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CN1702433B - 光学式编码器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种将刻度盘和受光单元的相对移动作为二相信号进行输出的光学式编码器，其特征在于包括：刻度盘，形成有光栅；发光单元，发出用于照射上述刻度盘的光束；反射板，与上述刻度盘一起以共同的旋转轴为中心旋转，反射透过上述刻度盘的光栅的上述光束，具有反射率分级不同的多个区域；受光单元，具有与上述光栅的间距关联起来进行配置的多个光电二极管，接收在上述刻度盘反射的光束和在上述反射板上反射后再次投向上述刻度盘的光束；以及运算处理电路，基于在上述受光单元所接收到的光束，利用在上述刻度盘发生的2相信号的平方和，运算表示上述刻度盘与受光单元的相对位移的信号和表示上述区域的信号。

Description

光学式编码器
技术领域
本发明涉及位移测定或角度测定中所使用的、可进行绝对位置检测的光学式编码器。 
背景技术
光学式编码器(光编码器)的基本构成如下：形成有第1光栅的主刻度盘(main scale)；与主刻度盘相对配置并形成有第2光栅的指针刻度盘(index scale)；对主刻度盘照射光的光源；对透过或反射到主刻度盘的第1光栅(光学栅格)进而从指针刻度盘的第2光栅返回的光进行感光的受光元件。 
在这种光学式编码器中，使用兼作指针刻度盘的受光元件阵列的方式，例如在日本专利特公平6-56304号公报中已得以提案。另外，本申请人也申请了同样结构的日本专利特开2003-161645号公报的光学式编码器。 
此种构成的编码器被称为增量型(incremental type)，可根据相对于刻度盘的移动脉冲的增减来检测其移动量。作为该增量型的编码器的问题点，由于旋转角度的绝对值不明，而出现了需要另行准备检测绝对位置的传感器之类的问题。 
在日本专利特开平10-318790号公报中，回避了上述问题，为了检测增量式透射型的编码器中的绝对位置，如图7所示那样使刻度盘1中所配置的缝隙(slit)2的透射率发生变化，例如设缝隙2a的透射率设为1，并使依次并排的缝隙2b、2c、2d的透射率逐渐降低。 
图8表示在利用该刻度盘1时，缝隙2的透射率发生变化的部分通过传感器时所得到的信号变化，从传感器得到模拟的两相信号Oa、Ob。由于缝隙2的透射率逐渐降低，信号Oa、Ob的振幅降低，所以 通过对此变化进行检测来检测出绝对位置。 
但是，在用以往的例子所说明的编码器的绝对位置检测装置中，作为检测信号振幅的方法，需要在比所得到的编码器信号的1个周期还要短得多的定时内进行采样，并求出由此所得到的信号的峰值和谷值的电压。 
从而，在停止状态时就无法知道规定部分位于哪个位置。 
另外，要得知信号的振幅，就需要在较短定时内进行采样的高速AD变换器等的电路规模庞大的电路。进而，例如像图7中所示的刻度盘1的缝隙2那样，必须精确地制造出透射率不同的部分，就有实际的振幅变化也参差不齐的可能性。 
发明内容
本发明的目的就是改善上述弊端并提供一种在刻度盘或其附带部件中设置有不连续部分，可检测绝对位置的光学式编码器。 
用于达到上述目的本发明的光学式编码器是将刻度盘和受光单元的相对移动作为二相信号进行输出的光学式编码器，其特征在于包括：刻度盘，形成有光栅；发光单元，发出用于照射上述刻度盘的光束；反射板，与上述刻度盘一起以共同的旋转轴为中心旋转，反射透过上述刻度盘的光栅的上述光束，具有反射率分级不同的多个区域；受光单元，具有与上述光栅的间距关联起来进行配置的多个光电二极管，接收在上述刻度盘反射的光束和在上述反射板上反射后再次投向上述刻度盘的光束；以及运算处理电路，基于在上述受光单元所接收到的光束，利用在上述刻度盘发生的2相信号的平方和，运算表示上述刻度盘与受光单元的相对位移的信号和表示上述区域的信号。 
根据本发明的光学式编码器，在进行绝对位置的检测之际，根据二相信号的振幅来计算平方和，由此就可以明确地检测出刻度盘处于哪个位置，并能够实现快速的定位顺序。 
另外，作为电路构成，由于只是检测编码器的信号电平并进行运算的电路，所以能够以简单的构成来进行绝对位置的检测而不用特别使电路增加。 
附图说明
图1是实施例1的光学系统的结构图。 
图2是反射板的平面图。 
图3A、3B是编码器的旋转位置，二相信号A、B以及信号A、B的平方和的曲线图。 
图4A、4B是因温度变化或老化而不能检测的平方和的变动的曲线图。 
图5是实施例2的编码器的结构图。 
图6是实施例2的两个传感器头各自的平方和及其差分的曲线图。 
图7是以往的光学式编码器的刻度盘的结构图。 
图8是编码器信号的输出波形图。 
具体实施方式
下面基于图1～图6中所图示的实施例详细地说明本发明。 
【实施例1】 
图1表示实施例1，是以反射型的微穹顶镜面阵列(reflection typemicro roof mirror array)作为移动体的刻度盘11的形状的结构图，通过采用这样的微穹顶镜面阵列，就能够提高光的利用效率。关于利用该微穹顶镜面阵列的基本结构在日本专利特开2002-323347号公报中进行了披露。 
实施例1是回转式编码器，刻度盘11为反射型，相对于刻度盘11在其单侧配置有发光单元12、受光单元13。在与刻度盘的发光单元12、受光单元13相反的一侧，设置着具有把透过刻度盘11的光反射后返回到受光单元13的效果的反射板14。反射板14被张贴于保持部件15中，与刻度盘11一起借助于共同的旋转轴16进行旋转。 
图2表示反射板14的反射单元14a和非反射单元14b的图案， 反射单元14a和非反射单元14b正好是一分为二的半月状，非反射单元14b为相对于旋转方向的不连续部分。 
从发光单元12发出的光经过光路L1到达刻度盘11，在刻度盘11反射后返回到受光单元13，使位置脉冲的二相编码器信号A、B得以发生。另外，在发光单元12发出的光的一部分如光路L2那样通过刻度盘11，在反射板14的反射单元14a进行反射后再次经过刻度盘11返回到受光单元13。 
利用此光路L2的光是用于发生与编码器信号A、B不同，用来获得绝对位置的信号，是与刻度盘11的反射图案无关的DC光。 
从而，受光单元13在刻度盘11的内侧有反射单元14a时，就好像DC光进入那样来动作，发光单元12的光量被缩小，由受光单元13中所得到的信号A、B的电平就变小。 
在图3中，横轴是刻度盘11的旋转位置，纵轴(a)是将二相信号A、B分别平方后进行了相加的平方和(A2+B2)，(b)是二相信号A、B的输出，信号A用实线表示，信号B用点划线表示。在图3(b)中，信号A、B的振幅较小的旋转位置是有反射单元14a时的输出，振幅较大的旋转位置是有非反射单元14b时的输出。 
平方和是用AD变换器等将信号A、B取入，通过微机等运算处理电路来进行计算。根据该平方和，由于信号A、B的振幅的变化点是陡急地获得，所以借助于比较电压阈值L反射单元14a和非反射单元14b的边界检测就变得容易，比起简单地利用信号A、B检测可以明确得多地进行。 
这样，利用平方和来进行反射单元14a和非反射单元14b的检测，根据从原点开始的计数就可知道刻度盘11的区域，进一步就能够根据二相信号A、B检测出精确的绝对位置。 
另外，为了使刻度盘11停止于停止目标位置，可知若在图3A、B中设刻度盘11的停止目标位置为取决于阈值L的R，例如刻度盘11如果在相对位置S，则由处理电路所得到的平方和的值，与预先所设定的阈值L相比要小。据此，就能够通过传动装置(actuator)等 驱动装置，将刻度盘11相对地驱动到纸面右侧这样来使其动作，使之到达停止目标位置R。反过来，若刻度盘11在位置T，则由于平方和的值与阈值L相比要大，所以将刻度盘11相对地驱动到纸面左侧这样来使其动作，使之到达停止目标位置R即可。 
这样一来，根据平方和的输出就可知道从停止状态开始向哪个方向驱动刻度盘11，就能够容易地以最短距离到达停止目标位置。 
虽然在实施例1中，是利用反射单元14a和非反射单元14b，能够在错位180°的位置上检测出诸如信号电平变化这样的两个区域的位置，但也可以通过分级地设置多个反射率不同的部分，进而分割区域以进行检测。 
另外，在受光单元13为光电二极管阵列，检测出反射光的多个明暗这样的构成时，还能够使刻度盘11的图案遗漏1个或一个以上以使信号电平变化。 
【实施例2】 
图4A、4B表示在实施例1中因温度变化或老化导致电路部件的特性变化而不能检测的例子。如从图4A、4B可知那样，在因温度变化等而使信号A、B的振幅变小的情况下，平方和(A2+B2)的振幅值取诸如P那样的值，即使与事先所设定的阈值L进行比较，也没有平方和变成高电平的部分，从而不能检测出区域。 
图5表示用于解决此问题的实施例2的结构图，在圆板状的刻度盘21的内面呈半月状地设置有反射单元22a和非反射单元22b，在反射单元22a存在时由于多余的光返回到受光单元，所以传感器的差异(contrast)降低而不能得到具有足够振幅的二相信号A、B。因而在实施例2中，分别具有发光单元、受光单元的2组感应头(sensor head)23、24被配置在刻度盘21上恰好错位180°的地方。 
图6中，P1表示来自图5的感应头23的二相信号A、B的平方和的电平，P2表示来自感应头24的二相信号A、B的平方和的电平。如从图6可知那样，信号输出P1、P2是电平的上下定时正好相反这样的平方和。 
在如图5所示的刻度盘21和感应头23、24的位置关系时，感应头23中由于在刻度盘21的内面存在反射单元22a，所以根据二相信号A、B的平方和的信号振幅取较低的值P1’，相反，感应头24由于在刻度盘21的内面有非反射单元22b，所以信号振幅取较高的值P2’。 
P3是求出感应头23的平方和P1与感应头24的平方和P2的差分的运算输出，运算输出P3若平方和P1比平方和P2还大则为正值，若平方和P1比平方和P2还小则为负值。这样，若求得两个感应头23、24的平方和的电平的差分，则振幅即使因为温度等而上下变化，但由于平方和的信号输出P1、P2的电平也同样地上下变化，所以就不会有大小关系的变化。 
这样，根据编码器停止时的感应头23的平方和P1与感应头24的平方和P2，即便存在温度变化等，也能够获得刻度盘21处于哪个位置的区域信息。 
在本实施例2中，为了检测绝对位置而配置了两个感应头23、24，若借助于此结构求解从在各自的感应头23、24分别获得的值通过反正切(Arctan)等运算所得到的位置信息的平均值，即使在刻度盘21偏心安装的情况下，也可以将其影响抵消掉，从而获得精确的位置信息。 

Claims (3)

1.一种将刻度盘和受光单元的相对移动作为二相信号进行输出的光学式编码器，其特征在于包括：
刻度盘，形成有光栅；
发光单元，发出用于照射上述刻度盘的光束；
反射板，与上述刻度盘一起以共同的旋转轴为中心旋转，反射透过上述刻度盘的光栅的上述光束，具有反射率分级不同的多个区域；
受光单元，具有与上述光栅的间距关联起来进行配置的多个光电二极管，接收在上述刻度盘反射的光束和在上述反射板上反射后再次投向上述刻度盘的光束；以及
运算处理电路，基于在上述受光单元所接收到的光束，利用在上述刻度盘发生的2相信号的平方和，运算表示上述刻度盘与受光单元的相对位移的信号和表示上述区域的信号。
2.按照权利要求1所述的光学式编码器，其特征在于：
上述运算处理电路基于从上述受光单元得到的信号，使用从上述刻度盘的光栅得到的二相信号的平方和，来判别上述反射板上的多个区域。
3.按照权利要求2所述的光学式编码器，其特征在于：
为了判定上述区域，将上述平方和的大小与规定的电平进行比较。
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