CN100473952C - 光电编码器、用于光电编码器的比例尺及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
主尺(10)具有形成在基底元件(11)上的例如铬制薄膜的凸光栅(12)。基底元件(11)和铬薄膜构成了一反射面，其被设定成在光接收面上提供充足的接收光量。通过对薄膜进行光蚀刻，可使凸光栅(12)精确成形。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于检测位置、角度、速度、角速度等的光电编码器、一种供该光电编码器用的比例尺以及一种用于制造该比例尺的方法。
背景技术
通常，光电编码器包括一主尺、一索引尺(index scale)、一光源以及一光接收区。主尺沿着一测量轴延展。索引尺被设置成相对于主尺移动。光源通过索引尺将光线投射到主尺上。光接收区通过索引尺接收自光源发射且自主尺反射的光线。主尺和索引尺分别具有形成有预定间距的刻度。通过光学检测因其间的相对运动而形成在两尺上的刻度相位上的变化，检测索引尺相对于主尺的位置。
同时，一旦需要在使用例如用来进行车体测量的大尺度测量机时将很长的尺作为主尺，就难于由玻璃尺形成主尺。为此，在此类应用中，一直采用的都是由不锈钢带形成的金属尺。作为一种制造金属尺的方法，正如在JP-T-2003-512611中所披露的那样(0010-0012段，图1、2和5)(在下文称作专利参考文献1)，已知该方法包括的步骤有：当带状尺通过轮廓凹凸不平的辊子之间时，在尺的表面上形成凹陷和凸起；通过在带子通过平辊子之间时进行额外的加工，使凸起的高度一致。此外，正如在WO03/061891中披露的那样(页7行29至页8行7、图2)(在下文称作专利参考文献2)，已知一种通过激光在不锈钢带上制作刻度来制造比例尺的方法。
不过，专利参考文献1中披露的比例尺虽然易于制造，但形成在比例尺上的各凸起和凹陷的精确度却低。因此，该比例尺可用于通过从比例尺上作为检测区的多组栅格接收光线自光接收区输出检测信号的平均效应确保精确度。不过，该比例尺却不可能用于精确度要求高的位移测量机。
此外，在专利参考文献2中披露的比例尺较好地提供了精确的刻度。不过，用来制造该比例尺的装置规模大，这样生产比例尺的成本就高。而且，在该比例尺中，刻度区构成了不反射面。因此，光线就在该区域中被吸收，且由光接收区接收的光量减少。就此类带状比例尺来说，比例尺有波动，这样比例尺与光接收区之间间隙的变化就大，也就可能出现信号微小的误差。因而，如果刻度构成了光吸收区，由于缺乏信号强度，S/N就降低了。
发明内容
本发明是着眼于这些问题来实现的。本发明的目的在于，提供一种刻度精确、S/N改善的光电编码器、一种供该光电编码器用的比例尺以及一种用于制造该比例尺的方法。
为了实现上述目的，本发明用于光电编码器的比例尺的特征在于，包括一带状基底元件；多个薄膜凸光栅，其形成在基底元件的一个表面上，且在基底元件的纵向上按预定的间距排列，其中，通过多个凸光栅在基底元件的纵向上形成的凹陷和凸起构成刻度，且用作光反射面。
在本发明的一个实施例中，凹陷是基底元件的构成反射面的表面；凸起是多个凸光栅的构成反射面的表面。
在本发明别的实施例中，提供了一反射膜，该反射膜覆盖在其上形成有凸光栅的基底元件，且由反射膜形成的凹陷和凸起构成光反射面。
在凹陷是基底元件表面的情况下，基底元件由例如经过表面研磨处理的不锈钢带制成。此外，薄膜和/或反射膜由铬薄膜制成。而且，假定自所用光电编码器光源发射的光波长为λ，比例尺的入射角为θ，则凹陷与凸起之间的高度差d优选被如下设定。
λ/(4·cos θ)×0.8<d<λ/(4·cos θ)×1.2
本发明光电编码器的特征在于，包括：上述比例尺；一索引尺，其相对于比例尺移动，且具有与比例尺的刻度相对应的另外的刻度；一光源，其与索引尺一起相对于比例尺移动，以通过索引尺将光线投射到比例尺上；一光接收区，接收自光源发射和自比例尺反射的光线。
此外，本发明用于光电编码器的比例尺的制造方法的特征在于，包括的步骤有：在带的表面上形成一薄膜；蚀刻薄膜，以在其表面上沿带的纵向形成具有预定间距的多个凸光栅。
在该情况下，用于光电编码器的比例尺的制造方法还可包括的步骤有：在其上形成有多个凸光栅的带上形成反射膜。带和薄膜都可由金属制成。
根据本发明，通过形成在基底元件的一表面上的薄膜，在基底元件的纵向上形成具有预定间距的多个凸光栅，并且，由这些多个凸光栅形成的凸起和凹陷构成刻度。为此，刻度的加工精确度就高。此外，由于凹陷和凸起都用作光反射面，则能提高编码器光接收区接收的光量也即信号强度，从而提高S/N。
附图说明
图1是示出了本发明一实施例的光电编码器示意结构的透视图；
图2(a)和2(b)是用在光电编码器中的比例尺的平面图和剖面图；
图3是示出了比例尺中薄膜厚度与光源电流之间关系的图表；
图4(a)、4(b)、4(c)和4(d)是阐明比例尺制造方法的视图；
图5是本发明另一实施例的剖面图。
具体实施方式
现在将参照附图对本发明的一实施例进行详细说明。
图1是示出了本发明一实施例的光电编码器示意结构的透视图。光电编码器1包括主尺10、索引尺20、光源30以及光接收区40。
主尺10沿着测量轴延展。索引尺20被设置成相对于主尺10移动。光源30通过索引尺20将光线投射在主尺10上。光接收区40通过索引尺20接收自光源30发射且自主尺10反射的光线。主尺10和索引尺20分别具有用作形成有预定间距的刻度的凸光栅(protrusive strip)12和标记22。按照光接收区40通过其间的相对运动检测形成在两尺10、20上的刻度的相位变化的方式，索引尺20相对于主尺10的位置得到检测。
图2(a)是主尺10的局部放大平面图；图2(b)是沿2(a)中线A-A′所示的剖面图。
主尺10具有形成在基底元件11上的例如铬薄膜的凸光栅12。基底元件11是由厚度例如约为0.2-0.5mm的、例如不锈钢制的金属带制成的，优选在表面上经过研磨处理。例如通过对薄膜进行光蚀刻，使凸光栅12形成为间距是10-30μm的栅格。现在假定从光源30发射的光波长为λ，其入射角为θ，由凸光栅12形成的凹陷与凸起之间的高度差(level difference)d则优选被如下设定。
d＝λ/(4·cos θ)
此外，根据本发明发明人的试验，正如从图3中看到的那样，如果膜厚大于或小于理想高度差d，则反射光量减少。因此，如果需要理想的信号振幅，光源的电流值就必须增大。在这种情况下，如果高度差d在其理想值变化±20％，光源的电流值便到达其上限。因此，优选在如下范围内设定高度差d。
λ/(4·cos θ)×0.8<d<λ/(4·cos θ)×1.2
接下来，将对制造主尺10的方法进行说明。
图4(a)—4(d)是示意性地示出一个主尺10制造方法示例的视图。
首先，将用作基底元件11的不锈钢带卷绕在圆筒50的四周。与之相对地布置有一个铬制的目标件51。通过喷镀，在不锈钢带上形成铬制的薄膜(图4(a))。
接着，当其上形成有铬薄膜的不锈钢带11通过在辊子52与53之间来回再绕而连续移动时，通过一抗蚀剂施加装置52将抗蚀剂(光敏剂)均匀地施加在铬薄膜上(图4(b))。
其后，通过掩模55(具有形成有预定间距的栅格)将从光源56发射的光线投射在抗蚀剂上，这样与刻度相对应的图案就被曝光(图4(c))。通过显影利用留在用作蚀刻掩模的栅格图案中的抗蚀剂，薄膜便被蚀刻装置57蚀刻(图4(d))。
按此方式，就可采用简单的器具制造高精确的比例尺。
顺便提及的是，在该实施例中，基底元件由不锈钢带制成，而薄膜由铬制成。在别的应用场合中，基底元件可例如由铝或铜制成，而薄膜可例如由金、银或铝制成。不过，不锈钢带是最佳的，因为由其所制的基底元件能进行更精确的测量。这是因为，作为其上要放置薄膜的基底元件，不锈钢带的热膨胀小，强度高于铝或铜，平整度也足够好。就薄膜而言，铬薄膜在反射度上次于铝薄膜，但在硬度上高于铝薄膜。由此说来，铬薄膜难于受损，且易于处理。因此，立足于沉积薄膜的强度、反射度和厚度(高度)控制，全盘考虑，以铬薄膜为最佳。
图5是本发明另一实施例主尺10′的剖面图。
在该实施例中，凸光栅12形成在例如为不锈钢带的基底元件11的一面上，此外，例如铬制的具有预定厚度的反射膜13形成在整个表面上，从而保持由凸光栅12形成的凹凸形状。
按照该结构，基底元件11和凸光栅12的表面反射可随意设定。如果涂布在整个表面上的反射膜13是由具有预定反射度的铬金属制成的，那么就能容易地确保理想的性能。
顺便要说的是，在该实施例中，反射膜是由铬制成的。在别的应用场合中，反射膜可例如由金、银或铝制成。不过，铬反射膜在反射度上次于铝反射膜，但在硬度上高于铝反射膜。这样一来，铬反射膜就难于受损且易于处理。因此，立足于沉积薄膜的强度、反射度以及厚度(高度)控制，全方位考虑，以铬反射膜为最佳。
此外，如同图2中所示的实施例一样，由凸光栅12和反射膜13形成的凹陷与凸起之间的高度差d优选在如下范围内设定。
λ/(4·cos θ)×0.8<d<λ/(4·cos θ)×1.2
本申请要求基于2004年12月9日申请的日本专利申请2004-356411的国外优先权，其内容在此并入作为参考。
Claims (8)
1.一种用于光电编码器的比例尺，包括：
一带状基底元件(11)；
由薄膜(12)形成的凸光栅，所述薄膜形成在所述基底元件的一表面上，且在所述基底元件的纵向上按预定的间距排列；
其中，通过所述凸光栅在所述基底元件的纵向上形成的凹陷和凸起构成刻度，且用作光反射面；
其特征在于，每个凸起的光反射面平行于所述基底元件的所述表面；
所述凹陷是所述基底元件(11)的构成反射面的表面；
所述凸起是所述凸光栅的构成反射面的表面；
所述基底元件(11)由经过表面研磨处理的不锈钢带制成。
2.如权利要求1所述的用于光电编码器的比例尺，其中，所述基底元件(11)和薄膜(12)由金属制成。
3.如权利要求1或2所述的用于光电编码器的比例尺，其中，所述薄膜(12)由铬薄膜制成。
4.如权利要求1或2所述的用于光电编码器的比例尺，其中，假定自光电编码器光源发射的光波长为λ，比例尺的入射角为θ，则凹陷与凸起之间的高度差d设定为
λ/(4·cosθ)×0.8<d<λ/(4·cosθ)×1.2。
5.一种光电编码器，包括：
如权利要求1或2所述的比例尺(10)；
一索引尺(20)，其相对于所述比例尺移动，且具有与所述比例尺的刻度相对应的另外的刻度(22)；
一光源(30)，其与所述索引尺(20)一起相对于所述比例尺移动，以通过所述索引尺将光线投射到所述比例尺上；
一光接收区(40)，接收自所述光源发射和自所述比例尺反射的光线。
6.一种用于光电编码器的比例尺的制造方法，包括的步骤有：
在一带状基底元件(11)的一表面上形成一薄膜(12)；
蚀刻所述薄膜，以在所述带状基底元件(11)的表面上沿所述带状基底元件(11)的纵向形成具有预定间距的凸光栅；
其中，通过所述凸光栅在所述基底元件的纵向上形成的凹陷和凸起构成刻度，且用作光反射面；
其特征在于，每个凸起的光反射面平行于所述基底元件的所述表面；
所述凹陷是所述基底元件(11)的构成反射面的表面；
所述凸起是所述凸光栅的构成反射面的表面；
所述基底元件(11)由经过表面研磨处理的不锈钢带制成。
7.如权利要求6所述的用于光电编码器的比例尺的制造方法，其中，还包括以下步骤：在其上形成有所述凸光栅的所述带状基底元件(11)上形成反射膜(13)。
8.如权利要求6或7所述的用于光电编码器的比例尺的制造方法，其中，所述带状基底元件(11)和薄膜(12)都由金属制成。
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