采用具有公共刻线基板的多个子编码器的旋转光学编码器的制作方法

专利名称：采用具有公共刻线基板的多个子编码器的旋转光学编码器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用来感测可旋转对象(例如，伺服电动机)的旋转位 置的旋转光学编码器领域。
背景技术：
需要位置反馈用于包括往复式电动机的电动机旋转位置的闭环 控制。已经采用了各种位置传感器技术，包括光学位置检测器，通过 以某种方式对光进行调制作为旋转位置的函数，并且将检测到的调制 转换成相应的角位置值来进行操作。在电动机应用中，光学位置检测 器通常位于电动机旋转轴的一个轴末端。诸如图案化反射盘的组件可 以耦合至旋转轴的末端，并且相邻的编码器元件运行以产生光信号并 且检测从盘反射的光。例如，可以通过采用盘上的反射和非反射区域 的图案来实现该调制，从而反射光的图案指示盘(同样也是电动机轴) 的旋转位置。
根据上述布置的光学位置检测器的一个问题是，由偏心运动或电 动机轴旋转时电动机轴的"摇摆"(也被称作径向偏摆)、或者由反射 盘和轴的径向不对准引起的某种不精确。盘偏心运动向反射光图案施 加偏心分量。光学位置检测器不正确地感知该偏心分量的一部分作为 轴旋转，并因此光学位置检测器的输出包括空间周期误差分量。
已知通过在编码器盘径向相反的位置(即，相隔180度)处采用 一对光学位置检测器来解决包括偏心引起的误差的问题。对光学位置 检测器的模拟输出求和，以使完全消除特定范围内的偏心影响。尽管 该配置可以有效地消除偏心误差，但其仍旧具有两个缺陷。首先，感 知垂直于光学位置检测器之间的直径线方向上的光学位置检测器之间 的相对运动(differential motion)作为旋转运动。如果安装结构或位 置检测器的组件随着温度变化，则可能发生这样的相对运动。第二个缺点是，很难对准位置检测器。必须对准两个分离的位置检测器，以 使相应的模拟输出信号彼此同相，否则将削弱总信号的调制。低调制 信号降低信噪比并限制位置检测器的内插分辨率。

发明内容
为了克服上述现有技术的不足，公开了一种旋转光学编码器，采 用利用共享单片刻线基板的多个光学子编码器。在刻线基板上形成的 相应刻线孔图案用于在转动刻度盘的相应位置处创建光学图案。由于 子编码器的刻线孔图案在相同的刻线基板上，降低了温度引入的相对 影响，因此，提高了整体编码器精确度。
所公开的旋转光学位置编码器包括光源、包括光学刻度图案的 单片刻度盘、包括光源和刻度盘之间的刻线孔图案组的单片刻线基板、 检测器、和转换和数字处理电路。光源、刻度盘、刻线基板、以及检 测和转换电路在围绕旋转轴的角位置处形成多个光学子编码器，每一 个子编码器具有经由一组相应刻线孔图案和光学刻度图案从光源延伸 至检测和转换电路的光路。数字处理电路可操作于组合子编码器的数 字位置输出值来产生编码器位置输出值。光学子编码器可以包括增量 位置编码器，将增量位置编码器的输出进行组合来提供具有由于使用 共享刻线基板而提高的热稳定性的高分辨率位置指示。可以利用附加 的光学子编码器来提供零基准或"索引"指示，以及电动机轴的初始 移动的粗绝对位置指示。
在一类实施例中，编码器可以用来感测往复式轴的旋转位置，往 复式轴具有小于整转一半的转动范围，例如用于作为用来导引激光系 统中的激光束的所谓的"检流计"(检流计)的一部分。光学子编码器 是增量位置子编码器。光学图案包括刻度盘的径向相反端上的两个刻 度部分，刻度盘还包括两个刻度位置之间的光学位置基准图案。光学 位置编码器还包括增量光学子编码器之间的基准光学子编码器。基准 光学子编码器包括，沿着光源组件和刻度盘的光学位置基准图案之间 的基准光学子编码器的光路、在刻线基板上形成的基准刻线孔图案。 光学位置基准图案可以包括，与可旋转轴的零基准或"索引"位置相对应的位置处的零基准图案，与刻线基板的相应的零基准刻线孔图案 一起使用。可选地，光学位置基准图案可以包括，配置成提供可旋转 轴的绝对位置的粗指示的粗绝对位置图案。在另一实施例中，可以采 用零基准光学子编码器和粗绝对位置子编码器，在这种情况下，有利
的是，将它们定位在旋转偏离增量位置子编码器l/4处的径向相反的位置。


根据以下对本发明具体实施例的描述，本发明的上述和其他目 标、特征和优点将变得显而易见，如附图所示，在不同的附图中，相 同的附图标记表示相同的部分。附图无需按比例示出，而重点放在对 本发明的原则的说明上。
图l是根据本发明的旋转光学位置编码器的示意性侧面图； 图2是图1的旋转光学位置编码器的示意性端面图； 图3是图1的旋转光学位置编码器的实现的示意性侧面图； 图4是图3的旋转光学位置编码器的示意性端面图，示出了两个增 量位置子编码器、粗绝对位置子编码器、和零基准子编码器； 图5是图4的旋转光学位置编码器中的光学刻度盘的示意图； 图6 (包括图6 (a)、 6 (b)和6 (c))在图5的光学刻度盘上形成
的光学图案的图，包括增量刻度图案、零基准图案和粗绝对刻度图案； 图7是形成图4的每一个增量位置子编码器的一部分的一组刻线
孔图案的图8是示出了图7的刻线孔图案组的刻线孔的相对相位的图； 图9是形成图4的每一增量位置子编码器的一部分的一组检测器 元件的图10是形成图4的粗绝对位置子编码器的一部分的一组刻线孔图 案的图11是形成图4的粗绝对位置子编码器的一部分的一组检测器元 件的图12 (包括图12a和12b)是示出了图4的增量和粗绝对子编码器的光路的示意性侧面图13是形成图4的零基准光学子编码器的一部分的零基准刻线孔 图案的图14是图4的零基准光学子编码器的光学检测器元件的图15 (包括图15a和15b)是示出了图4的零基准光学子编码器中 的光路的示意性侧面图16是呈现在图3的旋转光学位置编码器中相应电路板上的模拟 和数字电路的方框图16a是图16电路图的一部分的可选配置的方框图17是采用包括图3的旋转光学位置编码器的伺服控制检流计的 激光系统的方框图；以及
图18是示出了可以使用在图1编码器中的可选刻度盘的图。
具体实施例方式
本发明的实施例针对用于诸如伺服电动机的精确控制的应用的 旋转光学位置编码器，其中，期望获得高精度位置感测。所公开的旋 转光学位置编码器包括的特征是，通过使用位于围绕可对其旋转位置 进行跟踪的电动机轴或其他旋转对象的不同角位置处的多个光学子编 码器，来提高精确度。光学子编码器采用共享单片刻线基板上各自的 刻线孔图案，该共享单片刻线基板可减小与编码器组件的温度引入的 相对运动相关联的误差。
图l示出了这样的旋转光学位置编码器的示意性侧面图。旋转光 学位置编码器包括位于围绕旋转轴12的各个角位置处的多个位置子编 码器IO (示为10A和10B)。通过包括刻度盘14、光源16、单片刻线基 板18、光学检测器20、模拟电路22、和数字电路24的元件配置，来形 成子编码器IO。刻度盘14、刻线基板18、和数字电路24在子编码器10 之间共享，但是单个检测器20和模拟电路22的组件专用于子编码器10。 光源16可以是为所有子编码器10产生光的单个光源，或者可以包括针 对每一子编码器10的相应子光源。光源的示例包括发光二极管、半导 体激光器、量子器件、白炽光源、荧光源。
ii刻度盘12具有在其上形成的刻度光学图案26，以使用相应图案反 射来自光源16的光。例如，这可以使用在刻度盘14的非反射表面部分
上形成的反射图案元件来实现。如以下更详细所述，刻线基板18包括 通过其提供图案化光传输的刻线孔图案组28。光学检测器20接收通过 刻线孔图案28从刻度盘12反射的光。因此，每一个子编码器10具有其 本身的光路，所述光路经由刻线基板18的相应一组刻线孔图案28和刻 度盘14的刻度光学图案26，从光源16 (共享的或单独的)延伸至各自 的光学检测器20。尽管图1仅示出了两个子编码器10A和10B，但通常 可以有设置在轴12周围的多个子编码器。
图2是图1的光学编码器的示意性顶或端面图。在所示的配置中， 两个子编码器10A和10B处于彼此径向相反的位置(即，围绕轴12分离 1S0度)。每一个子编码器10包括各自的光源(SRC) 16、刻线孔图案 (RA)组28、刻度光学图案26、和在沿着径向向外延伸的方向上设置 的光学检测器(DET) 20。如上所述，实际上，光源16A和16B可以组 成单个共享光源16。同样，刻度光学图案26A和26B可以组成诸如沿着 完整刻度盘14延伸的弯曲衍射光栅的单个刻度光学图案。利用两个子 编码器10A和10B来产生分离的位置指示，然后，为了更精确，如下所 述对分离的位置指示进行数字组合，而不是由任何一个子编码器io单 独提供。分离系统元件可以使用子编码器10的输出来控制旋转对象的 角位置。以下将提供这样使用的具体示例。
图3示出了根据图1编码器实现的旋转光学位置编码器的示意性 侧面图，可以用于作为伺服电动机装置的一部分的应用。旋转光学位 置编码器包括光学编码器头组件30和连接至旋转对象(例如，伺服控 制电动机的可旋转轴34)的刻度盘32。在所示示例中，光学编码器头 组件30包括安装至刻线基板38的光源组件36、围绕光源组件36的模 拟电路板40，以及经由支架44和电互联45与模拟电路板40分离的数字 电路板42。光源组件36包括诸如图1所述的一个或多个光源(SRC)46。 刻度盘32具有在其上形成的刻度光学图案48，以使用相应图案反射来 自光源46的光。例如，这可以使用在刻度盘32的非反射表面部分上形 成的反射图案元件来实现。如下将详细所述，刻线基板38包括通过其提供图案化光传输的孔图案组50。模拟电路板40包括接收从刻度盘32
反射的光的光学检测器52等元件。图3示出了两个分离的光学子编码 器，分别具有其本身的光路，经由各自的刻线基板38的刻线孔图案组 50和刻度盘32的刻度光学图案48从各自的光源46延伸至各自的光学检 测器52。在所示的实施例中，如以下将详细所述，图3的两个光学子编 码器是总共四个光学子编码器的一部分。
图4是图3的光学编码器的顶或端面图。包括在各自象限中设置的 四个分离的光学子编码器。具体地，两个增量位置(INC POS)子编 码器54A、 54B处于彼此径向相反的位置，粗绝对位置(COARSEABS POS)子编码器54C和零基准(ZERO REF)子编码器54D沿着与增量 位置子编码器54A和54B之间的线正交的线，处于彼此径向相反的位 置。每一个光学位置子编码器54以与图2所示的相同方式径向延伸。具 体地，所示实施例适于使用在伺服电动机应用(例如，所谓的"检流 计"镜组件)中，其中，仅有限的旋转是可能的。这样的检流计可以 使用在各种类型的激光系统中，例如，激光材料处理系统和激光测量/ 测定系统。
在所示的实施例中，相对于零基准位置，可旋转轴34的旋转限制 在+/-45机械度(或更小)。利用两个增量位置子编码器54A和54B来产 生该旋转范围内分离的增量位置指示，然后，为了更精确，如下所述 将分离的增量位置指示进行数字组合，而非通常由单个这样的子编码 器提供。使用零基准子编码器54D来提供被称作"零基准"或"索弓i" 位置(还被称作"原始"位置)的特定预定角位置的指示。粗绝对位 置子编码器54C提供粗绝对位置指示，例如，可以在初始化期间使用
该粗绝对位置指示来使控制器识别向零基准位置移动的方式。分离的 伺服驱动器或控制器使用所有子编码器54的输出来控制连接至可旋转 轴34的系统元件(例如，上述激光导引镜(laser-steering mirror))的 角位置。
图5示出了刻度盘32的配置。沿着刻度盘32的外周布置四个反射 图案48A-48B。如下详细所述，图案48A和48B是刻度光学图案，包括 各自的形成精细间隔的衍射光栅的间隔线组。刻线光学图案48A和48B中的每一个形成各自的增量位置子编码器54A和54B的一部分，并且分 别基本上沿着刻度盘32的四分之一圆周延伸，以提供距离可旋转轴34 的零基准位置大约+A45机械度范围中的精细间隔增量位置指示。零基 准图案48D形成零基准子编码器54D的一部分，并且建立零基准或索引 位置。粗绝对位置图案48C形成粗绝对位置子编码器54C的一部分，并 建立粗绝对位置指示。
图6详细地示出了各个刻度光学图案48。图6 (a)示出了衍射光 栅刻度图案48A、 48B的一部分。.如上所述，这些包括若干精细间隔的 光栅线。在一个实施例中，线可以是10微米宽并间隔10微米以获得20 微米间隔。大体上，刻线图案48A和48B分别具有如图5所示的弯曲形 状，每一条线沿着径向延伸，并且总图案跨过刻度盘32的四分之一圆 周延伸。在例如由刻线孔图案50限定的极小角间隔(如下所述)上， 每一刻度图案48A和48B的线基本上平行。如下所述，刻度图案48A和 48B分别结合各自的子编码器54A、 54B的刻线孔图案组50而操作，以 在到达各自的光学检测器52的光的强度中产生依赖于位置的变化或调 制。检测器52产生相应的模拟输出信号，模拟电路板40和数字电路板 42上的电路对该输出信号进行处理以产生数字信号。将数字信号数字 组合以获得指示可旋转轴34的角位置的位置值。
图6 (b)示出了零基准图案48D。其包括索引图案56和粗刻度图 案58。当索引阁案56移动过索引位置时，以自相关的方式，使用索引 图案56与相应的刻线孔图案来产生具有窄脉宽并相对高信噪比的信 号。粗刻度图案58提供增量角位置的粗指示。从粗刻度图案58产生的 信号对由索引图案56的检测而产生的信号进行选通，来产生总零基准 输出信号，将总零基准输出信号与来自增量位置子编码器54A、 54B 的位置信号进行组合来识别可旋转轴34的精确零基准位置。在所示的 实施例中，选择零基准位置，以使来自每一光源16的光在该位置击中 每一刻度光学图案48的角范围的中间。
图6 (c)示出了粗绝对图案48C。其包括沿着圆周方向延伸的多 个三角图案。在所示的实施例中，三个向外辐射图案60O最左侧的边 最宽，并且在最右侧成为一点，并且三个向内辐射图案60I具有相反的方向。将理解的是，从每一组图案60反射的光的强度基本上线性变化， 作为可旋转轴34的角位置的函数。针对图案60，以差分方式使用各个
光学检测器52的输出来提供粗绝对位置指示。具体地，如果将针对图 案60O和60I的两个相应的检测器的输出标记为A和B，则粗绝对位置输 出信号可以是(A-B)(A+B)。在图案60的最左侧的边，该值将是最大的 正数，在图案60的最右侧的边，该值将是最大的负数；并且在中间点， 该值为零(当A-B)。如果中间点与由零基准子编码器54D指示的零基 准位置精确对准，则值(A-B)(A+B)的极性指示偏离零基准位置的方 向，并且幅度指示偏离的距离。实际上，可能需要执行校准过程，从 而建立图案60的中间点和由零基准子编码器54D指示的零基准位置之 间的关系，然后可以向子编码器54C或54D中的一个或另一个的输出应 用相应的调整或校正。例如，初始化逻辑使用来自粗绝对位置子编码 器54C的粗绝对位置指示，来确定将可旋转轴34从任意初始位置旋转 至零基准位置所需的方向和距离。
图7示出了增量位置子编码器54A、 54B的每一组刻线孔图案50A、 50B (即，针对子编码器54A和54B中的每一个重复图7所示的结构)。 每一组刻线孔图案50A、 50B包括三个刻线孔图案66，示为内侧图案 661、中间图案66M和外侧图案660。这些图案中的每一包括四个刻线 孔64，标记为64-l至64-4，如图所示。每一个刻线孔64是形成衍射光 栅的一组间隔线。在一个实施例中，线的间距例如为17微米。可以形 成光栅作为相位光栅或振幅光栅。
在进一步描述刻线孔64之前，简单地对增量位置子编码器54A、 54B的总操作进行描述。这些子编码器中的每一个被设置为多相位置 检测器。可以在与刻度图案的不同空间相位相对应的多个位置处获得 从刻度盘32反射的光学图案的采样，根据三角关系将这些釆样进行组 合来产生单个增量位置估计。实际上，在所示的实施例中，增量位置 子编码器54A、 54B是四相位编码器。获得与光条纹周期的空间相位O。、 90。、 180。和270。相对应的采样。'这些值可以标记为A、 B、 A-和B-， 并且分别代表与条纹内(intra-fringe)位置相对应的相位角e的sin、cos、 -sin和-cos。 e的值计算为e = tan" {[(A)-(A-)]/[(B)-(B-)]}
因此，在刻线孔64的每一图案66内，根据总方案选择四个刻线孔 64中每一个的相对空间相位，通过该总方案可以实现四相位光学编码 器。可以釆用各种方案。在所示的实施例中，使用以下方案(A与0。 相对应，B与90。相对应)
64-1 64-2 64-3 64-4
迎
B
A
A-
B國
中间
A
A
A
A
B-A-A B
图8示出了上述具体方案。使刻线孔的中间图案66M的刻度线位于 360。的倍数处。内侧图案661的刻线孔64-1至64-4的线分别移动90°、 0°、 180。和270°。外侧图案660的刻线孔64-1至64-4的线分别移动270°、 180。、 0°和90°。
图9示出了增量位置子编码器54A、 54B的检测器52A、 52B。每一 个检测器52具有两个分离的检测器阵列67:径向内侧阵列67I和径向外 侧阵列670，每个检测器阵列67具有四个检测器。在所示的实施例中， 每一个子编码器54A、 54B具有两个子光路，每一个阵列671、 670对应 一个子光路。内侧子光路沿着入射方向通过内侧刻线孔图案661、并且 沿着反射方向通过中间刻线孔图案66M延伸，在内侧检测器阵列671 处终止。外侧子光路沿着入射方向通过中间刻线孔图案66M、并且沿 着反射方向通过外侧刻线孔图案660延伸，在外侧检测器阵列670处终 止。以下更详细对这些子光路进行描述。如下所述，以模拟的方式将 阵列67I和670各自的输出进行组合来提供光学编码器的特定性能优 点。将理解的是，对于内侧光路，可以分别获得空间相位B、 A、 A-和B-处的四个釆样，并且对于外侧光路，可以获得空间相位B-、 A-、 A和B处的四个采样。
图10示出了粗绝对位置子编码器54C的刻线孔图案组50C。其包括三个矩形刻线孔681、 68M和680。图ll示出了检测器52C，包括内侧 检测器69I和外侧检测器690。与增量位置编码器54A、 54B—样，粗绝 对位置子编码器54C具有径向内侧和径向外侧的子光路。
图12a和12b是示出了针对每一个子编码器54A、 54B和54C的两个 子光路的示意性侧面图。图12a示出了增量子编码器54A和54B的光路。 来自光源46的光沿着入射方向入射，通过内侧和中间刻线孔图案661、 66M传播，并且由刻度盘32的相应的刻度光学图案48A或48B反射。反 射光沿着反射方向，通过中间和外侧刻线孔图案66M、 660传播至模 拟电路板40 (图12中未示出)上的相应的检测器阵列67。图12b示出了 类似于增量子编码器54A、 54B的光路的粗绝对子编码器54C的光路。 釆用不透光屏70来防止来自光源46的杂散光不经过预定的光路到达检 测器67、 69。在所示的实施例中，屏70通常可以是容纳光源组件36(图 3)的圆柱形外壳的一部分。
图13示出了零基准子编码器54D的刻线孔图案组50D。其包括四 个内侧刻线孔72I和一个外侧刻线孔图案720。类似于刻线孔64(图7)， 形成内侧刻线孔72I作为衍射光栅，但是具有与粗刻度58的周期相对应 的粗间隔。外侧刻线孔图案720是具有与索引图案56 (图6 (b))的宽 度和间距相对应的宽度和间距的一组矩形开孔。
图14示出了零基准子编码器54D的检测器52D。其包括四个内侧 检测器73I和两个外侧检测器730。类似于子编码器54A、 54B和54C， 零基准子编码器54D还具有径向内侧和径向外侧的子光路。内侧子光 路通过内侧刻线孔72I延伸至内侧检测器731，并且外侧子光路通过外 侧刻线孔720延伸至外侧检测器730。如所述，这些光路与图12所示的 其他子编码器54A、 54B和54C的光路有些不同。
图15以侧面示出了形成零基准子编码器54D的子光路。图15a示出 了外侧子光路。来自光源46的光沿着入射方向通过外侧刻线孔720传 播，并且由刻度盘32的索引图案56反射。反射光沿着反射方向通过外 侧刻线孔720传播回至模拟电路板40 (未示出)上的相应的外侧检测 器730。图15b示出了内侧子光路。来自光源46的光沿着入射方向通过 内侧刻线孔72I传播，并由刻度盘32的粗刻度图案58反射。反射光沿着反射方向通过内侧刻线孔721传播回至内侧检测器731 。来自内侧检测
器73I的信号用来对由外侧检测器730产生的信号进行选通，从而对于 由子编码器54A、 54B产生的精确跟踪信号，选通的索引信号具有已知 的相位。在模拟电路板40上发生这种选通。
图16是图3的光学编码器的电子方框图。示出了子编码器54的各 个检测器52。每一个子编码器54具有关联的模拟/数字转换器(A/D) 74，将模拟/数字转换器(A/D) 74各自的输出发送至数字板42。对于 增量位置子编码器54A和54B中的每一个，具有两组四相位模拟输出， 示作A1/A2和B1/B2。对于子编码器54A和54B中的每一个，在模拟组 合电路(对于子编码器54A是75A，对于子编码器54B是75B)中对各 个模拟输出进行组合。例如，该组合可以采用以下形式，将相应的检 测器元件67I和670的输出简单地连接在一起，或可选地，在求和布置 中使用放大器电路。通过相应的A/D转换器74对每一组合的模拟信号 进行数字化，并且将数字化的采样提供给反正切计算电路(ATAN) 76。
对于粗绝对位置子编码器54C，存在两个模拟输出，分别来自检 测器691、 690(图11)中的每一个。在A/D74C中将这些输出转换成数字 值，然后，实现上述(A-B)(A+B)计算的比例电路(RATIO) 78利用数 字化的信号来导出粗绝对位置值。
对于零基准子编码器54D，存在两组模拟输出，分别来自检测器 阵列73I和730(图14)中的每一个。通过A/D 74D将这些模拟输出转换成 数字值，并且选通电路(GATE) 80利用数字化的信号来产生用来识 别零基准位置的上述选通索引信号。
将电路76、 78和80的输出提供至数字接口电路78，数字接口电路 78向负责控制可旋转轴34的旋转位置的外部伺服驱动器提供通信。在 所示的实施例中，伺服驱动器将来自增量位置子编码器54A和54B的反 正切值进行数字组合(例如，取平均值)。在可选实施例中，如图16a 所示，在ATAN电路76和数字接口电路78之间可以执行数字组合。
根据系统目的，图16的电路可以位于一个电路板或多个电路板之 上。对于例如图3所示的实施例，期望在分离的电路板40、 42之间将模拟和数字电路分离。通常如本领域中已知的，当模拟和数字电路位于 相同的电路板上时，期望采用分离的地/电源层，以便将敏感的模拟电 路与数字电路产生的电子噪声相隔离。
图17是激光系统的框图，在激光系统中可以使用图3的光学编码
器。检流计84对激光束源(未示出)产生的激光束82进行导引，检流 计84包括安装至伺服电动机组件的光学元件86 (诸如，反射镜)，伺服 电动机组件包括电动机88和位置检测器90。可以使用图3的光学编码器 和连接至电动机轴34的刻度盘32来实现位置检测器90。将位置检测器 90的输出提供至向电动机88提供驱动信号的伺服驱动器92。伺服驱动 器92响应于来自系统控制器(SYS CTRLLR) 96的位置命令信号94来 进行操作。如通常本领域已知的，基于位置命令信号94所要求的位置， 伺服驱动器92采用电动机88的闭环控制来使可旋转轴34 (光学元件86 也是如此)转到所要求的旋转位置。
在其中使用了所公开的光学编码器的激光系统包括，例如执行激 光材料处理的系统和执行激光测量或测定的系统。激光材料处理应用 的具体示例包括基于激光的标记、钻孔、剪削、微机械加工、烧结和 焊接。
图18示出了可以使用在可选实施例中的刻度盘32'，涉及旋转位
置由光学位置编码器检测的对象的全旋转(与如上所述的检流计的有 限旋转不同)。刻度盘32'釆用完全沿着圆周延伸的刻度图案48A'。 在这样的实施例中，将理解的是，尽管在任何给定的旋转位置处于不 同的位置，但是诸如子编码器10A、 IOB的每一个子编码器能够与一个 刻度图案48A'进行交互。如所示，索引和粗位置轨迹48D'可以位于 刻度图案48A'的内部。可选地，索引和粗位置轨迹48D'可以位于刻 度图案48A'的外部。这些实施例中的任意一项都是上述实施例的备 选，其中，刻度图案48A和索引和粗位置轨迹48D沿着角方向(例如， 不同象限)分离。
尽管参照优选实施例，已示出和描述了本发明，但本领域的技术 人员将理解的是，在不背离所附权利要求限定的本发明的精神和范围 的情况下，可以进行形式和细节上的各种改变。具体地，尽管在所示的实施例中采用反射刻度盘32，在可选实施例中，期望采用透射刻度
盘32，随着外部刻线孔图案(与例如图案66M和660相对应)和检测 器52的位置而改变。
在其他可选实施例中，索引图案可能是菲涅耳带透镜、单脉冲几 何构造(快门动作)、多个脉冲的几何自相关、或衍射带透镜(圆形或 圆柱形)等。其他实施例可以使用高分辨率绝对位置子编码器来代替 上述增量和粗绝对位置子编码器。在题目为"Absolute Encoder Employing Concatenated, Multi-Bit, Interpolated Sub-Encoders"的US公 开专利申请No.20050133705中示出了这种类型的示例性编码器。该申 请还示出了还可以采用其他技术，例如，使用斜坡函数(比例式 (ratiometric)或推挽式)、灰度级图案(例如，点阵列、衍射或特制 微漫射器)、跨检测器斜线变化的聚焦光线(菲涅耳带透镜)等。此外， 可选实施例仅可以采用一个检测器阵列和子光路，而非如上所述的两 个径向分离的阵列和子光路。在这样的可选实施例中，每一增量子编 码器的刻线孔图案组仅需要两个刻线孔图案，而非上述三个刻线孔图 案。
权利要求
1、一种用于检测围绕旋转轴的角位置的旋转光学位置编码器，包括光源；单片刻度盘，包括光学刻度图案；单片刻线基板，处于光源和刻度盘之间，刻线基板包括多组刻线孔图案；检测和转换电路；以及数字处理电路，耦合至检测和转换电路，其中光源、刻度盘、刻线基板、以及检测和转换电路被配置成在围绕旋转轴的相应角位置处形成多个光学子编码器，每一个子编码器具有经由刻线基板的相应刻线孔图案组和刻度盘的光学刻度图案从光源延伸至检测和转换电路的相应光路，每一个子编码器产生相应的数字位置输出值，以及数字处理电路可操作用于将子编码器的数字位置输出值进行组合来产生编码器位置输出值。
2、 根据权利要求l的旋转光学位置编码器，其中 由光学位置编码器检测的角位置范围小于完整旋转的一半； 光学刻度图案包括处在刻度盘的相应的分隔的角位置处的两个刻度部分；刻度盘包括两个刻度部分之间的光学位置基准图案；以及 刻度盘、刻线基板、光源、以及检测和转换电路还被配置成形成 基准光学子编码器，所述基准光学子编码器包括沿着光源、刻度盘的 光学位置基准图案、和检测器之间的基准光学子编码器的光路，在刻 线基板上形成的基准刻线孔图案。
3、 根据权利要求2的旋转光学位置编码器，其中刻度盘的光学位置基准图案包括在与零基准位置相对应的位置 处的零基准图案；刻线基板的基准刻线孔图案是零基准刻线孔图案；以及 基准光学子编码器是零基准光学子编码器，被配置成利用刻度盘的零基准图案和刻线基板的零基准刻线孔图案来检测光学位置编码器是否在零基准位置处。
4、 根据权利要求2的旋转光学位置编码器，其中刻度盘的光学位置基准图案包括粗绝对位置图案，被配置成指示 光学位置编码器的粗绝对位置；刻线基板的基准刻线孔图案是粗绝对位置刻线孔图案；以及基准光学子编码器是粗绝对位置光学子编码器，被配置成利用刻 度盘的粗绝对位置图案和刻线基板的粗绝对位置刻线孔图案，来检测 光学位置编码器的粗绝对位置。
5、 根据权利要求4的旋转光学位置编码器，其中刻度盘的粗绝对位置图案还被配置成指示离开零基准位置的角位移的幅度和方向；以及粗绝对位置光学子编码器还被配置成利用刻度盘的粗绝对位置 指示图案和刻线基板的粗绝对位置刻线孔图案，来检测光学位置编码 器离开零基准位置的角位移的幅度。
6、 根据权利要求4的旋转光学位置编码器，其中刻度盘包括粗绝对位置图案对面位置处位于两个刻度部分之间 的零基准图案；并且光源、刻度盘、刻线基板、以及检测和转换电路还被配置成在粗 绝对位置光学子编码器径向相反的位置处，在两个光学子编码器之间 形成零基准光学子编码器，零基准光学子编码器包括沿着光源和刻度 盘的零基准图案之间的零基准子编码器的光路，在刻线基板上形成的 零基准刻线孔图案，零基准光学子编码器被配置成利用刻度盘的零基 准图案和刻线基板的零基准刻线孔图案，来检测光学位置编码器是否 在零基准位置处。
7、 根据权利要求l的旋转光学位置编码器，其中 刻度盘的光学图案是反射光学刻度图案，从而每一个光学子编码器的光路包括反射部分；刻线基板的每个刻线孔图案组包括第一刻线孔图案和第二刻线 孔图案，第一刻线孔图案沿着相应的光学子编码器的第一子光路的反 射部分布置，第二刻线孔图案沿着相应的光学子编码器的第二子光路 的反射部分布置；以及每一个光学子编码器还包括相应的第一和第二光学检测器，分别 沿光学子编码器的相应子光路的反射部分布置，用于接收通过相应的 刻线孔图案传播的光。
8、 根据权利要求7的旋转光学位置编码器，其中，每一个子编码 器的第一和第二刻线孔图案包括相应的共享刻线孔图案，通过所述相 应的共享刻线孔图案，光(1)沿着入射方向从光源向刻度盘传播，并且(2)沿着反射方向从刻度盘向相应的光学检测器传播。
9、 根据权利要求8的旋转光学位置编码器，其中每一个光学子编码器的第一和第二刻线孔图案包括内侧孔图案、 中间孔图案、和外侧孔图案，中间孔图案是共享刻线孔图案，每一孔图案包括多个刻线孔；配置每一光学子编码器，以使(1)从刻度盘反射沿着入射方向 通过内侧孔图案传播的光，从而主要沿着反射方向通过中间孔图案传播，以及(2)从刻度盘反射沿着入射方向通过中间孔图案传播的光，从而主要沿着反射方向通过外侧孔图案传播；内侧和外侧孔图案的刻线孔被配置为具有相同的空间相位；以及 中间孔图案的刻线孔被配置为具有各自不同的空间相位。
10、 根据权利要求7的旋转光学位置编码器，其中，刻度盘固定 在与其共轴的可旋转轴的轴末端处，并且光学编码器组件面向与可旋 转轴共轴的刻度盘，其中将光源容纳在包括固定至刻线基板的不透明外壳的光源组件内；以及光学编码器组件包括光学检测器位于其上的电路板，电路板围绕 不透明外壳并沿着离开可旋转轴的方向与刻线基板隔开。
11、 根据权利要求l的旋转光学位置编码器，其中，光源包括多 个分离的光源，每一个分离的光源仅为相应的光学子编码器提供光。
12、 根据权利要求l的旋转光学位置编码器，其中，光源包括一 个或多个分离的光源，每一个分离的光源选自由发光二极管、半导体 激光器、量子器件、白炽光源、荧光源组成的组。
13、 根据权利要求l的旋转光学位置编码器，其中，每一个光学 子编码器包括在检测和转换电路内产生的多个模拟位置值，其中，检 测和转换电路包括(1)模拟组合电路，被配置成对每一个光学子编 码器的相应的模拟位置值进行组合来产生子编码器模拟位置输出值； 以及(2)模拟/数字转换电路，被配置成从模拟位置输出值产生每一 个子编码器的数字位置输出值。
14、 根据权利要求13的旋转光学位置编码器，其中，数字处理电路可操作用于将子编码器的数字位置输出值进行组合来产生编码器位 置输出值。
15、 根据权利要求l的旋转光学位置编码器，其中光学子编码器的数目是两个，所述两个光学子编码器位于关于可旋转轴径向相反的 位置处。
16、 根据权利要求l的旋转光学位置编码器，其中，光学位置子 编码器围绕旋转轴等间隔地布置。
17、 根据权利要求l的旋转光学位置编码器，其中，刻线基板和 刻度盘是由相同的材料制成。
18、 根据权利要求17的旋转光学位置编码器，其中，所述材料是 玻璃。
19、 根据权利要求l的旋转光学位置编码器，其中 刻度盘包括与刻度部分径向隔开的光学位置基准图案；以及 刻度盘、刻线基板、光源、以及检测和转换电路还被配置成形成基准光学子编码器，所述基准光学子编码器包括沿着光源、刻度盘的 光学位置基准图案、和检测器之间的基准光学子编码器的光路，在刻 线基板上形成的基准刻线孔图案。
20、 根据权利要求19的旋转光学位置编码器，其中刻度盘的光学位置基准图案包括零基准图案； 刻线基板的基准刻线孔图案是零基准刻线孔图案；以及基准光学子编码器是零基准光学子编码器，被配置成利用刻度盘 的零基准图案和刻线基板的零基准刻线孔图案来检测光学位置编码器 是否在零基准位置处。
21、 伺服电动机组件，包括伺服电动机，具有可围绕旋转轴旋转的电动机轴；以及 权利要求l的旋转光学位置编码器，位于可旋转伺服电动机轴的 一端，并且被配置成检测旋转位置。
22、 一种用于沿着所选方向引导入射激光束的伺服控制检流计， 包括权利要求21的伺服电动机；以及光学元件，耦合至可旋转伺服电动机轴的另一端，并且配置成沿 着入射激光束的光路布置。
23、 一种激光系统，包括激光束的源；权利要求22的伺服控制检流计；伺服驱动器，被配置成响应于位置命令信号来控制伺服电动机组件的可旋转伺服电动机轴的角位置；以及系统控制器，可操作用于产生位置命令信号来以期望的方式引导 激光束。
24、 根据权利要求23的激光系统，被配置成使用在激光材料处理 和激光测量的至少一项中。
25、 一种用于检测围绕旋转轴的可旋转对象的角位置的旋转光学 位置编码器，包括反射单片刻度盘，包括光学刻度图案，将所述刻度盘安装至可旋转对象；单片刻线基板，靠近刻度盘，刻线基板包括多组刻线孔图案； 光源组件，固定至刻线基板，并包括一个或多个光源，所述一个或多个光源可操作用于引导光通过刻线基板的刻线孔图案到达刻度盘的光学刻度图案；检测和转换电路；以及数字处理电路，耦合至检测和转换电路， 其中光源、刻度盘、刻线基板、以及检测和转换电路被配置成在围绕 旋转轴的相应象限中形成多个光学子编码器，所述子编码器包括(i)处于径向相反位置的一对增量位置子编码器，(ii)零基准子编码器，以及(iii)粗绝对位置编码器，每一个子编码器是反射光学子编码器， 具有经由刻线基板的相应刻线孔图案组和刻度盘的光学刻度图案从光 源延伸至检测和转换电路的相应光路，每一个子编码器具有相应的数 字位置输出值，以及数字处理电路可操作用于组合子编码器的数字位置输出值来产 生编码器位置输出值。
全文摘要
用于检测角位置的旋转光学位置编码器包括光源(16)、包括光学刻度图案的单片刻度盘(14)、包括光源和刻度盘之间的刻线孔图案组的单片刻线基板(18)、检测和转换电路、和数字处理电路。光源、刻度盘、刻线基板和检测和转换电路在围绕旋转轴的角位置处形成多个光学子编码器，每一个子编码器具有经由相应刻线孔图案组和光学刻度图案从光源向检测和转换电路延伸的光路。数字处理电路可操作用于组合子编码器的数字位置输出值来产生编码器位置输出值。光学子编码器可以包括提供具有由于使用共享刻线基板而提高热稳定性的高分辨率位置指示。附加的光学子编码器提供零基准或“索引”指示以及粗绝对位置。
文档编号G01D5/34GK101529211SQ200780038452
公开日2009年9月9日 申请日期2007年8月2日 优先权日2006年8月21日
发明者基思·M·辛里奇斯, 库尔特·西多尔 申请人:Gsi集团公司