CN104006833A - 码盘、旋转编码器、编码方法及带有该编码器的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种码盘、旋转编码器、编码方法及带有该编码器的设备。码盘包括第一码道族，所述第一码道族包括多条第一码道。每一条第一码道包含多条由靠近码盘的圆心方向至远离码盘的圆心方向平行排列的码线。每一条第一码道中，圆心与第一码线之间的第一连接线与圆心与最末码线之间的第二连接线之间的夹角为一大于零度的第一预设值。其中，第一码线为每一条第一码道中距离圆心最近的码线，最末码线为每一条第一码道中距离圆心最远的码线。采用本发明的码盘、旋转编码器、编码方法及带有该编码器的设备，可以在相同码盘半径和刻画工艺条件下，提高角度物理分辨率，从而提高旋转编码器精度。

Description

码盘、旋转编码器、编码方法及带有该编码器的设备

技术领域

本发明涉及一种旋转检测技术，特别是一种码盘、旋转编码器、编码方法及带有该编码器的设备。

背景技术

所谓编码器即是将某种物理量转换为数字格式的装置。运动控制系统中的编码器的作用是将位置和角度等参数转换为数字量。可采用电接触、磁效应、电容效应和光电转换等机理，形成各种类型的编码器。运动控制系统中最常见的编码器是光电编码器。

光电编码器根据其用途的不同分为旋转光电编码器和直线光电编码器，分别用于测量旋转角度和直线尺寸。光电编码器的关键部件是光电编码装置，在旋转光电编码器中是圆形的码盘(codewheel或codedisk)，而在直线光电编码器中则是直尺形的码尺(codestrip)。码盘和码尺根据用途和成本的需要，可由金属、玻璃和聚合物等材料制作，其原理都是在运动过程中产生代表运动位置的数字化的光学信号。

现有的增量式旋转编码器的编码方式多为在码盘圆周方向放置明暗相间的条纹。这种编码方式在码盘半径和刻画工艺限制下，角度物理分辨率的提高受到限制，给旋转编码器精度提高带来困难。

发明内容

在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

本发明的一个主要目的在于提供一种码盘、旋转编码器、编码方法及带有该编码器的设备，与传统编码方式相比，在相同码盘半径和刻画工艺条件下，能提高角度物理分辨率，从而提高旋转编码器精度。

根据本发明的第一方面，一种码盘，所述码盘为环形，包括第一码道族，所述第一码道族包括多条第一码道：

每一条所述第一码道包含多条由靠近所述码盘的圆心方向至远离所述码盘的圆心方向平行排列的码线；

每一条所述第一码道中，圆心与第一码线之间的第一连接线与圆心与最末码线之间的第二连接线之间的夹角为一大于零度的第一预设值；

其中，所述第一码线为每一条第一码道中距离圆心最近的码线，所述最末码线为每一条第一码道中距离圆心最远的码线。

根据本发明的第二方面，一种旋转编码器，包括码盘，还包括旋转轴、光源和光电转换器件，其中：

所述旋转轴与所述码盘的圆心可旋转式连接，用于使码盘绕所述旋转轴旋转；

所述光源固定在所述码盘的第一侧，用于产生第一光；

所述光电转换器件固定在与所述第一侧不同的第二侧，用于接收由光源发出的、通过所述码盘的第二光，并将所述第二光转换为相应的电信号。

本发明的第三方面提供了一种包含旋转编码器的设备。

根据本发明的第四方面，一种编码方法，包括：

在环形码盘上设置第一码道族，所述第一码道族包括多条第一码道；

每一条所述第一码道包含多条由靠近所述码盘的圆心方向至远离所述码盘的圆心方向平行排列的码线；

每一条所述第一码道中，圆心与第一码线之间的第一连接线与圆心与最末码线之间的第二连接线之间的夹角为一大于零度的第一预设值；

其中，所述第一码线为每一条第一码道中距离圆心最近的码线，所述最末码线为每一条第一码道中距离圆心最远的码线。

采用本发明的码盘、旋转编码器、编码方法及带有该编码器的设备，可以在相同码盘半径和刻画工艺条件下，提高角度物理分辨率，从而提高旋转编码器精度。

附图说明

参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。

图1为现有技术中的码盘的结构图；

图2为图1的局部放大图；

图3为本发明的码盘的第一实施方式的结构图；

图4为本发明的码盘的第二实施方式的结构图；

图5~图8为图4的局部放大图；

图9为本发明的旋转编码器的一种实施方式的结构图；

图10为本发明的旋转编码器以线阵CCD作为光电转换器件时的一种实施方式的结构图；

图11为图10的线阵CCD的输出波形；

图12~图14，为本发明的采用如图4所示的第二种实施方式的码盘的旋转编码器的一种实施方式的工作原理示意图。

具体实施方式

下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。

如图1所示，为现有技术中的码盘的结构图。其码道沿圆周方向，码道由等宽度的明暗相间的条纹构成。

结合图1和图2，假设码盘内半径a=15mm，外半径b=23mm，假设明暗条纹宽度c=0.4mm，如图4所示。采用传统编码方式，码道内共有2×π×b/c=361条码线，每条码线代表的物理角度为360°×3600″/361=3590″。

参见图3所示，为本发明的码盘的第一实施方式的结构图。

在本实施方式中，码盘2为环形，包括第一码道族。第一码道族又包括多条第一码道10。

每一条第一码道10包含多条由靠近码盘的圆心方向至远离码盘的圆心方向平行排列的码线，相邻码线之间的间距可以相等也可以不相等。在一种实施方式中，每条码线均包含沿码盘的径向方向排列的一条明条纹和一条暗条纹。明条纹和暗条纹的宽度可以相同或者不同。

每一条第一码道10中，圆心O与第一码线之间的第一连接线与圆心与最末码线之间的第二连接线之间的夹角a为一大于零度的第一预设值。

其中，第一码线为每一条第一码道中距离圆心O最近的码线，最末码线为每一条第一码道中距离圆心O最远的码线。

假设与现有技术的码盘类似，码盘内半径a=15mm，外半径b=23mm，采用本实施方式的码线排列，假设每一条第一码道中包含19条码线，且码盘内包括36条第一码道，那么，每条码线所代表的物理角度为360°×3600″/(19×36)=1894.7″，远远小于现有技术中每条码线所代表的物理角度（3590″）。

因此，采用本实施方式的码盘，可以提高角度物理分辨率，从而提高旋转编码器精度。

本实施方式的码盘适用于增量式旋转编码器。

码盘中的每一条第一码道的包络线可以为直线或曲线。

参见图4所示，为本发明的码盘的第二实施方式的结构图。

在该实施方式中，码盘除了包含与第一实施方式的码盘相同的第一码道族之外，还包括第二码道族。第二码道族又进一步包括第一码线组30和第二码线组40。

第一码线组30和第二码线2组均由多条离散的半径逐渐递增的同心圆弧码线组成。

第一码线组30中半径最大的同心圆弧码线的半径小于第二码线组40中半径最小的同心圆弧码线的半径。

第一码线组30中相邻的两条同心圆弧码线的半径差为第二预设值，第二码线组40中相邻的两条同心圆弧码线的半径差为第三预设值。其中，第二预设值与第三预设值可以相同也可以不同。

第一码道族中每两条相邻的第一码道之间均设有一条第一码线组的同心圆弧码线和第二码线组的同心圆弧码线。在一种实施方式中，第一码线组和第二码线组中的每条同心圆弧码线均包含具有相同半径的明条纹和暗条纹。该明条纹和暗条纹的圆弧长度可以设置为相同或者不同。

该实施方式中的码盘，适用于绝对式旋转编码器。

本发明的实施方式中的码盘由于充分利用了码盘的径向空间，使得码盘上可以有更多的码线，因而提高了角度物理分辨率，并提高了旋转编码器的精度。

参见图5~图8所示，为图4的局部放大图。第一码线组30和第二码线组40均把圆周N等份，以图4为例，第一码线组30和第二码线组40把圆周等分为36份，每份对应10°。由于所有圆弧码线与中心点O的距离不同，一条第一码线组的圆弧码线配合一条对应的第二码线组的元呼玛县唯一确定一个绝对角度范围，如图6所示，第一码线组的圆弧码线5和第二码线组的圆弧码线4唯一确定了N×10°:(N+1)×10°（N=0,1,2，…35）的绝对角度范围。第一码道族中的第一码道数量与第一码线组以及第二码线组中的圆弧码线数量相同，此处，第一码道数量、第一码线组中圆弧码线数量和第二码线组中圆弧码线数量均为36。

如图6所示，通过O的斜线6把第一码道族中的一条第一码道10分为两部分：左半部和右半部，第二码线组的圆弧码线4和第一码线组的圆弧码线5与斜线6有交叉。

参见图7所示，圆弧码线4与第一码道10的左半部分配合使用，圆弧码线5与第一码道1的右半部分配合使用，由于圆弧码线4和圆弧码线5已经确定了绝对角度范围，第一码道10的作用是对绝对角度进行细分，精确求出绝对角度范围内的相对角度。

结合图6和图7中通过圆心O的斜线8可以看出，第一码线组中的圆弧码线3和第二码线组中的圆弧码线4在同一径向方向有重叠的部分。

如图8所示，假设圆弧码线4和圆弧码线5与圆心O的距离L1和L3已唯一确定了绝对角度为20°～30°，第一码道1的作用就是根据其上不同点与圆心O距离L2不同，精确求出10°范围以内的角度。举例来说，如果根据第一码道10与圆心的距离L3求出的角度为3.2154°，则圆弧码线5和第一码道10对应的角度为20°+3.2154°=23.2154°，如果第一码道10求出的角度为7.3638°，则圆弧4与第一码道10对应的角度为20°+7.3638°=27.3638°。

参见图9所示，为本发明的旋转编码器的一种实施方式的结构图。

在本实施方式中，旋转编码器，包括码盘2，还包括旋转轴4、光源3和光电转换器件1。

旋转轴4与码盘2的圆心可旋转式连接，用于使码盘2绕旋转轴4旋转。

光源3固定在码盘2的第一侧，用于产生第一光。

光电转换器件1固定在与第一侧不同的第二侧，用于接收由光源3发出的、通过码盘2的第二光，并将第二光转换为相应的电信号。

作为一种优选方案，旋转编码器还可以包括壳体5。

在一种实施方式中，壳体5可以用于固定旋转轴4、光源3和光电转换器件1。

以线阵CCD作为光电转换器件为例。码盘、旋转轴、线阵CCD相对位置关系如图10所示。线阵CCD1的第一端（例如，首端）朝向圆心O，第二端（例如，尾端）远离圆心O。线阵CCD1的第一端可以是其首端或者尾端，第二端可以是其尾端或首端。

当线阵CCD1的首端朝向圆心O，尾端远离圆心O时，如果旋转轴4带动码盘2顺时针旋转，CCD上图像将从首端向尾端移动，如果旋转轴4带动码盘逆时针旋转，CCD上图像将从尾端向首端移动，并且可以通过对线阵CCD1上移动过的脉冲数量计算转动角度。码盘2旋转过程中，线阵CCD1上成像如图11所示，图中所示的脉冲为明条纹所成图像，线阵CCD1上可能同时成几个明条纹的像，可以取中间一个脉冲作为有效脉冲，也可以取几个脉冲的平均脉冲值为有效脉冲。以圆周方向放置36条径向码道，单条径向码道内有19条码线的码盘为例，线阵CCD上有N个脉冲移过，则轴对应转动角度为N*1894.7″。

参见图12-图14所示，为本发明的采用如图4所示的第二种实施方式的码盘的旋转编码器的工作原理示意图。

图12是线阵CCD1与码盘初始位置关系图，CCD有效像元11位于码盘0°线处，第二码道族中的第一码线组的圆弧码线3和第二码道族中的第二码线组的圆弧码线4到码盘圆心O的距离分别为L1和L2，第一码道族中的其中一条第一码道10的0°～10°线与CCD有效象元11交于A点，第二码道族中的第一码线组的圆弧码线4与CCD有效象元11交于B点，此时的绝对角度由B点到码盘圆心O的距离L2唯一确定，相对角度由A点到码盘中心点O的距离唯一确定。

图13是码盘绕圆心O顺时针旋转了Φ角后，码盘上各码线与线阵CCD1相对位置关系图。线阵CCD1与码盘圆心O相对位置关系固定不变，此时第一码道10与线阵CCD的有效像元11交点A与码盘圆心O的距离与图12相比已发生变化，但第二码道族中的第二码线组的圆弧码线4与线阵CCD的有效像元11的交点B到码盘圆心O的距离仍然为L2。L2确定绝对角度，相对角度由A点到O点距离唯一确定。

图14为码盘绕圆心O顺时针旋转了θ角后，码盘上各码线与线阵CCD1相对位置关系图。此时第一码道10与线阵CCD的有效像元11的交点A与码盘圆心O的距离与图11相比又已发生变化，但此时的绝对角度由第二码道族中的第一码线组的圆弧码线3与线阵CCD的有效像元11交点C到码盘圆心O的距离L1确定，相对角度仍然由A点到O点距离确定。

第二码道族中的第一码线组的圆弧码线3和第二码道族中的第二码线组的圆弧码线4分别在第一码道10的一段区间范围内确定绝对角度，对于同一条第一码道10，第二码道族中的第一码线组的圆弧码线3和第二码道族中的第二码线组的圆弧码线4确定相同的绝对角度。

码盘旋转过程中，如图7所示，由于第一码线组中的圆弧码线3和第二码线组中的圆弧码线4在同一径向方向有重叠的部分，在二者有重叠的角度范围内，绝对角度由第一码线组中的圆弧码线3或第二码线组中的圆弧码线4确定均可。

本发明还公开一种带有如上所述的旋转编码器的设备。

此外，本发明还公开一种编码方法，包括：

在环形码盘上设置第一码道族，第一码道族包括多条第一码道。

每一条第一码道包含多条由靠近码盘的圆心方向至远离码盘的圆心方向平行排列的码线，相邻码线之间的间距可以相等或者不相等。

每一条第一码道中，圆心与第一码线之间的第一连接线与圆心与最末码线之间的第二连接线之间的夹角为一大于零度的第一预设值；其中，第一码线为每一条第一码道中距离圆心最近的码线，最末码线为每一条第一码道中距离圆心最远的码线。

在该编码方法中，每一条第一码道的包络线可以为直线或曲线。

采用本实施方式的编码方法所制作的码盘，可以用在增量式旋转编码器上。

作为一种优选方案，编码方法还可以包括：

在环形码盘上设置第二码道族，第二码道族包括第一码线组和第二码线组。

第一码线组和第二码线组均由多条离散的半径逐渐递增的同心圆弧码线组成。第一码线组中半径最大的同心圆弧码线的半径小于第二码线组中半径最小的同心圆弧码线的半径。

第一码线组中相邻的两条同心圆弧码线的半径差为第二预设值，第二码线组中相邻的两条同心圆弧码线的半径差为第三预设值。

第一码道族中每两条相邻的第一码道之间均设有一条第一码线组的同心圆弧码线和第二码线组的同心圆弧码线。

采用本实施方式的编码方法所制作的码盘，可以用在绝对式旋转编码器上。

采用本发明的码盘、旋转编码器、编码方法及带有该编码器的设备，可以在相同码盘半径和刻画工艺条件下，提高角度物理分辨率，从而提高旋转编码器精度。

上面对本发明的一些实施方式进行了详细的描述。如本领域的普通技术人员所能理解的，本发明的方法和装置的全部或者任何步骤或者部件，可以在任何计算设备（包括处理器、存储介质等）或者计算设备的网络中，以硬件、固件、软件或者它们的组合加以实现，这是本领域普通技术人员在了解本发明的内容的情况下运用他们的基本编程技能就能实现的，因此不需在此具体说明。

此外，显而易见的是，在上面的说明中涉及到可能的外部操作的时候，无疑要使用与任何计算设备相连的任何显示设备和任何输入设备、相应的接口和控制程序。总而言之，计算机、计算机系统或者计算机网络中的相关硬件、软件和实现本发明的前述方法中的各种操作的硬件、固件、软件或者它们的组合，即构成本发明的设备及其各组成部件。

因此，基于上述理解，本发明的目的还可以通过在任何信息处理设备上运行一个程序或者一组程序来实现。所述信息处理设备可以是公知的通用设备。因此，本发明的目的也可以仅仅通过提供包含实现所述方法或者设备的程序代码的程序产品来实现。也就是说，这样的程序产品也构成本发明，并且存储或者传输这样的程序产品的介质也构成本发明。显然，所述存储或者传输介质可以是本领域技术人员已知的，或者将来所开发出来的任何类型的存储或者传输介质，因此也没有必要在此对各种存储或者传输介质一一列举。

在本发明的设备和方法中，显然，各部件或各步骤是可以分解、组合和/或分解后重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。还需要指出的是，执行上述系列处理的步骤可以自然地按照说明的顺序按时间顺序执行，但是并不需要一定按照时间顺序执行。某些步骤可以并行或彼此独立地执行。同时，在上面对本发明具体实施例的描述中，针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (10)

1.一种码盘，所述码盘为环形，包括第一码道族，所述第一码道族包括多条第一码道，其特征在于：

每一条所述第一码道包含多条由靠近所述码盘的圆心方向至远离所述码盘的圆心方向平行排列的码线；

每一条所述第一码道中，圆心与第一码线之间的第一连接线与圆心与最末码线之间的第二连接线之间的夹角为一大于零度的第一预设值；

其中，所述第一码线为每一条第一码道中距离圆心最近的码线，所述最末码线为每一条第一码道中距离圆心最远的码线。

2.根据权利要求1所述的码盘，其特征在于，每一条所述第一码道的包络线为直线或曲线。

3.根据权利要求1或2所述的码盘，其特征在于，还包括第二码道族，所述第二码道族包括第一码线组和第二码线组；

第一码线组和第二码线组均由多条离散的半径逐渐递增的同心圆弧码线组成；

所述第一码线组中半径最大的同心圆弧码线的半径小于所述第二码线组中半径最小的同心圆弧码线的半径；

所述第一码线组中相邻的两条同心圆弧码线的半径差为第二预设值，所述第二码线组中相邻的两条同心圆弧码线的半径差为第三预设值；

所述第一码道族中每两条相邻的第一码道之间均设有一条所述第一码线组的同心圆弧码线和所述第二码线组的同心圆弧码线。

4.一种旋转编码器，包括如权利要求1-3任意一项所述的码盘，其特征在于，还包括旋转轴、光源和光电转换器件，其中：

所述旋转轴与所述码盘的圆心可旋转式连接，用于使码盘绕所述旋转轴旋转；

所述光源固定在所述码盘的第一侧，用于产生第一光；

所述光电转换器件固定在与所述第一侧不同的第二侧，用于接收由光源发出的、通过所述码盘的第二光，并将所述第二光转换为相应的电信号。

5.根据权利要求4所述的旋转编码器，其特征在于，还包括壳体；

所述壳体用于固定所述旋转轴、光源和光电转换器件。

6.根据权利要求4或5所述的旋转编码器，其特征在于，所述光电转换器件为线阵CCD；

所述线阵CCD的第一端端靠近所述码盘的圆心，所述线阵CCD的第二端端远离所述码盘的圆心。

7.一种具有如权利要求4-6任意一项所述的旋转编码器的设备。

8.一种编码方法，其特征在于，包括：

在环形码盘上设置第一码道族，所述第一码道族包括多条第一码道；

每一条所述第一码道包含多条由靠近所述码盘的圆心方向至远离所述码盘的圆心方向平行排列的码线；

每一条所述第一码道中，圆心与第一码线之间的第一连接线与圆心与最末码线之间的第二连接线之间的夹角为一大于零度的第一预设值；

其中，所述第一码线为每一条第一码道中距离圆心最近的码线，所述最末码线为每一条第一码道中距离圆心最远的码线。

9.根据权利要求8所述的编码方法，其特征在于，每一条所述第一码道的包络线为直线或曲线。

10.根据权利要求8或9所述的编码方法，其特征在于，还包括：

在环形码盘上设置第二码道族，所述第二码道族包括第一码线组和第二码线组；

第一码线组和第二码线组均由多条离散的半径逐渐递增的同心圆弧码线组成；

所述第一码线组中半径最大的同心圆弧码线的半径小于所述第二码线组中半径最小的同心圆弧码线的半径；

所述第一码线组中相邻的两条同心圆弧码线的半径差为第二预设值，所述第二码线组中相邻的两条同心圆弧码线的半径差为第三预设值；

所述第一码道族中每两条相邻的第一码道之间均设有一条所述第一码线组的同心圆弧码线和所述第二码线组的同心圆弧码线。