陣列式絕對編碼器的製作方法

2023-04-23 08:57:31

專利名稱：陣列式絕對編碼器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種編碼器，特別是陣列式絕對軸角編碼器。
增量式編碼器的碼盤只有一條碼道，只能區分亮暗兩種狀態。增量式編碼器的探測器只能接收一連串相同的光脈衝，探測器無法區分脈衝之間的差別，只能對這些脈衝進行計數，以測量碼盤的相對轉角。因此增量式編碼器雖有結構簡單，成本低和尺寸小的優點，但每次開機時都要求自動化設備在運動中重新尋找零點，然後才能進入正常工作狀態，造成不便。尤其是許多自動化設備不允許在開機時(或事故斷電後重新啟動時)有不受控制的尋找零點運動，限制了增量式編碼器的應用範圍。
絕對式編碼器的碼盤有多條碼道，各條碼道為直徑不等的記有編碼信息的同心圓環，每一條碼道有其獨立的讀碼探測器。編碼器的絕對轉角可綜合各碼道讀碼探測器的輸出信號唯一地確定。碼道數目N與解析度R的關係為R＝2N。例如解析度R＝1024的絕對式編碼器，需要碼道數目N＝10，因為210＝1024。也就是說碼道數目N＝10的碼盤可以有1024個編號，能夠給碼盤上的1024個物理扇區各分配一個專屬地址。每個物理扇區是決定編碼器的解析度的最小單元，稱為一個碼元。由此可見，絕對式編碼器的基本特徵是對每一個碼元的位置，都有與之對應的唯一可以確定的編碼將其標定。如果將所有碼元的組合定義為一個陣列，並用序號標定每一個碼元，稱之為碼元的屬性，即可得出絕對式編碼器是一種可以讀出陣列中每一個碼元的屬性，並根據該屬性決定殼體和轉軸之間的轉角的裝置。因此無須尋找零點，就可以在一圈360°中直接讀出絕對角位置。顯然多碼道碼盤刻制困難，外形尺寸大，價格昂貴。雖然如此，但絕對式編碼器具有開機可立即正常運行的優點，仍然被廣泛應用。請參閱《絕對旋轉編碼器》[工具機電器]雜誌1997年第4期20-22頁。和美國專利US6366047B1(2002年4月2日)，US4720699(1988年1月19日)，US4947166(1990年8月7日)等。
由此可見，要想製造一個解析度為R的絕對式編碼器，必須獲得一個能記載R個不同地址的關鍵器件。在現有的絕對式編碼器中，該關鍵器件就是有多條碼道的碼盤。但這不是唯一的，更不是最優的器件。例如CCD器件(ChargeCoupled Device)中的每一個單元都有確定的地址編碼，因而可以作為絕對式編碼器中記錄地址的關鍵器件。推而廣之，只要具有地址編碼特性的線陣列器件，如光電二極體陣列PDA(Photodiode Array)，光電池陣列PVA(PhotovoltaicArray)，CMOS陣列(CMOS Array)等都可以用於製作絕對式編碼器。
本發明的目的是這樣實現的由

圖1及圖2可見，本發明包括固定的殼體1，可相對於殼體1旋轉的轉軸5，轉盤3安裝在轉軸5上，信號源2安裝在轉盤3上，圓環形探測器陣列6固定在殼體1上。該圓環形探測器陣列6各單元的排序與其物理位置間有對應的編碼關係。信號源2與轉軸5的旋轉軸線的距離，等於圓環形探測器陣列6的半徑。隨轉軸5旋轉的信號源2依次掃過圓環形探測器陣列6的各個單元，在所述信號源2的作用下，能使圓環形探測器陣列6中某個單元i產生可測量的物理變化。通過對這一物理變化的檢出，可以確定單元i的編碼，並得知該單元i的位置，從而唯一確定轉軸5的絕對轉角。圓環形探測器陣列6做在基板7上，並通過基板7固定在殼體1上。在該基板7上不但製造了探測器陣列6，而且也制出相應的處理電路8，最後由引線9將數據輸出。
綜上所述，本發明因採用了可以直接讀出地址的圓環形陣列探測器取代多碼道碼盤的結構，以陣列器件單元(碼元)所在的固定位置，取代多碼道編碼的碼元陣列來確定編碼器的絕對轉角，從而使問題簡化。
和現有技術的絕對式編碼器相比，本發明結構簡單，外形尺寸減小到僅與增量式編碼器相當，成本也可降低到接近增量式編碼器的水平，但仍然能完全保持絕對式編碼器的性能。
以當前的集成電路(IC)工藝製作水平而言，本發明所用探測器陣列所能達到的解析度和批量生產時的成本已經滿足本發明的實用要求。況且隨著IC技術的飛速發展，解析度將會大幅提升，成本也會進一步下降。這樣本發明就因引入相關領域的技術進步而解決了現有技術所存在的主要缺點。
圖1本發明的結構原理2本發明的結構原理剖視3第一種實施方式的結構原理4第一種實施方式的結構原理剖視5第二種實施方式的結構原理6第二種實施方式的結構原理剖視7第三種實施方式的結構原理8第三種實施方式的結構原理剖視9第四種實施方式的結構原理10第四種實施方式的結構原理剖視11第一種實施方式的電原理12第一種實施方式電原理圖中模擬矩陣電原理13第二種實施方式的電原理14第三種實施方式傳感器陣列的電原理15第四種實施方式傳感器陣列的電原理圖在本實施方式中，信號源2由光源13和狹縫4組成，光源13可用發光二極體，白熾燈，閃光燈或雷射器等。基板7為矽片12，並在上面製造出圓環形光電二極體或光電池陣列11及相應的處理電路8，其他序號的意義和工作原理同圖1，圖2。
處理電路8的電路原理見圖11。光電二極體或光電池陣列11總共有N個單元，圖中用p1到pN表示。先用簡單的前置放大器17將信號初步放大。光電二極體或光電池陣列11的輸出信號經過模擬矩陣18，使引出線數量從N壓縮至m+p。模擬矩陣18的輸出由帶有斯密特電路的比較放大器19放大，並與可調參考電壓15比較。如果信號大於可調參考電壓15，比較放大器19輸出高電平(1)，否則輸出低電平(0)。列編碼器110對輸入的m個電平信號編碼形成h位二進位碼輸出113。二進位位數h與m的關係是m＝2h。全零檢測111電路用來判斷列編碼器110的輸出是否有效，即只有當全零檢測111的全零輸出114為(0)時，列編碼器110的二進位碼輸出113才有效。二進位編碼的p位行輸入信號112用以控制模擬矩陣18的輸出行。當全零輸出114為(0)時，以二進位碼的行輸入信號112為最高有效位，以二進位碼輸出113為最低有效位的p+h位二進位碼即是感光單元i的位置碼。
模擬矩陣18的結構如圖12所示。模擬矩陣18由k組聯動的模擬開關117組成。p位二進位行輸入信號112由行解碼器115解碼，形成k個行輸出信號，輪流控制k組模擬開關117。二進位位數p與k的關係是k＝2p。k組模擬開關將光電二極體或光電池陣列11的N個單元的輸出分為m＝N/k列，每次輸出一列(m個)，從而減少了電路引出線數目。
測量過程開始時，光源13(圖3)發出的光透過狹縫4使光電二極體或光電池陣列11的某個感光單元(假設為第i號單元)感光，並輸出電壓信號。所有輸出信號經前置放大器17(圖11)放大後送入模擬矩陣18。控制行輸入信號112，每次選中1到k行中的某一行，令模擬開關117輸出一列(m個)單元的信號(圖12)。當該列輸出的單元不包括第i號單元時，所有m個單元的輸出都低於可調參考電壓15，因此比較放大器19的輸出為全零，全零檢測111的全零輸出114為(1)。這時，可改變行輸入信號112，檢測下一行的輸出信號，直到列輸出不為全零。這時二進位列編碼器110的二進位碼輸出113為單元在m個列輸出中的位置編碼。該低位編碼與行輸入信號112提供的高位編碼一起可以唯一決定單元i的位置，從而確定編碼器轉軸5的絕對轉角。
本發明的第二種實施方式，是採用環形的CCD陣列作為探測器陣列6，其結構原理見圖5，結構原理剖視見圖6，電路原理見圖13。
在本實施方式中，信號源2仍由光源13和狹縫4組成，同樣光源13可用發光二極體，白熾燈，閃光燈或雷射器等。基板7為矽片22，並在上面製造出圓環形CCD串行輸出陣列21及相應的處理電路8，其工作原理和其他序號的意義同圖1，圖2。與第一種實施方式中光電二極體或光電池陣列11的敏感單元信號先期需並行輸出不同， 在第二種實施方式中CCD串行輸出陣列21全部單元的電荷信號，可以直接通過已做在CCD串行輸出陣列21內部的電荷傳輸移位寄存器串行輸出，不需象第一種實施方式那樣要經過模擬矩陣18，從而使線路簡化。
處理電路8電路原理見圖13。一個解析度為N的編碼器，其CCD串行輸出陣列21的單元總數為N，用p1到pN表示。當系統上電時發出清零脈衝27，在將計數器23及D觸發器24置零的同時，清除CCD串行輸出陣列21中全部感光單元的電荷，做好接收信號的準備。隨後位於狹縫4下方的第i個單元接收到信號電荷，並立即被轉移到電荷傳輸移位寄存器相對應的第i個單元中。當清零後的第一個時鐘26來臨時，電荷包由移位寄存器的第i個單元移位到第i-1個單元，同時使計數器23加1。等到第i個時鐘26到達時，此電荷包恰好移出移位寄存器而進入電荷/電壓轉換放大器25作電荷/電壓變換。放大後的信號電壓和可調參考電壓15一起，輸入帶有斯密特電路的比較放大器19。當信號電壓大於可調參考電壓15時，比較放大器19輸出高電平(1)，使D觸發器24的Q端置(1)，從而封鎖了計數器23，使其計數停止在i，該計數值在一楨移位後由計數器輸出28輸出。這就是狹縫4也就是轉軸5的絕對角位置θ。經過N個時鐘脈衝完成一楨後，系統重新發出清零脈衝27及進行相應的清零動作，如此循環下去。
在本發明的第三種實施方式中，是採用磁阻傳感器陣列32(Magnetoresistive Sensor Array)作為探測器陣列6，其結構原理見圖7，結構原理剖視見圖8，磁阻傳感器陣列32的電路原理見圖14。
在本實施方式中，信號源2為轉盤3上的磁鐵31，基板7為矽片33，探測器陣列6為製造在矽片33上的圓環形磁阻傳感器陣列32。轉盤3由異磁材料如鋁等製成，轉盤3上在圓環形磁阻傳感器陣列32的半徑處裝有磁鐵31。磁鐵31的N-S磁極為圓環的切線方向，與磁阻傳感器陣列32的磁阻敏感單元的電流方向垂直。由於磁鐵31垂直磁場的作用，使與其臨近的第i個磁阻敏感單元的電阻產生變化而被測出。其他序號的意義和工作原理同圖1，圖2。可見本實施方式除磁阻傳感器陣列32的探測機理不同外，其餘和前面第一種磁阻傳感器陣列32的電路原理見圖14。圖中磁阻傳感器陣列32由N個磁阻傳感器單元35組成。磁阻傳感器單元35中有兩個磁敏元件，增值磁阻條37和減值磁阻條38。當磁鐵31接近時，增值磁阻條37的電阻增加，減值磁阻條38的電阻減小。由於兩個磁敏元件接在電源34和公共端312之間，這一變化可以轉為電壓信號並由比較放大器39與可調參考電壓輸入311比較後，由磁阻傳感器輸出310端輸出。磁阻傳感器輸出310可以代替圖11中的光電二極體或光電池陣列11接入圖12中的模擬矩陣18，其後的工作原理與第一種實施方式相同。
本發明的第四種實施方式，是採用電容傳感器陣列42(Capacitor SensorArray)，作為探測器陣列6，其結構原理見圖9，結構原理剖視見圖10，電容傳感器陣列42的電路原理見圖15。
在本實施方式中，信號源2為轉盤3上用高介電常數材料製成的凸起43，基板7為矽片41，探測器陣列為製造在矽片41上的圓環形的電容傳感器陣列42。當高介電常數材料製成的凸起43靠近電容傳感器陣列42的第i個單元時，可使該第i個單元產生電容量變化而被測出。其他序號的意義和工作原理同圖1，圖2。可見本實施方式除電容傳感器陣列42的探測機理不同外，其餘和前面第一種實施方式相同。因此，本實施方式的處理電路8中，除所用探測器陣列6為電容傳感器陣列42外，與第一種實施方式基本相同。電容傳感器陣列42的電路圖見圖15。
電容傳感器陣列42由N個電容傳感器單元45組成。高頻時鐘48及反相時鐘49控制MOS電路，對電容傳感器單元45內的敏感電容46和補償電容47加以比較，並由電容傳感器輸出411輸出。可調參考電壓輸入410用於調整電路的零點。高頻時鐘48及反相時鐘49，可調參考電壓輸入410，電源44和公共端412連接到每一個電容傳感器單元45。電容傳感器陣列42的電容傳感器輸出411可以代替圖11中的光電二極體或光電池陣列11的輸出接入圖12中的模擬矩陣18，其餘的工作原理與第一種實施方式相同。
綜上所述，所有類型的圓環形探測器陣列，包括現有的探測器陣列或是新開發的探測器陣列，都可以按照本發明的原理組成絕對式軸角編碼器。同理如果將信號源與探測器的功能換位，例如用圓環形發射器陣列一例如發光二極體陣列代替圓環形探測器陣列，同時與之相應地將信號源改為單個探測器，也可以按照本發明的原理組成絕對式軸角編碼器。因為無論信號源與探測器的相對位置如何變化，都是利用了陣列式器件中各單元的排序，與其物理位置之間有對應的編碼關係的原理，因此都屬於本專利的保護範圍。
權利要求
1.一種絕對式軸角編碼器，包括固定的殼體(1)，可相對於殼體(1)旋轉的轉軸(5)，其特徵是轉盤(3)安裝在轉軸(5)上，信號源(2)安裝在轉盤(3)上，圓環形探測器陣列(6)固定在殼體(1)上；該圓環形探測器陣列(6)中各單元的排序，與其物理位置之間有對應的編碼關係；所述信號源(2)到轉軸(5)的旋轉軸線的距離，等於圓環形探測器陣列(6)的半徑；隨轉軸(5)旋轉的信號源(2)依次掃過圓環形探測器陣列(6)的各個單元；在所述信號源(2)的作用下，能使圓環形探測器陣列(6)中某個單元i產生可測量的物理變化，通過對這一物理變化的檢出，可以確定單元i的編碼，並得知該單元i的位置，從而唯一確定轉軸(5)的絕對轉角。
2.根據權利要求1中所述的絕對式軸角編碼器，其特徵是所述圓環形探測器陣列(6)是線陣列，該線陣列可以形成封閉的圓周，也可以只形成部分圓周。
3.根據權利要求1和2中所述的絕對式軸角編碼器，其特徵是所述探測器陣列(6)為感光器陣列(11)；信號源(2)由光源(13)和狹縫(4)組成，該狹縫(4)限制光源(13)的覆蓋範圍，使其局限於所述感光器陣列(11)中的單個感光單元；該光源(13)可以使感光器陣列(11)的感光單元，產生可以讀出的感應電壓或電荷。
4.根據權利要求3中所述的的絕對式軸角編碼器，其特徵是所述光源(13)為白熾燈，發光二極體，閃光燈或雷射器；所述感光器陣列(11)為CCD陣列，光電二極體陣列，光電池陣列，CMOS陣列；感光器陣列(11)的編碼由CCD陣列，光電二極體陣列，光電池陣列，CMOS陣列的電路引線和讀出方式共同決定。
5.根據權利要求1中所述的的絕對式軸角編碼器，其特徵是所述信號源(2)為固定在轉盤(3)上的磁鐵(31)；所述探測器陣列(6)為磁阻傳感器陣列(32)；該磁鐵(31)可以使磁阻傳感器陣列(32)的磁阻傳感器單元(35)，產生可以讀出的電阻變化。
6.根據權利要求1中所述的的絕對式軸角編碼器，其特徵是所述信號源(2)為固定在轉盤(3)上的高介電常數材料製成的凸起(43)；所述探測器陣列(6)為電容傳感器陣列(42)；該高介電常數材料製成的凸起(43)可以使電容傳感器陣列(42)的電容傳感器單元(45)，產生可以讀出的電容變化。
全文摘要
一種絕對式軸角編碼器，由殼體1，轉軸5，轉盤3，信號源2和固定在殼體1上的圓環形探測器陣列6組成。本發明利用探測器陣列中敏感單元的固定位置順序代替現有技術的多碼道編碼，使採用半導體集成電路技術，解決絕對轉角測量變得非常簡單。本發明提供了一種具有本質絕對位置特徵，開機即可正常運行，不需要通過任何運動尋找零點的完全新型的絕對編碼器。
文檔編號H03M1/24GK1440125SQ03109720
公開日2003年9月3日 申請日期2003年4月11日 優先權日2003年4月11日
發明者伍少昊, 伍牧 申請人:伍少昊