光學旋轉編碼器的製作方法

2023-06-09 18:51:01 2

專利名稱：光學旋轉編碼器的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及一種光學旋轉編碼器。
圖5是一個透視圖，畫出一個典型的常用光學旋轉編碼器的結構。參照該圖，其結構為兩個帶有狹縫的部件插在光源101與光接收元件102之間，光源101比如用LED(或雷射二極體)。兩個部件中，靠近光源101的是旋轉狹縫部件103，它能與待測物體一起旋轉。此旋轉狹縫部件是一個圓盤，沿半徑方向開有許多狹縫103a，狹縫以規則的間距沿圓周方向排列。另一個部件是不動的狹縫部件104，固定在不動的部分(未畫出)上，上面開有若干狹縫104a，這些狹縫排列的空間間距與旋轉狹縫部件103相同。
旋轉狹縫部件103被一光束照射，比如一束LED光束，它從放在旋轉狹縫部件103前面的光源101射出，穿過狹縫103a與104a的光，被放在不動狹縫部件104後面的光接收元件102檢測。因此，光接收元件102檢測旋轉狹縫部件103每一次旋轉量的光，對應於一個狹縫間距Ls，給出一個脈衝輸出。因此，通過對脈衝輸出的計數，便能檢測旋轉量。就是說，光接收元件的檢測精度，取決於每個旋轉量的脈衝輸出數目，從而，要改善光接收元件102的檢測精度，必須減小狹縫103a和104a的相應狹縫間距Ls。
然而，如果為了改善上述通常光學旋轉編碼器的檢測精度，而減小狹縫間距Ls，那麼旋轉狹縫部件103與不動狹縫部件104之間的距離d也必須與狹縫間距Ls的平方值成比例地減小。但遺憾的是，光學旋轉編碼器在裝配時，對距離d的減小存在一定限制，從而也限制了狹縫間距Ls的減小。這就導致對檢測精度改善的限制。
鑑於前文的論述，本發明的一個目的，是提供一種光學旋轉編碼器，它的設計能進一步增加其檢測精度。
本發明的光學旋轉編碼器，包括
光源；不動板，垂直於光源發出的光的光軸，此不動板至少有一片波帶片；旋轉狹縫板，它能旋轉且沿光發射方向離開不動板一個波帶片的焦距的距離，旋轉狹縫板的狹縫按預定的空間間距沿一圓周排列，圓周則在半徑與光軸相交的位置上；以及光接收元件，放在貼近旋轉狹縫板的位置，用於檢測穿過狹縫的光。
改進後的上述光學旋轉編碼器，能使波帶片會聚的光進入狹縫，以便用光接收元件檢測。因為波帶片的焦距依賴于波帶片最裡面那個圓周的半徑，適當選取該圓的半徑，可以減小光束半徑，使之接近衍射極限，同時使波帶片的焦距，即不動板與旋轉狹縫板的距離保持在一定範圍，比如能夠裝配光學旋轉編碼器的範圍。因而，相鄰狹縫的間距可以顯著減小，極大地增加旋轉量的檢測精度。
還有，上述旋轉編碼器還可構作成有多個波帶片，這些波帶片順著狹縫排列方向排列，相鄰兩波帶片的中心距表示為n·Ls，這裡Ls是相鄰兩狹縫的間距，n是個整數。在這種結構中，多個波帶片的存在，增加了穿過的光的總量，從而有利於光接收元件的檢測。此外，接收的光量也能通過改變波帶片的數目而任意調整。
在上述旋轉編碼器中，波帶片可以是菲涅耳波帶片，它由多個同心的圓形波帶構成。菲涅耳波帶片的作用像個透鏡，用它把光會聚成精細的光點。因此便於減小相鄰狹縫的間距。此外，波帶片也可以是直條形波帶片，它由許多沿狹縫縱向平行伸延的直條形波帶構成，位於光源發出的光的光軸上。直條形波帶片把光會聚成直線狀，與狹縫形狀相對應，因而，即使狹縫偏移正常位置，會聚成直線的光至少有部分可以容易地穿過狹縫。這就可以使光接收元件進行檢測從而實現穩定的檢測。


圖1是透視圖，畫出本發明第一個實施例中的光學旋轉編碼器結構；圖2是前視圖，畫出圖1所示旋轉狹縫板的整體形狀；圖3是透視圖，畫出本發明第二個實施例中的光學旋轉編碼器結構；圖4是透視圖，畫出本發明第三個實施例中的光學旋轉編碼器結構；和圖5是透視圖，畫出通常的光學旋轉編碼器結構。
下面，本發明的各個優選實施例將參照附圖加以描述。
圖1是在x、y和z三個座標中的透視圖，畫出本發明一個實施例中的光學旋轉編碼器結構的基本部分。此圖並未按實際長度或大小的比例畫出，為的是更清晰地表示結構的基本部分。參照此圖，不動板1固定在平行於x-y平面的平面內，上面有多個波帶片2沿x方向按規則的空間間距排列。在此實施例中，多個波帶片2排成兩行五列，每個波帶片2都是菲涅耳波帶片，由多個同心的圓形波帶構成。光源3由一個LED或多個LED組成，要把光源3放在這樣的位置，使其光軸沿垂直於不動板1的z方向，並把光射向波帶片2。順便指出，也可以用多個光源3與各個波帶片2相對應。一塊旋轉狹縫板4，它可與旋轉量待測的物體一起旋轉，且平行於x-y平面放置，在z方向上與不動板1離開一段距離d。整塊旋轉狹縫板4的形狀像個圓盤，如圖2所示。要這樣安放旋轉狹縫板4，使它與光軸成直角相交，相交的位置在距旋轉中心O為rs的半徑上。旋轉狹縫板4有多個徑向狹縫4a，沿半徑rs的圓周以規則的空間間距Ls排列(圖1)。各列上的各對波帶片2與狹縫4a對應，也沿徑向排開，因此每一行上相應的五個波帶片2，嚴格說來，是排列在一弧上。光接收元件5放在旋轉狹縫板4後面並緊靠旋轉狹縫板4，且沿x-y平面平行伸延。
應該指出，相鄰狹縫的空間間距Ls(以後稱為狹縫間距Ls)比半徑rs小很多。因此，像畫在圖1上的少量狹縫4a可以認為排在一條直線上。相應地，波帶片2也可以沿x方向排在一條直線上。
在上述結構中，狹縫間距Ls由下面的表達式給出，式中，旋轉狹縫板4旋轉一圈時，光接收元件5檢測到的脈衝數目記以PsLs＝2π·rs/Ps。狹縫4a的縫寬W，它等於狹縫間距Ls之半，由下式給出W＝π·rs/Ps。不動板1與旋轉狹縫板4之間相對於Z方向的距離d，等于波帶片2的焦距，由下式給出
d＝(s12)/λ，其中s1表示波帶片2最裡面的圓的半徑，λ表示LED發出的光波長。
為了給出類似於現有旋轉編碼器結構的一個光學系統，波帶片2要按給定的空間間距排列，每個空間間距是狹縫間距Ls的整數倍。就是說，相鄰被帶片2的空間間距要表示為n·Ls。整數n的最小值由下式給出n=Psmaxdrs+1]]>這裡ζmax表示波帶片2的圓環數目。當選定了由上式得到的整數n後，相鄰波帶片的空間間距就可以成為極小。順便指出，所要求的波帶片2的數目，取決於光接收元件5收集到的，穿過狹縫4a的光量以及該元件的最低靈敏度之間的關係。
上述表示式的一個特定數值例子給出於下。
當給定下述數值時LED波長λ＝0.74μm，脈衝數Ps＝5000脈衝/轉焦距d＝200μm，和半徑rs＝14mm，可得下述數值s1=0.74200=12.16m,]]>W＝π×(14/5000)＝8.8μm，Ls＝2π×(14/5000)＝17.6μm，2=20.74200=17.2m,]]>3=30.74200=21.1m,]]>I0＝16×I00(N＝3)，和n＝3其中，ρ2表示第二波帶半徑；ρ3表示第三波帶半徑；I0表示在波帶片焦點上的光強；I00表示不存在波帶片時相應于波帶片焦點上的光強；最後，N表示波帶數目。
在上述結構中，當光源3向以規則的空間間距排列的多個波帶片2發射光時，波帶片2的作用就像透鏡，把光會聚成以規則的空間間距排列的精細的光點。因為相鄰的精細光點的空間間距是狹縫間距Ls的整數倍(n·Ls)，所以對旋轉狹縫板4轉動時的響應，是讓所有光點同時穿過狹縫4a然後又同時檔柱，如是重複這個過程。按照此過程的重複率，光接收元件5輸出與旋轉狹縫板4的旋轉量相對應的開-關(脈衝的)信號。
根據表達式d＝(s12)/λ給出的波帶片2的焦距，它等於不動板1與旋轉狹縫板4的距離，因此通過改變波帶片2最裡面的圓的半徑s1，可以任意設定距離d。
此外，眾所周知，波帶片2可以把光束會聚成直徑接近於衍射極限的光束。因此，可以利用半導體的刻圖技術，例如光刻技術，改進波帶片2的刻圖精度，產生具有預定最小直徑光斑的會聚光，在不動板1與旋轉狹縫板4的距離d保持在編碼器裝配所允許的任何值的條件下，可使狹縫間距Ls做得儘可能小。
還有，憑藉波帶片2把LED的光會聚成精細的光點這一有利條件，LED光經狹縫4a的通/斷而產生的開/關信號，可以有更高的信噪比。另外，通過改變波帶片2的數目，改變波帶片2中心圓的半徑以及波帶片2內波帶的數目，能夠調整接收的光量，因而提供更多的設計自由度。
還有，刻制波帶片圖形時，把波帶中心移位Ls/4，便可容易地得到熟知的A/B兩相輸出。
應當指出，上述實施例用帶有多個波帶片2的例子來說明，但從原理上說，可以只用一個波帶片2。
圖3是個透視圖，畫出帶有一個波帶片的光學旋轉編碼器作為本發明的第二個實施例。除了不動板1隻包含一個波帶片2以及光接收元件沿x方向縮小了尺寸以與波帶片2的尺寸相稱，此實施例與第一個實施例有相同結構。
在上述這種結構中，有限的光量使光接收元件5在檢測時略有困難。不過，此實施例提供的旋轉編碼器的高精度檢測特性則與本發明第一實施例提供的相同。
圖4是個透視圖，畫出本發明的第三個實施例。在此實施例中，代替第二個實施例同心地形成的波帶片2，給出一個直條形波帶片6。更詳細地說，直條形波帶片6是由直條形波帶組成，這些直條形波帶平行於在光軸上的狹縫4a的縱向(y方向)伸延。在此情形下，LED的光被會聚成一條沿y方向伸延的直線。因此，即使狹縫4a沿y方向偏離其正常位置，只要至少有部分會聚成直線的LED光穿過狹縫4a，也能被光接收元件5檢測。
順便指出，與第一個實施例類似，此第三個實施例還可以包括帶有多個直條形波帶片6的情形。
權利要求
1.一種光學旋轉編碼器，包括光源；不動板，垂直於所述光源射出的光的光軸，所述不動板上至少帶有一個波帶片；旋轉狹縫板，它可以旋轉並沿所述光發射方向與所述不動板離開一個所述波帶片的焦距的距離，所述旋轉狹縫板上帶有的狹縫按預定的空間間距沿一圓周排列，圓周則在半徑與所述光軸相交的位置上；和光接收元件，放在貼近所述旋轉狹縫板的位置，用於檢測穿過所述狹縫的光。
2.權利要求1所述的光學旋轉編碼器，其中所形成的多個所述波帶片沿所述狹縫排列方向排列，和相鄰波帶片的中心的距離由表達式n·Ls表示，Ls代表相鄰兩個所述狹縫的空間間距，n代表一個整數。
3.權利要求1所述的光學旋轉編碼器，其中所述波帶片是菲涅耳波帶片，它由多個圓形波帶同心地構成。
4.權利要求1所述的光學旋轉編碼器，其中所述波帶片是直條形波帶片，其上有直條形波帶，直條形波帶平行於所述狹縫伸延，所述狹縫位於自光源的所述光軸上。
全文摘要
在光學旋轉編碼器中,一塊帶有波帶片的不動板和一塊帶有狹縫的旋轉狹縫板插在一個光源與一個光接收元件之間。選擇波帶片最裡面的圓的一個合適半徑,使波帶片給出一束足夠會聚的光,以便減小狹縫間距(從而改善檢測精度),同時使不動板與旋轉狹縫板的距離保持在編碼器裝配所允許的值。
文檔編號G02B27/58GK1248711SQ98119699
公開日2000年3月29日 申請日期1998年9月23日 優先權日1998年9月23日
發明者下中勇治, 松島立夫, 藤本靖一 申請人:光洋精工株式會社