CN100389305C - 光学式编码器 - Google Patents

Abstract

一种光学式编码器，在光学式位移测量装置的主度盘上等间隔地设置狭缝，只是一部分的缺少狭缝为用于检测原点的光线不透过区域。另一方面，在指示度盘上形成有4组窗，设狭缝的间距为p时，上述4组窗错开(1/4)p的相位配置着。上述缺少狭缝的部分与指示度盘重合时，由于来自缺少狭缝的光量不到达光电二极管，所以，只在1个窗透过一部分的光，光量减少。通过添补全部光电二极管的输出，可得到由缺少狭缝产生原点信号。

Description

光学式编码器

技术领域

本发明涉及在位移测量和角度测量中采用的、可进行绝对位置检测的光学式编码器。

背景技术

光学式编码器基本上具有：形成有第1光学栅格的主度盘，与其相对设置并形成有第2光学栅格的指示度盘，对主度盘照射光的光源和受光元件，其中，该受光元件接收从主度盘的第1光学栅格反射或透过第1光学栅格再从指示度盘的第2光学栅格返回的光。

在这种光学式编码器中，采用受光元件阵列兼作为指示度盘的方式，已在例如日本特公平6-56304号公报中公开。另外，本申请人也申请了具有同样构造的日本专利公报特开2003-161645号的光学式编码器。

该光学编码器被称为增量型编码器，在度盘移动时，借助脉冲的增减可检测出度盘的移动量。增量型编码器的问题是，由于绝对位置不明确，所以需要另外配置用于检测绝对位置的传感器。

图40是表示这些增量型编码器中检测绝对位置的光学式编码器的一例的立体图。该光学式编码器是透过型的光学式编码器，包括：LED等的光源1，用于将来自光源1的光束变换为平行光束的准直透镜2、主度盘3，指示度盘4，和具有多受光元件的受光部5。

图41是主度盘3的俯视图，在其上面等间隔地排列着多个狭缝S1、S2、...、S15、...，狭缝H是发出原点信号用的标识开口部。

图42表示指示度盘4的俯视图，表示用于产生增量A、B相信号而设置的开口图形，各具有3个狭缝状开口部的窗W1、W2、W3、W4配置成在空间上错开90度相位。另外，窗WH与主度盘3的原点标识开口部H对应。

图43表示受光部5，光电二极管P1、P2、P3、P4分别用于接收透过了窗W1、W2、W3、W4的狭缝的光。另外，光电二极管PH与主度盘3的原点标识开口部H对应，当主度盘3和指示度盘4双方的开口位置对准时，来自光源1的光透过该开口，由受光部5受光。

图44是表示在状态a、b、c、d中，主度盘3相对于指示度盘4以每次移动1/4间距的方式进行相对移动的状态。指示度盘4的开口部与主度盘3的狭缝S的重合状态是以状态a～d渐渐地变化，其变化结果由受光部5检测出。图45表示在图44所示状态a、b、c、d时的光电二极管P1～P4的输出。

但是，在上述已往的构造中，为了检测原点标识开口部H，需要特别的受光元件，为此元件大型化。另外，该原点检测方法存在如下问题，即，由于必须设置用于产生原点信号的受光元件，并且，以光源1的光轴为旋转轴的主度盘3的方位角错位，使得开口部H与增量相的相位关系破坏。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种在主度盘或其附带部件上设置不连续部分、能检测出主度盘的绝对位置的光学式编码器，

为了实现上述目的，本发明的光学式编码器具有主度盘、受光部和发光部，在主度盘上连续地排列着光透过部或光反射部；受光部可相对于该主度盘移动，并且具有以与上述光透过部或光反射部的间距相关的方式配置的多个光电二极管；发光部通过上述主度盘将光照射到上述受光部，其特征在于，在上述主度盘或与上述主度盘一起移动的附带部件上，沿着上述相对移动方向设有光学不连续的部分。

根据本发明的光学式编码器，由于在主度盘或其附带部件上设有不连续部分，所以，能用低的成本检测出绝对位置。另外，不需要原点检测受光元件，从而可得到极小型的编码器装置。

附图说明

图1是实施例1的光学式编码器的立体图。

图2是主度盘的俯视图。

图3是指示度盘的俯视图。

图4是主度盘与指示度盘重合状态的俯视图。

图5是指示度盘与主度盘的重合状态的说明图。

图6是指示度盘上的光强度分布说明图。

图7是处理电路的构造图。

图8是在不缺少狭缝部分区域的电流电压电路的输出波形图。

图9是差动放大器的输出波形A、B和加法电路的信号C的波形图。

图10是未形成狭缝部分通过时的状态的电流电压电路的1个输出信号波形图。

图11是欠缺狭缝的部分通过时的电流电压电路的4个输出信号波形图。

图12是欠缺狭缝的部分通过时的电流电压电路的4个输出重合的信号波形图。

图13是欠缺狭缝的部分通过时的差动放大器的输出波形A、B和加法电路的信号C的波形图。

图14是处理电路的变形例的构成图。

图15是欠缺狭缝的部分通过后了时的差动放大器的输出波形A、B和加法电路的信号C的波形图。

图16是从信号D得到的原点信号的波形图。

图17是实施例2的主度盘的俯视图。

图18是欠缺狭缝的部分通过了时的电流电压电路的4个输出信号波形图。

图19是实施例3的主度盘的俯视图。

图20是欠缺狭缝的部分通过了时的电流电压电路的1个输出信号波形图。

图21是使欠缺狭缝的部分通过了时的电流电压电路的4个输出重合的信号波形图。

图22是欠缺狭缝的部分通过了时的差动放大器的输出波形A、B和电流电压电路的信号D的波形图。

图23是实施例4的光学编码器的立体图。

图24是实施例4的光电二极管阵列的俯视图。

图25是现有技术的旋转式主度盘的俯视图。

图26是实施例5的设置了欠缺狭缝的部分的旋转式主度盘的俯视图。

图27是实施例5的在一个区域中设置了欠缺狭缝部分的主度盘的俯视图。

图28是从信号D得到的原点信号的波形图。

图29是实施例5的在一个区域中设置了欠缺狭缝部分的主度盘的俯视图。

图30是从信号D得到的原点信号的波形图。

图31是实施例6的光学式编码器的构造图。

图32是说明光电二极管阵列图形与检测出的光的明暗图形之间关系的图。

图33是差动放大器的输出A、B和电流检测电路的输出D的波形图。

图34是实施例7的光学式编码器的构造图。

图35是实施例7的反射板的俯视图。

图36是差动放大器的输出A、B和电流检测电路的输出D的波形图。

图37是未实施温度补偿时的差动放大器的输出A、B和电流检测电路的输出D的波形图。

图38是实施例8的电路构造图。

图39是实施了温度补偿时的差动放大器的输出A、B和电流检测电路的输出D的波形图。

图40是已往的光学式编码器的立体图。

图41是已往的主度盘的俯视图。

图42是已往的指示度盘的俯视图。

图43是已往的受光部的俯视图。

图44是已往的光学式编码器的动作说明图。

图45是已往的光电二极管的输出信号的波形图。

具体实施方式

下面，参照图1～图39所示的实施例详细说明本发明。

〔实施例1〕

图1是光学式编码器的实施例1的立体图。在光源11的下方依次排列着准直透镜12、主度盘13、指示度盘14和受光部15，其中受光部15上并排排列着多个光电二极管P。主度盘13能相对于其它光学部件朝箭头方向相对移动。

图2表示主度盘13的俯视图，在主度盘13上等间隔地排列着矩形的狭缝S1、...、S10、...。其中，只有狭缝S15是不透光区域，作为原点检测用的特异点。

图3表示指示度盘14的俯视图，在该指示度盘14上形成有4组窗W1、W2、W3、W4，每组窗内具有比主度盘13的狭缝S短的3个矩形开口部。各开口部的排列方向与主度盘13的狭缝S的排列方向相同，设主度盘13的狭缝S的间距为p时，窗W1、W2、W3、W4依次错开(1/4)p的相位沿开口部的长度方向设置着。

借助该设置方式，与主度盘13的位移相应，相位错开90度可产生相位偏移的信号。受光部15的4个光电二极管P1～P4的排列方向是主度盘3的狭缝S及指示度盘14的开口部的纵长方向。

从光源11发出的发散光束，由准直透镜12变换为平行光束，照射到主度盘13上。图4是从光源11侧看到的主度盘13与指示度盘14重合状态的俯视图。透过了主度盘13的狭缝S的光束到达指示度盘14，其中的一部分光束透过指示度盘14的窗W1、W2、W3、W4而分别入射到受光部15的光电二极管P1、P2、P3、P4。通过指示度盘14的光量随着主度盘13的位移而相应地变化。

图5表示设有欠缺狭缝S15部分的主度盘13相对于指示度盘14位移的状态a～d。

图6是透过了主度盘13的狭缝S的光束形成在指示度盘14上的光强度分布图。由于在透过欠缺狭缝S15的部分，光束的部分光强度分布周期被破坏。

图7表示处理电路的构成图，与从受光部15的光电二极管P1～P4得到的受光量对应的电流在电流电压电路21被变换为电压，将变换信号差动输入差动放大器22，得到编码器信号A、B。另外，光电二极管P1～P4的和信号C从加法电路23输出。

图8表示电流电压电路21的4个输出信号，通过指示度盘14的窗W的配置，输出信号表示与窗W1、W2、W3、W4对应的光电二极管P1、P2、P3、P4的输出相位差的关系。差动放大器22的输出(P1-P3)、(P2-P4)的结果，如图9所示，得到波形的90度相位差的信号A、B。另外，和信号C是一定的值，与主度盘13的移动无关。

图10表示主度盘13的欠缺狭缝S15的部分与指示度盘14重合时光电二极管P1的输出，在图10中，特别注目于窗W1的部分表示输出的关系。从本来应存在狭缝S的但欠缺狭缝S15的部分光量不到达光电二极管P1，所以，光在窗W1只透过3个开口部中的2个，与缺1个狭缝相应，光量减少了1/3，信号的平均电压值随之减少信号振幅及DC值变低，其值为标准值的2/3。

图11中表示欠缺狭缝S15通过指示度盘14时4个光电二极管P1～P4的输出信号的相位关系。由于欠缺狭缝S15到达各窗W1～W4的时间错开90度的相位差，所以，从光电二极管P1～P4得到这样的输出波形。

图12是将光电二极管P1～P4的4个信号全部重叠起来表示的波形图。图13表示这时的差动放大器22的输出A、B和作为加法电路23的输出的和信号C的变化的样子。

如图13所示，受到欠缺狭缝S15的影响，受光光量的和信号C跨越输出波形周期的约3个周期、即跨越指示度盘14的开口部的根数个周期，约降低2/3，同时差动放大器22的输出信号A、B的振幅也减少。该和信号C的变化点可作为原点信号使用。

但是，作为改善的方法，当做成为图14的信号处理电路所示那样的变形例时，则可避免差动放大器22的输出信号A、B的振幅减少，并可检测出上述变化点。

即，用反馈电路24将加法电路23的输出与基准电压相比较，进行反馈，使得光源11的发光量成为规定的光量值。用设有偏置除去电路25的电流检测电路26，将流过光源11的电流值作为电压信号D检测出。另外，为了较大地捕捉主度盘13的欠缺狭缝S15通过时的电流变化，要除去光量的背景部分而、扩大变化部分，为此电流检测电路26是提高了增益的构造。

采用该图14的电路构造，当欠缺狭缝S15通过了光电二极管P1～P4时，由于受光部15得到的光量减少，所以通过反馈电路24加大流过光源11的电流，使受光部15的光量一定。借助该电路构造，即使存在着欠缺狭缝S15，也可得到信号振幅不变的稳定的编码器信号A、B。

图15表示受光部15具有与狭缝8相当的宽度时，在主度盘13的欠缺狭缝S15通过时用电流检测电路26得到的信号D、和从差动放大器22得到的编码器信号A、B。信号A、B的振幅几乎没有变化，信号D在主度盘13的欠缺狭缝S15的特异点即原点位置变化。因此，例如如图16所示，通过用比较器将信号D与基准电压L比较，得到矩形波信号并通过使用其脉冲边沿，可作为原点信号使用。

〔实施例2〕

图17是实施例2的主度盘13的俯视图。与实施例1不同的是，本实施例2中，缺少狭缝S不是1个，除了欠缺狭缝S15外，还有欠缺狭缝S18、S21、S24，每隔2个狭缝设有一个欠缺狭缝S。

从光电二极管P1～P4得到图18所示那样的信号，不是在定义原点信号时有效，而是在定义一定程度的大区域时是有效的。在这种情况下，可定义相当于约10个输出信号周期的区域。

〔实施例3〕

图19表示实施例3的主度盘13的缺少点设置方法，即设置了连续的欠缺狭缝S15、S16。指示度盘14的窗W1、W2、W3、W4如图2所示，每个窗W具有3个开口部。因此，欠缺狭缝S15、S16即使连续地缺少，也可以用剩余一个开口部的窗W受光，所以，增量相的信号A、B不会缺少。

图20、图21分别表示1个光电二极管P1的输出、4个光电二极管P1～P4的输出，在具有覆盖了3个窗W中的2个窗的状态下，输出值下降到标准值的1/3，但是，由于采用了图14的信号处理电路，如图22所示，可稳定地保持信号A、B的信号振幅，同时捕捉光源11的电流变化点，可以把电流检测电路26的输出信号D作为原点信号使用。

〔实施例4〕

实施例1中，是分别采用了指示度盘14和受光部15，但在实施例4中，如图23所示，是采用将指示度盘14和受光部15集成一体的光电二极管阵列16。

图24表示光电二极管阵列16的排列，光电二极管P1、P2、P3、P4作为受光元件反复规则地排列成0°、90°、180°、270°的关系，可得到与实施例1同样的受光信号，通过采用该光电二极管阵列16，可进行更高精度的原点检测。在实施例1中，不容易有效地接受来自光源11照射光量，而在该光电二极管阵列16中，可以将受光部15配置在光源光轴的大致中央。

〔实施例5〕

图25表示现有技术的透过型旋转编码器用的主度盘31。如图26所示，本发明中使用的度盘设置1个欠缺狭缝S′作为原点信号。其基本动作与实施例1相同，其说明从略。

图27表示将实施例2、实施例3的欠缺狭缝的配列形式用于主度盘31的例子，分为各180°的2个区域α、β，在区域β中，相对于区域α，每隔一个狭缝S去除了一个狭缝。

图28表示以电流检测电路26的信号D为基准的矩形波，在区域α和β可明确地识别信号D的电平，可以区别区域α、β。

在旋转式编码器中，例如，作为马达驱动控制用的输出信号，必须生成UVW信号(转换信号)，在这时，也可以如图29所示，通过在区域α、β、γ中改变狭缝S的密度，可以定义3种不同的区域，可进行UVW信号的置换。这时，可得到图30所示的信号D。

〔实施例6〕

图31表示实施例6，是把作为移动体的主度盘41的形状做成为微型顶部反射镜阵列(micro roof mirror array)直线移动式编码器的光学构造图，通过采用这样的构造，可提高光利用率。采用该微型顶部反射镜阵列的构成，在日本专利公报特开2002-323347号中已公开。另外，在相对于受光部42在X方向上直线移动的主度盘41的反射部上，部分设有由非反射部形成的缺少部分41a，上述非反射部破坏反射部在X方向的连续性。

该光学式编码器由主度盘41、将多个光电二极管P并列设置而成的受光部42、和光源43构成。光源43发出的光被具有细小间隔的反射部和非反射部的主度盘41反射，在受光部42上形成明暗分布。

该构造中，如果主度盘41不是采用微型顶反射镜阵列的构造，而仅仅是具有反射部和非反射部的构造时，虽然信号电平不同，但是在受光部42上能形成同样的光的明暗分布，可得到编码器信号A、B。

图32是排列着多个光电二极管P的受光部42的构造和输入光的明暗图形的说明图。光电二极管P1、P2、P3、P4分别以0°、90°、180°、270°的关系反复配置着。输入光的明暗图形即使由缺少部41a形成了部分的缺少，由于有其它光电二极管P的存在，所以，可大致得到光电二极管P的剩余比例的信号振幅。

在实施例6的构造中，可使用图14的电路构造，图33表示光电二极管P具有相当于狭缝8脉冲宽度时的信号输出。从图33可知，主度盘41的缺少部41a为1个的情况下，当最初缺少部41a到达受光部42时，光量减少，所以，在反馈电路24中增加电流。因此，电流检测电路26的信号D以约1/8的比例增加。在缺少部41a到达受光部42期间该状态一直持续，当离开受光部42时，下降到原来的信号电平。

通过该构造，不改变编码器信号A、B，可以用信号D检测出主度盘41的欠缺部41a已通过。

这里，表示了主度盘41的欠缺部41a为1个时的实施例，如果欠缺部41a为连续的2个时，则电流变化也变成2倍，电流检测电路26的信号D的的变化也加大。利用这一点，借助信号D的可以知道几个欠缺部41a在受光部42上通过，所以，通过在主度盘41上构成特殊的图形也可以用于检测绝对位置。

〔实施例7〕

图34表示实施例7的旋转型光学式编码器中的透过型主度盘51等的光学构造。在主度盘51上不设置不连续部分，而是在主度盘51的与受光部52、光源53相反的一侧设置反射板54，该反射板54反射透过了主度盘51的光，使其返回受光部52。该反射板54贴在保持部件55上，借助共同的旋转轴56与主度盘51一起旋转。

图35表示反射板54的反射部54a和非反射部54b的图形，反射部54a和非反射部54b分别是对半分的半月状，非反射部54b在旋转方向是不连续部分。

从光源53发出的光，经过光路L1到达主度盘51后，由主度盘51反射后返回到受光部52，产生位置脉冲的编码器信号A、B。另外，光源53发出的光的一部分，如光路L2那样地通过主度盘51后，由反射板54的反射部54a反射，经过主度盘51返回受光部52。

该光路L2的光与编码器信号A、B不同，是用于产生得到绝对位置的信号D的光，是与主度盘51的反射图形无关的DC光。因此，在主度盘51的里侧有反射部54a时，受光部52呈进入了DC光那样地动作，朝着减少光源53光量的方向动作。

图36是在实施例7的构造中，表示从图14所示电路出来的信号A、B、D。当反射板54的反射部54a到达受光部52上时，受反射过来的光的影响，减少光源53的电流。因此，借助该变化，与实施例1同样地，可得到与绝对位置对应的位置信息。

本实施例7具如下优点：不对主度盘51加工，即，在主度盘51上不设置不连续部分，只要把具有非反射部54b的反射板54配置在主度盘51的里侧，就可以得到绝对位置信息。另外，可以通过改变反射板54的反射部54a和非反射部54b的图形而变更信号D的高电平与低电平的区间，或者通过改变反射板54的反射率而使高电平与低电平的差变化。

〔实施例8〕

图37表示与温度环境不对应时的电流检测电路26的信号D。由于温度环境的变化，流过光源11的电流的偏置上下变化。为了在光源11得到相同的发光量，必须在高温时减少电流，在低温时增加电流。另外，受光部15的温度特性是具有如下倾向，即，在高温时检测电压提高，在低温时检测电压降低。

另外，还存在其它的、特性根据温度而变化的部件，图37是以将这些部件的温度特性合成后的特性为基准的编码器信号A、B及电流检测电路26的信号D的波形图。该温度特性是，为了得到相同光量，在高温时电流值降低，在低温时电流值提高。这时，将信号D与基准电压L比较，信号D的上升部与基准电压L交叉的位置因温度而大大错开，在检测绝对位置时带来误差。

图38是改善该温度特性的电路构造图。其基本构造与图14相同，但是，本实施例8中，与光源11串联连接的电阻R是具有正温度特性的温感电阻。这样，在高温时即使电流减少，由于电阻R的值增加，所以电流检测电路26出来的信号D值上升，它们相互抵消。

因此，通过将电阻R的温度系数和受光部15的电流变化的温度特性组合，即使有温度变化，也能如图39所示那样，信号D不会产生大的变化，可以准确地求出作为与基准电压L交叉的位置的原点检测。

本实施例8中，是采用电阻R为温感电阻的方法，但是，也可以在偏置除去电路25的部分上设置温度补偿电路。

Claims (12)

1.一种光学式位移测量装置，包括：发光部、主度盘、和受光部，

在上述主度盘上等间隔地设有光透过部或光反射部，该光透过部用于透过发光部照射的光束，上述光反射部用于反射从发光部照射的光束，该主度盘可相对于光源移动；

上述受光部在相对移动方向上具有多个由多个受光元件构成的单元，该受光元件以与上述主度盘的光透过部或光反射部的间隔为规定关系的方式配置，且上述受光部接受来自上述主度盘的光透过部或光反射部的光束，并将其转换为电信号；

其特征在于，使等间隔地配置在上述主度盘上的光透过部或光反射部之至少一部分为欠缺状态，通过从上述受光部获得的电信号的脉冲数检测出上述主度盘和发光部之间的相对位置变化量，并检测出与上述主度盘的欠缺部在通过上述受光部时发生的上述电信号的电平变化相应的原点位置。

2.如权利要求1所述的光学式位移测量装置，其特征在于，将上述欠缺状态形成为连续的多个组。

3.如权利要求1所述的光学式位移测量装置，其特征在于，上述受光部构成为接受并读取来自多个上述透光部或光反射部的光束。

4.如权利要求1所述的光学式位移测量装置，其特征在于，上述光透过部是狭缝。

5.如权利要求4所述的光学式位移测量装置，其特征在于，还具有指示度盘，在该指示度盘上在与上述主度盘的狭缝同一方向上设有多个比上述主度盘的狭缝短的狭缝。

6.如权利要求5所述的光学式位移测量装置，其特征在于，而且在上述指示度盘上，在与上述主度盘的移动方向相同方向上设有多个狭缝。

7.如权利要求1所述的光学式位移测量装置，其特征在于，上述受光部在上述主度盘的移动方向上被分割成为多个。

8.如权利要求1所述的光学式位移测量装置，其特征在于，用上述欠缺状态的部分检测上述主度盘的绝对位置。

9.如权利要求1所述的光学式位移测定装置，其特征在于，该光学式位移测定装置还具有信号处理部，该信号处理部用来处理从上述受光部获得的信号，用于检测上述主度盘和受光部的相对移动量和绝对位置。

10.如权利要求9所述的光学式位移测定装置，其特征在于，上述信号处理部根据由上述受光部接收的光量的变化来检测上述绝对位置。

11.如权利要求9所述的光学式位移测定装置，其特征在于，上述信号处理部具有光量稳定化电路，该光量稳定化电路用于调整流到上述发光部的电流值，以使上述受光部接受的光量成为规定值，其中，上述信号处理部根据上述电流值的变化检测上述度盘的欠缺部分。

12.如权利要求11所述的光学式位移测定装置，其特征在于，上述信号处理部具有温度补偿电路，该温度补偿电路用来补偿由温度引起的电流值变动。

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