旋轉光學編碼器的製作方法
2023-10-04 00:53:19 2
專利名稱：旋轉光學編碼器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種旋轉光學編碼器，特別涉及一種具有換相信號輸出功能的旋轉光學編碼器。
背景技術：
旋轉光學編碼器(rotary optical encoder)主要用以探測轉子的磁極位置，其主要結構包含光發射器、光接收器、介於其間的編碼盤(code wheel)與編碼片(code plate)以及處理電路，適當地設計編碼盤與編碼片上的編碼軌道的圖案(pattern)，即可得到所要的信號輸出。
一般伺服馬達的設計，多使用旋轉光學編碼器來探測其轉動位置、速度與旋轉方向，若伺服馬達為無電刷型式，則傳統上多以霍爾組件(Halldevices)來提供所需的轉子位置信號，以使定子繞阻電流正確換相。為節省空間與降低成本，編碼器製造者便將無刷馬達所需的換相功能整合於編碼器中，以達成前述要求並提供更為精確的換相信號(U，V，W)。
請參照圖1，目前一般具換相信號輸出的旋轉光學編碼器，多於編碼盤上增設三個軌道(track)的編碼，於是編碼盤便包含了等間距分布的細密狹縫1，以及配合轉子極數作等間距分割(透光、不透光)的交錯式分布的編碼軌道2、3、4，由此三個編碼軌道的組合，可提供馬達線圈繞阻電流換相信號。
然而，由於在編碼盤上設置三個編碼軌道，需相應的增設三個光傳感器，且發光源的照明面積需同步加大，以確保照明區域涵蓋全部的光傳感器，此將導致編碼器空間的需求增加與成本上升。因此，尋求能夠改善上述問題並提供所需的換相信號輸出的編碼器，實為必要。
發明內容
本發明所欲解決的技術問題，在於如何克服公知技術所提供的旋轉光學編碼器中，對於增加換相信號輸出，卻造成編碼盤使用空間增加、受光組件增加、以及所需的照明光源體積增加等問題。
鑑於以上公知技術的問題，本發明提供一種旋轉光學編碼器，用以於一永磁馬達中輸出換相信號，該永磁馬達包含一轉軸與固定於該轉軸上的一轉子，其中該旋轉光學編碼器包含有一編碼盤，耦接於該轉軸上，且包含有一編碼軌道，該編碼軌道包含多個區域，所述區域皆設有一第一開孔、一第二開孔、一第三開孔、一第四開孔、一第五開孔、與一第六開孔，其中，該第一開孔、該第二開孔、與該第三開孔分別和該第六開孔、該第五開孔、與該第四開孔成對稱關係；一光發射器，用以對該編碼盤投射光源；二光傳感器，與該光發射器分別位於該編碼盤的兩側，用以探測透過該編碼盤的光強度；及一處理電路，與所述光傳感器連接，用以將該光強度轉換為換相信號，並輸出換相信號。
根據上述構想的旋轉光學編碼器，其中該第一開孔與該第六開孔為無開孔，該第二開孔與該第五開孔為一等份開孔，及該第三開孔與該第四開孔為二等份開孔。
根據上述構想的旋轉光學編碼器，其中所述光傳感器為光二極體。
根據上述構想的旋轉光學編碼器，其中該處理電路包含二參考電平，其一用以區別有受光或無受光，另一用以區別受光量的強弱。
根據上述構想的旋轉光學編碼器，其中該處理電路包含多個串接電阻，用以轉換光強度為電壓信號。
根據上述構想的旋轉光學編碼器，其中該處理電路包含一轉換電路，用以轉換電壓信號為換相信號。
根據上述構想的旋轉光學編碼器，其中該轉換電路由一解碼器提供。
根據上述構想的旋轉光學編碼器，其中該解碼器使用PROM(可編程只讀存儲器)作為信號轉換。
也就是說，本發明提供一種旋轉光學編碼器，主要包含有一編碼盤、一光發射器、二光傳感器及其處理電路，其中，編碼盤具有一個編碼軌道，於編碼軌道上包含數個區域，這些區域皆設有第一開孔、第二開孔、與第三開孔以及分別與前述開孔成對稱關係的第六開孔、第五開孔、與第四開孔；當編碼盤隨著轉子旋轉，由光發射器對編碼盤投射光源，光傳感器則感測透過編碼盤的光強度，並通過處理電路，將光強度轉換為換相信號，並輸出換相信號。
本發明還提供一種編碼盤，包含具有簡單開孔變化的一編碼軌道，此編碼軌道包含數個區域，這些區域皆設有第一開孔、第二開孔、第三開孔、第四開孔、第五開孔、與第六開孔，其中，第一開孔、第二開孔、與第三開孔分別和第六開孔、第五開孔、與第四開孔成對稱關係。
根據上述構想的編碼盤，其中該第一開孔與該第六開孔為無開孔，該第二開孔與該第五開孔為一等份開孔，及該第三開孔與該第四開孔為二等份開孔。
本發明還提供一種旋轉光學編碼器的編碼方法，用以於一永磁馬達中輸出換相信號，該旋轉光學編碼器包含一編碼盤，該編碼盤包含一編碼軌道，該編碼軌道包含多個區域，所述區域皆設有一第一開孔、一第二開孔、一第三開孔、一第四開孔、一第五開孔、與一第六開孔，其中，該第一開孔、該第二開孔、與該第三開孔分別和該第六開孔、該第五開孔、與該第四開孔成對稱關係，其中該編碼方法包含步驟以一光發射器對該編碼盤投射光源；以二光傳感器探測透過該編碼盤的光強度；接收所述光傳感器感測光強度後產生的感應電流；轉換感應電流為電壓信號；轉換電壓信號為換相信號；及輸出換相信號。
根據上述構想的旋轉光學編碼器的編碼方法，其中該第一開孔與該第六開孔為無開孔，該第二開孔與該第五開孔為一等份開孔，及該第三開孔與該第四開孔為二等份開孔。
根據上述構想的旋轉光學編碼器的編碼方法，其中所述光傳感器為光二極體。
根據上述構想的旋轉光學編碼器的編碼方法，其中該轉換感應電流為電壓信號的步驟，還包含一提供二參考電平的步驟，其一用以區別有受光或無受光，另一用以區別受光量的強弱。
根據上述構想的旋轉光學編碼器的編碼方法，其中該轉換感應電流為電壓信號的步驟，還包含一比較來源電壓信號與參考電壓的步驟，以得到電壓信號的電平範圍。
根據上述構想的旋轉光學編碼器的編碼方法，其中該轉換電壓信號為換相信號的步驟，還包含一解碼器將電壓信號作為其儲值地址，並儲存對應的換相信號的輸出值的步驟。
也就是說，配合上述的旋轉光學編碼器及其編碼盤，本發明包含一種旋轉光學編碼器的編碼方法，其步驟包含以光發射器對編碼盤投射光源；再以二光傳感器探測透過編碼盤的光強度；接收光傳感器感測光強度後產生的感應電流；轉換感應電流為電壓信號；轉換電壓信號為換相信號；最後，將換相信號輸出。
本發明所達成的功效，在於僅需於編碼盤上增設一編碼軌道，與二光傳感器及其對應的處理電路，即可達到換相信號的輸出，並同時兼顧編碼器空間與實現低成本等要求。
圖1為現有技術的具換相信號輸出的旋轉光學編碼器的編碼盤的示意圖；圖2為本發明的使用於永磁馬達的旋轉光學編碼器的示意圖；圖3為本發明的旋轉光學編碼器的組成示意圖；圖4為說明本發明的針對十個磁極的轉子，其編碼盤的劃分與達成此劃分的換相信號(U，V，W)的分布；圖5為說明本發明所提供的編碼盤的部分編碼軌道圖案示意圖；圖6為本發明的旋轉光學編碼器的編碼方法的流程圖；圖7為本發明的旋轉光學編碼器的處理電路的示意圖；及圖8說明本發明的旋轉光學編碼器的換相信號輸出數據。
1狹縫2、3、4編碼軌道5第一開孔6第二開孔7第三開孔8第四開孔9第五開孔10第六開孔13旋轉方向100旋轉光學編碼器
110編碼盤111狹縫112編碼軌道120光發射器130、140光傳感器150處理電路151解碼器500永磁馬達510轉子520轉軸PD1、PD2光二極體R1、R2串接電阻V1、V2來源電壓信號Vref、V0參考電壓Cp0、Cp1、Cp2、Cp3比較器S0、S1、S2、S3內部信號U、V、W換相信號Y0～Y7輸出信號W0～W15儲值地址步驟600以光發射器對編碼盤投射光源步驟610以二光傳感器探測透過編碼盤的光強度步驟620接收光傳感器感測光強度後產生的感應電流步驟630轉換感應電流為電壓信號步驟640轉換電壓信號為換相信號步驟650輸出換相信號具體實施方式
請參照圖2與圖3，本發明所提供的旋轉光學編碼器100，應用於一永磁馬達500，以提供轉子510的磁極位置。旋轉光學編碼器100包含有一光發射器120、一編碼盤110、二光傳感器130與140、以及一處理電路150。其中，編碼盤110耦接於永磁馬達500的轉軸520上，當轉予510轉動時會帶動編碼盤110旋轉，在編碼盤110上有規則地刻有細密的狹縫111與編碼軌道112而可透光，在編碼盤110兩側，分別安裝一光發射器120與二光傳感器130與140。當編碼盤110旋轉時，由光發射器120提供光源，光傳感器130與140感受的光量則隨著透光線條同步變化，並通過處理電路150將光強度轉換為換相信號並輸出換相信號，作為判斷轉子510轉動位置的依據。
一般來說，對於具p個磁極的轉子的永磁馬達，編碼器將一圈的轉子分割成360/(p*3)個區域，每一個區域對應到一個相應的相序，在一整圈(3*p)個等分中，相鄰的六個區域為一組，依序賦予獨立編號且重複循環，共可分出重複的(p/2)組。如圖4所示，為針對十個磁極的轉子，其編碼盤的劃分與達成此劃分的換相信號(U，V，W)的分布。
本發明所提供的旋轉光學編碼器100，通過編碼軌道的圖案變化，只設置一個編碼軌道112在編碼盤110上，即可提供與傳統使用三個編碼軌道的編碼盤等效的換相信號輸出。
圖5說明本發明所提供的編碼盤的編碼軌道圖案的示意圖。為方便表示，將編碼盤110的編碼軌道112拉直，且僅列示部分圖形。根據編碼盤110上所需的六個一組且重複循環的位置劃分，依序設置第一開孔5、第二開孔6、與第三開孔7，然後再以對稱遞減的格式設置第四開孔8、第五開孔9、與第六開孔10，其中，第一開孔5與第六開孔10為無開孔，第二開孔6與第五開孔9為一等份開孔，及第三開孔7與第四開孔8為二等份開孔。由於若僅設置一光傳感器，將無法完全區分出此六個開孔的絕對位置，為避免造成混淆，因此使用兩個光傳感器130、140固定於基座上，為不動的參考點。
以下說明本發明如何利用編碼盤110的編碼軌道112的圖案變化以達成等效換相信號的輸出。
圖6為本發明的旋轉光學編碼器的編碼方法的主要流程，包含下列步驟首先，以光發射器對編碼盤投射光源(步驟600)，編碼盤會遮蔽或傳遞光源；接著，以二光傳感器探測透過編碼盤的光強度(610)；然後，接收光傳感器感測光強度後產生的感應電流(620)；轉換感應電流為電壓信號(630)；轉換電壓信號為換相信號(640)；最後，則輸出換相信號(650)。
當編碼盤110隨著欲感測的轉子510旋轉時，通過光發射器120將光源投射(步驟600)及編碼盤110上開孔大小的變化，光傳感器130與140可感知光強度的變化(步驟610)。若編碼盤110依旋轉方向13旋轉，則兩光傳感器130與140所感測的光量將依序為(1，0)，(2，1)，(2，2)，(1，2)，(0，1)，(0，0)，(1，0)，…，同時監測此兩光傳感器130與140，便可決定轉子510在六個一組的劃分中的絕對位置。
接著，則通過處理電路150將光傳感器130與140所感測到的光強度轉換為換相信號，以輸出換相信號。以下就本發明的處理電路的實現作進一步的說明。
請參照圖7，光傳感器130與140接受到的光量變化為0、1、2，為有效區別此三態，需提供兩參考電平，其一用來區別有受光與無受光，另一則用來區別受光量為近於一倍或二倍。使用光二極體PD1、PD2作為光傳感器130與140，接收光強度後感應出的感應電流(步驟620)經串接電阻R1、R2轉換成電壓，成為可資使用的來源電壓信號V1、V2(步驟630)。同時為辨識此信號的變化，導入兩參考電壓Vref與V0。Vref需適當調整，使其值約等於光二極體PD1、PD2受光量為1.5時(假設受光量的變化為0、1、2)所對應的電壓信號；同樣適當設計V0大小，使其值略大於光二極體PD1、PD2不受光時(只有暗電流)所對應的電壓信號。
將來源電壓信號V1、V2與參考電壓Vref、V0作比較，即可得知其電平範圍。本發明中，使用4個比較器Cp0、Cp1、Cp2、與Cp3，其輸出值分別為S0＝V1-V2、S1＝V2-V0、S2＝V1-Vref、與S3＝V2-Vref。編碼盤110的編碼軌道112若依旋轉方向13旋轉，比較器Cp0、Cp1、Cp2、與Cp3的信號輸出可整理如圖8，其中，多列出兩組信號(V1，V2)＝(2，0)與(V1，V2)＝(0，2)，主要考慮編碼軌道112旋轉時，(V1，V2)信號由(1，0)切換至(2，1)以及由(1，2)切換至(0，1)的過程中，可能發生的狀況。
由內部信號(S3，S2，S1，S0)的值即可辨識編碼盤110的旋轉位置，然而為提供與傳統具換相信號的旋轉光學編碼器一樣的換相信號輸出，需在內部信號(S3，S2，S1，S0)與換相信號(U，V，W)間提供一轉換電路，此轉換電路由一解碼器151所提供，內部信號(S3，S2，S1，S0)經解碼器151，可轉換成換相信號(U，V，W)(步驟640)，以輸出換相信號(U，V，W)(步驟650)，且解碼器151內所儲存的值，也可視實際情況作彈性設定。由圖8說明對不同的(V1，V2)值，處理得內部信號(S3，S2，S1，S0)，然後以此信號作為解碼器151的儲值地址，儲存對應的換相信號(U，V，W)輸出值。
其中，解碼器151採用PROM(可編程只讀存儲器)作為信號轉換，此可在固定的硬體設計下，增加產品隨使用需求差異而調整的彈性。
此外，本發明的旋轉光學編碼器中，編碼盤的編碼軌道圖案有無開孔的部分，故不會造成整圈被移除材料的情形。此特別適用於金屬材質的編碼盤，因其無附加的支撐底材。當然，編碼盤的編碼軌道圖案也可以設計成其它圖案，只要光傳感器感測的結果能區別出編碼軌道的各個開孔的絕對位置，即不脫離本發明的範圍。
綜合上述，本發明提出一種可輸出換相信號的旋轉光學編碼器及其編碼方法，只需於編碼盤上增設一具簡單開孔變化的編碼軌道，並配合兩個光傳感器與對應的處理電路，即可提供永磁馬達所需的換相信號輸出。與現有技術相較，本發明可以減少因增加換相信號輸出於編碼器中，所造成的編碼器使用空間增加、光傳感器數量增加、以及所需的照明光源體積增加的問題，並可實現更低成本、更小體積、及更富彈性的換相信號輸出指定的旋轉光學編碼器。
雖然本發明的較佳實施例揭示如上所述，然其並非用以限定本發明，任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，因此本發明的專利保護範圍須視本說明書所附的權利要求的界定為準。
權利要求
1.一種旋轉光學編碼器，用以於一永磁馬達中輸出換相信號，該永磁馬達包含一轉軸與固定於該轉軸上的一轉子，其中該旋轉光學編碼器包含有一編碼盤，耦接於該轉軸上，且包含有一編碼軌道，該編碼軌道包含多個區域，所述區域皆設有一第一開孔、一第二開孔、一第三開孔、一第四開孔、一第五開孔、與一第六開孔，其中，該第一開孔、該第二開孔、與該第三開孔分別和該第六開孔、該第五開孔、與該第四開孔成對稱關係；一光發射器，用以對該編碼盤投射光源；二光傳感器，與該光發射器分別位於該編碼盤的兩側，用以探測透過該編碼盤的光強度；及一處理電路，與所述光傳感器連接，用以將該光強度轉換為換相信號，並輸出換相信號。
2.如權利要求1所述的旋轉光學編碼器，其特徵在於，該第一開孔與該第六開孔為無開孔，該第二開孔與該第五開孔為一等份開孔，及該第三開孔與該第四開孔為二等份開孔。
3.如權利要求1所述的旋轉光學編碼器，其特徵在於，所述光傳感器為光二極體。
4.如權利要求1所述的旋轉光學編碼器，其特徵在於，該處理電路包含二參考電平，其一用以區別有受光或無受光，另一用以區別受光量的強弱。
5.如權利要求1所述的旋轉光學編碼器，其特徵在於，該處理電路包含多個串接電阻，用以轉換光強度為電壓信號。
6.如權利要求1所述的旋轉光學編碼器，其特徵在於，該處理電路包含一轉換電路，用以轉換電壓信號為換相信號。
7.如權利要求6所述的旋轉光學編碼器，其特徵在於，該轉換電路由一解碼器提供。
8.如權利要求7所述的旋轉光學編碼器，其特徵在於，該解碼器使用可編程只讀存儲器作為信號轉換。
9.一種編碼盤，其中包含一編碼軌道，該編碼軌道包含多個區域，所述區域皆設有一第一開孔、一第二開孔、一第三開孔、一第四開孔、一第五開孔、與一第六開孔，其中，該第一開孔、該第二開孔、與該第三開孔分別和該第六開孔、該第五開孔、與該第四開孔成對稱關係。
10.如權利要求9所述的編碼盤，其特徵在於，該第一開孔與該第六開孔為無開孔，該第二開孔與該第五開孔為一等份開孔，及該第三開孔與該第四開孔為二等份開孔。
11.一種旋轉光學編碼器的編碼方法，用以於一永磁馬達中輸出換相信號，該旋轉光學編碼器包含一編碼盤，該編碼盤包含一編碼軌道，該編碼軌道包含多個區域，所述區域皆設有一第一開孔、一第二開孔、一第三開孔、一第四開孔、一第五開孔、與一第六開孔，其中，該第一開孔、該第二開孔、與該第三開孔分別和該第六開孔、該第五開孔、與該第四開孔成對稱關係，其中該編碼方法包含下列步驟以一光發射器對該編碼盤投射光源；以二光傳感器探測透過該編碼盤的光強度；接收所述光傳感器感測光強度後產生的感應電流；轉換感應電流為電壓信號；轉換電壓信號為換相信號；及輸出換相信號。
12.如權利要求11所述的旋轉光學編碼器的編碼方法，其特徵在於，該第一開孔與該第六開孔為無開孔，該第二開孔與該第五開孔為一等份開孔，及該第三開孔與該第四開孔為二等份開孔。
13.如權利要求11所述的旋轉光學編碼器的編碼方法，其特徵在於，所述光傳感器為光二極體。
14.如權利要求11所述的旋轉光學編碼器的編碼方法，其特徵在於，該轉換感應電流為電壓信號的步驟，還包含一提供二參考電平的步驟，其一用以區別有受光或無受光，另一用以區別受光量的強弱。
15.如權利要求11所述的旋轉光學編碼器的編碼方法，其特徵在於，該轉換感應電流為電壓信號的步驟，還包含一比較來源電壓信號與參考電壓的步驟，以得到電壓信號的電平範圍。
16.如權利要求11所述的旋轉光學編碼器的編碼方法，其特徵在於，該轉換電壓信號為換相信號的步驟，還包含一解碼器將電壓信號作為其儲值地址，並儲存對應的換相信號的輸出值的步驟。
全文摘要
一種旋轉光學編碼器，用以於一永磁馬達中輸出換相信號，提供永磁馬達的轉子的磁極位置，該永磁馬達包含一轉軸與固定於該轉軸上的一轉子，該旋轉光學編碼器包含一編碼盤，耦接於該轉軸上且包含一編碼軌道，該編碼軌道包含多個區域，所述區域設有第一開孔、第二開孔、第三開孔、第四開孔、第五開孔、第六開孔，其中該第一開孔、該第二開孔與該第三開孔分別與第六開孔、第五開孔、該第四開孔成對稱關係；一光發射器，用以對該編碼盤投射光源；二光傳感器，與該光發射器分別位於該編碼盤的兩側，用以探測透過該編碼盤的光強度；及一處理電路，與所述光傳感器連接，用以將該光強度轉換為換相信號，並輸出換相信號。
文檔編號G01D5/26GK1670485SQ20041003977
公開日2005年9月21日 申請日期2004年3月17日 優先權日2004年3月17日
發明者許宏成, 梁德生 申請人:臺達電子工業股份有限公司