CN1149708A

CN1149708A - 旋转编码器

Info

Publication number: CN1149708A
Application number: CN96119957.1A
Authority: CN
Inventors: 大友文夫; 熊谷薰
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 1995-09-24
Filing date: 1996-09-24
Publication date: 1997-05-14
Anticipated expiration: 2016-09-24
Also published as: JPH0989595A; US5786593A; DE69633213T2; EP0765039B1; DE69633213D1; EP0765039A2; EP0765039A3; JP3168451B2; CN1077282C

Abstract

本发明涉及检测角度用的旋转编码器，尤其是转子上形成具有周期不同的多个图谱的标尺，可通过读取这种标尺高精度地测定转子角度的旋转编码器，该编码器由转子与定子组成，转子上形成的标尺具有按第一周期调制的第一图谱和按与第一周期不同的第二周期调制的第二图谱，使第一图谱与第二图谱以相等间距在转子旋转方向上顺序排列，标尺检测装置则读取标尺图谱，还可以通过线宽变化这种空间调制来进行第一图谱和第二图谱的调制。

Description

旋转编码器

本发明涉及检测角度用的旋转编码器，特别涉及一种转子上形成具有多个周期不同的图谱的标尺，可高精度测定转子角度的旋转编码器。

众所周知，以往用作角度电测定的设备有编码器。编码器有光学式和磁式的，其基本构造相类似。

旋转编码器一直广泛用于角度的电测定。尤其是光学式编码器，应用高精度光学技术制造，可实现高精度、高分辨率编码器，在抗外部噪声方面强于磁式等编码器，并且为非接触式结构，因而具有寿命长的特点。

由于这种优异特性，光学式编码器用于例如进行角度检测用的测量仪中。

目前测量仪所使用的光学式编码器采用绝对制和增量制。

绝对制是角度值与圆周位置一一对应的制式，圆周位置作为绝对地址记录，因而有不论何种位置都可以得到位置信息的优点。例如，如图7所示，按同心圆形状形成编码器图谱，成为读取角度用的码图。该角度读取用码图由第一轨迹5000和第二轨迹6000两条轨迹组成，形成粗、细或粗、中、细码图。

而且，如图8所示，具有照明第一轨迹5000用的第一轨迹照明部7100，照明第二轨迹6000用的第二轨迹照明部7200、7200，检测编码器图谱用的CCD7300。第一轨迹照明部7100和第二轨迹照明部7200、7200组成的照明部与CCD7300配置成夹在转子两边。而且，构成为可从码图读取任意位置的角度。

而增量制如图9所示，由形成有主标尺8511和零位信号检测用标记8512的转子8510；形成有标记分度头用副标尺8522和副标尺8523、8523的定子8520；配置成夹在转子8510和定子8520两边的检测装置8530组成。

转子8510上形成的主标尺8511在圆周上设有等间隔格子刻度。转子8510上形成的零位信号检测用标记分度头8512作为主标尺8511的计数基准点。

另外，零位信号检测用标记分度头8512在从规定位置开始计数时要用，而从任意位置开始计数时不要用。

固定的定子8520上配置有2个副标尺8523、8523和标记分度头用副标尺8522。副标尺8523、8523具有间隔与主标尺8511相同的格子刻度，但量程构成得较短。

检测装置8530由标记分度头检测部和主标尺检测部组成。标记分度头检测部由第一发光元件8531、第一准直透镜8532和第一感应元件8533组成，可测定转子8510上形成的零检测用标记分度头8512。

主标尺检测部由第二发光元件8535、第二准直透镜8536和第二感光元件8537组成，并将转子8510上形成的主标尺8511的明暗图谱当作断续的光检出，再由第二感光元件8537将此断续光变换为电信号后，对此电信号计数，从而可测定零位检测点起的角度。

具体来说，转子8510旋转时，主标尺8511每移动1间距，便产生光的断续，第二感光元件8537通过对光的明暗进行感光，可得到正弦波信号。

又，从2个副标尺8523、8523检测出的正弦波相位偏移1/4间距，由此相位偏移，可以检测转子8510的旋转方向。

而且，构成为从第二感光元件8537得到的正弦波信号加有偏置，可检测比主标尺8511格子刻度间隔更微小的角度。通过在算术上使相移的正弦波增加，也可以检测比主标尺8511格子刻度间隔更微小的角度。

但绝对制其问题在于，构造复杂，为内置于测量仪中所进行的小型化和轻量化工作极其困难。

而增量制的编码器，由于是读取形成在转子8510上主标尺8511的制式，例如主标尺8511直径为80mm左右，格子间隔为60秒的话，一圈的刻度线就达到21600根，所以主标尺8511的1个间距必须为非常细(达几十μm)的标度。

这么细的标度是通过从母板缩小投影到光刻胶上再进行蚀刻制成的，但这种格子刻度的平行度、粗细均匀性和间隔精度等对于编码器信号的稳定性是很关键的。

例如格子形状不完整时，或某一格子刻度产生格子间隔不均匀等缺陷的话，就有不能计数，或者难以计数这类问题。

此外，增量制编码器其构成是逐个读取转子8510上形成的主标尺8511刻度的，因而有转子8510急速旋转、或受到振动时无法进行计数的深层次问题。

本发明为检测角度用的旋转编码器，由转子和定子组成，转子上形成的标尺具有按第一周期调制的第一图谱和按与第一周期不同的第二周期调制的第二图谱，并且在转子旋转方向上顺序等间距排列第一图谱和第二图谱，标尺检测装置则读取标尺的图谱，还可以通过变化线宽这种空间调制来进行第一图谱和第二图谱的调制。

图1是示意本发明实施例编码器1000的构成图。

图2(a)是说明本实施例编码器1000原理的说明图。

图2(b)是说明本实施例编码器1000原理的说明图。

图3是示意本实施例电子构成的构成图。

图4是说明本实施例测定原理的说明图。

图5是说明本实施例测定原理的说明图。

图6是示意本实施例运算处理装置16的构成图。

图7是现有技术的说明图。

图8是现有技术的说明图。

图9是现有技术的说明图。

根据附图说明本发明实施例。

图1中，本实施例编码器1000由转子100、转子100上形成的标尺200、定子300和标尺检测装置400组成。

转子100上形成的标尺200由经过空间调制的图谱构成，该图谱做成至少具有按第一周期调制的第一图谱和按与该第一周期不同的第二周期调制的第二图谱，并且将第一图谱和第二图谱顺序等间距排列在旋转方向上。

具体来说，第一图谱和第二图谱的调制采用的是使线宽变化的空间调制。

标尺检测装置400做成夹在转子100和定子300的两边，由发光元件410、准直仪420和线型传感器430构成。

线型传感器430是用于将转子100上形成的标尺200的图谱变换为电信号的装置。线型传感器430形成在定子300上，本实施例中采用CCD线型传感器。另外，线性传感器430不限于CCD线型传感器，只要是将光敏二极管至少配置成一维的线型图像传感器，不论何种传感器都可以采用。

运算处理装置16如图3所示，由放大器161、取样保持器162、A/D变换器163、RAM164、时钟驱动器165、微型计算机166和显示器167组成。

这里，说明转子100上形成的标尺200及其测定原理。

为了简化说明，光将转子100上按同心圆形状形成的标尺200展开，如图2(a)所示，替换为直线加以说明。

转子100上按同心圆形状形成的标尺200如图2(b)所示，以相等的间隔(p)重复配置第一图谱A、第二图谱B和第三图谱R。具体来说，以3种图谱为一组连续形成各个图块，若配置在最左一侧的图块定义为图块0，记作R(0)、A(0)、B(0)的话，则重复配置着R(1)、A(1)、B(1)，R(2)、A(2)、B(2)，……。另外，全部图谱都是以相等间隔p重复，因而以与此间隔相应的信号作为基准信号。

本实施例中，相等间隔(p)例如设定为183.8秒(换算为角度时都是183.8秒)，但可以采用任何间隔距离。而且，第三图谱R的宽度是固定的，第一图谱A黑色部分宽度，按照360度/50为一周期进行调制，第二图谱B黑色部分宽度，按照360度/47为一周期进行调制。第一图谱A和第二图谱B只要周期稍稍有差异，可以采用任何周期。另外，第一图谱A、第二图谱B的调制状况如图2(b)所示。

这里说明由标尺200测出规定角度的原理。

转子100上按同心圆形状形成的标尺200的第一图谱A以360度/50为一周期对黑色部分宽度进行调制，因而调制宽度为0-183.8秒的话，第一图谱的宽度D_A由下式表达。

D_A＝91.9秒*(1+SIN(2*π*X/(1296000秒/50))) (式1)

其中X＝183.8秒，735.3秒，1286.8秒……

同样，转子100上按同心圆形状形成的标尺200的第二图谱B以27574.5秒为一周期对黑色部分宽度进行调制，因而第二图谱宽度D_B由下式表达。

D_B＝5*(1+SIN(2*π*X/(1296000秒/47))) (式2)

其中X＝367.7秒，919.1秒，1470.6秒……

第三图谱宽度固定，是第一、第二图谱最大调制值的80％即147.1秒。

而且第一图谱A与第二图谱B的周期稍微有差异，所以两者最小公倍数定义的一圈内有相同图谱(相同点)出现。因而，第一图谱A信号与第二图谱B信号的相位差在转子100转动一圈的范围内周期变化为0-2π。

也就是说，令第一图谱A产生信号的相位为φ_A，第二图谱B产生信号的相位为φ_B的话，转子100的角度θ为：

θ＝(φ_B-φ_A)/(50-47) (式3)

接下来具体说明转子100其角度θ的运算方法。

在基准信号(与相等间距p相当的信号)前后半个间距上对线型传感器15的输出信号积分。此外，该积分值每隔2个抽取一个(乘积检波)的话，便可得到如图4所示与第一图谱A相当的信号1，与第二图谱B相当的信号2和与第三图谱R相当的信号3。但第三图谱R宽度未经调制，而且相对于第一图谱A和第二图谱B最大调制宽度183.8秒，该宽度只是147.1秒，因而与第三图谱R相当的信号3，其积分值基本上恒定，与信号1和信号2相比，约为后者的80％。

而且，第三图谱R、第一图谱A和第二图谱B是按确定的顺序重复配置的，因而所抽取的信号可以确定是第三图谱R、第一图谱A和第二图谱B中的哪一个。此外，要去除光量随机变化的杂光的影响，如图5所示，以与第三图谱R相当的信号为基准，得到(A-R)、(B-R)信号。

接下来，从(A-R)、(B-R)信号当中选择与角度读取位置对应的线型传感器15地址位置(第m间距)的含基准信号在内的R、(A-R)和(B-R)这一组信号，求出(A-R)与(B-R)相位的话，便可求得是转子100上按同心圆形状形成的标尺200上哪个位置的第一图谱A、第二图谱B和第三图谱R的组合。

这里，令(A-R)信号为Am，(B-R)信号为Bm，(A-R)信号最大振幅的1/2为Wa，(B-R)信号最大振幅的1/2为Wb的话，则(A-R)与(B-R)的相位φ_a、φ_b分别为：

φ_a＝SIN^-1(Am/Wa) (式6)

φ_b＝SIN^-1(Bm/Wb)-2*π(183.8/(360*60*60/47))

＝SIN^-1(Bm/Wb)-2*π(183.8/27574.5) (式7)

式7尾数部分是因为第二图谱B相当的信号其位置与第一图谱A相当的信号相比偏移183.8秒的缘故。

而且，将式6和式7代入式3的话，便可检测出与第一图谱A相应的信号在标尺200上的位置，从而求得转子100的角度θ。若基准信号属于第三图谱R，则要减183.8秒，若基准信号属于第二图谱B，则可以力183.8秒。因此，可以检测出转子100上按同心圆形状形成的标尺200上的位置，从而求得转子100的角度θ。

接下来详细说明装在本实施例编码器1000上的运算处理装置16。

放大器161是放大线型传感器430输出电信号的电路，取样保持器162是按时钟驱动器165输出的时钟信号对放大的电信号取样保持的电路，A/D变换器163用于对取样保持的电信号进行A/D变换。而且，RAM164用于存储经过A/D变换的数字信号。微型计算机166则进行各种运算处理。

这里，根据图6说明微型计算机166所起的作用。运算处理装置16由基准信号形成部1661、图谱信号形成部1662和运算部1664组成。基准信号形成部1661是由线型传感器430得到的电信号，通过高速傅里叶变换，形成与相等间距p相当的基准信号的电路。

图谱信号形成部1662在基准信号前后半个间距上积分，每隔三个间距抽取一个该积分值(乘积检波)，形成第一图谱信号与第二图谱信号。

运算部1664是根据第一图谱信号与第二图谱信号的相位，对式3进行运算，求得转子100角度θ的部分。

显示器167是显示运算部1664所算出的转子100角度θ的装置，可以采用液晶显示等显示装置，而且还可以做成输出至外部存储装置。

这里具体说明本实施例编码器1000。

转子100上按同心圆形状形成的标尺200由第一图谱A、第二图谱B和第三图谱R组成。

第一图谱A以360度/50为一周期，第二图谱B以360度/47为一周期。因而A＝50周期、B＝47周期的话，在最小公倍数位置上就有相同图谱出现。也就是说，该位置相当于零位信号用标记分度头。

已往的编码器，若格子间隔设定为60秒的话，由该格子得到的信号最多可检测到0.2秒左右的角度。

本实施例的编码器1000中，可检测到条形码间隔的1/1000，即最多可检测到0.2秒*1000的角度，相当于隔开38.78μm。由此求得刻度间距的话，一圈便为6480个间距。

根据第一图谱A(A＝50周期)和第二图谱B(B＝47周期)，A与B的最小公倍数为2350的单元，在此之上加上第三图谱R，为3个间距的话，则为

2350*3＝7050

一间距为(360*60*60)/7050＝183.8秒

分辨率为183.8秒*1000＝0.18秒

如上构成的本发明包括转子和定子，转子上形成的标尺具有按第一周期调制的第一图谱和按与第一周期不同的第二周期调制的第二图谱，第一图谱与第二图谱在转子旋转方向以相等间距顺序排列，标尺检测装置读取标尺图谱。

本发明还可以通过使线宽变化的空间调制进行第一图谱和第二图谱的调制。

而且，本发明除第一图谱与第二图谱以外，还包括不变的第三图谱，第一图谱、第二图谱和第三图谱也可以在转子旋转方向上以相等间距顺序排列。

本发明，形成在转子上的标尺具有按第一周期调制的第一图谱和按与第一周期不同的第二周期调制的第二图谱，使第一图谱与第二图谱以相等间距在转子旋转方向上顺序排列，标尺检测装置读取标尺图谱，运算处理装置根据标尺检测装置的检测信号，运算转子角度，运算处理装置的基准信号形成部根据标尺检测装置检测出的检测信号间距形成基准信号，图谱信号形成部由基准信号形成部形成的基准信号和标尺检测装置检测的检测信号形成第一图谱信号和第二图谱信号，运算部可以根据第一图谱信号相位和第二图谱信号相位运算转子角度，因而不需要象以往增量制编码器那样使格子做得很细，不需要捕捉格子边缘部分，因而具有制作容易，成本便宜的效果。

本发明第一图谱与第二图谱还可做成至少具有一处周期性相同的相同点。

而且具有转子不论处于何位置，都可以进行相位差的测定，仅对定子的线型标尺进行检测就可以检测角度的卓越效果。

因而，本发明旋转编码器兼有增量制和绝对制的优点，具有可以提供附加值高、便于商品化的编码器的效果。

Claims

1.一种旋转编码器，由转子和定子构成，其特征在于，所述编码器包括下列组成部分：形成于所述转子上，具有按第一周期调制的第一图谱和按与该第一周期不同的第二周期调制的第二图谱，并使所述第一图谱与所述第二图谱以相等间距在所述转子旋转方向上顺序排列的标尺；用于读取该标尺图谱的标尺检测装置。

2.如权利要求1所述的旋转编码器，其特征在于，所述第一图谱和所述第二图谱的调制是通过变化线宽的空间调制进行的。

3.如权利要求1或2所述的旋转编码器，其特征在于，除了所述第一图谱和所述第二图谱之外，还包括不变的第三图谱，并通过使所述第一图谱、第二图谱和第三图谱以相等间距在所述转子旋转方向上顺序排列构成。

4.一种旋转编码器，由转子和定子构成，其特征在于，所述编码器包括以下组成部分：形成于所述转子上，具有按第一周期调制的第一图谱和按与该第一周期不同的第二周期调制的第二图谱，使所述第一图谱与所述第二图谱以相等间距在所述转子旋转方向上顺序排列的标尺；用于读取该标尺图谱的标尺检测装置；根据该标尺检测装置的检测信号，运算转子角度用的运算处理装置，该运算处理装置包括：根据所述标尺检测装置检测出的检测信号间隔形成基准信号用的基准信号形成部；由该基准信号形成部形成的基准信号和所述标尺检测装置检测出的检测信号，形成所述第一图谱信号和所述第二图谱信号用的图谱信号形成部；根据所述第一图谱信号的相位和所述第二图谱信号的相位求出转子角度用的运算部。

5.如权利要求1至4中任一项所述的旋转编码器，其特征在于，所述第一图谱与所述第二图谱至少具有一处周期性相同的相同点。