CN101535777A - 编码器 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种编码器，对于来自受光元件(26)的光电转换信号(Ia、Ib、Ic、Id)进行运算，结果计算出2个信号(IA、IB)。然后，由信号(IA、IB)生成信号(IAB)，且从编码器(10)输出此信号(IAB)。如式(7)所示，此信号(IAB)中依赖于时间t的项为4d·sin(ωt)。另一方面，如式(5)及(6)所示，信号(IA、IB)中依赖于时间t的项为2d·sin(ωt)，因此，信号(IAB)相对于信号(IA、IB)的变化等同于实质上将调制度扩大为2倍。所以，当根据信号(IAB)检测移动标度(24)的位置时，能与将调制度扩大为2倍时同样地以高精度检测出移动标度(24)的位置。
Description
技术领域
本发明是一种编码器，更具体而言是一种对移动体的位置信息进行光学检测的编码器。
背景技术
扫描式编码器中执行如下处理：由受光元件接收经过移动标度(scale)的照明光，由从所述受光元件输出的输出信号而生成2个以上的不同的相位信号，并根据这些相位信号来检测移动标度的位置信息(以下，简称为检测处理)(例如，参照专利文献1)。
此检测处理中，为了提高位置信息的检测精度，考虑到使移动标度上所设的图案达到高精细的水平以提高编码器的分辨率。然而，如果使图案达到高精细的水平，那么会存在以下问题：调制照明光的扫描仪的能力无法对应于所述高精细的图案。而且，当要提高编码器的测量精度时，也必须有效地除去输出信号内包含的失真。
专利文献1：美国专利第6,639,686号说明书
发明内容
本发明是一种编码器，其是利用从光源射出的照明光的干涉来对移动体的位置信息进行检测的光电式编码器，该编码器包括：标度，固定在所述移动体上，且具有沿所述移动体的移动方向排列的图案；光学系统，将照明光照射到所述标度上，从而产生包含相互不同的2个以上相位信息的出射光；信号生成装置，接收所述出射光，生成分别与所述相位信息相对应的信号；以及输出装置，根据所述信号生成装置生成的信号，来输出所述移动体的位置信息。
这样，所述信号生成电路根据包含互不相同的2个以上相位信息的出射光，而生成与相位信息相对应的信号(相位信号)。然后，输出装置根据相位信号而生成移动体的位置信息且进行输出。所以，通过对各相位信号实施规定的处理，实质上能获得与增大照明光的调制度时相同的效果。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式中的编码器的构成的概要图。
具体实施方式
以下，参照图1对本发明的一实施方式进行说明。
图1中表示本发明的一实施方式中的编码器10的概要性的构成。如图1所示，编码器10是所谓衍射干涉式的编码器，且是对沿规定方向(X轴方向)移动的移动体的移动方向、或移动量、或位移进行检测的线性编码器。
如图1所示，此编码器10包括光源12、致动器16、准直透镜18、指数标度20、一对反射镜22A、22B、移动标度24、受光元件26以及控制电路30。
光源12将相干光、例如波长λ(＝850nm)的激光射向图1中的-Z方向。
致动器16由例如压电元件构成，且配置在光源12的-X侧。此致动器16根据从控制电路30供给的驱动信号，使光源12沿X轴方向周期性地振动。本实施方式中，通过后述的调制度控制电路33与致动器控制电路32的协动，使致动器16以调制振幅ε(单振幅ε/2)、调制度d(＝π·ε/p)、调制角频率ω进行振动。
准直透镜18配置在光源12的下方，使从光源12射出的照明光成为平行光。
指数标度20配置在准直透镜18的下方。此指数标度20是形成了衍射光栅的透射型相位光栅，且此衍射光栅以X轴方向为周期方向。而且，当穿过准直透镜18的照明光入射后，产生多束衍射光。图1中，示出这些衍射光中的、由指数标度20产生的±1阶衍射光。另外，这里，将图1中+X侧产生的衍射光作为+1阶衍射光，而将-X侧产生的衍射光作为-1阶衍射光。
在指数标度20的下方、且从准直透镜18的光轴分别向-X方向及+X方向隔着规定距离的位置上，以相互对向的状态分别配置有反射镜22A、22B。反射镜22A、22B将指数标度20所产生的-1阶衍射光和+1阶衍射光分别向移动标度24进行偏转。这样，由指数标度20产生的±1阶衍射光，以至少有一部分相互重合的状态入射到移动标度24。
移动标度24以能沿X轴方向移动的方式配置在反射镜22A、22B的下方。此移动标度24是形成了衍射光栅的透射型相位光栅，且此衍射光栅以X轴方向为周期方向。而且，形成在此移动标度24上的衍射光栅的光栅间距p，与形成在指数标度20上的相位光栅的光栅间距稍有偏差。而且，指数标度20所产生的+1阶衍射光与-1阶衍射光，在移动标度24受到±1阶衍射，从而以相互干涉的状态入射到受光元件26。
受光元件26配置在移动标度24的下方。此受光元件26具有4个受光部26a、26b、26c、26d，这4个受光部26a、26b、26c、26d对应于因经过移动标度24的照明光产生干涉而形成的干涉条纹而设置。而且，输出与入射到各受光部26a～26d的照明光的强度对应的光电转换信号Ia、Ib、Ic、Id。由于致动器16如上所述地振动，所以这些光电转换信号Ia～Id以下式(1)～(4)表示。另外，x是移动标度24相对于指数标度20的位移。
Ia＝1+cos[4πx/p-2d·sin(ωt)]......(1)
Ib＝1+sin[4πx/p-2d·sin(ωt)]......(2)
Ic＝1-cos[4πx/p-2d·sin(ωt)]......(3)
Id＝1-sin[4πx/p-2d·sin(ωt)]......(4)
所述控制电路30包括光源驱动电路31、致动器驱动电路32、调制度控制电路33、信号生成电路34、校正电路35以及运算电路36。
光源驱动电路31对光源12进行驱动，以使照明光达到固定强度。
信号生成电路34在收到从受光元件26供给的光电转换信号Ia～Id后，如下式(5)和(6)所示，从光电转换信号Ia减去光电转换信号Ic而生成信号IA，此光电转换信号Ia与此光电转换信号Ic相互存在180度的相位差。而且，从光电转换信号Ib减去光电转换信号Id而生成信号IB，此光电转换信号Ib与此光电转换信号Id相互存在180度的相位差。这些信号IA、IB分别输出到校正电路35和运算电路36。
IA＝Ia-Ic＝2cos[4πx/p-2d·sin(ωt)]......(5)
IB＝Ib-Id＝2sin[4πx/p-2d·sin(ωt)]......(6)
运算电路36将信号IA、IB相乘而生成信号IAB。在所述式(5)和(6)中，如果将4πx/p-2d·sin(ωt)定义为φ，那么信号IA、IB分别成为2cos(φ)、2sin(φ)。然后，如果将信号IA与信号IB相乘，那么可获得下式(7)所示的信号IAB。运算电路36算出信号IAB后，将此信号IAB作为移动标度24的位置信息而输出到外部，并且输出到调制度控制电路33。
IAB＝IA×IB＝4sinφ·cosφ＝2sin(2φ)
＝2sin[8πx/p-4d·sin(ωt)]......(7)
作为一个例子，调制度控制电路33根据角频率ω的时钟信号CL(＝k1·sinωt)，而生成由正弦波构成的调制信号(k2·sinωt)。而且，调制度控制电路33根据此调制信号，经过致动器驱动电路32而使致动器16以调制振幅ε(单振幅ε/2)、调制度d(＝π·ε/p)、调制角频率ω进行振动。这样，从光源12射出的照明光得到调制，从受光元件26输出如所述式(1)～(4)所示的相位分别偏移90度的光电转换信号Ia、Ib、Ic、Id。
而且，调制度控制电路33一直对由运算电路36供给的信号IAB进行监视，根据信号IAB的值进行控制，以使调制振幅ε的大小为移动标度24的光栅间距p的一半(p/2)以上。这样，能对信号IA和信号IB的半周期以上进行莉莎监控(Lissajous monitor)。
校正电路35对信号IA和信号IB进行莉莎监控，而校正信号IA和信号IB的相位偏移和失真，将校正后的2个信号IA′、IB′作为移动标度24的位置信息而输出。
如上所述，本实施方式中的编码器10中，由信号生成电路34对来自受光元件26的光电转换信号Ia、Ib、Ic、Id进行运算，作为其结果而生成2个信号IA、IB。然后，在运算电路36中，由该信号IA、IB生成信号IAB，且从编码器10输出。此信号IAB如所述式(7)所示，依赖于时间t的项为4d·sin(ωt)。另一方面，信号IA、IB的依赖于时间t的项如所述式(5)及(6)所示，为2d·sin(ωt)。所以，信号IAB相对于信号IA、IB的变化等同于实质上将调制度d扩大为2倍。因此，当根据信号IAB而检测出移动标度24的位置时，能与将调制度d扩大为2倍时同样地以高精度检测出移动标度24的位置。
而且，在本实施方式的编码器10中，调制度控制电路33根据由运算电路36供给的信号IAB进行控制，以使致动器16的调制振幅ε的大小为移动标度24的光栅间距的一半以上。而且，校正电路35对从信号生成电路34输出的信号IA、IB的至少半周期以上进行莉莎监控，并进行除去信号IA、IB的相位偏移和失真的校正。所以，可将校正后可靠性较高的信号IA′、IB′作为编码器10的输出信号。另外，其结果，能根据信号IA′、IB′，而以高精度检测出移动标度24的移动方向。
而且，在本实施方式的编码器10中，不论致动器16因何原因而停止振动，信号生成电路34都能对光电转换信号Ia、Ib、Ic、Id进行运算。所以，编码器10能继续输出输出信号IA′、IB′、IAB。这时，也可例如在控制电路30中设置用于一直监视信号IAB而对致动器16的停止进行检测的电路，并向外部发送用于通知致动器16的停止或状态等的信号。
而且，在本实施方式的编码器10中，将相位相差180度的光电转换信号Ia、Ic和光电转换信号Ib、Id的差量分别设为信号IA、IB。这样，能避免光电转换信号Ia、Ib、Ic、Id的杂波(noise)混入到信号IA、IB、IAB中。
另外，在本实施方式中，受光元件26具有4个受光部26a～26d，且输出相位分别相差90度的4个信号，但并不限于此，例如，也可输出相位不同的2个信号，并输出将这2个信号相乘后所得到的信号。这时，在移动标度24的位置检测中，能获得与将调制度实质上扩大为2倍时相同的效果。
而且，形成在受光元件26上的受光部26a～26d的配置仅为一例，本发明并不限于此。总之，通过与照明系统相组合而从受光元件26输出相位不同的4个信号即可。
而且，在本实施方式中，对于包含由准直透镜18、指数标度20以及反射镜22A、22B构成的光学系统的编码器10进行了说明，但本发明并不限于此，例如，既可使用分束器代替指数标度20来使照明光衍射，也可使用衍射光栅来代替反射镜22A、22B。总之，只要光学系统能由入射的照明光而生成相位各不相同的多个信号即可。
而且，在本实施方式中，使光源12周期性地振动而对照明光进行了调制，但并不限于此，也可使指数标度20周期性地振动。
另外，本发明也可适用于不使光源12振动而使准直透镜18沿X轴周期性地振动的编码器。而且，在光源12与准直透镜18之间配置声光调制器(AOM，Acousto-Optical Modulator)或电光调制器(EOM，Electro-Optical Modulator)从而使照明光的行进方向或通过位置周期性地振动的编码器中，也可使用本发明。
而且，在本实施方式中，对移动标度24移动的情况进行了说明，但本发明并不限于此，移动标度24以外的部分也可移动。总之，只要具有移动标度24与其它光学部件相对移动的构成即可。
另外，在本实施方式中，对指数标度20与移动标度24具有相位光栅的情形进行了说明，但并不限于此，也可采用具有振幅型衍射光栅(明暗型衍射光栅)的标度。而且，也可混合采用具有振幅型衍射光栅的标度和具有相位光栅的标度。
而且，本实施方式中，使用±1阶衍射光作为测量光，但并不限于此，既可使用更高阶的衍射光的干涉光作为测量光，也可采用像0阶与n阶(或-n阶)、+n阶与+(m+n)阶这样阶数不同的衍射光彼此的干涉光作为测量光。
另外，本实施方式的编码器10是对移动体的单轴方向上的位置信息进行检测的线性编码器，但在对旋转体的旋转量进行检测的旋转编码器(rotary encoder)中也可使用本发明。
产业上的可利用性
如上所述，本发明的编码器适于对移动体的位置信息进行光学检测。
Claims (4)
1.一种编码器，利用经过调制的照明光的干涉，来检测出移动体的位置信息，该编码器的特征在于包括：
标度，固定在所述移动体上，且具有沿所述移动体的移动方向而排列的图案；
光学系统，向所述标度照射所述照明光，而产生含有互不相同的2个以上相位信息的出射光；
信号生成装置，接收所述出射光而生成分别与所述相位信息相对应的信号；及
输出装置，根据所述信号生成装置生成的信号，输出所述移动体的位置信息。
2.根据权利要求1所述的编码器，其特征在于：
还包括处理装置，该处理装置根据由所述信号生成装置生成的各个信号的加法运算、减法运算、乘法运算、以及除法运算中的至少1个运算结果，来调整所述照明光的调制度。
3.根据权利要求1或2所述的编码器，其特征在于：
所述输出装置即便在所述照明光的调制已停止时，也根据由所述信号生成装置生成的信号，而输出所述移动体的位置信息。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的编码器，其特征在于：
还包括警报检测装置，该警报检测装置在所述照明光的调制已停止时，向外部输出警报信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Open date: 20090916 |