CN114207384A - 光学编码器 - Google Patents

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Abstract

一种光学编码器(10)，包括发射器(12)、接收器(14)、反射器(16)和代码载体(18)，其中，发射器沿着发射轴(S)朝反射器(16)的方向发射电磁辐射，且反射器沿着接收轴(E)朝接收器的方向偏转该电磁辐射。代码载体被可移动地支撑，并具有代码区(26)的序列，以根据代码载体的位置中断所发射的电磁辐射、或允许所发射的电磁辐射通过以照射接收器，其中，发射轴(S)和接收轴(E)相对于彼此以一对准角度延伸，该对准角度的数值处于30度至150度的范围内。

Description

光学编码器
技术领域
本发明涉及包括发射器、接收器、反射器及代码载体的光学编码器，其中，发射器沿着发射轴朝反射器的方向发射电磁辐射，其中，反射器具有至少一个反射区，该反射区使电磁辐射沿着接收轴朝接收器的方向偏转；而且其中，代码载体被可移动地支撑并且具有代码区的序列，这些代码区根据代码载体的位置中断所发射的电磁辐射，或允许所发射的电磁辐射照射在接收器上。
在这样的光学编码器中，由发射器沿着发射轴发射的电磁辐射首先入射到可移动的代码载体上，并且可选地，随后沿着接收轴入射到接收器上。所发射的电磁辐射可以例如包括可见光、红外线辐射或紫外线辐射。接收器对于所发射的电磁辐射敏感，并将接收到的电磁辐射转换为电信号。在这方面，代码载体可连接一可移动装置，并接收该可移动装置的移动。在接收器接收到的电磁辐射藉由代码载体的位置变化进行调变(modulation)。入射到接收器上的电磁辐射的调变可以相对于代码载体或与其连接的装置的速度、相对位置变化或绝对位置来评估。在这方面，代码载体经常也被称为定时盘(timing disk)或定时标尺(timing ruler)。光学编码器有时也被称为光学位置编码器。
背景技术
已知的光学编码器可以分为穿透型和反射型，其不同之处在于反射器的设置和代码载体的设计。在穿透型编码器中，代码载体具有一序列的辐射穿透区和辐射吸收区，这些区域根据代码载体的位置，或者允许由发射器发射的电磁辐射通过以照射接收器，或者藉由吸收而中断该电磁辐射。相比之下，反射型编码器的代码载体具有一序列的电磁辐射反射区和非反射区。在这方面，代码载体的反射区将发射器发射的电磁辐射反射到接收器的接收轴方向。另一方面，入射到非反射区的电磁辐射不会偏转到接收器的接收轴方向，因此不会到达接收器，特别是由于吸收。
从这两种操作模式得出的结果是，穿透型编码器的发射器和接收器的设置使得其中发射轴和接收轴之间的对准角度(alignment angle)为0度。例如，发射器和接收器可以彼此相对设置，其中代码载体设置在发射器和接收器的中间空间中。在这样的配置中，发射轴和接收轴特别重合。
另一方面，反射型编码器的发射器和接收器的设置使得其中发射轴和接收轴之间的对准角度大约为180度。在这方面，发射器和接收器可以在一个平面中彼此靠近设置并且具有平行的对准方向。代码载体可以与发射器和接收器所在的平面间隔设置，并根据其位置，将发射器发射的电磁辐射反射到接收器的接收轴方向(从而允许该电磁辐射照射接收器)或吸收该电磁辐射(从而中断接收器上的照射)。
穿透型编码器的特点是相对于发射器、接收器或代码载体的位置偏差具有高度的强健性和稳定性。相比之下，反射型编码器确实具有更简单的设计，但是相对于所述位置偏差具有较高的干扰倾向或较低的容忍度。因此，即使代码载体的对准只是略微偏离所提供的设置平面，也可能导致，例如，所发射的电磁辐射不再被接收器正确接收。
在光学编码器常见的设置和操作中，发射器的对准可以是其发射轴平行于代码载体的运动平面延伸，或者其发射轴垂直于代码载体的运动平面延伸。在这方面，该平行对准在光学编码器的安装、稳定性和强健性方面提供了优点，然而，生产可能是复杂的和/或昂贵的(例如，当使用弯曲成环形的代码载体时)，否则可能会限制可实现的分辨率。该垂直对准可以简化代码载体的安装，但是在容易受到干扰或安装公差方面存在缺点。
发明内容
本发明涉及包括发射器、接收器、反射器及代码载体的光学编码器，
本发明的目的是提供一种改进的光学编码器，该光学编码器易于安装，能够可靠且无故障地操作，并且能以高分辨率进行位置侦测。
此目的通过具有权利要求1的技术特征的一种光学编码器来实现，特别是，该发射器的发射轴和该接收器的接收轴相对于彼此以一个对准角度延伸，该对准角度的数值处于30度至150度的范围内。
由于发射轴和接收轴之间的对准角度不具有发射型编码器的0度的典型值，亦不具有反射型编码器的约180度的典型值，因此光学编码器可以根据应用进行灵活设置，特别是关于发射轴相对于代码载体的运动平面的对准。在这方面，发射器和接收器可以在共同载体上以该对准角度相对彼此设置，这使得光学编码器的紧凑配置和廉价制造成为可能。
在许多实施例中，在发射轴和接收轴之间的特定对准角度还能简化光学编码器在各自的应用环境中的安装。特别地，通常必须沿着驱动轴或连接轴的旋转轴安装代码载体。发射器和接收器的相对设置(例如，以所谓的L形配置)简化了代码载体的这种轴向安装，即使代码载体被配置为可旋转盘也是如此。
由于可以在广范围内选择发射器和接收器的特定相对对准，因此可以使用一种制造简单且制造成本低廉的代码载体。在某些实施例中，例如，可以将代码载体配置为能够实现高分辨率(即，代码区的高空间密度，或代码载体对于微小位置变化的相应的精确区分)的平面代码盘。例如，可以将代码载体配置为薄金属盘，可以灼烧或切割该薄金属盘以制成高分辨率的代码区序列，特别是藉助雷射。例如，可用这种方式制造具有300LPI(lines perinch，即每英寸行数)的分辨率的代码载体。
由于在某些实施例中可以根据穿透型编码器的原理来配置代码载体，因此可以确保光学编码器的可靠且无故障的操作。因此，光学编码器对于发射器、接收器或代码载体在对准和相对间距方面的任何位置偏差都具有强健性，该位置偏差与制造(安装公差)和操作(例如温度效应)相关。特别地，光学编码器也不必为了使接收器获得高分辨率和高质量的信号而尽可能地最小化代码载体和接收器之间的间隔，这对于具有漫反射型代码载体(diffusely reflective code carrier)的反射型编码器可能是必须的。
因此，上述光学编码器结合了高度的强健性和稳定性，以及高分辨率和简单的安装。
如果在本发明中提及了所发射的电磁辐射的中断，则这是指所发射的电磁辐射对于接收器的照射的中断。这种中断尤其可藉由吸收电磁辐射或将电磁辐射偏转至不通往接收器的方向而实现。
发射器可以例如包括发光二极管(特别是具有可使电磁辐射准直的相关联的发射光学器件)或雷射二极管。接收器可以包括至少一个辐射敏感的接收组件，例如光二极管(photodiode)或光敏晶体管(phototransistor)，或辐射敏感的接收组件的群组或矩阵，特别是以一维或二维设置者(所谓的矩阵)。如果接收器具有复数接收组件(例如光二极管)，则它们可以是离散设计中的单独接收组件，也可以是在组件中整体形成的复数接收组件(相同种类或彼此不同配置，有规律或无规律地配置)，例如形成所谓的ASIC。发射轴和接收轴可以特别地垂直于发射器的相应发射表面或接收器的接收表面。
在某些实施例中，发射轴和接收轴可以相对于彼此以一对准角度延伸，该对准角度的数值处于60度至120度的范围内。由于处于该范围内的对准角度，有多种发射器和接收器的设置概念可适用于各自的应用。
根据一实施例，在发射轴和接收轴之间的对准角度基本上等于90度。因此，由发射器发射的电磁辐射被反射器偏转90度而转向接收器的接收轴方向。发射器的发射表面和接收器的接收表面因此可以形成两个平面，这两个平面彼此成90度角，由此形成发射表面和接收表面的L形配置。这种配置可以特别简化生产和安装。在另一方面，特别是90度的对准角度允许光学编码器从垂直朝向到水平朝向的特别简单的改变。
在某些实施例中，代码载体被配置为代码盘(特别是圆形盘或环形盘)，该代码盘围绕一旋转轴被可旋转地支撑、并且具有与旋转轴之间相距径向间距的至少一个圆环形代码轨道，该圆环形代码轨道具有代码区序列。在这方面，一方面为旋转轴，另一方面为发射轴和/或接收轴，双方可以相对于彼此形成直角。代码盘可以相对于旋转轴平坦地形成，即，它可以在相对于旋转轴的法平面(normal plane)内延伸。或者，代码载体也可以被配置为可线性移动的代码条，其具有至少一个直线代码轨道，该直线代码轨道具有代码区序列。
在某些实施例中，代码区序列被交替配置为在一方面允许辐射穿透或反射辐射，并且在另一方面吸收辐射。因此，当代码载体移动时，由发射器发射的辐射交替入射到允许所发射的电磁辐射照射在接收器上的代码区或中断所发射的电磁辐射的代码区。可以通过多种方法将代码区序列形成于代码载体上，例如可以通过印刷、蚀刻、打孔或雷射切割来形成代码区。
至少一个反射区可用镜面(specular)方式反射以实现限定的定向反射(相较于漫反射器)。在某些实施例中，该至少一个反射区可以漫射方式反射。
例如，反射器和至少一个反射区可以廉价地由白色的漫反射塑料制成。或者，反射器可以廉价地由设有反射表面层以形成该至少一个反射区的塑料制成。另外，可想而知，反射器可由透明材料制成，并且通过全反射在该至少一个反射区发生反射。
在某些实施例中，反射器可以具有单一反射区(例如，沿着可旋转的盘形反射器的周边延伸，特别是在周边闭合，或者形成在固定的反射器上)。在某些实施例中，该反射器可以具有彼此相邻设置的复数反射区，并且该复数反射区形成复数路径或复数序列(例如，该复数反射区沿着可旋转的盘形反射器的周边彼此相邻地延伸)。在某些实施例中，反射器可以具有形成一序列的复数个分离的反射区(例如，该复数反射区沿着可旋转的盘形反射器的周边形成序列)。该复数分离反射区的序列尤其可以对应于允许所发射的电磁辐射照射在接收器上的复数代码区的序列。
在某些实施例中，除了复数分离反射区的第一序列之外，该反射器还包括复数分离反射区的至少一个另外的序列，该另外的序列与复数分离反射区的第一序列偏离设置，且将电磁辐射偏转到至少一个另外的接收轴的方向。在这方面，尤其可以设置至少一个另外的发射器，沿着至少一个另外的发射轴发射电磁辐射。然后，由至少一个另外的发射器发射的电磁辐射例如可以被复数分离反射区的该另外序列偏转到至少一个另外的接收轴的方向。由此可以促成光学编码器的更高分辨率和/或绝对位置判定。
在某些实施例中，反射器的反射区相对于发射轴和接收轴倾斜地对准，尤其是以45度的各自角度对准。发射轴和接收轴由此可以特别地以90度的对准角度设置，这使得光学编码器能在所述L配置中特别紧凑地配置。
在某些实施例中，反射器和代码载体由共同组件形成。由此可以最小化部件的尺寸和相对间隔中的公差，这增加了光学编码器的操作中的测量的稳定性和准确性。
反射器和代码载体可以偕同彼此一体成型，或者代码载体可以与反射器分开形成，但是与反射器固定连接。如果代码载体和反射器彼此分开形成，则可以选择各自的理想材料。例如，反射器可以廉价地制造成镜面塑料部件，而代码载体可以制造成平坦的金属板，可用廉价的方式将具有高空间密度和高准确度的代码区序列设置于该金属板上。
在某些实施例中，特别是如果反射器和代码载体由共同组件形成，则反射器是可移动的。反射器和代码载体可以例如作为刚体均匀地移动，并且特别地可以在旋转运动中以相同的旋转速度运动。
在某些实施例中，特别是如果反射器和代码载体由共同组件形成，则反射器被配置为可旋转盘，特别是具有圆形轮廓。在这方面，反射器的至少一个反射区可以设置在可旋转盘的倾斜的周边(特别是外周边)，其中，反射区尤其相对于反射器的旋转轴倾斜。在将代码载体配置为可旋转的代码盘的情况下，设置于倾斜周边的反射区可以例如相对于代码盘和/或相对于代码盘的旋转轴成45度角对准。
在某些实施例中，特别是如果反射器和代码载体由共同组件形成，则反射器的至少一个反射区与代码区序列分开形成和/或与代码区序列间隔设置，其中，代码区序列交替配置为吸收辐射或允许辐射穿透。例如，代码载体可以和反射器的主延伸平面(main planeof extent)平行对齐，并且设置在反射器的至少一个反射区与发射器或接收器之间。在反射器为可旋转盘且代码载体为代码盘的实施例中，反射器和代码载体可以互相固定连接(特别是轴向间隔设置)，并且沿着一共同旋转轴互相平行设置。因此，代码盘可以例如邻接和/或连接反射器与主延伸平面相对应的一侧。
在某些实施例中，代码区序列设置在代码载体上，使得电磁辐射以垂直或实质上垂直的方式(在发射之后或在反射之后)入射到代码区序列。由此可以在电磁辐射的准直发射上实现高分辨率。例如，可想而知，代码区序列形成一圆环，且该圆环同轴地设置在圆形反射器上并与其连接。在这方面，圆形反射器和(例如圆形或圆环形的)代码载体可以分开制造并连接以形成共同组件。
根据以上说明，在某些实施例中，反射器可以被配置为可旋转盘(特别是圆盘)，该盘围绕一旋转轴被可旋转地支撑，其中反射器的至少一个反射区设置在可旋转盘的相对于该旋转轴倾斜的周边；其中，代码载体被配置为(例如圆形或圆环形的)代码盘，该代码盘固定地连接反射器并垂直于该旋转轴延伸，且代码载体具有与该旋转轴之间具有径向间隔的至少一个圆环形代码轨道，该圆环形代码轨道具有代码区序列，并且代码区序列被交替配置为吸收辐射或允许辐射穿透。
在某些实施例中，特别是在前一个提到的实施例中(反射器为可旋转盘；代码载体为与其连接的代码盘)，反射器的至少一个中断区与该至少一个反射区邻接设置并中断电磁辐射(例如，藉由吸收或藉由不照射接收器的偏转)，该中断区可以形成一附加代码区。除了代码载体的代码区序列(例如代码盘的代码轨道)之外，可以此形成至少一个附加代码区，该附加代码区例如可以用作所谓的索引生成器(index generator)，但是与代码载体分开形成。也可以特别规定，该代码区序列和该附加代码区可由同一接收器侦测。为此目的，发射器、反射器、代码载体和接收器可用适当方式相对于彼此设置。
对比之下，在某些实施例中，代码区序列被交替地配置为吸收辐射或反射辐射。在这方面，代码载体和反射器可以由单一部件形成，其中，一反射代码区形成反射器的各自的一反射区。当代码载体移动时，如果发射器发射的电磁辐射入射到反射代码区，则所发射的电磁辐射仅被反射到接收器的接收轴方向。例如，交替的吸收辐射的或反射辐射的代码区的序列可以通过圆盘形反射器的周边的相应设计来形成。该实施例特别适用于仅需要低分辨率但需要高度的强健性和稳定性的应用。通常，一个、部份或全部代码区可以因此由一个或各自的反射区形成。
在某些实施例中，特别是如果代码载体和反射器由单一部件形成，则反射器可以具有反射区的一序列。在这方面，该复数代码区的序列可以由该复数反射区的序列形成。
在某些实施例中，特别是如果代码载体和反射器由单一部件形成，则反射器除了具有复数反射区的序列外，还可具有至少一个另外的反射区序列，其中，该另外的反射区序列可具有单一反射区或复数反射区。该另外序列的反射区尤其可以用作所谓的索引生成器。
在某些实施例中，反射器和代码载体由分开的组件形成。
在某些实施例中，特别是如果反射器和代码载体由分开的组件形成，则反射器可被设置为不可移动的，即固定的。这能使光学编码器的配置更加强健。藉由使可动部件的数量最小化，可以进一步降低光学编码器的干扰倾向。例如，可想而知，反射器形成一个组件，该组件不可移动地连接到发射器并且特别是围绕或覆盖发射器。
在某些实施例中，特别是如果反射器被设置为不可移动、并且(例如，圆盘形的)代码载体是可旋转的，则代码载体可以具有周边切口，该周边切口适于使代码载体能够以相对于代码载体的旋转轴的轴向方式安装，其中，反射器或反射器的一部分被引导穿过代码载体的周边切口。换言之，可以选择沿径向方向和沿周边方向的周边切口的尺寸，以使即使代码载体被设置为与光学编码器的操作中的旋转的代码载体轴向对准，代码载体也可以沿轴向移动经过固定的反射器而进入所需的安装位置。由此简化了光学编码器的安装。这样的周边切口可以特别地被提供用于其中在任何情况下都不需要代码载体的完全角度范围(360度)的应用(例如，LIDAR传感器)。
在某些实施例中，代码载体具有代码区的复数序列，其中，该复数序列形成彼此相邻地设置的复数代码轨道。在这方面，有可能提供具有不同发射轴的复数发射器，该复数发射轴尤其可以彼此平行地延伸，和/或提供具有不同接收轴的复数发射器，该复数接收轴同样可以特别地彼此平行地延伸。如上所述，反射器也可以具有彼此相邻间隔设置的反射区的复数序列。
如此增加代码区可以使测量更准确。因此，例如，可以在递增测量(incrementalmeasurement)中使用复数代码轨道，以确定代码载体的旋转方向，或侦测代码载体的旋转通过特定旋转角度，并从中确定完成的旋转次数。各具有复数代码区(特别是在不同序列中)的复数代码轨道尤其可以用于绝对位置值的测量。除了各具有复数代码区的复数代码轨道之外，除了具有一序列的复数代码区的代码轨道之外，还可以提供仅具有单一代码区(所谓的索引)的代码轨道。
在某些实施例中，发射器被配置为发射电磁辐射作为准直射束。发射器可以具有例如雷射二极管。根据一个实施例，光学编码器包括准直器(collimator，例如会聚透镜)，该准直器设置在发射器(例如发光二极管)和反射器之间，且该准直器将发射器所发射的电磁辐射沿着发射轴束集，因此尤其提高了接收器接收到的调变信号的强度，并实现了更高的空间分辨率。
附图说明
下面将仅通过范例的方式并参见附图以说明本发明。
图1A和图1B示出根据本发明的光学编码器的实施例的一部分在垂直方向上的透视图；
图2A至图2D示出图1的实施例的发射和接收装置20的剖面图(2A、2B)和透视图(2C和2D)；
图3A示出图1A和图1B的实施例的反射器和代码载体的一部分的剖面图；
图3B示出另一实施例的反射器和代码载体的一部分的剖面图；
图4A至图4C示出图1A和图1B的实施例的一部分的剖面图；
图5A至图5C以平面图示出光学编码器的接收装置的实施例；
图6A至图6C示出光学编码器的另一实施例的一部分的剖面图(6A)和两个透视图(6B和6C)；
图6D以底视透视图示出图6A至图6C的实施例的反射器；
图7A至图7E示出光学编码器的另一实施例的一部分的三个透视图(7A、7B、7D)和两个剖面图(7C和7E)；
图8A至图8F示出图6A的实施例的一部分的剖面图(8A和8D)和四个透视图(8B、8C、8E、8F)；
图9A至图9C示出光学编码器的另一实施例的一部分的剖面图(9A)和两个透视图(9B和9C)；
图9D以透视平面图示出图9A至图9C的实施例的反射器；
图10A至图10C示出光学编码器的另一实施例的一部分的剖面图(10A)和两个透视图(10B和10C)；以及
图10D示出图10A至图10C的实施例的反射器的可能的安装步骤。
具体实施方式
图1A和图1B以透视图示出光学编码器10的一实施例的径向切割剖面。光学编码器10包括发射和接收装置20、可旋转的大致圆盘形的反射器16、以及可旋转的圆盘形代码载体18。发射和接收装置20包括设置于共同载体部件22上的光电发射器12、第一光电接收器14、以及第二光接收器15。
发射器12沿发射轴S(请参见图2A和图2B)发射电磁辐射(例如可见光、红外线辐射或紫外线辐射)，而第一接收器14沿接收轴E(请参见图2A和图2B)接收电磁辐射，且第二接收器15沿着接收轴E’(请参见图2A和图2B)接收电磁辐射。第一接收器14和第二接收器15分别具有至少一个接收组件，特别是光二极管或光二极管数组，该接收组件对于所发射的电磁辐射敏感，并且可以将其转换成电信号。在所示的实施例中，发射轴S与代码载体18的延伸平面或运动平面平行地对准。
光学编码器10还包括光学准直器24，在此为透镜形式，其沿着发射轴S设置且优选地靠近发射器12，并束集发射器12所发射的电磁辐射。
代码载体18被配置为具有圆形轮廓和代码区26的圆环形序列(也称为代码轨道)的薄代码盘(例如，由金属制成)。代码区26由穿过代码盘的细长狭缝形成，狭缝沿径向方向延伸，并且可以藉由例如铣削(milling)、打孔或雷射切割等方式形成。因此，代码区26的序列对于以垂直或实质上垂直的方式入射到代码载体18或代码盘上的电磁辐射交替地具有辐射穿透或辐射吸收的作用。除了代码区26的序列外，代码载体18还具有代码区27的第二序列，该第二序列与代码区26的序列径向偏离设置。在所示的实施例中，代码区27的第二序列包括单一辐射穿透代码组件，其形式为允许电磁辐射通过以照射第二接收器15的凹口。
反射器16被配置为具有圆形轮廓的盘，该盘沿主延伸平面28延伸，并且围绕旋转轴D被可旋转地支撑(请参见图3A和图3B)，其中，主延伸平面28与旋转轴D采用90度的角度。反射器16具有两个连续的反射区30a、30b，其各自设置在可旋转盘的相应周边，并且相对于旋转轴D的轴向和径向彼此偏离设置。反射区30a、30b因此形成在反射器16或可旋转盘的外周边的倒角区域，并且垂直地上下设置，其中下反射区30b具有在旋转轴D的方向上且相对于上反射区30a的径向偏移。两个反射区30a、30b藉由在此处水平形成的连接部30c彼此连接。
反射区30a、30b与发射轴S和接收轴E、E’倾斜地对准，并且将沿着发射轴S发射的电磁辐射反射到接收轴E和E’的方向。在所示的实施例中，反射区30a将电磁辐射反射到第一接收器14的接收轴E的方向，而反射区30b将电磁辐射反射到第二接收器15的接收轴E’的方向。此外，反射区30a和30b相对于发射轴S具有相同的对准角度。在其他实施例中，该对准角度也可以采用不同的数值。
反射器16可以由不透明的塑料制成，并且可以具有反射涂层形式的反射区30a、30b。另外，可想而知，反射器16可由透明塑料制成并藉由全反射将发射器12沿着发射轴S发射的电磁辐射反射到接收轴E和E’的方向。
图2A至图2D以两个剖面图(2A和2B)和两个透视图(2C和2D)示出图1的实施例的发射和接收装置20。在发射和接收装置20中，一方面为发射器12，另一方面为第一接收器14和第二接收器15，双方被设置在载体部件22上的L形配置中，使得发射轴S和接收轴E或接收轴E’之间各自的对准角度均为90度。在这方面，发射轴S和接收轴E各自垂直于发射器12和第一接收器14的发射表面和接收表面，因此，发射轴S和接收轴E彼此成90度角。此对应关系也适用于发射轴S和第二接收器15的接收轴E’。
在图2A的图示中，根据图1A和图1B的实施例安装了发射和接收装置20。在这方面，第一和第二接收器14和15与载体部件22水平设置在图未示的支撑件上，而发射器12的紧固平面(fastening plane)被设置成与该支撑件成90度角。第2B图示出具有相反朝向的发射和接收装置20，其中，发射轴S垂直于代码载体18的延伸平面或运动平面。此处的发射器12与载体部件22一同水平设置在该支撑件上，而第一接收器14和第二接收器15各自的紧固平面设置成与该支撑件成90度角。发射和接收装置20的L形结构使得能够在两个对准变型之间快速改变，因此在光学编码器10的应用中提供了高度的灵活性。
在图1A和图1B的实施例中，反射器16和代码载体18形成一共同组件。图3A以剖面图示出包括反射器16和代码载体18的共同组件的一部分。在这方面，反射器16和代码载体18或代码盘沿共同的旋转轴D在轴向上彼此间隔设置，并且彼此固定地连接(例如黏合)。旋转轴D的方向由箭头指示。特别地，代码载体18或代码盘与反射器16的主延伸平面28平行地对准。反射器16和代码载体18因此作为刚体绕旋转轴D旋转，并以相同的转速或旋转频率绕旋转轴D转动。
图3B以剖面图示出包括反射器16和代码载体18的另一实施例的共同组件的一部份。与图1A、图1B及图3A的实施例相反，图3B的反射器16仅具有单一连续反射区31，反射区31设置在具有圆形轮廓的可旋转代码盘的周边。
图4A示出图1A和图1B的实施例的剖面图的一部分。光学编码器10可以例如连接至图未示的相关装置，以确定其运动或运动分量。光学编码器10经由旋转轴D接收该装置的所述运动或运动分量，并将其转换成反射器16和代码载体18的旋转。为此目的，反射器16和代码载体18可以固定地连接到一可旋转轴(图未示)，该可旋转轴可以是该相关装置的一部分和/或光学编码器10的一部分。
发射器12沿着发射轴S发射的电磁辐射被反射器16的反射区30a、30b反射到第一和第二接收器14和15的接收轴E和E’的方向。在图4A中，实线箭头表示以相应的方式被反射区30a、30b反射的电磁辐射的射束范围(beam extent)。相比之下，虚线箭头表示被发射和被反射而不到达第一或第二接收器14或15的电磁辐射的射束范围。
在从发射器12到第一接收器14和第二接收器15的途中，电磁辐射入射到绕旋转轴D旋转的编码载体18上，而该编码载体18的旋转速度由该相关装置的运动提供。由于代码载体18的运动，电磁辐射分别交替地入射到允许辐射穿透和吸收辐射的代码区26和27上，从而调变(modulate)第一接收器14和第二接收器15所接收的电磁辐射。现在可以相对于代码盘18或相关装置的速度、相对位置变化或绝对位置来评估入射在第一接收器14和第二接收器15上的电磁辐射的上述调变。
图4B和图4C示出位置偏移和公差在发射器12、反射器16与代码载体18、以及第一和第二接收器14、15的相对间距中的影响。图4B示出图4A的实施例的剖面图的一部分，其中，反射器16和代码载体18的共同组件与发射器12以及与第一和第二接收器14和15的间距减少，即该共同组件以根据图4B的图示的方式在径向向外偏移并在轴向向下偏移。另一方面，图4C示出图4A的实施例的剖面图的一部分，其中，反射器16和代码载体18的共同组件与第一和第二接收器14和15的间距增加，即该共同组件以根据图4C的图示的方式在轴向向上偏移。如图4B和图4C所示，这些位置偏移和间距变化可能会在光学编码器10的安装和操作过程中的典型公差范围内发生(例如，由于振动或温度影响)，但是对光学编码器10的可操作性没有影响。在所示的偏离标称相对间距(nominal relative spacing)的两种情况下，电磁辐射从反射区30a、30b取得，并被朝第一接收器14和第二接收器15的方向偏转，其中，电磁辐射以类似于图4A的方式，再次由实线和虚线箭头表示。换言之，尽管位置偏移和间隔变化，光学编码器10也可以稳定地操作。
所述的实施例的一个特别的优点还在于，代码载体18或代码盘可被安装在相对于旋转轴D的轴向方向上(因此沿着相关的驱动轴或连接轴安装，即图示中的垂直方向的上方)，而且发射器12和接收器14和15不会妨碍代码载体18的安装。
所述的实施例具有两个接收器14和15。然而，也可以推知仅有一个接收器并且省去第二接收器的实施例。
在所示实施例中由第二接收器15提供的第二测量通道可以例如用于确定旋转方向。在进一步的应用中，在以递增方式工作的光学编码器10中，第二测量通道可用于侦测特定旋转角度的通过，并从中确定完成的旋转次数。相比之下，对于用于确定旋转角度的绝对值的以绝对方式工作的光学编码器，绝对有必要形成至少一个这样的附加测量通道。
图5A至图5C以平面图示出以绝对方式工作的这种光学编码器10的接收装置的实施例。在图5A中，第一接收器14由一列接收组件56形成，例如为光二极管，其以线性矩阵的形式排在彼此之后。在这方面，第一接收器14被配置为ASIC 58(application-specificintegrated circuit，特定应用集成电路)。第二接收器15由单一接收组件56(特别是光二极管)形成，其与第一接收器14横向偏离设置，并且未整合在ASIC 58中。另一方面，图5B示出一个实施例，其基于图5A的实施例，但是在这方面具有第二接收器15，其接收组件56被整合在ASIC 58中。图5C示出接收装置的实施例，其中，复数接收组件56又可被配置为光二极管，复数接收组件56被设置在二维矩阵中并且被配置为ASIC 58。在这方面，该复数接收组件56各自对应于二进制编码的不同数值，由此可以确定旋转角度的绝对值。图5D的实施例与图5C的实施例的不同之处在于，各个接收组件56没有整合在ASIC中，而是离散的并且分别设置。
图6A至图6C示出光学编码器10的另一实施例的一部分的剖面图(图6A)以及两个透视图(图6B和图6C)。图6D还以底视透视图示出图6A至图6C的实施例的反射器32。在此实施例中，反射器32和代码载体18还形成围绕旋转轴D被可旋转地支撑的共同组件。发射器12、第一接收器14和第二接收器15的设置对应于图1A的实施例的设置(发射轴S平行于代码载体18的运动平面延伸，即在水平方向上延伸)。对照之下，图6A的实施例没有分开配置的代码载体(例如代码盘)，而是该代码载体被整合在反射器32的实施例中，即该代码载体与反射器32整合地一体成型。
为此目的，基本上为圆盘形的反射器32的外周边被划分为一序列的交替的辐射吸收区或辐射反射区。在此形成的倾斜的反射区34的序列同时也用作具有相对较低的分辨率的代码区序列。在反射器32围绕旋转轴D的旋转运动中，由发射器12发射的电磁辐射如果入射到反射区34之一上，即入射到反射代码区之一上，则仅被反射到第一接收器14的接收轴E的方向。
反射器32具有反射区36的另一序列，其与反射区34的序列在相对于反射器32的旋转轴的径向上偏离设置。在所示的实施例中，反射区36的另一序列是由单一反射区36形成，该反射区36可用作以递增方式工作的光学编码器10中的索引生成器，以确定例如围绕旋转轴D的完成的旋转次数。不过，复数反射区36也可特别设置为彼此之间具有均匀的角度间隔(例如180度、90度或45度)。
关于图1A至图4C以及图6A至图6D，值得注意的是，对于单一接收器14，仅提供单一发射轴S和单一接收轴E的实施例也是可能的。然而，在这样的实施例中也可以产生所谓的索引信号。光学编码器10的这种实施例的一部分在图7A至图7E中以三个透视图和两个剖面图示出，其中，图7A至图7C示出处于反射器16的第一旋转角度的光学编码器10。图7D与图7E示出处于反射器16的第二旋转角度的光学编码器10。发射器12、反射器16和代码载体18的设置对应于图1的实施例的设置，即反射器16和代码载体18形成一共同组件，该组件围绕旋转轴D被可旋转地支撑。在图7的实施例中，索引信号藉由反射器16在与一个或多个反射区34相邻的周边方向上具有至少一个中断区35而产生，尤其可以延伸至占有较宽的周边区域，然而，所述中断区35中断电磁辐射对于接收器14的照射，从而间接形成与代码载体18分离且独立的附加代码区。个别的中断区35尤其可以比编码载体18的最宽的吸收辐射的代码区26占有(可区别地)更大的周边角度。如果，相较之下，一个用于反射电磁辐射的反射区34位在射束路径中，则所发射的电磁辐射被偏转到接收器14的方向，其中，可以藉助代码载体18的代码区26进行调变。在此实施例中，不需要相对于该复数反射区34径向或轴向偏离设置另一序列的(一个或多个)反射区36。
在所示的实施例中，反射器16例如具有两个不同的中断区35(具有平坦表面的凹部或具有平坦表面的凸起)，所述中断区35各自位于处于图7所示的反射器16的所述旋转角度的射束路径中，且用于中断电磁辐射。然而，一般而言，仅具有单一中断区35的实施例也是可能的，或者也可以提供相同种类的复数中断区35，特别是具有相同的宽度(周边角度)或具有不同的宽度(为了相互区别)。各个中断区35可以中断所发射的电磁辐射对于接收器14的照射，例如藉由吸收电磁辐射，或者藉由将电磁辐射偏转到不通往接收器14的方向来导致中断。为此目的，各个中断区35可以特别地被相应地塑形、涂覆和/或表面结构化。
如果，如图7A至图7E所示，提供了两个中断区35，则可以特别可靠地从中断区35的已知的各自的宽度(周边角度)以及从中断区35的已知的间距产生索引信号。
图8A至图8F示出图6A的实施例的一版本(发射轴S正交于代码载体18的运动平面延伸，即沿垂直方向延伸)的一部分的剖面图(图8A和图8D)和四个透视图(图8B、8C、8E、8F)。在这方面，图8A至图8C和图8D至图8F分别示出处于反射器32的两个不同的旋转角度的光学编码器10，该不同旋转角度导致在第一接收器14和第二接收器15上的各自不同的照射。反射器32具有反射区36的另一序列，反射区36的另一序列与反射区34的序列在相对于反射器32的旋转轴的轴向上偏离设置。入射到反射区36的电磁辐射在这方面被偏转到第二接收器15的第二接收轴E’的方向以便照射第二接收器15并产生信号(图8A至图8C)。对照之下，如果电磁辐射入射到反射区34的其中之一，则电磁辐射被偏转到接收器14的接收轴E的方向以在该处产生信号(图8D至图8F)。此实施例提供了可靠、强健和稳定的替代方案，以执行仅需要低分辨率的测量。
图9A至图9C示出光学编码器10的另一实施例的一部分的剖面图(图9A)和两个透视图(图9B和图9C)，其中，射束偏转基于全反射。发射器12、第一接收器14和第二接收器15的设置对应于图1A或图6A的实施例的设置(发射轴S平行于代码载体18的运动平面延伸，即在水平方向延伸)。图9D还示出图9A至图9C的实施例的反射器38。反射器38被配置为大致圆盘形的平板40，由透明材料构成的圆环42从其外周缘向外突出。复数棱镜44在圆环42的内侧以规律间隔设置。棱镜44同样由透明材料形成并且分别以形状配合的方式连接到圆环42的内侧。
现在，相同棱镜44的序列形成反射区序列，其中，电磁辐射在棱镜44的面向旋转轴D的倒角表面被全反射。在此实施例中，棱镜44或反射区的序列也同时作为具有相对较低分辨率的代码区序列，即该代码载体整合在反射器38的配置中。在所示的实施例中，反射器38具有由单一棱镜46形成的另一反射区序列。棱镜46的配置使得仅有在棱镜46的全反射能导致电磁辐射照射在第二接收器15。
在根据图6、7、8及9的实施例中，也可以将代码载体或具有代码载体的反射器32、38进行轴向安装(即沿旋转轴的安装)。
图10A至图10C示出根据本发明的光学编码器10的另一实施例的一部分的剖面图(图10A)和两个透视图(图10B和图10C)。发射和接收装置20中的发射器12、第一接收器14和第二接收器15的设置例如对应于图1A和图2A至图2D所示的实施例的设置。相比之下，在图10A和图10B的实施例中，代码载体和反射器不再组合在组件中，而是各自形成单独的组件。
类似于图1A和图2的实施例，代码载体48被配置为具有圆形轮廓的薄代码盘，该薄代码盘围绕图未示的旋转轴被可旋转地支撑，且其朝向实质上垂直于接收器14的接收轴E。代码载体48具有代码区50的序列，代码区50例如可以再次配置为沿着代码载体48的径向延伸的细长狭缝，并且例如可以通过铣削、打孔或雷射切割形成。除了代码区50的序列之外，代码载体48还具有代码区51的第二序列，代码区51的第二序列与代码区50的序列径向偏离设置。在所示的实施例中，代码区51的第二序列包括单一辐射穿透的代码组件51，代码组件51以凹口形式允许电磁辐射通过以照射第二接收器15。
对比之下，反射器52被配置为不可移动的单独组件，其藉由支撑件53被固定在代码载体48上方的位置。反射器52具有两个反射区54a、54b，反射区54a、54b相对于代码载体48的旋转轴倾斜，且将沿着发射轴S发射的电磁辐射反射到第一和第二接收器14和15的接收轴E和E’的方向。
倾斜的反射区54a、54b在相对于代码载体48的旋转轴的轴向和径向上彼此偏离设置，并且通过此处水平形成的连接部54c彼此连接。因此，下反射区54b相对于上反射区54a在旋转轴D的方向上具有径向偏移。此外，反射区54a和54b相对于发射轴S具有相同的对准角度。然而，在其他实施例中，该对准角度也可以具有不同的数值。
反射器52可以例如包括不透明塑料并且可以在反射区54a和54b具有反射涂层。另外，可想而知，反射器52(具有合适的形状)由透明塑料制成，并且由发射器12发射的电磁辐射被全反射到代码载体48以及第一和第二接收器14和15的方向。在所示的实施例中，反射器52被配置为光学编码器10的发射和接收装置20的一部分。然而，反射器52也可以作为单独的组件存在，并且可以独立于发射和接收装置20而固定地安装。图10D以透视图示出反射器52也可以仅于发射和接收装置20以及代码载体48已经完成安装的时间点上安装。
替代地，如上所述，代码载体48可具有一周边切口，以沿其旋转轴进行轴向安装。
由于发射和接收装置20的倒置安装，以及与其相关联的发射器12与第一和第二接收器14、15的位置互换，图10A至图10D的实施例还可以实现为发射轴S(如第2B图所示)的朝向垂直于代码载体48的延伸平面或运动平面。
与上述实施例不同，还可以提供复数发射器12，特别是为每一个由代码区26的序列提供一个各自的发射器12且/或为每个接收器14、15提供一个各自的发射器12。各该发射器12可以具有自己的准直器24或共享一个共同准直器24。
上述的实施例图示了发射轴S和接收轴E、E’之间的对准角度具有90度的数值。由此得到简单的设计。然而，根据应用和安装环境，也可以提供发射轴S和接收轴E、E’之间的其他数值的对准角度，特别是具有较大数值的对准角度(例如120度或150度)，以实现发射器12和接收器14、15的更平坦的设置，或是具有较小数值的对准角度(例如60度或30度)，以实现发射器12和接收器14、15彼此更接近的相邻设置。反射器16、32、38、52各自的对准必须相应地适配(在镜面反射器(specular reflector)的情况下，特别地适配至发射轴S和接收轴E、E’之间的对准角度的一半)。
符号说明
10:光学编码器
12:发射器
14:接收器
15:第二接收器
16:反射器
18:代码载体
20:发射和接收装置
22:载体部件
24:准直器
26:代码区
27:代码区
28:主延伸平面
30a:反射区
30b:反射区
30c:连接部
31:反射区
32:反射器与代码载体
34:反射区或反射代码区
35:中断区
36:反射区
38:反射器
40:圆盘型平板
42:透明圆环
44:棱镜
46:棱镜
48:代码载体
50:代码区
51:代码区
52:反射器
53:支撑件
54a:反射区
54b:反射区
54c:连接部
56:接收组件
S:发射轴
E:接收轴
E':接收轴
D:旋转轴。

Claims (18)

1.一种光学编码器(10)，包括：发射器(12)；接收器(14)；反射器(16)；以及代码载体(18)，
其中，所述发射器(12)沿着发射轴(S)朝所述反射器(16)的方向发射电磁辐射；
其中，所述反射器(16)具有至少一个反射区(30a,30b)，所述至少一个反射区(30a,30b)将所述电磁辐射沿着接收轴(E)朝所述接收器(14)的方向偏转；
其中，所述代码载体(18)被可移动地支撑，并具有代码区(26)的序列，以根据所述代码载体(18)的位置中断所发射的所述电磁辐射、或允许所发射的所述电磁辐射通过以照射所述接收器(14)；以及
其中，所述发射轴(S)和所述接收轴(E)相对于彼此以对准角度延伸，所述对准角度的数值处于30度至150度的范围内。
2.如权利要求1所述的光学编码器(10)，
其中，所述发射轴(S)和所述接收轴(E)之间的所述对准角度为90度。
3.如权利要求1或2所述的光学编码器(10)，
其中，所述代码载体(18)被构造为围绕旋转轴(D)被可旋转地支撑的代码盘，并且所述代码盘具有与所述旋转轴(D)径向间隔设置的至少一个圆环形代码轨道(25)，所述圆环形代码轨道(25)具有所述代码区(26)的序列；或者
其中，所述代码载体(18)被构造为可线性移动的代码条，所述代码条具有至少一个直线代码轨道，所述直线代码轨道具有所述代码区的序列。
4.如权利要求1至3中任一项所述的光学编码器(10)，
其中，所述代码区(26)的序列被交替配置为：在一方面吸收辐射，而在另一方面允许辐射穿透或反射幅射。
5.如权利要求1至4中任一项所述的光学编码器(10)，
其中，所述反射器(16)的所述至少一个反射区(30a,30b)倾斜地对准所述发射轴(S)和所述接收轴(E)，尤其是分别以45度角倾斜地对准所述发射轴(S)和所述接收轴(E)。
6.如权利要求1至5中任一项所述的光学编码器(10)，
其中，所述反射器(16)和所述代码载体(18)是由一共同组件形成。
7.如权利要求6所述的光学编码器(10)，
其中，所述反射器(16)是可移动的。
8.如权利要求6或7所述的光学编码器(10)，
其中，所述反射器(16)被配置为可旋转盘，其中，所述至少一个反射区(30a,30b)设置在所述可旋转盘的倾斜周边上。
9.如权利要求6至8中任一项所述的光学编码器(10)，
其中，所述反射器(16)的所述至少一个反射区(30a,30b)与所述代码区(26)的序列分开形成，且所述代码区(26)的序列交替配置为吸收辐射或允许辐射穿透。
10.如权利要求9所述的光学编码器(10)，
其中，所述代码区(26)的序列设置于所述代码载体(18)上，以使所述电磁辐射以垂直或实质上垂直的方式入射到所述代码区(26)的序列。
11.如权利要求1或2所述的光学编码器(10)，
其中，所述反射器(16)被构造为围绕旋转轴(D)被可旋转地支撑的可旋转盘，所述反射器(16)的所述至少一个反射区(30a、30b)设置在所述可旋转盘相对于所述旋转轴(D)倾斜的周边；以及
其中，所述代码载体(18)被构造为与所述反射器(16)固定连接并沿该旋转轴(D)的法平面延伸的代码盘，所述代码载体(18)具有与所述旋转轴(D)径向间隔设置的至少一个圆环形代码轨道(25)，所述圆环形代码轨道(25)具有所述代码区(26)的序列，且所述代码区(26)的序列交替配置为吸收辐射或允许辐射穿透。
12.如权利要求1至11中任一项所述的光学编码器(10)，
其中，所述反射器(16)的至少一个中断区(35)形成附加代码区，所述至少一个中断区(35)与所述至少一个反射区(30a、30b)相邻设置并中断所发射的该电磁辐射。
13.如权利要求1至8中任一项所述的光学编码器(10)，
其中，所述代码区(26)的序列交替配置为吸收辐射或反射辐射。
14.如权利要求1至8或13中任一项所述的光学编码器(10)，
其中，所述代码区(26)中的一个、部份或全部由所述至少一个反射区(30a、30b)形成。
15.如权利要求1至8、13或14中任一项所述的光学编码器(10)，
其中，所述反射器(16)具有反射区(30a、30b)的序列。
16.如权利要求1至5中任一项所述的光学编码器(10)，
其中，所述反射器(16)和所述代码载体(18)由单独的组件各自形成。
17.如权利要求16所述的光学编码器(10)，
其中，所述反射器(16)设置为不可移动的。
18.如权利要求1至17中任一项所述的光学编码器(10)，
其中，所述代码载体(18)具有代码区(26)的复数序列，且所述复数序列形成彼此相邻设置的复数代码轨道。
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