CN103323039A - 编码器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种编码器。本发明实现了一种能够提高检测精度的可靠性并且降低设备成本的编码器。编码器（100）的光检测部（60）接收由光源（50）照射的透过旋转盘（20）以及透遮光部件（40）的葛莱码光栅（30、31）的透光部（30a、31a）的光，并作为数字数据进行检测。磁检测部（80）将设置在旋转盘（20）的旋转中心部的磁体（70）的磁栅作为数字数据进行检测。运算部（90）将磁检测部（80）的数字数据与光检测部（60）的数字数据进行比较以对检测误差进行校正。

Description

编码器
技术领域
本发明涉及一种编码器，其将旋转的测量对象的机械位移量转换为电信号并进行信号处理来测出旋转角度和转数。
背景技术
已知编码器为一种将伺服电机等旋转的测定对象的旋转角度（旋转位置）和转数进行检测的装置。
一个典型的编码器具有与旋转的测量对象的旋转轴连接的旋转盘以及隔着旋转盘相对的发光元件和光接收元件。旋转盘按照规定的规则形成有包括透光部以及遮光部的光栅（光学パターン）。
发光元件射出的光在旋转盘的光栅的遮光部被遮断，或者透过透光部由光接收元件接收。光接收元件接收光的时机，与光栅有关。因此，通过作为电信号测定该接收光的时机，可以检测旋转盘的旋转角度。
通过配置在旋转盘的一次旋转中使所呈现的光栅周期不同的多个轨道，可以提高旋转角度的检测精度。提高检测精度的轨道数增加，但同时也使旋转盘变大。在这方面，不能应付提出电机等小型化要求的产品。
因此，作为一种减少轨道数而减小旋转盘大小的技术，已经公开了一种在具有光栅的旋转盘以及旋转轴上安装磁体的编码器（例如，参照专利文献1）。该编码器通过检测磁体的磁栅（磁気パターン）以某一精度确定了旋转角度，进而与光栅组合提高了旋转角度的检测精度。
[现有技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本特开2009-294073号公报
此外，对于专利文献1的编码器，无论是光栅还是磁栅，都是作为正弦波或余弦波的模拟数据被检测。在检测数据全部为模拟数据时，所有检测数据必须进行模拟-数字转换信号处理。因此，编码器中需要设置多个光栅用以及磁栅用的独立的模拟-数字转换电路，导致增加了设备的成本。
发明内容
本发明鉴于上述情况，其目的在于提供一种能够提高检测精度的可靠性并且降低设备成本的编码器。
为了达成上述目的的编码器具有旋转盘、透遮光部件、光源、光检测部、磁体、磁检测部以及运算部。
旋转盘在径向方向上以多个形成有在旋转方向上交替地具有透光部和遮光部的葛莱码光栅（グレイコード光学パターン）。
透遮光部件形成有包括与上述旋转盘的各葛莱码光栅对峙的透光部和遮光部的光栅。
光源照射光到上述旋转盘的葛莱码光栅以及上述透遮光部件的光栅。
光检测部接收通过上述旋转盘以及上述透遮光部件的透光部的光，并输出与上述旋转盘的旋转位置对应的数字数据。
磁体设置在上述旋转盘的旋转中心部，并通过磁极的配置形成磁栅。
磁检测部检测上述磁栅并输出与上述旋转盘的旋转位置对应的数字数据。
运算部利用上述磁检测部以及上述光检测部的数字数据求出上述旋转盘的旋转角度。
[发明的效果]
通过本发明的编码器，由于运算部利用磁检测部以及光检测部的数字数据求出旋转盘的旋转角度，因此，检测精度的可靠性变高。
而且，由于将设置在旋转盘的葛莱码光栅以及二进制码磁栅作为数字数据进行检测，因此，可以显著减少模拟-数字转换电路的数量，可以降低编码器的设备成本。
附图说明
图1是表示本发明的编码器的一种实施方式的结构的概略斜视图；
图2是表示本实施方式的编码器中的旋转盘的平面图；
图3是表示本实施方式的编码器中的固定掩模（固定マスク）的平面图；
图4是表示本实施方式的运算部中的数据处理程序的方框图；
图5是表示本实施方式的运算部中的运算处理的说明图。
符号说明
10  旋转轴
20  旋转盘
21  盘表面
30、31  光栅
30a、31a  透光部
30b、31b  遮光部
40  透遮光部件（固定掩模）
50  光源
60  光检测部
70  磁体
80  磁检测部
90  运算部
100  编码器
具体实施方式
下面，参照附图，对本发明的编码器的一种实施方式进行说明。
参照图1至图3，同时说明本实施方式的编码器的结构。图1是表示本发明的编码器的一种实施方式的结构的概略斜视图。图2是表示本实施方式的编码器中的旋转盘的平面图。图3是表示本实施方式的编码器中的固定掩模的平面图。
[编码器的结构]
本实施方式的编码器100是一种透过型的编码器，从光源50照射的透过旋转盘20以及透遮光部件40的光栅30的光在光检测部60接收，作为数字数据而检出。而且，本实施方式的编码器100将设置在旋转盘20的旋转中心的磁体70的磁栅在磁检测部80作为数字数据而检测。然后，通过运算部90基于光检测部60的数字数据，对磁检测部80的数字数据进行校正，从而能够提供检测精度优秀的编码器100。
如图1所示，本实施方式的编码器100除了与旋转的测定对象（未图示）连接的旋转盘20以外，还具有透遮光部件40、光源50、光检测部60、磁体70、磁检测部80以及运算部90。
作为本实施方式的编码器100的测定对象，例如，可以举出伺服电机等能够控制旋转的电机。对于伺服电机，通过旋转角度的检测精度和分辨率来决定定位和速度等性能。因此，说是通过编码器100的性能来决定伺服系统的性能也不夸张。
旋转盘20为在测量对象的旋转轴10上以与该旋转轴10成为一体而旋转的方式进行安装的圆盘部件。该旋转盘20固定在该旋转轴10上，使得该旋转盘20的旋转中心与测定对象的旋转轴10同心，且盘表面21垂直于旋转轴10的轴向方向。
本实施方式的旋转盘20用透光部件形成，例如，可以利用透明的玻璃或聚碳酸酯那样的透明的合成树脂。
如图1和图2所示，在旋转盘20的盘表面21的边缘部分附近形成了沿该旋转盘20的旋转方向交替地配置透光部30a和遮光部30b的光栅30。光栅30的透光部30a和遮光部30b通过光吸收性或光反射性的遮光膜覆盖于用透光部件形成的旋转盘20的盘表面21而形成。即，除了形成旋转盘20的盘表面21中的透光部30a的部分之外，形成遮光部30b的部分被覆盖遮光膜。予以说明，在图2中，光栅30中的白色部分为透光部30a，透光部30a之间的黑色部分为遮光部30b。
本实施方式的光栅30为葛莱码光栅。此处葛莱码是指具有前进1步只有1位变化的性质的n位数值代码，是容易进行二进制转换的数字数据。
葛莱码光栅在旋转盘20的径向方向上遍及多个轨道35而形成。各轨道35的葛莱码光栅的一转的周期不同。本实施方式的光栅30例如可以从旋转盘20的径向方向外侧开始设定64A、64B、512A、256A、128A/转的葛莱码。光栅30并不限定于上述的64A、64B、128A、256A、512A/转，例如可以设定128A、128B、256A、512A、1024A/转等其它葛莱码光栅。
本实施方式的透遮光部件40作为设置在光源50和旋转盘20之间的固定掩模而形成。固定掩模40是矩形或扇形板部件，以掩模表面41与旋转盘20的盘表面21隔开空间而相对的形式进行设置。如图3所示，在该固定掩模40上形成了与旋转盘20的多个轨道35的各葛莱码光栅对峙的光栅31。
固定掩模40的光栅31以与上述旋转盘侧的各葛莱码光栅对应的方式而形成。相对于固定掩模40是固定的，旋转盘20与上述旋转轴10一起进行旋转运动，所以伴随该旋转盘20的旋转运动，旋转盘侧光栅30以及固定掩模侧光栅31的透光部30a、31a进行开闭。因此，后述光检测部60接收透过开闭的透光部30a、31a的光，并输出正弦波模拟数据。
该固定掩模侧的光栅31与上述旋转盘侧的光栅30相同，也交替地具有透光部31a和遮光部31b。该固定掩模40与上述旋转盘20相同，利用透明玻璃或透明的合成树脂等透光部件而形成，透光部31a和遮光部31b由在掩模表面41上覆盖遮光膜而形成。
光源50和光检测部60隔着旋转盘20以及固定掩模40以相对的方向设置。
光源50照射光到固定掩模40的光栅31以及旋转盘20的光栅30。作为光源50，例如可以利用发光二极管（LED）或激光二极管（LD）等发光元件。为了以精确的精度进行光栅30、31的检测，优选在光源50的照射方向的前方配置透镜51而形成平行光。
光检测部60是接收从光源50照射的通过旋转盘20以及固定掩模40的光栅30、31的透光部30a、31a的光的元件。该光检测部60将通过光栅30、31的透光部30a、31a的光的光接收时机测定为电信号，而光接收时机因光栅30、31而不同。作为光检测部60，例如可以利用光电二极管（PD）或光电IC等光接收元件。
光检测部60中设定了作为相同部件但被分开的光接收部A/B（未图示）。光检测部60在旋转盘20的旋转过程中，接收通过该旋转盘20以及固定掩模40的葛莱码光栅的透光部30a、31a的光，在本实施方式中输出64A、64B、128A、256A、512A/转的葛莱码的数字数据。
而且光检测部60在旋转盘20的旋转过程中，接收通过该旋转盘20以及固定掩模40的透光部30a、31a的光，在本实施方式中输出512A、512B/转的正弦波模拟数据。在本实施方式中，虽然输出512A、512B/转的正弦波模拟数据，但并不限于此，也可以设定输出1024A、1024B/转等其它正弦波模拟数据。
磁体70设置在上述旋转盘20的旋转中心部。该磁体70利用S磁极和N磁极构成了规定的磁栅。本实施方式的磁体70构成二进制码磁栅。
磁检测部80为读取上述磁体70的磁栅的传感器。该磁检测部80为在旋转轴10的轴向方向以与上述磁体70隔开空间相对的形式进行配置。作为磁检测部80，例如可以利用霍尔元件或磁通门传感器等磁性检测元件。磁检测部80读取上述磁栅，并输出数字数据。本实施方式的磁检测部80中，例如使用了12位/转的磁性检测元件。
运算部90为将从光检测部60以及磁检测部80输出的检测数据进行处理的运算处理设备。因此，运算部90被电连接到光检测部60以及磁检测部80。光检测部60的模拟数据输出部，通过未图示的模拟-数字转换电路，被电连接到运算部90。
运算部90设置了用于葛莱码光栅的数字数据的运算处理的第一电子计数器91和用于磁栅的数字数据的运算处理的第二电子计数器92（参照后述图4）。该运算部90通过对光检测部60以及磁检测部80的检测数据进行运算处理，求出旋转盘20的旋转角度以及转数，得到测定对象的旋转角度以及转数。
即，运算部90基于从光检测部60输出的葛莱码的数字数据，对从磁检测部80输出的二进制码的数字数据进行校正。而且运算部90参照从光检测部60输出的正弦波模拟数据，对从该光检测部60输出的葛莱码的数字数据的检测误差进行校正，求出旋转盘20的旋转角度。
运算部90基于512A、512B/转的正弦波模拟数据进行进位或减位判定，求出所述旋转盘20的转数，但也可以通过对磁检测部80的1次旋转数据进行计数来求出旋转盘20的转数。予以说明，关于运算部90的数据处理的详细说明，以后叙述。
[编码器的操作]
再次参照图1，对本实施方式的编码器100的操作进行说明。
伺服电机等测量对象一旦旋转，则旋转盘20与其旋转轴10一起也旋转。然后，来自光源50的平行光照射到固定掩模40以及旋转盘20。从光源50照射的通过固定掩模40的光栅31以及旋转盘20的光栅30的透光部30a、31a的光，被光检测部60所接收。
光检测部60接收所照射的通过固定掩模40以及旋转盘20的葛莱码光栅的透光部30a、31a的光，输出葛莱码的数字数据。同时，光检测部60接收所照射的通过固定掩模40以及旋转盘20的透光部30a、31a的光，输出正弦波的模拟数据。
而且，测定对象的旋转一旦开始，则磁检测部80读取设置在旋转盘20的旋转中心部的磁体70的磁栅，输出二进制码的数字数据。
运算部90对从光检测部60以及磁检测部80输出的检测数据进行运算处理，求出旋转盘20的旋转角度以及转数，得到测定对象10的旋转角度以及转数。
在此参照图4，对关于上述运算部90的运算处理程序进行说明。图4是表示本实施方式的运算部中的数据处理程序的方框图。
运算部90通过对磁检测部80的1次旋转数据进行计数，可以求出旋转盘20的转数。
如图4所示，运算部90算出磁检测部80的数字数据（S201）。在起动时，磁检测部80的算出数据的初始值（仅起动时）被设置在第二电子计数器92中，第二电子计数器92保持该初始值（S202）。
然后运算部90通过将第二转之后的磁检测部80的算出数据与第二电子计数器92的值进行比较，检测是否存在异常（S203）。
而且运算部90算出光检测部60的葛莱码·数字数据（S301）。起动时，光检测部60的葛莱码算出数据的初始值（仅起动时）被设置在第一电子计数器91中，第一电子计数器91保持该初始值（S302）。
然后运算部90通过将旋转盘20的旋转过程中的光检测部60的葛莱码算出数据与第一电子计数器91的值进行比较，检测是否存在异常（S303）。
在旋转盘20的旋转过程中，运算部90算出光检测部60的正弦波模拟数据A/B（S401）。运算部90将正弦波模拟数据A/B中的先前数据和当前数据进行比较（S402），进行进位判定或减位判定（S403）。将该判定结果输入至第一电子计数器91（S404）。
运算部90将第一电子计数器91中的先前数据和当前数据进行比较（S405），进行进位判定或减位判定（S406）。将该判定结果输入至上述第二电子计数器92（S407）。
运算部90通过基于正弦波模拟数据A/B进行进位判定或减位判定，能够求出旋转盘20的转数。予以说明，运算部90也可通过对磁检测部80的1次旋转数据进行计数而求出旋转盘20的转数。
然后，进行与上述S203说明的相同的处理（S408）。
接着参照图5，对上述运算部90中的运算处理进行说明。图5是表示本实施方式的运算部中的运算处理的说明图。
如图1、图4以及图5所示，首先在起动时，将通过由正弦波模拟数据A/B算出的数字数据进行校正的光检测部60的葛莱码·数字数据的128～512分割/转的区域设定为第一电子计数器91的初始值。而且，通过校正后的光检测部60的葛莱码·数字数据进行校正的磁检测部80的数字数据的2～64分割/转的区域设定为第二电子计数器92的初始值。
通常时，首先在1024分割/转以上的区域中，运算部90将正弦波模拟数据A/B中的先前数据和当前数据进行比较，在有进位/减位的情况下，则更新第一电子计数器91和第二电子计数器92的值。
接着，在128～512分割/转的区域中，运算部90将光检测部60的葛莱码·数字数据与第一电子计数器91的值进行比较。即，将光检测部60的葛莱码·数字数据与第一电子计数器91的值进行比较，检测是否存在异常，如果存在异常则将该信息向外部输出。
其后，在2～64分割/转的区域中，运算部90将磁检测部80的数字数据与第二电子计数器92的值进行比较。即，将磁检测部80的数字数据与第二电子计数器92的值进行比较，检测是否存在异常，如果存在异常则将该信息向外部输出。
如上所述，本实施方式的编码器100基本利用从光检测部60以及磁检测部80输出的葛莱码以及二进制码的数字数据，求出旋转盘20的旋转角度（绝对角度）。从光检测部60输出的正弦波模拟信号是为了提高旋转角度的检测精度而参考的。因此，对于葛莱码以及二进制码的数字数据，模拟-数字转换电路不是必要的，从而能够降低编码器100的设备成本。
而且本实施方式的编码器100将从磁检测部80输出的二进制码的数字数据与从光检测部60输出的正弦波模拟数据以及葛莱码的数字数据进行比较，对旋转盘的旋转角度的检测误差进行校正。因此通过本实施方式，可实现检测精度可靠性很高的绝对式编码器100。
上面说明了本发明的优选实施方式，但这些只是作为说明本发明的例示，本发明的范围并不仅限于这些实施方式。本发明可以在不脱离其要旨的范围内，实行与上述实施方式不同的各种形式。
例如，在上述实施方式中，透遮光部件40以固定掩模而形成，配置在旋转盘20的光源50侧，但也可以在旋转盘20的光检测部60侧配置固定掩模。进而透遮光部件40也可以内置在光检测部60中，与该光检测部60一体地形成。

Claims (9)

1.一种编码器，具有：
旋转盘，其在径向方向上形成有多个在旋转方向上交替地具有透光部和遮光部的葛莱码光栅；
透遮光部件，其形成有包括与所述旋转盘的各葛莱码光栅对峙的透光部和遮光部的光栅；
光源，其将光照射到所述旋转盘的葛莱码光栅以及所述透遮光部件的光栅；
光检测部，其接收通过所述旋转盘以及所述透遮光部件的透光部的光，并输出与所述旋转盘的旋转位置相对应的数字数据；
磁体，其设置在所述旋转盘的旋转中心部，并通过磁极的配置形成磁栅；
磁检测部，其检测所述磁栅并输出与所述旋转盘的旋转位置相对应的数字数据；以及
运算部，其利用所述磁检测部的数字数据以及所述光检测部的数字数据求出所述旋转盘的旋转角度。
2.如权利要求1所述的编码器，其中，
所述透遮光部件为与所述旋转盘的盘表面空出间隔而相对的固定掩模。
3.如权利要求1所述的编码器，其中，
所述透遮光部件与所述光检测部一体地形成。
4.如权利要求1至3中任一项所述的编码器，其中，
所述运算部基于所述光检测部的数字数据对所述磁检测部的数字数据进行校正。
5.如权利要求1至3中任一项所述的编码器，其中，
所述光检测部具有被分开的光接收部，各个光接收部在所述旋转盘的一次旋转中输出周期不同的多位/转的葛莱码数字数据，
所述磁检测部输出数字数据。
6.如权利要求5所述的编码器，其中，
所述运算部将所述光检测部的数字数据与所述磁检测部的数字数据进行比较，并对所述光检测部的数字数据进行校正。
7.如权利要求1至3中任一项所述的编码器，其中，
所述运算部通过对所述磁检测部的1次旋转数据进行计数而求出所述旋转盘的转数。
8.如权利要求1至3中任一项所述的编码器，其中，
所述光检测部在所述旋转盘的旋转过程中接收通过该旋转盘以及所述透遮光部件的透光部的光以输出正弦波的模拟数据，
所述运算部参照从所述光检测部输出的模拟数据对检测误差进行校正，从而求出所述旋转盘的旋转角度。
9.如权利要求8所述的编码器，其中，
所述运算部基于正弦波模拟数据进行进位判定或减位判定，从而求出所述旋转盘的转数。
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