光編碼器的製作方法
2023-04-28 05:18:16
專利名稱：光編碼器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種均勻光柵和非均勻光柵兼備的光編碼器。
傳統的光編碼器通常有一個主刻度盤(main scale)、一個基準刻度盤(index scale)、一個光源和一個光檢測器，主刻度盤與基準刻度盤彼此平行配置，可以彼此相對運動，光源用以將準直光照射到刻度盤上，光檢測器用以檢測主刻度盤與基準刻度盤之間的重疊狀態調製出的陰影圖形。主刻度盤和基準刻度盤都有自己的光柵。兩刻度盤的光柵由透光部分和不透光部分組成，兩部分以1∶1的預定寬度和預定間距交替排列。假設沒有衍射，則當準直光照射到各刻度盤上時通過刻度盤光柵透射出的光量分布呈矩形波譜。以下稱這種光柵為「矩形波光柵」。
當主刻度盤與基準刻度盤相對移動時，隨這種矩形光柵的重疊情況得出的輸出光通量在理想情況下成為三角形波信號。但實際上由於沒有衍射等現象，輸出的光通量成為偽正弦曲線。相對位置是採用正弦波信號作為位移信號檢測出的。通常採用一對基準刻度盤來獲取在相位上彼此相差90度的所謂A相和B相正弦波信號。
上述由偽正弦波組成的位移信號與理想的正弦波不同，即波形失真大。尤其是失真率取決於主刻度盤與基準刻度盤之間的間隙波動情況。失真率的波動主要是位移信號中的奇數(三次、五次……)諧波分量引起的。若採用失真率波動的位移信號進行位置測定，測定誤差會變大。
減小隨位移信號中的波形失真而產生的測量誤差的方法，迄今提出過的就有好幾種。例如，大家知道，在刻度盤上形成兩個在相位上彼此有些偏差的矩形光柵圖形，將兩個輸出信號加起來可以消除位移信號中的諧波分量(參看美國專利5,068,530)。
另一個現有技術提出，將兩個光柵加起來，(一個光柵由矩形圖形組成，另一個光柵由正弦波圖形組成)可以避免輸出信號中含諧波分量(參看美國專利4,82,229)。以下將具有正弦波圖形的光柵稱之為「正弦波光柵」，這種光柵，與矩形波光柵相加，基本上只能得出正弦波的輸出。
用上述傳統方法，大致上可以減小波形失真因素，但其準確度尚未高得足以可將其用來在精密工具機製造等進行位置測定。此外，從現行製造技術的現狀看，要形成正弦波光柵圖形還是有困難的。
鑑於上述問題，本發明的目的是提供一種通過控制刻度盤光柵的寬度能有效地消除位移信號中的諧波分量從而可以進行精密測量的光編碼器。
為達到上述目的，本發明提供了這樣一種光編碼器，這種光編碼器具有第一和第二刻度盤、一個光源和一個光檢測裝置，兩刻度盤彼此平行配置，彼此可相對移動，兩刻度盤上分別按預定間距形成有光柵，光源用以將準直光照射到第一刻度盤上，光檢測裝置則用以檢測透過第二刻度盤射出的光，該透射光的陰影圖形通過第一與第二刻度盤之間的重疊狀態進行調製，其中，第一和第二刻度盤中的一個具有均勻的光柵，該均勻光柵由多個矩形透光部分和多個矩形不透光部分按預定的間距交替排列，各矩形透光部分的寬度均勻，第一和第二刻度盤的另一個具有不均勻光柵，該不均勻光柵由至少一組M(其中M為2或大於2的整數)對矩形透光部分和矩形不透光部分組成，各對的間距與均勻光柵的相同，不均勻光柵上的各矩形透光部分，在一組M對內的寬度彼此不同，從而分布地包含一波長等於均勻光柵的一個間距的一個周期正弦波形的信息。其中，該周期正弦波形以底到底的範圍表示，不均勻光柵矩形透光部分的各寬度取得等於該一個周期正弦波形被M個不同限幅電平限幅的各限幅部分的每寬度。
按照本發明，其中一個刻度盤是和傳統普通的矩形波光柵一樣的均勻光柵，另一個刻度盤是不均勻光柵，不均勻光柵的透光部分和不透光部分的各間距設計得與均勻光柵的間距相同，透光部分和不透光部分的各寬度與波長等於均勻光柵一個間距的正弦波形在M個限幅電平的各寬度。換句話說，不均勻光柵的光柵寬度有正弦波形的幅值信息，不均勻光柵基本上按正弦波光柵同樣的方式工作。因此，配合這種均勻光柵刻度盤和不均勻光柵刻度盤工作可以輸出不含正弦波諧波分量的位移信號。這樣就可處理這種位移信號進行精密的位置測定。主刻度盤可以選用均勻光柵刻度盤和非均勻光柵刻度盤兩者的其中一個刻度盤，另一個刻度盤則用作基準刻度盤。
此外，按照本發明，製造刻度盤無需形成正弦波圖形，因而不難製取光柵圖形精確的刻度盤，從而提高光編碼器位置測定的精確性。
此外，按照本發明的一個最佳模式，所提供的光編碼器的不透光部分(該部分的寬度彼此不同)分散開來，從而最大限度地減小所述組中透光各部分在寬度上的變化。按照上述模式，可以提高輸出光量在空間中分布的均勻性。按照另一個最佳實施例，所提供的光編碼器的透光部分分散開來，從而最大限度地減小了不透光部分在寬度上的變化。本發明的這方面，在光檢測器陣列用作基準刻度盤的情況下，對光檢測器陣列配線部位的固定有好處。此外，當刻度盤要求很小的間距時，用這種分散模式設置可以使處理高度精確，還提高了位置測定精確度。
圖1示出了本發明一個實施例的透光式線性編碼器。
圖2示出了實施例主刻度盤和基準刻度盤的光柵圖形。
圖3是說明實施例主刻度盤設計過程的示意圖。
圖4示出了與實施例等效的刻度盤結構。
圖5A示出了透過矩形波光柵的透射光的分布情況。
圖5B示出了從圖5A的透射光波濾除基波的濾波器。
圖6示出了本發明另一個實施例的基準刻度盤的光柵圖形。
圖7示出了本發明另一個實施例的基準刻度盤的光柵圖形。
圖8示出了本發明另一個實施例的反射式線性編碼器。
圖9示出了本發明另一個實施例的透光式線性編碼器。
圖10示出了圖9光檢測器陣列的檢測表面設計。
圖11示出了本發明另一個實施例的施轉式編碼器。
圖1示出了本發明一個實施例的透光式線性編碼器的結構。主刻度盤11和基準刻度盤12彼此平行配置，且舉例說，主刻度盤能沿圖1箭頭所示的X方向移動。基準刻度盤12的兩個光柵部分12a、12b，其相位相對於主刻度盤11相互移動了90度。光源10設在主刻度盤11上方，供將準直光照射到主刻度盤11上，光檢測裝置13a和13b則設在基準刻度盤12下方。檢測裝置13a和13b與光柵部分12a和12b相對，檢測分別透過光柵部分12a和12b的光量。光檢測裝置13a和13b為例如光電二極體或光電電晶體。
圖2示出了主刻度盤11和基準刻度盤12上的光柵圖形。主刻度盤11的均勻光柵(即矩形光柵)由矩形透光部分14和矩形不透光部分15組成，該兩部分由Cr薄膜製成，寬度均勻，以均勻的間距P交替排列著。在此實施例中，透光部分14和不透光部分15各自的寬度為10微米，按20微米的間距排列。相反，基準刻度盤12上的光柵部分12a和12b都是不均勻光柵，其中的多個矩形透光部分16，彼此之間的寬度不同，因而多個矩形不透光部分17彼此之間的寬度也不同。
透光部分16和不透光部分17的寬度按預定的規律確定，使其基本上作為正弦波光柵工作。這個規律稍後即將說明。
雖然各光柵部分12a和12b是不均勻光柵，但其光柵間距都與主刻度盤的相同，即在圖2實施例中為20微米。從圖2中可以看到，每一個光柵部分12a、12b都由起碼一組M(＝10)個光柵單元組成，各單元又由一對透光部分16和不透光部分17組成。就是說，各光柵部分12a和12b由N(其中N為1或大於1的整數)組光柵群組成。
各光檢測裝置13a和13b都有光檢測表面，分別供接收光柵部分12a和12b來的輸出光線。因此，檢測裝置13a和13b適宜分別輸出相位彼此相差90度的A相輸出信號和B相輸出信號。
下面詳細說明基準刻度盤12上的上述不均勻光柵的設計方法。圖3示出了製取波長與刻度盤光柵間距P相同、等於20微米的正弦波形18的情況。先在底到底的範圍繪製正弦波形18。接著按10個限幅電平L1、L2、……、L10以恆定的階段劃分正弦波18的振幅。通過劃分正弦波18，可以得出如圖3所示的近似於正弦波形18的階梯式波形19。正弦波形18各限幅電平處的寬度，如圖3中所示，為3微米、5微米、6.6微米、8微米、9.4微米、10.6微米、12微米、13.4微米、15微米和17微米。因此，如圖2中所示，正弦波形18的上述諸寬度可分派給基準刻度盤12上光柵部分12a和12b的不透光部分17。
如上所述，不均勻光柵部分12a和12b上不透光部分17的各寬度取決於正弦波形18的與均勻光柵的一個間距相應的10個限幅電平的每個寬度，因此彼此具有不同值。換句話說，基準刻度盤12分布性地做為光柵部分12a和12b 10個格子中的寬度信息包括了一周期正弦波形18的面積信息。因此，圖2中主刻度盤11與基準刻度盤12之間的關係基本上與圖4中所示的矩形光柵的主刻度盤51和正弦波光柵的基準刻度盤52的關係相同。採用上述正弦光柵之所以會減小失真程度的理由如下。
參看圖4中的主刻度盤51和基準刻度盤52，主刻度盤51是個矩形光柵。當主刻度盤51受到準直光照射時，透過主刻度盤透射的光量It(X)可用下列傅立葉展開式表示It(X)=n=1AnSin2(2n-1)XP----------(1)]]>其中X是圖4所示的測定位置，P是光柵間距，An是n項幅值。(1)式中，直流分量消除掉了，因為該分量用另一反相輸出信號通過差分處理消除掉了。
圖5A示出了透射光量It(X)與位置X的關係。圖5A中，n＝1表示基波分量，n＝Q和n＝3分別表示三次和五次諧波分量。
如圖4中所示，當主刻度盤51與間距和主刻度盤51相同的正弦波光柵的基準刻度盤52一起使用時，透過間距為m的基準刻度盤52的透射光量I(X)(即收到的光量)可用下式表示I(X)=MOPn=1AnSin2(2n-1)(X+X1)Psin2n1Pd1---(2)]]>(2)式表明，圖5A中的光分布由圖5B所示的具有透光部分和不透光部的正弦波濾波器濾過。因此，(2)式中時，收到的光的輸出量I(X)可用下式表示I(X)=MAlP2COS2XP-------(3)]]>n＝2或大於2時，I(X)＝O。不然也可以通過1刻度間隔的積分消除奇次的諧波分量。
圖4中的基準刻度盤52用水平限幅線按等間距分成M個部分、再將M個部分X方向成串排列構成1個光柵單元時，可以得出同樣的效果。此實施例中基準刻度盤12的光柵部分12a、12b大致與上述1個光柵單元相等。在此實施例中，由於基準刻度盤12把一周期的正弦波信息包括在M個間距的光柵部分中，所以隨刻度盤的位移的M個間距收到的光量也可用準正弦波表示。劃分值M越大，輸出就變得越接近正弦波。本發明人通過模擬試驗驗證了這一點。
因此，按照上述實施例，奇數次諧波分量也從輸出信號消除掉了。但M最好選取3至10的範圍。因為若M大於10，基準刻度盤上一組光柵的寬度就太大以致不能均勻照射出去。
此外，按照上述實施例，主刻度盤與基準刻度盤之間間隙的變化，和光柵為正弦波的編碼器類似，對輸出信號並沒有大的影響。
如上所述，按照上述實施例，由均勻光柵組成的主刻度盤和由不均勻光柵組成的基準刻度盤結合起來使用，可以獲得諧波失真消除了的準正弦波輸出信號。在圖2的基準刻度盤中，對調透光部分16和不透光部分17之間的關係，得出的結果還是一樣。
圖2中，基準刻度盤12上不均勻光柵的寬度分布取得使圖3中正弦波形限幅電平的寬度信息依次按寬度順序指定為不透光部分17的寬度。但具有一周期正弦波信息的一組光柵群中不透光部分的設計是任意的。從圖2中可以清楚地看到，即使不透光部分17在光柵部分12a和12b是任意分布的，輸出信號在一個間距位移過程中一組的變化還是相同的。
圖6示出了比圖2的實施例更好的另一個實施例的基準刻度盤12的設計實例。在此實施例中，不透光部分17按一定的規律分散得最大限度地減小了透光部分16在寬度上的變化，具體情況下最窄的不透光部分(＝3微米)和最寬的不透光部分(＝17微米)彼此毗鄰配置，次較窄的不透光部分(＝5微米)和次較寬的不透光部分(＝17微米)彼此毗鄰配置，如此類推。按照此實施例，透光部分16在一組光柵群中的分布可比圖2中的更均勻。因此可使光量在一組中的空間分布更為均勻。此外，由於無需採用窄於預定值的狹縫，對光編碼器的製造有利。
圖7示出了基準刻度盤12的另一個實例。在此實施例中，與圖6中的實例相比，透光部分16是按圖6實例同樣的規律分散開的。不然也可以令最窄的透光部分(＝3微米)與最寬的透光部分(＝17微米)彼此毗鄰配置，次較窄的透光部分(＝5微米)與次較寬的透光部分(＝15微米)彼此毗鄰配置，如此類推。按照如此分布，可以使一組光柵群中不透光部分17的寬度更均勻。
圖8示出了另一個實施例的反射式線性編碼器，主刻度盤21是均勻光柵，刻度盤上的透光部分和不透光部分(即反射部分)與上述實施例一樣按1∶1的寬度比排列。基準刻度盤22的光柵部分22a和22b都是不均勻光柵，每一部分22a和22b對應於上述實施例中的光柵部分22a和22b。基準刻度盤22上設有衍射部分25，供獲取來自漫射光源24(例如發光二極體)輸出的準直光。光柵部分25是均勻光柵，按周知的三光柵理論用作輔助光源。
按照此實施例可獲得與前述實施例類似的失真程度較小的正弦波輸出信號。
圖9示出了另一個實施例沒有基準刻度盤的線性編碼器。主刻度盤31是個均勻光柵，其上的透光部分和不透光部分與上述實施例一樣按1∶1的寬度比交替排列。光檢測裝置陣列32面對主刻度盤31配置，接收主刻度盤31來的光。光檢測器陣列32用作基準刻度盤。不然也可以將光檢測表面按上述基準刻度盤的透光部分類似的方式排列，用作不均勻光柵。圖10示出了檢測裝置陣列32圖形的一個實例。光檢測部分33和配線部分34分別配置得與圖7中透光部分16和不透光部分17一樣。
按照此實施例，可以獲得與上述實施例類似的失真程度較小的正弦波輸出信號。
在圖9的實施例中，光接收部分的布局可採用圖6光柵的那種布局。但最好還是採用圖10等效於圖7的那種陣列，因為不象圖6的陣列那樣，書寫區34可以在更寬的範圍內固定。
圖11示出了另一個實施例的旋轉式編碼器。從圖11中可以看以，該編碼器包括用作旋轉主刻度盤的轉盤41、用作固定基準刻度盤的定盤42(42a，42b)和光檢測裝置43a、43b和上述實旋例類似，轉盤41和定盤42分別由均勻光柵和柵組成。按照此實施例，可以得出失真程度較小的正弦波輸出信號。
在上述諸實施例中，雖然主刻度盤採用了均勻光柵，基準刻度盤採用了不均勻光柵，但也可以對調均勻光柵和不均勻光柵的用場。此外，在上述諸實施例中，正弦波信息系限幅並分成10個部分，分散到刻刻度盤的10個分度間隔上。但限幅電平數也可選取任何等於大於2的整數。
雖然上述諸實施例中採用了一對基準刻度盤，但也可以採用四個基準刻度盤輸出相位分別為0°、90°、180°和270°的四個位移信號。
此外，在本發明中，一周期正弦波形可以用垂直限幅線分成多個區。
按照本發明，其中一個刻度盤是均勻光柵，另一個刻刻度盤是不均勻光柵，不均勻光柵的透光部分和不透光部分按均勻光柵的等間距配置，透光部分和不透光部分的各寬度與波長等於均勻光柵一個間距的正弦波形在M限幅電平處的各寬度。因此能輸出失真程度較小的位移信號，從而用該位移信號可以精確測定位置。此外，按照本發明，要製造刻度盤，無需形成正弦波圖形，因而不難製取光柵圖形精確的刻度盤，從而提高了光編碼器位置測定的精確度。
權利要求
1.一種光編碼器，具有第一和第二刻度盤、一個光源和一個光檢測裝置，所述兩刻度盤彼此平行配置，並可彼此相對移動，刻度盤上都分別按預定間距形成有光柵，所述光源的準直光照射到第一刻度盤上，光檢測裝置用以檢測透過第二刻度盤的透射光，透射光的陰影圖形藉助於第一和第二刻度盤之間的重疊狀態加以調製，其特徵在於，所述第一和第二刻度盤中的一個的光柵是均勻的，由多個矩形透光部分和多個矩形不透光部分按預定間距交替排列組成，各矩形透光部分的寬度均勻；所述第一和第二刻度盤中的另一個的光柵是不均勻的，由至少一組M(其中M是等於或大於2的整數)對矩形透光部分和矩形不透光部分組成，這些對按均勻光柵同樣的間距配置，所述不均勻光柵上的所述矩形透光部分在所述一組M對中的寬度彼此不同，從而含有其波長等於所述均勻光柵一個間距的一個周期正弦波形的信息。
2.如權利要求1所述的光編碼器，其特徵在於，所述一個周期正弦波形按底到底的範圍表示，且所述透光部分的各寬度取等於所述一個周期正弦波按M個不同限幅電平所限幅的各限幅部分的寬度。
3.如權利要求1所述的光編碼器，其特徵在於，M選取3至10之間的整數。
4.如權利要求1所述的光編碼器，其特徵在於，所述第一刻度盤為主刻度盤，所述第二刻度盤為基準刻度盤，基準刻度盤上配置有至少兩個不均勻的光柵，使輸出的信號至少為兩個相位彼此相差90度的正弦波位移信號。
5.如權利要求1所述的光編碼器，其特徵在於，所述第一刻度盤為主刻度盤，所述第二刻度盤為光檢測裝置陣列，用作基準刻度盤。
6.如權利要求1所述的光編碼器，其特徵在於，所述不均勻光柵的所述不透光部分分散在所述一組M對中，從而最大限度地減小所述不均勻光柵的所述透光部分在寬度上的變化。
7.如權利要求1所述的光編碼器，其特徵在於，所述不均勻光柵的所述透光部分分散在所述一組M對中，從而最大限度地減小所述不均勻光柵所述不透光部分在寬度上的變化。
8.如權利要求1所述的不編碼器，其特徵在於，所述第一和第二刻度盤製成線性刻度盤。
9.如權利要求1所述的光編碼器，其特徵在於，所述第一和第二刻度盤製成旋轉式編碼器。
全文摘要
主刻度盤11和基準刻度盤12平行可動配置。光源10將準直光射到11上。12下方有光檢測裝置13a和13b檢測透過光通量。11的均勻光柵含均勻寬度的透光部分14和不透光部分15，以等間距P交替。12的非均勻光柵12a和12b相位差90度，透光部分16和不透光部分17按11的間距排列。17的寬度等於正弦波按10個電平限幅的各寬度，波長為均勻光柵間距。12a和12b按正弦波光柵工作，輸出信號無諧波分量失真。
文檔編號G01D5/36GK1142056SQ9511969
公開日1997年2月5日 申請日期1995年11月24日 優先權日1994年11月25日
發明者松浦辰彥 申請人:三豐株式會社