CN100514864C - 阵列式绝对编码器 - Google Patents

Abstract

一种绝对式轴角编码器，由壳体1，转轴5，转盘3，信号源2和固定在壳体1上的圆环形探测器阵列6组成。本发明利用探测器阵列中敏感单元的固定位置顺序代替现有技术的多码道编码，使采用半导体集成电路技术，解决绝对转角测量变得非常简单。本发明提供了一种具有本质绝对位置特征，开机即可正常运行，不需要通过任何运动寻找零点的完全新型的绝对编码器。

Description

阵列式绝对编码器

技术领域

本发明涉及一种编码器，特别是阵列式绝对轴角编码器。

背景技术

许多自动化设备都需要依赖位置反馈信号工作，而编码器是最重要的位置反馈装置。现有的编码器可分为增量式编码器(Incremental Encoder)和绝对式编码器(Absolute Encoder)两大类。不论增量式编码器或是绝对式编码器，都是由壳体，转轴，光源，码盘和探测器组成。二者的本质区别仅在于编码器的码盘所承载的信息不同。

增量式编码器的码盘只有一条码道，只能区分亮暗两种状态。增量式编码器的探测器只能接收一连串相同的光脉冲，探测器无法区分脉冲之间的差别，只能对这些脉冲进行计数，以测量码盘的相对转角。因此增量式编码器虽有结构简单，成本低和尺寸小的优点，但每次开机时都要求自动化设备在运动中重新寻找零点，然后才能进入正常工作状态，造成不便。尤其是许多自动化设备不允许在开机时(或事故断电后重新启动时)有不受控制的寻找零点运动，限制了增量式编码器的应用范围。

绝对式编码器的码盘有多条码道，各条码道为直径不等的记有编码信息的同心圆环，每一条码道有其独立的读码探测器。编码器的绝对转角可综合各码道读码探测器的输出信号唯一地确定。码道数目N与分辨率R的关系为R＝2^N。例如分辨率R＝1024的绝对式编码器，需要码道数目N＝10，因为2¹⁰＝1024。也就是说码道数目N＝10的码盘可以有1024个编号，能够给码盘上的1024个物理扇区各分配一个专属地址。每个物理扇区是决定编码器的分辨率的最小单元，称为一个码元。由此可见，绝对式编码器的基本特征是对每一个码元的位置，都有与之对应的唯一可以确定的编码将其标定。如果将所有码元的组合定义为一个阵列，并用序号标定每一个码元，称之为码元的属性，即可得出绝对式编码器是一种可以读出阵列中每一个码元的属性，并根据该属性决定壳体和转轴之间的转角的装置。因此无须寻找零点，就可以在一圈360°中直接读出绝对角位置。显然多码道码盘刻制困难，外形尺寸大，价格昂贵。虽然如此，但绝对式编码器具有开机可立即正常运行的优点，仍然被广泛应用。请参阅《绝对旋转编码器》[机床电器]杂志1997年第4期20-22页。和美国专利US6366047B1(2002年4月2日)，US4720699(1988年1月19日)，US4947166(1990年8月7日)等。

由此可见，要想制造一个分辨率为R的绝对式编码器，必须获得一个能记载R个不同地址的关键器件。在现有的绝对式编码器中，该关键器件就是有多条码道的码盘。但这不是唯一的，更不是最优的器件。例如CCD器件(ChargeCoupled Device)中的每一个单元都有确定的地址编码，因而可以作为绝对式编码器中记录地址的关键器件。推而广之，只要具有地址编码特性的线阵列器件，如光电二极管阵列PDA(Photodiode Array)，光电池阵列PVA(PhotovoltaicArray)，CMOS阵列(CMOS Array)等都可以用于制作绝对式编码器。

发明内容

本发明的目的是利用线阵列器件中各单元固定位置的编码属性，取代复杂的多码道编码的码盘，从而简化绝对式编码器的结构。本发明提供了一种具有本质绝对位置特征，开机即可正常运行，不需要通过任何运动寻找零点的完全新型的阵列式绝对编码器。

本发明的目的是这样实现的：由图1及图2可见，本发明包括：固定的壳体1，可相对于壳体1旋转的转轴5，转盘3安装在转轴5上，信号源2安装在转盘3上，圆环形探测器阵列6固定在壳体1上。该圆环形探测器阵列6各单元的排序与其固定位置之间有对应的编码关系。信号源2与转轴5的旋转轴线的距离，等于圆环形探测器阵列6的半径。随转轴5旋转的信号源2依次扫过圆环形探测器阵列6的各个单元，在所述信号源2的作用下，能使圆环形探测器阵列6中某个单元i产生可测量的物理变化。通过对这一物理变化的检出，可以确定单元i的编码，并得知该单元i的固定位置，从而唯一确定转轴5的绝对转角。圆环形探测器阵列6做在基板7上，并通过基板7固定在壳体1上。在该基板7上不但制造了圆环形探测器阵列6，而且也制出相应的处理电路8，最后由引线9将数据输出。

综上所述，本发明因采用了可以直接读出地址的圆环形阵列探测器取代多码道码盘的结构，以阵列器件单元(码元)所在的固定位置，取代多码道编码的码元阵列来确定编码器的绝对转角，从而使问题简化。

和现有技术的绝对式编码器相比，本发明结构简单，外形尺寸减小到仅与增量式编码器相当，成本也可降低到接近增量式编码器的水平，但仍然能完全保持绝对式编码器的性能。

以当前的集成电路(IC)工艺制作水平而言，本发明所用探测器阵列所能达到的分辨率和批量生产时的成本已经满足本发明的实用要求。况且随着IC技术的飞速发展，分辨率将会大幅提升，成本也会进一步下降。这样本发明就因引入相关领域的技术进步而解决了现有技术所存在的主要缺点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式，对本发明进一步详细说明。

图1本发明的结构原理图

图2本发明的结构原理剖视图

图3第一种实施方式的结构原理图

图4第一种实施方式的结构原理剖视图

图5第二种实施方式的结构原理图

图6第二种实施方式的结构原理剖视图

图7第三种实施方式的结构原理图

图8第三种实施方式的结构原理剖视图

图9第四种实施方式的结构原理图

图10第四种实施方式的结构原理剖视图

图11第一种实施方式的电原理图

图12第一种实施方式电原理图中模拟矩阵电原理图

图13第二种实施方式的电原理图

图14第三种实施方式传感器阵列的电原理图

图15第四种实施方式传感器阵列的电原理图

具体实施方式

本发明的第一种实施方式，是采用环形的光电二极管阵列(Photodiode Array)，光电池阵列(Photovoltaic Array)或CMOS阵列(CMOSArray)作为探测器阵列6，其结构原理见图3，结构原理剖视见图4，电路原理见图11和图12。

在本实施方式中，信号源2由光源13和狭缝4组成，光源13可用发光二极管，白炽灯，闪光灯或激光器等。基板7为硅片12，并在上面制造出圆环形光电二极管或光电池阵列11及相应的处理电路8，其他序号的意义和工作原理同图1，图2。

处理电路8的电路原理见图11。光电二极管或光电池阵列11总共有N个单元，图中用p1到pN表示。先用简单的前置放大器17将信号初步放大。光电二极管或光电池阵列11的输出信号经过模拟矩阵18，使引出线数量从N压缩至m+p。模拟矩阵18的输出由带有斯密特电路的比较放大器19放大，并与可调参考电压15比较。如果信号大于可调参考电压15，比较放大器19输出高电平(1)，否则输出低电平(0)。列编码器110对输入的m个电平信号编码形成h位二进制码输出113。二进制位数h与m的关系是：m＝2^h。全零检测111电路用来判断列编码器110的输出是否有效，即只有当全零检测111的全零输出114为(O)时，列编码器110的二进制码输出113才有效。二进制编码的p位行输入信号112用以控制模拟矩阵18的输出行。当全零输出114为(0)时，以二进制码的行输入信号112为最高有效位，以二进制码输出113为最低有效位的p+h位二进制码即是感光单元i的位置码。

模拟矩阵18的结构如图12所示。模拟矩阵18由k组联动的模拟开关117组成。p位二进制行输入信号112由行解码器115解码，形成k个行输出信号，轮流控制k组模拟开关117。二进制位数p与k的关系是：k＝2p。k组模拟开关将光电二极管或光电池阵列11的N个单元的输出分为m＝N/k列，每次输出一列(m个)，从而减少了电路引出线数目。

测量过程开始时，光源13(图3)发出的光透过狭缝4使光电二极管或光电池阵列11的某个感光单元(假设为第i号单元)感光，并输出电压信号。所有输出信号经前置放大器17(图11)放大后送入模拟矩阵18。控制行输入信号112，每次选中1到k行中的某一行，令模拟开关117输出一列(m个)单元的信号(图12)。当该列输出的单元不包括第i号单元时，所有m个单元的输出都低于可调参考电压15，因此比较放大器19的输出为全零，全零检测111的全零输出114为(1)。这时，可改变行输入信号112，检测下一行的输出信号，直到列输出不为全零。这时二进制列编码器110的二进制码输出113为单元在m个列输出中的位置编码。该低位编码与行输入信号112提供的高位编码一起可以唯一决定单元i的位置，从而确定编码器转轴5的绝对转角。

本发明的第二种实施方式，是采用环形的CCD阵列作为探测器阵列6，其结构原理见图5，结构原理剖视见图6，电路原理见图13。

在本实施方式中，信号源2仍由光源13和狭缝4组成，同样光源13可用发光二极管，白炽灯，闪光灯或激光器等。基板7为硅片22，并在上面制造出圆环形CCD串行输出阵列21及相应的处理电路8，其工作原理和其他序号的意义同图1，图2。与第一种实施方式中光电二极管或光电池阵列11的敏感单元信号先期需并行输出不同，在第二种实施方式中CCD串行输出阵列21全部单元的电荷信号，可以直接通过已做在CCD串行输出阵列21内部的电荷传输移位寄存器串行输出，不需象第一种实施方式那样要经过模拟矩阵18，从而使线路简化。

处理电路8电路原理见图13。一个分辨率为N的编码器，其CCD串行输出阵列21的单元总数为N，用p1到pN表示。当系统上电时发出清零脉冲27，在将计数器23及D触发器24置零的同时，清除CCD串行输出阵列21中全部感光单元的电荷，做好接收信号的准备。随后位于狭缝4下方的第i个单元接收到信号电荷，并立即被转移到电荷传输移位寄存器相对应的第i个单元中。当清零后的第一个时钟26来临时，电荷包由移位寄存器的第i个单元移位到第i-1个单元，同时使计数器23加1。等到第i个时钟26到达时，此电荷包恰好移出移位寄存器而进入电荷/电压转换放大器25作电荷/电压变换。放大后的信号电压和可调参考电压15一起，输入带有斯密特电路的比较放大器19。当信号电压大于可调参考电压15时，比较放大器19输出高电平(1)，使D触发器24的Q端置(1)，从而封锁了计数器23，使其计数停止在i，该计数值在一桢移位后由计数器输出28输出。这就是狭缝4也就是转轴5的绝对角位置θ。经过N个时钟脉冲完成一桢后，系统重新发出清零脉冲27及进行相应的清零动作，如此循环下去。

在本发明的第三种实施方式中，是采用磁阻传感器阵列32(Magnetoresistive Sensor Array)作为探测器阵列6，其结构原理见图7，结构原理剖视见图8，磁阻传感器阵列32的电路原理见图14。

在本实施方式中，信号源2为转盘3上的磁铁31，基板7为硅片33，探测器阵列6为制造在硅片33上的圆环形磁阻传感器阵列32。转盘3由异磁材料如铝等制成，转盘3上在圆环形磁阻传感器阵列32的半径处装有磁铁31。磁铁31的N-S磁极为圆环的切线方向，与磁阻传感器阵列32的磁阻敏感单元的电流方向垂直。由于磁铁31垂直磁场的作用，使与其临近的第i个磁阻敏感单元的电阻产生变化而被测出。其他序号的意义和工作原理同图1，图2。可见本实施方式除磁阻传感器阵列32的探测机理不同外，其余和前面第一种实施方式基本相同。

磁阻传感器阵列32的电路原理见图14。图中磁阻传感器阵列32由N个磁阻传感器单元35组成。磁阻传感器单元35中有两个磁敏元件，增值磁阻条37和减值磁阻条38。当磁铁31接近时，增值磁阻条37的电阻增加，减值磁阻条38的电阻减小。由于两个磁敏元件接在电源34和公共端312之间，这一变化可以转为电压信号并由比较放大器39与可调参考电压输入311比较后，由磁阻传感器输出310端输出。磁阻传感器输出310可以代替图11中的光电二极管或光电池阵列11接入图12中的模拟矩阵18，其后的工作原理与第一种实施方式相同。

本发明的第四种实施方式，是采用电容传感器阵列42(Capacitor SensorArray)，作为探测器阵列6，其结构原理见图9，结构原理剖视见图10，电容传感器阵列42的电路原理见图15。

在本实施方式中，信号源2为转盘3上用高介电常数材料制成的凸起43，基板7为硅片41，探测器阵列为制造在硅片41上的圆环形的电容传感器阵列42。当高介电常数材料制成的凸起43靠近电容传感器阵列42的第i个单元时，可使该第i个单元产生电容量变化而被测出。其他序号的意义和工作原理同图1，图2。可见本实施方式除电容传感器阵列42的探测机理不同外，其余和前面第一种实施方式相同。因此，本实施方式的处理电路8中，除所用探测器阵列6为电容传感器阵列42外，与第一种实施方式基本相同。电容传感器阵列42的电路图见图15。

电容传感器阵列42由N个电容传感器单元45组成。高频时钟48及反相时钟49控制MOS电路，对电容传感器单元45内的敏感电容46和补偿电容47加以比较，并由电容传感器输出411输出。可调参考电压输入410用于调整电路的零点。高频时钟48及反相时钟49，可调参考电压输入410，电源44和公共端412连接到每一个电容传感器单元45。电容传感器阵列42的电容传感器输出411可以代替图11中的光电二极管或光电池阵列11的输出接入图12中的模拟矩阵18，其余的工作原理与第一种实施方式相同。

综上所述，所有类型的圆环形探测器阵列，包括现有的探测器阵列或是新开发的探测器阵列，都可以按照本发明的原理组成绝对式轴角编码器。同理如果将信号源与探测器的功能换位，例如用圆环形发射器阵列--例如发光二极管阵列代替圆环形探测器阵列，同时与之相应地将信号源改为单个探测器，也可以按照本发明的原理组成绝对式轴角编码器。因为无论信号源与探测器的相对位置如何变化，都是利用了阵列式器件中各单元的排序，与其物理位置之间有对应的编码关系的原理，因此都属于本专利的保护范围。

Claims (6)

1.一种绝对式轴角编码器，包括固定的壳体(1)，可相对于壳体(1)旋转的转轴(5)，其特征是：转盘(3)安装在转轴(5)上，信号源(2)安装在转盘(3)上，圆环形探测器阵列(6)固定在壳体(1)上不动；该圆环形探测器阵列(6)中各单元的排序，与其固定位置之间有对应的编码关系；所述信号源(2)到转轴(5)的旋转轴线的距离，等于圆环形探测器阵列(6)的半径；随转轴(5)旋转的信号源(2)依次扫过圆环形探测器阵列(6)的各个单元；在所述信号源(2)的作用下，能使圆环形探测器阵列(6)中某个单元i产生可测量的物理变化，通过对这一物理变化的检出，可以确定单元i的编码，并得知该单元i的固定位置，从而唯一确定转轴(5)的绝对转角。

2.根据权利要求1中所述的绝对式轴角编码器，其特征是：所述圆环形探测器阵列(6)是线阵列，该线阵列可以形成封闭的圆周，也可以只形成部分圆周。

3.根据权利要求1和2中所述的绝对式轴角编码器，其特征是：所述探测器阵列(6)为感光器阵列(11)；信号源(2)由光源(13)和狭缝(4)组成，该狭缝(4)限制光源(13)的覆盖范围，使其局限于所述感光器阵列(11)中的单个感光单元；该光源(13)可以使感光器阵列(11)的感光单元，产生可以读出的感应电压或电荷。

4.根据权利要求3中所述的的绝对式轴角编码器，其特征是：所述光源(13)为白炽灯，发光二极管，闪光灯或激光器；所述感光器阵列(11)为CCD阵列，光电二极管阵列，光电池阵列，CMOS阵列；感光器阵列(11)的编码由CCD阵列，光电二极管阵列，光电池阵列，CMOS阵列的电路引线和读出方式共同决定。

5.根据权利要求1中所述的的绝对式轴角编码器，其特征是：所述信号源(2)为固定在转盘(3)上的磁铁(31)；所述探测器阵列(6)为磁阻传感器阵列(32)；该磁铁(31)可以使磁阻传感器阵列(32)的磁阻传感器单元(35)，产生可以读出的电阻变化。

6.根据权利要求1中所述的的绝对式轴角编码器，其特征是：所述信号源(2)为固定在转盘(3)上的高介电常数材料制成的凸起(43)；所述探测器阵列(6)为电容传感器阵列(42)；该高介电常数材料制成的凸起(43)可以使电容传感器阵列(42)的电容传感器单元(45)，产生可以读出的电容变化。

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