用于光学位置编码器的位置探测设备的制作方法

本发明涉及一种用于光学位置编码器的位置探测设备，其具有用于对测量标尺进行光学游标和分段轨道扫描的三个模拟轨道的三个模拟信号传感器，特别是具有不同数量条纹的测量标尺。本发明的进一步的主题是一种用于确定绝对位置的光学位置编码器，其具有光源、可以由光源照亮的具有至少三个模拟轨道(特别是具有不同数量的条纹)的测量标尺以及位置探测设备，以及一种用光源、可由光源照亮的测量标尺和具有用于扫描测量标尺的三个模拟信号传感器的位置探测设备确定绝对位置的方法，其中测量标尺至少具有三个模拟轨道，特别是具有不同数量的条纹的测量标尺，通过光源可以照亮测量标尺，并且利用模拟信号传感器可以对模拟轨道进行光学游标和分段轨道扫描。这种位置探测设备和光学位置编码器可用于检测部件的运动。此处，测量标尺或位置探测设备布置在部件上，从而使得当部件移动时，测量标尺和位置探测设备之间会产生相对运动。光学位置编码器可以设置为透射式，其中部分透明的测量标尺布置在光源和位置探测设备之间，或者可以将光学位置编码器设置为反射式，其中光源和位置探测设备皆位于测量标尺将光线反射至位置探测设备的方向一侧。测量标尺具有模拟轨道，每个轨道都具有亮区和暗区的周期性图案，特别是形成条纹图案。当测量标尺移动时，位置探测设备的模拟信号传感器在光学扫描过程中交替检测亮区和暗区。通过对由此产生的正弦/余弦信号进行分析运算，即可得出测量标尺的位置。

背景技术：

1、在简单的游标扫描中，测量标尺有两个模拟轨道，一个主轨道和一个游标轨道，其条纹图案与主轨道略有不同，因此在主轨道和游标轨道的条纹图案的整个长度上存在例如周期差异，这会导致它们之间的偏移量沿着条纹图案不断增加。主轨道和游标轨道各自分别通过位置探测设备的一个模拟信号传感器，即主传感器和游标传感器进行光学扫描。根据由主传感器和游标传感器的扫描结果生成的主轨道和游标轨道的正弦/余弦信号的偏移量可计算得出位置值，该位置值沿轨道仅出现一次，通过该位置值可以唯一确定绝对位置。通过游标扫描实现的位置分辨率可以低于条纹图案的周期长度，但特别是提供高位置分辨率的条纹图案容易受到测量和运算误差的影响。

2、这些误差可以通过主、游标和分段轨道扫描(也称为游标和分段轨道扫描)来补偿。为此，具有分段轨道的测量标尺额外具有第三模拟轨道，如例如de 10 2014 103 514a1中所述。利用位置探测设备的第三模拟信号传感器(分段传感器)对分段轨道进行光学扫描。由于分段轨道的条纹图案与主轨道和游标轨道略有不同，在唯一确定位置值并由此确定绝对位置时，也需要考虑分段传感器的扫描结果生成的分段轨道的正弦/余弦信号相对于主轨道和游标轨道的正弦/余弦信号的偏移量，从而可以补偿简单游标扫描时出现的误差。在游标和分段轨道扫描过程中，绝对位置是根据三个正弦/余弦信号的相位来确定的。

3、然而，即使通过游标和分段轨道扫描确定绝对位置，仍然可能会由于例如外部干扰因素出现误差。特别是当使用彼此之间具有较小偏移量的高分辨率模拟轨道来实现高位置分辨率时，此类外部干扰因素可能会在确定绝对位置时导致显著误差。例如，外部干扰因素可能是测量标尺或位置探测设备受到污染，这会导致轻微的识别错误，例如使得模拟轨道的条纹图案之间的偏移量变小。如果出现振动也同样会导致位置探测设备和测量标尺的相对位置发生变化，而这并非由于部件的位置变化而产生。由于位置探测设备和测量标尺布置在具有不同膨胀系数的不同部件上，例如布置在轴和壳体上，因此当环境或部件温度变化时，它们之间可能会产生与温度相关的漂移。这些干扰因素会导致在确定绝对位置时出现误差，从而降低其可靠性。

4、因此，本发明的目的是能够更为可靠地确定绝对位置。

技术实现思路

1、该目的可以在上文所提及类型的位置探测设备中实现，因为其具有至少三个用于光学扫描测量标尺的各个数字化的数字编码轨道以确定绝对位置的数字编码传感器。

2、利用至少三个数字编码传感器，在游标和分段轨道扫描之外，还可以进行数字编码轨道扫描以识别绝对位置，其图案相比模拟轨道没有偏移量。数字编码传感器使得可以从数字编码传感器的扫描结果确定数字编码，并在游标和分段轨道扫描的扫描结果之外使用该数字编码来确定绝对位置。因此，该位置探测设备使得在确定绝对位置时，即使模拟轨道图案彼此之间的偏移量有更大程度的增加，模拟轨道也更不易出错，这样尽管形成了贯穿整个模拟轨道的重复图案，使得游标和分段轨道扫描在测量标尺上的几个位点提供相同的位置值，而由于根据额外的数字编码传感器扫描结果可用于确定具有相同位置值的这些位点之中的唯一绝对位置，所以使得相比于仅使用偏移量更小的游标和分段轨道扫描不会损失位置分辨率。位置探测设备提高了容错能力，从而提高了在确定绝对位置时的可靠性。

3、有利地，模拟信号传感器各自具有多个光电二极管，特别是对每个模拟轨道生成正和负正弦信号和/或余弦信号。模拟信号传感器的光电二极管(特别是四个)可以扫描模拟轨道上的相邻位点(特别是四个)。根据模拟信号传感器的各个光电二极管的扫描结果，可以很容易地生成正和负正弦信号和/或余弦信号以确定位置。通过使用高分辨率高清光电二极管，可以生成特别低失真的正弦信号和/或余弦信号。这使得在分析运算游标和分段轨道扫描时能够进行更精细的插值以确定绝对位置。因此，具有高分辨率高清光电二极管的模拟信号传感器可以与其模拟轨道图案具有更大增加的偏移量的模拟轨道一起使用，而不会降低位置分辨率。

4、模拟信号传感器的光电二极管(特别是四个)优选地布置成使它们(特别是四个)可以沿着模拟轨道的路线扫描相邻位点。模拟信号传感器的光电二极管可以布置成使扫描可以相对于模拟轨道的条纹图案的条纹方向横向地、特别是成直角地进行。

5、在本文中，已经证明如果模拟信号传感器的光电二极管针对小于550nm、特别是小于500nm的波长进行优化是有利的。这种优化可以进一步提高模拟信号传感器的分辨率。

6、在本发明的拓展内容中，位置探测设备具有用于光学扫描测量标尺的对比参考轨道的参考传感器。使用参考传感器，可以从测量标尺的对比参考轨道中读取切换阈值。在分析运算数字编码传感器的扫描结果时，可以使用切换阈值来确定扫描了数字编码轨道的亮区还是暗区。切换阈值可以指示采样结果是比特值“0”还是“1”。

7、有利地，数字编码传感器是用于光学扫描格雷码形式的数字编码的传感器。使用用于扫描格雷码的传感器可以很容易地避免数字编码出错。

8、在一个有利的实施例中，位置探测设备具有用于光学扫描测量标尺的一个数字化数字编码轨道的第四数字编码传感器。通过第四数字编码传感器可扫描用于同步的测量标尺的第四数字编码轨道。通过用于扫描测量标尺的四个数字编码轨道的四个数字编码传感器，用于确定绝对位置的位置探测设备可以与的测量标尺一起使用，测量标尺的片段被数字编码轨道分成几个部分(特别是至少两个半部)其中测量标尺的片段包括贯穿模拟轨道的重复图案的重复片段。

9、在一种结构性实施例中，建议数字编码传感器和/或参考传感器是独立的光电二极管。通过将独立的数字编码传感器和/或参考传感器设计为光电二极管，可以降低位置探测设备的结构复杂性。

10、有利地，模拟信号传感器、参考传感器和/或数字编码传感器具有至少一个“人”字形光电二极管。在由多个光电二极管组成的模拟信号传感器中，模拟信号传感器的每个光电二极管可以被设计为“人”字形光电二极管。传感器采用“人”字形光电二极管可以使它们能够相互嵌套排列，这样可以实现更高的空间利用率。

11、进一步有利的是，数字编码传感器、特别是数字编码传感器和参考传感器相对于模拟信号传感器在结构上分组布置。由于结构分组，数字编码传感器，特别是与参考传感器一起，不仅在电路上而且在结构上可以相邻分布。结构上分组的传感器使得能够使用具有彼此相邻布置的数字编码轨道，特别是还具有与这些数字编码轨道相邻布置的对比参考轨道的测量标尺，使得照射它们的光线强度基本相同，并可以被传感器通过光学扫描检测到。数字编码传感器可以布置在一条直线上，特别是与参考传感器一起布置。参考传感器可以布置在数字编码传感器之间的中间位置。结构上分组的传感器可以布置在位置探测设备的边缘或中间，特别是径向向外延伸。

12、根据本发明的另一实施例，模拟信号传感器在结构上彼此分组布置。由于结构分组，模拟信号传感器不仅可以在电路上而且在结构上相邻分布。结构上分组的传感器使得能够使用具有彼此相邻布置的模拟轨道的测量标尺，使得照射它们的光线强度基本相同，并可以被模拟信号传感器通过光学扫描检测到。模拟信号传感器的各个光电二极管可以布置成矩阵，其中每个模拟信号传感器的各个光电二极管特别地布置在矩阵的行或列中。各个模拟信号传感器的全部光电二极管可以特别地布置在3×4的矩阵中。

13、有利地，模拟信号传感器是由多个光电二极管组成的单片三通道高清相控阵列，特别是用于针对每个模拟轨道生成正和负正弦信号和/或余弦信号。单片三通道高清相控阵列由晶体半导体材料基板制成。三通道高清相控阵列(“高清”即“高清晰度”)针对三个模拟轨道的采样结果分别具有一个通道。三通道高清相控阵列可以具有相互嵌套的光电二极管布局，特别是由“人”字形光电二极管制成。通过这种方式，可以获得特别低失真的正弦/余弦信号，从而在插值过程中实现更高的角度精度。

14、优选地，可以使用精细光电二极管结构针对绿光，特别是针对小于550nm的波长来优化单片三通道高清相控阵列。

15、特别优选地，单片三通道高清相控阵列可以通过更精细的光电二极管结构针对蓝光，特别是针对小于500nm的波长进行优化。

16、在本文开头提到的类型的光学位置编码器中，为了解决上述问题，提出测量标尺具有至少三个数字编码轨道并且位置探测设备以如上述方式设计，以体现在位置探测设备描述中所述的优点。

17、每个模拟轨道可以具有一系列逐次排列的离散条纹，形成条纹图案。这些条纹可以在横向于相应模拟轨道的方向上延伸，特别是沿着测量标尺的半径的径向方向。

18、特别地，位置编码器的光源可以是led。

19、光源可以布置成使得位置编码器的测量标尺，包括所有轨道都可以被照亮。

20、有利地，光学位置编码器可以不设置轴承。光学位置编码器的补偿外部干扰因素和/或减少外部干扰因素的影响的轴承可以很容易地移除。

21、如果光学位置编码器可以在-40℃至125℃，特别是高于70℃的温度范围内运行，则是进一步有利的。

22、光学位置编码器在光学游标和分段轨道扫描过程中优选地具有25比特的分辨率。

23、在一个有利的实施例中，位置编码器具有用于对模拟信号传感器、数字编码传感器和/或参考传感器的扫描结果进行分析运算的运算单元。还可以使用该运算单元来确定绝对位置。

24、另一实施例要求，每个数字编码轨道配有数字编码传感器和/或每个模拟轨道配有模拟信号传感器。通过分别将位置探测设备的一个传感器分配给测量标尺的一个轨道，可以有效且快速地扫描这些轨道以确定绝对位置。

25、在一种结构性实施例中提出模拟轨道和/或数字编码轨道以圆形展开。利用圆形模拟轨道或数字编码轨道，可以很容易地确定绝对位置，特别是以绝对角位置的形式。特别地，模拟轨道和/或数字编码轨道可以彼此同心地布置。测量标尺优选地具有圆形形状。特别地，测量标尺可以被设计为圆盘或扁环。模拟轨道和/或数字编码轨道可以沿着如此设计的测量标尺的圆周展开。

26、另一结构性实施例提出模拟轨道和/或数字编码轨道沿直线展开。利用直线模拟轨道和/或数字编码轨道可以很容易地以绝对平移位置的方式确定绝对位置。模拟轨道和/或数字编码轨道可以彼此平行地布置，特别是横向于它们的延展方向彼此相邻地布置。

27、在一个有利的实施例中，测量标尺具有对比参考轨道。对比参考轨道可以是与数字编码轨道和模拟轨道分开，但特别是邻近数字编码轨道布置的独立轨道。与模拟轨道和/或数字编码轨道一样，对比参考轨道可以是沿圆形或直线展开的。对比参考轨道可以不设计图案，特别是设计为均质的。为了提供切换阈值，对比参考轨道可以如此设计：当在透射式布置中被光源照射时，其将光线透射至位置探测设备，或者在反射式布置中，其将光线反射至位置探测设备，其光线强度位于具有相同照明的数字编码轨道透射或反射的光线强度的最大值和最小值之间。由扫描对比参考轨道产生的信号强度可以特别地等于扫描数字编码轨道时的最大信号强度的50％。

28、另一实施例要求，测量标尺具有第四数字轨道。通过至少四个数字编码轨道，可以对测量标尺实现更精细的划分来进行同步。为了与模拟轨道同步，可以通过四个数字编码轨道唯一确定使用模拟信号传感器和数字编码传感器扫描测量标尺的哪一片段的哪一半部。

29、在一个有利的实施例中，数字编码轨道被作为一段数字编码中单独的比特位，特别是以格雷码的形式编码。数字编码可以在横贯数字编码轨道的方向上展开。对于沿着测量标尺的位置，特别是沿着测量标尺的圆周的位置，每个数字编码轨道都会提供该段数字编码的一个比特值。可以横贯各个数字编码轨道读取数字编码。格雷码形式编码的优点是，与一般二进制码相比，不会有多个比特位同时改变，在两个相邻位置上仅会有单独一个比特位不同。使用格雷码可以避免例如一般二进制码的几个比特位变化时发生的读取错误。

30、测量标尺优选地具有由模拟轨道形成并沿着测量标尺重复，特别是4次、8次或16次的统一图案。模拟轨道的重复统一图案由彼此平行延伸的各个模拟轨道的模拟轨道图案形成。模拟轨道图案彼此之间可以具有沿着测量标尺逐渐增加的偏移量，使得在测量标尺上存在多个位置，在这些位置上跨整个模拟轨道形成的统一图案是一致的。通过游标和分段轨道扫描，测量标尺上的这些位点提供相同的位置值，额外的数字编码传感器扫描结果使得可以确定这些具有相同位置值的位点之中的唯一绝对位置。通过使用形成沿着测量标尺重复的统一图案的模拟轨道，特别是由于沿着测量标尺的模拟轨道图案之间的偏移量更大程度地增加，光学位置编码器可以更不易受到来自外部干扰因素的影响而出错，特别是更耐温度变化。由于统一图案的重复，测量标尺被分成几个片段，每个片段的长度对应于统一图案的一个周期长度。在测量标尺的每个片段中，游标和分段轨道扫描的各个位置值都是唯一的。

31、有利地，统一图案在主轨道图案中通过256个周期、游标轨道图案中通过255个周期和分段轨道图案中通过240个周期形成，或主轨道图案中通过64个周期、游标轨道图案中通过63个周期和分段轨道图案中通过56个周期形成。

32、在本文中，特别有利的是，通过周期性重复的统一图案将测量标尺划分为和统一图案的周期长度相等的各个片段，特别是角弧段，特别优选地划分为90°弧段、45°弧段或22.5°弧段。将测量标尺划分为各个角弧段使得可以很容易地给各个弧段单独分配一个编码为数字编码轨道中的数字编码的地址。通过各个角弧段的可读地址，以及来自游标和分段轨道扫描的角弧段内的唯一位置值，可以唯一确定绝对位置。

33、在另一结构性实施例中，数字编码传感器、特别是每个单独的光电二极管后方都接有一个积分放大器，以实现节能闪光。即使在闪光模式下光源对测量标尺进行短暂而强烈的照明，积分放大器也可以分析运算扫描结果。以这种方式可以减少数字编码传感器和/或参考传感器对测量标尺的光学扫描所需的时间和能量。如此就可以实现使用电池驱动光学位置编码器，特别是电池驱动多圈运行。

34、进一步有利的是，光源发射波长小于550nm、特别是小于500nm的光。通过使用波长低于550nm、特别是低于500nm的光，可以进一步提高位置编码器的分辨率。优选地，模拟信号传感器、数字编码传感器和参考传感器可以针对由光源发射的主要波长进行优化，由此可以进一步提高位置编码器的效率。

35、在一个有利的实施例中，各模拟轨道彼此相邻布置，特别是径向相邻布置。通过将模拟轨道彼此相邻布置，可以提高扫描精度，因为照射相邻模拟轨道的光线强度基本相同。由此也可以避免由于各个轨道的照明强度不同而导致的扫描结果误差。在本文中，已经证明特别有利的是，在相邻模拟轨道之间不布置另外的轨道，特别是不布置数字编码轨道和/或对比参考轨道。

36、另一实施例要求，数字编码轨道、特别是数字编码轨道和对比参考轨道彼此相邻布置。通过将数字编码轨道、特别是数字编码轨道和对比参考轨道彼此相邻布置，可以提高扫描精度，因为照射相邻的数字编码轨道，特别是数字编码轨道和对比参考轨道的光线强度基本相同。由此也可以避免由于各个轨道的照明强度不同而导致的扫描结果误差。在本文中，已经证明特别有利的是，在相邻的数字编码轨道，特别是数字编码轨道和对比参考轨道之间不布置另外的轨道，特别是不布置模拟轨道。

37、在开头提到的类型的方法中，为解决上述问题，建议位置探测设备具有至少三个数字编码传感器并且测量标尺具有至少三个数字编码轨道，数字编码轨道由这些数字编码传感器进行光学扫描，从数字编码传感器的扫描结果中生成一个，特别是至少三位，特别优选四位的数字编码，并用该数字编码确定绝对位置。

38、除游标和分段轨道扫描的扫描结果外，通过数字编码传感器的扫描结果生成的数字编码还提供了另一个扫描结果来确定绝对位置。因此，该方法使得在确定绝对位置时，即使模拟轨道图案彼此之间的偏移量有更大程度的增加，模拟轨道也更不易出错，尽管这样形成了贯穿整个模拟轨道的重复图案，使得游标和分段轨道扫描在测量标尺上的几个位点提供相同的位置值，而根据数字编码可以确定具有相同位置值的这些位点之中的唯一绝对位置，所以不会使得相比于仅使用偏移量更小的游标和分段轨道扫描损失位置分辨率。这个方法提高了容错能力，从而提高了在确定绝对位置时的可靠性。

39、有利地，上述类型的光学位置编码器用在确定绝对位置的方法中。

40、结合根据本发明的位置探测设备和根据本发明的光学位置编码器描述的特征也可以在用于确定绝对位置的方法中单独地或组合地使用，并具有以上描述过的相同优点。

41、在这种情况下，特别有利的是，借助数字编码来确定测量标尺的多个、特别是4、8或16个片段中的一个片段，其中每个片段都具有在游标和分段轨道扫描中提供相同位置值的位点。通过从数字编码传感器的扫描结果确定的数字编码，可以很容易地确定分配有该数字编码的测量标尺的多个片段中的一个片段。这样，即使当模拟轨道形成重复的统一图案，游标和分段轨道扫描在测量标尺的多个位点上提供相同的位置值，而仅通过游标和分段轨道扫描无法确定唯一的绝对位置时，也可以确定绝对位置。

42、在这种情况下，进一步有利的是，借助数字编码来确定测量标尺的多个片段中的半部片段，其中每个片段都具有在游标和分段轨道扫描中提供相同位置值的位点。通过对这些片段进行额外的划分，可以更稳定和可靠地同步模拟轨道和数字编码轨道的扫描结果以确定绝对位置。例如，对于具有45°弧段的测量标尺，每个角弧段也可以额外分为两个单独寻址的22.5°半部。

43、有利地，通过参考传感器对测量标尺的对比参考轨道进行光学扫描，并使用参考传感器的扫描结果作为生成数字编码的切换阈值。对比参考轨道可以不具有图案，这样，无论参考传感器扫描时测量标尺的位置如何，它都能提供恒定的扫描结果，该结果仅取决于光源的照明强度。由于该扫描结果只能取决于光源的照明强度，因此适合作为切换阈值来确定数字编码传感器的扫描结果是比特值“0”还是“1”，即各个数字编码传感器扫描到的是相应数字编码轨道的亮区或是暗区。使用切换阈值来生成数字编码的方式为，使得高于切换阈值的强度的数字编码传感器的扫描结果被进一步处理为比特值“1”，而低于切换阈值的强度的数字编码传感器的扫描结果被进一步处理为比特值“0”。