利用反射圆柱形表面的编码器 【技术领域】
本发明涉及光学编码设备。
背景技术
光学轴编码器被用来测量转轴的位置旋转。光学编码器一般包括光源、编码条和光电探测器组件，所述编码条安装在随转轴移动的碟盘上并且调制来自光源的光，所述光电探测器组件将已调制光信号转换成用于确定转轴位置的电信号。
增量式编码器在每一次转轴移动通过预定角度时产生一个信号。如果光电探测器组件包括两个彼此偏离的光电探测器，那么就可以从这些光电探测器所产生的信号确定转轴运动的方向和幅度。工作于编码条上的不同“轨道”上的多个增量式编码器可以被用来构造绝对编码器，该绝对编码器产生指示相对于预定的固定参照点地转轴位置的信号。
两种类型的编码器中所使用的编码条可以被分成两个宽泛的类型。在第一类型中，编码条由交替的不透明和透明的条纹构成，光源和探测器阵列位于该编码条的相对两侧。在第二类型中，编码条由交替的非反射条纹和反射条纹构成，光源和探测器阵列位于该编码条的同一侧。
由于光源和探测器阵列可以结合到单个预包装的组件内，所以原则上，第二类型的编码器比第一类型的编码器更便宜。在美国专利5,317,149中给出了这样一种编码器设计。该设计除了光源和探测器阵列以外还使用了两个透镜。第一透镜用来产生从代码条被反射的光束。第二透镜将代码条成像到光电探测器阵列上。第二透镜的成本增加了编码器的成本。
此外，利用该设计难以获得能够实现较宽范围的编码器分辨率的单个编码器模块。编码条一般通过在随转轴旋转的碟盘上设置条纹图案来构造。所期望的分辨率设定了编码条上的条纹图案。代码条在光电二极管上的像是一系列明暗条纹，条纹的宽度必须与光电二极管上的有效区域的尺寸相匹配。例如，在用来确定运动方向和运动量的两个光电二极管的阵列中，代码条像中的条纹理想地应具有两倍于光电二极管上的有效区域的宽度的宽度。由于光电二极管的尺寸是在制造过程中设定的并且不容易被改变，所以条纹尺寸的任何不匹配都必须通过改变由上述第二透镜所提供的放大率来被调整适应。当分辨率变化时，放大倍数也可能变化。因此，其中第一和第二透镜具有固定焦距的单个设计通常是不可能实现的。
在这种类型的现有技术设计中，代码条图案中的每个条纹的形状是梯形。条纹必须被布置在随转轴旋转的碟盘周围。因此，每个条纹覆盖由碟盘上的两个半径和编码器的角分辨率所定义的区域。如果光电探测器具有矩形有效区域，那么就存在形状不匹配，该形状不匹配降低了编码器中的信噪比。所以，需要梯形的光电探测器。由于必须使用专用光电探测器，这同样增加了编码器的成本。
【发明内容】
本发明包括用于测量旋转转轴位置的编码器。该编码器包括其上具有编码轨道的鼓轮以及具有光源和光电探测器的探测器模块。该鼓轮包括特征在于轴的圆柱形表面，鼓轮具有有着与该轴垂直的法线的表面。编码轨道包括布置在圆柱形表面上的多个交替的反射和非反射条纹。第一光源以相对于所述法线的倾斜角度照明条纹。第一光电探测器被定位以在所述鼓轮相对于光电探测器运动时接收来自所述光源的、从反射条纹被反射的光。在一个实施例中，当转轴旋转时，该鼓轮绕所述轴旋转。编码轨道可以在所述鼓轮的内侧或者在其外侧。绝对编码器可以通过包括多个编码轨道来构造，其中不同轨道之间条纹的宽度变化。
【附图说明】
图1是对转轴的位置进行编码的现有技术编码器的俯视图。
图2是图1所示编码器沿线19-19’的横截面图。
图3是根据本发明一个实施例的编码器的透视图。
图4是图3所示编码器的一部分沿线24-24’的横截面图。
图5示出了图3和图4所示编码器中的有关距离。
图6是根据本发明的编码器的另一个实施例的透视图，其中编码条位于鼓轮表面的内侧。
图7是图6所示编码器的侧视图。
图8是根据本发明另一个实施例的绝对编码器的一部分的透视图。
【具体实施方式】
参考图1和图2，可以更容易地理解本发明给出其优点的方式，在图1和图2中示出了用于对转轴13的位置进行编码的现有技术编码器。图1是编码器10的俯视图，图2是编码器10沿线19-19’的横截面图。编码器10由具有梯形形状的非反射区域12的反射式碟盘11构造成，所述非反射区域12将碟盘分成多个反射和非反射区域。探测器模块14包括光源15和探测器阵列16，用于产生指示碟盘11的运动的信号。编码器10的角分辨率由反射和非反射区域的数量决定。因此，为了提高编码器的分辨率，区域的数量必须增加。如果碟盘11的半径不增大，那么每个区域的大小必须减小。这样的减小也会导致用于检测反射和非反射区域之间的差异的可用的光的量的减少。从而，随着分辨率提高，信噪比降低了。
如上所述，探测器阵列16一般包括决定每个编码条在探测器阵列表面上的像的大小的透镜。当分辨率改变时，或者成像系统的放大率必须改变，或者光电二极管的有效区域必须改变。在其它情况下，很难提供能够被使用实现较宽范围的分辨率的探测器阵列。
本发明通过将反射式鼓轮用于编码表面而避免了这些问题。现在参照图3和图4，其示出了根据本发明一个实施例的编码器20。图3是编码器20的透视图，图4是编码器20的一部分沿线24-24’的横截面图。编码条的功能是由非反射区域23提供的，该非反射区域将鼓轮的表面分成反射和非反射区域。反射和非反射区域在形状上优选为矩形。鼓轮22的轴21可以与其位置正被编码的转轴的轴重合或者通过适当的耦合机构而被耦合到该转轴上。探测器模块25包括光源26和一个或者多个光电探测器27。
现参照图5，其示出了编码器20中的相关距离。为了讨论的目的，假设鼓轮22被与鼓轮22距离S的非准直光源26所照明。另外假设来自该光源的光以相对于鼓轮表面的法线的一定角度照射在该表面上。在这种情况下，鼓轮的外凸表面形成光源26的虚像31。如果反射区域的宽度记为h，反射区域在光电探测器处的视在宽度(apparent width)会是h’，从而编码条纹将被放大了。放大的量由M＝1+D(|f|-1+S-1)大致给出。这里，D是从鼓轮到光电探测器的距离，f是外凸反射镜表面的焦距。应该认识到，f对于内凹反射镜是正的，对于外凸反射镜是负的，例如图5所示。所以，通过变化D和S，放大率可以变化。如果光电探测器和光源在同一模块中，那么改变模块距表面的距离使得能够调节放大率，以与鼓轮上的代码条宽度匹配。例如，如果D＝S，那么放大率为2+D/|f|。
以上描述的实施例利用了非准直光源。如果光源是准直的，S是无穷大。在这种情况下，M＝1+D/|f|。
如在以上讨论中可以发现的，本发明避免了需要成像透镜的设计中固有的局限性。通过调节鼓轮与光电探测器之间的距离，不同编码条分辨率可以与同一探测器模块相适应，而不用变化模块的光学系统。相应地，单个探测器模块的设计能够被用于一定范围的编码器。
此外，根据本发明的编码器可以提供比基于安装在具有与鼓轮相同半径的碟盘上的代码条的现有技术编码器更高的分辨率。例如图1所示的基于碟盘的编码器中设置代码条的有效半径小于碟盘本身的半径。此外，所述代码条存在最小宽度，该宽度由从反射条纹被反射的光的量决定。从条纹被反射的光的量与条纹的面积成比例。条纹的数量与被条纹宽度分割的有效半径成比例。如果有人试图在基于碟盘的设计中通过利用更长的条纹来增大面积，那么具有该条纹的轨道的有效半径被减小。而且，基于碟盘的设计中条纹的最大长度受限于碟盘的半径。相反，在基于鼓轮的设计中设置代码条的半径是鼓轮的完全半径。此外，条纹的面积可以通过使用更长的鼓轮来增大，而不用变化条纹的宽度。所以，基于鼓轮的设计可以提供显著更高的分辨率。
在以上描述的本发明的实施例中，编码条纹被设置在响应于转轴旋转而旋转的鼓轮的外表面上，而探测器模块固定到当转轴旋转时保持静止的某个支撑物。但是，本发明的其中编码条纹被设置在反射鼓轮的内侧的实施例也可以被使用。现参照图6和图7，其示出了本发明的一个实施例，其中编码条纹位于鼓轮表面的内侧。图6是编码器30的透视图，图7是编码器30的侧视图。编码器30包括具有反射内表面的鼓轮31，该反射内表面上设置了非反射条32以形成一系列交替的反射和非反射编码条纹。条纹被探测器模块33中的光源照明。探测器模块33还包括一个或者多个光电探测器，用于探测从编码条纹被反射的光。鼓轮31优选被耦合到具有与鼓轮31的轴重合的轴的转轴34，使得当转轴34旋转时鼓轮31旋转。探测器模块33被安装到当鼓轮31旋转时保持静止的表面35上。在一个实施例中，表面35形成覆盖未被连接到转轴34的鼓轮31的端部的罩。该罩距离鼓轮31足够远，以允许鼓轮旋转而同时罩保持静止。如果罩与鼓轮之间的间距足够小，探测器模块33和鼓轮31的内表面被有效地封闭并与外部环境隔离，从而阻止环境中的尘埃。
本发明的上述实施例利用了当鼓轮绕其轴旋转时保持静止的探测器模块。这是优选的实施例，因为至探测器模块中部件的电源和信号连接不必适应任何运动。但是，人们可以构造其中探测器模块绕鼓轮的轴旋转而鼓轮保持固定的实施例。
以上已经就其中设置非反射条纹的反射表面对本发明的上述实施例进行了描述。但是交替的反射和非反射条纹的图案可以通过得到所希望的条纹图案的任何机制来生成。
本发明的上述实施例利用了单个代码条。这些实施例实现了增量式编码器的功能。但是，本发明可以被用来构造绝对编码器。绝对编码器能够读出转轴相对于某个预定位置的位置。例如，绝对转轴编码器能够读出转轴要返回预定起始位置所需旋转的角度度数。
现参照图8，其为根据本发明另一个实施例的绝对编码器40的一部分的透视图。一般，如果设备提供对位置的N位读数，那么就有N个独立的代码条，每位一个。同样有N个独立的探测器模块，每个轨道一个。图8中示出了两个这样的轨道42、43。该轨道以类似于以上所描述的方式处于圆柱形鼓轮41的表面上，并且探测器47和48被定位成使得相对于运动的鼓轮保持固定。每个探测器具有以类似于以上所描述的方式工作的光电探测器和光源。每个探测器在相关联的编码条纹的其中一个经过该探测器时提供信号。在具有N位的二进制编码器中，第K个轨道上的条纹的宽度是第(K-1)个轨道上的条纹的宽度的两倍。也就是说，条45是相邻轨道中的条44的宽度的两倍。各轨道彼此对准，使得探测器模块的读数提供N位二进制数中的第K位，所述N位二进制数代表了转轴相对于固定参照位置的位置。
从以上描述和附图中，本领域的技术人员显然可以对本发明做出各种修改。因此，本发明仅仅受所附权利要求的范围的限制。