絕對式軸角編碼器設計方法及編碼器的製作方法

2023-10-31 13:38:07 2

專利名稱：絕對式軸角編碼器設計方法及編碼器的製作方法
技術領域：
本發明的絕對式軸角編碼器設計方法及編碼器，是用於自動化領域測量旋轉角度，直線位移、轉速等物理量的傳感器件。
本發明人曹振夫同志1985年在《光學機械》第5期65頁上公開發表的《小型絕對式矩陣編碼器》，其矩陣組合編碼盤的矩陣組合編碼方法，是將編碼盤的圓周分成若干個扇形區間，每個扇形區間刻劃有不同位數的碼道，利用若干個讀數頭(括光源、接收器件、狹縫)，按線陣方式取出按矩陣組合編碼方法編排的電信號，經過矩陣解碼，處理成周期二進位碼，如圖1的一個實例所示。編碼盤在一圈碼道上可以輸出若干位二進位代碼，對於第一圈碼道輸出兩位二進位代碼A1、A2，第二圈碼道輸出兩位二進位代碼A3、A4，第三圈碼道輸出四位二進位代碼A5、A6、A7、A8，共三圈碼道輸出了八位二進位代碼，用上述方法製造的編碼盤打破了US-4687928、US-4654522、US-4354989、EP-0187875專利方法中，一圈碼道只能輸出一位二進位代碼，碼道圈數一般是等於或稍多於對應輸出的二進位代碼的位數的設計方法。本發明人85年發表的矩陣組合編碼方法解決了編碼盤一圈碼道可以輸出若干位代碼問題，但是由於編碼盤的碼道寬度及每圈碼道間的隔離圈的寬度比較寬，現有技術中碼道及隔離圈的寬度一般都選用1mm，使得絕對式軸角編碼器的外形尺寸不能製造的更小，重量更輕。
為了克服上述缺點，本發明的目的在於改進編碼盤中碼道所佔用的該劃寬度及碼道間隔離圈的寬度設計，解決由於碼道、隔離圈寬度變窄，使得常規通用接收器件無法排列及窄碼道、窄隔離圈引起竄光，造成編碼器輸出代碼混亂的庇端。用本發明的方法製造的絕對式軸角編碼器比85年公開發表的編碼器的外形尺寸又進一步縮小，重量減輕，能適應位數要求高，重量要求輕、體積要求小的各種儀器的使用要求。
絕對式軸角編碼器的設計方法，包括矩陣組合編碼方法，由狹縫盤10、接收器件11、光源9組成的讀數頭讀取編碼盤各圈碼道代碼變化的光電信號，實現角度位置的測量。本發明的特點是採用讀數頭的狹縫盤10中狹縫與編碼盤中碼道同步陣列調相，使碼道和隔離圈的寬度變窄的同時，編碼器進位不受竄光的影響。
用絕對式軸角編碼器設計方法製造的絕對式軸角編碼器，是由主軸8、光源9、狹縫盤10、接收器件11、編碼盤12組成，本發明的特點是編碼盤12是把矩陣組合編碼盤的N圈粗碼道相對於基準Nj圈粗碼道的相位角度φo超前和/或滯後一定的相位角度φc和/或φz。
本發明的絕對式軸角編碼器設計方法及編碼器與現有技術相比較，由於採用了窄碼道，使得編碼盤的直徑尺寸大大減小，則使編碼器的外形尺寸大大減小、重量減輕，使絕對式軸角編碼器更進一步微型化，見附表1。本發明的絕對式軸角編碼器能滿足宇宙航行，機器人非視覺系統、小型雷射定位儀等微型儀器的迫切需要，對自動化領域的技術發展將會產生積極的推動作用。
附表及


附表1，本發明與國外絕對式軸角編碼器情況對比附表1中的資料來源如下A 美國1989 Laser Focus World Buyer's Guide.
B 日本江川

;エンコ-タの最新動向，センサ技術，1989，7，80C 中國科學院長春光機所，現有技術中1985年的絕對式軸角編碼器產品;
D 中國科學院長春光機所，本發明絕對式軸角編碼器。
圖1，現有技術的矩陣組合編碼盤結構示意圖。
圖2，用本發明的設計方法製造的編碼盤的結構示意圖。
圖3，本發明絕對式軸角編碼器結構示意圖。
圖4，是圖3中狹縫盤中狹縫面陣排列示意圖。
本發明的一個實施例說明如下如圖2所示，編碼盤12的材料本實施例選用K9光學玻璃，並把其刻劃面鍍一層鉻膜，然後進行若干圈同心環形碼道[1，2，3，4]的刻劃。編碼盤12的園周分成若干個扇形區間，每個區間刻有不同位數的碼道，碼道[1、2、3、4]由若干條通光帶5和不通光帶6相間的區域組成，碼道[1、2、3、4]相互之間的通光帶5和不通光帶6可按各種進位關係排列，本實施例按矩陣組合編碼關係排列，在編碼盤12徑向位置上通光帶5產生高電平「1」狀態，不通光帶6產生低電平「0」狀態，這些狀態的組合就是代碼，記錄著碼盤的位置，由若干個讀數頭讀取這些代碼變化產生的光電信號，實現角度位置的測量。
圖2中編碼盤的相鄰圈碼道之間錯開一定的相位角度，使得相鄰圈碼道至少相切放置接收器件11，其錯開一定相位角度可相對所設定的基準Nj圈粗碼道超前或滯後。編碼盤12中粗碼道可周期性重複排列，錯開相位角度相同兩圈粗碼道的距離至少相切放置兩個接收器件11。
如圖2和3所示，編碼盤12是改變矩陣組合編碼盤中碼道隔離圈的寬度，由常規的1mm變成1mm以下，並把已有技術中矩陣組合編碼盤的粗碼道分成基準圈NJ、滯後圈NZ、超前圈NC。基準圈Nj碼道相位角度固定不變，其相位角度為φo。超前圈Nc碼道，整圈相對於基準圈Nj碼道超前一定的相位角度φc。滯後圈Nz碼道，整圈相對於基準圈Nj碼道滯後一定的相位角度φz。與編碼盤12各圈碼道相對應的狹縫盤10中狹縫、光源9、接收器件11也按相同規律或固定不變，或超前、滯後一定的相位角度φc、φz，使狹縫盤10中狹縫、光源9、接收器件11由傳統的線陣排列方式變成面陣排列方式，以上敘述稱為編碼盤12，狹縫盤10、光源9、接收器件11的同步陣列調相。
如圖2所示是本發明的編碼盤12，碼道[1、2、3、4]及隔離圈7的寬度取值為1mm以下，選取佳值為0.3mm。本例編碼盤12中碼道1是基準圈Nj，Nj＝3K+1＝1(K＝0)，設其相位角度為φo＝0。碼道2是超前圈Nc，Nc＝Nj+1＝2，其超前φo。相位角度為φc。碼道3是滯後圈Nz，Nz＝Nj+2＝3，其滯後φo的相位角度為φz。碼道4是全周刻劃的精碼道，由其對粗碼道進行校正，提高編碼器精度。碼道4採用多狹縫、對邊讀數，由狹縫破相輸出四路相位相差90°的光電信號。精碼道刻劃位數等於或高於粗碼道最高刻劃位數，圖2所示碼道4的刻劃位數高於粗碼道最高刻劃位數。
圖2所示的粗碼道只刻了三圈，實際上粗碼道高於三圈，並且基準圈Nj、超前圈Nc、滯後圈Nz各圈在編碼盤徑向排列的次序隨不同的要求而變化。
當基準Nj圈粗碼道相位角度φo≠0時，我們通過坐標變換使其變成φo′＝0來處理。φc與φz的取值範圍為0°～90°，選取佳值為22.5°，其中φc與φz值相同或不同。
如圖2或3所示，狹縫盤10中狹縫、光源9、接收器件11與編碼12中相對應的碼道同步移動相位角度，其超前或滯後的相位角度與相對應的碼道相同，範圍為0°～90°，最佳選取值為22.5°。接收器件選用光電三極體，光源選用LED紅外二極體，二者採用一對一關係。
如圖3所示的絕對式軸角編碼器，編碼盤12固定在主軸8上並與主軸8一起旋轉，狹縫盤10相對編碼盤12固定不動，當編碼盤12與主軸8相對狹縫盤10旋轉時，經光源8發出的光被編碼盤12中碼道及狹縫盤10中狹縫切割成有規律的斷續光線，而經接收元件11接收，產生由本發明的設計方法編排的光電信號，該光電信號經電路處理後，輸出並行自然二進位代碼信號。

權利要求
1.絕對式軸角編碼器的設計方法是採用矩陣組合編碼方法，由狹縫盤10、接收器件11、光源9組成的讀數頭讀取編碼盤各圈碼道代碼變化的信號，實現角度位置的測量，本發明的特徵在於採用讀數頭的狹縫盤10中狹縫與編碼盤中碼道同步陣列調相，使碼道和隔離圈的寬度變窄的同時，編碼器進位不受竄光的影響。
2.根據權利要求1所述的絕對式軸角編碼器的設計方法，其特徵在於編碼盤中相鄰圈碼道之間錯開一定的相位角度，使得要鄰圈碼道至少相切放置接收器件11，其錯開一定相位角度可相對所設定的基準圈粗碼道超前或滯後。
3.根據權利要求2所述的絕對式軸角編碼器的設計方法，其特徵在於編碼盤中粗碼道可周期性重複排列，錯開相位角度相同兩圈粗碼道的距離至少相切放置兩個接收器件11。
4.一種用絕對式軸角編碼器設計方法製造的絕對式軸角編碼器，是由主軸8、光源9、狹縫盤10、接收器件11、編碼盤12組成，其特徵在於編碼盤12是把矩陣組合編碼盤的N圈粗碼道相對於基準Nj圈粗碼道的相位角度φo超前和/或滯後一定的相位角度φc和/或φz。
5.根據權利要求4所述的絕對式軸角編碼器，其特徵在於a.編碼盤12中，Nj圈粗碼道為基準圈，Nj＝3K+1(K＝0，1，2，3……)，其相位角度φo選取值為零或不等於零;b.Nc圈粗碼道相對於NJ圈粗碼道的相位角度φo超前和/或滯後一定的相位角度選取值為φc，Nc＝NJ+1;c.NZ圈粗碼道相對於NJ圈粗碼道的相位角度φo超前和/或滯後一定的相位角度選取值為φZ，NZ＝NJ+2。
6.根據權利要求5所述的絕對式軸角編碼器，其特徵在於編碼盤12中，Nc和Nz各圈粗碼道相對於NJ圈碼道的相位角度φo超前和/或滯後的相位角度φc和φz的選取值範圍為0°～90°，φc和φz相同或不同。
7.根據權利要求4或5所述的絕對式軸角編碼器，其特徵在於編碼盤12中碼道和隔離圈寬度選取值範圍在1mm以下。
8.根據權利要求6所述的絕對式軸角編碼器，其特徵在於光源9、接收器件11、狹縫盤10中狹縫與所對應的編碼盤12中粗碼道Nj、Nc、Nz同步陣列調相，其安裝相位角度分別與編碼盤12中各位粗碼道的相位角度相同。
9.根據權利要求8所述的絕對式軸角編碼器，其特徵在於狹縫盤10中狹縫、光源9、接收器件11由傳統的線陣列排列方式變成面陣排列方式。
全文摘要
本發明提供一種絕對式軸角編碼器設計方法及編碼器是用於自動化領域測量旋轉角度、直線位移、轉速等物理量的傳感器件。本發明解決了絕對式軸角編碼器位數高與體積小、重量輕的技術難題，為絕對式軸角編碼器微型化開闢了一條新途徑。本發明採用的設計方法，即矩陣組合編碼方法與窄碼道、編碼盤和狹縫同步陣列調相結合，使絕對式軸角編碼器的外形尺寸大大減小，重量大大減輕。
文檔編號G01D5/34GK1059402SQ90107279
公開日1992年3月11日 申請日期1990年8月25日 優先權日1990年8月25日
發明者曹振夫, 馮長有, 蔡秋雲, 王長江 申請人:中國科學院長春光學精密機械研究所