TWI354775B - Rotary optical encoder employing multiple sub-enco - Google Patents

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TWI354775B
TWI354775B TW096130353A TW96130353A TWI354775B TW I354775 B TWI354775 B TW I354775B TW 096130353 A TW096130353 A TW 096130353A TW 96130353 A TW96130353 A TW 96130353A TW I354775 B TWI354775 B TW I354775B
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Description

1354775 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於用以感測可旋轉物件（諸如伺服馬達）之旋 轉位置之旋轉式光學編碼器的領域。 【先前技術】 位置反饋為馬達（包括往復式馬達）之旋轉位置的封閉迴 路控制所需。已使用多種位置感測器技術，包括藉由以作 為旋轉位置之函數之某一方式調變光且將所偵測之調變轉 換為對應角位值來操作的光學位置㈣器。在馬達應用 中，光學位置偵測器通常定位於馬達之旋轉轴的一軸：末 端處。諸如圖案化反射碟片之組件可搞接至旋轉轴之該末 端，且鄰近編碼器元件操作以產生光信號且偵測自碟片反 射之光。可（例如）藉由使用碟片上之反射及非反射區域的 圖案來完成調變以使得反射光之圖案指示碟片之旋轉位置 且因此亦指示馬達軸之旋轉位置。 根據以上配置之光學位置⑭測器所遇到的—問題為起因 於在馬達軸旋轉時馬達軸之偏心運動或"擺動"（亦稱作徑向 跳動）或起因於反射碟片與轴之不適#徑向對準的某:類 型之不準確度。碟片之偏心運動將偏心分量賦予至反射光 圖案。光學位置_器錯誤地感知此偏心分量之部分為轴 ，轉’且因此光學位置偵測器之輸出包括空間週期:差分 〇 已知藉由在編碼器碟片之直徑相對位置（亦即，分隔⑽ 度）處使用-對光學位置谓測器來解決由偏心誘發之誤差 123540-1000715.doc 1354775 的問題。總計光學位置偵測器之類比輸出以使得完全取消 某一範圍内之偏心效應。儘管此組態可有效地消除偏心誤 差’但其仍具有兩個缺點。第一，在垂直於光學位置该測 器之間的直徑線之方向上光學位置偵測器之間的差動運動 被感知為旋轉運動。在位置偵測器之座架結構或組件回應 於溫度改變而移動的情況下，此相對運動可發生。第二個 缺點為對準位置偵測器之困難性。必須對準兩個單獨位置 偵測器以使得對應類比輸出信號彼此同相，否則和信號之 調變將減少。低調變信號減少信雜比且限制位置摘測器之 插值解析度。 【發明内容】 為了克服上文所述之先前技術的缺陷，揭示一種使用多 個利用共用單石主光罩基板之光學次編碼器的旋轉式光學 編碼器。形成於主光罩基板上之各別主光罩光圈圖案負責 在入射於旋轉刻度碟片上之各別位置處產生光圖案。因為 次編碼器之主光罩光圈圖案位於同一主光罩基板上，所以 由溫度誘發之差動效應可減少，因此增加整體編碼器精確 度。 所揭示之旋轉式光學位置編碼器包括一光源、一包括光 學刻度圖案之單石刻度碟片、一包括位於光源與刻度碟片 之間的多組主光罩光圈圖案的單石主光罩基板、偵測器’ 及轉換及數位處理電路。光源、刻度碟片、主光罩基板及 偵測及轉換電路在環繞旋轉轴線之角位處形成複數個光學 次編碼器，每一次編碼器具有自光源經由一各別組主光罩 123540-1000715.doc
光圈圖案及該光學刻卢圄安A /- ^ Q案延伸至偵測及轉換電路之光 徑。數位處理電路操作 尤 β -人編碼态之數位位置輸出值 以產生編碼器位置輸出值。 尤予-人編碼器可包括増量位置 Γ器’該等增量位置編碼器之輸出經組合以提供歸因於 使用共用主光罩基板而具有改良熱穩定性之高解析度位置 指不1外光學次編碼器可用以提供零基準或"索引•，指示 以及馬達軸之初始運動的粗略絕 在一種實施例中，編碼器可用以感測t小於—半全轉 之旋轉範圍之往復軸的旋轉位置，諸如用作（例如）用以在 雷射系統中使雷射束轉向之所謂"電流計"（電流計)之部 件。光學次編碼器為增量位置次編碼器。光學圖案包括在 刻度碟片之直徑相對侧上的兩個刻度部分，且刻度碟片進 一步包括位於該兩個刻度部分之間的光學位置基準圖案。 光學位置編碼器進一步包括位於增量光學次編碼器之間的 基準光學次編碼器。基準光學次編碼器包括沿光源組件與 刻度碟片之光學位置基準圖案之間的基準光學次編碼器之 光徑形成於主光罩基板上的基準主光罩光圈圖案。光學位 置基準圖案可包含在對應於可旋轉軸之零基準或”索引，•位 置之位置處的零基準圖案，其與主光罩基板之對應零基準 主光罩光圈圖案一起使用。光學位置基準圖案可或者包含 經組態以提供可旋轉軸之絕對位置之粗略指示的粗略絕對 位置圖案。在又一實施例中，可使用零基準光學次編碼器 與粗略絕對位置次編碼器，在該種狀況下，將其以距離增 量位置次編碼器之％旋轉偏移定位於直徑相對位置處可能 123540-I000715.doc 1354775 為有利的。 【實施方式】 本發明之實施例針對用於需要位置感測之高精確性之應 用（諸如精確控制伺服馬達）中的旋轉式光學位置編碼器。 所揭示之旋轉式光學位置編碼器包括藉由使用定位於環繞 馬達軸或旋轉位置被追蹤之其他旋轉物件之不同角位處的 多個光學次编碼器來改良精確性之特徵。光學次編褐器使 用共用單石主光罩基板上之各別主光罩光圈圖案，此減少 與編碼器組件之溫度誘發之差動移動相關聯的誤差。 圖1展示此旋轉式光學位置編碼器之示意側視圖。該旋 轉式光學位置編碼器包括定位於環繞旋轉軸線丨2之各別角 位處的多個位置次編碼器1 0(展示為i 〇A及i 〇B)。次編碼器 10由包括刻度碟片14、光源16、單石主光罩基板18、光學 偵測器20、類比電路22及數位電路24之元件的組態形成。 在次編碼器ίο之中共用刻度碟片14、主光罩基板18及數位 電路24，而個別偵測器2〇及類比電路22之組件專用於某一 次編碼器10 ^光源16可為為所有次編碼器1〇產生光之單一 光源，或其可包括用於次編碼器1〇之每一者的各別次光 源。光源之實例包括發光二極體、半導體雷射器、量子設 備、白熾光源及螢光光源。 刻度碟片14具有形成於其上以便以對應圖案中反射來自 光祕之光的刻度光學圖案26。舉例而言，可藉由使用形 成於刻度碟片14之非反射性表面部分上的反射圖案元件來 完成此做法mm細地描述，主光罩基板18包括 12354iM000715.doc •10· 1354775 提供穿過其之光的經圖案化之透射的多組主光罩光圈圖案 28。光學偵測器2〇接收自刻度碟片14反射穿過主光罩光圈 圖案28之光《因此，每一次編碼器1〇具有其本身的自光源 16(共用或個別）經由主光罩基板18之一各別組主光罩光圈 • 圖案28及刻度碟片14之刻度光學圖案26延伸至各別光學偵 • 測器20之光徑。儘管圖1僅展示兩個次編碼器1〇八及10B， 但大體而言可存在旋轉軸線12配置之任何數目的次編碼 器。 • … 圖2為圖1之光學編碼器的示意俯視圖或端視圖。在說明 性組態中，兩個次編碼器丨〇八及丨〇B定位於彼此直徑相對 處（亦即，旋轉軸線12分隔18〇度）。每一次編碼器1〇包括在 向外徑向延伸之方向上配置的各別光源（SRC)16、一組主 光罩光圈圖案（RA)28、刻度光學圖案26及光學偵測器 (DET)20。如上文所提及，光源16A及16B可實際上構成單 一共用光源16。又’刻度光學圖案26A及26B可構成單一 • 刻度光學圖案，諸如環繞整個刻度碟片14延伸之弓形繞射 光柵。兩個次編碼器10A及10B用以產生單獨位置指示， 接著如下文所述數位組合該等位置指示以獲得比通常由任 一次編碼器1〇單獨提供之精確性更好的精確性。來自次編 碼β 10之輸出可由單獨系統元件使用以控制旋轉物件之角 位。下文提供該使用之具體實例。 圖3展示根據圖丨之編碼器之實施例的旋轉式光學位置編 碼益的不意側視圖，該旋轉式光學位置編碼器可用於作為 伯服馬達组件之部件的應用中。該旋轉式光學位置編碼器 123540-1000715.doc 1354775 包括光學編碼器磁頭組件30及附著至旋轉物件（諸如伺服 控制馬達之可旋轉軸34)之刻度碟片32。在說明性實施例 中’光學編碼器磁頭組件3〇包括安裝至主光罩基板38之光 源組件36、環繞光源組件36之類比電路板40，及經由間隙 器44及電互連45與類比電路板40隔離之數位電路板42。光 源組件36包括諸如上文參看圖1所述之一或多個光源 (SHC)46。刻度碟片32具有形成於其上以便以對應圖案反 射來自光源46之光之刻度光學圖案48。舉例而言，可藉由 使用形成於刻度碟片32之非反射性表面部分上的反射圖案 元件來完成此做法。如下文將更詳細地描述，主光罩基板 38包括提供穿過其之光的經圖案化之透射的多組光圈圖案 5〇 °類比電路板40尤其包括接收自刻度碟片32反射之光的 光學偵測器52。在圖3中說明兩個單獨光學次編碼器，每 一光學次編碼器具有其本身的自各別光源46經由主光罩基 板38之一各別組主光罩光圈圖案50及刻度碟片32之刻度光 學圖案48延伸至各別光學偵測器52之光徑i在說明性實施 例中’如下文將更詳細地描述，圖3之兩個光學次編碼器 為總共四個光學次編碼器之部分。 圖4為圖3之光學編碼器的示意俯視圖或端視圖。其包括 配置在各別象限中之四個單獨光學次編碼器。特定言之， 彼此直徑相對地定位兩個增量位置（INC POS)次編碼器 54A、54B，且沿正交於增量位置次編碼器54A與54B之間 的線之線彼此直徑相對地定位粗略絕對位置（COARSE ABS POS)次編碼器54C及零基準（ZERO REF)次編碼器54D。每 123540-1000715.doc •12· 1354775 一光學位置次編碼器54以與圖2中所示相同之方式徑向地 延伸。該說明性實施例特別適合用於僅有限旋轉為可能之 伺服馬達應用十，諸如用於所謂的"電流計"或•，電流計，，鏡 組件中。舉例而言，此等電流計用於各種類型之基於雷射 ‘ 的系統中，諸如雷射材料處理系統及雷射量測/計量系 . 統。 在說明性實施例中，可旋轉軸34之旋轉限於相對於零基 φ 準位置之+/_45機械角度或更小。兩個增量位置次編碼器 54Α及54Β用以產生該旋轉範圍内之單獨增量位置指示， 接著如下文所述數位組合該等增量位置指示以獲得比通常 由單一此次編碼器提供之精確性更好的精確性。零基準次 編碼器54D用以提供特定預定角位（稱作"零基準"或"索引" 位置（亦稱作本位））之指示。粗略絕對位置次編碼器54C提 供粗略絕對位置指示，可在（例如）初始化期間使用該指示 以使控制器能夠識別如何朝零基準位置移動。來自所有次 # 編碼器54之輸出由單獨伺服驅動器或控制器使用以控制附 著至可旋轉軸34之系統元件（諸如上述雷射轉向鏡）的角 位。
圖5說明刻度碟片32之組態。沿其外周邊配置四個反射 圖案48A至48D。如下文將更詳細地描述，圖案48A及48B 為包括形成精細間距繞射光柵之各別組間隔開之線的刻度 光學圖案。刻度光學圖案48八及488之每一者形成各別增 量位置次編碼器54A&54B之部分，且每—者環繞刻度碟 片32之大體四分之一圓周延伸，以提供在距離可旋轉轴^ I23540-1000715.doc 13 1354775 之零基準位置約+/-45機械角度之範圍中的精細間距增量位 置指示。零基準圖案48D形成零基準次編碼器54D之部分 且建立零基準或索引位置。粗略絕對位置圖案48c形成粗 略絕對位置次編碼器54C之部分且建立粗略絕對位置指 示。 圖6詳細地說明各種刻度光學圖案48。圖6(a)展示繞射光 栅刻度圖案48A、48B之一部分。如上文所指示，此等刻 度圖案包括_多精細間隔之光拇線。在一實施例中，該等 線可為10微米寬且間隔1〇微米以產生2〇微米間距。大體 上’母一刻度圖案48 Α及48Β具有圖5令所示之弓形形狀， 其中每一線在徑向方向上延伸且整個圖案廷伸穿過刻度碟 片32之四分之一圓周。在諸如由主光罩光圈圖案5 〇(下文 描述）界定之極小間隔角上’每一刻度圖案48A及48B之線 大體上平行。每一刻度圖案48 A及48B與下文所述之各別 次編碼器54A、54B之主光罩光圈圖案50的組一起操作以 產生到達各別光學偵測器52之光強度的位置決定變化或調 變。偵測器52產生由類比電路板4〇及數位電路板42上之電 路處理以產生數位信號的對應類比輸出信號。數位組合數 位信號以產生指示可旋轉軸34之角位的位置值。 圖6(b)展不零基準圖案48D。其包括索引圖案兄及粗略 刻度圖案58。以與各別主光罩光圈圖案自相關之方式利用 索引圖案56以在索引圖案56移動經過索引位置時產生具有 狹乍脈衝寬度及相對高信雜比之信號。粗略刻度圖案58提 供增里角位之粗略指示。藉由索引圖案5 6之偵測產生的信 123540-10007l5.doc -14- 1354775 號由自粗略刻度圖案58產生之信號閘控以產生可與來自増 量位置次編碼器54A、54B之位置信號組合以識別可旋轉 轴34之精確零基準位置的總零基準輸出信號。在說明性實 施例中，將零基準位置選擇為來自每一光源16之光透過每 一刻度光學圖案48之角範圍中間的位置。
圖6(c)展示粗略絕對圖案48C ^其由在圓周方向上延伸 之多個三角_案組纟。在說明性實施財，三個控向外 圖案600在最左邊緣處最寬且在最右緣邊處變尖，且三 個私向内部圖案601具有相反的定向。應瞭解，自每—組 圖案60反射之光的強度作為可旋轉軸“之角位之函數大體 上線性地變化。以差動方式使用來自圖案6〇之各別光學偵 測器52的輸出以提供粗略絕對位置之指示。具體言之，若 圖案600及謝之兩個各別偵測器的輸出標註為a及b，則 粗略絕對位置輪出信號可形成為(a_b)/(a+b)。該值將在
圖案6〇之最左邊緣處為最大正值；在圖案6q之最右邊緣處 為最大負值；且在中點(當A=B時) 基準次編™示之零基準位置精確地對準，.則值(A 项A+B)之極性指示遠離零基準位置之方向且量值指示遠 離之距離。實務上’可能有必要執行校準料，藉此建立 圖案60之中點與由零基準次編碼器指示之零基準位置 之間的關係，且接著斟雍％敕+ ^ 按者對應調整或校正可應用於次編碼器 54C或54D之一者或另一去沾认 、輪出。可（例如）藉由初始化邏 輯來使用來自粗略絕對位置次編碼器⑽之粗略絕對位置 指示’以確定用以使可旋轉軸34自任意初始位置旋轉到達 123540-1000715.doc •15· 1354775 零基準位置的方向及距離。 圖7說明增量位置次編碼器54A、Mg之多組主光罩光圈 圖案50A、50B之每一者（亦即，對於次編碼器54八及54B之 每一者重複圖7中所描繪之結構）。每一組主光罩光圈圖案 5〇A、50B包括三個主光罩光圈圖案66，展示為内部圖案 661、中間圖案66M及外部圖案660。在此等圖案之每一者 内包括四個主光罩光圈64，標註為641至64 4(如圖所 示）。每一主光罩光圏64為形成繞射光柵之一組間隔線。 在一實施例中，線間距可為（例如）17微米。光柵可形成為 相位光柵或振幅光柵。 在進一步描述主光罩光圈64前，簡要地描述增量位置次 編碼器54A、54B之整體操作。將此等次編碼器之每一者 配置為多相位置偵測器。在對應於刻度圖案之不同空間相 位的多個位置處獲得自刻度碟片32反射之光圖案的樣本， 且根據三角關係組合此等樣本以產生單一增量位置估計。 特又§之’在說明性實施例中’增量位置次編碼器54A、 54B為四相編碼器。獲得對應於光學條紋週期之空間相位 ° 90 、1 80°及27〇。的樣本。此等值可標註為A、B、A_ 及B-且分別表示對應於條紋内位置之相角e的sin、 cos、-sin及_cos。0之值計算為： 〇=tan1{[(A)-(A-)]/[(B)-(B-)]} 因此，在主光罩光圈64之每一圖案66内，根據實現四相 光學編碼器之整體方案來選擇四個主光罩光圈64之每—者 的相對空間相位。可存在所使用之多種方案。在說明性實 123540-1000715.doc -蒼6 · 1354775 施例中，使用以下方案（A對應於〇〇且B對應於90。）：
内部 中間 外部 64-1 B A B- 64-2 A A A- 64-3 A- A A 64-4 B- A B 圖8說明以上具體方案。主光罩光圈之中間圖案66M的 刻度線定位於360。之倍數處。内部圖案661之主光罩光圈 64-1至64-4的線分別移位90。、〇。、18〇。及27〇。。外部圖案 660之主光罩光圈64-1至64 4的線分別移位27〇。、18〇。、〇。 及 90〇。 圖9展示增量位置次編碼器54A、54B之偵測器52八、 52B。每一偵測器52具有各有四個偵測器的兩個單獨偵測 器陣列67 :徑向内部陣列671及徑向外部陣列67〇。在說明 性實施例中，每一次編碼器54A、54B實際上具有兩個光 學子路徑，其中陣列671、67〇之每一者使用一個光學子路 ^ 内。卩光學子路控在入射方向上延伸穿過内部主光罩光 圈圖案661且在反射方向上延伸穿過中間主光罩光圈圖案 66M，且在内部偵測器陣列671處終止。外部光學子路徑在 入射方向上延伸穿過中間主光罩光圈圖案66m且在反射方 向上延伸穿過外部主光罩光圈圖案66〇，且在外部偵測器 陣列670處終止下文更詳細地描述此等子路徑。亦如下 文所描述，以類比方式組合陣列671及67〇之各別輸出，以 為光學編碼H提供特定效能利益^應瞭解，對於内部光徑 而言，分別在空間相位B、A、A-及心處獲得四個樣本f 123540-1000715.doc 17 1354775 且對於外部光徑而言，在空間相位B-、A-、A及B處獲得 四個樣本。 圖10說明粗略絕對位置次編碼器54C之主光罩光圈圖案 50C的組》其包括三個矩形主光罩光圈681、68M及680。 圖11展示偵測器52C ’其包括内部偵測器691及外部偵測器 690。如同增量位置編碼器54A、54B ’粗略絕對位置次編 碼器54C具有徑向内部光學子路徑與徑向外部光學子路 徑。 圖12a及圖l：2b為說明次編碼器54A、54B及54C之每一者 之兩個光學子路徑的示意側視圖。圖12&描繪增量次編碼 器54A及54B之路徑。來自光源46之光在入射方向上行進 穿過内部主光罩光圈圖案661及中間主光罩光圈圖案66M且 由刻度碟片32之各別刻度光學圖案48八或48B反射。反射 光在反射方向上行進穿過中間主光罩光圈圖案66M及外部 主光罩光圈圖案660至類比電路板40(在圖12中未圖示）上 之各別偵測器陣列67。圖12b展示粗略絕對次編碼器54C之 路徑’其類似於增量次編碼器54A、54B之彼等路徑。不 透明屏蔽70用以防止來自光源46之雜散光經由不同於預期 光徑之光徑到達偵測器67、69。在說明性實施例中，屏蔽 70可為封閉光源組件36(圖3)之大體圓柱形外殼的部分。 圖13說明零基準次編碼器54D之主光罩光圈圖案5〇d的 .•且其由四個内部主光罩光圈721及一外部主光罩光圈圖 案720組成。内部主光罩光圈721形成為類似於主光罩光圈 64(圖7)之繞射光栅，但具有對應於粗略刻度58之週期的較 123540-1000715.doc 1354775 粗略週期。外部主光罩光圈圖㈣〇為具有對應於索引圖 案56(圖6⑻)之寬度及間距之寬度及間距的—組矩形開 D 〇 圖14展示零基準次編碼器541)之偵測器52〇。其包括四 個内部偵測器731及兩個外部偵測器73〇。如同次編碼器 54A、54B及54C’零基準次編碼器54D亦具有徑向内部光 學子路徑及㈣㈣光學子轉。内部子路彳f延伸穿過内 部主光罩光圈721至内部偵測器731，且外部子路徑延伸穿 過外部主光罩光圈720至外部偵測11730。如現在所描 述’此等路徑在某程度上與圖12中所示之其他次編碼器 54A、54B及54C的彼等路徑不同。 圖15以側視示意圖形式說明零基準次編碼器之光學 子路徑。圖15a展示外部光學子路徑。來自光源私之光在 入射方向上行進穿過外部主光罩光圈72〇且由刻度碟片Μ 之索引圖案56反射。反射光在向回反射方向上行進穿過外 部主光罩光圈720至類比電路板4〇(未圖示）上之各別外部 偵測器730。圖15b展示内部光學子路徑。來自光源46之光 在入射方向上行進穿過内部主光罩光圈721且由刻度碟片 32之粗略刻度圖案58反射。反射光在向回反射方向上行進 穿過内部主光罩光圈721至内部偵測器731。來自内部偵測 器731之信號用以閘控由外部偵測器73〇產生之信號，以使 得經閘控之索们5號具有相對於由次編碼器54A、54B產 生之精細磁轨信號的已知相位。此閘控在類比電路板如上 發生。 123540-1000715.doc •19- 1354775 圖16為圖3之光學編碼器的電方塊圖。屐示次編碼器54 之各別偵測器52。每一次編碼器54具有相關聯類比數位轉 換器（A/D)74，該類比數位轉換器74之各別輸出被發送至 數位板42。對於增量位置次編碼器54A及54B之每一者而 言，存在兩組四相類比輸出，展示為A1 /A2及B 1 /B2。對 於次編碼器54A及54B之每一者而言，在類比組合電路（對 於次編碼器54A為75A，且對於次編碼器54B為75A)中組合 此等類比輸出之各別類比輸出。此組合可採用（例如）以下 形式：將偵測器元件671及670之對應偵測器元件的輸出簡 單佈線在一起，或替代地使用求和配置中之放大器電路。 每一組合類比信號由對應A/D轉換器74數位化，且經數位 化之樣本提供至反正切計算電路（ATAN)76。 對於粗略絕對位置次編碼器54C而言，存在兩個類比輸 出，其中偵測器691、690(圖11)之每一者產生一個類比輸 出。此等類比輸出在A/D 74C中轉換為數位值且接著經數 位化之信號由比率電路（RATIO)78利用，比率電路78實施 上述（A-B)/(A+B)計算以導出粗略絕對位置值。 對於零基準次編碼器54D而言，存在兩組類比輸出，其 中偵測器陣列731及730(圖14)之每一者產生一個類比輸 出。此等類比輸出由A/D 74D轉換為數位值，且經數位化 之信號由閘電路（GATE)80利用以產生識別零基準位置之上 述經閘控的索引信號。 將電路76、78及80之輸出提供至數位介面電路78，數位 介面電路78將通信提供至負責控制可旋轉軸34之旋轉位置 123540-1000715.doc •20- 1354775 的外部伺服驅動器。在說明性實施例中，伺服驅動器（例 如）藉由取平均值來數位組合來自增量位置次編碼器54Α及 54Β之反正切值。在替代實施例中，如圖16a中所示，數位 組合可在ATAN電路76與數位介面電路78之間執行。 圖16之電路可如系統目標指定而定位於一電路板上或多 個電路板上。對於諸如圖3之實施例的實施例而言，可能 需要隔離單獨電路板40 ' 42之間的類比及數位電路。當類 鲁 比及數位電路定位於同一電路板上時，如此項技術中通常 所已知的’需要使用單獨接地/電源層以使敏感類比電路 與由數位電路產生之電雜訊隔離。 圖17為可利用圖3之光學編碼器之雷射系統的方塊圖。 由雷射束源（未圖示）產生之雷射束82由電流計84轉向電 流計84包括安裝至由馬達88及位置偵測器9〇組成之伺服馬 達組件的光學元件86(諸如鏡子）。可使用圖3之光學編碼器 實施位置偵測器9〇，其中刻度碟片32附著至馬達軸34。位 # 置偵測器90之輸出提供至伺服驅動器92，伺服驅動器92將 驅動乜號提供至馬達88。伺服驅動器92回應於來自系統控 制(SYS CTRLLR)96之位置指令信號94而操作。如此項 技術中通常所已知的，基於由位置指令信號料命令之位 置’伺服驅動器92使用馬達88之封閉迴路控制以將可旋轉 轴34(且藉此亦光學元件86)帶至所命令之旋轉位置。 可使用所揭不之光學編碼器的雷射系統包括㈠列如）執行 雷射材料處理之系統及執行基於雷射之量測或計量的系 統。雷射材料處理應用之具體實例包括基於雷射之標記、 123540-1000715.doc 1354775 鑽孔切割修整、顯微機械加工燒結及焊接。 圖8展示可用於涉及物件之完全旋轉之替代實施例中的 刻度碟片32 ’其中該物件之旋轉位置由光學位置編碼器偵 測（〃諸如上文所述之電流計的有限旋轉形成對比p刻度 碟片32使用疋全被繞圓周延伸之刻度圖案料a.。在該實施 例申’應瞭解儘管在任何給定旋轉位置處之其不同位置 處，但每一次編碼器（諸如次編碼器1〇八、l〇B)均與該刻度 圖案48八相互作用。索引及粗略位置軌跡48D·可定位於所 示之刻度圖案48A之内部。或者，索引及粗略位置軌跡 彻，可定位於刻度圖案似，之外部。此等實施例之任一者 為諸如上文所述之使刻度圖案48八與索引及粗略位置軌跡 48D在角度方向上隔離（例如，不同象限）之實施例的替 代。 儘管已參看本發明較佳實施例特定展示及描述本發明， 但熟習此項技術者應瞭解在不脫離由隨附申_專利範圍界 定之本發明之精神及範疇的情況下，可在其中進行形式及 細節之各種變化。特定言之，儘管在說明性實施例中使用 反射刻度碟片32，但在替代實施例中可能需要使用透射刻 度碟片32’其t對外部主光罩光圈圖案（例如，對應於圖 案66M及660)及偵測器52之位置作對應變化。 在其他替代配置t，索引圖案可為夫瑞乃區（Fresno zone)透鏡、單一脈衝幾何構造（快門動作）、幾何脈衝自相 關或繞射區透鏡（圓形或圓柱形）等。其他替代配置可使用 高解析度絕對位置次編碼器來取代上文所示之增量及粗略 123540-1000715.doc •22· 1354775 絕對位置次編碼器，此類型之例示性編碼器展示於標題 "Absolute Encoder Employing Concatenated, Multi-Bit, Interpolated Sub_Enc〇ders"之第 2〇〇5〇】337〇5號美國公開專 利申請案中。亦如該t請案中所展示，亦可使用其他技 術，諸如使用斜坡函數（比例量測或推挽）、灰度級圖案（例 如矩陣、繞射或特製微漫射器）、傾斜穿過偵測器之 聚焦光線（夫瑞乃區透鏡）等。另外，替代實施例可僅使用 —個偵測n陣列及光學子路徑而非上文所述之兩個徑向隔 離=陣列及子路徑。在此等替代實施例中，每—增量次編 碼器之主光罩光圈圖案的組可僅需要兩個主光罩光圈圖案 而非在上文描述中所展示之三個主光罩光圈圖案。 【圖式簡單說明】 圖1為根據本發明之旋轉式光學位置編碼器的示意側視 圖； 圖2為圖1之旋轉式光學位置編碣器的示意端視圖； 圖3為圖α旋轉式光學位置編碼器之實施例的 圖； _圖4為圖3之旋轉式料位置編μ的示意端視圖，其展 不兩個增里位置次編碼器、一粗略絕對位置次編碼器及一 零基準次編碼器； 音圖5為圖4之旋轉式光學位置編碼器之光學刻度碟片的示 意圖， 圖（由圖6(a)、6(1))及6⑷組成）為形成於圖$之光學刻度 。片上之光學圖案的圖式’該等光學圖案包括增量刻度圖 l2354〇-l〇00715.doc -23- 1354775 案、零基準圖案及粗略絕對刻度圖案； 圖7為形成圖4之增量位置次編碼器之每一者之部八 組主光罩光圈圖案之圖式； 〇刀、 圖8為描述圖7之該組主光罩光圈圖案之主光罩光圈之相 對相位的圖式； 圖9為形成圖4之增量位置次編碼器之每一者之部分的一 組偵測器元件之圖式； ° 、 圖10為形成圖4之粗略絕對位置次編碼器之部分之一組 主光罩光圈圖案之圖式； 圖11為形成圖4之粗略絕對位置次編碼器之部分之一組 偵測器元件的圖式； 圖12(由圖12a及圖12b組成）為說明圖4之增量及粗略絕對 次編碼器之光徑的示意側視圖； 圖13為形成圖4之零基準光學次編碼器之部分之零基準 主光罩光圈圖案的圖式； 圖14為圖4之零基準光學次編碼器之光學偵測器元件的 圖式； 圖15(由圖15a及圖15b組成）為說明圖4之零基準光學次編 碼器中之光徑的示意側視圖； 圖16為出現在圖3之旋轉式光學位置編碼器中之各別電 路板上之類比及數位電路的方塊圖； 圖16a為圖16之電路之一部分之替代組態的方塊圖； 圖17為使用包括圖3之旋轉式光學位置編碼器之伺服控 .制電流計的基於雷射之系統的方塊圖；及 123540-10007J5.doc -24- 1354775 圖18為說明可用於圖1之編碼器中之替代刻度碟片的圖 式.。 【主要元件符號說明】
10A 次編碼 10B 次編碼 12 旋轉軸線 14 刻度碟片 16 光源 16A 光源 16B 光源 18 單石主光罩基板 20 光學偵測器 20A 光學偵測器 20B 光學偵測器 22 類比電路 24 數位電路 26 刻度光學圖案 26A 刻度光學圖案 26B 刻度光學圖案 28 主光罩光圈圖案 28A 主光罩光圈圖案 28B 主光罩光圈圖案 30 光學編碼益磁頭組件 32 刻度碟片 123540-1000715.doc -25- 32'1354775
34 36 38 40 42 44 45 46 48 48A 48A' 48B 48C 48D 48D' 50 50A 50B 50C 50D 52 52A 52B 刻度碟片 可旋轉軸 光源組件 主光罩基板 類比電路板 數位電路板 間隙器 電互連 光源（SRC) 刻度光學圖案 反射圖案/刻度光學圖案 刻度圖案 反射圖案/刻度光學圖案 反射圖案/粗略絕對位置圖案 反射圖案/零基準圖案 索引及粗略位置軌跡 主光罩光圈圖案 主光罩光圈圖案 主光罩光圈圖案 主光罩光圈圖案 主光罩光圈圖案 光學偵測器 偵測器 偵測器 123540-1000715.doc -26- 1354775 52C 偵測器 52D 偵測器 54A 增量位置次編碼器 54B 增量位置次編碼器 54C 粗略絕對位置次編碼器 54D 零基準次編碼器 56 索引圖案 58 粗略刻度圖案 601 徑向内部圖案 600 徑向外部圖案 64-1 主光罩光圈 64-2 主光罩光圈 64-3 主光罩光圈 64-4 主光罩光圈 661 内部圖案 66M 中間圖案 660 外部圖案 671 徑向内部陣列 670 徑向外部陣列 681 主光罩光圈 68M 主光罩光圈 680 主光罩光圈 691 内部偵測器 690 外部偵測器 000715.doc •27· 1354775 70 不透明屏蔽 721 内部主光罩光圈 720 外部主光罩光圈圖案 731 内部偵測器 730 外部偵測器 74A 類比數位轉換器（A/D) 74B 類比數位轉換器（A/D) 74C 類比數位轉換器（A/D) 74D 類比數位轉換器（A/D) 75A 類比組合電路 76 反正切計算電路（ATAN) 78 比率電路（RATIO) 78 數位介面電路 80 閘電路（GATE) 82 雷射束 84 電流計 86 光學元件 88 馬達 90 位置偵測器 92 伺服驅動器 94 位置指令信號 96 系統控制器（S YS CTRLLR) A1 四相類比輸出 A2 四相類比輸出 123540-1000715.doc •28. 1354775 B1 四相類比輸出 B2 四相類比輸出 29- 123540-1000715.doc

Claims (1)

1354775 /〜年^]刀①曰修正本 十、申請專利範圍： 一種用於偵測環繞一旋轉軸線之角位之旋轉式光學位置 編碼器，其包含： 一光源； 一包括一光學刻度圖案之單石刻度碟片； 一位於該光源與該刻度碟片之間的單石主光罩基板， 該主光罩基板包括複數個組之主光罩光圈圖案； 偵測及轉換電路；及 耦接至該偵測及轉換電路之數位處理電路， 其中： 該光源、該刻度碟月、該主光罩基板及該偵測及轉 換電路經組態以在環繞該旋轉轴線之各別角位處形成 複數個光學次編碼器’每一次編碼器具有自該光源經 由該主光罩基板之一各別組主光罩光圈圖案及該刻度 碟片之該光學刻度圖案延伸至該偵測及轉換電路的一 各別光徑，每一次編碼器產生一各別數位位置輸出 值，且 該數位處理電路操作以組合該等次編碼器之該等數 位位置輸出值以產生一編碼器位置輸出值。 2.如請求項1之旋轉式光學位置編碼器，其中： 由該光學位置編碼器偵測之角位的範圍小於—全轉之 一半； 该光學刻度圖案包含處於該刻度碟片之各別間隔開之 角位處的兩個刻度部分； 123540-1000715.doc 1354775 該刻度碟片包括一位於該兩個刻度部分之間的光學位 置基準圖案；且 該刻度碟片、該主光罩基板、該光源及該偵測及轉換 電路經進一步組態以形成一基準光學次編碼器，該基準 光學次編碼器包括沿該光源、該刻度碟片之該光學位置 基準圖案與該等偵測器之間的該基準光學次編碼器之一 光徑形成於該主光罩基板上的一基準主光罩光圈圖案。 3.如請求項2之旋轉式光學位置編碼器，其中： 該刻度碟片之該光學位置基準圖案包含一位於一對應 於一零基準位置之位置處的零基準圖案； 該主光罩基板之該基準主光罩光圈圖案為一零基準主 光罩光圈圖案；且 該基準光學次編碼器為一零基準光學次編碼器，該零 基準光學次編碼器經組態以利用該刻度碟片之該零基準 圖案及該主光罩基板之該零基準主光罩光圈圖案以偵測 該光學位置編碼器是否位於該零基準位置處。 4·如請求項2之旋轉式光學位置編碼器，其中： 該刻度碟片之該光學位置基準圖案包含一經組態以指 示該光學位置編碼器之—粗略絕對位置的粗略絕對位置 圖案； a亥主光罩基板之該基準主光罩光圈圖案為一粗略絕對 位置主光罩光圈圖案；且 該基準光學次編碼ϋ為—粗略絕對位置光學次編碼 器，該粗略絕對位置光學次編碼器經組態以制該刻度 123540-1000715.doc 碟片之該粒略絕對位置圖案及該主光罩基板之該粗略絕 對位置主光罩光圈圖案則貞測該光學位置編碼器之該粗 略絕對位置。 5·如請求項4之旋轉式光學位置編碼器，其中： 該刻度碟片之該粗略絕對位置圖素經進一步組態以指 • 示遠離該零基準位置之角位移的量值及方向；且 -玄粗略絕對位置光學次編碼器經進一步組態以利用該 • 刻度碟片之該粗略絕對位置指示圖案及該主光罩基板之 +略、’邑對位置主光罩光圈圖帛來伯測該光學位置編碼 器距離該零基準位置之該角位移的該量值。 6.如請求項4之旋轉式光學位置編碼器， 該刻度碟片包括一位於與粗略絕對位置圖案相對之一 位置處的該兩個刻度部分之間的零基準圖案；且 I光源„亥刻度碟片、該主光罩基板及該偵測及轉換 電路紅進-步組態以形成—位於與該粗略絕對位置光學 • 次編碼器直徑相對之—位置處的該等光學次編碼器中之 :者之間的零基準光學次編碼11，該零基準光學次編碼 Dt， 〜該光源與該刻度碟片之該零基準圖案之間的 β零基準-人編碼器之—光徑形成於該主光罩基板上的零 基準主光I光圈圖案，該零基準光學次編碼器經組態以 利用該刻度碟片之該零基準圖案及該主光罩基板之該零 土準《罩光圈圖案以偵測該光學位置編碼器是否位於 該零基準位置處。 ' 7_如請求項1之旋轉式光學位置編碼器，其中： 123540-1000715.doc 1354775 該刻度碟片之該光學圖案為一反射光學刻度圖案，以 使得該等光學次編瑪器之每_者的該光徑包括—反射部 分； 。 該主光罩基板之該等組主光罩光圈圖案的每一者包括 第一主光罩光圈圖案及第二主光罩光圈圖案，該等=一 主光罩光圈圖案位於沿該等光學次編碼器之—各別光學 次編碼器之一第一光學子路徑的該反射部分處，且該； 第二主光罩光圈圖案位於沿該等光學次編碼器之一^別 光學次編碼n之-第二光學子職的該反射部 該等光學次編碼器之每一者進一步包括各別第一及第 二光學偵測器’每一該等光學偵測器位於沿該光學次編 碼器之-各別光學子路徑的該反射部分處以接收行進穿 過該等各別主光罩光圈圖案之光。 8.如請求項7之旋轉式光學位置編碼器，其中該等次編碼 器之每-者的該第-主光罩錢圖案及該第二主光罩光 圈圖案包括—各別共用主光罩光_案，光同時⑴在一 自該光源朝該刻度碟片之入射方向上與⑺在—自該刻度 碟片朝該各別光學偵測器之反射方向上行進穿過該各別 共用主光罩光圈圖案。 9.如請求項8之旋轉式光學位置編碼器，其中·· 該等光學次編碼器之每一者的該第一主光罩光圈圖案 及該第二主光罩光圈圖案均包括一内部光圈圖案、一中 間光圈圖案及一外部光圈圖案，該中間圖案為該共用主 光罩光圈圖案，每—光圈圖案包括多個主光罩光圈； 123540-10007I5.doc 1354775 每一光學次編碼器經組態以使得（1)在該入射方向上行 進穿過該内部光圈圖案之光自該刻度碟片反射，以在該 反射方向上主要行進穿過該中間光圈圖案，及（2)在該入 射方向上行進穿過該中間光圈圖案之光自該刻度碟片反 射，以在該反射方向上主要行進穿過該外部圖案； 該内部光圈圖案及該外部光圈圖案之該等主光罩光圈 經組態以具有一共同空間相位；且 該中間光圈圖案之該等主光罩光圈經組態以具有各別 不同空間相位。 10·如請求項7之旋轉式光學位置編碼器，其中該刻度碟片 附著於一與其同軸之可旋轉軸的一轴向末端處，且一光 學編碼器組件面向與該可旋轉軸同轴之該刻度碟片，且 其中： 該光源安放於一光源組件内，該光源組件包括一附著 至該主光罩基板之不透明外殼；且 • 該光學編碼器組件包含一電路板，該等光學偵測器定 位於該電路板上，該電路板環繞該不透明外殼且在遠離 該可旋轉轴之方向上與該主光罩基板間隔開。 11. 如請求項1之旋轉式光學位置編碼器，其中該光源包含 多個離散光源，每一離散光源僅為該等光學次編碼器之 一各別光學次編碼器提供光。 12. 如請求項1之旋轉式光學位置編碼器，其中該光源包含 一或多個離散光源，每一離散光源選自由發光二極體、 半導體雷射H、量子設備、自熾光源及螢光光源組成之 123540-1000715.doc 1354775 群。 13. 如請求項1之旋轉式光學位置編瑪器，其中該等光學次 編碼器之每一者包括產生於該偵測及轉換電路内之多個 類比位置值’且其中該偵測及轉換電路包括（1)類比組合 電路，其經組態以組合該等光學次編碼器之每一者的各 別類比位置值以產生次編碼器類比位置輸出值；及類 比數位轉換電路，其經組態以自該等類比位置輸出值產 生該等次編碼器之每一者的該數位位置輸出值。 14. 如請求項13之旋轉式光學位置編碼器，其中該數位處理 電路操作以組合該等次編碼器之該等數位位置輸出值以 產生一編碼器位置輸出值。 15. 如請求項丨之旋轉式光學位置編碼器’其中該等光學次 編碼器之數目為二，且該兩個光學次編碼器定位於環繞 該旋轉軸線之直徑相對位置處。 16. 如請求項1之旋轉式光學位置編碼器，其中該等光學位 置次編碼器環繞該旋轉軸線相等地隔開。 17. 如请求項1之旋轉式光學位置編碼器，其中該主光罩基 板及該刻度碟片為相同材料。 18. 如請求項17之旋轉式光學位置編碼器，其中該主光罩基 板及該刻度碟片為透明材料。 19_如請求項1之旋轉式光學位置編碼器，其中： 該刻度碟片包括一與該等刻度部分徑向間隔之光學位 置基準圖案；且 該刻度碟片、該主本罢且把 A王尤罩基板 '該光源及該偵測及轉換 123540-1000715.doc 1354775 I路A進以形成_基準光學次編碼器該基準 光學次編瑪器包括沿該光源、該刻度碟片之該光學位置 基準圖案與該等制器之間的該基準光學次編碼器之一 光徑形成於該主光罩基板上的一基準主光罩光圈圖案。 〇.如明求項19之旋轉式光學位置編碼器，其中 該刻度碟片之該光學位置基準圖案包含一零基 案； 該主光罩基板之該基準主光罩光圈圖案為一零基準主 光罩光圈圖案；且 該基準光學次編碼器為一零基準光學次編碼器，該零 基準光學次編碼器經組態以利用該刻度碟片之該零基準 圖案及該主光罩基板之該零基準主光罩光圈圖案以偵測 該光學位置編碼器是否位於該零基準位置處。 21. —種伺服馬達組件，其包含： 一伺服馬達，其具有一可環繞旋轉軸線旋轉之馬達 軸；及 如請求項1之旋轉式光學位置編碼器，其定位於該可 旋轉伺服馬達轴之一端處且經組態以偵測該馬達軸之旋 轉位置。 22 _ —種用於在一選定方向上指引一入射雷射束之伺服控制 電流計，其包含： 如請求項21之伺服馬達組件；及 一光學元件’其耦接至該可旋轉伺服馬達轴之另一端 且經組態以位於沿該入射雷射束之一路徑處。 123540-1000715.doc 23· —種雷射系統，其包含： 一雷射束之一源； 如請求項22之伺服控制電流計； 一词服驅動器’其經組態以回應於一位置指令作號而 控制該伺服馬達組件之該可旋轉伺服馬達軸的角位 一系統控制器，其操作以產生該位置指令信號以用一 所要方式指引該雷射束。 24·如明求項23之雷射系統，其經組態以用於雷射材料處理 及雷射量測中之至少一者。 25. —種用於偵測環繞一旋轉軸線之一可旋轉物件之角位的 旋轉式光學位置編碼器，其包含： 一包括光學刻度圖案之反射單石刻度碟片，該刻度碟 片安裝至該可旋轉物件； 一鄰近於該刻度碟片之單石主光罩基板，該主光罩基 板包括複數個組之主光罩光圈圖案； 一光源組件，其附著至該主光罩基板，且包括操作以 指引光穿過該主光罩基板之該等主光罩光圈圖案至該刻 度碟片之該等光學刻度圖案的一或多個光源； 偵測及轉換電路；及 輕接至該偵測及轉換電路之數位處理電路， 其中： 該光源、該刻度碟片、該主光罩基板及該偵測及轉 換電路經組態以在環繞該旋轉轴線之各別象限中形成 複數個光學次編碼器’該等次編碼器包括⑴位於直徑 123540-10Q07i5.doc -8 - 相對位置處之一對増量位置次編碼器，（ii)一零基準次 '^碼器’及（iii)一粗略絕對位置編碼器，每一次編瑪 裔為一具有一自該光源經由該主光罩基板之各別組主 光罩光圈圖案及該刻度碟片之該光學刻度圖案延伸至 該偵測及轉換電路之各別光徑的反射光學次編碼器， 每一次編碼器具有一各別數位位置輸出值，且 該數位處理電路操作以組合該等次編碼器之該等數 位位置輸出值以產生一編碼器位置輸出值。
123540-1000715.doc -9.
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