CN1664509A

CN1664509A - 编码器

Info

Publication number: CN1664509A
Application number: CN2005100530297A
Authority: CN
Inventors: 山下守; 羽贺博; 山本猛; A·史拉姆
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2004-03-04
Filing date: 2005-03-04
Publication date: 2005-09-07
Anticipated expiration: 2025-03-04
Also published as: EP1571426A3; EP1571426B1; EP1571426A2; JP3986074B2; US20050212513A1; CN100543423C; JP2005249571A

Abstract

本发明通过减少高价格的磁性检测元件的数量，提供低成本和可以降低消耗电流的回转数数据检测方式的编码器。所述编码器这样构成：在测量被测量物的位移量的编码器本体上，设有用以计数被测量物的n回转(不包含n＝0的整数)的回转检测部和计测被测量物的位移量的位移量检测部；在所述回转检测部上，设有检测磁性回转体(1)的磁性变化的磁性检测部(3)和检测编码板(2)的狭缝的光学检测部(4)。

Description

编码器

技术领域

本发明涉及测量编码器的n回转(不包含n＝0的整数)和/或回转方向的多回转检测机构，该编码器是用来检测被安装在电动机等的回转体或直线运动的被测量物上的位移量，亦即，转速和/或回转角度。

背景技术

通常，在多回转式编码器上，除了设有用以检测1回转内的位移量的机构以外，还设有回转检测机构，用该回转检测机构计数1回转或n回转(不包含n＝0的整数)或通过检测回转方向来检测回转方向和回转数以及1回转内的绝对位置。

在这种多回转式编码器中，还设有当主电源OFF时可用电池支持传感器信号检测电路及回转数计数器而保持回转数的计数动作及回转数数据的装置。

这些编码器的回转检测机构中的回转数数据检测方式有磁方式和光学方式，而不管哪一种方式都要在编码板上形成1P/1R的图形，在磁方式时用磁性传感器(MR传感器)，在光学方式时用光电传感器(光电二极管、光电晶体管等)检测回转数计数用信号(1A)与方向辨别用信号(1B)，进行回转数计数处理。

图7是表示现有的磁检测方式的方框图。图中，在磁性编码板11上通常形成每1回转产生1次磁性变化的磁性图形。这样的磁性编码板11的磁性图形以预定的间隔配置。用设有磁性检测元件的1A信号检测电路13和1B信号检测电路14读出。从该1A信号检测电路13和1B信号检测电路14输出对应于磁性图形的相位差信号即1A信号、1B信号，提供给方向辨别脉冲发生电路16。

在方向辨别脉冲发生电路16中，利用1A信号和1B信号的相位差判别回转方向，与来自信号处理时钟电路19的时钟信号CLK同步，将加法脉冲UP或减法脉冲Down分别由加法脉冲输出端口UP1、减法脉冲输出端口Down1输出。这样输出的加法脉冲UP或减法脉冲Down被输入至回转数计数器17的各输入端口UP2、Down2，计测对应于回转方向的回转数(n回转)。然后，用未图示的计测装置、控制装置等读取并进行必要的处理。

作为设有这种磁方式回转检测机构和光学方式回转检测机构的编码器，已在例如特开平6-3159号公报等中公开。

图8是表示现有的光学检测方式的方框图。图中，在光学方式编码板(狭缝板)11a上，通常形成每1回转产生1次遮光/透光状态的狭缝图形。该狭缝板11a的狭缝图形以预定的间隔配置。用设有光学检测元件的1A信号检测电路13a及1B信号检测电路14a读出。这里，在夹住上述光学检测元件的狭缝板11a而对置的位置上配置发光元件LED，用来自发光控制电路18的驱动信号驱动发光。在该发光控制电路18中，从信号处理时钟电路19输入时钟脉冲CLK，输出与该时钟脉冲CLK同步的间歇驱动信号。

而且，从上述1A信号检测电路13a和1B信号检测电路14a输出对应于狭缝图形的相位差信号即1A信号、1B信号，提供给方向辨别脉冲发生电路16。其它的结构与图7大致相同，在同一构成要素上附带相同的符号，故省略其说明。

作为这种采用间歇驱动方式的编码器，例如有公知的在特开平11-6745号公报上记载的装置。另外，作为延长电池寿命的办法，公知的有如特开平10-73458号公报中记载的、仅支持多回转检测部的技术。

但是，在上述磁检测方式的情况下，用以检测1A、1B信号的磁性检测元件至少需要2个，由于需多个高价格的MR传感器，构成了削减成本的一大障碍。另外，由于磁性检测元件上常时流过与使用数量成比例的电流，消耗电流增大，存在着导致电池寿命时间下降的问题。

另外，在上述光学方式的情况下，用于狭缝检测的发光元件LED上常时流过电流，而采用将上述的发光元件LED仅在一定时间点亮的间歇点亮技术等作为减少消耗电流的办法。但是，如果加长间歇点亮的点亮周期来减少消耗电流，则电池寿命时间会变长，但检测电路的响应速度会下降，对可使用的被测量物的回转速度构成较大的限制。另一方面，如果缩短间歇点亮的点亮周期，则响应速度可以提高，但消耗电流又会增大，存在所谓电池寿命缩短的问题。

【专利文献1】特开平6-3159号公报

【专利文献2】特开平11-6745号公报

【专利文献1】特开平10-73458号公报

发明内容

本发明的目的在于：通过减少高价格的磁性检测元件的数量，提供可以降低成本和减少消耗电流的回转数数据检测方式的编码器。

另外，还可提供能够抑制消耗电流的编码器。

亦即，上述的目的可用以下的本发明的结构来实现。

(1)编码器，在测量被测量物的位移量的该编码器本体上设有：

用以计数被测量物的n回转(不包含n＝0的整数)的回转检测部；以及

计测被测量物的位移量的位移量检测部；

在上述回转检测部上设有：检测磁性回转体的磁性变化的磁性检测部；以及检测编码板的狭缝的光学检测部。

(2)由上述回转检测部的磁性检测部和光学检测部形成2个相位差信号的上述(1)的编码器。

(3)上述回转检测部的光学检测部与位移量检测部的光学检测部共有的上述(1)或(2)的编码器。

(4)上述回转检测部的光学检测部共用位移量检测部的光学检测部的上述(1)～(3)的任意一项的编码器。

(5)上述光学检测部，仅在得到来自磁性检测部的检测信号时需要对编码板进行检测的期间驱动发光元件，在没有得到来自上述磁性检测部的检测信号时，停止上述发光元件的驱动信号的上述(1)～(4)的任意一项的编码器。

采用本发明，可以减少高价格的磁性检测元件的数量，在可降低成本的同时，由于减少常时流过的电流，可以延长电池的寿命时间。

另外，通过将化光学方式检测部的驱动方式最优化，可以更进一步抑制消耗电流，极大地延长电池寿命。

附图说明

图1是表示本发明编码器的第1实施例的方框结构图。

图2是表示本发明编码器的第2实施例的方框结构图。

图3是表示本发明编码器的第3实施例的方框结构图。

图4是表示本发明编码器的第4实施例的方框结构图。

图5是表示图1、2的结构的装置的动作的时间图。

图6是表示图3、4的结构的装置的动作的时间图。

图7是表示现有的磁方式编码器的结构的方框图。

图8是表示现有的光学方式编码器的结构的方框图。

【符号说明】

1磁方式编码板

2光学方式编码板

31A信号检测电路

41B信号检测电路

5数据闩锁电路

6方向辨别脉冲发生电路

7回转数计数器

8发光控制电路

9信号变化检测电路

10信号处理时钟电路

11磁方式编码板

131A信号检测电路

141B信号检测电路

16方向辨别脉冲发生电路

17回转数计数器

19信号处理时钟电路

具体实施方式

本发明的编码器，在测量被测量物的位移量的编码器本体上设有：用以计数被测量物的n回转(不含n＝0的整数)的回转检测部；计测被测量物的位移量的位移量检测部，在上述回转检测部上设有：检测磁性回转体的磁性变化的磁性检测部；检测编码板的狭缝的光学检测部。

这样，由于在回转检测部上设有磁性检测部和光学检测部，可以减少磁性检测元件的数量，削减消耗电流。

另外，最好这样，磁性检测部产生回转数计数用信号1A(以下称为1A信号)，光学检测部产生方向辨别信号1B(以下称为1B信号)，它们构成2个相位差信号。因此，例如，在输入1A信号之前，停止1B信号检测用的发光元件驱动信号来抑制消耗电流，也可从计测被测量物的位移量的位移量检测部得到1B信号，因而，可进一步抑制消耗电流，由于共有光学系统，可以取得降低成本的效果并实现编码器的小型化、薄型化。

编码器本体是编码器的基本构成部分，其中包括：通常设有用以测量被测量物的位移量(具体为回转量等)的编码板(狭缝板)和用以检测该编码板的编码(狭缝)的光学元件等的位移量检测部；设有用以检测1回转或n回转(不含n＝0的整数)和回转方向的磁性构件以及检测该磁性构件的磁性变化的磁性检测元件和编码板、光学元件等的回转检测部；以及根据需要处理从各元件得到的信号的电路等。另外，所谓被测量物，通常指的是电动机或内燃机以及与它们连接并将回转动作传动或从动的回转机构。

位移量检测部通常也是计测1回转以内的被测量物的位移量(回转量、回转角)的装置，是规定检测1回转内的微小位移量的编码器精度的部位。该位移量测量部采用基于形成磁性图形的磁方式编码板与磁性传感器组合的磁检测方式，也可用设有形成狭缝图形的光学方式编码板和光学传感器的光学方式检测方式。但是，如后述的实施例所记载的那样，由于可以共有回转检测部和光学系统，建议采用光学方式。

回转检测部通常检测1回转以上的回转数和回转方向，而计数的回转数不限定为1回转，也可以计测1/3、1/2回转或2回转等的n回转(不合n＝0的整数)。计测的回转n可由编码器的规格任意决定。

回转检测部的磁性检测部可以由用于传统目的磁性检测方式的装置、元件、电路构成。具体而言，可用具有在1回转以内产生1或2以上的磁场变化的磁性图形的磁性回转体(磁方式编码板)、用以检测该磁性回转体的磁性变化的磁性检测元件，和根据需要提供偏置磁场的偏置磁铁等构成。同样，光学检测部可以由用于传统编码器的光学检测方式的装置、元件、电路构成。具体而言，可用具有在1回转以内产生1或2以上的遮光/透光图形的狭缝的编码板(光学方式编码板)，和用以检测该编码板狭缝的光学检测元件、发光元件等构成。

另外，光学检测部与上述位移量检测部的光学检测部构成一体，也可以共有。因此，可以实现由电路、部件的共有化得到的成本下降和节省空间以及消耗电流的削减。

磁性检测部与光学检测部以2个为1组作为1个回转检测部执行功能，最好是，从这些磁性检测部和光学检测部输出2个相位差信号，作为回转计数信号(1A信号)和回转方向辨别信号(1B信号)来使用。

另外，理想的情况是，将来自磁性检测部的检测信号作为回转计数信号(1A信号)，在回转方向辨别信号的检测时，也可控制光学检测部。也就是，回转方向辨别信号(1B信号)在检测回转计数信号(1A信号)之前没有必要检测。因此，预先使采用消耗电流比较少的磁性检测元件的磁性检测部常时动作，在检测回转计数信号(1A信号)的时刻使光学检测部动作来检测回转方向辨别信号(1B信号)即可。这样一来，由于仅在必要时使光学检测部动作，可以显著减小消耗电流。

所谓磁性检测元件，是磁性回转体的磁极，或检测磁性变化的元件，作为磁性检测元件，通常使用已知的MR元件(磁阻元件)，也可采用具有与此同等功能的霍尔元件等的磁性检测元件。

同样，用于光学检测部的发光元件、受光元件可以采用一般的LED(发光二极管)、光电二极管、光电晶体管等的光电传感器，除此之外，也可以使用激光二极管、电致发光等的发光元件和感光性的半导体元件等。再有，也可以使用发光元件与受光元件结合的元件，例如，光斩波器，光电反射器等。

【实施例1】

下面，参照附图就本发明的更具体的实施例进行说明。图1是表示本发明的第1检测方式的方框结构图。在本例中，用磁方式(MR传感器)构成回转数计数用信号(1A)检测电路，用光学方式(光电传感器)构成方向辨别信号(1B)检测电路。另外，特别需要抑制电流时，将电池支持时的动作作为重点来说明。

图中，在磁方式编码板1上形成1回转中N/S的磁极翻转的磁性图形。另一方面，在光学方式编码板2上形成1回转中遮光与透光图形各出现1次的狭缝图形。各图形和磁方式编码板1及光学方式编码板2的位置关系，根据想要得到的相位差信号的相位关系等调整至最佳状态。

1A信号检测电路3中设有：用以检测上述磁方式编码板1的磁性图形的磁性检测元件；以及用以驱动该元件并取出1A信号的电路等。而且，输出1A信号的输出端口1A1被接至数据闩锁电路5的输入端口1A2上。另一方面，1B信号检测电路4中设有：用以检测上述光学方式编码板2的狭缝图形的光学元件(受光元件)，以及用以驱动而得到1B信号的电路。而且，输出1B信号的输出端口1B1被连接至数据闩锁电路5的输入端口1B2上。

理想的状态是，数据锁存电路5用发光控制电路8，与在需要对应于磁性检测电路的动作进行光学狭缝检测的期间等预定期间被驱动的发光元件LED的动作同步地，闩锁1A信号检测电路3及1B信号检测电路4的输出。为此，闩锁信号输入端口LAT与发光控制电路的闩锁信号输出端口LAT相连接。另外，对应于输入端口1A2、1B2的输出端口1A3、1B3被分别连接至方向辨别脉冲发生电路6的输入端口1A4、1B4上。数据闩锁电路5可用具有一般数据闩锁功能的元件、电路等构成。

发光控制电路8设有用以驱动被连接至其输出端口Lon的发光元件LED的必要电路，还设有在输出同步于驱动信号的闩锁信号的同时，可输入来自外部的驱动许可信号的输入端口，从而能够从外部控制驱动信号的许可、禁止。另外，驱动信号最好是仅在预定期间能够驱动的脉冲信号。发光控制电路8通过将能够对驱动的LED等的发光元件充分供给驱动电流的驱动元件、以预定的时间间隔发生信号的振荡电路和各种门电路元件等组合而构成。另外，由于发光控制电路8对于与信号处理时钟非同步和同步均可处理，上述发送电路也可使用来自信号处理时钟10的时钟信号。

方向辨别脉冲发生电路6将从数据闩锁电路5输入的1A、1B信号与信号处理时钟电路10提供的时钟信号CLK同步地进行处理，生成加法计数信号UP或减法计数信号Down。而且，将其中任意一个从输出端口UP1或Down1输出。方向辨别脉冲发生电路6的输出端口UP1、Down1分别连接至回转数计数器7的输入端口UP2、Down2。因而，来自方向辨别脉冲发生电路6的加法计数信号UP或减法计数信号Down被输入至该回转数计数器，将内部数据进行递增计数(增量)或递减计数(减量)。而且，计测对应于回转方向的回转数(n回转)。被计测的回转数由输出端口Data作为回转数数据输出，由未图示的计测装置、控制装置等读取并进行必要的处理。

另外，在本发明的理想方式中，1A信检测电路3的输出端口1A1和信号变化检测电路9的输入端口1A5之间相连接，检测1A信号的变化。而且，信号变化检测电路9的输出端口ON与上述发光控制电路8的输入端口ON相连接，可用信号变化检测电路9的输出信号ON禁止/许可发光控制电路的输出Lon。

此时的动作示于图5的时间图。再者，图中括号内所示的数字对应于图1的符号。在图5和图1中，磁方式编码板1，光学方式编码板2的图形按照编码器的回转动作，亦即反时针回转CCW→顺时针回转CW→反时针回转CCW变化。这时，1A1(1A2、1A5)的1A信号对应于上述磁方式编码板1的图形变化。若在1A5上检测1A信号的变化，则输出将发光控制电路8置于许可的ON信号。接受该信号后，发光控制电路8仅在1B信号可检测的驱动时间t3以上，输出驱动信号Lon并驱动发光元件，同时输出与其同步的闩锁信号LAT。该驱动时间t3，在编码器的最高检测速度(最高回转速度)下，设定在可检测光学方式编码板2的狭缝的时间上。另外，除此以外的时间，用发光控制电路8停止驱动信号Lon的输出。

用驱动信号Lon驱动发光元件LED时，检测与其同步的1B信号。这时，出现在1B1端口上的1B信号保持时间t0及t1的滞后出现。再有，其它信号的延迟时间被忽视。而且，用上述闩锁信号LAT的上升沿闩锁出现在1A1、1B1端口上的1A信号和1B信号，而在1A3(1A4)、1B3(1B4)端口上出现。用方向辨别脉冲发生电路将1A3的信号与1B3的信号的H/L的变化点与时钟脉冲CLK同步并进行比较，由该状态判断回转方向和计数是否在必要的状态，根据需要，将递增计数脉冲UP从端口UP1输出或将递减计数脉冲Down从端口Down1输出。于是，回转数据Data作对应于回转方向的递减计数或递增计数。也就是，如果是计数状态，则将UP1信号或Down1信号送至回转数计数器，更新回转数计器的值，如果是非计数状态，则不输出UP1信号及Down1信号，保持回转数计数器的值。

以上，说明了用后备电源的动作，在主电源ON的状态下，由于电源的供给不是电池，也可以与备用电池时同样地动作，但也可切换到可常时检测使发光元件LED常时点亮的方向辨别信号(1B)信号那样的动作状态。另外，数据闩锁电路5未必一定需要，根据情况可以省略。

【实施例2】

图2是表示本发明的第2检测方式的方框结构图。在本例中，用与图1同样的磁方式(MR传感器)构成回转数计数用信号(1A)检测电路3，用1回转绝对数据检测电路构成方向辨别信号(1B)检测电路4a。另外，特别在需要抑制消耗电流时，以电池后备时的动作为中心来说明。

图中，1B信号检测电路由位移量检测部中的光学检测部构成。也就是用1回转绝对数据检测电路4a构成。另外，用1回转数据控制电路8a代替发光控制电路8。该1回转数据控制电路8a的控制输入端口ON和输出端口Lon以及闩锁信号输出端口LAT的连接与图1的发光控制电路8相同。而且，再将输出与Lon信号同步的Pon信号的输出端口Pon与1B信号检测电路4a的控制输入端口Pon连接。其它的结构与图1相同，在同一构成要素上附带相同的标记，故省略其说明。

与图1、5的情况一样，编码器的轴通过回转移动各编码板，1A信号检测电路3检测编码板的磁场，如果回转数计数用信号(1A)变化，则信号变化检测电路9检测到1A1信号的变化，使1回转数据控制电路8a动作，在1回转绝对数据输出可检测的时间t3以上输出使发光元件LED和回转绝对传感器电路动作的驱动信号Lon和控制信号Pon。于是，检测出从1回转绝对信号变换成的方向辨别信号1B1的状态。

一旦1A1信号与1B1信号的状态确认结束，则用方向辨别脉冲发生电路6判断回转方向及计数状态，如果是计数状态则将由回转方向得出的UP1信号或Down1信号送入回转数计数器，更新回转数计数器的值，如果在非计数状态，则不输出UP1信号和Down1信号，保持计数器的值。

以上，说明了备用电源时的动作，而在主电源ON的状态下，由于由1回转绝对数据生成方向辨别信号(1B)，所以将发光元件LED和1回转绝对传感器电路转换至平时动作状态即可。另外，也可以不生成方向辨别信号1B1，而用1回转绝对数据的数据值处理。

【实施例3】

图3是表示本发明的第3实施例的方框结构图。本例中，在图1的结构中的信号处理时钟电路10上设置动作控制用输入端口ON，将该端口ON与信号变化检测电路9的输出端口ON相连接。这样一来，由于连接了信号变化检测电路9的输出端口ON与信号处理时钟电路10的动作控制用输入端口ON，用从信号变化电路9输出的ON信号使信号处理时钟电路10动作。也就是，可在从检测回转数计数用信号(1A)的变化后起至回转数数据计数处理结束的期间使信号处理时钟动作。

将这时的动作示于图6的时间图上。图6中，时钟信号CLK在检测出ON信号后在比期间t3长的一定期间产生，然后停止。这样，由于仅在必要的时候使信号处理时钟电路10动作，可以更进一步减少消耗电流。其它的结构与图1、5相同，在同一构成要素上附加相同的标记，故省略其说明。

【实施例4】

图4是表示本发明第4实施例的方框结构图。本例中，与图3的情况一样，在图2的结构中的信号处理时钟电路10上设置动作控制用输入端口ON，连接该端口ON和信号变化检测电路9的输出端口ON。其它的结构与图2、3、6相同，在同一构成要素上附加相同的标记，故省略其说明。

上面，作为本发明的实施例，举出并说明了几个实施例，但本发明不受限于这些实施例，在不脱离本发明的原理的范围内，可以有种种的变更、应用。例如，也可以使发光元件LED作间歇驱动。

工业上利用的可能性

本发明可以应用于在机器人、自动机等的工业用机器和汽车、飞机等的移动体等所有的可动部件的位置检测中所使用的编码器。尤其在多回转型绝对值编码器中是有用的技术，而除此之外，也可应用于磁方式编码器中。

Claims

1.一种编码器，其中：

在测量被测量物的位移量的编码器本体上设有，

用以计数被测量物的不包含n＝0的整数的n回转的回转检测部，以及

计测被测量物的位移量的位移量检测部；

在所述回转检测部上设有，

检测磁性回转体的磁性变化的磁性检测部，以及

检测编码板的狭缝的光学检测部。

2.如权利要求1所述的编码器，其特征在于：由所述回转检测部的磁性检测部与光学检测部形成2个相位差信号。

3.如权利要求1或权利要求2所述的编码器，其特征在于：所述回转检测部的光学检测部，被与位移量检测部的光学检测部所共有。

4.如权利要求1～3中任意一项所述的编码器，其特征在于：所述回转检测部的光学检测部使用位移量检测部的光学检测部。

5.如权利要求1～4中任意一项所述的编码器，其特征在于：所述光学检测部在得到来自磁性检测部的检测信号时，仅在需要编码板检测的期间驱动发光元件，在未得到来自所述磁性检测部的检测信号时停止所述发光元件的驱动信号。