DE102014100172A1

DE102014100172A1 - Einzelspur Dreikanal Encoder mit differenziellem Index

Info

Publication number: DE102014100172A1
Application number: DE201410100172
Authority: DE
Inventors: Marcin Kamil Augustyniak; Aun Choon Chong; Kek Leong Yap
Original assignee: Avago Technologies General IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2013-01-09
Filing date: 2014-01-09
Publication date: 2014-07-10
Also published as: US20140191119A1; JP2014134540A; US9354087B2

Abstract

Ein optischer Encoder wird offenbart. Spezieller wird ein Dreikanal Encoder offenbart, welcher eine einzelne Spur für alle drei Kanäle nutzt. Ein Indexkanal wird auf der gleichen optischen Spur wie der erste und der zweite Kanal bereitgestellt, welche verwendet werden, um eine inkrementelle Winkelposition zu bestimmen. Folglich wird ein kompakterer und einfacher Dreikanal Encoder bereitgestellt.

Description

Gebiet der Offenbarung
Die vorliegende Offenbarung ist im Allgemeinen auf Encoder und spezieller auf optische Encoder gerichtet.
Hintergrund
Ein Rotationsencoder oder Drehencoder (rotary encoder), welcher auch Schaft (shaft) Encoder genannt wird, ist eine elektromechanische Vorrichtung, welche eine Winkelposition oder Drehposition (angular position) eines Schafts oder einer Achse in einen analogen oder digitalen Code konvertiert, was ihn zu einen Winkel-Umwandler (angular transducer) macht. Rotationencoder werden in vielen Anwendungen verwendet, welche eine präzise unlimitierte Schaftrotation (shaft unlimited rotation) benötigen – einschließlich industrielle Steuerungen, Robotik, photographische Linsen für spezielle Zwecke, Computereingabevorrichtungen (wie zum Beispiel opto-mechanische Mäuse und Trackballs), Drucker und rotierende Radarplattformen. Es gibt zwei Haupttypen von Rotationsencodern: absolute und inkrementelle (relative).
Ein inkrementeller Rotationsencoder, welcher auch als ein Quadraturencoder oder ein relativer Rotationsencoder bekannt ist, hat üblicherweise zwei Ausgänge, welche Quadraturausgänge genannt werden. Diese zwei Ausgänge können entweder mechanisch oder optisch sein. Bei dem optischen Typ gibt es üblicherweise zwei Balken-Fenster codierte Spuren (bar window coded tracks), während der mechanische Typ zwei Kontakte hat, welche mittels Nocken auf dem rotierenden Schaft bewegt werden. Optische inkrementelle Encoder nutzen üblicherweise zwei Ausgänge, welche A & B genannt werden, und welche Quadraturausgänge genannt werden, da sie 90 Grad außer Phase sind.
Eine Variation des inkrementellen Encoders ist der Sinuswellen Encoder (sinewave encoder). Anstelle eines Erzeugens von zwei Quadratur Rechteckwellen, sind die Ausgänge Quadratur Sinuswellen (ein Sinus und ein Kosinus). Mittels Durchführens der Arkustangens Funktion können beliebige Grade oder Level der Auflösung erreicht werden.
Ein typischer Zweikanal inkrementeller Encoder generiert an seinen Ausgängen zwei Ketten von Pulsen, welche um 90 Grad verschoben sind. Mittels Zählens der Pulse und Überprüfens der Phase zwischen den Pulsen (der 1. Kanal führt vor dem 2. oder umgekehrt), ist es möglich, die Geschwindigkeit und die Richtung der Rotation zu bestimmen. Eine signifikante Verbesserung zu einem Zweikanal inkrementellen Encoder ist ein Dreikanal inkrementeller Encoder. Der zusätzliche Kanal ist ein Index: Es wird einmal pro Umlauf ein Puls generiert, er dient als Null Position Referenz, so dass dann eine inkrementelle Winkelposition berechnet werden könnte.
Das optische System für einen Zweikanal inkrementellen Encoder wird durch die Tatsache vereinfacht, dass nur eine Spur (Muster von Balken und Fenstern) auf dem Coderad (code wheel) ausreichend ist. Eine direkte Implementierung eines Dreikanal Encoders würde eine zweite Spur auf dem Coderad fordern, welche den Index anzeigt. Leider benötigte ein Einführen der zweiten Spur eine größere Fläche und beschränkt demzufolge ein optisches System, welches ein Coderad Muster auf die Sensorfläche projiziert. Dies ist besonders ein Problem bei einem reflektierenden Encoder, bei welchem eine kleinere Größe bevorzugt wird.
Zusammenfassung
Ein Dreikanal inkrementeller Encoder, welcher alle drei Kanäle auf einer einzelnen optischen Spur hat, wurde entwickelt, um die oben genannten Unzulänglichkeiten zu überwinden, und wird in der US Patent Veröffentlichung Nr. 2012/0205528 von Augustyniak et al. beschrieben, wobei der gesamte Inhalt dieser hiermit mittels Bezug einbezogen ward. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung stellen weitere Verbesserungen für einen Dreikanal Encoder bereit, welcher alle drei Kanäle auf einer einzelnen optischen Spur hat.
Insbesondere stellen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung einen Einzelspur Dreikanal Encoder mit einem differenziellen Index bereit. Insbesondere wird der Encoder mit einem zusätzlichen Fenster für einen Index auf dem Coderad oder dem Codestreifen des Encoders bereitgestellt. Das zusätzliche Fenster wird verwendet, um ein zusätzliches Indexsignal zu generieren (hierin als ”I/” bezeichnet, im Gegensatz zu dem ursprünglichen Indexsignal ”I”, welches entfernt von dem zusätzlichen Fenster generiert wird). Das Verarbeiten von sowohl I als auch I/ (z. B. in Übereinstimmung mit der folgenden Formel [I – (I/)]) erfordert die Generation eines differenziellen Indexsignals, welches weniger empfindlich auf ein verstelltes oder schlecht ausgerichtetes (misaligned) Coderad oder einen verstellten oder schlecht ausgerichteten Codestreifen ist.
In einigen Ausführungsbeispielen wird ein Coderad oder ein Codestreifen für einen Encoder für einen Dreikanal Encoder bereitgestellt, welcher alle drei Kanäle hat, welche in einer einzelnen optische Spur ausgerichtet sind. Spezieller beinhaltet das Coderad oder der Codestreifen, welches bzw. welcher hierin beschrieben ist, zumindest ein zusätzliches Fenster (oder ”Index Fenster”), welches eine Breite hat, welche im Wesentlichen zu zumindest zweimal der Breite eines Nicht-Index Balkens oder Fensters auf dem Coderad oder dem Codestreifen korrespondiert. Noch spezieller hat das Index Fenster eine Breite von zumindest dreimal der Breite eines Nicht-Index Balkens oder Fensters auf dem Coderad oder dem Codestreifen. In einigen Ausführungsbeispielen ist eine Distanz zwischen dem Index Fenster und einem Index Balken im Wesentlichen gleich zu einer Distanz zwischen einem Mittelpunkt einer ersten Index Photodiode und einem Mittelpunkt einer zweiten Index Photodiode eines integrierten Schaltkreises (IC) des Encoders.
Zur Vereinfachung sollte, während die meisten Ausführungsbeispiele hierin mit Bezug auf ein lineares System beschrieben werden, gewürdigt werden, dass die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung nicht derart limitiert sind. Spezieller können die Konzepte, welche hierin beschrieben sind, sowohl auf Rotations- als auch Linear-Encoder oder Rotations- oder Linear-Systeme angewendet werden. Mit anderen Worten mag ein Coderad oder ein Codestreifen mit einem oder mehr der Merkmale konfiguriert sein, welche hierin offenbart sind. Des Weiteren sollte, obwohl die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung primär in Verbindung mit reflektierenden Encodern beschrieben werden, gewürdigt werden, dass jeglicher Typ von Encoder ein oder mehr Merkmale einbeziehen kann, welche hierin beschrieben sind. Zum Beispiel können die Konzepte, welche hierin offenbart sind, in einem inkrementellen Encoder für drei Kanäle, einen reflektierenden Encoder für drei Kanäle, einen lichtdurchlässigen-Typ Encoder (transmissive-type encoder) oder Kombinationen davon einbezogen werden.
Die vorliegende Offenbarung wird weiter aus den Zeichnungen und der folgenden detaillierten Beschreibung verstanden werden. Obwohl diese Beschreibung spezifische Details darlegt, ist es zu verstehen, dass bestimmte Ausführungsbeispiele der Erfindung ohne diese spezifischen Details praktiziert werden mögen. Es wird ebenfalls verstanden, dass in einigen Beispielen, gut bekannten Schaltkreisen, Komponenten und Techniken nicht im Detail dargestellt sind, um ein Verschleiern des Verständnisses der Erfindung zu vermeiden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Offenbarung wird in Verbindung mit den angefügten Figuren beschrieben:
1 ist ein Blockdiagramm, welches Komponenten eines optischen Encoding-Systems in Übereinstimmung mit Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung darstellt;
2 ist ein partielles schematisches Diagramm eines Coderads;
3 ist ein erstes schematisches Layout eines Photodioden Arrays relativ zu einer Coderad- oder Codestreifen-Spur;
4A stellt ein Wellendiagramm (wave diagram) eines A-Kanal und eines Index Kanals dar, welche mittels des Photodioden Arrays aus der 3 in einer normalen Ausrichtung ausgegeben sind;
4B stellt ein Wellendiagramm eines A-Kanals und eines Index Kanals dar, welche mittels des Photodioden Arrays aus der 3 ausgegeben sind, wenn das Coderad oder der Codestreifen relativ zu dem Photodioden Array verstellt ist;
5A stellt ein Bild dar, welches über eine Photodiode während einer normalen Ausrichtung geworfen (casted) wird;
5B stellt ein Bild dar, welches über eine Photodiode während einer Verstellung geworfen wird;
5C stellt die möglichen Verstellungsrichtungen eines Bildes relativ zu einer Photodiode dar;
6A stellt einen Encoder Ausgang während normalen Ausrichtungsbedingungen dar;
6B stellt einen Encoder Ausgang während Verstellungsbedingungen dar;
7 stellt ein schematisches Layout eines Photodioden Arrays relativ zu einer Coderad- oder Codestreifen-Spur in Übereinstimmung mit Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung dar; und
8 ist ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Betreiben eines Dreikanal Encoders in Übereinstimmung mit Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung darstellt.
Detaillierte Beschreibung
Die folgende Beschreibung stellt ausschließlich Ausführungsbeispiele bereitet, und ist nicht beabsichtigt, den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der Ansprüche zu limitieren. Vielmehr wird die folgende Beschreibung jenen mit Fachwissen eine befähigende Beschreibung zum Implementieren der beschriebenen Ausführungsbeispiele bereitstellen. Es ist zu verstehen, dass verschiedene Änderungen in der Funktion und der Anordnung der Elemente gemacht werden mögen, ohne von dem Geist und dem Umfang der angefügten Ansprüche abzuweichen.
Mit Bezug auf die 1 werden nun Komponenten eines reflektierenden optischen Encoding-Systems 100 in Übereinstimmung mit Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Das illustrierte reflektierende optische Encoding-System 100 beinhaltet ein reflektierendes Material 102, ein Coderad 104, einen Encoder 106, einen Decoder 108 und einen Mikroprozessor 110. In einem Ausführungsbeispiel ist das reflektierende Material 102 eine Beschichtung oder ein Substrat, welches physikalisch mit dem Coderad 104 gekoppelt ist. In einigen Ausführungsbeispielen ist die reflektierende Oberfläche des reflektierenden Materials 102 gegenüber dem Encoder 106 mit dem Coderad 104 gekoppelt. In einigen Ausführungsbeispielen ist das reflektierende Material 102 auf dem Coderad 104 abgelagert, wobei irgendein Typ einer bekannten Materialablagerungstechnik verwendet wird.
Obwohl eine detailliertere Illustration des Coderads 104 in der 2 bereitgestellt wird, wird eine kurze Erklärung hier als Kontext für den Betrieb des reflektierenden optischen Encoding-Systems 100 bereitgestellt, welches in der 1 gezeigt ist. Im Allgemeinen beinhaltet das Coderad 104 eine optische Spur 140 aus nicht-reflektierenden Sektionen 142 (welche ebenfalls als Balken 142 bezeichnet werden mögen) und reflektierenden Sektionen 144 (welche ebenfalls als Fenster 144 bezeichnet werden mögen). Die optische Spur 140 mag ferner einen Index Balken 146 aufweisen, welcher ebenfalls nicht reflektierend sein mag, aber größer in der Fläche ist als die nichtreflektierende Sektionen 142.
Ein Emitter 120 in dem Encoder 106 erzeugt Licht, welches auf die Coderad-Spur 140 einfällt. Wenn das Coderad 104 rotiert wird, zum Beispiel mittels eines Motorschafts (nicht gezeigt), wird das einfallende Licht nicht mittels der nicht-reflektierenden Sektionen 142, 146 der Spur 140 reflektiert, sondern wird mittels der reflektierenden Sektionen 144 der Spur 140 reflektiert. Folglich wird das Licht mittels der Spur in einem modulierten Muster (d. h an-aus-an-aus... etc.) reflektiert. Ein Detektor 130 in dem Encoder 106 detektiert das modulierte, reflektierte Lichtsignal und generiert, in Antwort darauf, sowohl ein oder mehr periodische Kanalsignale (z. B. CH_A und CH_B) als auch ein Indexsignal (CH_I) wenn die Index Sektion 146 über den Encoder 106 hinweggeht. In einem Ausführungsbeispiel werden diese Kanalsignale und das Indexsignal an den Decoder 108 übertragen, welcher ein Zählsignal und potenziell ein Indexsignal generiert und die generierten Signale an den Mikroprozessor 110 überträgt.
Der Mikroprozessor 110 verwendet das Zählsignal, um die inkrementelle Bewegung beispielsweise des Motorschafts oder einem anderen bewegten Teil auszuwerten, mit welchem das Coderad 104 gekoppelt ist. Das Indexsignal wird verwendet, um vollständige Rotationen des Motorschafts oder des bewegten Teils auszuwerten, mit welchen das Coderad 104 gekoppelt ist. Eine Nutzung von inkrementellen Signalausgängen und einem Indexausgang ermöglicht ein akkurateres optisches Encoding-System 100 zu erreichen.
In einigen Ausführungsbeispielen beinhaltet der Encoder 106 den Emitter 120 und den Detektor 130. Der Emitter 120 beinhaltet eine Lichtquelle 122 wie zum Beispiel eine lichtemittierende Diode (LED). Der Einfachheit halber wird die Lichtquelle 122 hierin als eine LED beschrieben, obwohl andere Lichtquellen oder mehreren Lichtquellen implementiert sein mögen. In einem Ausführungsbeispiel wird die LED 122 mittels eines Treibersignals, V_LED, durch einen strom-limitierenden Widerstand R_L hindurch angetrieben. Die Details von solchen Treiber Schaltkreisen sind gut bekannt. Einige Ausführungsbeispiele des Emitters 120 mögen auch eine Linse 124 beinhalten, welche mit der LED 122 ausgerichtet ist, um das projizierte Licht in einen bestimmten Pfad oder ein bestimmtes Muster umzulenken. Zum Beispiel mag die Linse 124 das Licht auf die Coderad-Spur 140 fokussieren.
In einem Ausführungsbeispiel beinhaltet der Detektor 130 ein oder mehr Photodetektoren 132 wie zum Beispiel Photodioden. Die Photodetektoren mögen beispielsweise in einem integrierten Schaltkreis (IC) implementiert sein. Der Einfachheit halber werden die Photodetektoren 132 hierin als Photodioden beschrieben, obwohl andere Typen von Photodetektoren implementiert sein mögen. In einem Ausführungsbeispiel sind die Photodioden 132 besonders konfiguriert, ein spezifisches Muster oder eine spezifische Wellenlänge des reflektierten Lichts zu detektieren. Auch mögen die Photodioden 132 in einem Muster angeordnet sein, welches zu dem Radius und dem Design des Coderads 104 oder gegebenenfalls zu einem Codestreifen korrespondiert. Die verschiedenen Muster der Photodioden 132 werden hierin als Photodioden Arrays bezeichnet.
Die Signale, welche mittels der Photodioden 132 erzeugt werden, werden mittels eines Signalverarbeitung Schaltkreises 134 verarbeitet, welcher die Kanalsignale CH_A, CH_B und CH_I generiert. In einem Ausführungsbeispiel beinhaltet der Detektor 130 auch ein oder mehr Komparatoren (nicht gezeigt), um die Kanalsignale und das Indexsignal zu generieren. Zum Beispiel mögen analoge Signale aus den Photodioden 132 mittels der Komparatoren in Transistor-Transistor Logik (TTL) kompatible, digitale Ausgangssignale konvertiert werden. In einem Ausführungsbeispiel mögen diese Ausgang Kanalsignale eine Zähl- und Richtungsinformationen für das modulierte, reflektierte Lichtsignal anzeigen. Zusätzlich mag der Detektor 130 eine Linse 136 beinhalten, um das reflektierte Lichtsignal in Richtung der Photodioden 132 umzulenken.
Zusätzliche Details der Emitter, Detektoren und optischer Encoder allgemein mögen in den US Pat. Nr. 4,451,731 , 4,691,101 , 5,241,172 , und 7,400,269 referenziert werden, welche alle hiermit in ihrer Gesamtheit hierin mittels Bezug einbezogen werden.
Des Weiteren sollte es, obwohl die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung insbesondere auf einen reflektierenden optischen Encoder gerichtet sind, gewürdigt werden, dass ähnliche Photodioden Array und/oder Coderad Konfigurationen in einem lichtdurchlässigen (transmissive) optischen Encoding-System genutzt werden können, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
2 stellt ein partielles schematisches Diagramm eines Ausführungsbeispiels eines Coderads 104 dar. Insbesondere illustriert die 2 einen Abschnitt eines runden Coderads 104 in der Form einer Scheibe. In einigen Ausführungsbeispielen mag das Coderad 104 in der Form eines Rings seins anstatt einer Scheibe oder in der Form eines Codestreifens (z. B. für lineare Encoder). Das illustrierte Coderad 104 beinhaltet eine Spur 140, welche eine runde Spur sein mag, welche konzentrisch mit dem Coderad 104 ist. Die Spur 140 beinhaltet ein kontinuierlich wiederholendes Muster von Balken 142 und Fenstern 144, welche rings um das Coderad 104 herum gehen, welches mittels eines einzelnen Index Balkens 146 unterbrochen ist. Das dargestellte Muster beinhaltet alternierend oder abwechselnd Balken 142 und Fenster 144, wobei ein Index Balken 146 in der Position lokalisiert ist, wo zumindest ein Balken 142 und Fenster 144 normalerweise positioniert sein würde, falls ein wahres alternierendes Muster von Balken 142 und Fenstern 144 genutzt würde. In einigen Ausführungsbeispielen besetzt der Index Balken 146 zumindest die Raummenge, welche normalerweise von zwei Balken 142 und einem Fenster 144 besetzt werden würde. In einigen Ausführungsbeispielen tritt der Index Balken 146 zumindest einmal um die Codescheibe herum auf. Wenn der Index Balken 146 mehr als einmal auf der Codescheibe (oder Streifen) auftritt, agiert der Encoder als ein Pseudo absoluter Encoder.
Die nicht-reflektierenden Sektionen 142 und die reflektierenden Sektionen 144 können ebenfalls als Positionssektionen bezeichnet werden. In einem Ausführungsbeispiel sind die nicht-reflektierenden Sektionen 142 transparente Sektionen auf dem Coderad 104 oder, alternativ, Lücken (voids) (z. B. Löcher) in dem Coderad 104. Die reflektierenden Sektionen 144 sind beispielsweise lichtundurchlässige (opaque) Sektionen (welche reflektieren sind) in dem Coderad 104. In einem Ausführungsbeispiel sind die Oberflächen Bereiche, welche zu den reflektierenden Sektionen 144 korrespondieren, mit einem reflektierenden Material beschichtet. In einem anderen Ausführungsbeispiel, welches ähnlich zu der Implementierung ist, welche in der 1 gezeigt ist, mögen die reflektierenden Sektionen 144 des Coderads 104 transparent mit einer reflektierenden Beschichtung 102 auf der gegenüberliegenden Seite des Coderads 104 sein. In diesem Ausführungsbeispiel mögen die nicht-reflektierenden Sektionen 142 lichtundurchlässig sein, so dass sie das Licht von der LED 122 absorbieren.
In einigen Ausführungsbeispielen wird ein lichtdurchlässiges Codier-Element anstelle eines reflektierenden Codier-Element implementiert. Ein lichtdurchlässiges Codier-Element wie zum Beispiel ein Coderad oder ein Codestreifen beinhaltet eine Spur 140 von lichtdurchlässigen und nicht-lichtdurchlässigen Sektionen anstatt reflektierenden und nicht-reflektierenden Sektionen 144 und 142. In einem Ausführungsbeispiel ist das lichtdurchlässige Codier-Element im Wesentlichen ähnlich zu dem reflektierenden Codier-Element mit der Ausnahme, dass das lichtdurchlässige Codier-Element kein reflektierendes Material 102 beinhaltet. Auf diese Art und Weise übertragen die transparenten Sektionen 144 Licht durch das Coderad 104 und die lichtundurchlässigen Sektionen 142 übertragen kein Licht durch das Coderad 104.
Es sollte ebenfalls beachtet werden, dass in einigen Ausführungsbeispielen das runde Coderad 104 durch ein Codier-Element ersetzt werden könnte, welches nicht rund ist. Zum Beispiel mag ein lineares Codier-Element wie zum Beispiel ein Codestreifen verwendet werden. Auch mag ein abbildendes Codier-Element (imaging coding element) anstelle eines reflektierenden oder lichtdurchlässigen Codier-Elements 104 verwendet werden.
Wie oben beschrieben ist, resultiert eine Rotation des Coderads 104 und damit der Spur 140 in einer Modulation des reflektierten Lichtsignals an dem Detektor 130, um Positionsänderung des Coderads 104 zu messen. Während Code Räder des Stands der Technik eine separate Index-Spur beinhalten, integrieren die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung den Index Balken 146 in die optische Spur 140, um einen Dreikanal Encoder zu erhalten, welcher nur eine einzelne Spur 140 nutzt. Dies reduziert die Größe und die Komplexität des Encoders 106 erheblich.
Das Coderad 104, welches in der 2 dargestellt ist, weist Positionsspur Sektionen 142 und 144 auf, welche die gleichen Umfangsabmessungen haben (welche auch als die Breitenabmessung bezeichnet wird, wie mittels der Spanne ”X” angedeutet ist). Mit anderen Worten haben die nicht-reflektierenden Zwischen-Spur-Sektionen (intermediate non-reflective track sections) 142 dieselbe Breitenabmessung wie die reflektierenden Spur Sektionen 144. Die Auflösung des Coderads 104 ist eine Funktion der Breitenabmessungen der Positionsspur Sektionen 142 und 144. In einem Ausführungsbeispiel sind die Breitenabmessungen der nicht-reflektierenden Spur Sektionen 142 eine Funktion der Flächenmenge, welche benötigt wird, um eine detektierbare Lücke zwischen nachfolgenden, reflektierten Lichtpulsen zu erzeugen.
In einigen Ausführungsbeispielen hat der Index Balken 146 eine größere Breitenabmessung (wie mittels der Spanne ”X” angedeutet ist) als die Positionsspuren 142 und 144. In einigen Ausführungsbeispielen hat der Index Balken 146 eine Breite, welche ein ganzzahliges Vielfaches der Breite der Positionsspur Sektionen 142 und 144 ist. Zum Beispiel mag der Index Balken 146 eine Breite ”X” haben, welche ein Vielfaches von 0,5 Abstand (pitch) (P) (z. B. 1,5 P, 2,5 P, 3,5 P, 4,5 P, etc.) ist, wobei P zu der Breite eines Balkens 142 oder eines Fensters 144 (z. B. ”X”) korrespondiert. Mit anderen Worten sollte die Breite des Index Balkens 146 ”X” zumindest eineinhalbmal größer sein als ”X” und sie mag irgendeinen ganzzahligen Wert plus eineinhalb von ”X” sein. Andere Ausführungsbeispiele mögen unterschiedliche Breiten für den Index Balken 146 implementieren. Zusätzlich sind, obwohl das dargestellte Coderad 104 einen einzelnen Index Balken 146 beinhaltet, die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung nicht derart limitiert. Des Weiteren sollte es gewürdigt werden, dass, obwohl der Index Balken 146 wie durch eine nicht-reflektierende Sektion verkörpert dargestellt ist, der ”Index Balken” 146 tatsächlich als ein Fenster implementiert sein mag, welches Abmessungen ähnlich zu dem Index Balken 146 hat, welcher hierin beschrieben ist.
Die Höhe ”Y” der optischen Spur 140 mag gleichmäßig oder nicht gleichmäßig über das gesamte Coderad 104 sein. Entsprechend mag die Höhe ”Y” jedes Balkens 142, Fensters 144 und Index Balkens 146 in der optischen Spur 140 im Wesentlichen die gleiche sein und mag im Wesentlichen in der gleichen optischen Spur 140 ausgerichtet sein, so dass die Balken 142, die Fenster 144 und der Index Balken 146 alle über die gleichen Photodioden 132 hinweggehen.
3 stellt eine erste Konfiguration der Photodioden 132 in einer Sensorfläche des Encoders 106 dar, wie sie beispielsweise in der US Patent Veröffentlichung Nr. 2012/0205528 von Augustyniak et al. offenbart ist. Speziell stellt die 3 eine relativ einfache Implementierung eines Dreikanal Encoders dar, welcher eine einzelne optische Spur 140 verwendet. Die Sensorfläche (z. B. ein Array von Photodioden 320 und Index Photodioden 312, 316) möglich relativ zu der optischen Spur 140 ausgerichtet sein, so dass die Balkan 142, die Fenster 144 und der Index Balken 146 alle über die Photodioden 132 in der Sensorfläche hinweggehen, wenn das Coderad 104 in der Richtung des Arrays 320 (oder in der entgegengesetzten Richtung) rotiert.
Die Sensorfläche mag ein Array von inkrementellen Photodioden 320, eine erste Index Photodiode 312 und eine zweite Index Photodiode 316 aufweisen. Obwohl die erste Index Photodiode 312 und die zweite Index Photodiode 316 als eine einzelne Photodiode dargestellt sind, welche eine gewisse Fläche in der Sensorfläche abdeckt, wird jemand mit gewöhnlichen Fachwissen würdigen, dass die Index Photodioden 312, 316 jeweils als ein Array von Photodioden implementiert sein mögen. Für die Einfachheit der Diskussion werden jedoch die Index Photodioden 312, 316 als eine einzelne Photodiode referenziert, obwohl die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung nicht derart limitiert sind, Das Array von inkrementellen Photodioden 320 und spezifischer die Photodioden 324 innerhalb des Arrays von Photodioden 320 werden verwendet, um die Ausgangssignale CH_A und CH_B (oder Sinus und Kosinus Ausgangssignale) zu erzeugen, wohingegen die Index Photodioden 312, 316 verwendet werden, um das Ausgangssignal CH_I zu erzeugen.
3 stellt ebenfalls ein schematisches Layout der Sensorfläche relativ zu der Coderad-Spur 140 dar. Eine Repräsentation der Coderad-Spur 140 ist mit der Sensorfläche überlagert, um mögliche Abmessungen der individuellen Photodioden Array Elemente mit Bezug auf die Sektionen der Coderad-Spur 140 darzustellen.
Das illustrierte Array von inkrementellen Photodioden 320 beinhaltet mehrere individuelle Photodioden 324 einschließlich einer A-Signal Photodiode, um ein A Signal zu generieren, einer B-Signal Photodiode, um ein B Signal zu generieren, einer AB-Signal Photodiode, um ein AB Signal zu generieren, und einer BB-Signal Photodiode, um ein BB Signal zu generieren. Zur Erklärung, ”AB” wird als ”A Balken (A bar)” gelesen und ”BB” wird als ”B Balken (B bar)” gelesen. Diese Bezeichnung der Position Photodioden A, B, AB und BB und der korrespondierenden elektrischen Signale, welche mittels der Position Photodioden generiert werden, ist in dem technischen Gebiet gut bekannt. Die Umfangsabmessungen (welche auch als die Breitenabmessungen bezeichnet werden) der Position Photodioden A, B, AB und BB werden zu den Breitenabmessungen der Position Spur Sektionen 142, 144 und 146 der korrespondierenden Coderad-Spur 140 bezogen. In dem Ausführungsbeispiel der 3 hat jede Photodiode A, B, AB und BB in dem Array von inkrementellen Photodioden 320 eine Breite, welche die Hälfte der Breite eines Balkens oder Fensters 142 und 144 in der korrespondierenden Positionsspur 140 (z. B. die Breite von jeder Photodiode 324 ist gleich ”X/2”) ist.
Zusätzlich hat in dem Ausführungsbeispiel der 3 die Breite des Index Balkens 146 eine Breite die 3× die Breite eines Balkens oder Fensters 142 und 144 ist. Mit anderen Worten ist die Breite des Index Balkens 146 gleich 3 mal ”X”. Dies bedeutet ebenfalls, dass die Breite des Index Balkens 146 ungefähr sechsmal die Breite einer einzelnen Photodiode 324 in den Array von inkrementellen Photodioden 320 ist, aber die Gesamtbreite des Arrays von vier inkrementellen Photodioden 324 ist im Wesentlichen gleich zu der Breite des Index Balkens 146.
Signale aus diesen Photodioden können in einer Strom oder Spannungsdomäne repräsentiert werden und können von einem zu dem anderen konvertiert werden. Ebenfalls können lineare Kombinationen von Signalen, welche ein Skalieren und Summieren oder Subtrahieren beinhalten, implementiert werden. Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf irgendeine bestimmte physikalische Repräsentation von diesen Signalen limitiert und daher werden die Signale in einer abstrakten Art und Weise behandelt, wobei angenommen wird, unabhängig von der Implementierung, dass es einen Weg gibt, diese Signale in einer linearen Art und Weise zu kombinieren und Vergleiche durchzuführen.
Es ist entdeckt worden, dass die Implementierung der 3 das Ziel eines Erlangens eines Dreikanal Encoders mit einer einzelnen optischen Spur 140 erreicht, aber gewisse technischer Hindernisse aufweist. Spezieller ist es entdeckt worden, dass bei einer perfekt ausgerichteten oder nominellen Position mit perfekten elektrischen und optischen Eigenschaften das Bild 504, welches von dem Coderad Muster geworfen wird, die gleiche Breite wie die Photodiode hat, wie es in der 5A gezeigt ist. Mit anderen Worten ist, so lange wie das Coderad oder der Codestreifen (insgesamt oder alternativ als Code-Element bezeichnet) mit der Sensorfläche ausgerichtet ist, der Mittelpunkt des Bilds 504 der gleiche wie ein Mittelpunkt der Photodiode 508. In diesem Beispiel ist der Mittelpunkt des Indexsignals (1) bei einem A hoch Mittelpunkt (A high center) bei einer nominellen Position, wie in der 4A illustriert ist.
Die Imperfektion des Encoder Zusammenbauprozesses und Herstellungsprozesses kann verursachen, dass die Position der Photodiode (z. B. IC oder Detektor 130) entfernt von der gewünschten Position relativ zu dem Coderad Muster ist, wie in der 5B gezeigt ist. Diese Bedingungen wird Verstellung (misalignment) genannt. Die Verstellung des Coderads oder Codestreifens kann in einer radialen und tangentialen Richtung von der nominellen Position ausgedrückt werden, wie in der 5C illustriert ist. Wenn eine Verstellung auftritt, wird die Indexsignalmarkierung (z. B. I Signal), welche sich auf ein Kanalsignal (z. B. A Signal) bezieht, um einen Verschiebebetrag (offset amount) 404 verschoben, wie in der 4B gezeigt ist. Wenn sich die Verstellung zwischen dem Coderad oder Codestreifen relativ zu den Photodioden 508 erhöht, erhöht sich das Offset oder die Verschiebung (offset) 404 zwischen I Signal und A Signal, wie in 6B gezeigt ist.
In einigen Fällen wird das roh I Signal (raw I signal) bei unterschiedlichen Bedingungen (z. B. A Signal hoch) gegated, wie in der 6A gezeigt ist. Wenn das Offset 404 zu groß ist, wird das roh I Signal mehrere Regionen des A Kanals ausfüllen (fulfill). Im Grunde genommen veranlasst dies eine Situation, wo das Signal mehrere Male früher gegated wird, als es sollte. Dieses mehrfache Gaten des I Signals kann in der 6B gesehen werden und ist bekannt, funktionelle Defekte in einigen Encoder Anwendungen zu bewirken.
Um diese oben genannten Unzulänglichkeiten zu überwinden, schlagen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung ein verbessertes Coderad oder einen verbesserten Codestreifen (z. B. Codeelement) vor. Ein Beispiel von solch einem verbesserten Codeelement ist in der 7 dargestellt. Spezieller zeigt 7 ein Codeelement, welches ein Index Fenster 704 hat, welches auch als ein zusätzliches Fenster bezeichnet werden mag.
Das Index Fenster 704 mag mittels Entfernens zumindest eines Nicht-Index Balkens 142 aus der optischen Spur 140 geschaffen werden. In einigen Ausführungsbeispielen weist das Index Fenster 704 eine Index Fenster Breite D2 auf, welche im Wesentlichen gleich zu dreimal einer Nicht-Index Fenster 144 Breite oder einer Nicht-Index Balken 142 Breite (z. B. D2 mag größer als oder gleich zu D1x3 oder 3X sein) ist. In einigen Ausführungsbeispielen mag die Index Fenster Breite D2 im Wesentlichen gleich zu der Breite des Index Balkens 146 (z. B. D2 mag gleich ”X” sein) sein.
In Übereinstimmung mit zumindest einigen Ausführungsbeispielen ist das Index Fenster 704 relativ zu dem Index Balken 146 um eine vorgegebene Distanz verschoben. Als ein Beispiel mag die Distanz zwischen einem Mittelpunkt des Index Fensters 704 und des Index Balkens 146 D3 im Wesentlichen gleich zu einer Distanz zwischen einem Mittelpunktes der ersten Index Photodiode 312 und einem Mittelpunkt der zweiten Index Photodiode 316 sein. Mittels Bereitstellens eines Index Fensters 704 von solchen Abmessungen und beabstandet entfernt von dem Index Balken 146 sind die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung imstande, die Verstellungsprobleme zu überwinden, welche oben diskutiert werden. Spezieller kann das Index Fenster 704 verwendet werden, um ein zusätzliches Indexsignal zu generieren (”I/”, im Gegensatz zu dem ursprünglichen Indexsignal ”I”, welches entfernt von dem zusätzlichen Fenster generiert wird). Das Verarbeiten von sowohl I als auch I/ (z. B. in Übereinstimmung mit der folgenden Formel [I – (I/)]) erfordert das Generieren eines differenziellen Indexsignals, welches weniger empfindlich auf ein verstelltes Coderad oder einen verstellten Codestreifen ist. Spezieller kann der Ausgang von der zweiten Index Photodiode 316 von dem Ausgang der ersten Index Photodiode 312 subtrahiert werden, um einen einzigen Indexausgang zu generieren.
Für eine radiale Verstellung von ungefähr –0,35 mm im obigen Beispiel wird die Indexposition für Ausführungsbeispiele ohne das Index Fenster 704 90e verschoben, wohingegen Ausführungsbeispiele, welche ein Index Fenster 704 aufweisen, die Indexposition nicht mehr als 2e verschieben.
Für einen räumlichen Vergleich in der tangentialen Richtung von ungefähr 0,35 mm wird die Indexposition für Ausführungsbeispiele ohne das Index Fenster 704 34e verschoben, wohingegen Ausführungsbeispiele, welche ein Index Fenster 704 aufweisen, die Indexposition nicht mehr als 5e verschieben.
Wie gesehen werden kann, sind Dreikanal optische Encoder, welche alle drei Kanäle auf einer einzelnen optischen Spur haben, ein wenig empfindlich auf Verstellung und räumliche Bewegung. Diese Sensitivität könnte zu funktionellen Problemen bei Anwendungen führen, da mehrfach abgeschnittene Indexbedingungen getriggert werden können.
Gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung sind, wenn ein Codeelement mit einem Index Fenster 704 ausgerüstet ist, das digitale Signal für Index (Signal, welches mittels der Differenz des Analogsignals für Index und Index/ generiert ist) fast mit dem Mittelpunkt des A Signals (z. B. Verschiebung 404 ist im Wesentlichen vernachlässigbar) sowohl in der radialen (z. B. –0,35 mm) als auch der tangentialen (z. B. +0,35 mm) Verstellungsposition ausgerichtet. Mit anderen Worten sind die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung mit einem differenziellen Index Design geeignet zum Bereitstellen eines I-Signal-Mittelpunkt-Position- gegen A/B-Signals, welches weniger empfindlich auf eine radiale und tangentiale Verstellung des Codeelements ist.
Mit Bezug auf die 8 wird nun ein Verfahren zum Betreiben eines Encoders, wie hierin offenbart ist, in Übereinstimmung mit Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Das Verfahren beginnt, wenn ein Codier-Element (z. B. Coderad oder Codestreifen) mit einem bewegten Teil einer Vorrichtung oder eines Systems gekoppelt wird (Schritt 804). Danach wird Licht mittels einer Lichtquelle 122 generiert und das generierte Licht wird in Richtung der optischen Spur 140 des Codier-Elements umgelenkt (Schritt 808).
Abhängig davon, ob das Codier-Elemente reflektierend oder lichtdurchlässig ist, wird das Licht, welches auf das Codier-Element einfällt, entweder mittels der reflektierenden Sektionen des Codier-Elements reflektiert oder ihm erlaubt, durch die Fenstersektionen des Codier-Elements hindurch zu gehen. Licht, welches reflektiert wird oder durch das Codier-Element hindurch geht, wird dann an dem Detektor 130 detektiert (Schritt 812). Spezieller mag das Licht an einer oder mehr der inkrementellen Photodioden 324, der ersten Index Photodiode 312 und der zweiten Index Photodiode 316 detektiert werden, abhängig von der Position des Codier-Elements relativ zu den Photodioden.
Basierend auf den detektierten Lichtsignalen bestimmen die Signalverarbeitungsschaltung 134, der Decoder 108 und/oder der Mikroprozessor 110 ein Indexsignal, ein A Kanalsignal und ein B Kanalsignal (Schritt 816) und diese drei Signale werden mittels des Encoders ausgegeben (Schritt 820). Wie oben diskutiert ist, mag das Indexsignal mittels Verwendens einer Differenz der Ausgänge von der ersten Index Photodiode 312 und der zweiten Index Photodiode 316 generiert werden.
Während eine Anzahl von potentiellen Modifikationen an der optischen Spur 140 und der Sensorfläche hierin diskutiert worden sind, sollte gewürdigt werden, dass Kombination der potentiellen Modifikationen ebenfalls implementiert werden können, ohne von dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Daher fallen jedes optische Encodier-System 100, welches ein oder mehr der Merkmale der optischen Spur 140 und/oder der Sensorfläche einbezieht, welche hierin beschrieben sind, innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung. Zum Beispiel können die Höhen der verschiedenen inkrementellen Photodioden 324 angepasst werden, um Rauschen und andere ungewünschte Bedingungen zu reduzieren.
Zusätzlich mögen die Abmessungen der Sensorfläche und der Photodioden darin variieren, abhängig von den Anwendungen, in welchen das optische Encoder System 100 eingesetzt wird. Als nicht limitierendes Beispiel mag die Höhe der Sensorfläche in der Ordnung von ungefähr 300 bis 400 Mikrometer sein. Die Länge der Sensorfläche kann in der Ordnung von ungefähr 1200 Mikrometer sein. Die Breite von jeder A, B, AB und BB Photodiode mag in der Ordnung von ungefähr 40 Mikrometer sein. Die Breite der Index Photodioden 312, 316 mag in der Ordnung von ungefähr 160 Mikrometer sein. Wie gewürdigt werden kann, kann jedoch die Größe der Komponenten, welche hierin beschrieben werden, variieren, um jegliche Anzahl von Anwendungen unterzubringen.
Spezifische Details wurden in der Beschreibung gegeben, um ein gründliches Verständnis der Ausführungsbeispiele bereitzustellen. Jedoch wird es von jemand mit gewöhnlichem Fachwissen verstanden werden, dass die Ausführungsbeispiele ohne diese spezifischen Details praktiziert werden mögen. Zum Beispiel mögen die Schaltkreise in Blockdiagramm gezeigt sein, um die Ausführungsbeispiele nicht in einem unnötigen Detail zu verschleiern. In anderen Beispielen mögen gut bekannte Schaltkreisen, Prozessen, Algorithmen, Strukturen und Techniken ohne unnötiges Detail gezeigt sein, um ein Verschleiern der Ausführungsbeispiele zu vermeiden.
Während illustrative Ausführungsbeispiele der Offenbarung im Detail hierin beschrieben worden sind, ist es zu verstehen, dass die erfinderische Konzepte anderweitig verschieden ausgeführt und eingesetzt werden mögen, und dass die angehängten Ansprüche beabsichtigt sind, ausgelegt zu werden, um solche Variationen zu beinhalten, soweit es nicht durch den Stand der Technik limitiert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2012/0205528 [0007, 0043]
US 4451731 [0033]
US 4691101 [0033]
US 5241172 [0033]
US 7400269 [0033]

Claims

Ein Encoder zum Verwenden in einem optischen Encodier-System, welcher aufweist: einen Emitter, welcher konfiguriert ist, Licht zu emittieren; einen Detektor, welcher konfiguriert ist, zumindest einen Anteil des Lichts zu empfangen, welches mittels des Emitters emittiert ist, und das empfangene Licht in ein oder mehr elektrische Signale zu konvertieren, welches oder welche verwendet wird oder werden, um drei Ausgangssignale zu generieren, wobei das Licht, welches verwendet wird, um die drei Ausgangssignale zu generieren, zumindest eines ist von einem durch eine einzelne optische Spur eines Codier-Elements hindurch gegangen und von einer einzelnen optische Spur eines Codier-Elements reflektiert geworden, und wobei eines der drei Ausgangssignale ein differentielles Indexsignal aufweist.
Der Encoder gemäß Anspruch 1, wobei der Detektor eine Sensorfläche aufweist, welche ein Array von inkrementellen Photodioden, eine erste Index Photodiode, welche einen ersten Indexausgang generiert, und eine zweite Index Photodiode beinhaltet, welche einen zweiten Indexausgang generiert, wobei der zweite Indexausgang von dem ersten Indexausgang subtrahiert ist, um das differentielle Indexsignal zu generieren.
Der Encoder gemäß Anspruch 2, wobei das Array von inkrementellen Photodioden zwischen der ersten Index Photodiode und der zweiten Index Photodiode angeordnet ist.
Der Encoder gemäß Anspruch 3, wobei die erste Index Photodiode eine Breite aufweist, welche zumindest viermal größer als eine Breite einer inkrementellen Photodiode in dem Array von Index Photodioden ist.
Der Encoder gemäß Anspruch 4, wobei die zweite Index Photodiode eine Breite aufweist, welche im Wesentlichen gleich zu der Breite der ersten Index Photodiode ist.
Der Encoder gemäß irgendeinem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die einzelne optische Spur einen Index Balken, ein Index Fenster und zumindest einen Nicht-Index Balken aufweist, welcher den Index Balken von dem Index Fenster separiert.
Der Encoder gemäß Anspruch 6, wobei eine Distanz zwischen einem Mittelpunkt des Index Fensters und einem Mittelpunkt des Index Balkens im Wesentlichen gleich zu einer Distanz zwischen einem Mittelpunkt der ersten Index Photodiode und einem Mittelpunkt der zweiten Index Photodiode ist.
Der Encoder gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die einzelne optische Spur zumindest eines ist von radial und linear-orientiert.
Ein System zum Übersetzen einer physikalischen Bewegung einer Vorrichtung in ein elektrisches Signal, wobei das System aufweist: einen Encoder, welcher aufweist: eine Sensorfläche, welche ein Array von inkrementellen Photodioden, eine erste Index Photodiode und eine zweite Index Photodiode beinhaltet; ein Codier-Element, welches eine einzelne optische Spur hat, welche einen Index Balken, ein Index Fenster und zumindest einen Nicht-Index Balken beinhaltet, wobei das Codier-Element mechanisch mit der Vorrichtung gekoppelt ist, wobei die einzelne optische Spur in Nähe der Sensorfläche positioniert ist; und einen Signal Verarbeitungsschaltkreis, welcher mit der Sensorfläche gekoppelt ist und konfiguriert ist, zumindest drei Ausgangssignale auszugeben, wobei zumindest eines der drei Ausgangssignale zu einem Indexsignal korrespondiert, welches basierend auf Eingängen generiert ist, welche von der ersten Index Photodiode und der zweiten Index Photodiode empfangen sind.
Das System gemäß Anspruch 9, wobei das Indexsignal mittels Subtrahierens eines Eingangs, welcher von der zweiten Index Photodiode empfangen ist, von einem Eingang generiert ist, welcher von der ersten Index Photodiode empfangen ist.
Das System gemäß Anspruch 10, wobei das Indexsignal generiert ist, wenn das Index Fenster die zweite Index Photodiode überlagert und der Index Balken die erste Photodiode überlagert.
Das System gemäß irgendeinem der Ansprüche 9 bis 11, wobei eine Distanz zwischen einem Mittelpunkt des Index Fensters und einem Mittelpunkt des Index Balkens im Wesentlichen gleich zu einer Distanz zwischen einem Mittelpunkt der ersten Index Photodiode und einem Mittelpunkt der zweiten Index Photodiode ist.
Das System gemäß irgendeinem der Ansprüche 9 bis 12, wobei das Array von inkrementellen Photodioden eine A-Signal Photodiode, eine B-Signal Photodiode, eine AB-Signal Photodiode und eine BB-Signal Photodiode beinhaltet.
Das System gemäß Anspruch 13, wobei das Array von inkrementellen Photodioden verwendet wird, um ein A-Kanal Ausgangssignal und ein B-Kanal Ausgangssignal zu erzeugen.
Ein Codier-Element, welches zum Verwenden in einem optischen Encodier-System konfiguriert ist, wobei das Codier-Element aufweist: eine optische Spur, welche einen Index Balken, ein Index Fenster und zumindest einen Nicht-Index Balken hat, wobei der Index Balken und das Index Fenster voneinander in solch einer Art und Weise beabstandet sind, um ein Indexsignal zusätzlich zu einem A-Kanal Ausgangssignal und einem B-Kanal Ausgangssignal zu erzeugen.
Das Codier-Element gemäß Anspruch 15, wobei der Index Balken und der zumindest eine Nicht-Index Balken nicht-reflektierende Sektionen des Codier-Elements aufweisen, und/oder wobei das Index Fenster zumindest eines von einem reflektierenden und einem optisch lichtdurchlässigen Material aufweist.
Das Codier-Element gemäß Anspruch 15 oder 16, wobei die optische Spur im Wesentlichen linear ist, und/oder wobei die optische Spur radial angeordnet ist, und/oder wobei das Index Fenster zumindest eineinhalbmal breiter ist als der zumindest eine Nicht-Index Balken.