TW201321723A - 光學編碼器 - Google Patents

Abstract

本發明一種光學編碼器，主要係由一光信號產生器產生一檢測光信號，該檢測光信號通過一光纖傳輸線而往一檢光器投射，其中該光纖傳輸線的端部設有一光纖鏡頭，使投射出的檢測光信號具不對稱性；該光纖傳輸線與該檢光器之間設有一編碼盤，當該編碼盤旋轉時，該檢光器間歇地接收到光信號，而根據接收的光信號強度而產生不對稱的電壓波形，以供判斷編碼盤的旋轉方向。

Description

光學編碼器

本發明是有關一種光學編碼器，特別是指透過光纖鏡頭投射出不對稱的檢測光信號，並可根據光信號強度判斷編碼盤旋轉方向的光學編碼器。

光學編碼裝置係設置在旋轉機械上，例如馬達，用以監控旋轉機械的旋轉速度、方向、角度與位置等資訊。

光學編碼裝置根據光信號的傳送、接收方式，可分為穿透型光學編碼裝置與反射型光學編碼裝置。請參考圖20所示，係一已知的反射型光學編碼裝置，其包含有一光收發模組60與一編碼盤61。該編碼盤61可被驅動而沿其軸心610旋轉，該編碼盤61的外周環繞形成有複數個編碼槽611；該光收發模組60係軸向相對設置在該編碼盤61的一側，且可透過一光纖傳輸線600投射一檢測光信號601至該編碼盤61的編碼槽611上，而在編碼槽611中產生反射光信號602。是以，當該編碼盤61被驅動而相對光纖傳輸線600旋轉時，檢測光信號600在編碼槽611上產生反射，該光收發模組60再透過光纖傳輸線600接收反射光信號602，該光收發模組60可連線到一信號處理裝置，該信號處理裝置可根據反射光信號602的頻率、信號強度等資訊判定編碼盤30的旋轉速度、旋轉方向。

請參考圖21，係揭示一種編碼槽611結構，每個編碼槽611的寬度為等寬，每兩編碼槽611的間距亦等距，且每一編碼槽611的深度為等深；然而，當編碼盤61轉動時，由於每個編碼槽611的深度與寬度相同，且兩編碼槽611的間距也相同，請參考圖22所示，光收發模組60接收的反射光信號強度602為對稱的波形，即於峰值左側的波形是直線上升，峰值右側的波形是直線下降，故無從判定編碼盤61的旋轉方向。

為達到可判定編碼盤61旋轉方向的目的，請參考圖23A所示，編碼槽611的寬度改為呈週期性的變化，例如以順時針方向由寬變窄；或是如圖23B與圖23C所示，每一編碼槽611的寬度隨其深度而呈階梯狀遞減。因此，藉由編碼槽611的結構形態，當編碼盤61為順時針旋轉或逆時針旋轉時，該信號處理裝置所接收的反射光信號602會依編碼盤61旋轉方向不同而有所差異，故該信號處理裝置可依反射光信號602的強度差異判斷出編碼盤30的旋轉方向、速度、角度與位置等資訊。

請參考圖24所示，係一市售具有抗電磁波效果的光纖編碼器，其包含有一編碼盤70、多個濾光片71、多個反射鏡72與一光纖傳輸線73。該編碼盤70的外周形成複數編碼槽701，編碼槽701的寬度可如前述呈週期的變化，該光纖傳輸線73可發出一檢測光信號74，該檢測光信號74通過該個濾光片71與反射鏡72後，投射到該編碼盤30編碼槽701位置而發生反射，當編碼盤30轉動時，反射光信號75再通過濾光片71與反射鏡72回饋至該光纖傳輸線73，該光纖傳輸線73係連接至一信號處理裝置，該信號處理裝置依反射光信號75判斷出編碼盤70的旋轉方向、速度等資訊。由於光信號是在光纖傳輸線73中傳送，而不會被外界電磁場干擾。

前述方法中，皆是在編碼盤70形成不等寬或不等距的編碼槽701結構，然而，當此類光學編碼裝置安裝在小型旋轉機械時，例如直徑小於6mm的微型馬達時，編碼盤701的尺寸將受到限制，小尺寸的編碼盤701將難以形成前述的編碼槽701結構，從而不易對微型馬達的旋轉方向、速度、角度與位置進行監控。

因此本發明的主要目的是提供一種光學編碼器，當該光學編碼器設置在旋轉機械上時，即使編碼盤上僅形成等寬且等距的編碼槽，該光學編碼器所對應產生的電壓波形仍可供信號處理裝置判斷出旋轉機械的旋轉方向。

為達前揭目的，本發明所採用的技術手段是令該光學編碼器包含有：一光發射模組，其包含：一光信號產生器，產生一檢測光信號；一光纖傳輸線，連接該光信號產生器，且具有一端部；及一光纖鏡頭，設置在該光纖傳輸線的端部，其包含有一透光部以供該檢測光信號通過，通過該透光部的檢測光信號具不對稱性；一檢光器，係與該光發射模組呈相對設置，以接收該檢測光信號；以及一編碼盤，設置在該光發射模組與該檢光器之間，且具有複數個透光孔供該檢測光信號通過；當該編碼盤旋轉時，該檢測光信號間歇地通過透光孔而投射到該檢光器，該檢光器根據接收的檢測光信號強度而產生不對稱的電壓波形。

本發明提供另一光學編碼器，其包含有：一光發射模組，包含有：一光信號產生器，產生一檢測光信號；一光纖傳輸線，連接該光信號產生器，且具有一端部；一光纖鏡頭，設置在該光纖傳輸線的端部，其包含有一透光部以供該檢測光信號通過，通過該透光部的檢測光信號具不對稱性；及一光纖耦合器，設置在光信號產生器與光纖傳輸線之間；一編碼盤，係設置在該光纖傳輸線的一側且具有複數個凹槽；一檢光器，係耦合該光纖耦合器；當該編碼盤旋轉時，該檢測光信號投射到編碼盤的凹槽後產生反射，反射的光信號再回饋到光纖傳輸線中，該光纖耦合器分離出回饋的光信號，該檢光器根據自光纖耦合器接收的回饋光信號強度而產生不對稱的電壓波形。

本發明不須在編碼盤上形成複雜的編碼槽結構，而是藉由光纖鏡頭的設置，以投射出不對稱的光信號，當編碼盤旋轉時，檢測光信號間歇地投射到檢光器，而檢光器根據接收的光信號強度產生不對稱的電壓波形，其電壓波形可反應出編碼盤的旋轉方向，從而供連接到檢光器的信號處理裝置可判斷出編碼盤的旋轉方向。是以，即使編碼盤的尺寸被旋轉機械限制，本發明的編碼盤仍可使用等寬、等距的簡單且易於成形的凹槽或透光孔結構，即可供信號處理裝置判斷旋轉機械的旋轉方向，本發明可應用在小型的旋轉機械上，提供更廣泛的用途。

請參考圖1所示本發明的一較佳實施例，係一穿透型的光學編碼裝置，其包含有一光發射模組10、一檢光器20與一編碼盤30。

該光發射模組10包含有一光信號產生器11與一光纖傳輸線12，該光纖傳輸線12連接該光信號產生器11且其端部設有一光纖鏡頭13，該光纖鏡頭13可作為遮罩使用。該光信號產生器11產生一檢測光信號100，檢測光信號100通過該光纖傳輸線12向前傳輸，進而穿透該光纖鏡頭13而投射到外界。

該檢光器20係與該光發射模組10呈相對設置，且可連接到一信號處理裝置40；該檢光器20的輸入端可連接一光纖傳輸線21，以接收由該光發射模組10發出的檢測光信號100。

該編碼盤30設置在該光發射模組10與該檢光器20之間，該編碼盤30上環繞形成複數個透光孔31，該光發射模組10發出的檢測光信號100係對應到編碼盤30上透光孔31的位置，其中該複數透光孔31的寬度與彼此間的間距可為定值。該編碼盤30可設置在一旋轉機械上，例如微型馬達，當旋轉機械旋轉時，編碼盤30可被帶動旋轉，此時，因透光孔31是間隔排列設置，所述的檢測光信號100將間歇地通過透光孔31，該檢光器20則對應接收檢測光信號100，該信號處理裝置40根據檢光器20所接收的檢測光信號100而判斷編碼盤30的旋轉速度、旋轉方向、角度、位置等資訊。

請參考圖2所示，係揭示一種光纖鏡頭13的實施態樣，該光纖鏡頭13是一半透明的遮罩，其中，該光纖鏡頭13的末端形成透光部130供檢測光信號100通過，使通過該透光部130的檢測光信號100具不對稱性。

於本實施例中，該透光部130係左、右不對稱的幾何圖案，例如半圓形。因此，檢測光信號100的不對稱性係指圖案的不對稱，若檢測光信號100投射到檢光器20時，檢光器20亦接收到左右不對稱的的幾何圖案。當編碼盤30順時針旋轉時，該檢光器20對應所接收的檢測光信號100強度而產生不同大小的電壓，其電壓波形圖如圖3所示，圖中縱軸表示電壓值(mV)，橫軸表示編碼盤30步進角(Step angel)，例如50%代表旋轉步進角的一半，100%代表旋轉一完整步進角。由圖中可見，若編碼盤30順時針旋轉，於步進角0%~50%時，電壓呈下降的趨勢；請再參考圖4所示，係當編碼盤30逆時針旋轉時，檢光器20產生的電壓波形圖，於步進角0%~50%時，電壓波形呈上升的趨勢。

是以，令光纖鏡頭13透光部130形成左、右不對稱的幾何圖案，當編碼盤30旋轉時，可使檢光器20所接收的檢測光信號強度不一，導致其產生的電壓信號形成上升或下降的趨勢，該信號處理裝置可根據電壓波形的上升、下降趨勢判斷出編碼盤30的旋轉方向。

以下進一步說明本發明中光纖鏡頭13透光部130的較佳幾何圖案，如圖5所示，該透光部130係一具有單一斜邊的梯形。請參考圖6A~6C所示，為表示檢光器20接收的檢測光信號100與編碼盤30透光孔31的相對位置，圖中編碼盤30區分為三區塊，中間區塊表示編碼盤30的透光孔31，其兩旁表示相鄰透光孔31之間的遮光區域32。

假設初始狀態該編碼盤30的遮光區域32是遮住檢測光信號100。當編碼盤30逆時針旋轉時，檢測光信號100的斜邊可先透過透光孔31以供檢光器20接收，隨著編碼盤30旋轉，檢測光信號100通過透光孔31的面積越將大，而隨著檢測光信號100投射到檢光器20的面積越大，該檢光器20產生的電壓信號也越大，最後檢測光信號100再次被遮光區域32遮蔽。

請參考圖11所示，細實線波形表示透光孔31為梯形時，檢光器20接收的光信號強度，由圖可以見及，信號強度的波形為非對稱波形，即峰值的左側波形是以y=kx^a，其中k是常數，a>1，趨勢遞增，峰值的右側波形是以y=1-k(x-0.5)^a，趨勢遞減，該檢光器20可對應光信號強度而產生電壓波形，因此信號處理裝置40可據此判斷出編碼盤30為逆時針旋轉。

請參考圖7所示，在另一較佳實施例中，該透光部130係一左側為弧形、右側為角狀的扇形，如圖8A~8C所示，編碼盤30以逆時針旋轉，而檢光器20接收的光信號強度波形如圖11所示的粗實線，峰值的左側波形是以y=kx^a，其中k是常數，a>1，趨勢遞增，峰值的右側波形是以y=1-k(x-0.5)^a，趨勢遞減。

請參考圖9所示，在另一較佳實施例中，該透光部130係一直角三角形，如圖10A~10C所示，編碼盤30以逆時針旋轉，檢光器20接收的光信號強度波形如圖11所示的虛線，峰值的左側波形是以y=kx^a，其中k是常數，a>1，趨勢遞增，峰值的右側波形是以y=1-k(x-0.5)^a，趨勢遞減。由圖11可見及，上述實施例的電壓波形皆是非對稱的，故信號處理裝置40可根據電壓波形之升、降趨勢判斷編碼盤30的旋轉方向。

請參考圖12所示，係該光纖鏡頭13的另一較佳實施例，其透光部區分為一第一透光部131與一第二透光部132，且兩者的透光率相異。因此，檢測光信號100的不對稱性係指檢測光信號100通過不同透光部131、132後的信號強度不對稱。檢測光信號100透過光纖鏡頭13發出後，投射到檢光器20時即具有不同的強度，隨著編碼盤30旋轉及檢測光信號100間歇地通過透光孔31，不同強度的檢測光信號100投射在檢光器20上，檢光器20依所接收檢測光信號100的強度反應出不對稱的的電壓波形，信號處理裝置40即可根據電壓波形的升、降趨勢判斷編碼盤30的旋轉方向。

本較佳實施例中，該第一透光部131的透光率為100%，該第二透光部132的透光率為50%舉例說明，請參考圖13A~13C所示，假設初始時檢測光信號101、102被遮光區域32遮蔽，隨著編碼盤30旋轉，通過第二透光部132的檢測光信號102先穿過透光孔31而投射到檢光器20上，當編碼盤30進一步旋轉而改變位置，通過第二透光部132與第一透光部131的檢測光信號101、102將同時投射到檢光器20上，接續僅有通過第一透光部131的檢測光信號101投射到檢光器20上，最後檢測光信號100、102皆被遮光區域32遮蔽。請參考圖14所示，係檢光器20接收到光強度的波形圖，峰值的左側波形是以y=kx^a，其中k是常數，a>1，趨勢遞增，峰值的右側波形是以y=w-k(x-0.5)^a，其中w是常數，此例w約為0.75，趨勢遞減，而檢光器20可依光強度對應產生電壓。

除了上述實施態樣，本發明尚可產生不同波長的檢測光信號。藉由不同波長的檢測光信號投射在檢光器20上，供信號處理裝置判斷編碼盤30的旋轉方向。請參考圖15所示，係檢光器20對各種光波長的響應度，由圖中可見，檢光器20對波長920nm的響應度為47.5%，對波長1500nm的響應度為95%，兩者具相當落差。

據此一特性，請參考圖16所示，係該光纖鏡頭13的再一較佳實施例，其端部形成透光部133，該透光部133上設有一第一濾光片134與一第二濾光片135，該第一濾光片134僅允許一第一波長的檢測光信100號通過，且該第二濾光片135僅允許一第二波長的檢測光信100號通過，第一、第二濾光片134、135允許的第一、第二波長為相異，其餘波長則濾除，而檢測光信號的不對稱性係指檢測光信號通過不同濾光片後的波長不對稱。

本較佳實施例中，第一濾光片134提供波長為1500nm的檢測光信號通過，第二濾光片135供波長為920nm的檢測光信號通過。是以，隨著編碼盤30旋轉，不同波長的檢測光信號投射在檢光器20上，檢光器20依接收檢測光信號的波長反應出不對稱的的電壓波形。請參考圖17A~17C所示，假設初始時檢測光信號103、104被遮光區域32遮蔽，隨著編碼器30旋轉，波長920nm的檢測光信號104先通過透光孔31而投射到檢光器20上，隨著編碼盤30旋轉，波長920nm與1500nm的檢測光信號103、104將同時投射到檢光器20上，接續僅有波長1500nm的檢測光信號103投射到檢光器20上，最後兩檢測光信號103、104皆被遮光區域32遮蔽。請參考圖18所示，係檢光器20所反應出不對稱的電壓波形，峰值的左側波形是以y=kx^a，其中k是常數，a>1，趨勢遞增，峰值的右側波形是以y=w-k(x-0.5)^a，其中w是常數，此例w約為0.71，趨勢遞減。

上述中，皆是以穿透型的光學編碼器舉例說明，請參考圖19所示，係一反射型的光學編碼器，其包含有一光發射模組10、一檢光器20與一編碼盤30。

該光發射模組10包含有一光信號產生器11、一光纖耦合器14與一光纖傳輸線12，該光纖耦合器14設置在光信號產生器11與光纖傳輸線12之間。該光信號產生器11可產生一檢測光信號，並經由該光纖耦合器14與光纖傳輸線12投射到外界，而該光纖傳輸線12上同穿透型的光學編碼器，亦設置一光纖鏡頭13，使發出的檢測光信號具不對稱特性。

該編碼盤30係設置在該光纖傳輸線12的一側，該編碼盤30的側面環繞形成複數個非貫穿的凹槽33，光纖傳輸線12係朝編碼盤30的凹槽33位置發出檢測光信號，而檢測光信號100投射到編碼盤30的凹槽33後產生反射，反射光信號105再回饋到光纖傳輸線12中，而該光纖耦合器14可分離出回饋的光信號，而回饋的光信號亦具不對稱特性。

該檢光器20係耦合該光纖耦合器14，以接收回饋的光信號。該檢光器20連接到一信號處理裝置40。如同穿透型的光學編碼器所揭露，該光纖鏡頭13可為數種態樣，而檢光器20亦根據所接收回饋光信號的強度而產生對應大小的電壓，當編碼盤30旋轉後可產生不對稱的電壓波形，該信號處理裝置40可根據電壓波形的升、降趨勢判斷編碼盤30的旋轉方向。

綜上所示，根據本發明的光學編碼器，藉由光纖鏡頭13的設置，當光發射模組10發出檢測光信號且隨著編碼盤30的旋轉，使檢光器20所接收的光信號強度不一，且檢光器20根據光信號強度對應產生一電壓波形，信號處理裝置40可依據電壓波形上升或下降的趨勢，進而判斷編碼盤30的旋轉方向。

10．．．光發射模組

100~104．．．檢測光信號

105．．．反射光信號

11．．．光信號產生器

12．．．光纖傳輸線

13．．．光纖鏡頭

130．．．透光部

131．．．第一透光部

132．．．第二透光部

133．．．透光部

134．．．第一濾光片

135．．．第二濾光片

14．．．光纖耦合器

20．．．檢光器

21．．．光纖傳輸線

30．．．編碼盤

31．．．透光孔

32．．．遮光區域

33．．．凹槽

40．．．信號處理裝置

60．．．光收發模組

600．．．光纖傳輸線

601．．．檢測光信號

602．．．反射光信號

61．．．編碼盤

610．．．軸心

611．．．編碼槽

70．．．編碼盤

701．．．編碼槽

71．．．濾光片

72．．．反射鏡

73．．．光纖傳輸線

74．．．檢測光信號

75．．．反射光信號

圖1：本發明第一較佳實施例的光發射模組、檢光器與編碼盤配置示意圖。

圖2：光纖傳輸線、光纖鏡頭與編碼盤配置示意圖。

圖3：圖2編碼盤順時針旋轉時檢光器產生的電壓波形示意圖。

圖4：圖2編碼盤逆時針旋轉時檢光器產生的電壓波形示意圖。

圖5：光纖梯型鏡頭端部示意圖。

圖6A~6C：編碼盤與檢測光信號相對位置示意圖。

圖7：光纖扇型鏡頭端部示意圖。

圖8A~8C：編碼盤與檢測光信號相對位置示意圖。

圖9：光纖三角形鏡頭端部示意圖。

圖10A~10C：編碼盤與檢測光信號相對位置示意圖。

圖11：檢光器接收到光信號強度的波形示意圖。

圖12：光纖複合透光率鏡頭端部示意圖。

圖13A~13C：編碼盤與檢測光信號相對位置示意圖。

圖14：檢光器接收到光信號強度的波形示意圖。

圖15：檢光器對光波長的響應度波形示意圖。

圖16：光纖複合波長鏡頭端部示意圖。

圖17A~17C：編碼盤與檢測光信號相對位置示意圖。

圖18：檢光器接收到光信號強度的波形示意圖。

圖19：本發明第二較佳實施例的光發射模組與編碼盤配置示意圖。

圖20：已知的光學編碼器配置示意圖。

圖21：已知編碼盤的編碼槽結構示意圖。

圖22：檢光器接收到光信號強度的波形示意圖。

圖23A~23C：已知編碼盤的編碼槽結構示意圖。

圖24：另一已知的光學編碼器配置示意圖。

10．．．光發射模組

100．．．檢測光信號

11．．．光信號產生器

12．．．光纖傳輸線

13．．．光纖鏡頭

20．．．檢光器

21．．．光纖傳輸線

30．．．編碼盤

31．．．透光孔

40．．．信號處理裝置

Claims (8)

1. 一種光學編碼器，其包含有：一光發射模組，其包含：一光信號產生器，產生一檢測光信號；一光纖傳輸線，連接該光信號產生器，且具有一端部；及一光纖鏡頭，設置在該光纖傳輸線的端部，其包含有一透光部以供該檢測光信號通過，通過該透光部的檢測光信號具不對稱性；一檢光器，係與該光發射模組呈相對設置，以接收該檢測光信號；以及一編碼盤，設置在該光發射模組與該檢光器之間，且具有複數個透光孔供該檢測光信號通過；當該編碼盤旋轉時，該檢測光信號間歇地通過透光孔而投射到該檢光器，該檢光器根據接收的檢測光信號強度而產生不對稱的電壓波形。
2. 如申請專利範圍第1項所述的光學編碼器，該光纖鏡頭的透光部形成左右不對稱的幾何圖案。
3. 如申請專利範圍第1項所述的光學編碼器，該光纖鏡頭的透光部區分為：一第一透光部；及一第二透光部，其透光率相異於該第一透光部的透光率。
4. 如申請專利範圍第1項所述的光學編碼器，該光纖鏡頭的透光部設有：一第一濾光片，允許一第一波長的檢測光通過；及一第二濾光片，允許一第二波長的檢測光通過，且相異於第一濾光片允許的該第一波長。
5. 一種光學編碼器，其包含有：一光發射模組，包含有：一光信號產生器，產生一檢測光信號；一光纖傳輸線，連接該光信號產生器，且具有一端部；一光纖鏡頭，設置在該光纖傳輸線的端部，其包含有一透光部以供該檢測光信號通過，通過該透光部的檢測光信號具不對稱性；及一光纖耦合器，設置在光信號產生器與光纖傳輸線之間；一編碼盤，係設置在該光纖傳輸線的一側且具有複數個凹槽；一檢光器，係耦合該光纖耦合器；當該編碼盤旋轉時，該檢測光信號投射到編碼盤的凹槽後產生反射，反射的光信號再回饋到光纖傳輸線中，該光纖耦合器分離出回饋的光信號，該檢光器根據自光纖耦合器接收的回饋光信號強度而產生不對稱的電壓波形。
6. 如申請專利範圍第5項所述的光學編碼器，該光纖鏡頭的透光部形成左右不對稱的幾何圖案。
7. 如申請專利範圍第5項所述的光學編碼器，該光纖鏡頭的透光部區分為：一第一透光部；及一第二透光部，其透光率相異於該第一透光部的透光率。
8. 如申請專利範圍第5項所述的光學編碼器，該光纖鏡頭的透光部設有：一第一濾光片，允許一第一波長的檢測光通過；及一第二濾光片，允許一第二波長的檢測光通過，且相異於第一濾光片允許的該第一波長。