TWI396138B - 內插編碼器 - Google Patents

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Description

內插編碼器
本發明是有關於一種編碼器，特別是指一種適用於量測一系統內組成元件之位置，並藉由一信號內插器以增加解析度的改良式內插編碼器。
 發明背景
編碼器提供了一種量測系統內元件(component)相對於一些預定參考點(reference point)之位置的方法。編碼器一般被用於提供一閉迴路回饋系統(closed－loop feedback system)給一馬達(motor)或其他致動器(actuator)。例如，一軸角編碼器(shaft encoder)輸出一數位信號，該數位信號指出相對於一些已知的不動參考位置之該轉軸的位置。一線性編碼器(linear encoder)測量一可移動的滑動裝置(carriage)之目前位置與一參考位置間的距離，當該可移動的滑動裝置沿著一預定路線(predetermined path)移動時，該參考位置是對於該滑動裝置是相對不動的。
一絕對軸角編碼器(absolute shaft encoder)一般利用連接到該軸之碟片上的多個軌(tracks)。每個軌由一連串經一檢測器(detector)檢視到的暗與亮條紋(dark and light stripes)所組成，且其輸出為一數位值1或0是取決於被該檢測器所檢視到的區域是亮的還是暗的。一N位元二進位編碼器(N－bit binary encoder)一般利用N個這樣的軌，每個位元一個。一遞增編碼器(incremental encoder)一般利用一個可被檢測器所檢視到的單一軌，並決定通過該檢測器的條紋之方向與數目。隨著每一條紋通過該檢測器，藉由增加或減少一計數器以決定該位置。
在這兩種編碼器中，最終的解析度(ultimate resolution)是取決於該條紋圖案(stripe pattern)，與用於檢視該條紋圖案的檢測器之尺寸。為了提供增加解析度，該條紋的密度必須增加。例如，在一軸角編碼器中，每旋轉角度的條紋之數目必須增加。類似地，在一線性編碼器中，在該線性運動的範圍內的條紋之數目必須增加。然而，該條紋密度的一實際上限受光學與成本限制(optical and cost constraints)。
一種用於提供增加解析度的方法是利用一內插方案(interpolation scheme)以提供該碼帶與光檢測器(photodetectors)之一相對位置的估計，其中該等光檢測器位於該等被檢測到的條紋之邊緣(edge)上的點之間。在一方案中，來自一軌的光可被兩組檢測器檢視到。該等檢測器的形狀與位置被設定以提供兩個異相90度的正弦信號(sinusoidal signals)。藉由測量兩個信號基於該等正弦曲線相交的點，以提供中間位置測量值(intermediate position measurements)。決定該等中間點的精確性取決於該等正弦曲線的頻率，而該頻率又由該碼帶或碟片內的條紋的數目設定。因此，此種系統只能增加一有限數量的解析度。
 發明概要
本發明包括一具有一檢測器與一光學系統(optical system)的編碼器，其中該光學系統在該檢測器上產生一碼帶(code strip)的圖像(image)。該圖像包括多個亮與暗條紋，隨著該碼帶相對於該檢測器移動，該檢測器產生多個相位相異的正弦信號。當該碼帶相對於該檢測器移動一等於一亮條紋與一暗條紋之距離時，每個正弦信號循環(cycling)一週期。該編碼器包括一產生多個倍頻信號(frequency multiplied signals)的倍頻器(frequency multiplier)，每個倍頻信號對應於其中一正弦信號，且其頻率是該相對應的正弦信號之頻率的整數倍。該編碼器利用一信號內插器(signal interpolator)，藉由該等倍頻信號定義了多個定位位置(position locations)，至少有5個這樣的點，相當於該碼帶相對於該檢測器移動一等於一亮條紋與一暗條紋之距離。該信號內插器能夠產生一具有第一狀態(first state)與第二狀態(second state)的信號，且每次當其中一倍頻信號通過一預定值時，該信號就會改變狀態。
圖式簡單說明
第1圖描述了一透射編碼器。
第2圖描述了一反射編碼器。
第3圖描述了一成像編碼器。
第4圖描述了一利用正弦內插的二通道編碼器。
第5圖描述了組合的A與A’信號，以提供一是正弦曲線的通道A信號。
第6圖是光檢測器40的一俯視圖。
第7圖是光檢測器40沿第6圖的線7－7之一剖視圖。
第8圖描述了本發明之一實施例的一編碼器100。
第9圖是一線性編碼器90之一部分的俯視圖。
第10圖是本發明之另一實施例的一編碼器80之俯視圖。
 詳細說明
現在參看第1至第3圖，描述了一些典型的編碼器設計。該編碼器被分為一發射器/檢測器(emitter/detector)模組15與一碼輪(code wheel)或碼帶。模組15包括一照亮碼帶12之一部分的發射器11。該被照亮的碼帶可被一檢測器13檢視到。該發射器一般以一發光二極體(LED)作為光源。該檢測器一般基於一個或更多個光二極體(photodiodes)。第1圖描述了一透射編碼器(transmissive encoder)。在透射編碼器內，藉由視為該發射器之一部分的一校準光學元件(collimating optic)，如一透鏡，將來自該發射器的光校準為一平行光束(parallel beam)。碼帶12包括不透光條紋(opaque stripes)16與透光條紋(transparent stripes)17。當碼帶12在發射器11與檢測器13之間移動時，該光束會被該碼帶上的不透光條紋中斷。該檢測器之光二極體接收光之閃爍(flashes of light)。然後，合成的信號(resultant signal)被用於產生一邏輯信號(logical signal)，該邏輯信號在邏輯1與邏輯0之間轉變。
第2圖描述了一反射編碼器(reflective encoder)。在反射編碼器內，碼帶包括反射條紋(reflective stripes)18與吸收條紋(absorptive stripes)19。再者，該發射器包括一校準光學元件，如一透鏡。來自該發射器的光會被該碼帶上的條紋反射或吸收。該被反射的光會成像在該檢測器內的光二極體上。該光檢測器(photodetectors)的輸出被再次地轉換成一邏輯信號。
第3圖描述了一成像編碼器(imaging encoder)。除了模組15包括可形成該檢測器14上被照亮的碼帶之圖像的成像光學元件(imaging optics)之外，該成像編碼器實際上的操作與上述之反射編碼器相同。
在該等類型的編碼器之每種編碼器中，該條紋圖案的一部分之圖像，是產生在一光二極體陣列(array of photodiodes)內的一光二極體之感光區域(photosensitive area)。為了簡化以下討論，將利用該碼帶之圖像與該光檢測器之表面區域的圖示來描述，其中該圖像被形成在該光檢測器之表面區域上。在每個圖示中，該碼帶的圖像將緊鄰著該光二極體陣列顯示以簡化圖示。然而，應該明白的是，在實際應用上，該碼帶的圖像將被投射(projected)到該光二極體陣列的表面。另外，為了進一步簡化圖示，光源與任何的校準或成像光學元件都在圖示中省略。
現在參看第4與第5圖，描述了一利用正弦內插(sinusoidal interpolation)的2－通道編碼器(2－channel encoder)。編碼器20包括一碼帶，該碼帶投射一圖像21到光二極體22陣列上。該圖像具有分別如24與25所示的相互交替的亮與暗帶(bright and dark bands)。該光二極體陣列包括4個光二極體，標號為A，B，A’，B’。該A’與B’光二極體分別與該A與B光二極體相隔一距離放置，以使該等光二極體分別產生與該來自A與B光二極體的信號互補之信號。該A與B光二極體相隔一定的距離放置，使得該B光二極體信號相對於該A光二極體信號異相90度。
該A與A’信號透過電路31結合以提供一通道A信號，該通道A信號為一如第5圖所示之正弦形曲線。類似地，該B與B’信號透過電路32結合以提供一通道B信號，該通道B信號為一與該通道A信號異相90度之正弦形曲線。在一傳導方向上，該通道A信號將領先(lead)該通道B信號。在另一傳導方向上，該通道B信號將領先該通道A信號。因此，透過觀察這兩個信號之間的關係可決定該傳導方向。
該二通道信號是透過一內插器(interpolator)23結合以產生一輸出信號，該輸出信號是一方波，該方波之一週期小於該碼帶圖像之週期。換言之，當該碼帶圖像的一2D部分通過該等光二極體其中之一時，該輸出信號將會經歷多於一個週期。該輸出信號的週期取決於內插器23所使用的特定演算法。因為該等演算法為熟悉此技藝者所知，且並非理解本發明之核心部分，所以這裏不詳細討論該等演算法。為了本討論之目的，注意到以下敘述便已足夠：藉由決定穿過一弧線(curve)之其中一正弦曲線上的複數點，可界定一2D週期內之中間點。其中該弧線是藉由將其他正弦曲線乘上一整數倍所產生。
如以上所注意的，每一個光二極體產生一是正弦曲線的輸出信號。現在參看第6與第7圖，描述了一提供此種信號的光檢測器。第6圖是光檢測器40的一俯視圖，且第7圖是光檢測器40沿第6圖的線7－7之一剖視圖。光檢測器40是由一具有一有效區(active area)46的光二極體43，及一具有一個或多個孔(opening)的螢幕41所構成。一示範的孔如42所示。該光二極體產生一輸出信號，該輸出信號與入射於該光二極體上的光量成比例。隨著碼帶圖像以一恒定速率移動穿過(moves past)該光二極體，一光圖案(light pattern)移經(moves over)該等孔。假設當光圖案移動穿過該孔，在一亮帶內的光強度(intensity)保持不變。該孔的形狀可被決定，即以該光強度為一時間函數，其曲線是一正弦曲線。
本發明利用該通道A與通道B之信號產生一對新的信號，該對新的信號是更高頻率的正弦曲線。然後該更高頻率的信號可用於進一步或不進一步的內插，以提供一比從該原始的通道A與通道B信號獲得的信號之解析度更高的解析度。現在參看第8圖，描述了本發明之一實施例的一編碼器100。為了簡化以下討論，編碼器100中與第4圖功能相似的元件以相同的數字標號來表示，且在這裏不詳細討論。
編碼器100利用一倍頻電路(frequency multiplying circuit)101，將以上所討論的正弦曲線之通道A與通道B信號轉換成兩個新的信號，分別是通道A’與通道B’信號，且其頻率是該通道A與通道B信號之頻率的倍數。然後，該等倍頻信號被輸入給一內插器電路102，以提供最終的輸出信號。為了本討論，假設通道A＝sin(θ)及B＝cos(θ)。本發明是基於以下觀察，cos(n θ)與sin(n θ)可由sin(θ)與cos(θ)計算得出的。例如sin(2 θ)＝2 sin(θ)cos(θ)以及cos(2 θ)＝cos2 (θ)－sin2 (θ)。類似地，sin(3 θ)＝3 sin(θ)－4 sin3 (θ)以及cos(3 θ)＝4 cos3 (θ)－3 cos(θ)。
藉由利用原始信號或者藉由乘與加cos(2 θ)、sin(2 θ)、cos(θ)、sin(θ)等的各種組合，可計算出該等信號之更高階的倍數。可利用類比或數位電路以完成該等計算。乘上兩信號與加上兩信號的類比電路在該項技術內是眾所周知的，因此在這裏不詳細討論。為了獲得成本低廉的編碼器，類比電路是較佳的選擇。
原則上，任何的能夠用於該原始的通道A與通道B信號之內插演算法(interpolation algorithm)亦能夠用於該新的通道A’與通道B’信號。該內插最簡單的形式是測量該通道A’與通道B’信號通過零的點。在這種情況下，每次當任一信號通過零時，該輸出信號在0與1之間雙態觸變(toggled)。在該倍頻之前，在該碼帶移動一距離2D的週期內有4個這樣的點。因此，當利用加倍該頻率所產生的信號時，就能定義8個這樣的點，對於僅利用該原始的通道A與通道B信號的系統，在解析度上提供了一額外之2的因數(factor of two)。類似地，如果該新的信號是藉由將原始頻率乘一3的因數而產生的，則當該碼帶移動一2D的距離時，就能定義12個這樣的點。
以上所描述的實施例利用了碼帶以調變該來自發射器檢測器(emitter detector)模組的光。該詞語碼帶通常是指一線性編碼器，即一連串沿一直線交替的矩形條紋，是用於測量一元件相對於另一元件之線性位移。現在參看第9圖，是一線性編碼器90之一部分的俯視圖，該線性編碼器90具有一包括反射與吸收條紋92與93的碼帶91，其中該等反射與吸收條紋92與93是分別沿著一線96排列。一發射器檢測器模組95置於該碼帶的一截面(section)下。該碼帶以一平行於線96的方向相對於發射器檢測器模組95移動。該發射器檢測器模組包括複數上述形式的光檢測器。每個光檢測器包括一視窗(window)與一光二極體，當該碼帶相對於該檢測器移動時，該光二極體產生一正弦信號。該光二極體的數目取決於在該檢測器內實現的通道數目。
然而，應該明白的是，一利用一碼碟片(code disk)以測量軸相對於一固定位置之角位移(angular displacement)的軸角編碼器，也可利用本發明之技術來組成。現在參看第10圖，是本發明之另一實施例的一編碼器80之俯視圖。編碼器80編碼該軸86的角位置(angular position)。編碼器80類似於以上所討論的該等編碼器，因為一發射器檢測器模組85照亮一碼圖案，並測量該由碼圖案的反射部分反射之光。以上所討論的該碼帶以一碼碟片81取代，該碼碟片81包括一沿著一圓周交替並截頭(truncated)之圓餅狀的(pie shaped)扇形(sectors)82與83，其中該圓周中心與軸86的中心一致。每個扇形可由一圓周89的兩個半徑定義，其中該圓周89的中心在軸86與圓周88與89的中心處。該光檢測器包括被排列(aligned)在該等圓周之半徑上的碼視窗(code windows)，以使該等光二極體產生彼此相位相錯的正弦信號。該光源與發射器檢測器模組85的光檢測器被排列在圓周89的一半徑84上。此處為了簡化所使用的術語，該詞語“碼帶”被定義為包括線性碼帶與圓形碼蝶片。
以上所描述的實施例利用了兩個異相90度的正弦信號。然而，實施例亦可利用不同數目的正弦信號所組成。例如，該編碼器能夠利用三個產生三個異相60度的正弦信號之檢測器。然後，該等信號被結合以提供倍頻信號。
對於熟悉該項技術的人士，從上述的描述與附圖，對於本發明的各種修改是顯而易見地。因此，本發明僅被以下的申請專利範圍限制。
11．．．發射器
12．．．碼帶
13．．．檢測器
14．．．檢測器
15．．．發射器/檢測器模組
16．．．不透光條紋
17．．．透光條紋
18．．．反射條紋
19．．．吸收條紋
20．．．編碼器
21．．．圖像
22．．．光二極體
23．．．內插器
24．．．亮帶
25．．．暗帶
31．．．電路
32．．．電路
40．．．光檢測器
41．．．螢幕
42．．．孔
43．．．光二極體
46．．．有效區
80．．．編碼器
81．．．碼碟片
82．．．扇形
83．．．扇形
84．．．半徑
85．．．發射器檢測器模組
86．．．軸
88．．．圓周
89．．．圓周
90．．．線性編碼器
91．．．碼帶
92．．．反射條紋
93．．．吸收條紋
95．．．發射器檢測器模組
96．．．線
100．．．編碼器
101．．．倍頻電路
102．．．內插器電路
第1圖描述了一透射編碼器。
第2圖描述了一反射編碼器。
第3圖描述了一成像編碼器。
第4圖描述了一利用正弦內插的二通道編碼器。
第5圖描述了組合的A與A’信號，以提供一是正弦曲線的通道A信號。
第6圖是光檢測器40的一俯視圖。
第7圖是光檢測器40沿第6圖的線7－7之一剖視圖。
第8圖描述了本發明之一實施例的一編碼器100。
第9圖是一線性編碼器90之一部分的俯視圖。
第10圖是本發明之另一實施例的一編碼器80之俯視圖。
21．．．圖像
22．．．光二極體
24．．．亮帶
25．．．暗帶
31．．．電路
32．．．電路
100．．．編碼器
101．．．倍頻電路
102．．．內插器電路

Claims (5)

  1. 一種內插編碼器，包含：一檢測器；一光學系統，用於在該檢測器上產生一碼帶的圖像，該圖像包含複數亮條紋與暗條紋，隨著該碼帶相對於該檢測器移動，該檢測器產生複數相位相異的正弦信號，當該碼帶相對於該檢測器移動一等於一亮條紋與一暗條紋之距離時，每個正弦信號循環一且僅一週期，其中隨著該圖像經過該檢測器時，該檢測器自該包含亮條紋與暗條紋的圖像產生該等正弦信號；一倍頻器，產生複數個倍頻信號，每一倍頻信號對應於該等正弦信號其中之一，且其頻率是該相對應的正弦信號之頻率的整數倍，該整數倍大於1；以及一信號內插器，利用該等倍頻信號以定義複數定位位置，至少有5個此種定位位置，其對應於該碼帶相對於該檢測器移動一等於一亮條紋與一暗條紋之距離。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之編碼器，其中該檢測器產生異相90度的該等正弦信號。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之編碼器，其中該信號內插器產生一具有一第一狀態與一第二狀態的信號，且其中每次當該等倍頻信號其中之一通過一預定值時，該信號就會改變狀態。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之編碼器，其中該整數倍是2的整數倍。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之編碼器，其中該檢測器包含複數光檢測器。
TW095116392A 2005-12-01 2006-05-09 內插編碼器 TWI396138B (zh)

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