专利名称：旋转编码器的制作方法
技术领域：
本发明涉及检测旋转角度的旋转编码器。
背景技术：
以前，旋转编码器被用于测量机床或FA装置等中的角度。旋转编码器的角度检测 类型大致分为增量类型和绝对类型。日本专利公开No. 2006-214929公开了增量类型的旋 转编码器。增量类型的旋转编码器可被容易地制造，但是存在这样的问题如果关断电力则 删除角度信息或者因外来(exogenous)噪声而累积误差。另一方面，绝对类型的旋转编码 器具有高度精确的优点，因为它不累积误差，并且，即使电力被关断也不需要移动到原位置 (home position)0日本专利公开No. 2007-147465公开了绝对类型的旋转编码器。该旋转编码器使 用被称为游标(vernier)的角度检测方法，在该方法中，计算具有相互不同的周期的多个 周期性信号之间的相位差，以获得具有与原始周期中的每一个不同的周期的周期性信号。在以前的该游标检测方法中，当刻度相对于该刻度的旋转轴(shaft)偏心时，原 始的周期性信号之间的相对相位发生改变。如果刻度的偏心大，那么通过游标检测获得的 角度信号的检测误差增大，并且，不能确保与下位(lower)周期性信号的相位同步。因此， 当刻度被固定在旋转轴上时，需要高度精确的调整，并且，这妨碍成本的降低。

发明内容
作为本发明的一个方面的旋转编码器包括刻度部分，在所述刻度部分中，具有数 量为Sl的狭缝的第一狭缝阵列和具有数量为S2的狭缝的第二狭缝阵列关于中心点被同心 地(concentrically)形成；传感器单元部分，包含第一传感器和第二传感器，所述第一传 感器在第一读取区域中检测来自第一狭缝阵列的信号，所述第二传感器在第二读取区域中 检测来自第二狭缝阵列的信号；以及信号处理电路，所述信号处理电路被配置为处理由所 述传感器单元部分检测的信号。所述旋转编码器满足表达式Rlmin/R2max ^ S1/S2 ^ Rlfflax/ R2min，这里，Rlmax和Rlmin分别是第一读取区域中的到中心点的距离的最大值和最小值，R2max 和R2min分别是第二读取区域中的到中心点的距离的最大值和最小值。参照附图阅读示例性实施例的以下说明，本发明的其它特征和方面将变得清晰。


图1是实施例1中的旋转编码器的配置图。图2是实施例1中的旋转刻度的配置图。图3A和图;3B是实施例1中的M序列传感器单元的配置图。图4A和图4B是实施例1中的传感器单元的配置图。图5是用于描述实施例1中的初始化操作的示图。图6是实施例1中的旋转刻度的主要部分的放大图。
图7A和图7B是示出在实施例1中由偏心产生的角度误差的曲线图。图8是实施例2中的旋转编码器的配置图。图9是实施例2中的旋转刻度的配置图。图10是实施例3中的旋转编码器的配置11是实施例3中的旋转刻度的配置图。图12A和图12B是实施例3中的传感器单元的配置图。
具体实施例方式以下将参照附图描述本发明的示例性实施例。在附图中的每一个中，相同的元件 将由相同的附图标记表示，并且，将省略对其重复的描述。〔实施例1〕图1是实施例1中的旋转编码器100的配置图。旋转编码器100是光学旋转编码 器，其包含附接于旋转轴上的旋转刻度201 (刻度部分)、M序列传感器单元301、传感器单 元302、信号处理电路401和存储单元402。M序列传感器单元301和传感器单元302构成 传感器单元部分。信号处理电路401处理由传感器单元部分检测的信号。具体地，信号处 理电路401将由M序列传感器单元301获得的电信号转换成角度值，对由传感器单元302 获得的编码器信号执行内插处理，将信号写入存储单元402中，以及读取存储单元402的信
巧，寸寸°图2是本实施例中的旋转刻度201的配置图。在旋转刻度201中，通过在玻璃基 板上将铬(chrome)反射膜构图，形成图案501、202和203，图案501、202和203关于中心 点220同心地构成三个狭缝阵列。在旋转刻度201的内圆周(inner circumference)上形 成的图案501是作为绝对位置检测图案的M序列图案。外圆周上的图案202(第一狭缝阵 列)由反射狭缝构成，所述反射狭缝的数量为预定的数量Si。在本实施例中，图案202的狭 缝的数量Sl为200。中间圆周上的图案203(第二狭缝阵列)由反射狭缝构成，所述反射 狭缝的数量为预定的数量S2。在本实施例中，图案203的狭缝的数量S2为160。这些图案 501,202和203中的每一个是以中心点220为基准的放射状(radial)图案。传感器单元302包含在读取区域211(第一读取区域)中检测来自图案202的信 号的第一传感器和在读取区域212(第二读取区域)中检测来自图案203的信号的第二传 感器。M序列传感器单元301包含在读取区域213中检测来自图案501的信号的第三传感 器。M序列传感器单元301和传感器单元302被附接到关于作为旋转中心轴的中心点220 相差180度的位置处。图2中的点221和222位于具有起始点为图案202和203的中心点220的相同线 段上，并且是以所述图案的中心点220为基准的、位于读取区域211和212内的点。当中心 点220和点221之间的距离被定义为Rl并且中心点220和点222之间的距离被定义为R2 时，在本实施例中，Rl和R2分别等于4. 07mm和3.沈讓。在本实施例中，图案202的狭缝的 数量Si为200，图案203的狭缝的数量为160。使用这些值，满足条件Sl/Rl—S2/R2。在本实施例中，点221和222分别被设于读取区域211和212的中心附近，但不限 于此。作为点221和222，可以使用分别位于读取区域211和212内的任意点。在实施例 中，在读取区域211中，到中心点220的距离的最大值被定义为Rlmax，到中心点220的距离的最小值被定义为Rlmin。另外，在读取区域212中，到中心位置220的距离的最大值被定义 为R2max，到中心位置220的距离的最小值被定义为R2min。在这种情况下，狭缝的数量Sl和 S2以及距离Rl和R2可被设为满足下式(1)。Rlmin/R2max ( S1/S2 ( Rlmax/R2min. · · (1)图3A和图;3B是本实施例中的M序列传感器单元301的配置图，具体地，图3A和 图3B分别示出侧视图和顶视图。从M序列传感器单元301中的LED 510(光源)发射的发 散光束照射到旋转刻度201的图案501上，并且被反射到M序列传感器单元301中的光电 二极管阵列511。由光电二极管阵列511接收的光束被转换成电信号，以被信号处理电路 401转换成绝对角度信号0ABS。因此，在本实施例中，从M序列传感器单元301获得绝对 角度信号9ABS。图4A和图4B是本实施例中的传感器单元302的配置图，具体地，图4A和图4B 分别示出侧视图和顶视图。传感器单元302是光接收和发射一体化的传感器单元，其中， LED 310(光源)以及光电二极管阵列311和312(第一传感器和第二传感器)被安装在同 一封装中。以相同的阵列间距形成光电二极管阵列311和312。由于以前在日本专利公开 No. 2006-214929中详细描述了在光学编码器中使用具有一种作为指数刻度的功能的光接 收元件阵列的方法，因此省略对检测编码器信号的原理的描述。从传感器单元302中的LED 310发射的发散光束分别被照射到旋转刻度201的图 案202和203上的读取区域211和212上。如图4B所示，读取区域211和212的位置分别 是被连接LED 310以及光电二极管阵列311和312的光接收区域的四个角的线的中心点围 起来的区域。在读取区域211和212上反射的光束分别被传感器单元302中的光电二极管 阵列311和312接收。因此，传感器单元302被配置为接收从作为一个光源的LED 310照 射的光，LED 310既使用作为第一传感器的光电二极管阵列311又使用作为第二传感器的 光电二极管阵列312。由光电二极管阵列311和312接收的光束被转换成电信号，以作为编码器信号被 发送到信号处理电路401。信号处理电路401通过反正切(arctangent)计算来执行内插处 理，以分别计算来自光电二极管阵列311和312的增量输出eincl和θ inc2。增量输出 θ incl和θ inc2分别是由光电二极管阵列311和312检测的信号的相位。此外，信号处理 电路401通过计算θ Δ = θ incl-Qinc2来计算游标周期性信号θ Δ (第一差值信号)。下面，将参照图5来描述本实施例中的初始化操作的过程。首先，旋转刻度201沿 预定的方向旋转。然后，检测在穿过绝对角度信号θ ABS的过零点(zero-cross)之后首先 获得的游标周期性信号θ Δ的过零点，另外，检测紧接在游标周期性信号θ Δ的过零点之 后的增量输出θ incl的过零点。该点被设为虚拟原点。虚拟原点处的绝对角度信号θ ABS 的相位被定义为9ABS_0ffSet，并且，游标周期性信号θ Δ在相同时间的相位被定义为 θ Δ offset。在初始化操作时，信号处理电路401将相位θ ABS_off set和θ Δ off set写 入存储单元402中。下面，将描述角度检测操作。信号处理电路401使用存储于存储单元402中的绝 对角度信号9ABS、增量输出θ incl和0inc2、以及θ ABS_offset和θ Δ offset来执行 下式O)、(3)的计算。θ ABS' = Round[ ( θ ABS- θ ABS_offset)-( θ Δ - θ Δ offset) /40] + ( θ Δ - θ Δ οffset)/40. · . (2)θ ABS_out = Round[( θ ABS' - θ incl/200)] + θ incl/200. . . (3)在这些表达式中，Round[]意味着执行舍入(rounding)处理的函数。通过上面的 处理所获得的相位θ ABS_out作为角度检测值(即，刻度部分的旋转角度)被输出。在这种 情况下，由于因偏心导致的θ ABS'的角度检测误差被抑制，因此，稳定地执行从θ ABS' 到增量输出θ incl的相位同步。图6是本实施例中的旋转刻度201的主要部分的放大图。当在不出现偏心的条 件下的读取区域211内的点和读取区域212内的点分别被定义为Pl和P2时，点Pl和P2 分别因偏心而被偏移到点Pl'和P2'。当这种情况下的偏移量被定义为ε时，在满足ε << R的条件下，刻度图案的读取角度误差Δφ被表示为式(4)。
权利要求
1.一种旋转编码器，包括刻度部分，在所述刻度部分中，相对于中心点同心地形成第一狭缝阵列和第二狭缝阵 列，所述第一狭缝阵列具有数量为Sl的狭缝，所述第二狭缝阵列具有数量为S2的狭缝；传感器单元部分，所述传感器单元部分包含第一传感器和第二传感器，所述第一传感 器在第一读取区域中检测来自第一狭缝阵列的信号，所述第二传感器在第二读取区域中检 测来自第二狭缝阵列的信号；以及信号处理电路，所述信号处理电路被配置为处理由传感器单元部分检测的信号， 其中，满足下式Rlmin/R2max 彡 S1/S2 彡 Rlmax/R2min,这里，Rlmax和Rlmin分别是第一读取区域中的到所述中心点的距离的最大值和最小值， R2max和R2min分别是第二读取区域中的到所述中心点的距离的最大值和最小值。
2.根据权利要求1的旋转编码器，其中，所述传感器单元部分被配置为使得从一个光源照射的光既被所述第一传感器接 收又被所述第二传感器接收。
3.根据权利要求1或2的旋转编码器， 其中，所述刻度部分包含绝对位置检测图案，其中，所述传感器单元部分包含第三传感器，所述第三传感器检测来自所述绝对位置 检测图案的信号，以及其中，所述信号处理电路基于由所述第一传感器检测的信号的相位和由所述第二传感 器检测的信号的相位之间的差值计算第一差值信号，以通过使用由所述第三传感器检测的 信号和所述第一差值信号来计算所述刻度部分的旋转角度。
4.根据权利要求1或2的旋转编码器，其中，所述刻度部分还被提供有相对于所述中心点同心地被形成的第三狭缝阵列，所 述第三狭缝阵列具有数量为S3的狭缝，其中，所述传感器单元部分还包含第三传感器和第四传感器，所述第三传感器在第三 读取区域中检测来自第三狭缝阵列的信号，所述第四传感器在第四读取区域中检测来自第 二狭缝阵列的信号， 其中，满足下式R4min/R3max ^ S2/S3 ^ R4max/R3min,这里，R3max和R3min分别是第三读取区域中的到所述中心点的距离的最大值和最小值， R4fflax和R4min分别是第四读取区域中的到所述中心点的距离的最大值和最小值，以及其中，所述信号处理电路基于由第一传感器检测的信号的相位和由第二传感器检测的 信号的相位之间的差值来计算第一差值信号，基于由第三传感器检测的信号的相位和由第 四传感器检测的信号的相位之间的差值来计算第二差值信号，以及基于所述第一差值信号 和所述第二差值信号之间的差值来计算所述刻度部分的旋转角度。
5.根据权利要求1或2的旋转编码器，其中，所述刻度部分还被提供有相对于所述中心点同心地被形成的第三狭缝阵列，所 述第三狭缝阵列具有数量为S3的狭缝，其中，所述传感器单元部分还包含第三传感器，所述第三传感器在第三读取区域中检测来自所述第三狭缝阵列的信号， 其中，满足下式R2min/R3max ^ S2/S3 ^ R2max/R3min,这里，R3max和R3min分别是第三读取区域中的到所述中心点的距离的最大值和最小值。
全文摘要
本发明涉及旋转编码器。一种旋转编码器(100)包括刻度部分(201)，在刻度部分(201)中，相对于中心点(220)同心地形成具有数量为S1的狭缝的第一狭缝阵列(202)和具有数量为S2的狭缝的第二狭缝阵列(203)；以及传感器单元部分(302、304)，包含在第一读取区域(211、215)中检测来自第一狭缝阵列的信号的第一传感器(311、313)和在第二读取区域(212、216)中检测来自第二狭缝阵列的信号的第二传感器(312、314)。所述旋转编码器满足R1min/R2max≤S1/S2≤R1max/R2min，这里，R1max和R1min分别是第一读取区域中的到中心点的距离的最大值和最小值，R2max和R2min分别是第二读取区域中的到中心点的距离的最大值和最小值。
文档编号G01D5/243GK102121833SQ201010597809
公开日2011年7月13日 申请日期2010年12月21日 优先权日2009年12月24日
发明者名仓千裕 申请人:佳能株式会社