CN106248117B - 定光栅和光电编码器 - Google Patents

定光栅和光电编码器 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种定光栅和光电编码器，定光栅包括设置在预设区域内的第二增量码道，所述预设区域对应于所述第一增量码道，与所述第一增量码道的宽度相等，所述第二增量码道是在宽度方向按照预设数目层均分的阶梯形码道，所述阶梯形码道的左右间距等于所述第一增量码道的长度，同一个所述阶梯形码道中任意两个相邻层在左右方向的偏移量为预设偏移量，每一层的长度为所述预设数目加1之后与所述预设偏移量的积，所述预设偏移量等于所述第一增量码道的长度除以2倍的所述预设数目得到的商。本发明提供的技术方案，能够有利于对源信号进行高精度的细分，从而有利于光电编码器同时满足高分辨率及尺寸小的要求。

Description

定光栅和光电编码器
技术领域
本发明涉及工业控制和自动化技术领域，尤其涉及一种定光栅和光电编码器。
背景技术
光电编码器是一种集光学、机械、电气于一体的测角设备，通过机械结构和信号处理电路将光学信号转换成电信号，从而实现对角位移、速度和位置等多种物理量的直接或间接测量。
在绝对式光电编码器中，通过动光栅的绝对编码可实现一圈中每一个设定角度的编码都是唯一的。为了使光电编码器同时满足高分辨率及尺寸小的要求，需要通过电子细分的方式对采集到的信号进行处理，而电子细分中需要用到的源信号是电子细分的基石。其中，源信号的产生取决于定光栅的结构设计。
目前的技术中，定光栅的每个增量码道的设计采用长方形的结构，所产生的源信号为三角波形式，不利于高精度的细分，从而难以使光电编码器同时满足高分辨率及尺寸小的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种定光栅和光电编码器，能够有利于对源信号进行高精度的细分，从而有利于光电编码器同时满足高分辨率及尺寸小的要求。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种定光栅，应用于光电编码器，所述光电编码器包括所述定光栅和动光栅，所述动光栅包括第一增量码道，所述定光栅包括：
设置在预设区域内的第二增量码道；所述预设区域对应于所述第一增量码道，与所述第一增量码道的宽度相等，所述第二增量码道是在宽度方向按照预设数目层均分的阶梯形码道；
所述阶梯形码道的左右间距等于所述第一增量码道的长度，同一个所述阶梯形码道中任意两个相邻层在左右方向的偏移量为预设偏移量，每一层的长度为所述预设数目加1之后与所述预设偏移量的积；所述预设偏移量等于所述第一增量码道的长度除以2倍的所述预设数目得到的商。
优选的，所述预设区域内在垂直方向包括一个或者至少两个所述第二增量码道。
优选的，所述预设区域内在垂直方向包括两个所述第二增量码道，在水平方向包括至少两个所述第二增量码道；
所述第二增量码道分布在由所述预设区域的长边的中垂线和所述预设区域的宽边的中垂线相交叉分割形成的4个子预设区域内；
互成对角的两个子预设区域中，一个所述子预设区域内的每一个所述第二增量码道与另一所述子预设区域内的每一个所述第二增量码道之间水平方向的距离为(2n+1)倍的所述第一增量码道的长度，其中，n为自然数。
优选的，垂直方向相邻的两个所述子预设区域中，一个所述子预设区域内的每一个所述第二增量码道与另一所述子预设区域内的每一个所述第二增量码道之间水平方向的距离为(n+0.5)倍的所述第一增量码道的长度，其中，n为自然数。
优选的，每一个所述子预设区域内任意相邻的两个所述第二增量码道之间水平方向的距离为2n倍的所述第一增量码道的长度，其中，n为正整数。
优选的，所述第二增量码道是在宽度方向按照至少2层均分的阶梯形码道。
优选的，所述定光栅还包括：
与所述动光栅的第一绝对码道相对应的第二绝对码道。
一种光电编码器，包括：
动光栅和上述任一项所述的定光栅。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种定光栅和光电编码器。本发明提供的定光栅，应用于包括动光栅的光电编码器，所述动光栅包括第一增量码道，所述定光栅包括设置在预设区域内的第二增量码道，所述预设区域对应于所述第一增量码道，与所述第一增量码道的宽度相等，所述第二增量码道是在宽度方向按照预设数目层均分的阶梯形码道，其中，所述阶梯形码道的左右间距等于所述第一增量码道的长度，同一个所述阶梯形码道中任意两个相邻层在左右方向的偏移量为预设偏移量，每一层的长度为所述预设数目加1之后与所述预设偏移量的积；所述预设偏移量等于所述第一增量码道的长度除以2倍的所述预设数目得到的商。由于本发明提供的定光栅中第二增量码道的结构为阶梯形结构，且每一层的长度相等，从而动光栅在旋转过程中，光信号透过定光栅中所述第二增量码道能够实现先逐渐递增再逐渐递减的近似正弦信号形式的光量的输出，而现有技术中由于定光栅的增量码道采用长方形结构，其实现的为三角波形式的光量的输出，由于正弦信号明显比三角波信号更有利于高精度的细分，因此，本发明提供的技术方案，能够有利于光电编码器同时满足高分辨率及尺寸小的要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的光电编码器的动光栅的结构图；
图2为本发明实施例提供的光电编码器的动光栅的部分结构图；
图3为本发明实施例提供的一种动光栅中的增量码道的结构图；
图4为本发明实施例提供的一种定光栅的结构图；
图5为本发明实施例提供的一种定光栅中的增量码道结构图；
图6为本发明实施例提供的透过图5示出的增量码道的光量变化图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对现有技术和本发明作进一步详细的说明。
实施例
请参阅图1～图5，图1为本发明实施例提供的光电编码器的动光栅的结构图，图2为本发明实施例提供的光电编码器的动光栅的部分结构图，图3为本发明实施例提供的一种动光栅中的增量码道的结构图，图4为本发明实施例提供的一种定光栅的结构图，图5为本发明实施例提供的一种定光栅中的增量码道结构图。
请参阅图1～图5所示，本发明提供的定光栅，应用于光电编码器，所述光电编码器包括所述定光栅和动光栅，所述动光栅包括第一增量码道A(即所述动光栅中的增量码道)，如图1～图5所示，该定光栅，包括：
设置在预设区域Area内的第二增量码道B(即所述定光栅中的增量码道)；
所述预设区域Area对应于所述第一增量码道A，其宽度h1与所述第一增量码道A的宽度h2相等；
具体的，对应于附图3和附图4，上下两边之间的距离为所述宽度。
所述第二增量码道B是在宽度方向按照预设数目层均分的阶梯形码道；
所述阶梯形码道的左右间距等于所述第一增量码道A的长度a，同一个所述阶梯形码道中任意两个相邻层在左右方向的偏移量为预设偏移量，每一层的长度b为所述预设数目加1之后与所述预设偏移量的积；
也就是说，每一层的长度b是相等的。
具体的，所述预设偏移量等于所述第一增量码道A的长度除以2倍的所述预设数目得到的商。
具体的，所述阶梯形码道的左右间距是指所述阶梯形码道最左侧的竖线与最右侧的竖线之间的横向距离。
可选的，所述第二增量码道是在宽度方向按照至少2层均分的阶梯形码道。
请参阅图6，图6为本发明实施例提供的透过图5示出的增量码道的光量变化图。如图6所示，横轴表示所述动光栅旋转的角度，纵轴表示光量；其中，所述动光栅旋转的1个单位角度等于360°/(2t×y)，y等于2倍的所述预设数目；1个单位的光量是指所述动光栅旋转1个单位角度所递增或者递减的光量，具体的，所述动光栅旋转1个单位角度便是转过所述预设偏移量的距离。由图6可以确定，一个图5示出的所述第二增量码道在所述动光栅旋转过程中，光量的变化为20～0～20～0个单位光量，且近似正弦信号。
由于本发明实施例提供的定光栅中第二增量码道的结构为阶梯形结构，且每一层的长度相等，从而动光栅在旋转过程中，光信号透过定光栅中所述第二增量码道能够实现先逐渐递增再逐渐递减的近似正弦信号形式的光量的输出，而现有技术中由于定光栅的增量码道采用长方形结构，其实现的为三角波形式的光量的输出，由于正弦信号明显比三角波信号更有利于高精度的细分，因此，本发明实施例提供的技术方案，能够有利于光电编码器同时满足高分辨率及尺寸小的要求。
可选的，本发明实施例提供的定光栅，所述预设区域内在垂直方向包括一个或者至少两个所述第二增量码道B。
可选的，本发明另一实施例提供的定光栅，所述预设区域内在垂直方向包括两个所述第二增量码道B，在水平方向包括至少两个所述第二增量码道B；
所述第二增量码道B分布在由所述预设区域的长边的中垂线和所述预设区域的宽边的中垂线相交叉分割形成的4个子预设区域内；
互成对角的两个子预设区域中，一个所述子预设区域内的每一个所述第二增量码道B与另一所述子预设区域内的每一个所述第二增量码道B之间水平方向的距离为(2n+1)倍的所述第一增量码道的长度，其中，n为自然数。
具体的，如此设置的目的是使互成对角的两个子预设区域中，一个所述子预设区域内的所述第二增量码道B与另一所述子预设区域内的所述第二增量码道B在动光栅转动时，透过这两个不同子预设区域内所述第二增量码道B的光信号相差半个周期，以方便后续对这两个所述第二增量码道B的光信号进行差分，消除干扰信号。
具体的，假设所述动光栅的一个所述第一增量码道的对应的旋转角度为α，则所述动光栅转过2α便是所述第二增量码道对应的一个正弦信号周期，即转过一个所述第一增量码道和一个左相邻或右相邻的暗区，一个所述暗区的左右间距与一个所述第一增量码道的左右间距相等。可以理解的是，假设动光栅的所述第一增量码道的数量为t，那么动光栅旋转360°/2t的角度便是所述第二增量码道对应的一个正弦信号周期。
可选的，如图4所示，假设所述预设区域内在垂直方向包括两个所述第二增量码道B，水平方向(同一行)包括6个所述第二增量码道B，可以假设所述4个子预设区域按照右上、左上、左下和右下的顺序分为1区域、2区域、3区域和4区域；则互成对角的2区域和4区域中，2区域内的每一个所述第二增量码道与4区域内的每一个所述第二增量码道之间水平方向的距离为(2n+1)倍的所述第一增量码道的长度，其中，n为自然数。
可选的，所述动光栅包括第一绝对码道X，对应的，本发明另一实施例提供的定光栅还包括：
与所述动光栅的第一绝对码道相对应的第二绝对码道。
可选的，如图4所示，所述定光栅共包括8个所述第二绝对码道Y。
可选的，本发明另一实施例提供的定光栅，所述预设区域内在垂直方向包括两个所述第二增量码道B，在水平方向包括至少两个所述第二增量码道B；
所述第二增量码道B分布在由所述预设区域的长边的中垂线和所述预设区域的宽边的中垂线相交叉分割形成的4个子预设区域内；
垂直方向相邻的两个所述子预设区域中，一个所述子预设区域内的每一个所述第二增量码道与另一所述子预设区域内的每一个所述第二增量码道之间水平方向的距离为(n+0.5)倍的所述第一增量码道的长度，其中，n为自然数。
可选的，如图4所示，2区域和3区域为垂直方向相邻的两个所述子预设区域，2区域内的每一个所述第二增量码道与3区域内的每一个所述第二增量码道之间水平方向的距离为(n+0.5)倍的所述第一增量码道的长度，其中，n为自然数。
具体的，如此设置目的是透过2区域的所述第二增量码道和3区域的所述第二增量码道的光信号相差0.25个周期，即π/2，这样，在对透过所述定光栅(的第二增量码道)形成的正弦信号进行细分时，能够更加准确的确定具体细分正弦值的位置。如图6所示，若选择C、D、E、F、G、H和I共7个点作为采样点，利用内插算法与绝对编码进行组合时，由于相同正弦值点(如D和F点)采用同一个编码，此时，便无法区分这两个相同正弦值的点，因此，引入正切值来更好的区分，而上述设置便可实现透过2区域的所述第二增量码道和3区域的所述第二增量码道的光信号相差π/2，方便计算任意时刻的正切值。即应用本发明提供的技术方案，可以通过内插算法，将绝对编码、正切值的编码和正弦值的编码结合，实现对源信号高精度的细分。
可以理解的是，由于所述定光栅与所述动光栅配合使用，所述动光栅在旋转过程中会改变透过的光信号，因此，所述定光栅的结构设计与所述动光栅的结构相匹配，所述动光栅的所述第一增量码道A确定之后，依据所述动光栅的结构，再按照本发明实施例提供的技术方案，便可得到本发明提供的定光栅。
可选的，本发明另一实施例提供的定光栅，所述预设区域内在垂直方向包括两个所述第二增量码道B，在水平方向包括至少两个所述第二增量码道B；
所述第二增量码道B分布在由所述预设区域的长边的中垂线和所述预设区域的宽边的中垂线相交叉分割形成的4个子预设区域内；
每一个所述子预设区域内任意相邻的两个所述第二增量码道之间水平方向的距离为2n倍的所述第一增量码道的长度，其中，n为正整数。
具体的，上述设计目的是使同一所述子预设区域内的各个所述第二增量码道B接收光信号时完全同步，即同步开始接收，同步无法接收，用于增强输出光信号的强度。
可以理解的是，只要满足上述条件，本发明并不限制每个所述子预设区域内的所述第二增量码道B的数量。
可选的，本发明另一实施例提供的定光栅，所述第二增量码道是在宽度方向按照至少2层均分的阶梯形码道。
具体的，图5示出的所述第二增量码道是4层的阶梯码道，需要说明的是，本发明并不限制具体层数。
为了更加全面的阐述本发明提供的技术方案，本发明还公开一种光电编码器。
本发明实施例提供的光电编码器，包括：
动光栅和上述任意一个实施例所述的定光栅。
当然，可以理解的是，本发明实施例提供的光电编码器还包括：
结构体，LED，感光单元，以及与所述感光单元相连接的信号处理电路；
所述动光栅、所述定光栅、所述LED和所述感光单元设置在所述结构体上。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种定光栅和光电编码器。本发明提供的定光栅，应用于包括动光栅的光电编码器，所述动光栅包括第一增量码道，所述定光栅包括设置在预设区域内的第二增量码道，所述预设区域对应于所述第一增量码道，与所述第一增量码道的宽度相等，所述第二增量码道是在宽度方向按照预设数目层均分的阶梯形码道，其中，所述阶梯形码道的左右间距等于所述第一增量码道的长度，同一个所述阶梯形码道中任意两个相邻层在左右方向的偏移量为预设偏移量，每一层的长度为所述预设数目加1之后与所述预设偏移量的积；所述预设偏移量等于所述第一增量码道的长度除以2倍的所述预设数目得到的商。由于本发明提供的定光栅中第二增量码道的结构为阶梯形结构，且每一层的长度相等，从而动光栅在旋转过程中，光信号透过定光栅中所述第二增量码道能够实现先逐渐递增再逐渐递减的近似正弦信号形式的光量的输出，而现有技术中由于定光栅的增量码道采用长方形结构，其实现的为三角波形式的光量的输出，由于正弦信号明显比三角波信号更有利于高精度的细分，因此，本发明提供的技术方案，能够有利于光电编码器同时满足高分辨率及尺寸小的要求。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种定光栅，应用于光电编码器，所述光电编码器包括所述定光栅和动光栅，所述动光栅包括第一增量码道，其特征在于，所述定光栅包括：
设置在预设区域内的第二增量码道；所述预设区域对应于所述第一增量码道，与所述第一增量码道的宽度相等，所述第二增量码道是在宽度方向按照预设数目层均分的阶梯形码道；
所述阶梯形码道的左右间距等于所述第一增量码道的长度，同一个所述阶梯形码道中任意两个相邻层在左右方向的偏移量为预设偏移量，每一层的长度为所述预设数目加1之后与所述预设偏移量的积；所述预设偏移量等于所述第一增量码道的长度除以2倍的所述预设数目得到的商。
2.根据权利要求1所述的定光栅，其特征在于，所述预设区域内在垂直方向包括一个或者至少两个所述第二增量码道。
3.根据权利要求1所述的定光栅，其特征在于，所述预设区域内在垂直方向包括两个所述第二增量码道，在水平方向包括至少两个所述第二增量码道；
所述第二增量码道分布在由所述预设区域的长边的中垂线和所述预设区域的宽边的中垂线相交叉分割形成的4个子预设区域内；
互成对角的两个子预设区域中，一个所述子预设区域内的每一个所述第二增量码道与另一所述子预设区域内的每一个所述第二增量码道之间水平方向的距离为(2n+1)倍的所述第一增量码道的长度，其中，n为自然数。
4.根据权利要求3所述的定光栅，其特征在于，垂直方向相邻的两个所述子预设区域中，一个所述子预设区域内的每一个所述第二增量码道与另一所述子预设区域内的每一个所述第二增量码道之间水平方向的距离为(n+0.5)倍的所述第一增量码道的长度，其中，n为自然数。
5.根据权利要求3或4所述的定光栅，其特征在于，每一个所述子预设区域内任意相邻的两个所述第二增量码道之间水平方向的距离为2n倍的所述第一增量码道的长度，其中，n为正整数。
6.根据权利要求1所述的定光栅，其特征在于，所述第二增量码道是在宽度方向按照至少2层均分的阶梯形码道。
7.根据权利要求1所述的定光栅，其特征在于，所述定光栅还包括：
与所述动光栅的第一绝对码道相对应的第二绝对码道。
8.一种光电编码器，其特征在于，包括：
动光栅和权利要求1～7任一项所述的定光栅。
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