ES2928745T3 - Métodos para calcular la forma de rendijas de una máscara de un codificador incremental óptico - Google Patents

Métodos para calcular la forma de rendijas de una máscara de un codificador incremental óptico Download PDF

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Abstract

El codificador incremental óptico comprende un disco giratorio (1) que comprende una pluralidad de ranuras de disco (2) que tienen una forma rectangular; una fuente de luz (4) configurada para emitir un haz de luz (3), alcanzando el disco giratorio (1) produciendo un efecto de difracción en las ranuras rectangulares del disco (2); una máscara (6), posicionada a cierta distancia (17) después del disco giratorio (1), que comprende una pluralidad de ranuras de máscara (7) con una forma particular y configuradas para recibir la luz difractada por el disco giratorio (1); y una unidad optoelectrónica (8), en la que la forma de las ranuras de la máscara (7) se calcula realizando una transformada de Fourier en una convolución entre las funciones H y F, ya sea ignorando o considerando los efectos de difracción que ocurren en el disco (1), siendo dicha señal (S) una señal sinusoidal pura, donde H define la forma de las ranuras (2) y F define la forma de las ranuras (7). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Métodos para calcular la forma de rendijas de una máscara de un codificador incremental óptico
Campo técnico
La presente invención se refiere, en general, al campo de codificadores ópticos. En particular, la invención se refiere a un método para calcular la forma de rendijas de máscara de un codificador incremental óptico.
Los codificadores son dispositivos que permiten obtener la posición y la velocidad de un eje de giro, dependiendo la precisión de la resolución del codificador.
Antecedentes de la invención
El documento de solicitud de patente EP 0714015 A2 describe un codificador óptico que tiene una primera y segunda escalas dispuestas en paralelo entre sí para ser relativamente móviles, una fuente de luz y medios de detección de luz, en donde una de la primera y segunda escalas tiene una rejilla uniforme y la otra de la primera y segunda escalas tiene una rejilla no uniforme. El documento de patente US 3.674.372 describe un aparato para medir el cambio de posición de dos partes que se mueven entre sí, que comprende un sistema de escaneo de rejilla fotoeléctrico con rejillas móviles relativamente que intersecan un eje óptico. El documento de solicitud de patente US 2007/0028476 A1 describe un instrumento de medición de posición para detectar una posición relativa, comprendiendo el instrumento de medición de posición: una escala que comprende una graduación de medición; una unidad de escaneo que puede moverse para generar una señal de escaneo resultante. El documento de solicitud de patente US 2007/0187581 A1 describe un codificador óptico que comprende: una fuente de luz incoherente; una primera rejilla que es una rejilla de amplitud; una segunda rejilla que es una rejilla de fase; una tercera rejilla que es una rejilla de amplitud; y un elemento de detección de luz para detectar luz de la tercera rejilla. El documento de patente US 5.994.692 describe un sistema de medición de posición fotoeléctrico que comprende: una fuente de luz; una primera rejilla; una segunda rejilla desplazable con respecto a la primera rejilla en una dirección de medición; y una pluralidad de fotodetectores dispuestos corriente abajo con respecto a la segunda rejilla; en donde al menos una de dicha primera o segunda rejilla tiene al menos una primera y una segunda áreas de rejilla transversales dispuestas adyacentes entre sí en la dirección de medición. El documento de solicitud de patente EP 0547270 A1 describe un dispositivo fotoeléctrico para generar señales con un estándar de medición con una graduación de medición con una estructura binaria de dos dimensiones y al menos un dispositivo de escaneo. El documento de solicitud de patente EP 1439375 A2 describe un codificador óptico que comprende: un emisor que incluye una fuente de luz, un detector para detectar y procesar luz en una señal de salida; y un elemento de codificación que tiene espacios y marcas. El documento de solicitud de patente JP 2007183251 (A) describe que, en un codificador fotoeléctrico de tipo de tres rejillas equipado con una segunda rejilla formada en una escala y una primera y tercera rejillas dispuestas en el lado de la parte de detección, una parte de al menos la primera rejilla se desplaza en la dirección del eje de medición.
La Fig. 1 ilustra un esquema básico de un codificador óptico incremental. El disco giratorio 1 tiene N rendijas rectangulares 2 en su periferia que permiten que la luz las atraviese, siendo la parte restante opaca. Es decir, el ángulo entre dos rendijas consecutivas es de a = 2n/N radianes.
El valor de N es lo que se denomina la resolución óptica. Un haz incidente 3 de luz que emana de una fuente 4 de luz, en este caso, colimada por una lente convergente 5, pasa a través de las mismas y alcanza una máscara fija 6 (no giratoria) con otras rendijas 7 integradas. La cantidad de intensidad de luz que pasa a través de las rendijas en el disco giratorio 1 y en la máscara 6 cambia a medida que el disco giratorio 1 gira con el tiempo t y puede medirse mediante un conjunto de fotodiodos 8 que generan un pulso periódico S(t).
Para describir S(t), a efectos de simplicidad, los efectos de la difracción que se produce en el disco giratorio 1 se ignoran. Las rendijas rectangulares en el disco giratorio 1 se modelan mediante un tren periódico H(x) de impulsos rectangulares 9; ver la primera de las figuras en la Fig. 2. Las rendijas 2 se corresponden con la región debajo del gráfico de H; el giro del disco giratorio 1 (a velocidad constante) significa sustituir H(x) por H(x - 1); esto se muestra en la segunda de las figuras en la Fig. 2.
A continuación, las rendijas 7 en la máscara 6 se modelan análogamente mediante una función F; si las mismas también son rectangulares, como las del disco giratorio 1, F es una función con un número finito de impulsos 10 (dos en la Fig. 3). Nuevamente, las rendijas 7 en la máscara 6 se corresponden con la región debajo del gráfico de F. La intensidad de luz que pasa a través del disco giratorio 1 y la máscara 6 es entonces proporcional al área 11 de la región obtenida superponiendo los gráficos de H, F.
En términos matemáticos, la señal S(t) es la denominada convolución de H, F
Figure imgf000003_0001
Se supone F como en la Fig. 3. Si se considera que en el instante t = 0 las rendijas 2 en el disco giratorio 1 se solapan con partes opacas de la máscara 6 (siendo F(x) = 0), esta área es igual a cero y S(0) = 0, ilustrándose esto en la Fig. 4. En el caso opuesto, cuando las posiciones de las rendijas 2 en el disco giratorio 1 se solapan con las rendijas 7 en la máscara 6, esta área es máxima, tal como se muestra en la Fig. 5. Entre estos dos casos extremos, el área cambia linealmente. Esto significa que, en este caso, cuando las rendijas 7 en la máscara 6 también son rectangulares, la señal S(t) será un tren periódico de N impulsos triangulares 12 para cada giro, tal como se muestra en la Fig. 6.
De hecho, se generan otras tres señales como S(t) de manera similar por motivos robustos. Este pulso periódico S(t) codifica la posición del disco giratorio 1 tan pronto como se produce una señal Z de referencia para cada vuelta. La manera en que se generan estas otras tres señales y Z es bien conocida y no se mencionará aquí.
Una vez la señal S(t) se ha generado ópticamente, una segunda parte del proceso consiste en su procesamiento mediante medios electrónicos para aumentar la resolución en un factor grande y. Cada señal de salida puede interpolarse electrónicamente, multiplicando la resolución por el factor ^, obteniendo por lo tanto una resolución final de yN. La manera en que esto se realiza no se describirá aquí, ya que es el objeto de varias patentes activas.
En los algoritmos de interpolación electrónicos existentes, cuanto más sinusoidal es la señal, mejor es la calidad de interpolación que se conseguirá para valores altos de ^, como en la Fig. 7. No obstante, esto provoca el problema de encontrar la forma que deberían tener las rendijas 7 en la máscara 6, de modo que la señal resultante S(t) consiste en un tren periódico de pulsos sinusoidales 13 en lugar de triangulares 12. En el pasado, esto se ha abordado simplemente experimentando con diferentes tipos de forma, solamente con resultados aproximados insuficientes. En términos matemáticos, la cuestión es encontrar y describir todas las funciones positivas F de modo que la convolución F * H es igual a una función sinusoidal pura. La presente invención supone la determinación de dos soluciones a este problema, es decir, la determinación de dos formas que deberían tener las rendijas 7 en la máscara 6 para obtener exactamente una señal sinusoidal S(t) como 13.
Descripción de la invención
Según la invención, se dan a conocer dos métodos alternativos para calcular la forma de rendijas de máscara de un codificador incremental óptico, definiéndose el primer método en la reivindicación 1 y definiéndose el segundo método en la reivindicación 4.
Ambos métodos comprenden, tal como resulta conocido en el sector:
- emitir, mediante una fuente de luz, un haz de luz, siendo colimado dicho haz de luz mediante una lente y alcanzando un disco giratorio que produce un efecto de difracción, disponiéndose dicho disco giratorio perpendicular con respecto a un eje de giro, fijado a este último, y que gira a la misma velocidad, teniendo dicho disco giratorio una primera parte en su periferia que comprende una pluralidad de rendijas de disco que tienen una forma rectangular que permite el paso de la luz a través de la misma y una segunda parte que no permite el paso de la luz a través de la misma;
- recibir, mediante una máscara dispuesta a cierta distancia después del disco giratorio y que comprende una pluralidad de rendijas de máscara con una forma particular la luz difractada por el disco giratorio;
- generar, mediante una unidad optoelectrónica, una señal periódica con una primera resolución determinada usando una cantidad de luz que alcanza la unidad optoelectrónica, dependiendo dicha cantidad de luz del giro del disco giratorio; y
- transformar, mediante la unidad optoelectrónica, dicha señal periódica generada en un pulso electrónico que es procesado para obtener una salida final con una segunda resolución determinada, usándose dicha salida final para calcular la velocidad del eje de giro.
A diferencia de las proposiciones conocidas en el sector, en los métodos propuestos, la forma de las rendijas de máscara se calcula realizando una transformada de Fourier en una ecuación de convolución que relaciona una función H y una función F, y una función sinusoidal, ignorando o teniendo en cuenta los efectos de difracción que se producen en el disco giratorio, de modo que dicha señal periódica generada es una señal sinusoidal pura. La función H define la forma rectangular de las rendijas de disco, mientras que la función F define la forma de las rendijas de máscara.
Según el primer método alternativo definido en la reivindicación 1, se ignoran los efectos de difracciones que se producen en el disco giratorio, y se usa la siguiente ecuación (F * H)(t) = ¡ F(x) H(x - t)dx = c(1 sen Nt), en donde solamente se considera la parte positiva de la función sinusoidal.
Según el segundo método alternativo definido en la reivindicación 4, se tienen en cuenta los efectos de difracciones que se producen en el disco giratorio, y se usa la siguiente ecuación (H * Kd * F)(t) = c(d) A(d) sen Nt, en donde se tienen en cuenta las partes positivas y negativas de la función sinusoidal.
Según los métodos propuestos, la emisión del haz de luz puede incluir emitir el haz de luz desde un diodo emisor de luz o un diodo láser.
Breve descripción de los dibujos
Las anteriores y otras ventajas y características resultarán más comprensibles a partir de la siguiente descripción detallada de realizaciones, con referencia a las figuras adjuntas, que deben considerarse de manera ilustrativa y no limitativa, en donde:
La Fig. 1 es un esquema básico de un codificador incremental óptico.
La Fig. 2 ilustra un ejemplo de un tren de impulsos rectangulares y su traslación.
La Fig. 3 es un ejemplo de rendijas rectangulares en una máscara.
La Fig. 4 es un ejemplo de un solapamiento igual a cero.
La Fig. 5 es un ejemplo de un solapamiento máximo.
La Fig. 6 ilustra un ejemplo de un tren de impulsos rectangulares.
La Fig. 7 ilustra un ejemplo de una señal sinusoidal pura.
La Fig. 8 ilustra la función F obtenida manteniendo solamente la parte positiva de la función sinusoidal.
Las Figs. 9-11 ilustran la convolución realizada en la primera solución. La Fig. 9 ilustra la convolución entre el disco H y F 18 de la Fig. 8; la Fig. 10 ilustra la convolución sin solapamiento; y la Fig. 11 ilustra la convolución con un solapamiento máximo.
La Fig. 12 ilustra la máscara obtenida mediante la primera solución.
La Fig. 13 ilustra la convolución realizada mediante la segunda solución.
La Fig. 14 ilustra la señal sinusoidal S(t) obtenida mediante la segunda solución.
Descripción detallada de realizaciones preferidas
La invención propuesta da a conocer dos métodos alternativos para calcular la forma de rendijas de máscara de un codificador incremental óptico.
El codificador incremental óptico propuesto, tal como el mostrado en la Fig. 1, comprende rendijas 7 de máscara que tienen una forma calculada realizando una transformada de Fourier en una ecuación de convolución entre una función H, que define la forma rectangular de las rendijas 2 de disco del disco giratorio 1, y una función F, que define la forma de las rendijas 7 de máscara, ignorando o teniendo en cuenta los efectos de difracción que se producen en el disco giratorio 1. En consecuencia, la señal sinusoidal S(t) es una señal sinusoidal pura. Para conseguir esto último, la presente invención da a conocer dos posibles realizaciones o soluciones.
Según una primera realización, o una primera solución, es decir, ignorando los efectos de difracción, la aproximación de la presente invención se basa en un análisis matemático de la siguiente ecuación (F * H)(t) = J F(x) H(x - t)dx = c(1 sen Nt) usando la transformada de Fourier, que es la herramienta preferible para gestionar ecuaciones de convolución. El análisis de la presente invención revela además que esta forma es única, hasta modificaciones triviales.
La forma correcta viene dada por la función F obtenida manteniendo solamente la parte positiva de una función sinusoidal, tal como se muestra en la Fig. 8, con una cantidad de impulsos 14. Las Figs. 9, 10 y 11 ilustran la convolución en este caso. Nuevamente, la cantidad de intensidad de luz capturada por la unidad optoelectrónica 8 es proporcional al área común 15 determinada por H(x - t) y F(x) en la Fig. 9, pero en este caso no cambia linealmente. Cuando no existe solapamiento en absoluto entre las rendijas del disco giratorio 1 y la máscara 6 (Fig. 10), esta área es igual a cero y S(0) = 0. Cuando el solapamiento es perfecto (Fig. 11), el valor de S es máximo.
Entremedias, el punto relevante es que no cambia de manera lineal, tal como se describió anteriormente, sino como una función sinusoidal. En conjunto, la salida final es una señal sinusoidal pura, tal como se desea.
La Fig. 12 muestra una máscara 6 con rendijas 7 con esta forma. Las rendijas 7 se han duplicado simétricamente con respecto a los ejes horizontales para aumentar la intensidad.
Según una segunda realización, o una segunda solución, cuando la luz se difracta en una pantalla con aberturas (rendijas) determinadas por una función H, es bien conocido en la teoría de la difracción que la alteración Id a una distancia d de la pantalla está determinada por la convolución de H con un kernel Helmholtz Kd, Id = H * Kd . También es bien conocido que si H es periódica, la intensidad Id dependiendo de constantes es igual a H cuando d es un entero múltiple de la denominada distancia Talbot. Esto significa que cuando la distancia 17 entre el disco giratorio 1 y la máscara cumple esa condición, el modelo descrito anteriormente, ignorando la difracción, es preciso. En consecuencia, la primera solución descrita en la primera realización tendrá el efecto deseado de una señal S(t) sinusoidal pura para algunos valores de la distancia crítica 17.
No obstante, los codificadores funcionan con frecuencia en situaciones expuestas a altas presiones, vibraciones, etc., que podrían perturbar el valor de la distancia 17. Cuando esto sucede, el modelo usado en la primera realización deja de ser preciso y, en consecuencia, la señal resultante S(t) obtenida usando la primera solución ya no es una función sinusoidal exacta. Para resolver esto último, en la segunda realización, la forma de las rendijas 7 en la máscara 6 se determina teniendo en cuenta que la función H debe cambiar a H * Kd si se tienen en cuenta los efectos de difracción. De este modo, en esta segunda realización, la ecuación de la función F que modela las rendijas 7 satisface:
(H * Kd * F)(t) = c(d) A(d) sen Nt
La solución es que la función F consiste en un número finito de impulsos 18, como en la Fig. 13, en una forma sinusoidal desplazada F(x) = 1 sen Nt. La señal S(t) generada cuando la máscara 6 se obtiene mediante esta segunda solución es la señal sinusoidal 19 de la Fig. 14.
La fuente 4 de luz del codificador incremental óptico propuesto, en cualquiera de las soluciones descritas, es preferiblemente monocromática. Además, la fuente 4 de luz puede ser un diodo emisor de luz (LED) o un láser. El LED y el láser pueden funcionar con diferentes longitudes de onda. Además, preferiblemente, la forma de las rendijas 7 de máscara es más baja que la forma rectangular 2 de las rendijas de disco.
El alcance de la presente invención se define en el siguiente conjunto de reivindicaciones.

Claims (6)

REIVINDICACIONES
1. Método para calcular la forma de rendijas de máscara de un codificador incremental óptico, que comprende: emitir, mediante una fuente (4) de luz, un haz (3) de luz, siendo colimado dicho haz de luz mediante una lente (5) y alcanzando un disco giratorio (1) que produce un efecto de difracción, disponiéndose dicho disco giratorio (1) perpendicular con respecto a un eje de giro, fijado a este último, y que gira a la misma velocidad, teniendo dicho disco giratorio (1) una primera parte en su periferia que comprende una pluralidad de rendijas (2) de disco que tienen una forma rectangular que permite el paso de la luz a través de la misma y una segunda parte que no permite el paso de la luz a través de la misma;
recibir, mediante una máscara (6) dispuesta a cierta distancia (17) después del disco giratorio (1) y que comprende una pluralidad de rendijas (7) de máscara con una forma particular, la luz difractada por el disco giratorio (1); y generar, mediante una unidad optoelectrónica (8), una señal periódica con una primera resolución determinada usando una cantidad de luz que alcanza la unidad optoelectrónica (8) después de haber atravesado el disco giratorio (1) y la máscara (6), dependiendo dicha cantidad de luz del giro del disco giratorio (1); y
caracterizado por el hecho de que el método comprende además:
transformar, mediante la unidad optoelectrónica (8), dicha señal periódica generada en un pulso electrónico que es procesado para obtener una salida final con una segunda resolución determinada, usándose dicha salida final para calcular la velocidad del eje de giro; y por el hecho de que la forma de las rendijas (7) de máscara se calcula realizando una transformada de Fourier en una ecuación de convolución que relaciona una función H, una función F y una función sinusoidal, ignorando los efectos de difracción que se producen en el disco giratorio (1), de modo que dicha señal periódica generada es una señal sinusoidal pura, en donde la función H define la forma rectangular de las rendijas (2) de disco y la función F define la forma de las rendijas (7) de máscara, en donde dicho cálculo de la forma de las rendijas (7) de máscara se realiza usando la siguiente ecuación (F * H)(t) = I F(x) H(x - t)dx = c(1 sen Nt), en donde solamente se tiene en cuenta la parte positiva de la función sinusoidal, en donde c es una constante y N es la primera resolución de la señal periódica generada.
2. Método según la reivindicación 1, en donde la emisión del haz (3) de luz incluye emitir el haz (3) de luz desde un diodo emisor de luz o un diodo láser.
3. Método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, en donde la generación de la señal periódica incluye generar la señal periódica desde un conjunto de fotodiodos.
4. Método para calcular la forma de rendijas de máscara de un codificador incremental óptico, que comprende: emitir, mediante una fuente (4) de luz, un haz (3) de luz, siendo colimado dicho haz de luz mediante una lente (5) y alcanzando un disco giratorio (1) que produce un efecto de difracción, disponiéndose dicho disco giratorio (1) perpendicular con respecto a un eje de giro, fijado a este último, y que gira a la misma velocidad, teniendo dicho disco giratorio (1) una primera parte en su periferia que comprende una pluralidad de rendijas (2) de disco que tienen una forma rectangular que permite el paso de la luz a través de la misma y una segunda parte que no permite el paso de la luz a través de la misma;
recibir, mediante una máscara (6) dispuesta a cierta distancia (17) después del disco giratorio (1) y que comprende una pluralidad de rendijas (7) de máscara con una forma particular, la luz difractada por el disco giratorio (1); y generar, mediante una unidad optoelectrónica (8), una señal periódica con una primera resolución determinada usando una cantidad de luz que alcanza la unidad optoelectrónica (8) después de haber atravesado el disco giratorio (1) y la máscara (6), dependiendo dicha cantidad de luz del giro del disco giratorio (1); y
caracterizado por el hecho de que el método comprende además:
transformar, mediante la unidad optoelectrónica (8), dicha señal periódica generada en un pulso electrónico que es procesado para obtener una salida final con una segunda resolución determinada, usándose dicha salida final para calcular la velocidad del eje de giro; y por el hecho de que la forma de las rendijas (7) de máscara se calcula realizando una transformada de Fourier en una ecuación de convolución que relaciona una función H, una función F y una función sinusoidal, teniendo en cuenta los efectos de difracción que se producen en el disco giratorio (1), de modo que dicha señal periódica generada es una señal sinusoidal pura, en donde la función H define la forma rectangular de las rendijas (2) de disco y la función F define la forma de las rendijas (7) de máscara, en donde dicho cálculo de la forma de las rendijas (7) de máscara se realiza usando la siguiente ecuación (H * Kd * F)(t) = c(d) A(d) sen Nt, en donde se tienen en cuenta las partes positiva y negativa de la función sinusoidal, en donde c(d) es una constante que depende de la distancia entre la máscara (6) y el disco giratorio (1) teniendo en cuenta los efectos de difracción, A(d) es la amplitud que depende de la distancia entre la máscara (6) y el disco (1) y N es la primera resolución de la señal periódica generada.
5. Método según la reivindicación 4, en donde la emisión del haz (3) de luz incluye emitir el haz (3) de luz desde un diodo emisor de luz o un diodo láser.
6. Método según cualquiera de las reivindicaciones 4 a 5, en donde la generación de la señal periódica incluye generar la señal periódica desde un conjunto de fotodiodos.
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