[发明专利]角度编码器

说明书

发明领域

本发明涉及角度位置传感器，具体的是在不需要计算参考标记的情况下感测旋转体的绝对旋转角度。

发明背景

通常，角度位置传感器已经用于感测旋转体的旋转角度。这些通常由探测器单元和具有交替透明和不透明所形成对比条或反射条材料的刻度盘所组成，可以由探测器单元探测出其位移，包括光发射、光探测和光学装置。

刻度盘由光发射装置所表示，该装置是电磁辐射(EMR)源、通常是紫外线(UV)、可视的或红外线(IR)光，其在对EMR敏感的光探测器的一个或多个阵列上产生图形。这种阵列包括CCD装置、VLSI可视芯片、一维和两维光探测器阵列和平面效应光二极管(通常指例如PSD或位置灵敏装置)。进行一个或多个阵列的输出以产生旋转体角度位置的测量。可以将刻度盘布置在旋转体轴的轴向或径向，并且其本性允许不顾旋转体的角度位置允许阵列的连续输出，当所限阵列维数不允许在任何时刻阵列及时观察整个圆周或径向表面时。

这种传感器通常提供基于刻度盘的增量角度位置的信号，并且通过计算已知参考标记来确定绝对的角度位置。通常基本通过众所公知的技术例如积分插补来提高增量传感器的精度。这种积分方法需要不变的条角度间隔。

此外，传感器可以通过利用用于刻度盘的条形码来提供基于绝对位置的信号。当每组条形码对于所感测的每个角度位置是唯一的时，这些条形码通常不会具有恒定的角度条间隔，并且这种绝对位置传感器通常不提供位置测量精度，该位置测量精度是当不能使用积分插补技术时增量传感器所提供的。

但是，如果需要绝对位置传感器具有高精度，则需要两个刻度盘。首先通过条形码的询问来测量近似绝对位置，然后通过规则条形图形的积分插补来提供精确的相对位置。

现有技术提供了高精度绝对位置测量，并且在5,235,181号(Durana等人)的美国专利中所描述的和本发明的非常相关。其描述的传感器包括：两个刻度盘、近似绝对位置的伪随机条形码刻度盘以及精确相对位置的规则隔开的刻度尺。

在5,235,181号美国专利中所描述的位置传感器具有几个固有的缺点。使用两个刻度盘使得使用多个光探测器阵列成为必要，这与单个阵列相比会增加成本。此外，需要刻度盘和阵列相互之间定位非常精确，这也会增加成本并且限制传感器的最大精度。此外，维修中机械偏差和装配间隙不可避免的变化导致两个阵列相对位置的不确定，这也可能会限制最大精度。

本发明的目的在于，为近似分辨率绝对位置探测和精确分辨率增量位置感测提供单个刻度盘，其能够提供所有必需的信息。更适合的是，这可以通过使用具有恒定条间距和可变条宽度的条形码、或具有可变条间距的条形码特定形式来实现。因此，条形码提供绝对位置感测所需的二进位信息，并且还提供能够精确分辨位置插补的规则条形图形。此外，传感器更适合依靠反射原理，其中光发射装置和光探测装置位于旋转体的同侧，并且刻度盘包括高和低反射率的区域。

与5,235,181号美国专利中所描述的相比，这种设计有几个优点。首先，当仅使用单个刻度盘时，仅需要一个光探测器阵列，从而降低成本。第二，当组合使用两个刻度盘时，将消除相对刻度盘未对准引起的误差，从而提供更好的测量精度。第三，两个刻度盘的组合将减少传感器对机械偏差、公差或轴承间隙的敏感，消除现有技术中所描述的两个刻度盘相对位置和阵列中的变化。第四，反射刻度盘的使用允许更简单和更紧凑的结构，由于其允许光发射和光探测装置在相同装配中组装，节约了传感器的空间和成本。第五，与能传送的刻度盘相比，使用反射刻度盘的另一个优点是EMR从刻度盘的表面反射并且当具有隙缝的情况时EMR不会受边缘散射的影响、或当在EMR必须穿过传送区域中介质的透明材料的情况下不受来自内部反射、衍射或随时间过去而衰减等其他问题的影响。否则这种影响将限制传感器的最大分辨率。最后，组合的刻度盘没有两个分离的刻度盘复杂，因此能够使其产生较快的速度和较低的成本，尤其是如果通过使用例如激光刺点的直接写技术。

简要发明