置成产生第二输出信号，所述第二输出信号对应于所述双面编码图案的所述第二部分。
2.根据权利要求1的光学编码器***，其中，所述第一组同心反射轨道中包含的第一反射轨道布置在所述盘的所述第一面上，与所述盘的中心相距第一径向距离；所述第二组同心反射轨道中包含的第二反射轨道布置在所述盘的所述第二面上，与所述盘的中心相距第二径向距离，所述第一径向距离等于所述第二径向距离。
3.根据权利要求1的光学编码器***，其中，所述第一光学编码器包括第一发射器和第一检测器，所述第二光学编码器包括第二发射器和第二检测器。
4.根据权利要求1的光学编码器***，其中，所述双面编码图案被用于从所述图案介质获得位置信息。
5.根据权利要求1的光学编码器***，其中，所述双面编码图案被用于从所述图案介质获得速度信息。
6.根据权利要求1的光学编码器***，其中，所述双面编码图案被用于从所述图案介质获得加速度信息。
7.根据权利要求1的光学编码器***，其中，所述双面编码图案被用于从所述图案介质获得运动方向信息。
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