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TWI857042B - 光學編碼器 - Google Patents

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TWI857042B
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丹尼爾 伯格
莎夏 庫恩
彼得 米勒克
克莉絲緹娜 史奇夫
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德商維雪半導體公司
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Abstract

一種光學編碼器，包括發射器、接收器、反射器和代碼載體，其中，發射器沿著發射軸朝反射器的方向發射電磁輻射，且反射器將電磁輻射偏轉為沿著接收軸朝接收器的方向。代碼載體被可移動地支撐，並具有代碼區的序列，以根據代碼載體的位置中斷所發射的電磁輻射或允許所發射的電磁輻射通過以照射接收器，其中，發射軸和接收軸相對於彼此以一對準角度延伸，對準角度的數值處於30度至150度的範圍內。

Description

光學編碼器
本發明係有關包括發射器、接收器、反射器及代碼載體之光學編碼器，特別是一種改進的光學編碼器，該光學編碼器易於安裝，能夠可靠且無故障地操作，並且能以高解析度進行位置偵測。
已知的光學編碼器可以分為穿透型和反射型，其不同之處在於反射器的設置和代碼載體的設計。在穿透型編碼器中，代碼載體具有一序列的輻射穿透區和輻射吸收區，這些區域根據代碼載體的位置，或者允許由發射器發射的電磁輻射通過以照射接收器，或者藉由吸收而中斷該電磁輻射。相比之下，反射型編碼器的代碼載體具有一序列的電磁輻射反射區和非反射區。在這方面，代碼載體的反射區將發射器發射的電磁輻射反射到接收器的接收軸方向。另一方面，入射到非反射區的電磁輻射不會偏轉到接收器的接收軸方向，因此不會到達接收器，特別是由於吸收。
從這兩種操作模式得出的結果是，穿透型編碼器的發射器和接收器的設置使得其中發射軸和接收軸之間的對準角度(alignment angle)為0度。例如，發射器和接收器可以彼此相對設置，其中代碼載體設置在發射器和接收器的中間空間中。在這樣的配置中，發射軸和接收軸特別重合。
另一方面，反射型編碼器的發射器和接收器的設置使得其中發射軸和接收軸之間的對準角度大約為180度。在這方面，發射器和接收器可以在一個平面中彼此靠近設置並且具有平行的對準方向。代碼載體可以與發射器和接收器所在的平面間隔設置，並根據其位置，將發射器發射的電磁輻射反射到接收器的接收軸方向(從而允許該電磁輻射照射接收器)或吸收該電磁輻射(從而中斷接收器上的照射)。
穿透型編碼器的特點是相對於發射器、接收器或代碼載體的位置偏差具有高度的強健性和穩定性。相比之下，反射型編碼器確實具有更簡單的設計，但是相對於所述位置偏差具有較高的干擾傾向或較低的容忍度。因此，即使代碼載體的對準只是略微偏離所提供的設置平面，也可能導致，例如，所發射的電磁輻射不再被接收器正確接收。
在光學編碼器常見的設置和操作中，發射器的對準可為，其發射軸平行於代碼載體的運動平面延伸，或者其發射軸垂直於代碼載體的運動平面延伸。在這方面，該平行對準在光學編碼器的安裝、穩定性和強健性方面提供了優點，然而，生產可能是複雜的和/或昂貴的(例如，當使用彎曲成環形的代碼載體時)，否則可能會限制可實現的解析度。該垂直對準可以簡化代碼載體的安裝，但是在容易受到干擾或安裝公差方面存在缺點。
本發明係有關包括發射器、接收器、反射器及代碼載體之光學編碼器，其中，發射器沿著發射軸朝反射器的方向發射電磁輻射，其中，反射器具有至少一個反射區，該反射區使電磁輻射偏轉為沿著接收軸朝接收器的方 向；而且其中，代碼載體被可移動地支撐並且具有一代碼區序列，這些代碼區根據代碼載體的位置中斷所發射的電磁輻射，或讓位給所發射的電磁輻射以使其(即，允許所發射的電磁輻射)照射接收器。
在這樣的光學編碼器中，由發射器沿著發射軸發射的電磁輻射首先入射到可移動的代碼載體上，並且可選地，隨後沿著接收軸入射到接收器上。所發射的電磁輻射可以例如包括可見光、紅外線輻射或紫外線輻射。接收器對於所發射的電磁輻射敏感，並將接收到的電磁輻射轉換為電信號。在這方面，代碼載體可連接一可移動裝置，並接收該可移動裝置的移動。在接收器接收到的電磁輻射係藉由代碼載體的位置變化進行調變(modulation)。入射到接收器上的電磁輻射的調變可以相對於代碼載體或與其連接的裝置的速度、相對位置變化或絕對位置來評估。在這方面，代碼載體經常也被稱為定時盤(timing disk)或定時標尺(timing ruler)。光學編碼器有時也被稱為光學位置編碼器。
本發明的目的是提供一種改進的光學編碼器，該光學編碼器易於安裝，能夠可靠且無故障地操作，並且能以高解析度進行位置偵測。
此目的通過具有請求項1的技術特徵的一種光學編碼器來實現，特別是，該發射器的發射軸和該接收器的接收軸相對於彼此以一個對準角度延伸，該對準角度的數值處於30度至150度的範圍內。
由於發射軸和接收軸之間的對準角度不具有發射型編碼器的0度的典型值，亦不具有反射型編碼器的約180度的典型值，因此光學編碼器可以根據應用進行靈活設置，特別是關於發射軸相對於代碼載體的運動平面的對準。在這方面，發射器和接收器可以在共同載體上以該對準角度相對彼此設置，這使得光學編碼器的緊湊配置和廉價製造成為可能。
在許多實施例中，在發射軸和接收軸之間的特定對準角度還能簡化光學編碼器在各自的應用環境中的安裝。特別地，通常必須沿著驅動軸或連接軸的旋轉軸安裝代碼載體。發射器和接收器的相對設置(例如，以所謂的L形配置)簡化了代碼載體的這種軸向安裝，即使代碼載體被配置為可旋轉盤也是如此。
由於可以在廣範圍內選擇發射器和接收器的特定相對對準，因此可以使用一種製造簡單且製造成本低廉的代碼載體。在某些實施例中，例如，可以將代碼載體配置為能夠實現高解析度(即，代碼區的高空間密度，或代碼載體對於微小位置變化的相應的精確區分)的平面代碼盤。例如，可以將代碼載體配置為薄金屬盤，可以灼燒或切割該薄金屬盤以製成高解析度的代碼區序列，特別是藉助雷射。例如，可用這種方式製造具有300LPI(lines per inch，即每英寸行數)的解析度的代碼載體。
由於在某些實施例中可以根據穿透型編碼器的原理來配置代碼載體，因此可以確保光學編碼器的可靠且無故障的操作。因此，光學編碼器對於發射器、接收器或代碼載體在對準和相對間距方面的任何位置偏差都具有強健性，該位置偏差與製造(安裝公差)和操作(例如溫度效應)相關。特別地，光學編碼器也不必為了使接收器獲得高解析度和高品質的信號而盡可能地最小化代碼載體和接收器之間的間隔，這對於具有漫反射型代碼載體(diffusely reflective code carrier)的反射型編碼器可能是必須的。
因此，上述光學編碼器結合了高度的強健性和穩定性，以及高解析度和簡單的安裝。
如果在本發明中提及了所發射的電磁輻射的中斷，則這是指所發 射的電磁輻射對於接收器的照射的中斷。這種中斷尤其可藉由吸收電磁輻射或將電磁輻射偏轉至不通往接收器的方向而實現。
發射器可以例如包括發光二極體(特別是具有可使電磁輻射準直的相關聯的發射光學器件)或雷射二極體。接收器可以包括至少一個輻射敏感的接收元件，例如光二極體(photodiode)或光電晶體(phototransistor)，或輻射敏感的接收元件的群組或矩陣，特別是以一維或二維設置者(所謂的矩陣)。如果接收器具有複數接收元件(例如光二極體)，則它們可以是離散設計中的單獨接收元件，也可以是在組件中整體形成的複數接收元件(相同種類或彼此不同配置，有規律或無規律地配置)，例如形成所謂的ASIC。發射軸和接收軸可以特別地垂直於發射器的相應發射表面或接收器的接收表面。
在某些實施例中，發射軸和接收軸可以相對於彼此以一對準角度延伸，該對準角度的數值處於60度至120度的範圍內。由於處於該範圍內的對準角度，有多種發射器和接收器的設置概念可適用於各自的應用。
根據一實施例，在發射軸和接收軸之間的對準角度基本上等於90度。因此，由發射器發射的電磁輻射被反射器偏轉90度而轉向接收器的接收軸方向。發射器的發射表面和接收器的接收表面因此可以形成兩個平面，這兩個平面彼此成90度角，由此形成發射表面和接收表面的L形配置。這種配置可以特別簡化生產和安裝。在另一方面，特別是90度的對準角度允許光學編碼器從垂直朝向到水平朝向的特別簡單的改變。
在某些實施例中，代碼載體被配置為代碼盤(特別是圓形盤或環形盤)，該代碼盤圍繞一旋轉軸被可旋轉地支撐並且具有至少一圓環形代碼軌道，該圓環形代碼軌道具有代碼區序列且具有與旋轉軸之間的徑向間距。在這方 面，一方面為旋轉軸，另一方面為發射軸和/或接收軸，雙方可以相對於彼此形成直角。代碼盤可以相對於旋轉軸平坦地形成，即，它可以在相對於旋轉軸的法平面(normal plane)內延伸。或者，代碼載體也可以被配置為可線性移動的代碼條，其具有至少一直線代碼軌道，該直線代碼軌道具有代碼區序列。
在某些實施例中，代碼區序列被交替配置為在一方面允許輻射穿透或反射輻射，並且在另一方面吸收輻射。因此，當代碼載體移動時，由發射器發射的輻射交替入射到允許所發射的電磁輻射照射在接收器上的代碼區或中斷所發射的電磁輻射的代碼區。可以通過多種方法將代碼區序列形成於代碼載體上，例如可以通過印刷、蝕刻、打孔或雷射切割來形成代碼區。
至少一反射區可用鏡面(specular)方式反射以實現限定的定向反射(相較於漫反射器)。在某些實施例中，該至少一反射區可以漫射方式反射。
例如，反射器和至少一反射區可以廉價地由白色的漫反射塑膠製成。或者，反射器可以廉價地由設有反射表面層以形成該至少一反射區的塑膠製成。另外，可想而知，反射器可由透明材料製成，並且通過全反射在該至少一反射區發生反射。
在某些實施例中，反射器可以具有單一反射區(例如，沿著可旋轉的盤形反射器的周邊延伸，特別是在周邊閉合，或者形成在固定的反射器上)。在某些實施例中，該反射器可以具有彼此相鄰設置的複數反射區，並且該複數反射區形成複數路徑或複數序列(例如，該複數反射區沿著可旋轉的盤形反射器的周邊彼此相鄰地延伸)。在某些實施例中，反射器可以具有形成一序列的複數個分離的反射區(例如，該複數反射區沿著可旋轉的盤形反射器的周邊形成序列)。該複數分離反射區的序列尤其可以對應於允許所發射的電磁輻射照射在接收器 上的複數代碼區的序列。
在某些實施例中，除了複數分離反射區的第一序列之外，該反射器還包括複數分離反射區的至少一個另外的序列，該另外序列與複數分離反射區的第一序列偏離設置，且將電磁輻射偏轉到至少一個另外的接收軸的方向。在這方面，尤其可以設置至少一個另外的發射器，沿著至少一個另外的發射軸發射電磁輻射。然後，由至少一個另外的發射器發射的電磁輻射例如可以被複數分離反射區的該另外序列偏轉到至少一個另外的接收軸的方向。由此可以促成光學編碼器的更高解析度和/或絕對位置判定。
在某些實施例中，反射器的反射區相對於發射軸和接收軸傾斜地對準，尤其是以45度的各自角度對準。發射軸和接收軸由此可以特別地以90度的對準角度設置，這使得光學編碼器能在所述L配置中特別緊湊地配置。
在某些實施例中，反射器和代碼載體由共同組件形成。由此可以最小化部件的尺寸和相對間隔中的公差，這增加了光學編碼器的操作中的測量的穩定性和準確性。
反射器和代碼載體可以偕同彼此一體成型，或者代碼載體可以與反射器分開形成，但是與反射器固定連接。如果代碼載體和反射器彼此分開形成，則可以選擇各自的理想材料。例如，反射器可以廉價地製造成鏡面塑膠部件，而代碼載體可以製造成平坦的金屬板，可用廉價的方式將具有高空間密度和高準確度的代碼區序列設置於該金屬板上。
在某些實施例中，特別是如果反射器和代碼載體由共同組件形成，則反射器是可移動的。反射器和代碼載體可以例如作為剛體均勻地移動，並且特別地可以在旋轉運動中以相同的旋轉速度運動。
在某些實施例中，特別是如果反射器和代碼載體由共同組件形成，則反射器被配置為可旋轉盤，特別是具有圓形輪廓。在這方面，反射器的至少一反射區可以設置在可旋轉盤的傾斜的周邊(特別是外周邊)，其中，反射區尤其相對於反射器的旋轉軸傾斜。在將代碼載體配置為可旋轉的代碼盤的情況下，設置於傾斜周邊的反射區可以例如相對於代碼盤和/或相對於代碼盤的旋轉軸成45度角對準。
在某些實施例中，特別是如果反射器和代碼載體由共同組件形成，則反射器的至少一個反射區與代碼區序列分開形成和/或與代碼區序列間隔設置，其中，代碼區序列交替配置為吸收輻射或允許輻射穿透。例如，代碼載體可以和反射器的主延伸平面(main plane of extent)平行對齊，並且設置在反射器的至少一反射區與發射器或接收器之間。在反射器為可旋轉盤且代碼載體為代碼盤的實施例中，反射器和代碼載體可以互相固定連接(特別是軸向間隔設置)，並且沿著一共同旋轉軸互相平行設置。因此，代碼盤可以例如鄰接和/或連接反射器之與主延伸平面相對應的一側。
在某些實施例中，代碼區序列設置在代碼載體上，使得電磁輻射以垂直或實質上垂直的方式(在發射之後或在反射之後)入射到代碼區序列。由此可以在電磁輻射的準直發射上實現高解析度。例如，可想而知，代碼區序列形成一圓環，且該圓環同軸地設置在圓形反射器上並與其連接。在這方面，圓形反射器和(例如圓形或圓環形的)代碼載體可以分開製造並連接以形成共同組件。
根據以上說明，在某些實施例中，反射器可以被配置為可旋轉盤(特別是圓盤)，該盤圍繞一旋轉軸被可旋轉地支撐，其中反射器的至少一反射區設置在可旋轉盤的相對於該旋轉軸傾斜的周邊；其中，代碼載體被配置為(例 如圓形或圓環形的)代碼盤，該代碼盤固定地連接反射器並垂直於該旋轉軸延伸，且代碼載體具有至少一圓環形代碼軌道，該圓環形代碼軌道具有代碼區序列，該代碼區序列與該旋轉軸之間具有徑向間隔，並且代碼區序列被交替配置為吸收輻射或允許輻射穿透。
在某些實施例中，特別是在前一個提到的實施例中(反射器為可旋轉盤；代碼載體為與其連接的代碼盤)，反射器的至少一中斷區與該至少一反射區鄰接設置並中斷電磁輻射(例如，藉由吸收或藉由不照射接收器的偏轉)，該中斷區可以形成一附加代碼區。除了代碼載體的代碼區序列(例如代碼盤的代碼軌道)之外，可以此形成至少一附加代碼區，該附加代碼區例如可以用作所謂的索引生成器(index generator)，但是與代碼載體分開形成。也可以特別規定，該代碼區序列和該附加代碼區可由同一接收器偵測。為此目的，發射器、反射器、代碼載體和接收器可用適當方式相對於彼此設置。
對比之下，在某些實施例中，代碼區序列被交替地配置為吸收輻射或反射輻射。在這方面，代碼載體和反射器可以由單一部件形成，其中，一反射代碼區形成反射器的各自的一反射區。當代碼載體移動時，如果發射器發射的電磁輻射入射到反射代碼區，則所發射的電磁輻射僅被反射到接收器的接收軸方向。例如，交替的吸收輻射的或反射輻射的代碼區的序列可以通過圓盤形反射器的周邊的相應設計來形成。該實施例特別適用於僅需要低解析度但需要高度的強健性和穩定性的應用。通常，一個、部份或全部代碼區可以因此由一個或各自的反射區形成。
在某些實施例中，特別是如果代碼載體和反射器由單一部件形成，則反射器可以具有反射區的一序列。在這方面，該複數代碼區的序列可以由 該複數反射區的該序列形成。
在某些實施例中，特別是如果代碼載體和反射器由單一部件形成，則反射器除了具有複數反射區的序列外，還可具有至少一個另外的反射區序列，其中，該另外的反射區序列可具有單一反射區或複數反射區。該另外序列的反射區尤其可以用作所謂的索引生成器。
在某些實施例中，反射器和代碼載體由分開的組件形成。
在某些實施例中，特別是如果反射器和代碼載體由分開的組件形成，則反射器可被設置為不可移動的，即固定的。這能使光學編碼器的配置更加強健。藉由使可動部件的數量最小化，可以進一步降低光學編碼器的干擾傾向。例如，可想而知，反射器形成一個組件，該組件不可移動地連接到發射器並且特別是圍繞或覆蓋發射器。
在某些實施例中，特別是如果反射器被設置為不可移動並且(例如，圓盤形的)代碼載體是可旋轉的，則代碼載體可以具有周邊切口，該周邊切口適於使代碼載體能夠以相對於代碼載體的旋轉軸的軸向方式安裝，其中，反射器或反射器的一部分被引導穿過代碼載體的周邊切口。換言之，可以選擇沿徑向方向和沿周邊方向的周邊切口的尺寸，以使即使代碼載體被設置為與光學編碼器的操作中的旋轉的代碼載體軸向對準，代碼載體也可以沿軸向移動經過固定的反射器而進入所需的安裝位置。由此簡化了光學編碼器的安裝。這樣的周邊切口可以特別地被提供用於其中在任何情況下都不需要代碼載體的完全角度範圍(360度)的應用(例如，LIDAR感測器)。
在某些實施例中，代碼載體具有代碼區的複數序列，其中，該複數序列形成彼此相鄰地設置的複數代碼軌道。在這方面，有可能提供具有不同發 射軸的複數發射器，該複數發射軸尤其可以彼此平行地延伸，和/或提供具有不同接收軸的複數發射器，該複數接收軸同樣可以特別地彼此平行地延伸。如上所述，反射器也可以具有彼此相鄰間隔設置的反射區的複數序列。
如此增加代碼區可以使測量更準確。因此，例如，可以在遞增測量(incremental measurement)中使用複數代碼軌道，以確定代碼載體的旋轉方向，或偵測代碼載體的旋轉通過特定旋轉角度，並從中確定完成的旋轉次數。各具有複數代碼區(特別是在不同序列中)的複數代碼軌道尤其可以用於絕對位置值的測量。除了各具有複數代碼區的複數代碼軌道之外，除了具有一序列的複數代碼區的代碼軌道之外，還可以提供僅具有單一代碼區(所謂的索引)的代碼軌道。
在某些實施例中，發射器被配置為發射電磁輻射作為準直射束。發射器可以具有例如雷射二極體。根據一個實施例，光學編碼器包括準直器(collimator，例如會聚透鏡)，該準直器設置在發射器(例如發光二極體)和反射器之間，且該準直器將發射器所發射的電磁輻射沿著發射軸束集，因此尤其提高了接收器接收到的調變信號的強度，並實現了更高的空間解析度。
10:光學編碼器
12:發射器
14:接收器
15:第二接收器
16:反射器
18:代碼載體
20:發射和接收裝置
22:載體部件
24:準直器
26:代碼區
27:代碼區
28:主延伸平面
30a:反射區
30b:反射區
30c:連接部
31:反射區
32:反射器與代碼載體
34:反射區或反射代碼區
35:中斷區
36:反射區
38:反射器
40:圓盤型平板
42:透明圓環
44:稜鏡
46:稜鏡
48:代碼載體
50:代碼區
51:代碼區
52:反射器
53:支撐件
54a:反射區
54b:反射區
54c:連接部
56:接收元件
58:特定應用積體電路
S:發射軸
E:接收軸
E':接收軸
D:旋轉軸
下面將僅通過範例的方式並參見附圖以說明本發明。
圖1A和圖1B繪示根據本發明的光學編碼器的一實施例的一部分在垂直方向上的透視圖；
圖2A至圖2D繪示圖1的實施例的發射和接收裝置20的剖面圖(2A、2B)和透視圖(2C和2D)；
圖3A繪示圖1A和圖1B的實施例的反射器和代碼載體的一部分的剖面圖；
圖3B繪示另一實施例的反射器和代碼載體的一部分的剖面圖；圖4A至圖4C繪示圖1A和圖1B的實施例的一部分的剖面圖；圖5A至圖5D以平面圖繪示光學編碼器的接收裝置的實施例；圖6A至圖6C繪示光學編碼器的另一實施例的一部分的剖面圖(6A)和兩個透視圖(6B和6C)；圖6D以底視透視圖繪示圖6A至圖6C的實施例的反射器；圖7A至圖7E繪示光學編碼器的另一實施例的一部分的三個透視圖(7A、7B、7D)和兩個剖面圖(7C和7E)；圖8A至圖8F繪示圖6A的實施例的一部分的剖面圖(8A和8D)和四個透視圖(8B、8C、8E、8F)；圖9A至圖9C繪示光學編碼器的另一實施例的一部分的剖面圖(9A)和兩個透視圖(9B和9C)；圖9D以透視平面圖繪示圖9A至圖9C的實施例的反射器；圖10A至圖10C繪示光學編碼器的另一實施例的一部分的剖面圖(10A)和兩個透視圖(10B和10C)；以及圖10D繪示圖10A至圖10C的實施例的反射器的可能的安裝步驟。
圖1A和圖1B以透視圖繪示光學編碼器10的一實施例的徑向切割剖面。光學編碼器10包括發射和接收裝置20、可旋轉的大致圓盤形的反射器16、以及可旋轉的圓盤形代碼載體18。發射和接收裝置20包括設置於共同載體部件22上的光電發射器12、第一光電接收器14、以及第二光電接收器15。
發射器12沿發射軸S(請參見圖2A和圖2B)發射電磁輻射(例如可見光、紅外線輻射或紫外線輻射)，而第一接收器14沿接收軸E(請參見圖2A和圖2B)接收電磁輻射，且第二接收器15沿著接收軸E’(請參見圖2A和圖2B)接收電磁輻射。第一接收器14和第二接收器15分別具有至少一個接收元件，特別是光二極體或光二極體陣列，該接收元件對於所發射的電磁輻射敏感，並且可以將其轉換成電信號。在所示的實施例中，發射軸S與代碼載體18的延伸平面或運動平面平行地對準。
光學編碼器10還包括光學準直器24，在此為透鏡形式，其沿著發射軸S設置且優選地靠近發射器12，並束集發射器12所發射的電磁輻射。
代碼載體18被配置為具有圓形輪廓和代碼區26的圓環形序列(也稱為代碼軌道)的薄代碼盤(例如，由金屬製成)。代碼區26由穿過代碼盤的細長狹縫形成，狹縫沿徑向方向延伸，並且可以藉由例如銑削(milling)、打孔或雷射切割等方式形成。因此，代碼區26的序列對於以垂直或實質上垂直的方式入射到代碼載體18或代碼盤上的電磁輻射交替地具有輻射穿透或輻射吸收的作用。除了代碼區26的序列外，代碼載體18還具有代碼區27的第二序列，該第二序列與代碼區26的序列徑向偏離設置。在所示的實施例中，代碼區27的第二序列包括單一輻射穿透代碼元件，其形式為允許電磁輻射通過以照射第二接收器15的凹口。
反射器16被配置為具有圓形輪廓的盤，該盤沿主延伸平面28延伸，並且圍繞旋轉軸D被可旋轉地支撐(請參見圖3A和圖3B)，其中，主延伸平面28與旋轉軸D採用90度的角度。反射器16具有兩個連續的反射區30a、30b，其各自設置在可旋轉盤的相應周邊，並且相對於旋轉軸D的軸向和徑向彼 此偏離設置。反射區30a、30b因此形成在反射器16或可旋轉盤的外周邊的倒角區域，並且垂直地上下設置，其中下反射區30b具有在旋轉軸D的方向上且相對於上反射區30a的徑向偏移。兩個反射區30a、30b藉由在此處水平形成的連接部30c彼此連接。
反射區30a、30b與發射軸S和接收軸E、E’傾斜地對準，並且將沿著發射軸S發射的電磁輻射反射到接收軸E和E’的方向。在所示的實施例中，反射區30a將電磁輻射反射到第一接收器14的接收軸E的方向，而反射區30b將電磁輻射反射到第二接收器15的接收軸E’的方向。此外，反射區30a和30b相對於發射軸S具有相同的對準角度。在其他實施例中，該對準角度也可以採用不同的數值。
反射器16可以由不透明的塑膠製成，並且可以具有反射塗層形式的反射區30a、30b。另外，可想而知，反射器16可由透明塑膠製成並藉由全反射將發射器12沿著發射軸S發射的電磁輻射反射到接收軸E和E’的方向。
圖2A至圖2D以兩個剖面圖(2A和2B)和兩個透視圖(2C和2D)繪示圖1的實施例的發射和接收裝置20。在發射和接收裝置20中，一方面為發射器12，另一方面為第一接收器14和第二接收器15，雙方被設置在載體部件22上的L形配置中，使得發射軸S和接收軸E或接收軸E’之間各自的對準角度均為90度。在這方面，發射軸S和接收軸E各自垂直於發射器12和第一接收器14的發射表面和接收表面，因此，發射軸S和接收軸E彼此成90度角。此對應關係也適用於發射軸S和第二接收器15的接收軸E’。
在圖2A的圖示中，根據圖1A和圖1B的實施例安裝了發射和接收裝置20。在這方面，第一和第二接收器14和15與載體部件22水平設置在圖 未示的支撐件上，而發射器12的緊固平面(fastening plane)被設置成與該支撐件成90度角。第2B圖繪示具有相反朝向的發射和接收裝置20，其中，發射軸S垂直於代碼載體18的延伸平面或運動平面。此處的發射器12與載體部件22一同水平設置在該支撐件上，而第一接收器14和第二接收器15各自的緊固平面設置成與該支撐件成90度角。發射和接收裝置20的L形結構使得能夠在兩個對準變型之間快速改變，因此在光學編碼器10的應用中提供了高度的靈活性。
在圖1A和圖1B的實施例中，反射器16和代碼載體18形成一共同組件。圖3A以剖面圖繪示包括反射器16和代碼載體18的共同組件的一部分。在這方面，反射器16和代碼載體18或代碼盤沿共同的旋轉軸D在軸向上彼此間隔設置，並且彼此固定地連接(例如黏合)。旋轉軸D的方向由箭頭指示。特別地，代碼載體18或代碼盤與反射器16的主延伸平面28平行地對準。反射器16和代碼載體18因此作為剛體繞旋轉軸D旋轉，並以相同的轉速或旋轉頻率繞旋轉軸D轉動。
圖3B以剖面圖繪示包括反射器16和代碼載體18的另一實施例的共同組件的一部份。與圖1A、圖1B及圖3A的實施例相反，圖3B的反射器16僅具有單一連續反射區31，反射區31設置在具有圓形輪廓的可旋轉代碼盤的周邊。
圖4A繪示圖1A和圖1B的實施例的剖面圖的一部分。光學編碼器10可以例如連接至圖未示的相關裝置，以確定其運動或運動分量。光學編碼器10經由旋轉軸D接收該裝置的所述運動或運動分量，並將其轉換成反射器16和代碼載體18的旋轉。為此目的，反射器16和代碼載體18可以固定地連接到一可旋轉軸(圖未示)，該可旋轉軸可以是該相關裝置的一部分和/或光學編碼 器10的一部分。
發射器12沿著發射軸S發射的電磁輻射被反射器16的反射區30a、30b反射到第一和第二接收器14和15的接收軸E和E’的方向。在圖4A中，實線箭頭表示以相應的方式被反射區30a、30b反射的電磁輻射的射束範圍(beam extent)。相比之下，虛線箭頭表示被發射和被反射而不到達第一或第二接收器14或15的電磁輻射的射束範圍。
在從發射器12到第一接收器14和第二接收器15的途中，電磁輻射入射到繞旋轉軸D旋轉的代碼載體18上，而該代碼載體18的旋轉速度由該相關裝置的運動提供。由於代碼載體18的運動，電磁輻射分別交替地入射到允許輻射穿透和吸收輻射的代碼區26和27上，從而調變(modulate)第一接收器14和第二接收器15所接收的電磁輻射。現在可以相對於代碼盤18或相關裝置的速度、相對位置變化或絕對位置來評估入射在第一接收器14和第二接收器15上的電磁輻射的上述調變。
圖4B和圖4C繪示位置偏移和公差在發射器12、反射器16與代碼載體18、以及第一和第二接收器14、15的相對間距中的影響。圖4B繪示圖4A的實施例的剖面圖的一部分，其中，反射器16和代碼載體18的共同組件與發射器12以及與第一和第二接收器14和15的間距減少，即該共同組件以根據圖4B的圖示的方式在徑向向外偏移並在軸向向下偏移。另一方面，圖4C繪示圖4A的實施例的剖面圖的一部分，其中，反射器16和代碼載體18的共同組件與第一和第二接收器14和15的間距增加，即該共同組件以根據圖4C的圖示的方式在軸向向上偏移。如圖4B和圖4C所示，這些位置偏移和間距變化可能會在光學編碼器10的安裝和操作過程中的典型公差範圍內發生(例如，由於振動 或溫度影響)，但是對光學編碼器10的可操作性沒有影響。在所示的偏離標稱相對間距(nominal relative spacing)的兩種情況下，電磁輻射從反射區30a、30b取得，並被偏轉為朝第一和第二接收器14和15的方向，其中，電磁輻射以類似於圖4A的方式，再次由實線和虛線箭頭表示。換言之，儘管位置偏移和間隔變化，光學編碼器10也可以穩定地操作。
所述的實施例的一個特別的優點還在於，代碼載體18或代碼盤可被安裝在相對於旋轉軸D的軸向方向上(因此沿著相關的驅動軸或連接軸安裝，即圖示中的垂直方向的上方)，而且發射器12和接收器14和15不會妨礙代碼載體18的安裝。
所述的實施例具有兩個接收器14和15。然而，也可以推知僅有一個接收器並且省去第二接收器的實施例。
在所示實施例中由第二接收器15提供的第二測量通道可以例如用於確定旋轉方向。在進一步的應用中，在以遞增方式工作的光學編碼器10中，第二測量通道可用於偵測特定旋轉角度的通過，並從中確定完成的旋轉次數。相比之下，對於用於確定旋轉角度的絕對值的以絕對方式工作的光學編碼器，絕對有必要形成至少一個這樣的附加測量通道。
圖5A至圖5C以平面圖繪示以絕對方式工作的這種光學編碼器10的接收裝置的實施例。在圖5A中，第一接收器14由一列接收元件56形成，例如為光二極體，其以線性矩陣的形式排在彼此之後。在這方面，第一接收器14被配置為ASIC 58(application-specific integrated circuit，特定應用積體電路)。第二接收器15由單一接收元件56(特別是光二極體)形成，其與第一接收器14橫向偏離設置，並且未整合在ASIC 58中。另一方面，圖5B繪示一個實施例， 其基於圖5A的實施例，但是在這方面具有第二接收器15，其接收元件56被整合在ASIC 58中。圖5C繪示接收裝置的實施例，其中，複數接收元件56又可被配置為光二極體，複數接收元件56被設置在二維矩陣中並且被配置為ASIC 58。在這方面，該複數接收元件56各自對應於二進制編碼的不同數值，由此可以確定旋轉角度的絕對值。圖5D的實施例與圖5C的實施例的不同之處在於，各個接收元件56沒有整合在ASIC中，而是離散的並且分別設置。
圖6A至圖6C繪示光學編碼器10的另一實施例的一部分的剖面圖(圖6A)以及兩個透視圖(圖6B和圖6C)。圖6D還以底視透視圖繪示圖6A至圖6C的實施例的反射器32。在此實施例中，反射器32和代碼載體18還形成圍繞旋轉軸D被可旋轉地支撐的共同組件。發射器12、第一接收器14和第二接收器15的設置對應於圖1A的實施例的設置(發射軸S平行於代碼載體18的運動平面延伸，即在水平方向上延伸)。對照之下，圖6A的實施例沒有分開配置的代碼載體(例如代碼盤)，而是該代碼載體被整合在反射器32的實施例中，即該代碼載體與反射器32整合地一體成型。
為此目的，基本上為圓盤形的反射器32的外周邊被劃分為一序列的交替的輻射吸收區或輻射反射區。在此形成的傾斜的反射區34的序列同時也用作具有相對較低的解析度的代碼區序列。在反射器32圍繞旋轉軸D的旋轉運動中，由發射器12發射的電磁輻射如果入射到反射區34之一上，即入射到反射代碼區之一上，則僅被反射到第一接收器14的接收軸E的方向。
反射器32具有反射區36的另一序列，其與反射區34的序列在相對於反射器32的旋轉軸的徑向上偏離設置。在所示的實施例中，反射區36的另一序列是由單一反射區36形成，該反射區36可用作以遞增方式工作的光學 編碼器10中的索引生成器，以確定例如圍繞旋轉軸D的完成的旋轉次數。不過，複數反射區36也可特別設置為彼此之間具有均勻的角度間隔(例如180度、90度或45度)。
關於圖1A至圖4C以及圖6A至圖6D，值得注意的是，對於單一接收器14，僅提供單一發射軸S和單一接收軸E的實施例也是可能的。然而，在這樣的實施例中也可以產生所謂的索引信號。光學編碼器10的這種實施例的一部分在圖7A至圖7E中以三個透視圖和兩個剖面圖繪示，其中，圖7A至圖7C繪示處於反射器16的第一旋轉角度的光學編碼器10。圖7D與圖7E繪示處於反射器16的第二旋轉角度的光學編碼器10。發射器12、反射器16和代碼載體18的設置對應於圖1的實施例的設置，即反射器16和代碼載體18形成一共同組件，該組件圍繞旋轉軸D被可旋轉地支撐。在圖7的實施例中，索引信號藉由反射器16在與一個或多個反射區34相鄰的周邊方向上具有至少一中斷區35而產生，尤其可以延伸至占有較寬的周邊區域，然而，所述中斷區35中斷電磁輻射對於接收器14的照射，從而間接形成與代碼載體18分離且獨立的附加代碼區。個別的中斷區35尤其可以比代碼載體18的最寬的吸收輻射的代碼區26占有(可區別地)更大的周邊角度。如果，相較之下，一個用於反射電磁輻射的反射區34位在射束路徑中，則所發射的電磁輻射被偏轉到接收器14的方向，其中，可以藉助代碼載體18的代碼區26進行調變。在此實施例中，不需要相對於該複數反射區34徑向或軸向偏離設置之另一序列的(一個或多個)反射區36。
在所示的實施例中，反射器16例如具有兩個不同的中斷區35(具有平坦表面的凹部或具有平坦表面的凸起)，所述中斷區35各自位於處於圖7所示的反射器16的所述旋轉角度的射束路徑中，且用於中斷電磁輻射。然而， 一般而言，僅具有單一中斷區35的實施例也是可能的，或者也可以提供相同種類的複數中斷區35，特別是具有相同的寬度(周邊角度)或具有不同的寬度(為了相互區別)。各個中斷區35可以中斷所發射的電磁輻射對於接收器14的照射，例如藉由吸收電磁輻射，或者藉由將電磁輻射偏轉到不通往接收器14的方向來導致中斷。為此目的，各個中斷區35可以特別地被相應地塑形、塗覆和/或表面結構化。
如果，如圖7A至圖7E所示，提供了兩個中斷區35，則可以特別可靠地從中斷區35的已知的各自的寬度(周邊角度)以及從中斷區35的已知的間距產生索引信號。
圖8A至圖8F繪示圖6A的實施例的一版本(發射軸S正交於代碼載體18的運動平面延伸，即沿垂直方向延伸)的一部分的剖面圖(圖8A和圖8D)和四個透視圖(圖8B、8C、8E、8F)。在這方面，圖8A至圖8C和圖8D至圖8F分別繪示處於反射器32的兩個不同的旋轉角度的光學編碼器10，該不同旋轉角度導致在第一接收器14和第二接收器15上的各自不同的照射。反射器32具有反射區36的另一序列，反射區36的另一序列與反射區34的序列在相對於反射器32的旋轉軸的軸向上偏離設置。入射到反射區36的電磁輻射在這方面被偏轉到第二接收器15的第二接收軸E’的方向以便照射第二接收器15並產生信號(圖8A至圖8C)。對照之下，如果電磁輻射入射到反射區34的其中之一，則電磁輻射被偏轉到接收器14的接收軸E的方向以在該處產生信號(圖8D至圖8F)。此實施例提供了可靠、強健和穩定的替代方案，以執行僅需要低解析度的測量。
圖9A至圖9C繪示光學編碼器10的另一實施例的一部分的剖面 圖(圖9A)和兩個透視圖(圖9B和圖9C)，其中，射束偏轉係基於全反射。發射器12、第一接收器14和第二接收器15的設置對應於圖1A或圖6A的實施例的設置(發射軸S平行於代碼載體18的運動平面延伸，即在水平方向延伸)。圖9D還繪示圖9A至圖9C的實施例的反射器38。反射器38被配置為大致圓盤形的平板40，由透明材料構成的圓環42從其外周緣向外突出。複數稜鏡44在圓環42的內側以規律間隔設置。稜鏡44同樣由透明材料形成並且分別以形狀配合的方式連接到圓環42的內側。
現在，相同稜鏡44的序列形成反射區序列，其中，電磁輻射在稜鏡44的面向旋轉軸D的倒角表面被全反射。在此實施例中，稜鏡44或反射區的序列也同時作為具有相對較低解析度的代碼區序列，即該代碼載體整合在反射器38的配置中。在所示的實施例中，反射器38具有由單一稜鏡46形成的另一反射區序列。稜鏡46的配置使得僅有在稜鏡46的全反射能導致電磁輻射照射在第二接收器15。
在根據圖6、7、8及9的實施例中，也可以將代碼載體或具有代碼載體的反射器32、38進行軸向安裝(即沿旋轉軸的安裝)。
圖10A至圖10C繪示根據本發明的光學編碼器10的另一實施例的一部分的剖面圖(圖10A)和兩個透視圖(圖10B和圖10C)。發射和接收裝置20中的發射器12、第一接收器14和第二接收器15的設置例如對應於圖1A和圖2A至圖2D所示的實施例的設置。相比之下，在圖10A和圖10B的實施例中，代碼載體和反射器不再組合在組件中，而是各自形成單獨的組件。
類似於圖1A和圖2的實施例，代碼載體48被配置為具有圓形輪廓的薄代碼盤，該薄代碼盤圍繞圖未示的旋轉軸被可旋轉地支撐，且其朝向實質 上垂直於接收器14的接收軸E。代碼載體48具有代碼區50的序列，代碼區50例如可以再次配置為沿著代碼載體48的徑向延伸的細長狹縫，並且例如可以通過銑削、打孔或雷射切割形成。除了代碼區50的序列之外，代碼載體48還具有代碼區51的第二序列，代碼區51的第二序列與代碼區50的序列徑向偏離設置。在所示的實施例中，代碼區51的第二序列包括單一輻射穿透的代碼元件51，代碼元件51以凹口形式允許電磁輻射通過以照射第二接收器15。
對比之下，反射器52被配置為不可移動的單獨組件，其藉由支撐件53被固定在代碼載體48上方的位置。反射器52具有兩個反射區54a、54b，反射區54a、54b相對於代碼載體48的旋轉軸傾斜，且將沿著發射軸S發射的電磁輻射反射到第一和第二接收器14和15的接收軸E和E’的方向。
傾斜的反射區54a、54b在相對於代碼載體48的旋轉軸的軸向和徑向上彼此偏離設置，並且通過此處水平形成的連接部54c彼此連接。因此，下反射區54b相對於上反射區54a在旋轉軸D的方向上具有徑向偏移。此外，反射區54a和54b相對於發射軸S具有相同的對準角度。然而，在其他實施例中，該對準角度也可以具有不同的數值。
反射器52可以例如包括不透明塑膠並且可以在反射區54a和54b具有反射塗層。另外，可想而知，反射器52(具有合適的形狀)由透明塑膠製成，並且由發射器12發射的電磁輻射被全反射到代碼載體48以及第一和第二接收器14和15的方向。在所示的實施例中，反射器52被配置為光學編碼器10的發射和接收裝置20的一部分。然而，反射器52也可以作為單獨的組件存在，並且可以獨立於發射和接收裝置20而固定地安裝。圖10D以透視圖繪示反射器52也可以僅於發射和接收裝置20以及代碼載體48已經完成安裝的時間點上安 裝。
替代地，如上所述，代碼載體48可具有一周邊切口，以沿其旋轉軸進行軸向安裝。
由於發射和接收裝置20的倒置安裝，以及與其相關聯的發射器12與第一和第二接收器14、15的位置互換，圖10A至圖10D的實施例還可以實現為發射軸S(如第2B圖所示)的朝向係垂直於代碼載體48的延伸平面或運動平面。
與上述實施例不同，還可以提供複數發射器12，特別是為每一個由代碼區26的序列提供一個各自的發射器12且/或為每個接收器14、15提供一個各自的發射器12。各該發射器12可以具有自己的準直器24或共用一個共同準直器24。
上述的實施例圖示了發射軸S和接收軸E、E’之間的對準角度具有90度的數值。由此得到簡單的設計。然而，根據應用和安裝環境，也可以提供發射軸S和接收軸E、E’之間的其他數值的對準角度，特別是具有較大數值的對準角度(例如120度或150度)，以實現發射器12和接收器14、15的更平坦的設置，或是具有較小數值的對準角度(例如60度或30度)，以實現發射器12和接收器14、15彼此更接近的相鄰設置。反射器16、32、38、52各自的對準必須相應地適配(在鏡面反射器(specular reflector)的情況下，特別地適配至發射軸S和接收軸E、E’之間的對準角度的一半)。
10:光學編碼器
12:發射器
14:接收器
15:第二接收器
16:反射器
18:代碼載體
20:發射和接收裝置
22:載體部件
24:準直器
26:代碼區
27:代碼區
28:主延伸平面
30a:反射區
30b:反射區
30c:連接部

Claims (8)

  1. 一種光學編碼器(10)，包括發射器(12)；接收器(14)；反射器(16)；以及代碼載體(18)，其中，該發射器(12)沿著發射軸(S)朝該反射器(16)的方向發射電磁輻射；其中，該反射器(16)具有至少一反射區(30a,30b)，該至少一反射區(30a,30b)將該電磁輻射偏轉為沿著接收軸(E)朝該接收器(14)的方向；其中，該代碼載體(18)被可移動地支撐，並具有代碼區(26)的序列，以根據該代碼載體(18)的位置中斷所發射的該電磁輻射或允許所發射的該電磁輻射通過以照射該接收器(14)；以及其中，該發射軸(S)和該接收軸(E)相對於彼此以對準角度延伸，該對準角度的數值處於30度至150度的範圍內，其中，該反射器(16)係配置為圍繞旋轉軸(D)被可旋轉地支撐的可旋轉盤，該反射器(16)的該至少一反射區(30a、30b)設置在該可旋轉盤相對於該旋轉軸(D)傾斜的周邊；以及其中，該代碼載體(18)係配置為與該反射器(16)分開形成並與該反射器(16)固定連接且沿該旋轉軸(D)的法平面延伸的平面盤，該代碼載體(18)具有至少一圓環形代碼軌道(25)，該圓環形代碼軌道(25)具有與該旋轉軸(D)徑向間隔設置的該代碼區(26)的該序列，且該代碼區(26)的該序列係交替配置為吸收輻射或允許輻射穿透。
  2. 如請求項1所述之光學編碼器(10)，其中，該發射軸(S)和該接收軸(E)之間的該對準角度為90度。
  3. 如請求項1所述之光學編碼器(10)， 其中，該反射器(16)的該至少一反射區(30a,30b)傾斜地對準該發射軸(S)和該接收軸(E)。
  4. 如請求項3所述之光學編碼器(10)，其中，該反射器(16)的該至少一反射區(30a,30b)分別以45度角傾斜地對準該發射軸(S)和該接收軸(E)。
  5. 如請求項1所述之光學編碼器(10)，其中，該代碼區(26)的該序列設置於該代碼載體(18)上，以使該電磁輻射以垂直或實質上垂直的方式入射到該代碼區(26)的該序列。
  6. 如請求項1所述之光學編碼器(10)，其中，該反射器(16)的至少一中斷區(35)形成附加代碼區，該至少一中斷區(35)與該至少一反射區(30a、30b)相鄰設置並中斷所發射的該電磁輻射。
  7. 如請求項1所述之光學編碼器(10)，其中，該反射器(16)具有反射區(30a、30b)的序列。
  8. 如請求項1所述之光學編碼器(10)，其中，該代碼載體(18)具有代碼區(26)的複數序列，且該複數序列形成彼此相鄰設置的複數代碼軌道。
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