CN102483336A - 旋转角度传感器中测量道偏心的光学补偿装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于光学旋转角度传感器或旋转编码器的改进的编码盘、包括改进的编码盘的光学旋转角度传感器或旋转编码器、和对旋转编码器中角度测量误差特别是由于编码盘的位移或偏心可能发生的角度测量误差的通过光学手段校正或补偿的方法。编码盘(20)包括至少一个测量道(22)和至少一个补偿道(24)，其中测量道(22)在编码盘(20)的第一半径区域内；补偿道(24)相对于测量道(22)居中于编码盘(20)的第二半径区域，使得测量道(22)的中心与补偿道(24)的中心重合。优选地，补偿道(24)被设计成入射到补偿道的区域上的至少一部分光由补偿道(24)径向地朝向通过补偿道(24)和测量道(22)共同的中心的轴线的方向偏转。优选地，由补偿道偏转的读取光的方向与通过补偿道和测量道共同的中心的轴线相交，其中补偿道和所述交点之间的距离与补偿道和测量道之间的光路长度对应。读取光可以是相干的或不相干的。补偿道的半径可以小于、大于或等于测量道的半径。优选地，补偿道(24)具有衍射结构。

Description

旋转角度传感器中测量道偏心的光学补偿装置及方法
技术领域
本发明涉及光学旋转角度传感器或旋转编码器用的编码盘、光学旋转角度传感器或旋转编码器以及光学旋转编码器中的角度测量误差的光学校正或补偿方法，特别涉及特别地由于编码盘的位移或偏心引起的角度测量误差的光学校正或补偿方法。
背景技术
光学旋转角度传感器也被称为旋转编码器，其基本原理是基于固定有代码盘或编码盘的可旋转地安装的轴。由静止光源照明的一个或多个测量道被应用到该编码盘。通过编码盘相对于光源的相对运动，测量道的特定区域作为轴的角度位置的函数被照明。由此引起的光场通过例如光电二极管等检测器单元读取。该信号可以直接或间接对应于(assigned)盘的角度位置或旋转运动，因此而对应于轴的角度位置或旋转运动。
光学旋转编码器在透射模式(例如根据莫尔(Moiré)挡光板原理等)下、反射模式下工作并且基于衍射偏转(衍射)工作。不管哪种方案，在所有这些编码原理中，旋转编码器的精度即实际的轴角度和通过光学手段测得的角度之间的偏差直接依赖于盘运动和轴运动的可对应性(assignability)。测量道或盘轴线相对于轴心线的偏心，即所谓的测量道的章动(nutation)导致不可忽视的角度测量误差。这表现为旋转运动的整个范围的余弦偏离。
为了达到高的精度，使测量道或编码盘尽可能精确地相对于轴居中即相对于轴尽可能精确地调整测量道或编码盘是重要的。在安装过程中这需要高的费用，因此成本高。除了高费用之外，还不能通过机械手段完全地避免小的偏心误差。因此，寻求补偿该不可避免地发生的测量道的章动的策略。
以前解决问题的方法主要追求在计算中消除角度误差的策略。
因此，例如可以通过使用两个或更多个相对于彼此以已知的角度布置的光学读取单元来确定编码盘的章动。然后可以通过使用电子设备来校正角度信号。可选择地，也可以使用分开的测量道，该测量道的信号构成对盘的摇摆的直接测量。
前述补偿方法的缺点在于需要多个读取单元或另外的测量道。此外，通过该方法，补偿通常仅发生在读取角度之后，因此与另外的电子设备的使用相关联。
发明内容
本发明的目的在于提供一种有效的校正或补偿光学旋转编码器中的角度测量误差的方法和相应的装置，特别是校正或补偿由于旋转编码器相对于轴心线的位移或偏心导致的角度测量误差的方法。本发明的另外的目的是使得编码盘相对于轴心线的调整简化或更有效，也使得确定正确的角度或正确的角位置简化或更有效。
这些目的通过下述光学旋转角度传感器或旋转编码器用的编码盘、下述光学旋转角度传感器或旋转编码器以及下述光学旋转编码器中的角度测量误差(特别是由于编码盘的位移或偏心导致的角度测量误差)的校正或补偿方法而实现。具体地，一种编码盘，其用于光学旋转编码器，所述编码盘包括至少一个测量道和至少一个补偿道，其中，所述测量道被设计为使得当所述测量道的扫描区域被照明时生成或产生至少一个光学测量光束，其中所述测量光束的至少一个光学参数被调制为待测量角度的函数，并且所述测量道布置于所述编码盘的第一半径区域；所述补偿道在所述编码盘的第二半径区域相对于所述测量道居中，其中所述测量道的中心与所述补偿道的中心重合。一种光学旋转编码器，其包括上述编码盘；光学扫描装置或光电扫描装置，所述扫描装置被设计为照明所述编码盘的测量道的扫描区域，所述扫描装置包括：照明装置，其被设计为使得所述编码盘的补偿道的区域能够由光照明，其中所述测量道的扫描区域由光束的至少一部分照明，所述光束借助于对所述补偿道的照明而产生并可选地借助于偏转装置而偏转。一种光学旋转编码器中的角度测量误差的补偿方法，其包括如下步骤：设置上述编码盘；通过以预定的照明角度入射到所述补偿道的光对所述补偿道的区域照明，由此产生至少一个光束；偏转由对所述补偿道的照明而产生的光束的至少一部分，使得所述测量道的扫描区域由偏转的光束的至少一部分照明。
提出的方案基于对编码盘的章动的光学补偿。
特别地，根据本发明的第一方面，提出了一种光学旋转角度传感器或旋转编码器用的改进的编码盘。编码盘包括至少一个测量道和至少一个补偿道，其中
测量道布置于编码盘的第一半径区域；
补偿道相对于测量道居中或同心地布置于编码盘的第二半径区域(优选地不同于第一半径区域)，使得测量道的中心或旋转中心与补偿道的中心或旋转中心重合。
测量道被设计为使得，当测量道的扫描区域被照明时，生成或产生至少一个光学测量光束，其中测量光束的至少一个光学参数被调制为待测角度的函数。
编码盘的半径区域特别地是编码盘的中心(大致)与补偿道和测量道的共同中心重合的环形区域，并且所述半径区域大致地在编码盘的整个圆周上(但是不在编码盘的整个表面上)延伸。特别地，不同的半径区域是彼此不重叠的区域。相应地，补偿道和测量道优选地被布置为使得它们彼此不重叠或不彼此嵌套在同一个半径区域内。然而，也可以将补偿道和测量道布置为嵌套在同一个半径区域内。
在具有带有一个或多个测量道的编码盘的光学旋转编码器中，旋转的、例如衍射的测量道由光点(照明点)来照明，特别地由聚焦的光点来照明。然而，由于编码盘的章动，测量道的被照明的点或测量道的扫描区域相对于照明或相对于照明光束沿切向和径向移动，这导致上述角度测量误差。测量道可以被设计为使得编码盘的径向位移不导致信号改变。另一方面，在切向上的相对于照明的相对运动必须由旋转角度传感器或旋转编码器的功能原理校正。
在该情况下，径向涉及在待照明的点的中心(或扫描区域的中心)和轴的中心点之间的轴线(axis)。切向涉及与径向垂直并且与轴向垂直的方向，其中轴向与轴心线(shaft axis)重合。编码盘通常被布置为使得轴向垂直于编码盘的平面。
根据本发明，提出了对上述角度测量误差的光学补偿或校正，优选地其不具有另外的读取单元和/或电子设备。这特别地通过使用改进的编码盘而成为可能，除至少一个测量道外，该改进的编码盘还具有至少一个另外的道(例如，另外的衍射道)，即所谓的补偿道。在该情况下，编码盘可以是具有优选地恒定的厚度的圆盘，其中测量道和补偿道可以应用到编码盘的一个表面。
编码盘章动的光学校正、特别地编码盘相对于轴的相关切向位移或偏心以及编码盘相对于作为聚焦的光点(照明点)的照明的相应切向位移随着衍射的测量道或编码盘的切向运动而被“运送”。这通过相对于测量道居中或同心地定位的补偿道而实现，优选地该补偿道位于旋转编码盘的另一个半径区域或另一个半径并且具有例如镜结构或衍射结构等适当的结构。相对于彼此居中或同心地布置的补偿道和测量道被设计和布置为使得它们具有共同的旋转轴线。因此，补偿道的中心或旋转中心与测量道的中心或旋转中心重合。
特别地，补偿道被设计为：通过对补偿道的一个区域的照明，生成或产生例如借助于适当的光学或光电偏转装置能够被引导到测量道的至少一个光束。换言之，补偿道特别地被设计为使得：以预定的或可预定的(可调整的)照明角度(例如编码盘的平面的法线方向)落到补偿道的区域的照明光(读取光)，由补偿道以使得偏转的照明光的至少一部分可以直接或间接地(即借助于适当的光学或光电偏转装置)被引导或被聚焦到测量道的预定的或可预定的扫描区域的方式来偏转。优选地，偏转装置包括相对于光源静止的至少一个光学元件(例如镜、反光镜、棱镜特别是五棱镜等)。优选地，偏转装置相对于光源静止。光源也可以是静止的。
由于前述的到补偿道的照明光束的光学偏转，由照明光产生的照明点(用于对测量道的扫描区域照明)并不保持静止而是随编码盘的位移而被“运送”，因此随补偿道和测量道的位移而被“运送”。
因此，补偿道用于将入射在补偿道的区域的照明光偏转为布置于光学旋转编码器的编码盘相对于轴或轴心线的偏心量的函数。编码盘的偏移或偏心引起照明光束偏转角度的改变。
因此，当补偿道的区域(或点)由静止的光源和/或以预定的或可预定的照明角度(例如沿轴向)被照明时，入射照明光由补偿道偏转。偏转的照明光的至少一部分例如借助于适当的光学或光电偏转装置可以被引导或聚焦到实际的测量道。偏转可以被构造为使得从补偿道到测量道的光路长度与从补偿道到补偿道的旋转轴线的光路长度对应。这样的结果是，对测量道的照明总是发生在测量道的旋转轴线的切向水平面。
如果编码盘由于机械章动而相对于光源在切向上移动，则测量道的照明或照明点作为切向位移的函数移动。在该情况下，通过适当选择补偿道的结构和参数并且可选地通过适当的偏转装置，不管编码盘的章动，测量道总是在大致相同的切向位置被照明。因此，潜在的角度误差或角度测量误差可以通过光学手段被补偿，使得可以读取正确的角度。
补偿道可以是不同的设计。补偿道可以例如具有镜结构(例如以适当的角度旋转的镜表面)或棱镜结构。
优选地，补偿道具有衍射结构。衍射的补偿道可以被设计为使得：借助于适当的光学偏转装置，被衍射到补偿道的第N衍射级的例如第一衍射级的光束可以被引导或聚焦到测量道的预定的扫描区域。因此，衍射的补偿道用于将第N(优选地第一)衍射级偏转为布置于光学旋转编码器中的编码盘相对于光学旋转编码器的轴或轴心线的偏心量的函数。
衍射的补偿道可以包括至少一个衍射光栅，该衍射光栅大致在编码盘的整个圆周上沿径向延伸。衍射光栅可以是反射型衍射光栅或透射型衍射光栅。衍射光栅也可以是全息衍射光栅。关于诸如光栅常数和/或光栅条的角度配置等衍射光栅的参数，原则上没有限制。衍射光栅的光栅常数和/或光栅条的角度配置可以被适当地选择为使用区域的函数，例如作为照明光的波长和/或旋转编码器的光学配置的各个组件的几何、配置和/或尺寸和/或编码盘的材料的折射率的函数，使得衍射光束的至少一部分被直接地或借助于适当的光学偏转装置间接地引导至测量道的预定的或可预定的扫描区域。
在一个示例中，补偿道可以被设计成轴锥体结构，即在预定的方向上(例如沿轴向)入射到编码盘的照明光(读取光)的至少一部分由补偿道径向地朝向通过补偿道和测量道的共同中心的轴线的方向偏转。在衍射的补偿道中，例如入射到编码盘的照明光以如下方式被分成衍射级：使得第N(例如第一)衍射级的光束总是朝向补偿道的中心因此也朝向测量道的中心的方向偏转。在与编码盘的平面或表面平行(或与编码盘平行)的平面中，第N衍射级的偏转的光束的投影或第N衍射级的偏转的光束的投影的虚拟延长部特别地延伸通过补偿道和测量道的共同旋转中心或中心。由补偿道偏转的照明光(读取光)的方向具有与通过补偿道和测量道的共同中心的轴线相交的点，其中补偿道和该相交点之间的距离与补偿道和测量道之间的光路长度对应。
然而，补偿道可以被设计为使得照明补偿道的照明光的至少一部分在与补偿道和测量道的共同中心的方向不同的方向上被偏转。在衍射的补偿道中，第N(例如第一)衍射级的光束可以在与补偿道和测量道的共同中心不同的方向上偏转。例如这可通过具有不同的光栅条的角度取向和/或光栅常数的一个或多个衍射光栅来实现。光束偏转的方向，例如第N衍射级的光束偏转的方向，可以是任意的。通过适当的光学或光电偏转装置，第N(例如第一)衍射级的光束可以在朝补偿道的旋转中心的方向上偏转，所述偏转装置包括例如至少一个镜和/或至少一个反射镜、和/或至少一个棱镜(例如五棱镜)、和/或其他光学元件。换言之，补偿道可以被设计为使得入射到补偿道的照明光(读取光)的至少一部分可以被直接地或间接地(例如借助于适当的光学或光电偏转装置)在朝补偿道和测量道的共同中心的方向上偏转。
因此，在另一示例中，补偿道可以被设计为使得：以预定的或可预定的照明角度入射到补偿道的区域上的光(优选地为相干光)以使得第N衍射级的光束相对于被照明的区域内的补偿道切向地偏转的方式被分成衍射级，其中N为整数。在该情况下，补偿道可以具有例如带有径向取向(即，朝补偿道的旋转中心的方向)的光栅条的光栅结构或衍射光栅。
与编码盘的切向位移或偏心无关地，第N(例如第一)衍射级的偏转作为波长和/或补偿道的衍射结构的光栅常数的函数或以恒定的角度而发生。
如果补偿道的区域(或点)由静止的光源和/或以预定的或固定的或可调整的角度(例如沿轴向)照明，则入射光如上所述地偏转或衍射。如果由补偿道偏转的补偿道照明光的一部分(例如第N衍射级的光束)借助于适当的光学或光电偏转装置被适当地偏转，该偏转装置包括例如相对于光源静止的光学元件(镜、棱镜和/或其他光学和/或光电元件)，则这些元件可以根据补偿道上的偏转或衍射被引导或聚焦到实际的测量道。通过适当地设计或配置组件(补偿道和/或偏转装置)，偏转可以被构造为使得：只要编码盘的旋转角度恒定，则不管偏移，测量道总是在测量道中的相同的角度位置由读取光来照明。特别地，偏转可以被构造为使得从补偿道到测量道的光路长度与从补偿道到补偿道的旋转轴线的光路长度精确地对应。这样的结果是，对测量道的照明总是发生在测量道的旋转轴线的切向水平面。
如果编码盘由于机械章动在相对于光源的切向上移动并且因此两个道的旋转轴线在相对于光源的切向上移动，则如上所述照明也在与位移平行的测量道或照明点上移动。在该情况下，与编码盘的章动无关地，测量道总是在大致相同的切向位置被照明。因此，潜在的角度误差或角度测量误差可以通过光学手段被补偿，使得可以读取正确的角度。
优选地，衍射的补偿道可以在生产过程中或与实际的衍射测量道同时被应用到编码盘。结果，两个道可以相对于彼此非常精确地居中或取向。这特别使得能够免调整地安装编码盘。
根据旋转角度传感器或旋转编码器的结构(例如入射光、透射光等)，测量道和补偿道的配置以及光束导引和/或偏转可以可变地适应。
如上所述，补偿道可以被设计为使得沿(相对于编码盘的平面的)法线入射到补偿道的区域的光被分成衍射级。在该情况下，预定的照明角度为大致90°。照明角度被定义为在照明光或照明光束的光轴和编码盘的平面之间的角度。照明角度可以是可调整的。
同样地，补偿道可以被设计为使得第一衍射级(N-1)的光束直接或借助于偏转装置间接地被引导或聚焦到测量道。
补偿道的半径和/或宽度可以作为使用的各个场的函数而变化。因此，补偿道的半径等于或小于大约500mm，特别地在大约3mm至大约15mm的范围内，优选地为大约5mm至大约10mm，特别优选地为大约8mm。补偿道的宽度可以例如在大约0.5mm至大约5mm的范围内，优选地在大约1mm至大约3mm的范围内，特别优选地为大约2mm。
编码盘的测量道可以被适当地(例如，以本来已知的方式)构造或编码，使得当测量道被照明时，特别地当测量道的扫描区域被照明时，生成或产生至少一个光学测量光束，其中测量光束的至少一个光学参数(例如强度、相位等)被直接或间接地调制为待测量的角度的函数。(被照明的)扫描区域可以是例如大致圆形的区域，其中扫描区域的直径可以大致地等于或小于测量道的宽度。扫描区域可以例如具有大约25μm至大约10μm的直径。
测量道可以是衍射的测量道或可以具有衍射结构。特别地，测量道可以包括至少一个衍射光栅。借助于衍射的测量道分开或衍射、并且因此形成单束或多束测量光束的第N(例如第一)衍射级的至少一部分光束可以借助于一个或多个光检测器检测到并且可以直接地或间接地对应于特定角度位置。衍射光栅可以是反射型光栅或透射型光栅。优选地，测量道包括产生两种不同的(例如移相的)信号的至少两种不同的衍射光栅。
优选地，测量道被设计为使得编码盘(相对于照明或相对于轴心线)的径向位移不导致信号的任何改变。因此，例如形成测量道的各个衍射光栅与曲率半径相对应地弯曲，这导致光相对于角度位置的恒定偏转。衍射的衍射光栅的全部的次序可以以极坐极表示并相应地生产。
测量道的半径和/或宽度可以作为使用的各个场的函数而变化。因此，测量道的半径可以例如等于或小于大约500mm，特别地在大约10mm至大约20mm的范围内，优选地为大约10mm至大约15mm，特别优选地为大约13mm。测量道的宽度可以例如在大约0.3mm至3mm的范围内，优选地在大约0.5mm至2mm的范围内，特别优选地为大约1mm。
测量道和补偿道是环形结构。环形的测量道和补偿道均特别地由两个同心圆划界。外圆的半径预先确定各个道的半径。各个道的宽度与外圆的半径和内圆的半径之间的差对应，其中所述外圆和所述内圆对各个道划界。补偿道和测量道的共同中心与圆或环的中心或中心点重合。
补偿道的半径可以小于测量道的半径。同样地，补偿道的半径和测量道的半径可以相等。
编码盘可以是反射型或透射型编码盘。编码盘可以由透射光或由入射光读取。
本发明另外的方面涉及光学旋转角度传感器或旋转编码器，其包括：
根据本发明的优选实施方式的(改进的)编码盘；
以使得对编码盘的测量道的扫描区域照明的方式设计的光学的或光电的扫描装置。
扫描装置包括：
以使得通过光(读取光)对编码盘的补偿道的区域照明的方式设计的照明装置。光可以是相干光或非相干光，该光以预定的或固定的或限定的或可预定的(可调整的)照明角度入射到补偿道或补偿道的区域。在该情况下，测量道的扫描区域能由借助于对补偿道的照明生成或产生并且优选地借助于偏转装置被偏转到测量道的光束的至少一部分照明。
扫描装置也可以包括偏转装置，该偏转装置被设计和布置为使得偏转装置将通过对补偿装置的照明生成或产生的至少一个光束偏转到测量道的扫描区域。
如上所述，补偿道可以具有衍射结构。由对补偿道的照明生成或产生的至少一个光束可以由通过补偿道上的衍射分成的第N衍射级的光束(S1)的至少一部分成形或形成。换言之，由对补偿道的照明生成或产生的至少一个光束可以包括由补偿道上的衍射分成的第N衍射级(其中N是整数)的光束的至少一部分。
如上所述，因为照明的聚焦光点(照明点)随衍射的测量道或编码盘的切向移动而被“运送”，所以根据本发明的旋转编码器能够通过光学手段校正角度测量误差、特别是能够通过光学手段校正对由编码盘的章动和关联的编码盘相对于轴的切向偏心引起的角度测量误差。这特别地由被布置或应用成使得相对于测量道同心地居中、优选地位于(旋转的)编码盘的另一半径区域或半径的(例如衍射的)补偿道而实现。由补偿道偏转的光束(例如衍射的补偿道的第N(例如第一)衍射级的光束)直接地或间接地即通过适当的偏转装置被引导或聚焦到测量道。因此，可以确保直接或由偏转装置间接地引导到测量道的光束总是在大致切向的位置对测量道照明。因此，潜在角度误差或角度测量误差可以通过光学手段补偿或校正。在一个示例中，不管编码盘的切向的偏心，由补偿道偏转的光束(或由对补偿道的照明产生的光束)朝测量道和补偿道的共同中心的方向直接或间接地偏转。扫描装置和特别地补偿道和/或偏转装置以如下方式被设计和布置：使得由补偿道偏转的照明光(读取光)的方向与通过补偿道和测量道的共同中心的轴线相交，并且补偿道和交点之间的距离与补偿道和测量道之间的光路长度对应。
根据旋转角度传感器或旋转编码器的构造(例如入射光、透射光等)，测量道和补偿道的配置以及光束导引可以可变地适应偏转。
偏转装置可以包括一个或多个光学组件或光电组件。因此，偏转装置可以包括至少一个镜、和/或至少一个棱镜、特别是反射镜(retroprism)、和/或至少一个透镜、和/或光学组件和/或光电组件。
光学扫描装置或光电扫描装置还可以包括光源(例如激光和/或发光二极管和/或其他光源)和可选地另外的光学元件(例如准直仪和/或具有一个或多个透镜的聚焦装置等)。光源可以是静止的光源，特别是相对于它的空间位置(并且特别是相对于它的关于轴心线的空间位置)静止的光源。优选地，偏转装置相对于光源(至少部分地)静止。
优选地，扫描装置也以如下方式设计：使得从补偿道到测量道的光路长度与从补偿道到补偿道的旋转轴线的光路长度对应。补偿道的旋转轴线延伸通过补偿道的旋转中心(因此也通过测量道的旋转中心)。因此，对测量道的照明可以发生在测量道的旋转轴线的切向水平面。
此外，光学旋转角度传感器或旋转编码器可以包括检测装置，其中检测装置被设计为检测由对测量道的照明生成或产生的光学测量光束的至少一部分。
检测装置可以包括一个或多个光检测器或光检测器阵列(例如光电二极管、光电晶体管、CCD照相机等)。检测装置也可以包括另外的光学元件和/或光电元件(例如一个或多个镜、透镜、棱镜、滤波器等)。
此外，光学旋转编码器可以包括信号估值装置，其中信号估值装置被设计为可以借助于由检测装置产生的一个或多个信号确定待测量的绝对角度或相对角度。换言之，信号估值装置可以被设计为使得由检测装置产生的一个或多个信号可以确定待测量的绝对角度或相对角度。换言之，信号估值装置被设计为使得由检测装置产生的一个或多个信号可以直接地或间接地对应于编码盘的特定角度位置或旋转运动并且由此对应于轴的特定角度位置和旋转运动。
光学旋转角度传感器或旋转编码器可以在透射光(例如根据莫尔挡光板原理等)模式、在反射模式下工作和/或基于衍射的偏转(衍射)来工作。特别地，光学旋转编码器可以是入射光旋转编码器或透射光旋转编码器。
上述角度误差补偿原理可以应用到纯粹的增量式旋转角度传感器或旋转编码器，也可应用到绝对编码的旋转角度传感器或旋转编码器。因此，光学旋转编码器可以是增量式旋转编码器或绝对编码的(绝对式)旋转编码器。
本发明的另外的方面涉及光学旋转编码器中的角度测量误差、特别是由于光学旋转编码器的编码盘的位移或偏心导致的角度测量误差的(光学)校正或补偿方法。该方法包括如下步骤：
-设置根据本发明的优选实施方式的(改进的)编码盘；
-以预定的照明角度通过光或光点对补偿道的区域照明；由此生成或产生至少一个光束；以及
-偏转通过对补偿道的照明生成或产生的光束的至少一部分，使得测量道的扫描区域由偏转的光束的至少一部分照明。
该方法还可以包括检测由对测量道的扫描区域的照明生成或产生的至少一个测量光束的至少一部分。因此，生成或产生至少一个对应的检测信号。此外，该方法可以包括计算至少一个检测信号和/或确定绝对角度或相对角度，其中确定的角度可以直接地或间接地对应于编码盘的特定角度位置或旋转位置，并且由此对应于轴的特定角度位置或旋转位置。
本发明的另外的方面涉及光学旋转编码器中所使用的用于光学补偿由于实物量具(material measure)的旋转轴线和中心之间的偏移引起的角度测量误差的配置，其中
补偿道相对于测量道同心地布置于编码盘；并且所述配置被设计使得：
首先，读取光落到补偿道；
补偿道使读取光径向地朝通过补偿道和测量道的共同中心的轴线方向偏转；
偏转的读取光由相对于光源静止的至少一个光学装置或光电装置(偏转装置)偏转；
由此偏转的读取光射到测量道；
组件的配置被选择为使得只要编码盘的旋转角度恒定，不管偏移，测量道总是在测量道的相同的角度位置由读取光照明。
由补偿道偏转的读取光的方向具有与通过补偿道和测量道的共同中心的轴线相交的交点，其中补偿道和该交点之间的距离与补偿道和测量道之间的光路长度对应。读取光可以是相干光或非相干光。补偿道的半径可以小于、大于或等于测量道的半径。
此外，本发明的方面涉及根据本发明的优选实施例的编码盘在光学旋转编码器中的使用，其中编码盘以如下方式使用：使得入射到补偿道的区域的照明光由补偿道偏转，并且由此偏转的照明光的至少一部分对测量道的扫描区域照明，优选地在借助于偏转装置偏转后对测量道的扫描区域照明。当测量道的扫描区域被照明时，产生至少一个光学测量光束，其中测量光束的至少一个光学参数被调制为待测量的角度的函数。
借助于根据本发明的编码盘和/或根据本发明的光学旋转编码器和/或光学旋转编码器中的角度测量误差的补偿方法，通过纯粹的光学原理可以基本上消除在编码盘发生章动的情况下光学旋转编码盘中产生的角度测量误差的问题。因此，对编码盘相对于轴心线的章动或偏心的补偿在确定角度信号之前已经发生。基本上不需要另外的光学读取单元或电子组件，这导致旋转编码盘的设计和/或用于确定正确的角度的方法的简化。此外，可以相当大地减少或避免编码盘相对于轴的(部分手动的)精确调整的相当高的费用。这使得绝对式或增量式编码的光学旋转角度传感器或旋转编码器、特别是基于衍射的实物量具的旋转编码器、特别是免调整地安装的旋转编码器成为可能。
上述的角度误差补偿原理可以应用到基于衍射的偏转的光学旋转编码器，也可以应用到基于其他光学原理的光学旋转编码器(诸如例如莫尔挡光板等)。在该情况下，补偿道和测量道产生或应用于一种工作中，以确保两个道的居中的或同心的配置。
附图说明
通过参照附图对本发明的优选实施方式的详细说明，本发明的其他目的、特征和优势是清楚的。在附图中：
图1示出根据本发明的示例的角度测量误差的补偿图，其中：
图1a示出未补偿的旋转编码器；
图1b示出补偿的旋转编码器；
图2示出根据本发明的示例的补偿的旋转编码器的示意图；
图3示出图2中示出的旋转编码器的编码盘的测量道和补偿道的结构和配置的示意性图示，其中：
图3a示出俯视的编码盘的局部剖视图；
图3b示出测量道的放大局部剖视图；
图3c示出补偿道的放大局部剖视图。
具体实施方式
在图1中示意性地示出优选的旋转角度传感器或旋转编码器的角度测量和校正原理，其中图1a示出传统的未补偿的旋转角度传感器或旋转编码器的角度测量原理，图1b示出根据本发明的示例的被补偿的旋转角度传感器或旋转编码器的角度测量和光学角度校正原理。
未补偿的旋转编码器的编码盘10具有圆形或环形的测量道12，该测量道12具有半径RM。测量道的中心与圆形或环形的测量道的中心点重合。编码盘10绕轴心线可旋转地被安装。轴心线是图面的法线或编码盘的平面的法线或(盘状的)编码盘的表面的法线，并且轴心线延伸通过轴的中心点W。当编码盘没有相对于轴心线切向偏心时，测量道的中心M与轴的中心点W重合。如果发生由编码盘的章动引起的编码盘相对于轴或轴心线的切向偏心，偏心的测量道12’的中心M’位于在切向“x”上距轴的中心点W的距离为“e”的位置。
由(静止的)光源发出的照明光(读取光)以预定的或可预定的角度(例如，沿垂直方向或法线方向或轴向)射到测量道12。因此，测量道的扫描区域由照明点B照明。
当测量道12切向地偏心时，偏心的测量道12在与未偏心的测量道不同的切向(扫描)区域被照明。因此，替代正确的或实际的角度
Figure BDA0000142161390000171
角度
Figure BDA0000142161390000172
被确定。结果产生角度测量误差
Figure BDA0000142161390000173
根据本发明的示例的被补偿的旋转编码器具有(盘状的)编码盘20，除环形或圆形的测量道22外，该编码盘20还具有圆形或环形的衍射补偿道24。补偿道在编码盘20的另一或不同的半径区域内相对于测量道22居中或同心地布置。在图1b示出的编码盘20中，补偿道24的半径小于测量道22的半径。测量道的旋转中心或中心与补偿道的旋转中心或中心重合，并且与圆形或环形的测量道和补偿道的中心点重合。换言之，测量道和补偿道具有共同的旋转中心或中心或中心点M。
编码盘绕轴心线可旋转地安装。如果编码盘相对于轴心线不偏心，结合图1说明，测量道和补偿道共同的中心M与轴的中心点W重合。当编码盘由于编码盘的章动而相对于轴或轴心线偏心时，偏心的测量道和补偿道共同的中心M’位于在切向“x”上距轴的中心点W的距离为“e”的位置。
此外，对于编码盘20的切向的偏心“e”，在图1b中示意性地示出照明的光束路径。偏心的补偿道24’的(特定)区域由照明点BK通过入射的照明光或照明光束照明。补偿道的照明点或照明区域的直径可以大致等于或小于补偿道的宽度。优选地，补偿道的照明区域的直径大约为25μm至2mm，优选地大约为0.1mm至1mm，特别优选地大约为0.5mm。特别地，补偿道24可以例如由聚焦的衍射受限光点等光点来照明。
以预定的角度(例如，沿轴向)入射到偏心的补偿道24’的照明光或入射照明光束由偏心的补偿道24’分成衍射级。通过适当选择波长和/或衍射补偿道的光栅常数，第一衍射级S1的光束朝着补偿道和测量道的共同中心的方向(特别地，与补偿道和测量道的切向偏心无关地)偏转。借助于包括镜30和可选的另外的光学元件的光学偏转装置，第一衍射级S1的光束被偏转和引导至(可选地偏心的)测量道。测量道的扫描区域由第一衍射级的偏转光束S2(或至少由第一衍射级的一部分偏转光束)来照明。由于第一衍射级的偏转光束S2，产生了照明点BM，通过该照明点BM，偏心的测量道22’或偏心的测量道22’的扫描区域被照明。
由于与编码盘20的位移平行的在切向上的相对于光源的机械章动，测量道上的照明或照明点BM通过编码盘20的(因此也是两个道共同的轴线的)位移而移动。然而，不管编码盘20的章动，测量道22总是在大致相同的切向位置被照明。潜在的角度测量误差可以因此而以光学手段被补偿，使得正确的角度可以被读取。
可以以如下方式构造偏转：使得从补偿道24或24’至测量道22或22’的光路长度与从补偿道到补偿道的旋转轴线的光路长度对应。这样的结果是测量道22的照明总是发生在测量道22的旋转轴线的切向水平面。
由测量道22衍射的光束由具有一个或多个光检测器的检测装置(图1中未示出)感测或检测。
图2示出根据本发明的示例的旋转角度传感器或旋转编码器100的示意图。旋转编码器100包括具有恒定厚度的盘状的圆形的编码盘20。编码盘20安装于轴40。编码盘20可以可旋转地安装于壳体(在附图中未示出)中。
编码盘20可以是例如玻璃盘或塑料盘等透明的盘。编码盘在轴向“z”上的厚度D可以是例如大约0.5mm至大约3mm。
圆形的或环形的衍射补偿道24和圆形的或环形的衍射测量道22被应用或设置于编码盘20的一个表面26上。补偿道24和测量道22分别被布置在编码盘20的不同的半径区域。在图2示出的示例中，补偿道24的半径小于测量道22的半径。
补偿道24可以形成为反射型折射光栅(反射光栅)。测量道22可以形成为反射型光栅结构。然而，同样可以将补偿道24和测量道22形成为透射光栅或透射型光栅结构。下面结合图3a到图3c更加详细地说明根据一个实施方式的测量道22和补偿道24的结构。
旋转编码器100还具有带有光源50的照明装置。一个或多个激光二极管或发光二极管、或另一个相干光或非相干光的光源可以用作光源50。从光源发射的照明光可以借助于准直仪(图2中未示出)被准直，和/或借助于一个或多个透镜和可选地另外的光学元件(图2中未示出)聚焦或集中于补偿道24。
编码盘20的补偿道24通过沿法线方向或沿轴向“z”的照明光束S0被照明。入射到补偿道24的照明光(读取光)S0由衍射补偿道24衍射。通过适当选择照明光的波长和/或衍射补偿道24的光栅常数，第一衍射级S1的光束朝补偿道24和测量道22的共同中心的方向偏转。借助于包括第一镜32和第二镜34以及可选地另外的光学元件的光学偏转装置，补偿道的第一衍射级S1的光束被偏转和聚焦到测量道。可以以如下方式构造偏转：使得从补偿道24到测量道22的光路长度与从补偿道24到补偿道24的旋转轴线的光路长度对应。这样的结果是测量道22的照明S2总是发生在测量道22的旋转轴线的切向水平面。由测量道衍射的光束S3(即，测量光束)由具有一个或多个光检测器的检测装置60感测或检测。
图3示出测量道和补偿道的结构和配置的示意性图示和根据实施方式的编码盘的图示，其中图3a示出俯视的编码盘的局部剖视图；图3b示出测量道的放大局部剖视图；图3c示出补偿道的放大局部剖视图。
如结合图1和图2已说明的，编码盘具有布置于编码盘的不同半径区域的圆形的或环形的补偿道24和圆形的或环形的测量道22。在一个示例中，补偿道的半径大约等于8mm，测量道的半径大约等于13mm。补偿道的宽度可以是大约2mm，测量道的宽度可以是大约1mm。
测量道22可以以适当的方式(例如本来已知的方式)被(微小地)构造，使得由测量道22反射的单束或多束光束的(或经过测量道和/或由测量道衍射的单束或多束光束的)一个或多个光学参数(例如，强度、相位等)被调制为测量角度的函数。角度信息可以从借助于信号估值装置检测到的信号而获得。
测量道22可以包括一个或多个衍射光栅(例如，反射光栅或透射光栅)。图3c中示出的测量道被设计成包括四种不同衍射的嵌套(nested)衍射光栅(在具体的示例中为反射光栅)221、222、223、224的环形式样或环形光栅结构。各衍射光栅均被非结构化区域225分隔。如果包括具有光栅结构和不具有光栅结构的交替区域的结构移动通过照明点(例如，通过激光二极管或发光二极管或另一相干照明光的光源的聚焦的衍射受限点)，在各情况下调制信号在各个衍射光栅的第一衍射级的位置处产生。通过适当选择不同的衍射光栅，四种衍射光栅的第一衍射级在空间上被彼此分开。特别地，这可以通过各个衍射光栅的不同的角度配置而实现。例如每旋转一次，另外的光检测器的零位调整用的基准信号可以经由第五个衍射光栅226产生。
测量道的各个衍射光栅的第一衍射级的光束可以例如由光检测器来检测。因此，例如在各种情况下一个光检测器均可以被分配给各衍射光栅的第一衍射级。可选地，通过在测量道上衍射而产生的测量光束可以由(一维的或二维的)光检测器阵列来感测或检测。
第一衍射光栅221可以例如被设计成产生负的正弦信号。通过使用第二嵌套光栅结构或第二衍射光栅222，对于方向检测，余弦信号在第一衍射级的位置处产生并且可以借助于第二光检测器检测。
为了增大工作时输出信号的稳定性，可以设置全部四种衍射光栅。第三衍射光栅可以例如以使得在第三光检测器中产生负的正弦信号的方式被设计，并且第四衍射光栅224可以例如被设计成产生负的余弦信号。因此，可以在全部四个光检测器(例如四个光电二极管)中实现四相位的计算。
测量道的各衍射光栅的光栅常数可以是例如1.6μm，各衍射光栅之间的距离可以是例如大约10μm。用作盘的注塑压缩成型结构的材料可以是例如PC。
如图3c所示，衍射补偿道可以被设计成反射光栅。光栅常数可以被适当地固定为用于照明的光的函数，使得第N(例如第一)衍射级的光束朝补偿道和测量道的共同中心的方向偏转。然而，补偿道也可以被设计成透射光栅。
补偿道的光栅常数可以是例如大约1μm。用作盘的注塑压缩成型结构的材料可以是例如PC。
上面已说明了用于具有衍射补偿道的光学旋转编码器的编码盘的示例。然而，补偿道可以具有不同的结构，例如镜结构(例如以适当的角度旋转的镜表面)或棱镜结构。
上述的旋转角度传感器或旋转编码器可以在机动车辆中的旋转机器组件、电动马达中大量应用，例如可以用于检测转向角。
附图标记说明
10   未补偿的旋转编码器的编码盘
12   测量道
12’ 偏心的测量道
20   改进的编码盘
22   测量道
22’ 偏心的测量道
22-A 测量道的局部剖面
221，222，223，224  衍射光栅
225   非结构化区域
226   零位调整用衍射光栅
24   补偿道
24’ 偏心的补偿道
24-A 补偿道的局部剖面
26   编码盘的表面
30，32，34  镜
40  轴
50  光源
60  检测装置(光检测器)
100  旋转角度传感器或旋转编码器
B  未补偿的旋转编码器的测量道的照明或照明点
BM  补偿的旋转编码器的测量道的照明或照明点
S0  测量道上的照明点
S1  第一衍射级
S2  第一衍射级的偏转光束
S3  测量光束
RM  测量光束的半径
RK  补偿道的半径
M  测量道和补偿道的中心点
M’  测量道和补偿道的偏心的中心点
W  轴的中心点
e  测量道的偏心量
Figure BDA0000142161390000231
实际角度
Figure BDA0000142161390000232
测量角度

Claims (21)

1.一种编码盘(20)，其用于光学旋转编码器，所述编码盘包括至少一个测量道(22)和至少一个补偿道(24)，其中，
所述测量道(22)被设计为使得当所述测量道(22)的扫描区域被照明时生成或产生至少一个光学测量光束(S3)，其中所述测量光束(S3)的至少一个光学参数被调制为待测量角度的函数，并且所述测量道(22)布置于所述编码盘(20)的第一半径区域；
所述补偿道在所述编码盘(20)的第二半径区域相对于所述测量道(22)居中，其中所述测量道的中心与所述补偿道(24)的中心重合。
2.根据权利要求1所述的编码盘(20)，其特征在于，所述补偿道(24)被设计为使得入射到所述补偿道的区域的光(S0)的至少一部分由所述补偿道(24)径向地朝向通过所述补偿道(24)和所述测量道(22)的共同中心的轴线的方向偏转。
3.根据权利要求1或2所述的编码盘(20)，其特征在于，所述补偿道(24)具有衍射结构。
4.根据权利要求3所述的编码盘(20)，其特征在于，
所述补偿道被设计为使得：以预定的或可调整的照明角度入射到所述补偿道(24)的区域的光(S0)以使得第N衍射级的光束(S1)在朝所述补偿道(24)和所述测量道(22)的共同中心的方向上偏转的方式分成衍射级，其中N是整数。
5.根据权利要求3所述的编码盘(20)，其特征在于，
所述补偿道被设计为使得：以预定的照明角度入射到所述补偿道(24)的区域的光(S0)以使得第N衍射级的光束(S1)相对于被照明区域的所述补偿道切向地偏转的方式被分成衍射级，其中N是整数，所述光(S0)优选地为相干光。
6.根据权利要求3至5中的任一项所述的编码盘(20)，其特征在于，所述补偿道(24)被设计为使得照明角度为大致90°和/或N等于1。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的编码盘(20)，其特征在于，所述测量道(22)是衍射的测量道(22)。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的编码盘(20)，其特征在于，所述补偿道(24)的半径小于、大于或等于所述测量道(22)的半径。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的编码盘(20)，其特征在于，所述编码盘(20)为反射型编码盘或透射型编码盘。
10.一种光学旋转编码器(100)，其包括
根据权利要求1至9中的任一项所述的编码盘(20)；
光学扫描装置或光电扫描装置，所述扫描装置被设计为照明所述编码盘(20)的测量道(22)的扫描区域，所述扫描装置包括：
照明装置(50)，其被设计为使得所述编码盘(20)的补偿道(24)的区域能够由光(S0)照明，
其中所述测量道(22)的扫描区域由光束(S2)的至少一部分照明，所述光束(S2)借助于对所述补偿道的照明而产生并可选地借助于偏转装置而偏转。
11.根据权利要求10所述的光学旋转编码器(100)，其特征在于，所述扫描装置还包括偏转装置(30；32，24)，所述偏转装置(30；32，24)被设计和布置为使得由对所述补偿道的照明而产生的至少一个光束(S1)能够被偏转到所述测量道(22)的扫描区域。
12.根据权利要求11所述的光学旋转编码器(100)，其特征在于，所述照明装置包括至少一个光源(50)，并且所述偏转装置(30；32，24)相对于所述光源(50)静止。
13.根据权利要求10至12中的任一项所述的光学旋转编码器(100)，其特征在于，所述扫描装置被设计为使得只要所述编码盘(24)的旋转角度恒定，则不管所述旋转编码器(100)的轴心线与所述补偿道(24)和所述测量道(22)的共同中心之间的偏移，所述测量道(22)总是在大致相同的切向位置被照明。
14.根据权利要求10至13中的任一项所述的光学旋转编码器(100)，其特征在于，所述扫描装置被设计为使得，
借助于对所述补偿道(24)的照明而产生的至少一个光束(S1)的方向与通过所述补偿道(24)和所述测量道(22)的共同中心的轴线具有交点；以及
所述补偿道(24)和该交点之间的距离与所述补偿道(24)和所述测量道(22)之间的光路长度对应。
15.根据权利要求10至14中的任一项所述的光学旋转编码器(100)，其特征在于，所述补偿道具有衍射结构，并且由对所述补偿道(24)的照明而产生的至少一个光束由第N衍射级的光束(S1)的至少一部分形成，所述第N衍射级由所述补偿道(24)上的衍射分出，其中N是整数。
16.根据权利要求10至15中的任一项所述的光学旋转编码器(100)，其特征在于，所述扫描装置被设计为使得从所述补偿道(24)到所述测量道(22)的光路长度与从所述补偿道(24)到所述补偿道(24)的旋转轴线的光路长度对应。
17.根据权利要求10至16中的任一项所述的光学旋转编码器(100)，其特征在于，所述光学旋转编码器(100)还包括检测装置(60)，所述检测装置(60)被设计为使得由对所述测量道(22)的照明而产生的至少一个光学测量光束(S3)的至少一部分能够被检测到。
18.根据权利要求10至17中的任一项所述的光学旋转编码器(100)，其特征在于，所述光学旋转编码器是入射光编码器或透射光编码器。
19.根据权利要求10至18中的任一项所述的光学旋转编码器(100)，其特征在于，所述光学旋转编码器是增量式旋转编码器或绝对式旋转编码器。
20.一种光学旋转编码器中的角度测量误差的补偿方法，其包括如下步骤：
-设置根据权利要求1至9中的任一项所述的编码盘(20)；
-通过以预定的照明角度入射到所述补偿道(24)的光(S0)对所述补偿道(24)的区域照明，由此产生至少一个光束(S1)；
-偏转由对所述补偿道(24)的照明而产生的光束(S1)的至少一部分，使得所述测量道(22)的扫描区域由偏转的光束(S2)的至少一部分照明。
21.根据权利要求20所述的方法，所述方法还包括检测由对所述测量道(22)的扫描区域照明而产生的至少一个测量光束(S3)的至少一部分。
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