CN1311852A - 角度编码器 - Google Patents

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Abstract

一种角度位置传感器,包括可绕相对于周围外壳(5)所安装的旋转轴(8)而旋转的机体(1)。机体具有光栅元件(2),光栅元件(2)包括围绕旋转轴的旋转表面。该表面包括以单个二进位条形码无穷连续形式排列的高(21)和低(22)EMR反射率区域的伪随机分布。该传感器包括对于外壳所安装的EMR源(10)和EMR灵敏探测器阵列(9)。源照射表面并且阵列接收由表面反射的入射EMR。由入射EMR在该阵列上所产生的图形起因于表面低和高反射率的交互区域。由处理器(11)对图形进行处理来得到相对于外壳区域的绝对角度位置,并因此提供旋转体相对于外壳的绝对角度位置测量。

Description

角度编码器
发明领域
本发明涉及角度位置传感器，具体的是在不需要计算参考标记的情况下感测旋转体的绝对旋转角度。
发明背景
通常，角度位置传感器已经用于感测旋转体的旋转角度。这些通常由探测器单元和具有交替透明和不透明所形成对比条或反射条材料的刻度盘所组成，可以由探测器单元探测出其位移，包括光发射、光探测和光学装置。
刻度盘由光发射装置所表示，该装置是电磁辐射(EMR)源、通常是紫外线(UV)、可视的或红外线(IR)光，其在对EMR敏感的光探测器的一个或多个阵列上产生图形。这种阵列包括CCD装置、VLSI可视芯片、一维和两维光探测器阵列和平面效应光二极管(通常指例如PSD或位置灵敏装置)。进行一个或多个阵列的输出以产生旋转体角度位置的测量。可以将刻度盘布置在旋转体轴的轴向或径向，并且其本性允许不顾旋转体的角度位置允许阵列的连续输出，当所限阵列维数不允许在任何时刻阵列及时观察整个圆周或径向表面时。
这种传感器通常提供基于刻度盘的增量角度位置的信号，并且通过计算已知参考标记来确定绝对的角度位置。通常基本通过众所公知的技术例如积分插补来提高增量传感器的精度。这种积分方法需要不变的条角度间隔。
此外，传感器可以通过利用用于刻度盘的条形码来提供基于绝对位置的信号。当每组条形码对于所感测的每个角度位置是唯一的时，这些条形码通常不会具有恒定的角度条间隔，并且这种绝对位置传感器通常不提供位置测量精度，该位置测量精度是当不能使用积分插补技术时增量传感器所提供的。
但是，如果需要绝对位置传感器具有高精度，则需要两个刻度盘。首先通过条形码的询问来测量近似绝对位置，然后通过规则条形图形的积分插补来提供精确的相对位置。
现有技术提供了高精度绝对位置测量，并且在5,235,181号(Durana等人)的美国专利中所描述的和本发明的非常相关。其描述的传感器包括：两个刻度盘、近似绝对位置的伪随机条形码刻度盘以及精确相对位置的规则隔开的刻度尺。
在5,235,181号美国专利中所描述的位置传感器具有几个固有的缺点。使用两个刻度盘使得使用多个光探测器阵列成为必要，这与单个阵列相比会增加成本。此外，需要刻度盘和阵列相互之间定位非常精确，这也会增加成本并且限制传感器的最大精度。此外，维修中机械偏差和装配间隙不可避免的变化导致两个阵列相对位置的不确定，这也可能会限制最大精度。
本发明的目的在于，为近似分辨率绝对位置探测和精确分辨率增量位置感测提供单个刻度盘，其能够提供所有必需的信息。更适合的是，这可以通过使用具有恒定条间距和可变条宽度的条形码、或具有可变条间距的条形码特定形式来实现。因此，条形码提供绝对位置感测所需的二进位信息，并且还提供能够精确分辨位置插补的规则条形图形。此外，传感器更适合依靠反射原理，其中光发射装置和光探测装置位于旋转体的同侧，并且刻度盘包括高和低反射率的区域。
与5,235,181号美国专利中所描述的相比，这种设计有几个优点。首先，当仅使用单个刻度盘时，仅需要一个光探测器阵列，从而降低成本。第二，当组合使用两个刻度盘时，将消除相对刻度盘未对准引起的误差，从而提供更好的测量精度。第三，两个刻度盘的组合将减少传感器对机械偏差、公差或轴承间隙的敏感，消除现有技术中所描述的两个刻度盘相对位置和阵列中的变化。第四，反射刻度盘的使用允许更简单和更紧凑的结构，由于其允许光发射和光探测装置在相同装配中组装，节约了传感器的空间和成本。第五，与能传送的刻度盘相比，使用反射刻度盘的另一个优点是EMR从刻度盘的表面反射并且当具有隙缝的情况时EMR不会受边缘散射的影响、或当在EMR必须穿过传送区域中介质的透明材料的情况下不受来自内部反射、衍射或随时间过去而衰减等其他问题的影响。否则这种影响将限制传感器的最大分辨率。最后，组合的刻度盘没有两个分离的刻度盘复杂，因此能够使其产生较快的速度和较低的成本，尤其是如果通过使用例如激光刺点的直接写技术。
简要发明
本发明是一种角度位置传感器，其包括至少由外壳部分围绕的至少一个机体，机体可绕相对于外壳所安装的旋转轴而旋转，机体包括固定在该处或与之是整体的光栅元件，光栅元件包括绕旋转轴旋转的表面，表面包括以单个二进位条形码无穷连续形式排列的高和低EMR反射率区域的伪随机分布；传感器还包括至少一个EMR源和至少一个EMR灵敏探测器的阵列，源照射表面并且阵列接收由表面反射的入射EMR，源和阵列相对于外壳所安装，因此由入射EMR在阵列上所产生的图形起因于光栅元件表面低和高反射率的交互区域，由处理器对阵列上的图形进行处理来得到相对于外壳的区域的绝对角度位置，并因此提供旋转体相对于外壳的绝对角度位置的测量。
在一个实施例中，至少一个机体包括两个旋转体，每一个旋转体都具有各自的光栅元件，通过一组预定的抗扭刚度来连接这两个旋转体；和至少一个EMR灵敏探测器的阵列，用于接收由光栅元件表面反射的入射EMR，通过处理图形来得到相对于外壳的光栅元件表面区域的绝对角度位置，并且还通过处理角度位置之间的差值来得到光栅元件的相对角度位置，并因此提供该元件所传送扭矩的测量。至少EMR灵敏探测器的一个阵列可以是EMR灵敏探测器的两个阵列，其每一个均与各自的光栅元件有关。至少一个EMR源可以是两个EMR源，其每一个与各自的光栅元件有关。
更适合的是旋转表面可以至少部分是圆柱形或部分是圆锥形。
更适合的是高EMR反射率区域或低EMR反射率区域包括具有恒定中心线节距和可变厚度的条。更适合的是可变厚度的条包括至少两个离散厚度的条。更适合的是具有两种厚度的条，也就是宽条和窄条。
此外，更适合的是高EMR反射率区域或低EMR反射率区域包括具有可变中心线节距的条并且该节距是基本节距的整数倍。更适合的是可变中心线节距的条具有恒定的厚度。此外条可以有可变的厚度。更适合的是可变厚度条包括至少两个离散的厚度。更适合的是条只具有两个厚度，也就是宽条和窄条。
在一些实施例中，旋转表面具有从那里径向突出的城堡状突起。更适合的是高反射率区域相应于最大城堡状突起的区域，并且低反射率区域与城堡状突起之间较小突起区域有角度的排成直线。此外，更适合的是对最大突起的区域平滑地进行机械加工、制模加工或烧结，或者利用油漆或通过沉积得到高反射率的材料来对表面进行处理；并且对不连续的缝隙区域或较小突起的区域平滑地进行机械加工、制模加工或烧结，或者利用油漆或通过沉积得到低反射率的材料来对表面进行处理。
更适合的是对高反射率区域喷涂金属，其是发光的或浅色的；并且低反射率区域是充分透明、无光泽、粗糙或深色的，因此形成反射刻度盘。
在表面内或外径向布置至少一个EMR探测器的阵列。
更适合的是至少一个EMR探测器阵列包括一维或两维阵列、CCD、VLSI可视芯片或平面效应光二极管。
更适合的是还由处理器对图形进行处理来得到旋转体相对于外壳的角速度。
附图的简要描述
现在将凭借附图表示的示例来描述本发明，其中：
图1a是根据本发明第一实施例角度位置传感器的剖面简图，表示由径向突出的城堡状突起所提供高和低反射率区域、以及径向分布的光探测器阵列所组成的旋转体；
图1b是表示图1a中所示光栅元件局部放大的刻度盘示意图；
图2a是类似于图1a中所示的角度位置传感器的剖面简图，其利用轴向突出的城堡状突起和轴向分布的光探测器阵列；
图2b是表示图2a中所示光栅元件局部放大的刻度盘示意图；
图3a是根据本发明第二实施例角度位置传感器的剖面简图，表示由具有高和低反射率区域的圆柱状刻度盘表面和径向分布的光探测器阵列所组成的旋转体；
图3b是表示图3a中所示光栅元件局部放大的刻度盘示意图；
图4a是类似于图3a中所示的角度位置传感器的剖面简图，其利用具有轴向分布的光探测器阵列的圆盘状刻度盘表面；
图4b是表示图4a中所示光栅元件局部放大的刻度盘示意图；
图5表示在光探测器阵列上入射的图形、以及提供近似分辨率绝对角度测量和精确分辨率插补增量测量所利用的技术，和
图6是根据本发明第三实施例角度位置传感器的剖面简图，其中该传感器包括由扭转元件所连接的两个旋转体，并且该传感器提供由扭转元件所传送的扭矩测量。
实现发明的模式
图1a和1b表示根据本发明第一实施例的角度位置传感器。旋转体1包括光栅元件2，光栅元件2具有由高和低EMR反射率区域交互构成的不连续外部圆柱表面14，以单个二进位条形码的形式排列。光栅元件2包括在径向伸展空腔4中所插入的径向突出的城堡状突起3。圆柱表面14上的高反射率区域相应于相对旋转体1旋转轴8的城堡状突起3最大半径12的区域，并且可以对其平滑地进行机械加工、制模加工或烧结，或者利用油漆或通过沉积得到所需高反射率的材料来对表面进行处理。圆柱表面14上的低反射率区域相应于不连续缝隙区域13，并且其由于空腔4的存在而基本上不反射，包括排列在比前述区域12半径小的最小半径15区域，并且对其进行理想的机械加工、制模加工或烧结，或者利用油漆或通过沉积得到低反射率的材料来对表面进行处理。将旋转体1装入外壳5中并且由轴承6和7对其进行支撑，并且其能够绕旋转轴8而旋转。EMR源10和EMR灵敏光探测器阵列9安装在外壳5中，并且将其布置成使EMR源10照亮不连续表面14，表面14将EMR反射到基本上径向布置阵列9。因此在阵列9上产生图形，并由处理器11对其进行处理来提供旋转体1相对于外壳5的绝对角度位置的测量。必须注意的是该说明书中的单词“反射”、“被反射”、“反射率”是指镜面反射和/或漫反射。
图2a和2表示根据本发明第一实施例的另一种角度位置传感器。旋转体1包括光栅元件2，光栅元件2其具有由高和低EMR反射区域所交替组成的不连续径向扁平圆盘表面14，以单个二进位条形码连续的方式对其进行布置。光栅元件2包括在轴向伸展空腔4之间所插入的轴向突出的城堡状突起3。高反射率区域相应于相对旋转体1旋转轴8的城堡状突起3最大轴向突起12的区域，并且可以对其平滑地进行机械加工、制模加工或烧结，或者利用油漆或通过沉积得到所需高反射率的材料来对表面进行处理。低反射率区域相应于不连续缝隙区域13，并且其由于空腔4的存在而基本上不反射。将旋转体1装入外壳5中并且由轴承6和7对其进行支撑，并且其能够绕旋转轴8而旋转。EMR源10和EMR灵敏光探测器阵列9安装在外壳5中，并且将其布置成使EMR源10照亮不连续表面14，表面14将EMR再辐射到基本上轴向布置的阵列9。因此在阵列9上产生图形，并由处理器11对其进行处理来提供旋转体1相对于外壳5的绝对角度位置的测量。
图3a和3b表示的是根据本发明第二实施例的角度位置传感器。旋转体1的光栅元件2包括由高和低反射率区域交替组成刻度盘形式的连续圆柱表面20，以单个二进位条形码的形式进行排列。喷涂金属的敷层、或其他发亮或浅色的材料或表面处理，提供基本上轴向排列的高反射率区域21。充分透明、无光泽、粗糙或深色材料或表面处理提供空隙隔开的低反射率区域22。将旋转体1装入外壳5中并且由轴承6和7对其进行支撑，并且其能够绕旋转轴8而旋转。EMR源10和EMR灵敏光探测器阵列9安装在外壳5中，并且将其布置成使EMR源10照亮高和低反射率区域21和22，区域21和22将EMR再辐射到基本上径向布置的阵列9。因此在阵列9上产生图形，并由处理器11对其进行处理来提供旋转体1相对于外壳5的绝对角度位置的测量。
图4a和4b表示的是本发明第二实施例的另一个角度位置传感器。旋转体1的光栅元件2包括由高和低反射率区域交替组成刻度盘形式的不连续径向扁平圆盘表面20，以单个二进位条形码的形式进行排列。喷涂金属的敷层、或其他发亮或浅色的材料或表面处理，提供基本上径向排列的高反射率区域21。充分透明、无光泽、粗糙或深色材料或表面处理提供空隙隔开的低反射率区域22。将旋转体1装入外壳5中并且由轴承6和7对其进行支撑，并且其能够绕旋转轴8而旋转。EMR源10和EMR灵敏光探测器阵列9安装在外壳5中，并且将其布置成使EMR源10照亮高和低反射率区域21和22，区域21和22将EMR再辐射到基本上轴向布置的阵列9。因此在阵列9上产生图形，并由处理器11对其进行处理来提供旋转体1相对于外壳5的绝对角度位置的测量。
在第一或第二实施例的所有情况中，将会明白可以容易对处理器11编程或硬连接来计算作为时间函数的旋转体1绝对角度位置变化率，并因此还提供旋转体1相对外壳5的绝对角速度的测量。
图5表示根据本发明第一或第二实施例(也根据下面描述的第三实施例)由阵列9上入射的EMR所产生的图形。单个比特位30a-e代表阵列9图形的暗区域，其是由于减少低反射率区域13(第一实施例)和22(第二实施例)的反射水平所引起的。阵列9是一维“线性”阵列，例如具有128像素和大约8毫米长的活动窗口的Texas Instruments TSL 1410 Black & White Linear Array 芯片。该阵列用于提供绝对角度位置测量和精确分辨率增量的角度位置测量。可以通过读取至少一个由预定数比特所形成的完整字符来完成绝对角度位置的测量，在这种情况下字符31包括五个比特，以允许识别代表绝对角度位置测量的伪随机序列的字符。通常这种伪随机序列的布置和使用在图象分析技术中是众所周知，并且在5,576,535号美国专利中描述了关于测量绝对线性位移。这种序列一个组合的另一个示例在1989年的lan Stewart,Penguin Books的“Game,Set and Math”中描述为Ouroborean ring。
在本发明的该实施例中所使用高和低EMR反射率区域的布置是不同的，虽然由于阵列9上所产生的图形包括具有可变宽度“p”和“q”的恒定中心线节距“a”(也就是相邻条中心线之间的间隔距离)。图5表示五比特的字符31，具有由宽度为“p”的比特位30a和30d所代表的二进制数“1”和由宽度为“q”的比特位30b、30c和30e所代表的二进制数“0”。因此完整字符31是10010(也就是基数10中的18)，由处理器11对其进行处理来提供旋转体1的唯一绝对角度位置。重要的是，高和低EMR反射率区域的布置，在阵列9上产生具有恒定节距的图形，允许相同图形，并且将阵列用于精确分辨率增量角度位置的测量。图5中也表示了这种插补技术。由P(x)来表示阵列9上的EMR强度图形，其中x是表示角度位移的水平刻度并且P是x的函数。
如果EMR强度图形是正弦曲线，那么：
P(x)=sin[2π(x-d)/a]
其中a=图形节距，和
d=图形位移
由阵列9的单个像素对P(X)进行采样。假设Pi代表i-th的样本。因此样本的“图形矢量”可以表示为P=[P1、P2、P3、…Pn]。
现在定义两个加权函数，是正弦和余弦加权矢量：
ki1=sin(2πi/a)，其中i=1…n
ki2=cos(2πi/a)，其中i=1…n
因此可以给出相位角α是：
a=arctan[(∑Piki1)/(∑Piki2)]，其中i=1…n
作为结果的相位角α是与正弦和余弦加权矢量相关图形增量位移的测量，并且提供精确分辨率角度位置测量，也就是按照统计学原理，多次比一比特图形的宽度更精确。结合近似分辨率绝对角度位置测量和精确分辨率增量角度位置测量来提供绝对角度位置探测器，该探测器具有仅需一个探测器阵列的精确分辨率并且具有对机械偏差和不重合的低敏感度。
根据这种“卷积算法”可以同样对具有恒定节距的其它类型条形码的使用进行处理，例如可以将二进位信息编码为条的长度而不是宽度的差值。此外，例如通过利用灰度代码可以将二进位的信息编码为重新辐射处理的EMR衰减水平的差值。此外，尽管这个实施例论证了基于具有恒定条节距和可变条宽度条形码的卷积算法，应该明白的是该算法将在可变条节距情况下顺利起相等的作用，只要所选择的条节距是“基本节距”的整数倍。例如，参照图5中所使用的术语，分离比特位30a-e的中心线节距可以分别布置为“a”、“3a”、“2a”，并且“a”(具有a的基本节距)不是图5中所示的恒定节距“a”。确实将“a”的任何整数倍用于连续比特位之间的中心线节距。在选择了条形码的这种可变节距格式的情况下，可以通过改变节距间隔(而不是条的宽度)来完成对条形码的加密(如图5中的位图所示)，因此在这种情况下对于使用恒定的条宽度并且仍然圆满完成对近似绝对角度位测量的条形码加密是现实可行的。
还应该注意的是与所描述的实施例相比较，条形码的序列可能具有相反的反射率，也就是高反射率区域利用低反射率区域作为背景。
此外在给出的说明书中“高反射率”和“低反射率”是参照所选择的特定EMR源大概定义的。例如，如果使用红光EMR源，反射光栅表面的高和低反射率区域可以由分别利用红和蓝表面敷层所油漆(或者通过另外的方法来着色)的区域所组成。
图6表示根据本发明第三实施例的角度位置传感器。角度位置传感器包括两个旋转体1a和1b，由预定抗扭刚度的扭杆23将它们连接。光栅元件2a和2b分别固定在或与旋转体1a和1b结合，并且阵列9a和9b分别接收从表面20a和20b再辐射的入射EMR。在某个其它实施例(没有示出)中，可以将阵列9a和9b组合为单个阵列。因此这种单个阵列必须是2D阵列，并且将接收从表面20a和20b反射的EMR。同样地，在某个其它实施例(没有示出)中，EMR源10a和10b可以组合为单个EMR源。
表面20a和20b可以表示为类似于图3a和3b中的表面20，也就是这些表面是圆柱形并且每一个都包括由高和低反射率交互区域所组成的刻度盘，并且以单个二进制条形码无穷连续的形式而排列。应该考虑的是其它类型的“旋转表面”可以用于代替这些连续的圆柱表面20a和20b，例如连续扁平圆盘表面(类似于图4a和4b中的表面20)、不连续圆柱表面(类似于图1a和1b中的表面14)、或不连续扁平圆盘表面(类似于图2a和2b中的表面14)。该说明书中旋转体的“旋转表面”定义为围绕旋转轴等距布置的表面，其中旋转体绕旋转轴旋转。
阵列9a和9b上的图形、或上述单个阵列(没有示出)上的图形，由处理器11来处理以得到每个光栅元件2a和2b表面20a和20b上分别相对外壳5的高和低反射率(或其它实施例中的传输率)区域的绝对角度位置。还通过处理器11来处理这些绝对角度位置之间的差值来得到光栅元件2a和2b的相对角度位移，并因此提供对由扭杆23所传送扭矩的测量。
因此角度位置传感器的第三实施例不仅提供两个旋转体1a和1b中每一个相对外壳5的绝对角度位置(以及上述的它们角速度)的测量，而且还提供施加在旋转体1a和1b之间扭矩(由扭杆23对其作用)的测量。
本领域的技术人员应该明白，在不违背本发明的精神和范围的的前提下，可以对本发明做出多种改变和修改。

Claims (21)

1．一种角度位置传感器，包括至少由外壳部分围绕的至少一个机体，机体可绕相对于外壳所固定的旋转轴而旋转，机体包括固定在该处或与之是整体的光栅元件，光栅元件包括绕旋转轴旋转的表面，表面包括以单个二进位条形码无穷连续形式排列的高和低EMR反射率区域的伪随机分布；传感器还包括至少一个EMR源和至少一个EMR灵敏探测器的阵列，源照射表面并且阵列接收由表面反射的入射EMR，源和阵列相对于外壳所固定，因此由入射EMR在阵列上所产生的图形起因于光栅元件表面低和高反射率的交互区域，由处理器对阵列上的图形进行处理来得到相对于外壳的区域的绝对角度位置，并因此提供旋转体相对于外壳的绝对角度位置的测量。
2．根据权利要求1所述的角度位置传感器，其中至少一个机体包括两个旋转体，每一个旋转体都具有各自的光栅元件，通过一组预定的抗扭刚度来连接这两个旋转体；和至少一个EMR灵敏探测器的阵列，用于接收由光栅元件的表面反射的入射EMR，通过一个或多个处理图形来得到光栅元件表面区域相对于外壳的绝对角度位置，并且还通过处理角度位置之间的差值来得到光栅元件的相对角度位置，并因此提供该元件所传送扭矩的测量。
3．根据权利要求2所述的角度位置传感器，其中至少EMR灵敏探测器的一个阵列可以是EMR灵敏探测器的两个阵列，其每一个均与各自的光栅元件有关。
4．根据权利要求2所述的角度位置传感器，其中至少一个EMR源可以是两个EMR源，其每一个与各自的光栅元件有关。
5．根据权利要求1所述的角度位置传感器，其中旋转表面至少部分是圆柱形。
6．根据权利要求1所述的角度位置传感器，其中旋转表面至少部分是圆锥形。
7．根据权利要求1所述的角度位置传感器，其中高EMR反射率区域和低EMR反射率区域都包括具有恒定中心线节距和可变厚度的条。
8．根据权利要求7所述的角度位置传感器，其中可变厚度的条包括至少两个离散厚度的条。
9．根据权利要求8所述的角度位置传感器，其中条仅具有两个厚度。
10．根据权利要求1所述的角度位置传感器，其中高EMR反射率区域和低EMR反射率区域都包括具有可变中心线节距的条，并且节距是基本节距的整数倍。
11．根据权利要求10所述的角度位置传感器，其中可变中心线节距的条具有恒定的厚度。
12．根据权利要求10所述的角度位置传感器，其中条具有可变的厚度。
13．根据权利要求12所述的角度位置传感器，其中可变厚度条包括至少两个离散厚度的条。
14．根据权利要求13所述的角度位置传感器，其中条仅具有两个厚度。
15．根据权利要求1所述的角度位置传感器，其中旋转表面具有多个从该处径向突出的城堡状突起。
16．根据权利要求15所述的角度位置传感器，其中高反射率区域相应于最大城堡状突起的区域，并且低反射率区域与城堡状突起之间较小突起区域有角度的排成直线。
17．根据权利要求16所述的角度位置传感器，其中对最大突起的区域平滑地进行机械加工、模制加工或烧结，或者利用油漆或通过沉积得到高反射率的材料来对表面进行处理；并且对不连续的缝隙区域或较小突起的区域进行机械加工、模制加工或烧结，或者利用油漆或通过沉积得到低反射率的材料来对表面进行处理。
18．根据权利要求1所述的角度位置传感器，其中对高反射率区域喷涂金属，其是发光的或浅色的；并且低反射率区域是充分透明、无光泽、粗糙或深色的，因此形成反射刻度盘。
19．根据权利要求1所述的角度位置传感器，其中在表面内或外径向布置至少一个EMR探测器的阵列。
20．根据权利要求1所述的角度位置传感器，其中至少一个EMR探测器阵列包括一维或两维阵列、CCD、VLSI可视芯片或平面效应光二极管。
21．根据权利要求1所述的角度位置传感器，其中还由处理器对图形进行处理来得到旋转体相对于外壳的角速度。
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