CN1131847A - 增量编码器 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种增量编码器。这种编码器设有多个在转子上形成的指示块，不必使转子旋转一周就能检出基准点或者零点。检测手段检出指示块I1，对主刻度计数，直至检出下一个位置上的指示块I2，利用该计数值求出从基准位置到指示块I2的角度或者距离。再利用从指示块I2到任意位置的计数值求出指示块I2到任意位置的角度或者距离后，将该角度或距离与从基准位置到指示块I2的角度或者距离相加，求出任意位置的角度或者距离。

Description

增量编码器
本发明涉及增量编码器，这种增量编码器设有多个指示块，不必返回到基准点或者零点，具体地说，设有多个在转子上形成的指示块，不必使转子旋转一周就能检出基准点或者零点。
以往，编码器作为电气测定距离和角度的设备已广为知晓。在编码器中有光学式的和磁式的等，并且基本的结构非常相似。
作为电气测定角度的设备，一直广泛采用旋转式编码器。特别是光学式编码器，它应用高级光学技术进行制造，能实现高精度和高分辨率的编码，又因为抗磁性等外部干扰和非接触式的结构，所以有寿命长的特点。
由于这种优良的特点，光学式编码器被用在例如用于检测角度的测量装置中。
用于现在测量机中的光学式编码器，有绝对制的和增量制的。
绝对制是角度值和圆周上位置一一对应的，因为圆周上位置已作为绝对地址编制好，所以有不管在哪个位置都能得到位置信息的优点。但绝对制结构复杂，有很难实现小型轻量化以便使其内装在测量装置中的问题。
相对于绝对制的增量制，如图6所示，包括形成主刻度9110的转子9100、形成副刻度9210的定子9200和配置成转子9100与定子9200夹在中间的检测手段9300。
在转子9100上形成的主刻度9110，是在圆周上设置等距离的栅状刻度，例如做成80秒间隔的明暗栅格。
在定子9200中形成的副刻度9210则做成用与主刻度9110相同间隔的明暗栅格。
检测手段9300由发光二极管(LED)9310、准直仪透镜9320和光敏器件9330构成，LED9310和光敏器件9330配置成将转子9100和定子9200夹在中间。
转子9100旋转时，每移动一个间隔，来自LED9310的光就产生间断，光敏器件9330相应输出对应于光的间断的电信号。利用对这种光敏器件9330的输出信号进行计数，就能检测角度。
如上所述，增量制无论从哪个位置都能开始计数，能得到对计数开始位置的角度。
接着，根据图7，对使用增量制的光学式编码器的测量装置进行说明。
这种测量装置10000包括底坐部8100、安装成对这种底坐部8100能在水平方向旋转自如的托架部8200、安装成对这种托架部8200能在垂直方向旋转自如的平行瞄准具8300、用于检测托架部8200水平方向的水平角的第一检测手段8400和用于检测平行瞄准具8300的平行校正方向的高度角的第二检测手段8500。
底坐部8100通过用于固定在三脚架等上的校平台8150和校平螺丝8160、8160……进行连接，利用使校平螺丝8160、8160……旋转，能对测量装置10000的水平进行调整。又，在底坐部8100上安装有下部微调旋转钮8120和下部固定旋钮8130，能对底坐部8100进行调整固定。在托架部8200上形成有上部微调旋钮8220和上部固定旋钮8230，能对托架部8200进行调整固定。在平行瞄准具8300上形成有高度微调旋钮8320和高度固定旋钮8330，能对平行瞄准具8300的平行校正方向的高度角进行调整固定。
第二检测手段8500的光学式编码器是用于检测平行瞄准具8300的平行校正方向的高度角的，例如用于求得以天花板为基准的角度。因此，在检测手段8500的光学式编码器中设有用于取得偏离基准的角度的零值的指示块。然后，以该指示块作为基准点或者零点进行计数并检测角度。
反之，第一检测手段8400的光学式编码器虽然用于检测托架部8200的水平方向的水平角，但因与特定方向没有相关性，所以采用不需要基准点并且没有指示块的通常的光学式编码器。
接着，根据图8，对具备指示块的第二检测手段8500的光学式增量编码器进行说明。
作为第二检测手段8500的光学式增量编码器包括转子8510、定子8520和做成将转子8510和定子8520夹在中间的光学检测手段8530。
在转子8510上设有由在圆周上形成的等距离栅状刻度组成的主刻度8511和零检测用的指示块8512。
在定子8520上形成主刻度8511用的第一副刻度8521和零检测用的指示块8512用的第二副刻度8522。
光学检测手段8530由指示块检测部和主刻度检测部组成。指示块检测部包括第一发光元件8531、第一准直仪透镜8532和第一感光元件8533，能检测在转子8510上形成的零值检测用的指示块8512。
主刻度检测部包括第二发光元件8535、第二准直仪透镜8536和第二感光元件8537，将在转子8510中形成的主刻度8511的明暗栅格作为光的通断进行检测，并利用第二感光元件8537将这种光的通断变换成电信号后，对该电信号进行计数，从而能测出偏离零检测点的角度。
下面，对前述结构的以往的测量装置10000的使用方法进行说明。
首先，在三脚架上安装测量装置10000的校平台8150，并旋转校平螺丝8160、8160……进行校平。
接着，接通电源开关，当使平行瞄准具8300旋转一周时，准备结束。也就是说，当平行瞄准具8300旋转时，第二检测手段8500的转子8510也旋转，利用零值检测用的指示块8512设定零点，这样才能检测偏离该零点的角度。
然而，前述以往的测量装置10000，为设定零点，电源接通后，必须使具备带指示块的增量编码器(即第二检测手段8500)的平行瞄准具8300旋转一周。也就是说，必须使平行瞄准具8300旋转一周，以便用光学检测手段8530的指示块检测部，检测在转子8510上形成的零值检测用的指示块8512。
通常做成不能从外部证实指示块8512的位置的结构，所以要使平行瞄准具8300旋转一周。
而且，使平行瞄准具急剧地旋转时，光学检测手段8530的指示块检测部不能检测在转子8510中形成的零值检测用的指示块8512，有不能进行测定的问题。
因此，平行瞄准具8300有必要在某一程度的旋转速度以下使其旋转，而这种合适的旋转速度不得不依赖于使用者的直觉，有非常麻烦的严重问题。
图1表示对作为实施例的增量编码器1000的结构进行说明的图。
图2表示对实施例的转子100进行说明的图。
图3(a)表示说明本发明原理的图。
图3(b)表示实施例电气结构的图。
图4表示实施例的增量编码器1000动作的图。
图5表示实施例的具体电气结构的图。
图6、图7和图8表示以往技术的图。
下面，参照附图对本发明的实施例进行说明。
首先，参照图1对本实施例的增量编码器1000进行说明。这种增量编码器1000是关于光学式和磁式等的编码器，在本实施例中特别地对适用于测量装置的技术例进行说明。
本实施例的增量编码器1000包括转子100、定子200和做成将转子100和定子200夹在中间的光学检测手段300。
转子100上设有由在圆周上形成的等距离栅状刻度组成的主刻度110和多个零值检测用的指示块120、120……。
在定子200上形成主刻度110用的第一副刻度210和零值检测用的指示块120、120……用的第二副刻度220。
光学检测手段300相当于检测手段，由指示块检测部310和主刻度检测部320组成。指示块检测部310包括第一发光元件311、第一准直仪透镜312和第一感光元件313，能检测在转子100上形成的零值检测用的指示块120、120……。
主刻度检测部320包括第二发光元件321、第二准直仪透镜322和第二感光元件323，将在转子100上形成的主刻度110的明暗栅格作为光的通断进行检测，并利用第二感光元件323将这种光的间断变换成电信号后，对该电信号进行计数，从而能测出从零检测点开始的角度。
又，第一发光元件311和第二发光元件321能采用发光二极管等任何一种发光器件。第一感光元件313和第二感光元件323，只要是能光电变换的元件，都可使用。
这里，参照图2对在转子中形成的主刻度110和零检测用的指示块120、120……进行说明。
主刻度110是明暗栅格，是由在圆周上形成的等距离的栅状刻度组成。
有多个零值检测用的指示块120、120……形成在圆周上，而且安排成指示块120和指示块120之间的距离不同。也就是说，指示块120和指示块120之间对应的主刻度110的栅状刻度数是不同的。
例如，以I1、I2、……IN作为指示块的位置，如果
IN＝3度8分0秒*N+2分40秒*(N-1)的话，那么
I1＝3度8分0秒
I2＝6度18分40秒
如上述那种结构的零值检测用的指示块120、120……，安排成指示块120和指示块120之间的距离沿特定的方向增加，彼此间隔不同。
也就是说，如图3(a)所示，以K1作为从指示块I1开始到任意位置为止的主刻度的计数，以K2作为从指示块I2开始到任意位置为止的主刻度计数。
如果对计数数K2与计数数K1做减法，则能求得相当于指示块I1和指示块I2之间的距离的计数值KX。
这里，因为安排成指示块120和指示块120之间的距离沿特定的方向增加，彼此间隔不同，所以利用计数值KX能求得从基准点(零位置)开始到指示块I2为止的距离L0。
也就是说，如果对计数值KX进行计量，那么就能够一一对应地求得从基准点(零位置)开始到该指示块120为止的距离。
接着，由计数值K2能求得从指示块I2开始到任意位置为止的距离L1。
然后，利用对从在基准点(零位置)开始到指示块I2为止的距离L0和从指示块I2开始到任意位置为止的距离L1做加法，能求得从基准点(零位置)开始到任意位置为止的距离L0+L1。
如前所述，本发明能求得直线距离，进而，如果刻度盘为圆形，那么也能应用到旋转编码器中，该编码器检测角度，而不是检测距离。
又，在说明书中，所说特定的指示块I1是随意确定的指示块，所说下一个位置配置的指示块I2可以是相邻的指示块，或者也可以是作为特定个数前的指示块。
因此，本发明从任何位置开始都能迅速地测出距离或者角度。
接着，参照图3(b)对本实施例的电气结构进行说明。
本实施例的增量编码器1000，如图3(b)所示，需要连接指示块检测部310、主刻度检测部320、控制手段400、第一计数器510和第二计数器520。
这里，根据图4，对本实施例的增量编码器1000的动作进行说明。
首先，在步骤S1，接通电源，使角度的测定开始。
接着，在步骤S2，使第一计数器510清零。在步骤S2第一计数器510的清零结束时，进入步骤S3，旋转转子100。
然后，在步骤S4，由指示块检测部310判断是否已检出最初的指示块I1，如果检测指示块I1的话，则进入步骤S5。此外，在步骤S4，如果没能检出指示块I1，则返回步骤S4，继续进行指示块I1的检测。
在步骤S5，第一计数器510开始对来自主刻度检测部320的明暗栅格所形成通断信号计数。进而，进入步骤S6，对第二计数器520进行清零。
在步骤S7，由指示块检测部310判断是否已检出第二个指示块I2，如果检出指示块I2的话，则进入步骤S8。此外，在步骤S7，如果没能检出指示块I2，则返回步骤S7，继续进行指示块I2的检测。
在步骤S8，第二计数器520开始对来自主刻度检测部320的明暗栅格所形成通断信号计数，并且继续计数至任意位置。
然后，在步骤S9，控制手段400计数第一计数器510的计数值与第二计数器520的计数值的差，由于指示块120和指示块120之间的距离不同，由控制手段400能算出或者调用对应于计数值的差的从零位置开始到指示块I2为止的角度。进而，根据指示块I2的计数值，由控制手段400算出从指示块I2开始到任意位置为止的角度。利用在该算出的角度中加上从零位置开始到指示块I2为止的角度，就能算出从零位置开始到任意位置为止的角度。
又，第一计数器510和第二计数器520的清零也可以同时在电源接通时进行。
这里，参照图5对本实施例的电气结构的具体结构进行说明。
本实施例的电气结构，例如，如图5所示，包括主刻度感光和放大电路、模/数(A/D)变换器602、矩形波电路603、方向区分电路604、第一可逆计数器电路605、指示块感光和放大电路606、波形整形电路607、第二可逆计数器电路608和中央处理器(CPU)609。
主刻度感光和放大电路601用于对来自第二感光元件323的电信号进行放大。A/D变换器602对主刻度感光和放大电路601的输出信号进行A/D变换并且送到CPU609。第一可逆计数器电路605相当于第一计数器510，第二可逆计数器电路608相当于第二计数器520。方向区分电路604用于判断旋转方向或者增加减少的方向。指示块感光和放大电路606用于放大从第一感光元件313来的电信号。
结构如前文所述的电气电路，将从主刻度感光和放大电路来的输出信号送到A/D变换器602和矩形波电路603。这里，主刻度感光和放大电路601的输出信号，作为内插信号送到A/D变换器602，并且作为计数信号送到矩形波电路603。
然后，在矩形波电路603作为矩形波生成计数信号，在方向区分电路604判断旋转方向或者增加减少的方向后，送到第一可逆计数器电路605和第二可逆计数器电路608。
此外，A/D变换器602中数字化的内插信号作为内插数据送到CPU609。
指示块感光和放大电路606的输出信号送到波形整形电路607并形成波形作为起始信号，送到第一可逆计数器电路605和第二可逆计数器电路608。
又，这种起始信号，仅在从CPU609来的控制信号成为导通(ON)状态时，将起始信号输入第一可逆计数器电路605。同样，仅在从CPU609来的控制信号成为导通(ON)状态时，将起始信号输入第二可逆计数器电路608。
因此，在第一可逆计数器电路605和第二可逆计数器电路608中，当从CPU609来的控制信号为ON状态并且输入起始信号时，开始计数。
当接通电源后，第一可逆计数器电路605被清零。利用CPU609来的ON控制信号和最初的起始信号，第一可逆计数器电路605开始计数。
当计数开始的信号一送入CPU609，就阻断(OFF)对第一可逆计数器电路605的控制信号，并且对第二可逆计数器电路608的控制信号成为ON。然后，当检出下一个指示块时，利用指示块的起始信号，第二可逆计数器电路608开始计数。
结构如前文所述的电子电路能进行图4所示的动作。
又，其它结构和对应于测量装置的应用例等，因与以往技术相同故省略其说明。
结构如前文所述的本发明，因为在转子上形成主刻度，在定子上形成第一副刻度，配置由光源部、光学系统和感光部组成的检测手段，使转子和定子夹在中间，而且在转子上形成用于检测基准位置的指示块，在定子上形成指示块的第二副刻度，所以不必为检出零点而使转子旋转一周，只要使转子略为转动便能检出零点并且求出角度，效果卓越。
本发明也能将指示块和指示块之间的距离分别做成不相同。
本发明还能将指示块和指示块之间的距离按特定的方向增加，并且将各自的距离做成不相同。
本发明检测手段又能检出特定的指示块I1对主刻度进行计数，直至检测手段检出在特定的指示块I1的下一个位置配置的指示块I2，并且利用该计数值对预定的基准位置进行运算，求出从该基准位置开始到指示块I2为止的角度或者距离。
而且，本发明检测手段能检出特定的指示块I1，对主刻度进行计数，直至检测手段检出在特定的指示块I1的下一个位置配置的指示块I2，并且利用该计数值对预定的基准位置进行运算，求出从该基准位置开始到指示块I2为止的角度或者距离。再利用从指示块I2开始到任意位置为止的计数值，求出从指示块I2开始到任意位置为止的角度或者距离，利用该角度或者距离与从基准位置开始到指示块I2为止的角度或者距离相加，求出任意位置的角度或者距离。
此外，本发明也能应用于磁式编码器，并且编码器为旋转型和直线型时也当然能得到相同的效果。
在用于测量装置的场合中，使平行瞄准具急速地旋转，即使在调用角度时产生差错，也只要将平行瞄准具稍微上下摇动就能方便地再启动。
本发明既能保持小型和高性能的特点，又能在陡峭动作中防止精度下降，效果卓越。

Claims (5)

1.一种增量编码器，该编码器包括：已形成主刻度的转子、已形成第一副刻度的定子、配置成将所述转子和定子夹在中间且由光源部、光学系统和感光部组成的检测手段，其特征在于，在所述转子中形成用于检测基准位置的主刻度，在所述定子中形成所述指示块用的第二副刻度，所述的指示块设置多个。
2.如权利要求1所述的增量编码器，其特征在于，将指示块和指示块之间的距离分别做成不相同。
3.如权利要求1所述的增量编码器，其特征在于，将指示块和指示块之间的距离按特定的方向增加，并且将彼此的距离做成不相同。
4.如权利要求1所述的增量编码器，其特征在于，检测手段检出特定的指示块I1，对主刻度进行计数，直至该检测手段检出在该特定的指示块I1的下一个位置配置的指示块I2为止，并且利用该计数值对预定的基准位置进行运算，求出从该基准位置开始到所述指示块I2为止的角度或者距离。
5.如权利要求1所述的增量编码器，其特征在于，检测手段检出特定的指示块I1，对主刻度进行计数，直至该检测手段检出在该特定的指示块I1的下一个位置配置的指示块I2为止，并且利用该计数值对预定的基准位置进行运算，求出从该基准位置开始到所述指示块I2为止的角度或者距离，再利用从指示块I2开始到任意位置为止的计数值，求出从所述指示块I2开始到所述任意位置为止的角度或者距离，将该角度或者距离上与从所述基准位置开始到指示块I2为止的角度或者距离相加，从而求出任意位置的角度或者距离。
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