專利名稱：編碼器起始位置信號處理方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明總體上涉及渲染裝置(rendering device)和技術。本發 明還涉及位置編碼器。本發明還涉及用于處理編碼器起始位置(home position)信號的方法和系統。
背景技術：
渲染裝置諸如打印機可以使用位置編碼器來準確地跟蹤和控制移 動部件——諸如旋轉桿(rotating shaft)、輥子(roller)和印刷 鼓(print drum)——的位置。另外，位置編碼器可以被用來確定被 跟蹤的部件的參考位置或起始位置。許多因素可以負面影響位置編碼 器的運行，使它難以準確可靠地確定起始位置。因此需要一種改進的 方法，以檢測起始位置。

發明內容
下述發明內容意在促進對所公開實施方案獨有的創造性特征的理 解，而不意在作為完備描述。這些實施方案的多方面的完備描述可以 通過綜覽整個說明書、權利要求書、附圖和摘要來獲得。
因此，本發明的一方面是提供改進的渲染裝置，諸如打印機。
本發明的再一方面是提供可靠的起始位置信號處理系統，其可以 向打印機的處理方向印刷頭對準算法(process direction print head alignment algorithm)供應準確的印刷鼓起始位置信息。
本發明的另一方面是提供改進的方法和系統，其用于在打印機的 整個壽命中保證打印機的印刷品質一致，即使編碼器部件可能老化。
本發明的又一方面是提供改進的方法和系統，其用于提高起始位 置檢測的健壯性。
現在可以如本說明書所述地實現前述方面和其他目標及優點。公 開了編碼器起始位置信號處理系統和方法，其包括，輸出正弦和余弦 正交信號的編碼器讀取器，和垂直于旋轉軸旋轉的碼盤。該碼盤具有光軌，其調制正交編碼器信號振幅以使碼盤每次旋轉生成一次振幅變 化。這個振幅變化可以被解釋為碼盤的起始位置。正弦和余弦被轉化
為單個量值信號(single magnitude signal),其可以繼而在例如 20kHz被采樣，以使信號處理算法可以算出變化率(ROC)信號，該ROC 信號具有提高的信噪比。為了進一步提高信噪比，可以對ROC信號進 行濾波。為了提高起始位置檢測的健壯性，檢測ROC起始位置信號特 征形狀的算法可以被應用到該ROC信號。
根據本發明的一個方面， 一種用于處理編碼器起始位置信號的系 統，其包含處理器；數據總線，其耦合到所述處理器；和包含計算 機碼的計算機可用介質，所述計算機可用介質耦合到所述數據總線，
所述計算機碼包含可被所述處理器執行的指令，并被配置為通過調 制與具有碼盤表面的碼盤關聯的編碼器盤上的多個條寬度，來生成絕 對起始位置量值信號，其中所述碼盤表面垂直于旋轉軸旋轉；通過對 所述絕對起始位置量值信號進行采樣來生成變化率信號，并對所述變 化率信號進行濾波以提高信噪比；和通過應用起始位置算法來確定所 述變化率信號的起始位置，其中所述變化率信號的信號特征形狀提高 了與所述變化率信號關聯的所述起始位置的健壯性，以有效地處理所 述編碼器起始位置信號，從而加強渲染裝置的有效性。
優選地，其中所述多個條寬度被配置為基本均勻間隔且以中心對 中心方式定位。
優選地，其中所述編碼器讀取器包含光學傳感器。 優選地，其中所述渲染裝置包含具有至少一個印刷頭的打印機。 優選地，其中所述指令進一步被配置為允許所述變化率信號的所 述起始位置補償所述印刷頭的處理方向對準，這有助于提高所述打印 才幾的打印品質。
優選的，其中所述編碼器包含光學傳感器，所述指令進一步被配 置為計算與至少一個最大變化率值和至少一個最小變化率值關聯的 多個鼓位置，以確定所述變化率信號的所述起始位置；和配置所述多 個條寬度，使其基本均勻間隔且以中心對中心方式定位。
根據本發明的另一方面， 一種包含計算機程序碼的計算機可用介 質，所述計算機程序碼包含計算機可執行指令，其被配置為通過調的編碼器盤上的多個條寬度，來生成絕
對起始位置量值信號，其中所述碼盤表面垂直于旋轉軸旋轉；通過對 所述絕對起始位置量值信號進行采樣來生成變化率信號，并對所述變 化率信號進行濾波以提高信噪比；和通過應用起始位置算法來確定所 述變化率信號的起始位置，其中所述變化率信號的信號特征形狀提高 了與所述變化率信號關聯的所述起始位置的健壯性，以有效地處理所 述編碼器起始位置信號，從而加強渲染裝置的有效性。
優選地，其中所述被包含的計算機程序碼還包含計算機可執行指 令，其被配置為計算與至少一個最大變化率值和至少一個最小變化 率值關聯的多個鼓位置，以確定所述變化率信號的所述起始位置。
優選地，其中所述多個條寬度中的每個條寬度基本均勻間隔且以 中心對中心方式定位。
優選地，其中所述編碼器讀取器包含光學傳感器。 優選地，其中所述渲染裝置包含具有至少一個印刷頭的打印機。 優選地，其中所述被包含的計算機程序碼還包含計算機可執行指 令，其被配置為允許所述變化率信號的所述起始位置補償所述印刷頭 的處理方向對準，這有助于提高所述打印機的打印品質。


各個附圖中相似的參考數字指示相同的或功能相似的元件，這些 附圖被納入本說明書并構成本說明書的一部分，且圖示了實施方案， 并與詳述共同用于解釋本說明書公開的實施方案。
圖1圖示了可根據一個優選實施方案實現的渲染裝置的示意框
圖2圖示了圖i描繪的根據一個優選實施方案的包括碼盤和編碼 器傳感器的編碼器系統的示意圖3圖示了根據一個優選實施方案的碼盤光軌的示意圖4圖示了根據一個優選實施方案的、當碼盤光軌經過發射器和 圖2的光學編碼器傳感器的檢測器之間的溝隙時從碼盤光軌產生的正 交信號的正弦和余弦波形的示意表示；
圖5圖示了根據一個優選實施方案的、從編碼器正交輸出產生的量值信號的圖解表示；
圖6圖示了根據一個優選實施方案的編碼器系統的示意圖，其描 繪了碼盤軸位置的中值和極值；
圖7圖示了根據一個優選實施方案的、信號量值對照碼盤軸在編 碼器傳感器溝隙內位置的圖解表示；
圖8圖示了根據一個優選實施方案的與旋轉軸成非90°角安置的 碼盤；
圖9圖示了根據一個優選實施方案的由圖IO描繪的碼盤誤對準造 成的軸向跳動(axial runout)支配性地導致的編碼器量值改變的圖 解表示；
圖10圖示了根據一個優選實施方案的由碼盤的軸向跳動支配性 地導致的三個相似的最小量值的圖解視圖11圖示了根據一個優選實施方案的量值信號和從其產生的ROC 信號的圖解表示，其顯示ROC信號具有較大的信噪比；
圖12圖示了可以根據一個優選實施方案實現的ROC信號1305和 1310的圖解表示，其中具有最大和最小ROC值1315、 1320、 1325、 1330 和印刷鼓轉速1335。
具體實施例方式
這些非限制性實施例中討論的具體值和配置可以被改變，其引用 僅為了說明至少一個實施方案，而不意在限制本發明的范圍。
通過示例性實施例，本說明書僅描述旋轉透射性光學編碼器系統 (rotary transmissive optical encoder system)， 但應理解,所 描述的技術也可以被應用于線性編碼器系統、反射光學編碼器、或任 何產生正弦和余弦信號以及將起始位置編碼為正弦和余弦波形振幅變 化的編碼器。
圖1圖示了可以根據一個優選實施方案來實施的渲染裝置108的 示意框圖。注意，在圖1至圖2中，相同或相似的零件或元件通常用 相同的參考數字表示。也注意，為了這個討論，假定渲染裝置108主 要或專門用作打印機。然而，應意識到，渲染裝置108也可以是復印 機、傳真機、掃描儀等等。如圖1所描繪，標記系統210可以;故用來向印刷鼓300施加標記 材料，以形成被轉印到印刷輸出介質225的圖像。標記系統210可以 是，例如，噴墨標記系統或電照相標記系統。印刷鼓300連接有編碼 器系統240，編碼器系統240包括碼盤310，如圖2所描繪。渲染裝置 108還包括與馬達250關聯的馬達驅動器220。電源235向馬達驅動器 220供應電能，馬達驅動器220接著能夠與控制器260電連通。
圖1描繪的配置還包括編碼器系統240，其與控制器260電連通。 編碼器系統240提供了輸出信號，其被發射到控制器260。印刷鼓300 機械地連接到該編碼器系統。渲染裝置108還可以包括傳動系(drive train) 230,其與馬達250機械連接，并與印刷鼓300關聯。
圖2圖示了圖1圖示的根據一個優選實施方案的編碼器系統240 的示意圖。圖2描繪了碼盤310以及正弦和余弦輸出正交編碼器傳感 器330，它們相對于彼此移動，以追蹤印刷鼓300的運動。碼盤310 由透射性碼盤構成，并包括光軌400 (如圖3所示)，其可以被編碼， 以識別印刷鼓300的預定起始位置。馬達250與馬達驅動器200和電 源235關聯，并可以經由傳動系230驅動印刷鼓300。圖1描述的控 制器260從該編碼器系統接受信號、執行信號處理、控制馬達驅動器、 并能夠管理其他打印機和/或渲染操作。
圖2示意性示出的編碼器系統240利用透射性碼盤310和具有正 交信號作為其輸出的光學模擬編碼器讀取器330。編碼器傳感器330 的一個實例是光源或發射器諸如發光二極管(LED)、用于準直光的 透鏡、和通常由多個光電二極管或光電三極管340組成的傳感器陣列。 光學編碼器傳感器可以通過，例如，可從Avago Technologies, Inc 得到的AvagoHEDS-9710-R50光學增量編碼器模塊或類似裝置來實現。 光源和傳感器陣列被有碼盤經過的溝隙分離。
根據一個優選實施方案，碼盤310可以被安置為與軸320同心且 垂直，其中軸320也是印刷鼓300的旋轉軸。碼盤310光軌由圍繞該 碼盤圓周的多個均勻間隔的不透明條(bar )和透射性間隙組成。當碼 盤310在旋轉軸320上旋轉時，來自發射器的光穿過該碼盤，生成的 光和陰影圖案被傳感器陣列檢測，以產生正弦和余弦正交輸出信號。 另外，條和間隙的寬度是變化的，以將起始位置編碼進光軌的一段。條/間隙的這種變化導致正交信號的振幅當碼盤每次旋轉時減少一次。
圖3圖示了根據一個可能的實施方案的碼盤光軌400的已編碼的 起始區(home region)的示意圖。注意，在2005年12月6日授權給 Martenson等人的題為"Position Encoder"的美國專利No. 6， 972， 403 中公開了光軌400的一個實例，該文獻通過引用全部納入本說明書。 美國專利No. 6, 972, 403已被轉讓給施樂公司(Xerox Corporation )。
當碼盤光軌400穿過編碼器讀取器330的光源和傳感器陣列之間 的溝隙時，產生了包含正交信號的正弦和余弦波形。這些波形的示意 圖在圖4中示出。該正交信號振幅的減小指示碼盤310的起始位置 510。例如，模擬正弦和余弦波形可以被輸入控制器，在此，它們在 20kHz的采樣率下被數字化為二進制數。使用下面的等式(1),可以 從這些表示正弦和余弦波形的數算出絕對量值信號。
注意，將模擬電信號轉化為二進制或一些其他機器編碼值的方法 以及操縱和計算方法對本領域技術人員是公知的，在此不予討論。為 了使本發明的信號操縱程序簡練并更容易理解，本說明書僅示出和討 論這些信號的圖解表示。
量值=>/正弦2 +余弦2 (1)
圖5圖示了量值信號600的圖解表示，并描繪了圖1-2的印刷鼓 300的多圏旋轉。圖5描繪的量值510中的兩個瞬時下降是起始脈沖 (home pulse),其通常是碼盤旋轉經過傳感器溝隙時由碼盤光軌的 起始區產生的。碼盤每轉一圏產生一次起始脈沖，因此相繼的起始脈 沖之間的距離610代表印刷鼓的一圈旋轉。在未改進的起始位置檢測 系統中，被打印機控制器檢測并解釋為編碼器和鼓起始位置的，正是 這些起始脈沖的最低振幅。
除了由被編碼在光軌中的起始位置導致的有意的振幅變化，該量 值信號的總體振幅還受碼盤在編碼器讀取器溝隙內的軸向位置影響。
圖6圖示了編碼器系統240的示意表示，其描繪了碼盤310的三 個碼盤位置311、 312和313。
圖7圖示了針對碼盤310的三個位置311、 312和313的信號量值 隨編碼器讀取器溝隙內的碼盤軸向位置而變化的圖解表示800。在這 個實例中，位置312可以被當作碼盤的標稱理想位置(nominal desiredposition) , 311和313是可能的極限位置。碼盤310在編碼器讀取 器溝隙內的軸向運動導致了量值信號的不想要的變化。
影響量值信號振幅的因素包括碼盤表面上的灰塵、指紋和其他 類型的污染；碼盤材料、制造過程的多樣性；帶有軸隙(axial play) 的印刷鼓；非平坦碼盤和其他缺陷。所有這些非有意的量值信號變化 可以被認為是信號噪聲，其模糊了起始脈沖的有意的振幅下降，使控 制器難以檢測起始脈沖，或在某些情形下檢測到虛假的起始脈沖。
在某些編碼器系統組件中， 一個普遍問題是碼盤的非平坦和碼盤 與印刷鼓軸的誤對準。圖8示意性地圖示了不垂直于旋轉軸320安置 的碼盤315。這樣的安置使碼盤315在旋轉時改變其在編碼器讀取器 330的溝隙內的軸向位置，從而導致量值信號的不想要的振幅調制， 頻率為每圈一個周期。這個調制可以導致該量值信號增大或減小，或 在一些情況下降至低于起始脈沖。
圖9圖示了量值信號1010的一個實例的圖解表示，其描繪了由不 垂直于旋轉軸320安置的碼盤315導致的軸向跳動。軸向跳動可以導 致量值增大或減小，但在這個情形下，軸向跳動導致量值信號增大， 然而起始脈沖大體未受影響。
圖10圖示了由碼盤310生成的量值信號的圖解視圖1100，其具 有四個指示碼盤的量值信號傾斜。在這個實例中，量值信號1010的變 化被多個因素影響。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，或由軸向跳動及其他因素導致的噪聲 信號。如所描繪，在真實起始位置信號1170的最小值和噪聲信號1190 的最小值之間存在非常小的量值差1120。真實起始位置信號1170用 比傾斜1140和1160陡峭得多的傾斜1150指示。而且，真實起始位置 信號1170的特征是，其隨后有緊接著的傾斜1155。在這個實例中， 所有碼盤310缺陷和跳動的結合產生了近似等于預期起始位置的最小 量值。
一個算法可以被應用到量值信號，以產生表現該量值信號的瞬時 變化率的另一種信號(ROC信號)。圖11圖示了編碼器量值信號1010 和從其得出的ROC信號1205的圖解表示1200。通過觀察量值信號1010 可以看到，編碼器量值信號的相鄰最小值的振幅與預期起始位置信號的振幅相等，然而觀察ROC信號1205可以看到，起始位置信號1215 的振幅遠大于信號噪聲1210的振幅。此后，也可以對R0C信號1205 進行濾波，以進一步降低噪聲。
作為一個示例性實施例，可以從編碼器量值信號得出R0C信號， 繼而以下述方式對其進行濾波。編碼器量值信號1010可以在20kHz 被采樣。可以從先前起始位置量值采樣中減去當前起始位置量值采樣 值。繼而，可以將這個計算結果除以已知的采樣間隔時間(在這個實 施例中，20kHz的采樣率對應的時間是50us),給出每單位時間的變 化，從而得到變化率(ROC)。在這里討論的實施例中，為了進一步降 低噪聲，可以通過確定256個連續采樣的移動均值(running average) 來對ROC信號1205進行濾波。這樣，根據一個優選實施方案，從編碼 器量值信號1010得出的R0C信號1205提供了大信噪比，其非常清晰 地將起始脈沖與其它編碼器量值變化區分開來。
先前，未改進的起始位置檢測方法通過用算法搜索編碼器量值信 號的最小振幅來確定起始位置。這個最小值被指定為起始位置，它近 似處于相鄰的ROC最大值和最小值之間。因此，為了所示實施例的簡 單性和通用性，通過ROC信號處理指定的起始位置在相鄰的最大和最 小ROC信號振幅之間的中心。
圖12圖示，鼓位置yl對應于1315處的最大R0C值M1，鼓位置 y2對應于1320處的最小ROC值ml。類似地，鼓位置y3和y4分別對 應于量值M2和m2。中心起始位置通過算式(yl+y2) /2或(y3+y4) /2算 出，取決于所選擇的相鄰R0C信號點。注意，不要求將起始位置選在 最大和最小R0C值之間的中心，本發明不限于僅使用一個最大值或一 個最小值來生成起始位置。所選擇的起始位置可以是任意的，僅與R0C 信號有關。
與先前使用的最小量值起始位置方法相比，R0C信號起始脈沖不 僅具有改進的信噪比，而且具有特征形狀。這個形狀的信息可以被用 來生成更加可靠和穩定的起始位置。例如，通過調整印刷鼓在信號采 樣期間的速率，可以維持ROC信號的特征形狀。
如圖12所示，當R0C信號1310生成時，鼓速率1335被調整為恒 定。此外，可以通過這樣的算法或測量來驗證ROC信號，例如確定最小和最大值之間的跨度、確定與最小和最大值相鄰的信號的斜率、 確定最小和最大振幅之差、確定最小和最大振幅的比值等等，然后將 這些測量的結果與期望特征相比較。
應意識到，上述及其他特征和功能的變體或替換物可以按需結合 到許多其他系統或應用中。而且，本領域技術人員以后可以做出的目 前尚未預見或設想到的各種替換物、變體或改進也被包括在下述權利 要求中。
權利要求
1.一種用于處理編碼器起始位置信號的方法，其包含通過調制與具有碼盤表面的碼盤關聯的編碼器盤上的多個條寬度，來生成絕對起始位置量值信號，其中所述碼盤表面垂直于旋轉軸旋轉；通過對所述絕對起始位置量值信號進行采樣來生成變化率信號，并對所述變化率信號進行濾波以提高信噪比；和通過應用起始位置算法來確定所述變化率信號的起始位置，其中所述變化率信號的信號特征形狀提高了與所述變化率信號關聯的所述起始位置的健壯性，以有效地處理所述編碼器起始位置信號，從而加強渲染裝置的有效性。
2. 權利要求l的方法，其還包含計算與至少一個最大變化率值和至少一個最小變化率值關聯的多 個鼓位置，以確定所述變化率信號的所述起始位置。
3. 權利要求l的方法，其還包含，將所述多個條寬度配置為基本 均勻間隔且以中心對中心方式定位。
4. 權利要求l的方法，其中所述編碼器讀取器包含光學傳感器。
5. 權利要求l的方法，其中所述渲染裝置包含具有至少一個印刷 頭的打印才幾。
6. 權利要求5的方法，其中所述變化率信號的所述起始位置補償 了所述印刷頭的處理方向對準，這有助于提高所述打印機的打印品質。
7. 權利要求l的方法，其還包含 配置所述編碼器讀取器，以包含光學傳感器； 計算與至少一個最大變化率值和至少一個最小變化率值關聯的多個鼓位置，以確定所述變化率信號的所述起始位置；和配置所述多個條寬度，使其基本均勻間隔且以中心對中心方式定位。
8. —種用于處理編碼器起始位置信號的系統，其包含 處理器；數據總線，其耦合到所述處理器；和包含計算機碼的計算機可用介質，所述計算機可用介質耦合到所述數據總線，所述計算機碼包含可被所述處理器執行的指令，并被配置為通過調制與具有碼盤表面的碼盤關聯的編碼器盤上的多個條 寬度，來生成絕對起始位置量值信號，其中所述碼盤表面垂直于旋轉軸旋轉；通過對所述絕對起始位置量值信號進行采樣來生成變化率信號，并對所述變化率信號進行濾波以提高信噪比；和通過應用起始位置算法來確定所述變化率信號的起始位置，其中所述變化率信號的信號特征形狀提高了與所述變化率信號關聯的所述起始位置的健壯性，以有效地處理所述編碼器起始位置信號，從而加強渲染裝置的有效性。
9.權利要求8的系統，其中所述指令進一步被配置為計算與至少一個最大變化率值和至少一個最小變化率值關聯的多 個鼓位置，以確定所述變化率信號的所述起始位置。
10， 一種包含計算機程序碼的計算機可用介質，所述計算機程序 碼包含計算機可執行指令，其被配置為通過調制與具有碼盤表面的碼盤關聯的編碼器盤上的多個條寬 度，來生成絕對起始位置量值信號，其中所述碼盤表面垂直于旋轉軸 旋轉；通過對所述絕對起始位置量值信號進行采樣來生成變化率信號， 并對所述變化率信號進行濾波以提高信噪比；和通過應用起始位置算法來確定所述變化率信號的起始位置，其中 所述變化率信號的信號特征形狀提高了與所述變化率信號關聯的所述 起始位置的健壯性，以有效地處理所述編碼器起始位置信號，從而加 強渲染裝置的有效性。
全文摘要
一種編碼器位置信號處理系統，其包含模擬編碼器讀取器和碼盤。該碼盤具有光軌，其調制正交編碼器信號振幅，以使碼盤每轉一圈生成一次振幅變化(起始脈沖)。模擬編碼器讀取器輸出由正弦和余弦信號組成的正交信號。該正交信號被轉化成量值信號，其被采樣，以生成變化率(ROC)信號，其提高了信噪比。繼而，使用ROC起始脈沖信號的特征形狀的算法可以被應用到ROC信號，以提高起始脈沖檢測的健壯性。
文檔編號G01D5/32GK101614558SQ200910147400
公開日2009年12月30日 申請日期2009年6月22日 優先權日2008年6月23日
發明者D·D·馬特森, M·E·瓊斯 申請人:施樂公司