专利名称：编码器起始位置信号处理方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及渲染装置(rendering device)和技术。本发 明还涉及位置编码器。本发明还涉及用于处理编码器起始位置(home position)信号的方法和系统。
背景技术：
渲染装置诸如打印机可以使用位置编码器来准确地跟踪和控制移 动部件——诸如旋转杆(rotating shaft)、辊子(roller)和印刷 鼓(print drum)——的位置。另外，位置编码器可以被用来确定被 跟踪的部件的参考位置或起始位置。许多因素可以负面影响位置编码 器的运行，使它难以准确可靠地确定起始位置。因此需要一种改进的 方法，以检测起始位置。
发明内容
下述发明内容意在促进对所公开实施方案独有的创造性特征的理 解，而不意在作为完备描述。这些实施方案的多方面的完备描述可以 通过综览整个说明书、权利要求书、附图和摘要来获得。
因此，本发明的一方面是提供改进的渲染装置，诸如打印机。
本发明的再一方面是提供可靠的起始位置信号处理系统，其可以 向打印机的处理方向印刷头对准算法(process direction print head alignment algorithm)供应准确的印刷鼓起始位置信息。
本发明的另一方面是提供改进的方法和系统，其用于在打印机的 整个寿命中保证打印机的印刷品质一致，即使编码器部件可能老化。
本发明的又一方面是提供改进的方法和系统，其用于提高起始位 置检测的健壮性。
现在可以如本说明书所述地实现前述方面和其他目标及优点。公 开了编码器起始位置信号处理系统和方法，其包括，输出正弦和余弦 正交信号的编码器读取器，和垂直于旋转轴旋转的码盘。该码盘具有光轨，其调制正交编码器信号振幅以使码盘每次旋转生成一次振幅变 化。这个振幅变化可以被解释为码盘的起始位置。正弦和余弦被转化
为单个量值信号(single magnitude signal),其可以继而在例如 20kHz被采样，以使信号处理算法可以算出变化率(ROC)信号，该ROC 信号具有提高的信噪比。为了进一步提高信噪比，可以对ROC信号进 行滤波。为了提高起始位置检测的健壮性，检测ROC起始位置信号特 征形状的算法可以被应用到该ROC信号。
根据本发明的一个方面， 一种用于处理编码器起始位置信号的系 统，其包含处理器；数据总线，其耦合到所述处理器；和包含计算 机码的计算机可用介质，所述计算机可用介质耦合到所述数据总线，
所述计算机码包含可被所述处理器执行的指令，并被配置为通过调 制与具有码盘表面的码盘关联的编码器盘上的多个条宽度，来生成绝 对起始位置量值信号，其中所述码盘表面垂直于旋转轴旋转；通过对 所述绝对起始位置量值信号进行采样来生成变化率信号，并对所述变 化率信号进行滤波以提高信噪比；和通过应用起始位置算法来确定所 述变化率信号的起始位置，其中所述变化率信号的信号特征形状提高 了与所述变化率信号关联的所述起始位置的健壮性，以有效地处理所 述编码器起始位置信号，从而加强渲染装置的有效性。
优选地，其中所述多个条宽度被配置为基本均匀间隔且以中心对 中心方式定位。
优选地，其中所述编码器读取器包含光学传感器。 优选地，其中所述渲染装置包含具有至少一个印刷头的打印机。 优选地，其中所述指令进一步被配置为允许所述变化率信号的所 述起始位置补偿所述印刷头的处理方向对准，这有助于提高所述打印 才几的打印品质。
优选的，其中所述编码器包含光学传感器，所述指令进一步被配 置为计算与至少一个最大变化率值和至少一个最小变化率值关联的 多个鼓位置，以确定所述变化率信号的所述起始位置；和配置所述多 个条宽度，使其基本均匀间隔且以中心对中心方式定位。
根据本发明的另一方面， 一种包含计算机程序码的计算机可用介 质，所述计算机程序码包含计算机可执行指令，其被配置为通过调的编码器盘上的多个条宽度，来生成绝
对起始位置量值信号，其中所述码盘表面垂直于旋转轴旋转；通过对 所述绝对起始位置量值信号进行采样来生成变化率信号，并对所述变 化率信号进行滤波以提高信噪比；和通过应用起始位置算法来确定所 述变化率信号的起始位置，其中所述变化率信号的信号特征形状提高 了与所述变化率信号关联的所述起始位置的健壮性，以有效地处理所 述编码器起始位置信号，从而加强渲染装置的有效性。
优选地，其中所述被包含的计算机程序码还包含计算机可执行指 令，其被配置为计算与至少一个最大变化率值和至少一个最小变化 率值关联的多个鼓位置，以确定所述变化率信号的所述起始位置。
优选地，其中所述多个条宽度中的每个条宽度基本均匀间隔且以 中心对中心方式定位。
优选地，其中所述编码器读取器包含光学传感器。 优选地，其中所述渲染装置包含具有至少一个印刷头的打印机。 优选地，其中所述被包含的计算机程序码还包含计算机可执行指 令，其被配置为允许所述变化率信号的所述起始位置补偿所述印刷头 的处理方向对准，这有助于提高所述打印机的打印品质。
各个附图中相似的参考数字指示相同的或功能相似的元件，这些 附图被纳入本说明书并构成本说明书的一部分，且图示了实施方案， 并与详述共同用于解释本说明书公开的实施方案。
图1图示了可根据一个优选实施方案实现的渲染装置的示意框
图2图示了图i描绘的根据一个优选实施方案的包括码盘和编码 器传感器的编码器系统的示意图3图示了根据一个优选实施方案的码盘光轨的示意图4图示了根据一个优选实施方案的、当码盘光轨经过发射器和 图2的光学编码器传感器的检测器之间的沟隙时从码盘光轨产生的正 交信号的正弦和余弦波形的示意表示；
图5图示了根据一个优选实施方案的、从编码器正交输出产生的量值信号的图解表示；
图6图示了根据一个优选实施方案的编码器系统的示意图，其描 绘了码盘轴位置的中值和极值；
图7图示了根据一个优选实施方案的、信号量值对照码盘轴在编 码器传感器沟隙内位置的图解表示；
图8图示了根据一个优选实施方案的与旋转轴成非90°角安置的 码盘；
图9图示了根据一个优选实施方案的由图IO描绘的码盘误对准造 成的轴向跳动(axial runout)支配性地导致的编码器量值改变的图 解表示；
图10图示了根据一个优选实施方案的由码盘的轴向跳动支配性 地导致的三个相似的最小量值的图解视图11图示了根据一个优选实施方案的量值信号和从其产生的ROC 信号的图解表示，其显示ROC信号具有较大的信噪比；
图12图示了可以根据一个优选实施方案实现的ROC信号1305和 1310的图解表示，其中具有最大和最小ROC值1315、 1320、 1325、 1330 和印刷鼓转速1335。
具体实施例方式
这些非限制性实施例中讨论的具体值和配置可以被改变，其引用 仅为了说明至少一个实施方案，而不意在限制本发明的范围。
通过示例性实施例，本说明书仅描述旋转透射性光学编码器系统 (rotary transmissive optical encoder system)， 但应理解,所 描述的技术也可以被应用于线性编码器系统、反射光学编码器、或任 何产生正弦和余弦信号以及将起始位置编码为正弦和余弦波形振幅变 化的编码器。
图1图示了可以根据一个优选实施方案来实施的渲染装置108的 示意框图。注意，在图1至图2中，相同或相似的零件或元件通常用 相同的参考数字表示。也注意，为了这个讨论，假定渲染装置108主 要或专门用作打印机。然而，应意识到，渲染装置108也可以是复印 机、传真机、扫描仪等等。如图1所描绘，标记系统210可以;故用来向印刷鼓300施加标记 材料，以形成被转印到印刷输出介质225的图像。标记系统210可以 是，例如，喷墨标记系统或电照相标记系统。印刷鼓300连接有编码 器系统240，编码器系统240包括码盘310，如图2所描绘。渲染装置 108还包括与马达250关联的马达驱动器220。电源235向马达驱动器 220供应电能，马达驱动器220接着能够与控制器260电连通。
图1描绘的配置还包括编码器系统240，其与控制器260电连通。 编码器系统240提供了输出信号，其被发射到控制器260。印刷鼓300 机械地连接到该编码器系统。渲染装置108还可以包括传动系(drive train) 230,其与马达250机械连接，并与印刷鼓300关联。
图2图示了图1图示的根据一个优选实施方案的编码器系统240 的示意图。图2描绘了码盘310以及正弦和余弦输出正交编码器传感 器330，它们相对于彼此移动，以追踪印刷鼓300的运动。码盘310 由透射性码盘构成，并包括光轨400 (如图3所示)，其可以被编码， 以识别印刷鼓300的预定起始位置。马达250与马达驱动器200和电 源235关联，并可以经由传动系230驱动印刷鼓300。图1描述的控 制器260从该编码器系统接受信号、执行信号处理、控制马达驱动器、 并能够管理其他打印机和/或渲染操作。
图2示意性示出的编码器系统240利用透射性码盘310和具有正 交信号作为其输出的光学模拟编码器读取器330。编码器传感器330 的一个实例是光源或发射器诸如发光二极管(LED)、用于准直光的 透镜、和通常由多个光电二极管或光电三极管340組成的传感器阵列。 光学编码器传感器可以通过，例如，可从Avago Technologies, Inc 得到的AvagoHEDS-9710-R50光学增量编码器模块或类似装置来实现。 光源和传感器阵列被有码盘经过的沟隙分离。
根据一个优选实施方案，码盘310可以被安置为与轴320同心且 垂直，其中轴320也是印刷鼓300的旋转轴。码盘310光轨由围绕该 码盘圆周的多个均匀间隔的不透明条(bar )和透射性间隙组成。当码 盘310在旋转轴320上旋转时，来自发射器的光穿过该码盘，生成的 光和阴影图案被传感器阵列检测，以产生正弦和余弦正交输出信号。 另外，条和间隙的宽度是变化的，以将起始位置编码进光轨的一段。条/间隙的这种变化导致正交信号的振幅当码盘每次旋转时减少一次。
图3图示了根据一个可能的实施方案的码盘光轨400的已编码的 起始区(home region)的示意图。注意，在2005年12月6日授权给 Martenson等人的题为"Position Encoder"的美国专利No. 6， 972， 403 中公开了光轨400的一个实例，该文献通过引用全部纳入本说明书。 美国专利No. 6, 972, 403已被转让给施乐公司(Xerox Corporation )。
当码盘光轨400穿过编码器读取器330的光源和传感器阵列之间 的沟隙时，产生了包含正交信号的正弦和余弦波形。这些波形的示意 图在图4中示出。该正交信号振幅的减小指示码盘310的起始位置 510。例如，模拟正弦和余弦波形可以被输入控制器，在此，它们在 20kHz的采样率下被数字化为二进制数。使用下面的等式(1),可以 从这些表示正弦和余弦波形的数算出绝对量值信号。
注意，将模拟电信号转化为二进制或一些其他机器编码值的方法 以及操纵和计算方法对本领域技术人员是公知的，在此不予讨论。为 了使本发明的信号操纵程序简练并更容易理解，本说明书仅示出和讨 论这些信号的图解表示。
量值=>/正弦2 +余弦2 (1)
图5图示了量值信号600的图解表示，并描绘了图1-2的印刷鼓 300的多圏旋转。图5描绘的量值510中的两个瞬时下降是起始脉沖 (home pulse),其通常是码盘旋转经过传感器沟隙时由码盘光轨的 起始区产生的。码盘每转一圏产生一次起始脉冲，因此相继的起始脉 沖之间的距离610代表印刷鼓的一圈旋转。在未改进的起始位置检测 系统中，被打印机控制器检测并解释为编码器和鼓起始位置的，正是 这些起始脉沖的最低振幅。
除了由被编码在光轨中的起始位置导致的有意的振幅变化，该量 值信号的总体振幅还受码盘在编码器读取器沟隙内的轴向位置影响。
图6图示了编码器系统240的示意表示，其描绘了码盘310的三 个码盘位置311、 312和313。
图7图示了针对码盘310的三个位置311、 312和313的信号量值 随编码器读取器沟隙内的码盘轴向位置而变化的图解表示800。在这 个实例中，位置312可以被当作码盘的标称理想位置(nominal desiredposition) , 311和313是可能的极限位置。码盘310在编码器读取 器沟隙内的轴向运动导致了量值信号的不想要的变化。
影响量值信号振幅的因素包括码盘表面上的灰尘、指紋和其他 类型的污染；码盘材料、制造过程的多样性；带有轴隙(axial play) 的印刷鼓；非平坦码盘和其他缺陷。所有这些非有意的量值信号变化 可以被认为是信号噪声，其模糊了起始脉冲的有意的振幅下降，使控 制器难以检测起始脉冲，或在某些情形下检测到虚假的起始脉冲。
在某些编码器系统组件中， 一个普遍问题是码盘的非平坦和码盘 与印刷鼓轴的误对准。图8示意性地图示了不垂直于旋转轴320安置 的码盘315。这样的安置使码盘315在旋转时改变其在编码器读取器 330的沟隙内的轴向位置，从而导致量值信号的不想要的振幅调制， 频率为每圈一个周期。这个调制可以导致该量值信号增大或减小，或 在一些情况下降至低于起始脉冲。
图9图示了量值信号1010的一个实例的图解表示，其描绘了由不 垂直于旋转轴320安置的码盘315导致的轴向跳动。轴向跳动可以导 致量值增大或减小，但在这个情形下，轴向跳动导致量值信号增大， 然而起始脉冲大体未受影响。
图10图示了由码盘310生成的量值信号的图解视图1100，其具 有四个指示码盘的量值信号倾斜。在这个实例中，量值信号1010的变 化被多个因素影响。起始位置1170可以是真正的起始位置，位置1180 和1190可以是虛假的起始位置，或由轴向跳动及其他因素导致的噪声 信号。如所描绘，在真实起始位置信号1170的最小值和噪声信号1190 的最小值之间存在非常小的量值差1120。真实起始位置信号1170用 比倾斜1140和1160陡峭得多的倾斜1150指示。而且，真实起始位置 信号1170的特征是，其随后有紧接着的倾斜1155。在这个实例中， 所有码盘310缺陷和跳动的结合产生了近似等于预期起始位置的最小 量值。
一个算法可以被应用到量值信号，以产生表现该量值信号的瞬时 变化率的另一种信号(ROC信号)。图11图示了编码器量值信号1010 和从其得出的ROC信号1205的图解表示1200。通过观察量值信号1010 可以看到，编码器量值信号的相邻最小值的振幅与预期起始位置信号的振幅相等，然而观察ROC信号1205可以看到，起始位置信号1215 的振幅远大于信号噪声1210的振幅。此后，也可以对R0C信号1205 进行滤波，以进一步降低噪声。
作为一个示例性实施例，可以从编码器量值信号得出R0C信号， 继而以下述方式对其进行滤波。编码器量值信号1010可以在20kHz 被采样。可以从先前起始位置量值采样中减去当前起始位置量值采样 值。继而，可以将这个计算结果除以已知的采样间隔时间(在这个实 施例中，20kHz的采样率对应的时间是50us),给出每单位时间的变 化，从而得到变化率(ROC)。在这里讨论的实施例中，为了进一步降 低噪声，可以通过确定256个连续采样的移动均值(running average) 来对ROC信号1205进行滤波。这样，根据一个优选实施方案，从编码 器量值信号1010得出的R0C信号1205提供了大信噪比，其非常清晰 地将起始脉冲与其它编码器量值变化区分开来。
先前，未改进的起始位置检测方法通过用算法搜索编码器量值信 号的最小振幅来确定起始位置。这个最小值被指定为起始位置，它近 似处于相邻的ROC最大值和最小值之间。因此，为了所示实施例的简 单性和通用性，通过ROC信号处理指定的起始位置在相邻的最大和最 小ROC信号振幅之间的中心。
图12图示，鼓位置yl对应于1315处的最大R0C值M1，鼓位置 y2对应于1320处的最小ROC值ml。类似地，鼓位置y3和y4分别对 应于量值M2和m2。中心起始位置通过算式(yl+y2) /2或(y3+y4) /2算 出，取决于所选择的相邻R0C信号点。注意，不要求将起始位置选在 最大和最小R0C值之间的中心，本发明不限于仅使用一个最大值或一 个最小值来生成起始位置。所选择的起始位置可以是任意的，仅与R0C 信号有关。
与先前使用的最小量值起始位置方法相比，R0C信号起始脉冲不 仅具有改进的信噪比，而且具有特征形状。这个形状的信息可以被用 来生成更加可靠和稳定的起始位置。例如，通过调整印刷鼓在信号采 样期间的速率，可以维持ROC信号的特征形状。
如图12所示，当R0C信号1310生成时，鼓速率1335被调整为恒 定。此外，可以通过这样的算法或测量来验证ROC信号，例如确定最小和最大值之间的跨度、确定与最小和最大值相邻的信号的斜率、 确定最小和最大振幅之差、确定最小和最大振幅的比值等等，然后将 这些测量的结果与期望特征相比较。
应意识到，上述及其他特征和功能的变体或替换物可以按需结合 到许多其他系统或应用中。而且，本领域技术人员以后可以做出的目 前尚未预见或设想到的各种替换物、变体或改进也被包括在下述权利 要求中。
权利要求
1.一种用于处理编码器起始位置信号的方法，其包含通过调制与具有码盘表面的码盘关联的编码器盘上的多个条宽度，来生成绝对起始位置量值信号，其中所述码盘表面垂直于旋转轴旋转；通过对所述绝对起始位置量值信号进行采样来生成变化率信号，并对所述变化率信号进行滤波以提高信噪比；和通过应用起始位置算法来确定所述变化率信号的起始位置，其中所述变化率信号的信号特征形状提高了与所述变化率信号关联的所述起始位置的健壮性，以有效地处理所述编码器起始位置信号，从而加强渲染装置的有效性。
2. 权利要求l的方法，其还包含计算与至少一个最大变化率值和至少一个最小变化率值关联的多 个鼓位置，以确定所述变化率信号的所述起始位置。
3. 权利要求l的方法，其还包含，将所述多个条宽度配置为基本 均勻间隔且以中心对中心方式定位。
4. 权利要求l的方法，其中所述编码器读取器包含光学传感器。
5. 权利要求l的方法，其中所述渲染装置包含具有至少一个印刷 头的打印才几。
6. 权利要求5的方法，其中所述变化率信号的所述起始位置补偿 了所述印刷头的处理方向对准，这有助于提高所述打印机的打印品质。
7. 权利要求l的方法，其还包含 配置所述编码器读取器，以包含光学传感器； 计算与至少一个最大变化率值和至少一个最小变化率值关联的多个鼓位置，以确定所述变化率信号的所述起始位置；和配置所述多个条宽度，使其基本均匀间隔且以中心对中心方式定位。
8. —种用于处理编码器起始位置信号的系统，其包含 处理器；数据总线，其耦合到所述处理器；和包含计算机码的计算机可用介质，所述计算机可用介质耦合到所述数据总线，所述计算机码包含可被所述处理器执行的指令，并被配置为通过调制与具有码盘表面的码盘关联的编码器盘上的多个条 宽度，来生成绝对起始位置量值信号，其中所述码盘表面垂直于旋转轴旋转；通过对所述绝对起始位置量值信号进行采样来生成变化率信号，并对所述变化率信号进行滤波以提高信噪比；和通过应用起始位置算法来确定所述变化率信号的起始位置，其中所述变化率信号的信号特征形状提高了与所述变化率信号关联的所述起始位置的健壮性，以有效地处理所述编码器起始位置信号，从而加强渲染装置的有效性。
9.权利要求8的系统，其中所述指令进一步被配置为计算与至少一个最大变化率值和至少一个最小变化率值关联的多 个鼓位置，以确定所述变化率信号的所述起始位置。
10， 一种包含计算机程序码的计算机可用介质，所述计算机程序 码包含计算机可执行指令，其被配置为通过调制与具有码盘表面的码盘关联的编码器盘上的多个条宽 度，来生成绝对起始位置量值信号，其中所述码盘表面垂直于旋转轴 旋转；通过对所述绝对起始位置量值信号进行采样来生成变化率信号， 并对所述变化率信号进行滤波以提高信噪比；和通过应用起始位置算法来确定所述变化率信号的起始位置，其中 所述变化率信号的信号特征形状提高了与所述变化率信号关联的所述 起始位置的健壮性，以有效地处理所述编码器起始位置信号，从而加 强渲染装置的有效性。
全文摘要
一种编码器位置信号处理系统，其包含模拟编码器读取器和码盘。该码盘具有光轨，其调制正交编码器信号振幅，以使码盘每转一圈生成一次振幅变化(起始脉冲)。模拟编码器读取器输出由正弦和余弦信号组成的正交信号。该正交信号被转化成量值信号，其被采样，以生成变化率(ROC)信号，其提高了信噪比。继而，使用ROC起始脉冲信号的特征形状的算法可以被应用到ROC信号，以提高起始脉冲检测的健壮性。
文档编号G01D5/32GK101614558SQ200910147400
公开日2009年12月30日 申请日期2009年6月22日 优先权日2008年6月23日
发明者D·D·马特森, M·E·琼斯 申请人:施乐公司