[发明专利]光学位置编码器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于检测可围绕转动轴旋转的轴的位置的光学位置编码器(Positionsgeber)，尤其是光学旋转编码器(Drehgeber)。

背景技术

位置编码器通常用来监测和控制机械运动过程。例如位置编码器在作为旋转编码器的构造中被用于转数检测和控制电机。通过非接触地对可旋转的轴进行单圈或多圈扫描以确定角位置的旋转编码器在不同的实施方式中已知。

EP 1452836B1描述了一种装置，该装置利用计量用具来测量两个可相对于彼此旋转的构件的绝对旋转角，该计量用具通过相对于旋转轴和计量用具位于中心的光源以透射光被完全照亮。计量用具包括角光栅结构，并且通过同轴布置的圆形码道由光学传感器元件扫描。

这种扫描首先表明是一种增量角测量，其中增量角测量信号可以具有正弦和余弦信号的形状。为了实现这一点，传感器元件具有光敏表面，该表面大致具有径向对齐的椭圆形状。传感器元件在此被布置为准一维的，因为椭圆传感器元件的中心位于圆上。通过对正弦和余弦信号的信号电压进行内插，增量角测量的较高分辨率是可能的。此外还可以从圆环形结构的分别错开90°的角范围中获取传感器元件的信号，从而可以生成相位分别相互错开90°的增量信号，通过对这些增量信号进行分析来从计算上补偿计量用具的偏心误差。

在此，绝对角测量不是通过扫描计量用具的附加的数字编码的码道和附加扫描来工作，而是用于增量角测量的传感器元件被通过与轴一起旋转的标记元件调制。该标记元件被实施为其余部分为周期性规则的角光栅结构中的不规则性。为了避免在计量用具的大偏心率情况下的绝对角测量的误差，设置与第一标记元件错开一定角度的第二标记元件。

但是，由于计量用具具有其余部分为规则的角光栅结构与由标记元件引起的不规则性相组合的实施方式，产生显著的缺点。如果这种位置编码器应提供高的角分辨率和角测量精度，并且同时应补偿计量用具的大偏心率、其他机械安装公差以及计量用具和传感器元件的脏污，则缺点尤其明显。

US 2009/0231574A1描述了一种位置编码器，该位置编码器具有类似于EP1452836B1的结构和扫描功能。计量用具在中央具有绝对码道以及在周边具有周期性增量的光栅结构，并且在光学上以透射光或者通过反射被扫描。通过点状LED或者平面LED阵列进行照明。为了扫描使用矩形布置的光敏元件阵列，例如CCD或者CMOS图像传感器。利用对大量光敏元件的灰度值进行确定和内插通过计算各个码道的相位角来进行分析。

在生产增量和绝对位置编码器时出现降低可达到的分辨率和精度的制造公差。减小制造过程中的位置公差通常导致制造成本显著提高。同样已知要校准绝对位置误差。为此使增量编码器经历示教过程(Teach-in)，确定误差，并且然后以电子方式进行校正。这种方法也导致费用提高。

发明内容

本发明的任务在于，说明一种经过优化且具有自校准信号分析的位置编码器装置，该位置编码器装置能够无需示教即可识别正确的绝对位置，并且不仅可根据静止位置而且也可在整个速度范围内校正误差，以及同时实现高的角分辨率和角精度。

本发明相对于现有技术的任务在于，实现一种紧凑并且能够以低廉成本生产的光学位置编码器。该位置编码器应通过计量用具的经优化的结构和传感器装置的经改善的分析，相对于安装公差和脏污实现尽可能大的精度以及尽可能大的鲁棒性。

通过根据权利要求1所述的位置编码器来解决上述任务。要求保护的测量装置涉及一种光学位置编码器，包括：计量用具，所述计量用具包括具有第一透光环状区域和第一不透光环状区域的第一环状结构(P1)，其中第一透光环状区域和第一不透光环状区域之间的界线在方位角方向上具有周期的形状，优选逐段单调的形状和/或正弦形状，该周期的形状具有第一周期数(n1)；至少一个用光来照明计量用具的光源；以及围绕中心以环状布置的第一传感器装置，该第一传感器装置具有至少两个相同的传感器组，所述传感器组在方位角方向上分别以整数个周期相互错开，且偏差小于周期的10％，优选小于周期的5％，最优选小于周期的1％，其中每一个传感器组具有至少一个用于接收第一环状结构的光的光学传感器元件(Sij)。