專利名稱：光編碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于電動機或其它轉(zhuǎn)動裝置的光編碼器。
背景技術(shù)：
已經(jīng)廣泛地使用光編碼器作為用于對不同類型的轉(zhuǎn)動裝置中的轉(zhuǎn) 軸的位置進(jìn)行控制的系統(tǒng)中的位置反饋裝置。因此，例如光編碼器被廣 泛用于機器人、自動機器以及類似的裝置中。
這樣的光編碼器的例子可以在Becchi等人(1981)的專利 US4，268,747以及Breslow ( 1983 )的專利4,410,798中找到。
光編碼器通常包括固定在電動機軸上的轉(zhuǎn)動光盤，該光盤具有交替 的光學(xué)特性(optical property)的部分(section)(例如透明部分和不透 明部分)的圖案。所述盤放置在光束的路徑中，在光發(fā)射器和光傳感器 之間。則光傳感器生成幅度隨著軸的位置而周期性地變化的電信號。使 用電子電路來對該電信號的數(shù)字周期(number period )進(jìn)行計數(shù)，從而 提供有關(guān)軸位置(相對于初始位置而言)的信息。
為了感測轉(zhuǎn)動方向，在大多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)的光編碼器中，使用兩個光 束，并且定位第二光束的路徑以便產(chǎn)生類似于笫一電信號但偏移(shift) 第一信號的四分之一周期的第二電信號。這樣的兩個信號還會被稱為處 于正交(quadrature )。
對該方法的改進(jìn)包括使用覆蓋位于轉(zhuǎn)動盤上具有交替的光學(xué)特性 的幾段圓形圖案部分的光束，以及增加具有類似于轉(zhuǎn)動光盤的圖案的圖 案的固定掩模(mask)，其包含具有交替的光學(xué)特性的幾個連續(xù)的段 (segment),并至少覆蓋在轉(zhuǎn)動光盤和光傳感器之間的光傳感器的表面。 在該布置中，當(dāng)掩模圖案和盤圖案相吻合時，最大量的光被透射，而在 掩模圖案和盤圖案處于相反的狀態(tài)時，光透射最小。因此，透射到傳感 器的光成為角位置的周期性函數(shù)。由于圖案段的確切形狀的容差 (tolerance)被平均在多個段上這一事實，該方法提供改善的信號形狀。
還已知的是通過將正交信號的模擬幅度(analog amplitude )饋送到 處理單元來提高編碼器分辨率。然后可以對處理單元進(jìn)行編程以計算單一段圖案內(nèi)的軸的角度，從而提供高得多的分辨率。例如，具有512個
縫(slot)的盤會提供圓周的1/65536的角分辨率。
存在在降低成本的同時改進(jìn)位置反饋裝置的精度和分辨率的持續(xù) 趨勢。
限制精度的一個因素為轉(zhuǎn)動光盤的輕微的偏心(eccentric)移動， 該偏心移動是由于一定的機械容差。由于兩個光束中的每一個均在光盤 的限定位置處與光盤相交，因此在軸的一側(cè)上，軸的任何橫向移動都會 影響到達(dá)光檢測器的光量，從而產(chǎn)生位置信息的誤差。這樣的橫向移動 可能是由用于支持軸的軋輥軸承(roll bearing)的容差或者光盤組件的 容差而導(dǎo)致的。為了避免這種類型的誤差，許多編碼器包括整體軸和高 精度軸承，并以耦合(coupling)的方式耦合到電動機軸，從而大大增 加了成本。
另一因素為轉(zhuǎn)動盤上的圖案的精度。圖案的不規(guī)則性相對于軸的角 位置產(chǎn)生的不等周期(period)。如上所述，當(dāng)在軸的一側(cè)上兩個光束 分別在光盤上各自的限定位置處與盤相交時，盤圖案的不規(guī)則性會影響 到達(dá)光檢測器的光量，從而同樣將誤差引入到位置信息中。
在PCT/IL 2004/000042的光編碼器中，通過使用將光以兩個錐形束 的形式投射到轉(zhuǎn)動盤上的兩個或更多的光導(dǎo)來獲得改善的精度，這兩個 錐形束產(chǎn)生光的兩個同心圓(concentric circle )，這兩個同心圓的幾何 中心與轉(zhuǎn)動對稱中心一致(coincide)。在光盤上，提供一對同心環(huán)形 圖案部分，每個環(huán)形圖案均包括具有交替的光學(xué)特性的很多個段，環(huán)形 圖案的幾何中心與轉(zhuǎn)動對稱中心一致，并且選擇光的所述同心圓的的直 徑以使得光的同心圓中的每一個都入射到同心環(huán)形圖案中的一個上并 覆蓋所述環(huán)形圖案。該發(fā)明的光編碼器的該徑向?qū)ΨQ性提供了對軸的微 小橫向移動的補償，并且由于從等分布在對稱中心周圍的很多個段收集 光信號，段的形狀的不規(guī)則性的影響被平均，并且因而被降低。在PCT/IL 2004/000042的光編碼器中，從光源朝向光盤而發(fā)出的光以及從光盤返 回到傳感器的光都通過光纖來傳導(dǎo)，所述光纖在入射表面處進(jìn)入光導(dǎo)。 由于光編碼器遠(yuǎn)離承載傳感器的電子板并遠(yuǎn)離光源，因此除標(biāo)準(zhǔn)電纜外 該系統(tǒng)還需要一個或多個光纜。
由于現(xiàn)有技術(shù)的光編碼器中的光盤、光源和電子板之間的分離和距 離，產(chǎn)生有關(guān)轉(zhuǎn)動裝置的部件之間的這些分離部分的安裝的設(shè)計和布線問題，同時增加了生產(chǎn)和安裝成本。
現(xiàn)有技術(shù)的光編碼器都沒有提出下述整體電子板該整體電子板位
于光編碼器組件內(nèi)，并且直接在PCB上承載光源、光傳感器和信號處理
部件，以使得光源和傳感器兩者都靠近轉(zhuǎn)動裝置的對稱軸線，從而還提 高了精度并降低了制造和安裝成本。
因此，有必要提供一種用于轉(zhuǎn)動軸的光編碼器，該光編碼器通過新 的整體并對稱的設(shè)計來提高精度并降低布線、生產(chǎn)和安裝的成本，其中
光傳感器和光源部件安裝在單個PCB的每一面上，并且該PCB位于一 對光導(dǎo)之間，所述一對光導(dǎo)接收從PCB的相對側(cè)所發(fā)出的光，并將所述 光引導(dǎo)到適于指示轉(zhuǎn)動角度的光學(xué)組件上，并最終將返回光引導(dǎo)向PCB 上的光傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
一種用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的光編碼器系統(tǒng)，包括 位于一對光導(dǎo)(45; 46)之間的電子板(42),其具有光發(fā)射部件 和光傳感器部件，所述光導(dǎo)中的每一個均具有環(huán)形光通過表面區(qū)域 (annular light transit surface area) ( 49a; 49b )和至少——個附力口的光通 過表面區(qū)域，其中所述第一光導(dǎo)(45)與所述第二光導(dǎo)(46)疊置，以 使得所述環(huán)形光通過表面區(qū)域(49a; 49b )具有公共的對稱軸線(411 ), 該對稱軸線還與所述軸的轉(zhuǎn)動軸線一致，所述光導(dǎo)(45; 46)中的每一
少一個將光傳輸?shù)诫娮影?42')的一^^面上的光傳感器部件的光i過表 面區(qū)域；反射表面(401a),用于將從光導(dǎo)通過所述環(huán)形光通過表面而 出射的光線在相反的方向上反射；兩個同心環(huán)形部分的第一光學(xué)圖案， 包括交替的具有不同光學(xué)特性的段，其提供在附著到轉(zhuǎn)動軸(3)的轉(zhuǎn) 動盤(401)上，以及兩個同心環(huán)形部分的第二光學(xué)圖案，也包括交替 的具有不同光學(xué)特性的段，其提供在靜態(tài)裝置上，以及一種用于測量轉(zhuǎn) 動軸的轉(zhuǎn)動角度的方法，該方法是通過將光從電子板發(fā)射到光導(dǎo)中并處 理在電子板上所接收到的信號來進(jìn)行測量，所述信號來自在與所述光學(xué)


為了理解本發(fā)明并明白在實踐中可以如何來實現(xiàn)本發(fā)明，現(xiàn)在將參 考相應(yīng)附圖對僅作為4^限制性的示例的多個實施例進(jìn)行說明，其中
圖1是傳統(tǒng)編碼器的簡圖2示出編碼器的圖案化(patterned)的轉(zhuǎn)動盤的例子； 圖3示出固定的圖案化掩模的例子；
圖4以中切面(median section )示出根據(jù)本發(fā)明的編碼器的優(yōu)選實 施例；
圖5示出具有環(huán)形表面的光導(dǎo)(light guide)的例子，該環(huán)形表面具 有不同幾何形狀的段；
圖6是光源部件和光傳感器部件在電子板的"光學(xué)區(qū)域"上的布置 的例子；
圖7和圖8是具有相位差(phase difference )的圖案的例子；
圖9是在轉(zhuǎn)動盤由透明材料制成并且用靜態(tài)反射表面代替轉(zhuǎn)動盤的
反射表面的情況下的實施例；
圖10示出具有回向反射V狀凸起(retro-reflective V shaped
protuberance )的轉(zhuǎn)動盤的實施例的截面；
圖ll是下光導(dǎo)(lower light guide )的實施例的截面；
圖12是上(叩per)光導(dǎo)的實施例的截面；以及
圖13是具有被分成三個區(qū)域的反射表面的聚焦部件的例子。
具體實施例方式
與本發(fā)明的所有章節(jié) 一起提供下列說明以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠 利用本發(fā)明，并且提出了發(fā)明人所預(yù)期的用于實現(xiàn)本發(fā)明的最佳方式。 然而，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說各種修改仍將是顯而易見的，這是因為， 已經(jīng)明確闡述了本發(fā)明的基本原理，以提供克服現(xiàn)有技術(shù)的編碼器的缺 點(諸如由于與光源和/或光傳感器相距的距離而引起的低精度、作為光 學(xué)圖案的不規(guī)則性的結(jié)果而被引入的誤差、由于電動機軸的機械震動而 產(chǎn)生的誤差以及其它)的用于測量轉(zhuǎn)動軸(例如電動機軸)的轉(zhuǎn)動角度 的新穎的光編碼器系統(tǒng)和方法。
本發(fā)明的光編碼器系統(tǒng)和方法具有低成本以及可普遍適應(yīng)的優(yōu)點， 從而可與許多標(biāo)準(zhǔn)電動機驅(qū)動器或控制器一起使用。
為了更好地證明本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的優(yōu)點，在此將在下面參考圖1對傳統(tǒng)的編碼器系統(tǒng)進(jìn)行說明。
如圖1所示，傳統(tǒng)的編碼器系統(tǒng)包括光源(l)，光檢測器(2)， 轉(zhuǎn)動盤(4)所固定到的電動機軸(3)以及固定掩模(5)。如本領(lǐng)域 所已知的，轉(zhuǎn)動盤(4)具有交替的透明和不透明段的環(huán)形圖案，固定 掩模(5)具有交替的透明和不透明段的一小部分匹配圖案，并且從光 源所發(fā)出的光穿過轉(zhuǎn)動盤(4)和固定掩模(5),使得在從光源發(fā)出光 時，在光檢測器(2)上所檢測到的光量是轉(zhuǎn)動盤和掩模的相對位置的 函數(shù)。然后，光檢測器(2)的輸出被輸入到電接口 (未示出)，該電 接口對光強度進(jìn)行處理以計算轉(zhuǎn)動盤的轉(zhuǎn)動角度。在傳統(tǒng)的編碼器中， 固定掩模覆蓋與從光源(1)所發(fā)出的光束的尺寸相適合(fit)的有限 數(shù)量個縫(slot)。這樣的光編碼器具有有限的性能，并且在工業(yè)編碼 器中，已知為了檢測轉(zhuǎn)動方向以及補償由于軸震動或偏心而造成的誤差 而使用多個掩模和光傳感器。
用于轉(zhuǎn)動盤的圖案的例子如圖2所示，用于掩模的匹配圖案的例子 如圖3所示。所述圖案包括交替的具有諸如不同的透明度的不同光學(xué)特 性的段。在圖2和3所示的特定例子中，段或者是完全透明的(21), 或者是完全不透明的(22)。然而應(yīng)當(dāng)理解的是，圖案可以是多種不同 的類型。例如，每個部分可以具有不同的表面形狀以使得光線在不同的 方向上折射，可以按照各種設(shè)計來形成縫，等等。在本專利中，不論是 否將圖案的段稱為縫，都應(yīng)當(dāng)理解的是，具有具有不同的光學(xué)特性的段 的其它類型的圖案也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
在這些編碼器中，由于穿過圖案的光束的寬度覆蓋有限數(shù)量個縫， 因此縫的形狀的'J、的不規(guī)則性導(dǎo)致位置信息的不精確。
現(xiàn)有技術(shù)的編碼器性能的另一限制是由于電動機工作時由于軸的 軸承的 一 定撓性(flexibility)而導(dǎo)致的電動機軸的機械震動。由于光源和 傳感器位于軸的一側(cè)，因此軸和盤的任何橫向移動都導(dǎo)致穿過圖案的光 量的變化，從而改變位置信息。為了降低該不精確性，許多編碼器制造 商在編碼器中使用具有附加的高質(zhì)量滾珠軸承的單獨軸以及將編碼器 軸連接到電動機軸的耦合元件，從而增加了編碼器的成本。
限制的另 一原因是由于光線的自然散射，從而使得只有小部分所發(fā) 出的光到達(dá)被圖案化的盤，并且只有更小部分的所發(fā)出的光返回到光傳 感器，以提供對轉(zhuǎn)動位置或轉(zhuǎn)動角度的指示。在PCT/IL2004/000042中，提出一種具有一對光導(dǎo)的編碼器，以提 高所接收到的位置信息的精度，所述一對光導(dǎo)發(fā)出 一對同心圓形光束， 并從光盤的整個圓周收集返回的光。還通過使用光纖將光線從遠(yuǎn)程的光 發(fā)射部件通過光導(dǎo)的光入射表面(light entrance surface)而傳導(dǎo)到光導(dǎo)
并將返回的光線從光導(dǎo)傳導(dǎo)回遠(yuǎn)程的傳感器部件，來進(jìn)一步改進(jìn)位置信 自
本發(fā)明提出 一 種光編碼器系統(tǒng)和方法，該光編碼器系統(tǒng)和方法通過 提供位于 一對光導(dǎo)之間的電子板來改進(jìn)位置信息的精度。在電子板的兩 個側(cè)面上的光學(xué)區(qū)域上都提供有光發(fā)射器部件和光傳感器部件，并且每 個光導(dǎo)分別具有至少 一 個朝向電子板的各自側(cè)的光入射區(qū)域，以使得來 自光發(fā)射器部件的較大部分的光線進(jìn)入光導(dǎo)。本發(fā)明的光編碼器通過從 每個光導(dǎo)的環(huán)形光通過表面發(fā)射光，并收集在所述返回光與提供在轉(zhuǎn)動 裝置(轉(zhuǎn)動裝置固定在轉(zhuǎn)軸上)上的環(huán)形光學(xué)圖案以及提供在靜態(tài)裝置 上的另外的環(huán)形光學(xué)圖案相互作用之后被反射表面向后反射到光導(dǎo)的 光，以使得所返回的光量會指示靜態(tài)裝置和轉(zhuǎn)動盤的相對位置，從而指 示轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動角度，以此提高精度。還通過光導(dǎo)內(nèi)的一個或多個反射面
來進(jìn)一步提高精度，所述一個或多個反射面使得較大部分的返回光能夠 到達(dá)光傳感器部件，從而進(jìn)一步提高信息的精度。
本發(fā)明的編碼器系統(tǒng)的另 一 優(yōu)點在于，對光傳感器的原始信號進(jìn)行 處理的電子板位于光導(dǎo)之間，從而允許編碼器的對稱性配置，即，光源 和/或光傳感器都可以被放置在電動機軸的對稱軸線上，或者被放置得非 ?？拷鼘ΨQ軸線。
本發(fā)明的編碼器系統(tǒng)的又 一 優(yōu)點在于，可以將光源和光傳感器直接
安裝在PCB上，從而導(dǎo)致制造成本降低。
因此，根據(jù)本發(fā)明的一方面，提出一種用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度 的光編碼器系統(tǒng)，該光編碼器系統(tǒng)包括
電子板，其具有第一面,和第二面，并且在所述第一面和所述第二面 中的每一個上均安裝有至少一個光發(fā)射部件和至少一個光傳感器部件；
所述電子板位于第一光導(dǎo)和第二光導(dǎo)這一對光導(dǎo)之間，所述光導(dǎo)中的每 一個均具有環(huán)形光通過表面區(qū)域和至少一個附加的光通過表面區(qū)域，所
述第一光導(dǎo)與所述第二光導(dǎo)疊置，以使得所述第一光導(dǎo)的環(huán)形光通過表 面和所述第二光導(dǎo)的環(huán)形光通過表面具有共同的對稱軸線，該對稱軸線還與所述軸的轉(zhuǎn)動軸線一致；所述第一光導(dǎo)的所述附加的光通過表面區(qū) 域中的至少一個位于所述電子板的所述第一面上的一個光發(fā)射器部件 附近，所述第一光導(dǎo)的所述附加的光通過表面區(qū)域中的至少一個位于所 述電子板的所述第一面上的光傳感器部件附近；所述第二光導(dǎo)的所述附 加的光通過表面區(qū)域中的至少一個位于所述電子板的所述第二面上的 一個光發(fā)射器部件附近，所述第二光導(dǎo)的所述附加的光通過表面區(qū)域中 的至少一個位于所述電子板的所述第二面上的光傳感器部件附近；提供 在轉(zhuǎn)動裝置上的兩個同心環(huán)形部分的第一光學(xué)圖案包括具有不同的光 學(xué)特性的段，所述轉(zhuǎn)動裝置附著到所述轉(zhuǎn)動軸上；提供在靜態(tài)裝置上的 兩個同心環(huán)形部分的第二光學(xué)圖案也包括具有不同的光學(xué)特性的段，以
使得所述圖案的對稱軸線與軸的轉(zhuǎn)動軸線一致，以及反射表面，所述反 向上返回。
根據(jù)本發(fā)明的另 一方面，提出 一種用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的方 法，該方法包括以下步驟
a. 提供位于一對疊置的光導(dǎo)之間的電子板，該電子板具有附著 到第 一側(cè)和第二面?zhèn)鹊墓獍l(fā)射部件和光傳感器部件；
b. 從所述電子板的所述第一側(cè)和所述第二側(cè)中的每一個上的
到所述一對光導(dǎo)中的每一個中；'^ '" '
c. 分別通過所述光導(dǎo)中的每一個的環(huán)形光通過表面將光向外 傳播；放置所述環(huán)形光通過表面以使得它們的對稱軸線一 致，
d. 提供附著在具有主轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動軸上的至少一個轉(zhuǎn)動的 光盤，該光盤具有兩個同心環(huán)形部分的光學(xué)圖案；
e. 提供具有光學(xué)圖案的至少一個靜態(tài)裝置；
f. 提供用于將光通過所述環(huán)形光通過表面而反射回所述光導(dǎo) 中的反射表面，以使得所述光在重新進(jìn)入所述光導(dǎo)之前被與 提供在所述靜態(tài)裝置和所述轉(zhuǎn)動的光學(xué)裝置上的圖案的相 互作用而影響；
g. 將通過所述光導(dǎo)入射表面的光束的一部分引導(dǎo)回位于光通 過表面附近的至少一個光傳感器部件；h. 測量到達(dá)所述光傳感器的光強度；所述光強度是所述靜態(tài)裝
置和所述轉(zhuǎn)動的光盤的相對角位置(relative angular position)的函數(shù)；以及
i. 將所述軸的轉(zhuǎn)動角度作為在光傳感器處所測量到的光強度 的函數(shù)來計算。
根據(jù)優(yōu)選實施例，在每個光導(dǎo)內(nèi)提供一個或多個反射元件，用于將 通過光通過表面的光束的一部分引導(dǎo)回位于光通過表面附近的至少一 個光傳感器部件；
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明的編碼器具有標(biāo)準(zhǔn)接口 ，從而使得 它可以與大量的傳統(tǒng)驅(qū)動(drive) —起使用。
圖4示出根據(jù)本發(fā)明用于檢測和測量電動機軸(3)的轉(zhuǎn)動移動的 光編碼器組件的優(yōu)選實施例。應(yīng)當(dāng)理解的是，圖4的組件是作為示例被 示出的，在本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的范圍內(nèi)可以實現(xiàn)許多其它的設(shè)計。
為了說明的清楚起見，在發(fā)電機軸的轉(zhuǎn)動軸線的方向上對編碼器部 件的相對位置進(jìn)行描述，在該方向上將發(fā)電機軸定義為較低的部件。但 是應(yīng)當(dāng)理解的是，也可以沿著水平軸或任何其它方向來布置這些部件， 只要它們與電動才幾軸的軸線對準(zhǔn)即可。
現(xiàn)在參考圖4,以縱向中切面的方式示出用于測量轉(zhuǎn)動軸(3)的轉(zhuǎn) 動角度的光編碼器系統(tǒng)，所述光編碼器系統(tǒng)包括電子板(42)，在所述 電子板(42 )的第 一側(cè)(42a)和第二側(cè)(42b )上分別具有光學(xué)區(qū)域(43 ， 44),并且在每個光學(xué)區(qū)域(43， 44)上均安裝有光發(fā)射部件(404) 和多個光傳感器部件(405 )。電子板位于一對光導(dǎo)(OG) (45, 46) 之間。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，光導(dǎo)(45, 46 )是由透明的材料 制成的，并且被設(shè)計為如在光導(dǎo)和/或光纖的公知技術(shù)中所應(yīng)用的那樣根 據(jù)全反射定律來引導(dǎo)光線。還應(yīng)當(dāng)理解的是，每個所述光學(xué)區(qū)域(43, 44)上的光發(fā)射部件的數(shù)量可以多于一個。
在圖4中，光導(dǎo)(45, 46)和所述電子板(42)被固定在轉(zhuǎn)動軸(3 ) 的上面。然而應(yīng)當(dāng)理解的是，可以將光導(dǎo)和電子板固定在轉(zhuǎn)動軸的前面， 以及轉(zhuǎn)動軸的軸線可以定向在水平方向或任何其它方向上，以適于具體 的實施例。再次參考圖4,光導(dǎo)(45, 46 )和所述光學(xué)區(qū)域(43， 44) 具有與轉(zhuǎn)動軸(3)的軸線一致的對稱軸線(411)。光導(dǎo)(45， 46)是 透明的且是鐘狀的，并且被放置得直徑大于光導(dǎo)45的光導(dǎo)46與光導(dǎo)45相疊置。各光導(dǎo)分別具有光通過表面(47)和(48),其中，放置光導(dǎo) 45的光通過表面47,以使得它面對光導(dǎo)46的光通過表面48,并且將光 通過表面(47, 48 )分別與電子板的所述第一側(cè)(42a)和所述第二側(cè)
(42b)并置(juxtapose),以使得所述光通過表面中的每一個都放置得 非?？拷龉獍l(fā)射部件(404 )以及非?？拷龉鈧鞲衅鞑考?405 ) 中的至少一個。每個光導(dǎo)(45, 46)還具有環(huán)形光出射表面(49a, 49b ), 并且這兩個環(huán)形光出射表面(49a )和(49b )相互同心。靜態(tài)(stationary ) 裝置(403 )位于所述光導(dǎo)(45, 46 )之下，并且在所述靜態(tài)裝置(403 ) 上與環(huán)形光出射表面(49a; 49b )相對提供有一對同心環(huán)形圖案部分
(403a; 403b)(在下文中為靜態(tài)圖案)。在所述靜態(tài)裝置之下，諸 如轉(zhuǎn)動光盤的第一轉(zhuǎn)動裝置(402 )被附著到轉(zhuǎn)動軸(3)上，并且在所 述轉(zhuǎn)動裝置上提供有一對同心環(huán)形圖案部分(402a; 402b)(在下文中 為轉(zhuǎn)動圖案)，它們與所述靜態(tài)圖案并置。第二轉(zhuǎn)動裝置(401)具 有上表面，該上表面具有面對轉(zhuǎn)動圖案部分(402a; 402b)的反射區(qū)域
(401a)。
再次參考圖4的光編碼器組件，從安裝在電子板42的光學(xué)區(qū)域44 上的光源所發(fā)出的光通過入射表面47進(jìn)入光導(dǎo)45,并被引導(dǎo)通過光導(dǎo) 45,直到到達(dá)光導(dǎo)45的環(huán)形通過表面49a,并且該光以環(huán)形光束的形狀 發(fā)射通過光導(dǎo)45的環(huán)形出射表面49a。取決于靜態(tài)裝置403和轉(zhuǎn)動裝置 402的相對角位置，可變量的光線到達(dá)反射表面401a，從而被所述反射 表面401a向后(backward)反射。所反射的光以相反的方向再次經(jīng)過轉(zhuǎn) 動圖案402a和靜態(tài)圖案403a。然后該光朝向光導(dǎo)傳播，并通過環(huán)形通 過表面49a再次進(jìn)入光導(dǎo)45,再次進(jìn)入的光的量取決于轉(zhuǎn)動圖案402a 和靜態(tài)圖案403a的相對角位置。然后將光向上引導(dǎo)到通過表面47,以 使得光線的一部分到達(dá)電子板42的光學(xué)區(qū)域43上的光傳感器( 一個或 多個)。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，使光傳播到光導(dǎo)45和46兩者中，以使 得同時獲得兩個電信號。然后光傳感器輸出作為軸3的轉(zhuǎn)動角度的函數(shù) 而變化的電信號?？梢允褂靡阎捎糜诰幋a器的傳統(tǒng)的電子和軟件處理 部件來計算轉(zhuǎn)動移動。
應(yīng)當(dāng)理解的是，可以應(yīng)用許多其它的光學(xué)解決方案來使光在一個方 向上經(jīng)過光學(xué)圖案，并在光導(dǎo)的方向上反射它們，以使得它們將以相反的方向經(jīng)過光學(xué)圖案。
還應(yīng)當(dāng)理解的是，可以根據(jù)許多不同的設(shè)計來制造電子板，并且電 子板可以為不同的取向，并還可以被實現(xiàn)為撓性電子板。
根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)，可以通過在環(huán)形光通過表面(49a; 49b)上提 供光學(xué)圖案來實現(xiàn)靜態(tài)圖案(403a; 403b),在這種情況下，可以免除 靜態(tài)裝置402。
當(dāng)光導(dǎo)的環(huán)形通過表面49a、 49b被圖案化時，所述圖案是由具有 不同的光學(xué)特性的段組成的，這些段可以是交替的不透明段和透明段， 或者是具有不同的幾何形狀的段，以使得出射出光導(dǎo)的光線依賴于段的 光學(xué)特性而具有不同的方向，通過所述段光線被發(fā)散，或者同樣依賴于
于它們通過其而被發(fā)散的段的光學(xué)特性它們在強度上變得不同，以使得 出射出環(huán)形出射表面49、 400的環(huán)形光束為環(huán)形的圖案化光束。
圖5示出光導(dǎo)50的實施例的例子，光導(dǎo)50具有通過表面51和操 作為光編碼器的靜態(tài)圖案的環(huán)形通過表面52,其中在所述環(huán)形通過表面 上，提供了齒狀(teeth)設(shè)計以生成光學(xué)圖案。如在圖5中所見，光導(dǎo)
(50)的環(huán)形出射表面52被分成交替的兩種類型的段。第一種類型的 段(52a)具有垂直于軸的軸線(511 )的出射表面，而第二種類型的段
(52b)具有與軸的軸線511形成45°角的出射表面。本領(lǐng)域技術(shù)人員 應(yīng)當(dāng)理解的是，通過段52a而出射的光線將近似平行于對稱軸線511， 而通過段52b而出射的光線將以垂直于對稱軸線511的方式被折射。
圖6示出安裝在電子板64的光學(xué)區(qū)域63上的光源(65)和光傳感 器(66a, 66b, 66c, 66d)的例子。應(yīng)當(dāng)理解的是，可以作出許多其它 模式和設(shè)計的光學(xué)區(qū)域63 ，而仍然在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
在圖6的實施例中，光源(65)位于光學(xué)區(qū)域63和電子板64的中 心(也是軸的轉(zhuǎn)動軸線)處，而光傳感器部件66a， 66b, 66c， 66d布 置在光源65的周圍。該布置具有徑向?qū)ΨQ的優(yōu)點，從而使得光盤和環(huán) 形出射表面上的圓形光學(xué)圖案的所有部分對總的電信號具有相同的理 論上的貢獻(xiàn)，從而作為來自所有的光傳感器部件(66a, 66b， 66c, 66d) 的信號的和的信號輸出與穿過允許光在光傳感器部件的方向上通過的 環(huán)形轉(zhuǎn)動盤圖案和環(huán)形出射表面二者的所有部分的光量的真實平均值
(true average )成比例。如上所述，這種平均使得位置信息對圖案部分 的幾何精度的靈敏度(sensitivity)急劇降低。應(yīng)當(dāng)理解的是，通過以下布置可以獲得相似的結(jié)果在該布置中，
光傳感器部件位于光學(xué)區(qū)域的中心處，并且多個光源部件對稱地位于光 源的周圍。
至于已知的編碼器，可以設(shè)計各種圖案以提供兩個電信號之間的相
位差，從而提供有關(guān)轉(zhuǎn)動方向的信息。這樣的圖案的例子如圖7和圖8 所示。在這些附圖中，黑色區(qū)域表示具有第一光學(xué)特性(例如不透明) 的環(huán)形圖案段，而白色區(qū)域表示具有第二光學(xué)特性(例如透明)的段。 如前所述，可以以各種方式、使用不同的幾何形狀、涂敷(coat)或者 改變光線折射的方向或透明度的任何其它技術(shù)來實現(xiàn)這些不同的光學(xué) 特性。在圖7中，示出了具有一對同心環(huán)形部分的圖案。其中同心環(huán)形 部分是"同相的"，即，兩個圖案的黑色段位于相同的角位置。在圖8 中，示出了具有一對同心環(huán)形部分的圖案，其中同心環(huán)形部分具有被偏 移Sa(等于圖案角周期a的四分之一)的角位置。在本發(fā)明的光編碼器 系統(tǒng)中，可以將圖7中"同相"的兩個圖案應(yīng)用到兩個光導(dǎo)的環(huán)形通過 表面，而將具有相位差為四分之一周期的兩個同心環(huán)形部分的圖案應(yīng)用 到轉(zhuǎn)動盤。也可以在光編碼器系統(tǒng)中實現(xiàn)與此相反的解決方案，其中， 將"同相"的圖案應(yīng)用到轉(zhuǎn)動盤，而將相位差為四分之一角周期的圖案 應(yīng)用到兩個光導(dǎo)的環(huán)形通過表面。在這兩種情況下，作為操作本發(fā)明方 法的結(jié)果而接收到的兩個電信號將呈現(xiàn)四分之一周期的相位差(處于正 交狀態(tài))。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，光導(dǎo)的同心圖案與旋轉(zhuǎn)盤上的同心 圖案之間的相位差可以是任何值，以便產(chǎn)生兩個電信號之間的任何的相 位差，并且可以對信號處理部件進(jìn)行編程以根據(jù)已知的相位差來執(zhí)行位 置計算。
還應(yīng)當(dāng)理解的是，可以實現(xiàn)圖案，使得光學(xué)特性作為圖案的環(huán)形表 面上的角位置的函數(shù)而以連續(xù)的方式變化。例如，環(huán)形表面可以在圓周 上具有周期性正弦式的透明度(periodic sinusoidal transparency),或者
、 參考圖9，、;出了編碼器^";施例，其中;在被;H尋與光導(dǎo)和轉(zhuǎn)動 盤分離(disposed separately of the light guides and rotating disc )的元件
(96和98)上實現(xiàn)反射表面(90)以及靜態(tài)圖案(403a, 403b)和轉(zhuǎn) 動圖案(402a; 402b )。圖9的實施例與圖4的實施例的不同之處在于，轉(zhuǎn)動裝置401由透明的材料而制成，以及提供了具有反射表面91的單 獨的靜態(tài)裝置(90)。應(yīng)當(dāng)理解的是，在該實施例中，通過環(huán)形通過表 面(49a; 49b)而出射的光通過靜態(tài)圖案(403a; 403b )、轉(zhuǎn)動圖案(402a; 402b)和可能是透明光盤的透明裝置401而朝向反射表面91傳播。還 應(yīng)當(dāng)理解的是，被反射表面91所反射的光再次通過轉(zhuǎn)動圖案(402a; 402b)和靜態(tài)圖案(403a; 403b)而傳播，從而使得該光與所述轉(zhuǎn)動圖 案和靜態(tài)圖案相互作用兩次，并且返回光導(dǎo)(45, 46)的光量是所述靜 態(tài)圖案和所述轉(zhuǎn)動圖案的相對角位置的函數(shù)。應(yīng)當(dāng)理解的是，可以實現(xiàn) 本發(fā)明系統(tǒng)的另一實施例，其中，轉(zhuǎn)動裝置(402 )位于透明的轉(zhuǎn)動裝 置401之下。
圖IO示出轉(zhuǎn)動盤(101)的實施例，該轉(zhuǎn)動盤固定在轉(zhuǎn)動軸3上， 并且具有作為徑向?qū)ΨQ中心的轉(zhuǎn)動盤3的轉(zhuǎn)動軸100,其中，以在轉(zhuǎn)動 盤的下側(cè)上的兩個環(huán)形的V狀凸起(102, 103 )的形式來實現(xiàn)轉(zhuǎn)動盤的 反射表面，V狀凸起的兩個表面都關(guān)于軸的軸線具有45度的角度。轉(zhuǎn) 動盤由透明的材料制成，選擇透明材料的折射率，以使得從上光導(dǎo)和下 光導(dǎo)出射的光線(104, 105 )被V狀凸起的傾斜表面反射兩次，從而光 線(104, 105 )在它們從光導(dǎo)出射的光導(dǎo)的方向上返回。V狀凸起位于 一對疊置的光導(dǎo)(未示出)的環(huán)形出射表面之下，以使得所反射的光線 (104, 105 )通過所述環(huán)形出射表面而重新進(jìn)入光導(dǎo)。在光盤(IOI) 的上表面上，可以提供光學(xué)圖案，或者如圖9的實施例所示，可以在附 著到轉(zhuǎn)動盤上的單獨的部件上提供光學(xué)圖案。
應(yīng)當(dāng)理解的是，具有V狀回向反射器的光盤的實施例是有益的，這 是因為它無需對轉(zhuǎn)動盤進(jìn)行額外的處理，從而降低了生產(chǎn)成本。
根據(jù)光盤的另 一 實施例，可以通過將V狀回向反射器分成具有交替 的V形狀和平坦的形狀的扇形(sector)來提供圖案。
在本發(fā)明的光編碼器組件中，影響測量精度的因素之一是從光學(xué)圖 案返回傳感器的光量。為了使散射(dispersion)最小化并使到達(dá)安裝在 光學(xué)區(qū)域上的傳感器的光量最大化，設(shè)計各種聚光部件，以用于將返回 光線引導(dǎo)朝向光傳感器，如圖11、 12和13所示。
參考圖11,示出了下光導(dǎo)A的實施例的截面。除將光線引導(dǎo)至光 傳感器(116, 116a)的兩個凸起(1111, 1112)之外，光導(dǎo)A關(guān)于軸 線(1110)具有徑向?qū)ΨQ性。光源(115)發(fā)射光線(諸如光線1115)，所述光線通過光導(dǎo)的入射表面(1116)進(jìn)入光導(dǎo)；錐形(conical)聚光 部件(112)在垂直于對稱軸線1110的方向上徑向地反射光線，其中由 于全反射定律和光導(dǎo)A的透明材料的折射率而發(fā)生該反射。光線(1115) 被第二錐形表面(119)在近似平行于對稱軸線的方向上再次反射，并 在環(huán)形出射表面(1113)處出射出光導(dǎo)。從轉(zhuǎn)動盤(未示出)被反射回 的諸如117的光線在上面提到的環(huán)形出射表面(1113)處進(jìn)入光導(dǎo)A, 并且相繼被錐形表面(119)和(112)反射，從而分別通過出射表面118、 118a而在光傳感器116、 116a的方向上傳播。應(yīng)當(dāng)理解的是，除非存在 光散射，否則，所有的光線都會沿著所發(fā)出的光的路徑而返回，而沒有 光線會到達(dá)光傳感器。然而，散射發(fā)生了，從而所返回的光線的一部分 被錐形表面(112)和(119)向光傳感器反射。
參考圖12,示出了上光導(dǎo)B的類似的實施例，上光導(dǎo)B具有面向 下的入射表面(112)。
在圖11和圖12的實施例中，為了獲得圖案的所有部分的對稱性分 布，必須在光源周圍提供相對大量的傳感器。另外，如果光源的散射小， 則到達(dá)傳感器的光量就小，從而導(dǎo)致相對低的信噪比。
對圖11和圖12的實施例的改進(jìn)如圖13所示。在該實施例中，每 一光導(dǎo)與兩個光傳感器一起使用。這里，圖10的錐形聚光部件(102) 被具有以下這樣的反射表面的聚光部件而替代所述反射表面被分成三 個表面區(qū)域(131, 132， 133),每個區(qū)域均被設(shè)計成使光會聚到一裝 置、光源(1312)或光傳感器U36a; 136b),或者使來自一裝置、光 源(1312)或光傳感器(136a; 136b)的光會聚。表面區(qū)域(131 )在 垂直于對稱軸線(1310)的方向上在所述表面區(qū)域(131)的四周將從 光源部件(1312)所發(fā)出的光線徑向地反射，如光線135所示?？梢愿?據(jù)已知的光學(xué)原理來設(shè)計表面區(qū)域(135),以使散射最小化。因此， 例如表面區(qū)域(135)的截面可以具有拋物線形狀。從光源部件(1312) 所發(fā)出的其它光線到達(dá)表面區(qū)域(132)和(133)，并且以相對大的散 射來被反射，這些光線很可能丟失，即，不返回任何傳感器。在與靜態(tài) 圖案和固定圖案(未示出)相互作用之后通過環(huán)形通過表面而返回到光 導(dǎo)的光線(如137和138)到達(dá)三個區(qū)域(131, 132， 133)中的一個。 到達(dá)上表面區(qū)域(131 )的返回光線:故反射回光源，從而丟失，如光線 136所示。到達(dá)表面區(qū)域(132)或(133)的返回光線(如137)將被向光傳感器部件(136a; 136b)反射。將聚光部件的反射表面分成多個 表面部分(121, 122, 123 )允許了更精確的設(shè)計，從而可以計算返回 到光傳感器的光量并使其最大化，因而提供了光傳感器的電信號的大得 多的強度，從而提高了信噪比。可以作出反射表面的該設(shè)計以使散射最 小化，從而降低編碼器對本發(fā)明光編碼器系統(tǒng)的反射表面的精度和質(zhì)量 的靈敏度。
圖13的提高本發(fā)明光編碼器系統(tǒng)的精度的實施例的另一優(yōu)點是， 可以將表面區(qū)域(132)和(133)設(shè)計成具有數(shù)學(xué)地計算出的形狀，該 數(shù)學(xué)地計算出的形狀將最大量的返回光線向光傳感器反射，從而作為結(jié) 果，對于圖案化的環(huán)形表面的所有部分來說，被反射到傳感器的光線的 量幾乎是相同的。
雖然已經(jīng)示出并說明了本發(fā)明的特定實施例，但是，對本領(lǐng)域技術(shù) 人員來說顯而易見的是，可以在不偏離本發(fā)明的情況下在更寬的方面進(jìn) 行改變和修改，因此，所附的權(quán)利要求意在將落在本發(fā)明的精神和范圍 之內(nèi)的所有這樣的改變和修改包括在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的光編碼器系統(tǒng)，包括電子板(42)，具有第一面(42a)和第二面(42b)，并且具有在所述電子板(42)的所述第一面和所述第二面中的每一個上安裝的至少一個光發(fā)射部件和至少一個光傳感器部件，所述電子板位于第一光導(dǎo)和第二光導(dǎo)(45；46)這一對光導(dǎo)之間，所述光導(dǎo)(45；46)中的每一個均具有環(huán)形光通過表面區(qū)域(49a49b)和至少一個附加的光通過表面區(qū)域(47；48)，所述第一光導(dǎo)(45)與所述第二光導(dǎo)(46)疊置，以使得所述第一光導(dǎo)的環(huán)形光通過表面和所述第二光導(dǎo)的環(huán)形光通過表面具有公共的對稱軸線(411)，該對稱軸線還與所述軸(3)的轉(zhuǎn)動軸線一致；所述第一光導(dǎo)(45)的所述附加的光通過表面區(qū)域(47)中的至少一個位于所述電子板(42)的所述第一面(43)上的一個光發(fā)射器部件附近，所述第一光導(dǎo)(45)的所述附加的通過表面區(qū)域(47)中的至少一個位于所述電子板的所述第一面(42a)上的光傳感器部件附近；所述第二光導(dǎo)(46)的所述附加的光通過表面區(qū)域(48)中的至少一個位于所述電子板的所述第二面(42b)上的一個光發(fā)射器部件附近，所述第二光導(dǎo)(46)的所述附加的光通過表面區(qū)域(48)中的至少一個位于所述電子板的第二面(44)上的光傳感器部件附近；提供在轉(zhuǎn)動裝置(402)上的兩個同心環(huán)形部分(402a；402b)的第一光學(xué)圖案包括具有不同的光學(xué)特性的段，所述轉(zhuǎn)動裝置附著到所述轉(zhuǎn)動軸(3)上；提供在靜態(tài)裝置(403)上的兩個同心環(huán)形部分(403a；403b)的第二光學(xué)圖案包括具有不同的光學(xué)特性的段，以使得所述圖案的對稱軸線與軸的轉(zhuǎn)動軸線一致，以及反射表面(401a)，所述反射表面(401a)用于使通過所述環(huán)形光通過表面(49a；49b)從光導(dǎo)(45；46)出射的光線在相反的方向上返回。
2. 如權(quán)利要求1所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的光編碼器系 統(tǒng)，其中，所述轉(zhuǎn)動裝置是具有反射面的光盤，所述反射面面對所述光 導(dǎo)的所述環(huán)形光出射表面，而且在所述反射面上提供有具有不同光學(xué)特 性的段、且以兩個同心環(huán)形部分的形狀的所述光學(xué)圖案。
3. 如權(quán)利要求1所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的光編碼器系 統(tǒng)，其中所述具有不同光學(xué)特性的所述段是交替的具有不同幾何設(shè)計的 段。'
4. 如權(quán)利要求1所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的光編碼器系 統(tǒng)，其中所述具有不同光學(xué)特性的所述段是交替的透明段和不透明段。
5. 如權(quán)利要求1所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的光編碼器系統(tǒng)，其中所述環(huán)形圖案部分的光學(xué)特性沿著所述環(huán)形圖案部分以連續(xù)的 方式變化。
6. 如權(quán)利要求1所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的光編碼器系 統(tǒng)，其中所述環(huán)形圖案的表面高度按照周期性函數(shù)而變化。
7. 如權(quán)利要求1所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的光編碼器系 統(tǒng)，其中所述環(huán)形圖案的透明度按照正弦函數(shù)而變化。
8. 如權(quán)利要求1所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的光編碼器系 統(tǒng)，其中轉(zhuǎn)動裝置的第一面不具有反射性，并且其中提供具有反射表面的靜態(tài)裝置。
9. 如權(quán)利要求1所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的光編碼器系 統(tǒng)，其中所述光導(dǎo)的所述環(huán)形通過表面包括交替的具有不同光學(xué)特性的段。
10. 如權(quán)利要求1所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的光編碼器 系統(tǒng)，其中所述光導(dǎo)的所述環(huán)形通過表面包括交替的透明和不透明段。
11. 如權(quán)利要求1所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的光編碼器 系統(tǒng)，其中所述光導(dǎo)的所述環(huán)形通過表面包括交替的具有不同幾何設(shè)計 的段。
12. 如權(quán)利要求1所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的光編碼器 系統(tǒng)，其中所述光導(dǎo)的所述環(huán)形通過表面具有齒狀設(shè)計，以使得具有垂 直于軸的軸線的出射表面的第一類型的段與具有與軸的軸線成45度角 的出射表面的第二類型的段交替。
13. 如權(quán)利要求1所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的光編碼器 系統(tǒng)，其中在所述電子板的所述第一面和所述第二面中的每一個上，提 供有光學(xué)區(qū)域，并且光源部件位于所述光學(xué)區(qū)域的幾何中心，所述光學(xué) 區(qū)域的幾何中心也是所述電子板的幾何中心；所述幾何中心與軸的轉(zhuǎn)動 軸線一致，并且多個光傳感器被放置在所述光源部件周圍。
14. 如權(quán)利要求1所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的光編碼器 系統(tǒng)，其中所述同心環(huán)形圖案部分處于相位差Sa的狀態(tài)。
15. 如權(quán)利要求1所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的光編碼器系統(tǒng)，其中所述靜態(tài)裝置上的所述同心環(huán)形圖案部分是同相的，而提供在所述轉(zhuǎn)動裝置上的所述同心環(huán)形圖案部分處于相位差5a的狀態(tài)。
16. 如權(quán)利要求1所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的光編碼器系統(tǒng)，其中所述靜態(tài)裝置上的所述同心環(huán)形圖案部分處于相位差Sa的狀態(tài)，而提供在所述轉(zhuǎn)動裝置上的所述同心環(huán)形圖案部分是同相的。
17. 如權(quán)利要求1所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的光編碼器系統(tǒng)，其中所述光導(dǎo)的所述環(huán)形通過表面中的每一個均包括交替的具有不同光學(xué)特性的段的圖案，以使得所述圖案處于同相，而提供在所述轉(zhuǎn)動裝置上的所述同心環(huán)形圖案部分處于相位差等于圖案的角周期的四分之一的狀態(tài)中。
18. 如權(quán)利要求1所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的光編碼器系統(tǒng)，其中所述光導(dǎo)的所述環(huán)形通過表面中的每一個均包括交替的具有不同光學(xué)特性的段的圖案，以使得所述圖案處于相位差等于圖案的角周期的四分之一的狀態(tài)中，而提供在所述轉(zhuǎn)動裝置上的所述同心環(huán)形圖案部分是同相的。
19. 如權(quán)利要求1所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的光編碼器系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括用于承載所述靜態(tài)圖案的單獨部件，以及用于承載所述轉(zhuǎn)動圖案的其它的單獨部件，其中用于承載所述靜態(tài)圖案的所述部件位于固定位置，以使得所述靜態(tài)圖案的環(huán)形圖案部分與所述光導(dǎo)的所述光通過表面并置，并且用于承載所述轉(zhuǎn)動圖案的所述部件固定到透明的轉(zhuǎn)動盤。
20. 如權(quán)利要求1所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的光編碼器系統(tǒng)，其中所述轉(zhuǎn)動裝置為轉(zhuǎn)動盤，并且在所述轉(zhuǎn)動盤上， 一對環(huán)形V狀凸起提供在所述轉(zhuǎn)動盤的下側(cè)上，所述V狀凸起的兩個表面相對于軸的軸線以45度角延伸。
21. 如權(quán)利要求1所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的光編碼器系統(tǒng)，其中所述轉(zhuǎn)動裝置是由透明材料制成的轉(zhuǎn)動盤，在所述轉(zhuǎn)動盤上，一對環(huán)形凸起提供在所述轉(zhuǎn)動盤的下側(cè)上，并且所述環(huán)形凸起被分成具有交替的V狀和平坦形狀的段，其中V狀段的兩個表面相對于軸的軸線以45度角延伸。
22. 如權(quán)利要求1所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的光編碼器系統(tǒng)，其中在所述電子板的所述第一側(cè)和所述第二側(cè)的方向上一個或多個凸起從所述光導(dǎo)中的每一個延伸，并且在所述凸起的端部提供光出射表面，以使得所述光出射表面中的每一個在所述第一側(cè)和所述第二側(cè)上的至少一個光源部件或至少一個光傳感器部件附近分別與電子板的所述第一面和所述第二面并置。
23. 如權(quán)利要求1所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的光編碼器系統(tǒng)，其中所述光導(dǎo)包括聚光部件，所述聚光部件具有用于在期望的方向上反射并引導(dǎo)進(jìn)入光導(dǎo)的光線的反射面。
24. 如權(quán)利要求1所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的光編碼器系統(tǒng)，其中所述光導(dǎo)包括具有反射性外表面的一個或多個錐形聚光部件。
25. 如權(quán)利要求1所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的光編碼器系統(tǒng)，其中所述光導(dǎo)包括具有以不同的角度而傾斜的多個反射區(qū)域的一個或多個聚光部件。
26. 如權(quán)利要求1所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的光編碼器系統(tǒng)，其中所述光導(dǎo)包括具有多個反射區(qū)域的一個或多個聚光部件，所述多個反射區(qū)域具有不同的幾何形狀。
27. —種用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的方法，包括以下步驟a. 提供位于一對疊置的光導(dǎo)之間的電子板，該電子板具有附著到第一側(cè)和第二側(cè)上的光發(fā)射部件和光傳感器部件；b. /人所述電子板的所述第一側(cè)和所述第二側(cè)中的每一個上的到所述一對光導(dǎo)中的每一個中；c. 分別通過所述光導(dǎo)中的每一個的環(huán)形光通過表面將光向外傳播；放置所述環(huán)形光通過表面以使得它們的對稱軸線一致；d. 提供附著在具有主轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動軸上、具有兩個同心環(huán)形部分的光學(xué)圖案的至少一個轉(zhuǎn)動裝置；e. 提供具有兩個同心環(huán)形部分的光學(xué)圖案的至少一個靜態(tài)裝置，所述靜態(tài)裝置垂直于所述軸線；f. 提供用于將光通過所述環(huán)形光通過表面而反射回所述光導(dǎo)中的反射面，以使得所述光在重新進(jìn)入所述光導(dǎo)之前被與提供在所述靜態(tài)裝置和所述轉(zhuǎn)動裝置上的圖案的相互作用而影響；g. 提供具有一個或多個反射表面的一個或多個光學(xué)部件；h. 借助于所述光學(xué)部件，將通過所述光通過表面的光束的一部分引導(dǎo)回位于光通過表面附近的至少一個光傳感器部件；i. 測量到達(dá)所述光傳感器的光強度；所述光強度是所述靜態(tài)裝置和所述轉(zhuǎn)動的光盤的相對角位置的函數(shù)；以及j. 將所述軸的轉(zhuǎn)動角度作為在光傳感器處所測量到的光強度的函數(shù)來計算。
28. 如權(quán)利要求28所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的方法，其中，所述環(huán)形光通過表面是圖案化的環(huán)形光通過表面，并且通過所述環(huán)形光通過表面而發(fā)出的光束是圖案化的環(huán)形光束。
29. 如權(quán)利要求28所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的方法，其動裝置反射,；所述轉(zhuǎn)動裝置具有反射性環(huán)形圖案部分:所述環(huán)形圖案部分包括交替的具有不同幾何設(shè)計的段。
30. 如權(quán)利要求28所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的方法，其中，通過所述環(huán)形光通過表面所發(fā)出的光束通過提供在轉(zhuǎn)動裝置上的交替的透明段和不透明段的環(huán)形圖案部分而傳播，以使得穿過所述不透明段的光線到達(dá)靜態(tài)反射裝置，并且所述光被從所述靜態(tài)反射裝置以相反的方向反射，從而使得它再次穿過所述轉(zhuǎn)動裝置上的所述環(huán)形圖案部分，從而使得該光束與所述轉(zhuǎn)動圖案和所述靜態(tài)圖案兩者都相互作用。
31. 如權(quán)利要求28所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的方法，其中，所述靜態(tài)裝置是光導(dǎo)的環(huán)形出射表面，所述轉(zhuǎn)動裝置是光盤，在所述光盤上提供有環(huán)形圖案部分，所述環(huán)形圖案部分具有光學(xué)特性交替的段，并且到達(dá)所述光傳感器的光強度是光導(dǎo)的所述環(huán)形出射表面上的圖案與所述轉(zhuǎn)動的光盤上的環(huán)形圖案部分的相對角位置的函數(shù)，從而使得所述光傳感器輸出作為轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的函數(shù)而變化的信號。
32. 如權(quán)利要求28所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的方法，其中，由于在所述電子板的所述第一側(cè)和所述第二側(cè)中的每一個上光傳感器部件對稱地放置在位于中心的光源周圍這一設(shè)計，所述靜態(tài)裝置上的光學(xué)圖案的所有的段與所述轉(zhuǎn)動裝置上的光學(xué)圖案的所有的段對于光信號具有相同的理論上的貢獻(xiàn)，從而使得信號輸出與從所述光學(xué)圖案返回的光的真實平均值成比例。
33. 如權(quán)利要求28所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的方法，其中，由于在所述電子板的所述第一側(cè)和所述第二側(cè)中的每一個上光源部件對稱地放置在位于中心的光傳感器部件周圍這一設(shè)計，所述靜態(tài)裝置上的光學(xué)圖案的所有的段與所述轉(zhuǎn)動裝置上的光學(xué)圖案的所有的段對于光信號具有相同的理論上的貢獻(xiàn)，從而使得信號輸出與從所述光學(xué)圖案返回的光的真實平均值成比例。
34. 如權(quán)利要求28所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的方法，其中，所述環(huán)形同心圖案中的一個是同相的，另外的環(huán)形同心圖案處于相位差為角周期的四分之 一 的狀態(tài)，從而使得作為操作本發(fā)明的方法的結(jié)果而從電子板的第一側(cè)和第二側(cè)上的光傳感器部件所接收到的兩個電信號呈現(xiàn)四分之一相位差。
35. 如權(quán)利要求28所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的方法，其中，所述方法還包括對信號處理部件進(jìn)行編程，以使得根據(jù)在所述轉(zhuǎn)動裝置上的所述光學(xué)圖案的段與所述靜態(tài)裝置上的所述光學(xué)圖案的段之間的已知相位差來執(zhí)行位置計算。
36. 如權(quán)利要求28所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的方法，其中，所述方法還包括提供透明材料的轉(zhuǎn)動裝置，以及使光通過所述透明材料的轉(zhuǎn)動裝置而傳播。 ，
37. 如權(quán)利要求28所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的方法，其中，所述反射表面被提供為轉(zhuǎn)動裝置的下側(cè)上的兩個環(huán)形V狀凸起，每個所述V狀凸起的兩個表面都與軸的軸線成45度角，所述轉(zhuǎn)動裝置是由透明材料制成的，并為所述透明材料選擇折射率以使得從所述光導(dǎo)出射的光線被V狀凸起的所述表面反射兩次，從而使得光線在所述光導(dǎo)的方向上纟皮返回。
38. 如權(quán)利要求28所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的方法，其中，通過第一聚光部件和第二聚光部件將所述光束引導(dǎo)到所述光傳感器部件，所述第一聚光部件在垂直于對稱軸線的方向上徑向反射光線，所
39.如;又利要求28所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸:轉(zhuǎn)動角度的方法，其中，用于將光束引導(dǎo)到所述傳感器部件的所述光學(xué)部件包括第一錐形聚光部件和第二錐形聚光部件，所述第一錐形聚光部件在垂直于對稱軸線的方向上徑向反射光線，所述第二錐形聚光部件在近似平行于所述對稱軸線的方向上進(jìn)一步反射光線。
40. 如權(quán)利要求28所述的用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的方法，其中，用于將所述光束引導(dǎo)到所述光傳感器部件的所述光學(xué)部件包括具有反射表面的聚光部件，所述反射表面被分成多個表面區(qū)域，每個表面區(qū)域均被設(shè)計成將光會聚到電子板的光學(xué)區(qū)域上的一個光源或一個光傳感器，或者將來自電子板的光學(xué)區(qū)域上的一個光源或一個光傳感器的光會聚。
全文摘要
一種用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的光編碼器，包括位于一對疊置的光導(dǎo)之間的具有光發(fā)射器和光傳感器部件的電子板，所述一對光導(dǎo)具有與軸的轉(zhuǎn)動軸線一致的公共的對稱軸線，光導(dǎo)接收來自電子板上的光發(fā)射器部件的光，并將光返回到電子板的光傳感器部件；附著到轉(zhuǎn)動軸的兩個同心環(huán)形部分的光學(xué)圖案和靜態(tài)裝置上兩個同心環(huán)形部分的光學(xué)圖案。一種用于測量轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動角度的方法，該方法通過從電子板將光發(fā)射到光導(dǎo)中并處理在電子板上所接收到的信號來進(jìn)行測量，所述信號來自在與所述光學(xué)圖案相互作用后通過光導(dǎo)而返回的光線。
文檔編號G01D5/347GK101553712SQ200780037573
公開日2009年10月7日 申請日期2007年8月6日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月8日
發(fā)明者Y·維拉雷特 申請人:亞斯卡瓦歐洲科技有限公司