CN101614559A - 编码器起始位置感知方法和系统 - Google Patents

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Abstract

公开了编码器起始位置感知系统和方法，其包括模拟正交编码器读取器和码盘或码带。该码盘具有光轨，该光轨包含圆环图案，该圆环图案的厚度可以被围绕码盘圆周的正弦函数调制，其中一个正弦波周期对应于一个编码器周期。在该光轨的一个区域中，该正弦函数的振幅被改变，以将绝对参考起始位置嵌入。光轨的这个区域可以被感知，并被用来确定绝对系统位置。类似地，线性码带由沿着运动方向的线构建，其厚度被正弦函数调制，其中一个正弦波周期对应于一个编码器周期，并且该正弦波函数的振幅被改变，以将绝对参考起始位置嵌入到光轨中。

Description

编码器起始位置感知方法和系统
技术领域
本发明的实施方案总体上涉及渲染装置(rendering device)和技术。本发明还涉及增量位置编码器。本发明的实施方案还涉及用于感知编码器起始位置(home position)的方法和系统。
背景技术
渲染装置——诸如打印机、复印机等——可以使用增量编码器来跟踪移动部件——诸如印刷鼓(print drum)、旋转轴(rotating shaft)和印刷头(print head)——的位置。这些移动部件的位置或角度通常被驱动机构控制，并被编码器测量。增量编码器通常包括可移动码盘(code wheel)或码带(code strip)，其具有由交替的透明和不透明条组成的光轨，并且从照射源和由多个光敏元件组成的传感器阵列之间经过并相对于它们移动，所述照射源通常是发光二极管(LED)，所述光敏元件通常是光电二极管。
当码盘/带移动时，它中断了来自照射源的光，导致一系列交替的光和影穿过传感器阵列，产生振幅变化的电信号。编码器读取器中的电路放大该信号，以产生两个处于正交相位A和相位B的输出信号，其中相位B是从相位A位移90电角度的相位。当码盘/带移动时，这个正交信号的频率与运动速度成比例，相位A和相位B之间的相位关系指示运动方向。
在该系统被启动或重置之后，基础增量读取器仅确定两个正交输出的相对角度或位置，而不是绝对位置。必须提供附加方法，以在系统启动或重置之后确定绝对参考位置。在线性运动(码带)的情形下，使驱动机构熄火以机械硬停止是用于生成绝对参考位置(也被称为“起始”位置)的一般方法。继而，增量正交编码器被用来测量相对于该参考位置的位置变化。
对轴的角度位置进行测量的编码器通常需要不同的方法来建立绝对参考(起始)位置，因为机械停止更难以实现在正在旋转的轴上。一般的解决方案是，第三编码器传感器输出在与初始光轨不同的半径处读取码盘上的第二光轨。这样的第二光轨可以由参考(起始)位置的单个暗条或明暗条图案组成。这个第三编码器传感器输出也被用在机械停止不理想的线性(码带)应用中。该第三信道技术向编码器读取器及其关联线缆增加了第三传感信道的成本。基于前述，相信，需要改进的用于感知编码器起始位置的系统和方法。
发明内容
下述发明内容意在促进对所公开的实施方案独有的一些创造性特征的理解，而不意在作为完备描述。这些实施方案的多方面的完备描述可以通过综览整个说明书、权利要求书、附图和摘要来获得。
因此，本发明的一方面是提供改进的渲染装置。
本发明的再一方面是提供改进的方法和系统，其用于感知适于与渲染装置共同使用的增量编码器中的起始位置。
本发明的另一方面是提供改进的码盘，其具有圆环图案，并与用在渲染装置中的编码器机构关联使用。
本发明的又一方面是提供改进的线性码带，其具有沿着运动方向布置的调制厚度线(modulated thicknes sline)，并与用在渲染装置中的编码器机构关联使用。
现在可以如本说明书所述地实现前述方面和其他目标及优点。公开了编码器起始位置感知系统和方法，其包括模拟正交编码器读取器和码装置，诸如码盘或码带，的使用。该码盘具有由圆环图案组成的光轨。该圆环图案的厚度可以以围绕码盘的正弦形式改变，其中一个正弦波周期对应于一个编码器周期。环厚度调制不限于用正弦函数调制，也可以使用其他周期性调制函数。类似地，线性码带由沿着运动方向的、具有正弦波调制厚度的线构建，其中一个正弦波周期对应于一个编码器周期。圆环图案减小了正弦波编码器读取器输出中的失真，这导致了更准确的位置内插(interpolation)。另外，通过改变圆环/线调制函数的振幅，起始位置被嵌入光轨。输出信号的振幅响应于穿过编码器读取器的码盘/带光轨的起始区(home region)而改变。此振幅改变可被适当的算法检测到，并被解释为所述码盘或码带的起始位置。
根据本发明的一方面的一种用于感知编码器起始位置的系统，其包含：码装置，其与多个图案关联，其中所述多个图案的厚度能够经由所述码装置以正弦形式被改变，其中所述码装置以对应于一个编码器周期的一个正弦波周期移动；和正交编码器读取器，其用于监控所述码装置，并通过减小所述正弦波的振幅来生成起始量值信号。
优选地，所述码装置包含与多个圆环图案关联的码盘。优选地，所述正交编码器读取器包括至少两个模拟输出，其中所述至少两个模拟输出因所述多个圆环图案的正弦厚度函数而具有减小的失真。
优选地，所述码装置包含与多个纵向线图案关联的码带。优选地，所述正交编码器读取器包括至少两个模拟输出，其中所述至少两个模拟输出因所述多个纵向线图案的正弦厚度函数而具有减小的失真。
优选地，所述多个图案的正弦波调制厚度在所述正交编码器读取器上产生了较小失真的正弦波信号，从而提供了指示准确位置内插和起始位置的数据。
优选地，所述正交编码器读取器包含与光学传感器关联的光源。
优选地，所述正交编码器读取器包含与光学传感器关联的光源，并包括至少两个模拟输出，其中所述至少两个模拟输出因所述多个圆环图案的正弦厚度函数而具有减小的失真。
优选地，所述码装置包含与多个纵向线图案关联的码带，并且其中所述正交编码器读取器包括至少两个模拟输出，其中所述至少两个模拟输出因所述多个纵向线图案的正弦厚度函数而具有减小的失真。
优选地，所述码装置包含与多个圆环图案关联的码盘，并且其中所述多个图案的所述正弦波调制厚度产生了与所述正交编码器读取器输出相关的较小失真的正弦波信号，从而提供了指示准确位置内插和起始位置的数据。
优选地，所述码装置包含与多个圆环图案关联的码盘，并且其中所述正交编码器读取器包括至少两个模拟输出，其中所述至少两个模拟输出因所述多个圆环图案的正弦厚度函数而具有减小的失真。
具有带有这样的圆环/线图案的光轨的码盘或码带，以及起始区内的正弦波振幅变化，允许低成本双信道模拟正交编码器读取器提供准确的位置内插和起始位置指示，而不需要第三编码器信道或任何机械停止来寻找参考起始位置。
附图说明
各个附图中相似的参考数字指示相同的或功能相似的元件，这些附图被纳入本说明书并构成本说明书的一部分，且图示了实施方案，并与详述共同用于解释本说明书公开的实施方案。
图1图示了根据一个优选实施方案可以实现的印刷设备的框图；
图2图示了描绘根据一个替代实施方案的包括码盘和编码器读取器的光学编码器的示意图；
图3图示了根据一个替代实施方案的包括正弦波调制厚度线的线性码带光轨的示意图；
图4图示了根据一个优选实施方案的具有正弦波调制圆环图案的码盘光轨的示意图；
图5图示了根据一个优选实施方案的增量正交编码器读取器的正交波形的示意表示。
具体实施方式
这些非限制性实施例中讨论的具体值和配置可以被改变，并且其引用仅为了说明至少一个实施方案，而不意在限制本发明的范围。注意，在图1-5中，相同或相似的模块通常用相同的参考数字指示。
可以理解，印刷设备100可以构成渲染装置或系统——诸如复印机、打印机、传真机等等——的一部分。如图1所描绘，标记系统370可以被用来向印刷鼓310施加标记信号，以形成被转印到印刷输出媒介的图像。标记系统370可以是，例如，喷墨标记系统或利用光学编码器系统的电照相标记系统。印刷设备100通常包括诸如码盘340这样的码装置(code device)，以感知印刷鼓310的角度位置和速率。印刷设备100也可以包括诸如线性码带380这样的码装置，以感知印刷头335的线性位置和速率。注意，码盘340是根据本发明可以实现的一类码装置的一个实例。码带380表示了可以被用来替代或添加到码盘340的另一类码装置的一个实例。
码带380是固定的，并能够被耦合到安装到印刷头335的模拟正交编码器读取器330。线性码带380可以被用在标记系统370内的印刷头335上，或潜在地用在某些其他线性移动装置——诸如扫描仪或复印机内的扫描条——上，以感知线性位置和速率。码带380可以被用来监控印刷头335的运动，从而提供可以被打印机控制器320控制的位置相关数据，以确定印刷头335的线性位置。印刷头335可以用带子和滑轮或齿轮或其他合适的部件机械地耦合到印刷头驱动马达385。
作为一个示例性实施例，用于图1描绘的鼓的光学编码器系统可以被配置为包括码盘340和模拟正交光学编码器读取器330——此二者根据印刷鼓310的运动相对于彼此移动，从而提供可以被打印机控制器320处理的位置信息，以确定印刷鼓310的角度位置。码盘340可以机械地耦合到印刷鼓310，如虚线312所示，和/或可选地耦合到鼓驱动马达345，如虚线313所示。鼓驱动马达345使用带子和滑轮或齿轮或其他合适的机构机械地耦合到印刷鼓310，如线311所示。
码盘340和码带380包括光轨，其嵌入有起始位置区域，该起始位置区域被用来识别印刷鼓310和印刷头335各自的预定位置。该光轨通常可以包含明和暗区域或地区，其中明区可以是反射性或透射性的。在透射性系统中，明区是透射性的，而暗区是比明区较少透射性的。在反射性系统中，明区是反射性的，而暗区是比明区较少反射性的。
为了方便，因为本说明书公开的光轨可以包括相对亮或相对暗的地区，所以当一个地区被描述为比另一个地区亮时，较亮的地区在透射性系统中被配置为较多透射性，在反射性系统中被配置为较多反射性。类似地，当一个地区被描述为比另一个地区暗时，较暗的地区在透射性系统中被配置为较少透射性，在反射性系统中被配置为较少反射性。
模拟正交光学编码器读取器330可以包括：光源或发射器诸如LED、用于准直该光的透镜、和多个光敏检测器诸如光电二极管——其用于当码盘340或码带380经过感知区时检测被该码盘340或码带380的光轨透射或反射的光的图案。码盘340或码带380的光轨调制由光源提供的光，正交光学编码器读取器330通过检测由光轨提供的已调制光来感知光轨的明暗区。模拟正交光学编码器读取器330的输出可以包含正交波形，该正交波形可以被提供给控制器320，以控制印刷头驱动马达385和鼓驱动马达345的运行。
图2图示了描绘包括码盘和编码器读取器的光学编码器的示意图。图2描绘了与由发射器部202和检测器部204组成的模拟正交光学编码器读取器330相关的码盘340。检测器部204包括由多个光电二极管208组成的光敏阵列，和关联的由电学部件210和放大器212及214组成的信号处理电路。码盘340通常位于发射器部202和检测器部204之间，其中发射器部包括透镜203和LED 205。注意，在图2描绘的配置中，码盘旋转轴420与纸面不共面，或者远离或者靠近观察者。
图3图示了根据一个替代实施方案的线性码带光轨400的示意图，光轨400包括具有正弦波调制厚度函数的沿着运动方向的纵向线图案408。(注意，根据一个替换性实施方案，布置在码带光轨400上的纵向线图案408也可以被视为码盘500的圆环图案508的放大部，放大到使圆环图案508的弯曲不可见。)纵向线图案408优选地具有不同厚度，诸如高度402和404，其可以是沿着码带400的距离的正弦波函数。在线性码带光轨400的起始感知区406内，该正弦波函数的振幅变化。作为一个示例性实施例，将起始位置编码进光轨的一个方法是，将正弦波函数的振幅平滑地减小到最小值，继而平滑地增大回到初始振幅。这样，码带光轨400就构成了改进的线性码带，其具有沿着运动方向布置的正弦波调制厚度线，其中正弦波的一个周期对应于与编码器机构——诸如用在渲染装置中的正交编码器读取器330——关联的编码器的一个周期。
图4图示了根据本发明的一个优选实施方案的具有圆环图案508的码盘光轨500的示意图。前述关于圆环图案508的光学特性的概念可以被实现在与码盘340相似的编码器码盘或盘500中。光轨500可以被用来，例如，检测先前公开的可旋转印刷鼓310的位置。在印刷鼓310的起始位置内，来自模拟正交编码器读取器300的结果信号的振幅改变。图4描绘的圆环图案508优选地具有不同厚度(即径向高度)，诸如高度502和504，其可以是码盘500的角度位置附近的正弦波函数。在码盘光轨500的圆环图案508的起始区506内，该正弦波函数的振幅改变。
根据一个优选实施方案，图5所示的正交波形600可以从具有纵向线图案408或圆环图案508的光轨生成。当具有纵向线图案408或圆环图案508的光轨在模拟光学编码器读取器330的发射器和检测器之间移动时，可以生成正交波形600。当码带400的纵向线图案408的起始区406或码盘500的圆环图案508的起始区506穿过模拟编码器读取器330时，它导致由模拟编码器读取器330产生的正交信号610振幅减小。
作为一个示例性实施方案，作为印刷设备100的一部分，码盘500可以耦合到被鼓驱动马达345转动的印刷鼓310。作为一个初始化例程，打印机控制器320命令鼓驱动马达转动印刷鼓和码盘。码盘旋转经过贯穿编码器读取器的光轨，产生被控制器320输入的正交信号。当起始区506穿过编码器读取器时，正交信号610振幅随之下降。控制器中的算法跟踪正交信号610的振幅，并检测最小信号振幅。一旦控制器找到最小振幅起始位置，则可以跟踪印刷鼓的增量位置变化，并持续跟踪印刷鼓相对于起始位置的位置。
通过改变光轨500的圆环图案508的正弦波厚度函数的振幅，起始区506将起始位置编码进光轨。作为一个示例性实施例，在码带400的起始区406或码盘500的起始区506内，正弦波厚度函数的振幅可以被减小。对于码带400的大部分长度或码盘340的大部分周长，该振幅是90％，这使得圆环图案508的最薄部分504是平均厚度的10％，并使得最厚部分502是平均厚度的190％(距离下一个环10％)。例如，假如X是圆环图案508的平均厚度，码盘500的圆环508的主部的瞬时厚度T可以被算出，如下面的等式(1)所示：
T＝X*(1.0+90％*sine(每转的周期数*围绕码盘的角度))(1)
该90％振幅可以被平滑地减小，例如在起始位置406和506之内减小到54％，继而平滑地增大回到90％。这样的从90％到54％的减小可以历经30个正弦波周期，然后是14个周期的54％振幅，然后是历经30个周期振幅增大回到90％。具体值诸如90％、54％、30个周期和14个周期是为了清晰性和特殊性而描述的，这样的参数不应被解释为本发明的限制性特征。本领域技术人员应意识到，根据需要采用其他具体值也是可能的，而不脱离本发明的范围。
正弦波调制厚度圆环图案508可以被用在码盘500上，或者正弦波调制厚度线图案408可以被用在线性码带400上，代替传统的不透明和透明条，以在编码器读取器330的输出上产生更纯粹的(较小失真的)正弦波信号。相信，通过改变码盘500中的圆环图案508和码带400中的正弦波调制厚度线408的正弦波厚度函数的振幅来感知编码器起始位置，可以从编码器读取器330及其关联线缆中去除第三传感信道的成本。而且圆环图案508和纵向线图案408减小了正弦波读取器输出中的失真，即使读取器内的码盘位置有误，这仍可以导致更准确的位置内插和更一致的振幅。
应意识到，上述及其他特征和功能的变体或替换物可以按需结合到许多其他系统或应用中。而且，本领域技术人员以后可以做出的目前未预见到的或未设想到的的替换物、修改、变体或改进也意在被包括在下述权利要求中。

Claims (10)

1.一种用于感知编码器起始位置的方法，其包括：
经由码装置，以正弦形式改变与所述码装置关联的多个图案的厚度，其中所述码装置以对应于一个编码器周期的一个正弦波周期移动；和
利用正交编码器读取器监控所述码装置，并通过减小所述正弦波的振幅来生成起始量值信号。
2.权利要求1的方法，其中所述码装置包含与多个圆环图案关联的码盘。
3.权利要求1的方法，其中所述码装置包含与多个纵向线图案关联的码带。
4.权利要求1的方法，其中所述多个图案的正弦波调制厚度在所述正交编码器读取器上产生了较小失真的正弦波信号，从而提供了指示准确位置内插和起始位置的数据。
5.权利要求1的方法，其中所述正交编码器读取器包含与光学传感器关联的光源。
6.权利要求2的方法，其中所述正交编码器读取器包括至少两个模拟输出，其中所述至少两个模拟输出因所述多个圆环图案的正弦厚度函数而具有减小的失真。
7.权利要求3的方法，其中所述正交编码器读取器包括至少两个模拟输出，其中所述至少两个模拟输出因所述多个纵向线图案的正弦厚度函数而具有减小的失真。
8.一种用于感知编码器起始位置的方法，其包含：
经由码装置，以正弦形式改变与所述码装置关联的多个图案的厚度，其中所述码装置包含码盘，并以对应于一个编码器周期的一个正弦波周期移动，所述码盘与多个圆环图案关联；和
利用正交编码器读取器监控所述码装置，并通过减小所述正弦波的振幅来生成起始量值信号。
9.一种用于感知编码器起始位置的方法，其包含：
经由码装置，以正弦形式改变与所述码装置关联的多个图案的厚度，其中所述码装置包含码带，并以对应于一个编码器周期的一个正弦波周期移动，所述码带与多个纵向线图案关联；和
利用正交编码器读取器监控所述码装置，并通过减小所述正弦波的振幅来生成起始量值信号。
10.一种用于感知编码器起始位置的系统，其包含：
码装置，其与多个图案关联，其中所述多个图案的厚度能够经由所述码装置以正弦形式被改变，其中所述码装置以对应于一个编码器周期的一个正弦波周期移动；和
正交编码器读取器，其用于监控所述码装置，并通过减小所述正弦波的振幅来生成起始量值信号。
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