CN101405576A - 光学编码器 - Google Patents

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Abstract

提供一种能够输出高精度原点信号的、具有简单结构的光学编码器。为转盘(110)制备旋转原点相狭缝(112)，所述旋转原点相狭缝被形成为以等间距平行布置的线性狭缝式样，而为固定原点相尺(120)制备固定原点相狭缝(122)，所述固定原点相狭缝被形成为以等间距平行布置的线性狭缝式样。由光源(130)发射的光通过射出窗口(121)并且照射原点相狭缝(112)。在原点相狭缝(112)处反射的光通过固定原点相狭缝(122)并且被受光元件(140)检测到。这样，基于检测信号，产生原点信号。

Description

光学编码器
技术领域
本发明涉及一种在用于定位旋转设备例如马达的传感器中所采用的光学编码器，并且更具体地，涉及一种具有原点检测功能的光学编码器。
背景技术
(传统实例1)
在传统上披露了一种基准位置信号发生器，其中为主尺(mainscale)和读取尺(reading scale)单独形成具有预定栅格间距的第一栅格和具有整数倍所述预定栅格间距的栅格间距的第二栅格，并且其中第一栅格和第二栅格的检测输出被合成以产生原点信号(origin signal)(例如见专利文献1)。
图19是传统的基准位置信号发生器的布置的透视图。
参考附图，参考数字210表示主尺，参考数字220表示读取尺。其每一个均由透光部分和不透光部分形成的第一栅格211和221、第二栅格212和222、以及第三栅格213和223，被单独提供给主尺210和读取尺220。第二栅格212和222的栅格间距是第一栅格211和221的栅格间距的两倍，并且第三栅格213和223的栅格间距是第一栅格211和221的栅格间距的四倍。
此外，参考数字201、202和203表示光源；231、232和233表示受光元件；240表示加法电路；250表示鉴别电路。
现在将描述利用这种布置执行的操作。
图20是图示传统的基准位置信号发生器的操作原理的示意图。
根据在主尺210和读取尺220之间的相对运动，受光元件231输出具有与第一栅格211和221的栅格间距一致的、如图20(a)所示的峰值的基本信号。而且，从受光元件232和233获得在(b)和(d)中所示的信号。(c)示出通过将受光元件231和232的输出相加而获得的信号，(e)示出通过将受光元件231、232和233的输出相加而获得的信号。利用加法电路240来执行受光元件输出的加法，并且如从(e)明显地，在包括于基本信号中的多个峰值中出现一个特殊峰值，并且成为抑制相邻峰值的信号。加法电路240的输出信号被传递到鉴别电路250，在这里产生原点信号。
如上所述，使用具有不同栅格间距的多个栅格，并且合成各个栅格产生的检测信号以产生原点信号。
(传统实例2)
除了用于发射增量信号的三栅格光学系统之外，还有另一种具有原点检测功能的传统的光学编码器(例如见专利文献2)。
图21是根据该传统实例的编码器的透视图。
三栅格光学系统其特征在于该系统不受间隙波动的影响并且能够获得理想的正弦信号。
参考附图，参考数字300表示反射型主尺，310表示分度尺(indexscale)。
在反射型主尺300中形成用于位移检测的固定光学栅格301、用于原点检测的固定光学栅格302以及参照标记303，并且在分度尺310中形成用于位移检测的可动光学栅格331A和331B、用于原点检测的可动光学栅格341以及原点检测窗口342和基准光检测窗口343。
此外，参考数字311A和311B表示用于位移检测的光源；321表示用于原点检测的光源；322表示用于原点检测窗口的光源；323表示用于基准光检测的光源；而且，参考数字411A和411B表示用于位移检测的受光元件；421表示用于原点检测的受光元件；422表示用于原点检测窗口的受光元件；423表示用于基准光检测的受光元件。
现在将描述在该传统实例中执行以产生原点信号的操作。
图22是示出用于原点信号的产生原理的信号波形图表。在该图中，由原点检测光源321发射的光通过可动原点检测光学栅格341并被固定原点检测光学栅格302发射，并且反射的光再次通过可动原点检测光学栅格341并且被原点相受光元件421检测到。当主尺300相对于分度尺310沿着由箭头C示意的方向或者沿着相反方向移位时，受光元件421产生具有栅格间距S2的第一电子原点检测信号Vo1，如图22所示。
由原点检测窗口光源322发射的光通过原点检测窗口342并且照射参照标记303。当主尺300沿着由箭头C示意的方向或者沿着相反方向移位时，受光元件422检测被固定原点检测光学栅格302和参照标记303反射的光，并且产生用于原点检测的第二电子原点检测信号Vo2，如图22所示。
而且，由基准光检测光源323发射的光通过基准光检测窗口343并且照射固定位移检测光学栅格301，并且基准光检测受光元件423检测从那里反射的光。受光元件423产生几乎不受光学调制影响的第一基准电压Vref1和第二基准电压Vref2，如图20所示。
下面，将描述原点信号产生操作。
与主尺300的位移相一致地，改变第二电信号Vo2，如由图22中的Vo21、Vo22和Vo23所示意的。Vo21示意受光元件422用于读出仅仅通过光学栅格302而输出的光学信号的电压；Vo22示意受光元件422用于读出通过光学栅格302和参照标记303而输出的光学信号的电压；Vo23是受光元件422用于仅从参照标记303读出光学信号的电压。
首先，第二比较器(未示出)检测第二交点P0，在此处第二电信号Vo2变得等于第二基准电压Vref2。然后，第一比较器(未示出)采用第二交点P0以检测在固定编号(N)位置处的交点，即，第一交点P3，在此处第一电信号Vo1变得等于第一基准电压Vref1，并且绝对原点鉴别电路(未示出)定义第一交点P3作为原点位置。以此方式，原点位置得以确定。
(传统实例3)
而且，虽然没有包括与原点信号有关的说明，但是披露了一种采用三栅格光学系统的光学光学编码器的发明(例如见专利文献3)。
图23是根据该传统实例的光学旋转编码器的透视图。
参考该附图，在转盘110中等间距形成旋转狭缝111，并且利用固定尺160形成用于位移检测的光源狭缝133和固定位移检测狭缝134和135。
由130发射的光通过位移检测光源狭缝133并且照射旋转位移检测狭缝111，并且被反射的光在固定位移检测狭缝134和135上形成衍射图像。
根据该传统实例的说明，狭缝式样被形成为使得沿着由光源发射的光的线性路径，三个狭缝的缝距是相等的，或者用于位移检测的光源狭缝133和固定位移检测狭缝134、135的缝距是旋转位移检测狭缝111的缝距的两倍。结果，获得不受间隙波动影响并且具有优良S/N比例的位移信号。
专利文献1：JP-A-56-14112
专利文献2：JP-A-61-212727
专利文献3：JP-A-9-133552
发明内容
本发明将要解决的问题
然而，根据第一传统实例的发明，为了产生原点信号，因为由具有不同栅格间距的多个狭缝提供的检测输出必须被合成，所以要求用于对这些检测输出进行合成的运算电路，并且因此检测电路的布置复杂化。另外，三栅格光学系统难以通过为不同的栅格间距提供共同的间隙设置来获得优良S/N检测信号。因此，使用三栅格光学系统是困难的。
而且，根据第二传统实例的发明，第一电子原点检测信号Vo1和第二电子原点检测信号Vo2被一起采用，并且为了确定原点位置，基于从第二电信号Vo2获得的基准位置，第一电子原点检测信号Vo1等于第一基准电压Vref1的交点被确认。因此，要求绝对原点鉴别电路，这是复杂的电路布置。
另外，因为第二电子原点检测信号Vo2不受使用栅格的光学调制的影响，所以难以产生关于位移急剧变化的信号，并且因此，难以产生高精度原点信号。
另外，根据第三传统实例的发明，因为没有提供原点信号，所以应该在外部另外地提供原点信号发生装置。
考虑到这些问题，本发明的一个目的在于提供一种光学编码器，它包括具有简单布置的高精度原点信号发生装置，并且也能够被应用于三栅格光学系统。
用于解决所述问题的方法
为了解决上述问题，本发明具有以下的布置。
根据本发明的第一方面，提供一种用于为两个构件检测相对旋转角度的光学编码器，它包括：
为相对于彼此旋转的两个构件中的一个提供的转盘，和
为所述两个构件中的另一个提供的光源、固定尺和受光元件，其中
所述转盘设有旋转原点相狭缝，所述旋转原点相狭缝被形成为以等间距平行布置的线性狭缝式样，并且
所述固定尺设有固定原点相狭缝，所述固定原点相狭缝被形成为以等间距平行布置的线性狭缝式样。
根据本发明的第二方面，提供根据第一方面的光学编码器，其中
所述固定原点相狭缝设有布置在从转盘的旋转中心沿着狭缝的长轴方向的不同位置处的多种类型的狭缝式样。
根据本发明的第三方面，提供根据第一方面的光学编码器，其中
所述旋转原点相狭缝设有从转盘的旋转中心沿着狭缝的短轴方向移位的狭缝式样，并且
所述固定原点相狭缝设有从所述旋转中心沿着狭缝的短轴方向移位的狭缝式样。
根据本发明的第四方面，提供根据第一方面的光学编码器，其中
所述旋转原点相狭缝设有从转盘的旋转中心沿着狭缝的短轴方向移位的狭缝式样，并且
所述固定原点相狭缝设有从所述旋转中心沿着狭缝的短轴方向移位的、以及布置在从所述旋转中心沿着狭缝的长轴方向的不同位置处的多种类型的狭缝式样。
根据本发明的第五方面，提供根据第一方面的光学编码器，其中
所述固定尺设有原点相光源狭缝和固定原点相狭缝，所述原点相光源狭缝被形成为平行地并以等间距布置的线性狭缝式样、并且位于所述光源前面。
根据本发明的第六方面，提供根据第五方面的光学编码器，其中
所述固定原点相狭缝设有布置在从转盘的旋转中心沿着狭缝的长轴方向的不同位置处的多种类型的狭缝式样。
根据本发明的第七方面，提供根据第五方面的光学编码器，其中
所述旋转原点相狭缝设有从转盘的旋转中心沿着狭缝的短轴方向移位的狭缝式样，并且
所述固定原点相狭缝设有从所述旋转中心沿着狭缝的短轴方向移位的狭缝式样。
根据本发明的第八方面，提供根据第五方面的光学编码器，其中
所述旋转原点相狭缝设有从转盘的旋转中心沿着狭缝的短轴方向移位的狭缝式样，并且
所述固定原点相狭缝设有从所述旋转中心沿着狭缝的短轴方向移位的、以及位于从所述旋转中心沿着狭缝的长轴方向的不同位置处的多种类型的狭缝式样。
根据本发明的第九方面，提供一种用于为两个构件检测相对旋转角度的光学编码器，它包括：
为相对于彼此旋转的两个构件中的一个提供的转盘，和
为所述两个构件中的另一个提供的光源、固定尺和受光元件，其中
所述转盘设有旋转原点相狭缝，所述旋转原点相狭缝被形成为以等间距径向布置的狭缝式样，所述式样的圆弧中心位于不同于相对于彼此旋转的所述两个构件的旋转中心的位置处，并且
所述固定尺设有固定原点相狭缝，所述固定原点相狭缝被形成为以等间距径向布置的狭缝式样。
根据本发明的第十方面，提供根据第九方面的光学编码器，其中
所述固定尺设有原点相光源狭缝和固定原点相狭缝，所述原点相光源狭缝被形成为径向布置的狭缝式样并且位于光源的前面。
本发明的优点
根据在第一方面中描述的发明，因为对于旋转原点相狭缝和固定原点相狭缝，仅仅要求其中以等间距布置线性狭缝的一种式样类型，所以式样布置简单。另外，因为仅需处理通过旋转原点相狭缝和固定原点相狭缝获得的一个信号，所以检测电路的结构也被简化。
根据在第五或者第十方面中描述的发明，因为使得能够使用三栅格光学系统进行原点检测，所以在转盘和固定尺之间可以获得大的间隙，并且编码器能够提供不受间隙波动影响的原点信号。
根据在第九方面中描述的发明，因为对于旋转原点相狭缝和固定原点相狭缝，仅仅要求其中以等间距径向布置狭缝的一种式样类型，所以式样布置简单。另外，因为仅需处理通过旋转原点相狭缝和固定原点相狭缝获得的一个信号，所以检测电路的结构也被简化。
附图说明
图1是根据本发明的第一实施例的编码器的透视图；
图2是图示根据本发明的第一实施例的旋转原点相狭缝的布置的狭缝式样图；
图3是关于本发明的第一实施例图示使用旋转原点相狭缝获得的图像和固定原点相狭缝之间的位置关系的示意图；
图4是示出根据本发明的第一实施例在旋转原点相狭缝的旋转角度和原点相受光元件的输出之间的关系的曲线图；
图5是根据本发明的第二实施例的编码器的透视图；
图6是图示根据本发明的第二实施例的旋转原点相狭缝的布置的狭缝式样图；
图7是关于本发明的第二实施例图示使用旋转原点相狭缝获得的图像和固定原点相狭缝之间的位置关系的示意图；
图8是示出根据本发明的第二实施例在旋转原点相狭缝的旋转角度和原点相受光元件的输出之间的关系的曲线图；
图9是根据本发明的第三实施例的编码器的透视图；
图10是示出根据本发明的第三实施例在旋转原点相狭缝的旋转角度和原点相受光元件的输出之间的关系的曲线图；
图11是根据本发明的第四实施例的编码器的透视图；
图12是关于本发明的第四实施例图示使用旋转原点相狭缝获得的图像和固定原点相狭缝之间的位置关系的示意图；
图13是示出关于本发明的第四实施例所获得的其它效果的编码器的透视图；
图14是用于本发明的第五实施例的编码器的透视图；
图15是用于本发明的第六实施例的编码器的透视图；
图16是用于本发明的第七实施例的编码器的透视图；
图17是用于本发明的第八实施例的编码器的透视图；
图18是用于本发明的第九实施例的编码器的透视图；
图19是根据第一传统实例的基准位置信号发生器的布置的透视图；
图20是图示第一传统实例的基准位置信号发生器的操作原理的示意图；
图21是根据第二传统实例的编码器的透视图；
图22是图示根据第二传统实例的原点信号发生原理的信号波形图；
图23是根据第三传统实例的光学旋转编码器的透视图。
100：旋转中心
110：转盘
111：旋转位移检测狭缝
112：旋转原点相狭缝
120、160：固定尺
121：射出窗口
122到124：固定原点相狭缝
125、126、134、135：固定位移检测狭缝
130：光源
132：原点相光源狭缝
133：位移检测光源狭缝
140、141、142：原点相受光元件
143、144：位移检测受光元件
150：旋转轴
170：图像
250：毂
具体实施方式
现在将参考附图描述本发明的实施例。
实施例1
图1是根据本发明的第一实施例的编码器的透视图。
参考附图，参考数字110表示转盘；120表示固定尺；130表示光源；140表示原点相受光元件；150表示旋转轴。并且在转盘110中形成旋转位移检测狭缝111和旋转原点相狭缝112，而在固定尺120中形成射出窗口121和固定原点相狭缝122。旋转原点相狭缝112形成为平行布置的线性狭缝式样，并且固定原点相狭缝122同样地形成为平行布置的线性狭缝式样。
因为位移检测构件的结构是为人熟知的，所以对此将不做任何解释。
图2是用于转盘110的狭缝式样图，示出用于本实施例的旋转原点相狭缝的布置。如在附图中所图示的，旋转原点相狭缝112被布置成使得沿着狭缝长轴方向的中心CL通过旋转中心100。旋转原点相狭缝112被形成为具有缝距P的狭缝式样。
下面，将描述操作。
图3是图示当转盘旋转时在使用旋转原点相狭缝形成的图像和固定原点相狭缝之间的位置关系的示意图。参考数字170表示来自光源130的照射光在旋转原点相狭缝112处被反射而在固定原点相狭缝122上形成的图像。在固定原点相狭缝122处以间距P形成图像。在虚线内部的部分示意亮部，而其它部分示意暗部。此外，L表示沿着固定原点相狭缝的长轴的狭缝长度。
图3(a)示出一种情形，其中由图像170和固定原点相狭缝122形成的角度θ(旋转角度θ)大于tan-1(P/L)。在这个范围中，图像170与多个固定原点相狭缝122交叉，并且图像170的亮部和暗部几乎同等地与固定原点相狭缝122的开口交叠。因此，通过固定原点相狭缝122的光量几乎示意最大值的一半。
当θ通过从状态(a)开始向(b)→(c)→(d)→(e)→(f)变化而接近0时，固定原点相狭缝122的开口与图像170的亮部相交叠的面积的增加，并且通过固定原点相狭缝122的光量逐渐增加。并且在其中θ＝0的状态中，在图3(f)中，仅仅图像170的亮部与固定原点相狭缝122的开口交叠，并且通过固定原点相狭缝122的光量达到最大。
图4是示出在旋转原点相狭缝的旋转角度和原点相受光元件的输出之间的关系的曲线图。
在本实施例中，使用P＝40μm、L＝2.4mm。应该指出原点相受光元件沿着竖轴的输出代表通过将最大值归一化(normalize)为“1”而获得的值。
如从图中明显地，当θ＝±tan-1(P/L)＝大约±1°时，输出基本为0.5，并且当旋转角度接近θ＝0时，急剧增长。因此，当原点相受光元件的输出被电流-电压转换电路(未示出)转换成电压信号并且信号处理器例如比较器检测到比元件输出高0.8或者更高的点时，能够获得具有几乎±0.5°的宽度的原点信号。
实施例2
图5是用于本发明的第二实施例的编码器的透视图。图6是图示本实施例的旋转原点相狭缝的布置的狭缝式样图。R示意沿着狭缝长轴方向从旋转中心100到旋转原点相狭缝112的端部的距离。
本实施例与第一实施例的不同之处在于：旋转原点相狭缝112沿着狭缝长轴方向从旋转中心100偏移。如图5所图示的，也通过以相同方式偏移来布置固定尺120、光源130和原点相受光元件。
现在将描述对于本实施例所执行的操作。
图7是图示在本实施例中当转盘旋转时在由旋转原点相狭缝形成的图像和固定原点相狭缝的位置之间的关系的示意图。
A)是其中R＝0的情形，B)是其中R＝0.5L的情形，C)是其中R＝L的情形。
参考图7，在所有的情形A)、B)和C)中，由图像170和固定原点相狭缝122形成的角度(旋转角度θ)是θ＜-tan-1(P/L)或者θ＞tan-1(P/L)。在该范围中，图像170与多个固定原点相狭缝122交叉，并且当图像170通过固定原点相狭缝122的开口时，图像170的亮部和暗部具有相等的比率，如在第一实施例中那样。然而，不像在第一实施例中那样，固定原点相狭缝122的一部分从图像170偏移。因此，通过固定原点相狭缝122的光量降低。并且，当旋转角度θ变大且图像170从固定原点相狭缝122偏移时，原点相受光元件的输出接近0。
在图7中的情形A)中，在其中θ＝±tan-1(P/L)的状态(b)中，图像170的亮部和暗部以相等的比率与固定原点相狭缝122的开口交叠，并且因此原点相受光元件的输出为0.5。在状态(C)中接近θ＝±tan-1(3P/4L)，图像170暗部的更多部分与固定原点相狭缝122的开口交叠，并且原点相受光元件的输出被降至0.5以下。当θ的值接近0并且建立其中θ＝±tan-1(P/2L)的状态(d)时，图像170的亮部和暗部以相等的比率与固定原点相狭缝122的开口交叠。因此，原点相受光元件的输出变为0.5。此后，当θ的值接近0时，如状态(e)→(f)所示，仅仅图像170的亮部与固定原点相狭缝122的开口交叠的比例增加。因此，光量逐渐增加，并且当在θ＝0的状态(f)中时，原点相受光元件的输出达到最大值“1”。
在情形B)中，以及在情形A)中，在其中θ＝±tan-1(P/L)的状态(b)中，图像170的亮部和暗部以相等的比率与固定原点相狭缝122的开口交叠。因此，原点相受光元件的输出为0.5。在这个状态中，图像170的亮部通过邻近于图像应该通过的狭缝的狭缝。当θ的值接近0时，如在状态(b)→(c)→(d)→(e)→(f)中所示，图像170旋转并沿着固定原点相狭缝122的短轴方向偏移，并且在其中θ＝0的状态中，亮部开始与狭缝交叠。在状态(c)中，图像170的亮部和暗部以相等的比率与固定原点相狭缝122的开口交叠，并且原点相受光元件的输出为0.5。在状态(d)中，其中θ＝±tan-1(P/2L)，图像170的暗部的更多部分与固定原点相狭缝122的开口交叠，从而原点相受光元件的输出被降至0.5以下。在状态(e)中，图像的亮部和暗部再次以相等的比率与固定原点相狭缝122的开口交叠，并且原点相受光元件的输出变为0.5。此后，仅仅图像170的亮部与固定原点相狭缝122的开口的交叠增加，并且原点相受光元件的输出接近最大值1。在其中θ＝0的状态(f)中，原点相受光元件的输出达到最大值1。
在情形C)中，像在A)和B)中一样，在其中θ＝±tan-1(P/L)的状态(b)中，图像170的亮部和暗部以相等的比率与固定原点相狭缝122的开口交叠，并且原点相受光元件的输出为0.5。在该状态中，图像170的亮部通过离θ＝0的状态中的狭缝处于第一和第二位置处的狭缝。当如在(b)→(c)→(d)→(e)→(f)中所示θ的值接近0时，图像170旋转并且也平行于固定原点相狭缝122的短轴方向移动，并且在其中θ＝0的状态中，亮部开始与狭缝交叠。在状态(c)中，图像170的亮部的稍微更多的部分与固定原点相狭缝122的开口交叠，并且原点相受光元件的输出变得稍高于0.5。在其中θ＝±tan-1(P/2L)的状态(d)中，图像170的亮部和暗部再次以相等的比率与固定原点相狭缝122的开口交叠，并且原点相受光元件的输出变为0.5。在状态(e)中，因为图像170的暗部的更多部分与固定原点相狭缝122的开口交叠，所以原点相受光元件的输出低于0.5。此后，因为仅仅图像170的亮部与固定原点相狭缝122的开口交叠，所以通过固定原点相狭缝122的光量增加，并且原点相受光元件的输出接近最大值1。在其中θ＝0的状态(f)中，原点相受光元件的输出达到最大值1。
图8是示出在旋转角度θ和原点相受光元件的输出之间的关系的曲线图，即，示出了当图像170和固定原点相狭缝122之间的关系随着旋转角度θ如图7所示一致地改变时，在旋转角度θ和原点相受光元件的输出之间的关系。
根据旋转原点相狭缝112的中心和旋转中心100之间的距离R，原点相受光元件140的输出改变，如图8所示。即，当旋转原点相狭缝112和旋转中心100之间的距离R增加时，在于其中θ＝0的状态中输出的脉冲的右侧和左侧的边带中产生更大的输出信号。并且，在其中θ＝0的状态中输出的脉冲是更陡的信号。R＝0mm对应于图7中的情形A)，R＝1.2mm对应于图7中的情形B)，R＝2.40mm对应于图7中的情形C)。
假定当例如P＝40μm、L＝2.4mm时设定R＝1.2mm，则发现在其中θ＝0的状态中输出的脉冲比当R＝-1.2mm时获得的输出信号的波形更陡，这对应于第一实施例，并且在两侧上形成的输出信号的波动幅度显著小于脉冲状的输出信号的波动幅度。例如，当沿着竖轴原点相受光元件的输出的大小0.8被采用作为阀值时，能够使用比较器检测到具有±0.25°宽度的原点信号。
如上所述，根据本实施例，因为旋转原点相狭缝沿着狭缝方向从旋转中心偏移，所以能够获得尖脉冲输出，并且因此，能够获得高精度原点信号。而且，在第一实施例中，因为旋转原点相狭缝112和固定原点相狭缝122的中心位于旋转中心100上，所以在其中转盘转动180度的位置处也产生脉冲输出信号，并且对于一个旋转而产生具有两个脉冲的信号。另一方面，在本实施例中，因为通过从旋转中心100偏移而形成旋转原点相狭缝112，在其中转盘已被转动180度的位置处，输出信号并不出现，并且对于一个旋转能够获得具有一个脉冲的原点信号。
实施例3
图9是用于本发明的第三实施例的编码器的透视图。
参考附图，参考数字123表示第一固定原点相狭缝，124表示第二固定原点相狭缝。本实施例与第二实施例的不同之处在于：两种类型的固定原点相狭缝形成在固定尺120中，并且沿着长轴方向布置在不同的位置处。第一固定原点相狭缝123和第二固定原点相狭缝124被定位成使得在它们沿着长轴方向的端部和旋转中心100之间分别实现距离R1和R2。
下面，将描述对于本实施例所执行的操作。
如在第二实施例中描述地，原点相受光元件的输出波形根据在固定原点相狭缝沿着长轴方向的端部和旋转中心之间的距离R而变化。通过利用该现象，从距离R不同的多个固定原点相狭缝获得原点相受光元件的输出，并且将该输出加起来使用。结果，在其中θ＝0的状态中能够获得尖脉冲输出，并且能够抑制在接近θ＝0时产生的脉冲输出。
图10是示出根据本实施例的在旋转角度和原点相受光元件的输出之间的关系的曲线图。在本实施例中，P＝40μm并且L＝2.4mm的第一固定原点相狭缝123和第二固定原点相狭缝123分别位于距离R1＝2.5mm和R2＝5mm处。并且，从对应于固定原点相狭缝的原点受光元件获得的输出信号被加到一起以合成信号。对于通过第二固定原点相狭缝123的原点相受光元件的输出信号，接近±0.4°出现大的边带信号；然而，通过使用通过第一固定原点相狭缝123的原点相受光元件的输出信号来抵消，合成该信号。结果，当例如对于原点相受光元件的输出，大小1.5被采用作为阀值时，能够使用比较器获得具有±0.075°宽度的原点信号。
如上所述，通过适当地采用在沿着长轴方向的端部和旋转中心100之间位于不同距离处的固定原点相狭缝，能够以小的和尖锐的边带波获得接近0°的脉冲波形。因此，能够获得高分辨率原点信号。
在本实施例中，以1∶2的比例提供R1和R2；然而，还有另一个适当的比例。同样，在本实施例中，沿着狭缝长轴方向在不同位置处形成两种类型的固定原点相狭缝；然而，也能够采用三种或者更多种类型的固定原点相狭缝。
实施例4
图11是用于本发明的第四实施例的编码器的透视图。
本实施例与第一实施例的不同之处在于：通过沿着狭缝短轴方向从旋转中心100偏移而布置旋转原点相狭缝112。参考附图，参考数字250表示从轴150延伸并且通过转盘110的中央部分并且被用来固定转盘110的榖。
图12示出当通过从原点位置转动至角度θ而定位转盘110时形成的在图像170和固定原点相狭缝122之间的关系。在此情形中，参考数字300表示固定原点相狭缝122的中心，200表示使用旋转原点相狭缝112而获得的图像170的中心。在原点位置处，图像170的中心与固定原点相狭缝122的中心300交叠。值r定义从旋转中心100到图像170的中心200的距离。
应该理解，图像170的中心200旋转到θ，并且该图像的中心200沿着图中的X和Y方向从固定原点相狭缝122的中心300平行偏移等于r-r·cosθ和r·sinθ的距离。因此，由原点相受光元件输出的信号受到由于旋转而引起的在图像170和固定原点相狭缝122之间的差距以及由于平行移动而引起的在图像170和固定原点相狭缝122之间的差距的影响。
旋转所产生的影响与关于第一实施例在图3中示出的相同。在其中由图像170和固定原点相狭缝122形成的角度θ大于tan-1(P/L)的情形中，图像170与多个固定原点相狭缝122交叉，并且图像170的亮部和暗部以相等的比率与固定原点相狭缝122的开口交叠，并且原点相受光元件的输出基本变为最大值的一半。因此，在此情形中，即使当原点相受光元件的输出受到平行移动的影响时，该输出也不会超过接近最大值一半的值。另外，当θ增加时，图像170从固定原点相狭缝122偏移，并且原点相受光元件的输出接近0。
关于在其中θ小于tan-1(P/L)的情形中由平行移动提供的影响，沿着X方向的位移r-r·cosθ非常小，因为θ的值较小。而且，因为固定原点相狭缝122形成为沿着长轴方向比沿着短轴方向充分更长，所以沿着Y方向的位移r·sinθ也较小并且可被忽略。例如，在其中P＝40μm、L＝2.4mm、r＝10mm的情形中，当θ＝tan-1(P/L)＝0.95°时，获得1.4μm的X方向位移和0.17mm的Y方向位移，而这些值较小并且可被忽略。因此，在该范围中，原点相受光元件的输出仅受旋转影响。
如上所述，因为旋转原点相狭缝120沿着旋转原点相狭缝120的短轴方向从旋转中心移位，所以能够在转盘110的中心处定位用于固定转盘110的榖250。
图13是用于解释在本实施例中获得的其它效果的编码器的透视图。
参考附图，参考数字112表示旋转原点相狭缝，所述旋转原点相狭缝沿着狭缝短轴方向从旋转中心100移位，形成在旋转位移检测狭缝111的附近。而且，参考数字122表示固定原点相狭缝，125和126表示形成在一个固定尺120中的固定位移检测狭缝。另外，参考数字130表示照射旋转位移检测狭缝11 1和旋转原点相狭缝112的光源。
现在将描述操作。
由光源130发射的光通过射出窗口121并且照射旋转位移检测狭缝111和旋转原点相狭缝112。当光在旋转位移检测狭缝111处反射时，反射光通过固定位移检测狭缝125或者126，并且被受光元件143或者144检测到，并且被信号处理电路(未示出)转换成位移信号。同样地，在旋转原点相狭缝112处反射的光通过固定原点相狭缝122并且被原点相受光元件140检测到。
如上所述，在本实施例中，因为旋转原点相狭缝从旋转中心沿着狭缝短轴方向偏移，所以能够靠近旋转位移检测狭缝布置这些旋转原点相狭缝。因此，由于固定位移检测狭缝和固定原点相狭缝能够一起紧密地形成在一个固定尺中，所以结构能够被简化。另外，这两种类型的狭缝能够由一个光源照射。即，能够提供包括发光元件、受光元件和固定尺的小的检测构件。
实施例5
图14是用于本发明的第五实施例的编码器的透视图。
参考图14，参考数字123表示第一固定原点相狭缝，124表示第二固定原点相狭缝。这些狭缝被形成为使得它们从旋转中心沿着狭缝短轴方向偏移，并且定位在沿着固定原点相狭缝的长轴方向的不同位置处。本发明与第四实施例的不同之处在于：第一固定原点相狭缝123和第二固定原点相狭缝124被布置在沿着固定原点相狭缝的长轴方向的不同位置处。
如上所述，在本实施例中，旋转原点相狭缝被布置成使得它们沿着固定原点相狭缝的短轴方向从旋转中心100偏移。而且，第一固定原点相狭缝123和第二固定原点相狭缝124形成在沿着长轴方向的不同位置处。因此，能够在转盘110的中心处附接用于固定转盘110的榖250。而且，当合成使用这两种类型的固定狭缝而检测到的信号时，能够获得具有小边带波的尖脉冲波形。因此，能够获得高分辨率原点信号。
而且，利用本实施例的布置，能够靠近旋转位移检测狭缝布置旋转原点相狭缝，并且固定位移检测狭缝和固定原点相狭缝能够彼此靠近形成在一个固定尺中。因此，结构能够得以简化。另外，两种狭缝均能够由一个光源照射，并且能够减小具有发光元件、受光元件和固定尺的检测构件的尺寸。
实施例6
图15是用于本发明的第六实施例的编码器的透视图。
参考附图，参考数字132表示将光源130发射的光转换成线性光源阵列的原点相光源狭缝。本发明与第二实施例的不同之处在于：原点相光源狭缝132和固定原点相狭缝122形成在固定尺120中。
由光源130发射的光通过原点相光源狭缝132并且照射旋转原点相狭缝112。在旋转原点相狭缝112处反射的光在固定原点相狭缝122上形成干涉条纹。受光元件140通过固定原点相狭缝122检测干涉条纹。以此方式，能够利用三栅格光学系统来执行原点检测，所述系统采用原点相光源狭缝、旋转原点相狭缝和固定原点相狭缝。
当本实施例的转盘旋转时，在通过旋转原点狭缝和固定原点相狭缝而形成的图像的位置关系与在第二实施例中的相同，并且如在第二实施例中那样，获得尖锐的原点信号。此外，因为三栅格光学系统被采用作为光学系统，所以即使当转盘110和固定尺120之间的间隙改变时也稳定地获得原点检测信号。
另外，因为使用三栅格光学系统来提供位移检测构件(未示出)，所以能够提供其中位移检测构件和原点检测构件几乎不受间隙波动影响的编码器。
应该指出，原点相光源狭缝、旋转原点相狭缝和固定原点相狭缝可以1∶1∶1或者2∶1∶2的间距比例形成。
实施例7
图16是用于本发明的第七实施例的编码器的透视图。
参考附图，参考数字123表示第一固定原点相狭缝，124表示第二固定原点相狭缝。这些狭缝被形成为沿着狭缝短轴方向从旋转中心偏移，并且被布置在沿着固定原点相狭缝的长轴方向的不同位置处。本发明与第六实施例的不同之处在于：第一固定原点相狭缝123和第二固定原点相狭缝124被布置在沿着固定原点相狭缝的长轴方向的不同位置处。
下面，将描述操作。
由光源130发射的光通过原点相光源狭缝132并且照射旋转原点相狭缝112。当光在旋转原点相狭缝112处被反射时，反射光在第一固定原点相狭缝123和第二固定原点相狭缝123上形成干涉条纹。受光元件141和142通过第一固定原点相狭缝123和第二固定原点相狭缝124检测干涉条纹。以此方式，能够利用采用原点相光源狭缝、旋转原点相狭缝和固定原点相狭缝的三栅格光学系统来执行原点检测。
因为三栅格光学系统被采用作为光学系统，所以，如在第六实施例中那样，即使当转盘110和固定尺120之间的间隙改变时也稳定地获得原点检测信号。而且，在本实施例中，当合成使用这两种类型的固定狭缝而检测到的信号时，能够获得具有小边带波的尖脉冲波形。因此，能够获得高分辨率原点信号。应该指出，当使用三栅格光学系统来提供位移检测构件(未示出)时，能够提供其中位移检测构件和原点检测构件几乎不受间隙波动影响的编码器，如在第六实施例中那样。原点相光源狭缝、旋转原点相狭缝和固定原点相狭缝可以1∶1∶1或者2∶1∶2的间距比例形成。
实施例8
图17是用于本发明的第八实施例的编码器的透视图。
参考附图，参考数字112表示旋转原点相狭缝，122表示固定原点相狭缝，如上所述。
本发明与第二实施例的不同之处在于：在第二实施例中，对于旋转原点相狭缝112和固定原点相狭缝122，采用了平行布置的线性狭缝式样。在本实施例中，以等间距径向布置使得所有的相邻狭缝形成同一角度的狭缝被采用作为旋转原点相狭缝。由旋转原点相狭缝形成的圆弧的中心101位于与旋转中心100的位置不同的位置处。
在本实施例中，靠近旋转位移检测相狭缝111布置旋转原点相狭缝112，其中圆弧向外开口。当圆弧向外开口时，获得如下特征，即，即使旋转原点相狭缝112靠近旋转位移检测相狭缝111时，靠近原点也不会产生多个峰值。
另外，因为要求仅仅一个光源130来照射旋转原点相狭缝112和旋转位移检测相狭缝111，并且因为固定原点相狭缝122能够靠近固定位移检测相狭缝125和126布置，所以检测构件的尺寸能够得以减小。
实施例9
图18是用于本发明的第九实施例的编码器的透视图。
参考附图，参考数字132表示原点相光源狭缝。本发明与第八实施例的不同之处在于：原点相光源狭缝132沿着径向形成在固定尺120中。
现在将描述操作。
由光源130发射的光通过原点相光源狭缝132并且照射旋转原点相狭缝112。在旋转原点相狭缝112处反射的光在固定原点相狭缝122上形成干涉条纹，并且原点相受光元件140通过固定原点相狭缝122检测干涉条纹。以此方式，能够利用采用原点相光源狭缝、旋转原点相狭缝和固定原点相狭缝的三栅格光学系统来执行原点检测。
另外，在本实施例中，旋转原点相狭缝112靠近旋转位移检测狭缝111形成。利用该布置，对于位移检测和原点检测，能采用同一光源。
如上所述，在本实施例中，具有发光元件、受光元件和固定尺的检测构件的尺寸能够得以减小，并且能够提供几乎不受作为三栅格光学系统的特征的间隙波动影响的编码器。应该指出，原点相光源狭缝、旋转原点相狭缝和固定原点相狭缝可以1∶1∶1或者2∶1∶2的间距比例形成。
在第一到第九实施例中，采用了一种反射型光学系统；然而，也能够通过使用透射型光学系统来提供这些实施例。
工业实用性
因为能够利用简单的布置来检测旋转构件的绝对位置，本发明能够被应用于驱动工业机器人或者机床的伺服马达的位置检测器。

Claims (10)

1.一种用于为两个构件检测相对旋转角度的光学编码器，包括：
为相对于彼此旋转的所述两个构件中的一个提供的转盘，和
为所述两个构件中的另一个提供的光源、固定尺和受光元件，其中
所述转盘设有旋转原点相狭缝，所述旋转原点相狭缝被形成为以等间距平行布置的线性狭缝式样，并且
所述固定尺设有固定原点相狭缝，所述固定原点相狭缝被形成为以等间距平行布置的线性狭缝式样。
2.根据权利要求1所述的光学编码器，其中
所述固定原点相狭缝设有布置在从所述转盘的旋转中心沿着所述狭缝的长轴方向的不同位置处的多种类型的所述狭缝式样。
3.根据权利要求1所述的光学编码器，其中
所述旋转原点相狭缝设有从所述转盘的旋转中心沿着所述狭缝的短轴方向移位的所述狭缝式样，并且
所述固定原点相狭缝设有从所述旋转中心沿着所述狭缝的短轴方向移位的所述狭缝式样。
4.根据权利要求1所述的光学编码器，其中
所述旋转原点相狭缝设有从所述转盘的旋转中心沿着所述狭缝的短轴方向移位的所述狭缝式样，并且
所述固定原点相狭缝设有从所述旋转中心沿着所述狭缝的短轴方向移位的、以及布置在从所述旋转中心沿着所述狭缝的长轴方向的不同位置处的多种类型的所述狭缝式样。
5.根据权利要求1所述的光学编码器，其中
所述固定尺设有原点相光源狭缝和固定原点相狭缝，所述原点相光源狭缝被形成为平行地并以等间距布置的线性狭缝式样、并且位于所述光源的前面。
6.根据权利要求5所述的光学编码器，其中
所述固定原点相狭缝设有位于从所述转盘的旋转中心沿着所述狭缝的长轴方向的不同位置处的多种类型的所述狭缝式样。
7.根据权利要求5所述的光学编码器，其中
所述旋转原点相狭缝设有从所述转盘的旋转中心沿着所述狭缝的短轴方向移位的所述狭缝式样，并且
所述固定原点相狭缝设有从所述旋转中心沿着所述狭缝的短轴方向移位的所述狭缝式样。
8.根据权利要求5所述的光学编码器，其中
所述旋转原点相狭缝设有从所述转盘的旋转中心沿着所述狭缝的短轴方向移位的所述狭缝式样，并且
所述固定原点相狭缝设有从所述旋转中心沿着所述狭缝的短轴方向移位的、以及位于从所述旋转中心沿着所述狭缝的长轴方向的不同位置处的多种类型的所述狭缝式样。
9.一种用于为两个构件检测相对旋转角度的光学编码器，包括：
为相对于彼此旋转的所述两个构件中的一个提供的转盘，和
为所述两个构件中的另一个提供的光源、固定尺和受光元件，其中
所述转盘设有旋转原点相狭缝，所述旋转原点相狭缝被形成为以等间距径向布置的狭缝式样，所述式样的圆弧中心位于不同于相对于彼此旋转的所述两个构件的旋转中心的位置处，并且
所述固定尺设有固定原点相狭缝，所述固定原点相狭缝被形成为以等间距径向布置的狭缝式样。
10.根据权利要求9所述的光学编码器，其中
所述固定尺设有原点相光源狭缝和固定原点相狭缝，所述原点相光源狭缝被形成为径向布置的狭缝式样并且位于所述光源的前面。
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