旋转光学编码器的制作方法

专利名称：旋转光学编码器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种旋转光学编码器，特别涉及一种具有换相信号输出功能的旋转光学编码器。
背景技术：
旋转光学编码器(rotary optical encoder)主要用以探测转子的磁极位置，其主要结构包含光发射器、光接收器、介于其间的编码盘(code wheel)与编码片(code plate)以及处理电路，适当地设计编码盘与编码片上的编码轨道的图案(pattern)，即可得到所要的信号输出。
一般伺服马达的设计，多使用旋转光学编码器来探测其转动位置、速度与旋转方向，若伺服马达为无电刷型式，则传统上多以霍尔组件(Halldevices)来提供所需的转子位置信号，以使定子绕阻电流正确换相。为节省空间与降低成本，编码器制造者便将无刷马达所需的换相功能整合于编码器中，以达成前述要求并提供更为精确的换相信号(U，V，W)。
请参照图1，目前一般具换相信号输出的旋转光学编码器，多于编码盘上增设三个轨道(track)的编码，于是编码盘便包含了等间距分布的细密狭缝1，以及配合转子极数作等间距分割(透光、不透光)的交错式分布的编码轨道2、3、4，由此三个编码轨道的组合，可提供马达线圈绕阻电流换相信号。
然而，由于在编码盘上设置三个编码轨道，需相应的增设三个光传感器，且发光源的照明面积需同步加大，以确保照明区域涵盖全部的光传感器，此将导致编码器空间的需求增加与成本上升。因此，寻求能够改善上述问题并提供所需的换相信号输出的编码器，实为必要。

发明内容
本发明所欲解决的技术问题，在于如何克服公知技术所提供的旋转光学编码器中，对于增加换相信号输出，却造成编码盘使用空间增加、受光组件增加、以及所需的照明光源体积增加等问题。
鉴于以上公知技术的问题，本发明提供一种旋转光学编码器，用以于一永磁马达中输出换相信号，该永磁马达包含一转轴与固定于该转轴上的一转子，其中该旋转光学编码器包含有一编码盘，耦接于该转轴上，且包含有一编码轨道，该编码轨道包含多个区域，所述区域皆设有一第一开孔、一第二开孔、一第三开孔、一第四开孔、一第五开孔、与一第六开孔，其中，该第一开孔、该第二开孔、与该第三开孔分别和该第六开孔、该第五开孔、与该第四开孔成对称关系；一光发射器，用以对该编码盘投射光源；二光传感器，与该光发射器分别位于该编码盘的两侧，用以探测透过该编码盘的光强度；及一处理电路，与所述光传感器连接，用以将该光强度转换为换相信号，并输出换相信号。
根据上述构想的旋转光学编码器，其中该第一开孔与该第六开孔为无开孔，该第二开孔与该第五开孔为一等份开孔，及该第三开孔与该第四开孔为二等份开孔。
根据上述构想的旋转光学编码器，其中所述光传感器为光二极管。
根据上述构想的旋转光学编码器，其中该处理电路包含二参考电平，其一用以区别有受光或无受光，另一用以区别受光量的强弱。
根据上述构想的旋转光学编码器，其中该处理电路包含多个串接电阻，用以转换光强度为电压信号。
根据上述构想的旋转光学编码器，其中该处理电路包含一转换电路，用以转换电压信号为换相信号。
根据上述构想的旋转光学编码器，其中该转换电路由一译码器提供。
根据上述构想的旋转光学编码器，其中该译码器使用PROM(可编程只读存储器)作为信号转换。
也就是说，本发明提供一种旋转光学编码器，主要包含有一编码盘、一光发射器、二光传感器及其处理电路，其中，编码盘具有一个编码轨道，于编码轨道上包含数个区域，这些区域皆设有第一开孔、第二开孔、与第三开孔以及分别与前述开孔成对称关系的第六开孔、第五开孔、与第四开孔；当编码盘随着转子旋转，由光发射器对编码盘投射光源，光传感器则感测透过编码盘的光强度，并通过处理电路，将光强度转换为换相信号，并输出换相信号。
本发明还提供一种编码盘，包含具有简单开孔变化的一编码轨道，此编码轨道包含数个区域，这些区域皆设有第一开孔、第二开孔、第三开孔、第四开孔、第五开孔、与第六开孔，其中，第一开孔、第二开孔、与第三开孔分别和第六开孔、第五开孔、与第四开孔成对称关系。
根据上述构想的编码盘，其中该第一开孔与该第六开孔为无开孔，该第二开孔与该第五开孔为一等份开孔，及该第三开孔与该第四开孔为二等份开孔。
本发明还提供一种旋转光学编码器的编码方法，用以于一永磁马达中输出换相信号，该旋转光学编码器包含一编码盘，该编码盘包含一编码轨道，该编码轨道包含多个区域，所述区域皆设有一第一开孔、一第二开孔、一第三开孔、一第四开孔、一第五开孔、与一第六开孔，其中，该第一开孔、该第二开孔、与该第三开孔分别和该第六开孔、该第五开孔、与该第四开孔成对称关系，其中该编码方法包含步骤以一光发射器对该编码盘投射光源；以二光传感器探测透过该编码盘的光强度；接收所述光传感器感测光强度后产生的感应电流；转换感应电流为电压信号；转换电压信号为换相信号；及输出换相信号。
根据上述构想的旋转光学编码器的编码方法，其中该第一开孔与该第六开孔为无开孔，该第二开孔与该第五开孔为一等份开孔，及该第三开孔与该第四开孔为二等份开孔。
根据上述构想的旋转光学编码器的编码方法，其中所述光传感器为光二极管。
根据上述构想的旋转光学编码器的编码方法，其中该转换感应电流为电压信号的步骤，还包含一提供二参考电平的步骤，其一用以区别有受光或无受光，另一用以区别受光量的强弱。
根据上述构想的旋转光学编码器的编码方法，其中该转换感应电流为电压信号的步骤，还包含一比较来源电压信号与参考电压的步骤，以得到电压信号的电平范围。
根据上述构想的旋转光学编码器的编码方法，其中该转换电压信号为换相信号的步骤，还包含一译码器将电压信号作为其储值地址，并储存对应的换相信号的输出值的步骤。
也就是说，配合上述的旋转光学编码器及其编码盘，本发明包含一种旋转光学编码器的编码方法，其步骤包含以光发射器对编码盘投射光源；再以二光传感器探测透过编码盘的光强度；接收光传感器感测光强度后产生的感应电流；转换感应电流为电压信号；转换电压信号为换相信号；最后，将换相信号输出。
本发明所达成的功效，在于仅需于编码盘上增设一编码轨道，与二光传感器及其对应的处理电路，即可达到换相信号的输出，并同时兼顾编码器空间与实现低成本等要求。


图1为现有技术的具换相信号输出的旋转光学编码器的编码盘的示意图；图2为本发明的使用于永磁马达的旋转光学编码器的示意图；图3为本发明的旋转光学编码器的组成示意图；图4为说明本发明的针对十个磁极的转子，其编码盘的划分与达成此划分的换相信号(U，V，W)的分布；图5为说明本发明所提供的编码盘的部分编码轨道图案示意图；图6为本发明的旋转光学编码器的编码方法的流程图；图7为本发明的旋转光学编码器的处理电路的示意图；及图8说明本发明的旋转光学编码器的换相信号输出数据。
1狭缝2、3、4编码轨道5第一开孔6第二开孔7第三开孔8第四开孔9第五开孔10第六开孔13旋转方向100旋转光学编码器
110编码盘111狭缝112编码轨道120光发射器130、140光传感器150处理电路151译码器500永磁马达510转子520转轴PD1、PD2光二极管R1、R2串接电阻V1、V2来源电压信号Vref、V0参考电压Cp0、Cp1、Cp2、Cp3比较器S0、S1、S2、S3内部信号U、V、W换相信号Y0～Y7输出信号W0～W15储值地址步骤600以光发射器对编码盘投射光源步骤610以二光传感器探测透过编码盘的光强度步骤620接收光传感器感测光强度后产生的感应电流步骤630转换感应电流为电压信号步骤640转换电压信号为换相信号步骤650输出换相信号具体实施方式
请参照图2与图3，本发明所提供的旋转光学编码器100，应用于一永磁马达500，以提供转子510的磁极位置。旋转光学编码器100包含有一光发射器120、一编码盘110、二光传感器130与140、以及一处理电路150。其中，编码盘110耦接于永磁马达500的转轴520上，当转予510转动时会带动编码盘110旋转，在编码盘110上有规则地刻有细密的狭缝111与编码轨道112而可透光，在编码盘110两侧，分别安装一光发射器120与二光传感器130与140。当编码盘110旋转时，由光发射器120提供光源，光传感器130与140感受的光量则随着透光线条同步变化，并通过处理电路150将光强度转换为换相信号并输出换相信号，作为判断转子510转动位置的依据。
一般来说，对于具p个磁极的转子的永磁马达，编码器将一圈的转子分割成360/(p*3)个区域，每一个区域对应到一个相应的相序，在一整圈(3*p)个等分中，相邻的六个区域为一组，依序赋予独立编号且重复循环，共可分出重复的(p/2)组。如图4所示，为针对十个磁极的转子，其编码盘的划分与达成此划分的换相信号(U，V，W)的分布。
本发明所提供的旋转光学编码器100，通过编码轨道的图案变化，只设置一个编码轨道112在编码盘110上，即可提供与传统使用三个编码轨道的编码盘等效的换相信号输出。
图5说明本发明所提供的编码盘的编码轨道图案的示意图。为方便表示，将编码盘110的编码轨道112拉直，且仅列示部分图形。根据编码盘110上所需的六个一组且重复循环的位置划分，依序设置第一开孔5、第二开孔6、与第三开孔7，然后再以对称递减的格式设置第四开孔8、第五开孔9、与第六开孔10，其中，第一开孔5与第六开孔10为无开孔，第二开孔6与第五开孔9为一等份开孔，及第三开孔7与第四开孔8为二等份开孔。由于若仅设置一光传感器，将无法完全区分出此六个开孔的绝对位置，为避免造成混淆，因此使用两个光传感器130、140固定于基座上，为不动的参考点。
以下说明本发明如何利用编码盘110的编码轨道112的图案变化以达成等效换相信号的输出。
图6为本发明的旋转光学编码器的编码方法的主要流程，包含下列步骤首先，以光发射器对编码盘投射光源(步骤600)，编码盘会遮蔽或传递光源；接着，以二光传感器探测透过编码盘的光强度(610)；然后，接收光传感器感测光强度后产生的感应电流(620)；转换感应电流为电压信号(630)；转换电压信号为换相信号(640)；最后，则输出换相信号(650)。
当编码盘110随着欲感测的转子510旋转时，通过光发射器120将光源投射(步骤600)及编码盘110上开孔大小的变化，光传感器130与140可感知光强度的变化(步骤610)。若编码盘110依旋转方向13旋转，则两光传感器130与140所感测的光量将依序为(1，0)，(2，1)，(2，2)，(1，2)，(0，1)，(0，0)，(1，0)，…，同时监测此两光传感器130与140，便可决定转子510在六个一组的划分中的绝对位置。
接着，则通过处理电路150将光传感器130与140所感测到的光强度转换为换相信号，以输出换相信号。以下就本发明的处理电路的实现作进一步的说明。
请参照图7，光传感器130与140接受到的光量变化为0、1、2，为有效区别此三态，需提供两参考电平，其一用来区别有受光与无受光，另一则用来区别受光量为近于一倍或二倍。使用光二极管PD1、PD2作为光传感器130与140，接收光强度后感应出的感应电流(步骤620)经串接电阻R1、R2转换成电压，成为可资使用的来源电压信号V1、V2(步骤630)。同时为辨识此信号的变化，导入两参考电压Vref与V0。Vref需适当调整，使其值约等于光二极管PD1、PD2受光量为1.5时(假设受光量的变化为0、1、2)所对应的电压信号；同样适当设计V0大小，使其值略大于光二极管PD1、PD2不受光时(只有暗电流)所对应的电压信号。
将来源电压信号V1、V2与参考电压Vref、V0作比较，即可得知其电平范围。本发明中，使用4个比较器Cp0、Cp1、Cp2、与Cp3，其输出值分别为S0＝V1-V2、S1＝V2-V0、S2＝V1-Vref、与S3＝V2-Vref。编码盘110的编码轨道112若依旋转方向13旋转，比较器Cp0、Cp1、Cp2、与Cp3的信号输出可整理如图8，其中，多列出两组信号(V1，V2)＝(2，0)与(V1，V2)＝(0，2)，主要考虑编码轨道112旋转时，(V1，V2)信号由(1，0)切换至(2，1)以及由(1，2)切换至(0，1)的过程中，可能发生的状况。
由内部信号(S3，S2，S1，S0)的值即可辨识编码盘110的旋转位置，然而为提供与传统具换相信号的旋转光学编码器一样的换相信号输出，需在内部信号(S3，S2，S1，S0)与换相信号(U，V，W)间提供一转换电路，此转换电路由一译码器151所提供，内部信号(S3，S2，S1，S0)经译码器151，可转换成换相信号(U，V，W)(步骤640)，以输出换相信号(U，V，W)(步骤650)，且译码器151内所储存的值，也可视实际情况作弹性设定。由图8说明对不同的(V1，V2)值，处理得内部信号(S3，S2，S1，S0)，然后以此信号作为译码器151的储值地址，储存对应的换相信号(U，V，W)输出值。
其中，译码器151采用PROM(可编程只读存储器)作为信号转换，此可在固定的硬件设计下，增加产品随使用需求差异而调整的弹性。
此外，本发明的旋转光学编码器中，编码盘的编码轨道图案有无开孔的部分，故不会造成整圈被移除材料的情形。此特别适用于金属材质的编码盘，因其无附加的支撑底材。当然，编码盘的编码轨道图案也可以设计成其它图案，只要光传感器感测的结果能区别出编码轨道的各个开孔的绝对位置，即不脱离本发明的范围。
综合上述，本发明提出一种可输出换相信号的旋转光学编码器及其编码方法，只需于编码盘上增设一具简单开孔变化的编码轨道，并配合两个光传感器与对应的处理电路，即可提供永磁马达所需的换相信号输出。与现有技术相较，本发明可以减少因增加换相信号输出于编码器中，所造成的编码器使用空间增加、光传感器数量增加、以及所需的照明光源体积增加的问题，并可实现更低成本、更小体积、及更富弹性的换相信号输出指定的旋转光学编码器。
虽然本发明的较佳实施例揭示如上所述，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的专利保护范围须视本说明书所附的权利要求的界定为准。
权利要求
1.一种旋转光学编码器，用以于一永磁马达中输出换相信号，该永磁马达包含一转轴与固定于该转轴上的一转子，其中该旋转光学编码器包含有一编码盘，耦接于该转轴上，且包含有一编码轨道，该编码轨道包含多个区域，所述区域皆设有一第一开孔、一第二开孔、一第三开孔、一第四开孔、一第五开孔、与一第六开孔，其中，该第一开孔、该第二开孔、与该第三开孔分别和该第六开孔、该第五开孔、与该第四开孔成对称关系；一光发射器，用以对该编码盘投射光源；二光传感器，与该光发射器分别位于该编码盘的两侧，用以探测透过该编码盘的光强度；及一处理电路，与所述光传感器连接，用以将该光强度转换为换相信号，并输出换相信号。
2.如权利要求1所述的旋转光学编码器，其特征在于，该第一开孔与该第六开孔为无开孔，该第二开孔与该第五开孔为一等份开孔，及该第三开孔与该第四开孔为二等份开孔。
3.如权利要求1所述的旋转光学编码器，其特征在于，所述光传感器为光二极管。
4.如权利要求1所述的旋转光学编码器，其特征在于，该处理电路包含二参考电平，其一用以区别有受光或无受光，另一用以区别受光量的强弱。
5.如权利要求1所述的旋转光学编码器，其特征在于，该处理电路包含多个串接电阻，用以转换光强度为电压信号。
6.如权利要求1所述的旋转光学编码器，其特征在于，该处理电路包含一转换电路，用以转换电压信号为换相信号。
7.如权利要求6所述的旋转光学编码器，其特征在于，该转换电路由一译码器提供。
8.如权利要求7所述的旋转光学编码器，其特征在于，该译码器使用可编程只读存储器作为信号转换。
9.一种编码盘，其中包含一编码轨道，该编码轨道包含多个区域，所述区域皆设有一第一开孔、一第二开孔、一第三开孔、一第四开孔、一第五开孔、与一第六开孔，其中，该第一开孔、该第二开孔、与该第三开孔分别和该第六开孔、该第五开孔、与该第四开孔成对称关系。
10.如权利要求9所述的编码盘，其特征在于，该第一开孔与该第六开孔为无开孔，该第二开孔与该第五开孔为一等份开孔，及该第三开孔与该第四开孔为二等份开孔。
11.一种旋转光学编码器的编码方法，用以于一永磁马达中输出换相信号，该旋转光学编码器包含一编码盘，该编码盘包含一编码轨道，该编码轨道包含多个区域，所述区域皆设有一第一开孔、一第二开孔、一第三开孔、一第四开孔、一第五开孔、与一第六开孔，其中，该第一开孔、该第二开孔、与该第三开孔分别和该第六开孔、该第五开孔、与该第四开孔成对称关系，其中该编码方法包含下列步骤以一光发射器对该编码盘投射光源；以二光传感器探测透过该编码盘的光强度；接收所述光传感器感测光强度后产生的感应电流；转换感应电流为电压信号；转换电压信号为换相信号；及输出换相信号。
12.如权利要求11所述的旋转光学编码器的编码方法，其特征在于，该第一开孔与该第六开孔为无开孔，该第二开孔与该第五开孔为一等份开孔，及该第三开孔与该第四开孔为二等份开孔。
13.如权利要求11所述的旋转光学编码器的编码方法，其特征在于，所述光传感器为光二极管。
14.如权利要求11所述的旋转光学编码器的编码方法，其特征在于，该转换感应电流为电压信号的步骤，还包含一提供二参考电平的步骤，其一用以区别有受光或无受光，另一用以区别受光量的强弱。
15.如权利要求11所述的旋转光学编码器的编码方法，其特征在于，该转换感应电流为电压信号的步骤，还包含一比较来源电压信号与参考电压的步骤，以得到电压信号的电平范围。
16.如权利要求11所述的旋转光学编码器的编码方法，其特征在于，该转换电压信号为换相信号的步骤，还包含一译码器将电压信号作为其储值地址，并储存对应的换相信号的输出值的步骤。
全文摘要
一种旋转光学编码器，用以于一永磁马达中输出换相信号，提供永磁马达的转子的磁极位置，该永磁马达包含一转轴与固定于该转轴上的一转子，该旋转光学编码器包含一编码盘，耦接于该转轴上且包含一编码轨道，该编码轨道包含多个区域，所述区域设有第一开孔、第二开孔、第三开孔、第四开孔、第五开孔、第六开孔，其中该第一开孔、该第二开孔与该第三开孔分别与第六开孔、第五开孔、该第四开孔成对称关系；一光发射器，用以对该编码盘投射光源；二光传感器，与该光发射器分别位于该编码盘的两侧，用以探测透过该编码盘的光强度；及一处理电路，与所述光传感器连接，用以将该光强度转换为换相信号，并输出换相信号。
文档编号G01D5/26GK1670485SQ20041003977
公开日2005年9月21日 申请日期2004年3月17日 优先权日2004年3月17日
发明者许宏成, 梁德生 申请人:台达电子工业股份有限公司