TW202215010A - 編碼器裝置 - Google Patents

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Abstract

一種編碼器裝置，為使用編碼器檢測單元(140)檢測具有狹縫(130)的轉動盤(120)的轉動，並使用編碼器處理單元(150)計算該轉動盤(120)的轉動角度的編碼器裝置，其中，該編碼器檢測單元(140)具有多數光接收單元，個別光接收單元包括用以產生角度資料的受光元件組 (142)，以預定方式配置，且該編碼器處理單元(150)將由多數受光元件組所取得的光接收信號轉換為一次轉動的角度資料，並根據該角度資料和與該配置有關的配置資訊，以計算一次轉動的角度資料的絕對值精度誤差，使用該絕對值精度誤差校正一次轉動的該角度資料的絕對精度，以計算該轉動的角度，並將計算所得的轉動角度值輸出到外部。藉此將計算該轉動盤的轉動角度時的絕對值精度誤差消除。

Description

編碼器裝置
本發明是關於編碼器裝置的技術領域。
已知技術中存在一種光學式編碼器裝置，該裝置包括具有狹縫的轉動盤、具有光接收單元的編碼檢測器、以及根據編碼檢測器的檢測結果計算轉動盤的轉動角度的編碼器處理單元。眾所周知，在這種編碼器裝置，如果轉動盤的轉動中心和狹縫的圖案中心不能準確匹配，則會出現每轉動一次產生一個週期的誤差（以下稱為絕對值精度誤差）。
為了消除上述絕對值精度誤差，在專利文獻1中提出了一種方法，就是在轉動盤轉動中心的兩側的兩個相對位置配置編碼檢測器，以產生兩個相位差為180°的角度資料。將該兩個角度資料平均之後，可得到正確的結果。
[專利文獻1] 日本專利公開案特開昭第60-146113號。
由於專利文獻1的方法生成具有180 °的不同相位的兩個角度數值，因此需要將兩個編碼器檢測單元準確地布置在彼此面對的位置，且轉動盤的轉動中心也必須準確位於兩者之間。
由於以上述方式將編碼器檢測單元設置在兩個位置，結果造成例如增大編碼器裝置的尺寸，由於元件數量增加導致成本提高，以及由於兩個編碼器檢測單元必須調整，導致安裝時操作性複雜化等問題。
因此，目前業界需要一種編碼器裝置，該編碼器裝置可以容易安裝且不會造成尺寸增大、成本提高的缺點，且在以光學方式檢測轉動盤的狹縫的轉動來計算轉動角時，也不需要進行麻煩的調整，並可以更準確地消除角度資料所包含，因每轉動一次產生一周期的絕對值精度誤差。
本發明的目的是在提供一種編碼器裝置，可在以光學方式檢測轉動盤上的狹縫的轉動，以計算轉動角度時，可以消除檢測到的角度值所包含的絕對值精度誤差，同時達成該編碼器裝置小型化，安裝更為方便的目的。
本發明的編碼器裝置是一種使用編碼器檢測單元檢測具有狹縫的轉動盤的轉動，並使用編碼器處理單元計算該轉動盤的轉動角度的編碼器裝置，其中的編碼器檢測單元具有多數光接收單元，個別光接收單元包括用以產生角度資料的受光元件組，以預定方式配置，且該編碼器處理單元將由多數受光元件組所取得的光接收信號轉換為一次轉動的角度資料，並根據該角度資料和與配置有關的配置資訊，以計算一次轉動的角度資料的絕對值精度誤差，使用該絕對值精度誤差校正一次轉動的角度資料的絕對精度，以計算該轉動的角度，最後將計算所得的轉動角度值輸出到外部。
根據本發明所提供的編碼器裝置，在以光學方式檢測轉動盤的狹縫的轉動量，以計算轉動角度時，可以消除檢測到的角度值中所包含的絕對值精度誤差，同時可達成裝置小型化，並能簡化安裝的裝置。
以下將參考附圖說明本發明的編碼器裝置的實施例。在不同圖式中，相同的元件將以相同的元件符號表示。
實施例 1 首先，將參照圖1和圖2說明根據本發明第一實施例的編碼器裝置100的基本配備。圖1是顯示根據本發明第一實施例的編碼器裝置100的電路配置方塊圖。圖2是顯示根據本發明第一實施例的編碼器裝置100的主要部分配置示意圖。
[編碼器裝置100的配置] 在圖1中顯示，編碼器裝置100是用來計算轉動件1的轉動角的裝置。編碼器裝置100主要包括轉動軸110，轉動盤120，編碼器檢測單元140和編碼器處理單元150。本發明的編碼器裝置100在計算轉動件1的轉動角度時，可以校正角度資料中所包含的絕對值精度誤差。
如圖2所示，轉動盤120上形成徑向的狹縫130。轉動盤120是以轉動軸110連接到轉動件1。因此，形成有狹縫130的轉動盤120的轉動速度與轉動件1的轉動速度相同。
編碼器檢測單元140具有發光單元141和光接收單元142，兩者將轉動盤120夾在中間。圖中顯示的編碼器檢測單元140是透射式傳感器，是利用發光單元141照射轉動盤120上的狹縫130，並利用光接收單元142接收經過狹縫130透射的透射光，而達成以光學方式檢測轉動盤120的轉動量。當然，本發明也可使用反射式傳感器作為編碼器檢測單元140。在這種實例中，轉動盤120上並不形成狹縫130，而是形成反射圖案，作為替代。
編碼器檢測單元140的光接收單元142的詳細配置顯示在圖3中。圖3是顯示根據本發明第一實施例的光接收單元142的詳細配置示意圖。在編碼器檢測單元140中，一組光接收單元142包括第一光接收部142A和第二光接收部142B，分別配置在轉動盤120的圓周方向上的相同位置，以及轉動盤120的徑向上的不同位置。
第一光接收部142A和第二光接收部142B分別由受光元件組構成，受光元件組由4個受光元件組成。亦即，在每個光接收單元142中，將產生角度資料所需的多個受光元件，以預定的方式配置組成。 在此，將構成受光元件組的四個受光元件分配給予a +，a-，b +和b-的代號。將全部的a +，a-，b +和b-等受光元件所產生的信號作加減運算，就可以獲得有用的光接收信號，可應用在計算具有不同相位的二相角度資料。
編碼器處理單元150包括角度資料轉換單元151A，角度資料轉換單元151B，誤差計算單元152，校正單元153和輸出單元154。角度資料轉換單元151A對來自第一光接收部142A的二相光接收信號進行演算處理，計算出第一角度資料P1。角度資料轉換單元151B並對來自第二光接收部142B的二相光接收信號，進行演算處理，計算出第二角度資料P2。應當注意的是，可以使用單一的角度資料轉換單元，以高速切換的方式計算第一角度資料P1和第二角度資料P2。此外，也可以在角度資料轉換單元151A和151B的輸入處配置電位校正電路。
誤差計算單元152根據第一角度資料P1，第二角度資料P2和以下將要說明的配置資訊，計算第一角度資料P1中所包含，以每次轉動為週期的絕對精度誤差Δ1 。校正單元153從第一角度資料P1中減去該絕對值精度誤差Δ1，以校正每次轉動的角度資料的絕對精度，並且計算轉動盤120的轉動角度θ。輸出單元154將轉動盤120的轉動角度θ輸出到外部裝置。輸出單元154可以具有通信功能，以便將轉動角度值θ輸出到外部裝置。
[編碼器裝置100的處理] 以下說明在編碼器裝置100中，用於以光學方式檢測轉動盤120的狹縫130的轉動量，計算轉動角度θ的運算方法。在此先說明以下在計算轉動角度θ時，所使用的術語，參數或資料，如下。
在編碼器裝置100中，如果轉動盤120的旋轉中心與狹縫130的圖案中心不一致，以編碼器檢測單元140檢測轉動時，狹縫130在每一個轉動週期的轉動都不是正圓的狀態。因此，編碼器處理單元150計算出來的角度資料就會與真正的轉動角度θ，產生每轉動一次一個週期的誤差。這種每轉動一次為一周期的誤差稱為絕對值精度誤差。
第一實施例中的參數定義如下。 不含誤差值的轉動盤120轉動角度設為θ(rad)、 角度資料轉換單元151A根據第一光接收部142A所產生的狹縫130的光接收信號計算所得的第一角度資料設為
Figure 02_image001
， 角度資料轉換單元151B根據第二光接收部142B所產生的狹縫130的光接收信號計算所得的第二角度資料設為
Figure 02_image003
， 第一角度資料P1中包含的絕對值精度誤差設為 Δ1 (rad)， 第二角度資料P2中包含的絕對值精度誤差設為 Δ2 (rad)。
以下參照圖4說明轉動盤120的轉動中心與狹縫130的圖案中心不匹配的狀態。圖4是顯示在本發明第一實施例中，從轉動盤120的轉動中心到光接收單元142的光學半徑的示意圖，用來顯示第一實施例的配置方式。 在圖4中，C1是轉動盤120的轉動中心，而C2是狹縫130的圖案中心。從轉動中心C1到第一光接收部142A的距離是光學半徑r1，從轉動中心C1到第二光接收部142B的距離是光學半徑r2。轉動盤120的轉動中心C1和狹縫130的圖案中心C2的距離設為偏差δ。 在此，光學半徑r1和r2是作為配置資訊，說明構成第一光接收部142A和第二光接收部142B的多個受光元件組的配置。除此之外，配置資訊還可以包括例如多個受光元件組之間的距離和角度的資訊。
誤差計算單元152以下式計算絕對值精度誤差Δ1。絕對值精度誤差Δ1可以表示為：
Figure 02_image005
絕對值精度誤差Δ2可以表示為：
Figure 02_image007
綜合以上兩個絕對值精度誤差方程式Δ1和Δ2，在省略 sin θ 後 ，將會得到：
Figure 02_image009
。
然後，將
Figure 02_image011
和
Figure 02_image013
代入上述公式Δ1，並消去Δ2後，得到
Figure 02_image015
。 可以得知，誤差計算單元152可以使用第一角度資料P1，第二角度資料P2，以及光學半徑r1和r2，計算出絕對值精度誤差Δ1。 在此，用於計算Δ1的公式中的
Figure 02_image017
是常數。因此，誤差計算單元152可以使用第一角度資料P1和第二角度資料P2之間的差，以及該常數，以高速計算絕對值精度誤差Δ1。
校正單元153使用誤差計算單元152所計算得到的絕對值精度誤差Δ1，以下式計算轉動角度θ。公式如下：
Figure 02_image019
在此步驟中，由於校正單元153只是將角度資料轉換單元151A計算得出的第一角度資料P1減去誤差計算單元152計算得出的Δ1，所以轉動角度θ可以高速計算出來。
換言之，編碼器處理單元150是使用根據第一光接收部142A的光接收信號計算出的第一角度資料P1，根據第二光接收部142B的光接收信號計算出的第二角度資料P2，以及第一光接收部142A的光學半徑r1和第二光接收部142B的光學半徑r2，以下列公式計算轉動角度θ：
Figure 02_image021
= P
Figure 02_image023
。 在此，由於
Figure 02_image017
為常數，因此根據第一角度資料P1，P2及該常數，就可以高速且高精度地算出轉動角度θ。
[比較例（編碼器裝置100A）的配置和操作] 以下將以編碼器裝置100A作為本發明第一實施方式的編碼器裝置100的比較例，說明已知技術的結構。圖5是顯示傳統編碼器裝置100A的主要部分的配置示意圖。
在圖5中，設置有狹縫130的轉動盤120是以轉動軸110連接到檢測對象轉動件1，以與轉動件1相同的速度轉動。兩個編碼器檢測單元140A和140B分別設置有發光單元和光接收單元，並且以轉動盤120的轉動中心為軸，設置在彼此面對的位置處。在該轉動盤120轉動時，檢測因為狹縫130而通過或遮斷的光，進行轉動角度的檢測。
當轉動盤120的轉動中心與狹縫130的圖案中心不一致時，根據編碼器檢測單元140A的光接收信號計算得到的第一角度資料，與根據編碼器檢測單元140B光接收信號計算得到的第二角度資料，兩者所包含的絕對值精度誤差，理論上應有180 °的相位差。因此，只要求第一角度資料和第二角度資料的平均值，就可以使每轉動一次為一週期的絕對值精度誤差，因抵消而消除。
在上述的傳統編碼器裝置100A中，由於需要將編碼器檢測單元140A和140B準確地配置在以轉動盤120的轉動中心為準，彼此面對的位置，結果會導致編碼器裝置100的體積變大。此外，由於必須設置兩個編碼器檢測單元140A和140B，也因而導致零件數量的增加，而提高成本。此外，由於必需進行平均的計算，以消除絕對值精度誤差，兩個編碼器檢測單元140A和140B的位置必須很準確地定位在使第一角度資料中所含的絕對值誤差，與第二角度資料中所含的絕對值精度誤差，恰好具有180 °的相位差的位置。因此必須對兩檢測單元的位置進行微調。結果使得安裝作業複雜化。
[編碼器裝置100和編碼器裝置100A的比較] 如上所述，與傳統的編碼器裝置100A比較的結果，本發明第一實施例中的編碼器裝置100可以僅使用單一的編碼器檢測單元140，就可以光學方式檢測轉動盤120的狹縫130的轉動量，計算轉動角度θ。本發明的編碼器裝置100不會造成裝置體積和成本的大幅增加，也不需要麻煩的微調作業，並能使安裝作業大幅簡化，但卻可以消除檢測角度值中所含的絕對值精度誤差。
[實施例的效果] 在第一實施例的編碼器裝置100中，設置在轉動盤120上的狹縫130是由編碼器檢測單元140以光學方法檢測，且轉動盤120的轉動角度θ是由編碼器處理單元150計算。編碼器檢測單元140在轉動盤120的徑向上的不同位置處具有第一光接收部142A和第二光接收部142B。編碼器處理單元150使用第一光接收部142A檢測通過狹縫130的光，產生光接收信號，進而由角度資料轉換單元151A計算第一角度資料。編碼器處理單元150再根據公式
Figure 02_image011
計算包含在第一角度資料P1中的絕對值精度誤差Δ1。而第二光接收部142B則是檢測通過狹縫130的光，產生光接收信號，並由角度資料轉換單元151B根據公式
Figure 02_image025
，包括在第二角度資料P2中的絕對值精度誤差Δ2。設從轉動中心C1到第一光接收部142A的距離是光學半徑r1，且從轉動中心C1到第二光接收部142B的距離是光學半徑r2，轉動角度θ就可以下式計算得出：
Figure 02_image021
= P
Figure 02_image027
。
在此，編碼器裝置100只要使用1個編碼器檢測單元140，以光學方式檢測轉動盤120的狹縫130的轉動量，就可以檢測得到不包含絕對值精度誤差的轉動角度值θ，因此可以避免裝置的大型化以及成本的提高。此外，由於本發明的編碼器裝置100僅使用一個編碼器檢測單元140，就可以光學方式檢測轉動盤120的狹縫130的轉動量，並且可以檢測得到不包括絕對值精度誤差的轉動角度值θ，因此可以簡化安裝，不需如已知技術一般，使用兩個編碼器檢測單元140，導致必須進行麻煩的調整作業。
在本發明第一實施例的編碼器裝置100中，編碼器處理單元150包含：角度資料轉換單元151A，用來根據第一光接收部142A的檢測結果計算第一角度資料P1，角度資料轉換單元151B，用來根據第二光接收部142B的檢測結果計算第二角度資料P2，誤差計算單元152，用於計算絕對值精度誤差Δ1，以及誤差計算單元152，用於從第一角度資料P1中減去絕對值精度誤差Δ1，而計算出角度資料P2。其中，該誤差計算單元152可以利用絕對值精度誤差Δ1，絕對值精度誤差Δ2，光學半徑r1和光學半徑r2，以下是計算絕對值精度誤差Δ1：
Figure 02_image015
。且校正單元153以下式計算出將轉動角度 θ：
Figure 02_image019
。在該過程中，誤差計算單元152可以將第一角度資料P1和第二角度資料P2之間的差分設為常數
Figure 02_image029
因此可以極快速地計算出絕對值精度誤差Δ1。再者，由於校正單元153只有進行從第一角度資料P1中減去由誤差計算單元152所算出的絕對值精度誤差Δ1的作業，所以可以迅速，且高精度地計算出轉動角度 θ。
[其他實施方式] 雖然編碼器檢測單元140顯示將第一光接收部142A和第二光接收部142B配置在轉動盤120的徑向方向的不同位置的具體例證，但該配置並不限於此，可以改變各種配置方式。當改變第一光接收部142A和第二光接收部142B的排列方式時，通過根據第一光接收部142A和第二光接收部142B的排列方式進行計算，能夠計算出絕對值精度誤差Δ1，能夠高精度地計算出轉動角度θ。
以上各圖中只顯示從編碼器處理單元150的輸出單元154輸出資料的具體作法，但事實上也可以使用通信單元將資料送給外部裝置，作為代替的做法。
在圖1所示的編碼器裝置100的配置中，編碼器處理單元150中的誤差計算單元152也可以分割成一個減法單元，用於計算
Figure 02_image031
，以及一個乘法單元，用於計算(r2/(r2-r1))×(P1-P2)。
此外，在圖1所示的編碼器裝置100的配置中，編碼器處理單元150中的誤差計算單元152和校正單元153也可以整併，且轉動角度θ的計算公式可以成為：
Figure 02_image033
P
Figure 02_image023
。該計算可在該已經整併的演算處理單元中更高速的執行。
1:轉動件 100:編碼器裝置 100A:編碼器裝置 110:轉動軸 120:轉動盤 130:狹縫 140:編碼器檢測單元 140A、140B:編碼器檢測單元 141:發光單元 142:光接收單元 142A:第一光接收部（受光元件組） 142B:第二光接收部（受光元件組） 150:編碼器處理單元 151A:角度資料轉換單元 151B:角度資料轉換單元 152:誤差計算單元 153:校正單元 154:輸出單元 C1:轉動中心 C2:圖案中心 r1:第一光接收部的光學半徑 r2:第二光接收部的光學半徑 δ:轉動中心和圖案中心的距離（偏差） θ:轉動角度
圖1顯示根據本發明第一實施例的編碼器裝置的電路配置方塊圖。 圖2顯示根據本發明第一實施例的編碼器裝置的主要部分配置示意圖。 圖3顯示根據本發明第一實施例的光接收單元的詳細構造示意圖。 圖4顯示根據本發明第一實施例從轉動盤的轉動中心到光接收單元的光學半徑的示意圖。 圖5是顯示傳統編碼器裝置的主要部分的配置示意圖。
1:轉動件
100:編碼器裝置
110:轉動軸
120:轉動盤
140:編碼器檢測單元
140A、140B:編碼器檢測單元
141:發光單元
142:光接收單元
142A:第一光接收部(受光元件組)
142B:第二光接收部(受光元件組)
150:編碼器處理單元
151A:角度資料轉換單元
151B:角度資料轉換單元
152:誤差計算單元
153:校正單元
154:輸出單元
θ:轉動角度

Claims (1)

  1. 一種編碼器裝置，為使用編碼器檢測單元(140)檢測具有狹縫(130)的轉動盤(120)的轉動，並使用編碼器處理單元(150)計算該轉動盤(120)的轉動角度的編碼器裝置， 其中，該編碼器檢測單元(140)具有多數光接收單元，個別光接收單元包括用以產生角度資料的受光元件組(142)，以預定方式配置，且 該編碼器處理單元(150)將由多數受光元件組所取得的光接收信號轉換為一次轉動的角度資料，並根據該角度資料和與該配置有關的配置資訊，以計算一次轉動的角度資料的絕對值精度誤差，使用該絕對值精度誤差校正一次轉動的該角度資料的絕對精度，以計算該轉動的角度，並將計算所得的轉動角度值輸出到外部。
TW109139512A 2020-10-08 2020-11-12 編碼器裝置 TWI846979B (zh)

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