CN102288202A - 光学编码器 - Google Patents

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Abstract

一种光学编码器，包括：刻度尺；光源；多个光接收元件阵列(三个光接收元件阵列)，用于经由所述刻度尺接收从所述光源射出的光；以及测量器。第一光接收元件阵列和第三光接收元件阵列分别被划分成两个区域。所述测量器包括：异常判断器，用于基于从所述区域输出的信号判断所述区域是否发生了异常；以及位置测量器，用于基于从(异常判断器判断为未发生异常的)区域和第二光接收元件阵列输出的信号，来测量刻度尺的位置。

Description

光学编码器
技术领域
本发明涉及光学编码器。
背景技术
传统上，已知有以下的光学编码器(例如，参见日本特开2009-198318号公报)，该光学编码器包括：刻度尺(scale)，其具有沿预定方向形成的格子状的刻度标记；光源，用于向该刻度尺射出光；光接收元件阵列，其包括沿该预定方向排列的多个光接收元件，以输出基于经由该刻度尺接收到的光的信号；以及测量器，用于基于从该光接收元件阵列输出的信号测量该刻度尺的位置。
日本特开2009-198318号公报公开的光电编码器(光学编码器)被配置成绝对式编码器。在该光电编码器的刻度尺上，沿预定方向形成有用于测量绝对位置的绝对图案(刻度标记)和用于测量相对位置的增量图案(刻度标记)。该绝对图案和该增量图案是使从光源射出的光透过或挡住从光源射出的光以生成明区和暗区的图案。该光电编码器包括与绝对图案和增量图案相对应地布置的多个光电二极管阵列(光接收元件阵列)以及基于从光电二极管阵列输出的信号测量刻度尺的位置的信号处理电路(测量器)。
这里，例如，日本特开2009-198318号公报公开的光电编码器通过将绝对图案制成M序列随机数的图案来测量刻度尺的绝对位置。另一方面，日本特开2010-25879号公报公开的线性编码器通过将上码道(upper track)(绝对图案)制成等间距图案来测量刻度尺的绝对位置。在下文中，解释通过将绝对图案制成等间距图案来测量刻度尺的绝对位置的光学编码器。
图4是示出将绝对图案制成等间距图案的光学编码器100的示意图。在图4中，垂直于纸面的轴是Y轴，并且垂直于Y轴的两个轴是X轴和Z轴。光学编码器100被配置成绝对式编码器，并且如图4所示，光学编码器100包括：刻度尺110；光源120；透镜130，其使从光源120射出的光变为平行光；以及电路板140，其包括多个光接收元件阵列141～143和基于从光接收元件阵列141～143输出的信号测量刻度尺110的位置的测量器144。
刻度尺110包括沿X轴方向形成的、用于测量刻度尺110的绝对位置的绝对图案111和113以及沿X轴方向形成在绝对图案111和113之间的、用于测量刻度尺110的相对位置的增量图案112。与绝对图案113的明暗周期相比，绝对图案111的明暗周期被设置为略短。并且，与绝对图案111和113的明暗周期相比，增量图案112的明暗周期被设置为更短。
光接收元件阵列141和143输出基于从光源120射出并经由绝对图案111和113接收到的光的信号。光接收元件阵列142输出基于从光源120射出并经由增量图案112接收到的光的信号。
图5是示出光学编码器100的电路板140的示意图。光接收元件阵列141～143由多个各自包括等间距排列的光接收元件的组形成，并且被配置为通过合成从各组的光接收元件输出的信号来进行输出。具体地，例如，如图5所示，在光接收元件阵列141中，合成来自按每4个间隔配置的多个光接收元件141A的输出。与光接收元件141A相同，还合成来自光接收元件141B～141D的输出。此外，将从光接收元件141A～141D组输出的信号经由放大器145输入至测量器144。也就是说，光接收元件阵列141由4个各自包括等间距排列的光接收元件的组形成。
这里，光接收元件阵列141中的各组的周期T、即从光接收元件141A到光接收元件141D作为一个周期的周期T被设置为与绝对图案111的明暗周期相同。因此，从光接收元件阵列141输出的信号是具有90度的相位差的四相信号。光接收元件阵列142和143的结构与光接收元件阵列141的结构相同。这里，光接收元件阵列142中的各组的周期被设置为与增量图案112的明暗周期相同。光接收元件阵列143中的各组的周期被设置为与绝对图案113的明暗周期相同。也就是说，与光接收元件阵列141和143中的各组的周期相比，光接收元件阵列142中的各组的周期被设置为较短。
测量器144将从光接收元件阵列141～143输出的四相信号转换成两相信号，并且基于这些两相信号，生成分别与绝对图案111和113以及增量图案112相对应的相位信号。与日本特开2010-25879号公报公开的线性编码器相类似，测量器144基于与绝对图案111和113以及增量图案112相对应的相位信号测量刻度尺110的位置。
然而，在这种光学编码器100中，例如，存在以下问题：当由于诸如灰尘等的异物颗粒附着至刻度尺110或者刻度尺110发生损坏而导致阴影S落在光接收元件阵列141～143上时，从光接收元件阵列141～143输出的信号可能发生异常。当从光接收元件阵列141～143输出的信号发生了异常时，存在光学编码器100不能进行适当的测量的问题。
与光接收元件阵列142中的各组的周期相比，光接收元件阵列141和143中的各组的周期被设置为较长。因此，存在从光接收元件阵列141和143输出的信号特别容易发生异常的问题。这是因为，随着光接收元件阵列中的各组的周期越长，(由诸如灰尘等的异物颗粒附着至刻度尺110或者刻度尺110发生损坏而引起的)落在光接收元件阵列141～143上的阴影S的影响越大。
发明内容
本公开内容的非限制性特征在于提供一种即使当从光接收元件阵列输出的信号发生了异常时、也能够进行适当的测量的光学编码器。
本发明的光学编码器的非限制性特征包括：刻度尺，其具有沿预定方向形成的格子状的刻度标记；光源，其被配置成向所述刻度尺射出光；光接收元件阵列，其包括沿所述预定方向排列的多个光接收元件，并且被配置成输出基于经由所述刻度尺接收到的光的信号；以及测量器，其被配置成基于从所述光接收元件阵列输出的信号来测量所述刻度尺的位置。所述光接收元件阵列被划分成多个区域。所述测量器包括：异常判断器，其被配置成基于从各所述区域输出的信号来判断各所述区域是否发生了异常；以及位置测量器，其被配置成基于从分别被所述异常判断器判断为未发生异常的各区域输出的信号，来测量所述刻度尺的位置。
根据这种结构，位置测量器基于从光接收元件阵列的区域中分别被异常判断器判断为未发生异常的各区域输出的信号来测量刻度尺的位置。因此，即使当由于诸如灰尘等的异物颗粒附着至刻度尺或者刻度尺发生损坏而使得从光接收元件阵列输出的信号发生了异常时，也可以进行适当的测量。
在本发明的非限制性特征中，优选地，在所述多个区域之间形成有间隙。
这里，由诸如灰尘等的异物颗粒附着至刻度尺或者刻度尺发生损坏引起的落在光接收元件阵列上的阴影，根据刻度尺的位置而相对于光接收元件阵列移动。在本发明中，在光接收元件阵列的区域之间形成有间隙。因此，当落在光接收元件阵列上的阴影小于间隙时，可以防止阴影跨在区域之间。因此，根据本发明，即使当由于诸如灰尘等的异物颗粒附着至刻度尺或者刻度尺发生损坏而使得从光接收元件阵列输出的信号发生了异常时，也可以进行更适当的测量。
在本发明的非限制性特征中，优选地：所述刻度标记是根据从所述光源射出的光生成等间距的明区和暗区的图案；各所述区域由多个各自包括等间距排列的光接收元件的组形成，并且被配置为通过合成从各组的光接收元件输出的信号来进行输出；各所述组的周期被设置为与根据所述刻度标记生成的明暗周期相同；以及所述异常判断器通过比较从各所述组输出的信号来判断各所述区域是否发生了异常。
在本发明的非限制性特征中，刻度标记是根据从光源射出的光生成等间距的明区和暗区的图案。因此，由光接收元件阵列经由刻度尺接收到的光在该光接收元件阵列的受光面上沿预定方向形成正弦形式的明暗区。这里，光接收元件阵列中的各组的周期被设置为与根据刻度标记生成的明暗周期相同。因此，基于从光接收元件阵列中的各组输出的信号，可以再现形成在该光接收元件阵列的受光面上的正弦形式的明暗区。
此外，在本发明的非限制性特征中，从光接收元件阵列中的各组输出的信号是通过合成基于由以下的光接收元件接收到的光的信号而得到的信号：这些光接收元件布置在与形成在光接收元件阵列的受光面上的正弦形式的明暗区具有相同的相位的位置处。因此，异常判断器可以通过比较从光接收元件阵列中的各组输出的信号，容易地判断各个区域是否发生了异常。
附图说明
在下文中，参考多个附图，利用关于本发明的典型实施方式的非限制性示例来进一步详细说明本发明，其中，在这些附图中的几幅图中，相同的附图标记表示相同的部分，并且其中：
图1示出根据本发明的实施例的光学编码器；
图2是示出根据本发明的实施例的光学编码器的板的示意图；
图3是示出根据本发明的可选例中使用三相信号的异常判断的方法的示意图；
图4是示出将绝对图案制成等间距图案的光学编码器的示意图；以及
图5是示出光学编码器的板的示意图。
具体实施方式
这里所述的具体示例是举例，并且仅是为了说明性地论述本发明的实施例，并且提供这些具体示例是为了提供本发明的原理和概念方面的、被认为最有用和容易理解的描述。在这方面，没有更详细地示出基本理解本发明所需的结构细节以外的结构细节，其中，参考附图来进行说明以使本领域的技术人员清楚在实践中能够实施本发明的实施方式。
以下基于附图来解释本发明的实施例。图1示出根据本发明的实施例的光学编码器1。在图1中，垂直于纸面的轴是Y轴，并且垂直于Y轴的两个轴是X轴和Z轴。光学编码器1被配置成绝对式编码器，并且如图1所示，光学编码器1包括：以X轴方向作为长边方向的矩形板状的刻度尺2；光源3，其向刻度尺2射出光；透镜4，其将从光源3射出的光转换成平行光；以及板5，其配置在从光源3射出的光通过透镜4和刻度尺2的光路后段。
刻度尺2由透光性材料制成，并且形成有沿X轴方向的格子状的刻度标记。具体地，刻度尺2包括作为用于测量绝对位置的刻度标记的绝对图案21和23以及形成在绝对图案21和23之间的、作为用于测量相对位置的刻度标记的增量图案22。绝对图案21和23以及增量图案22是使从光源3射出的光透过或挡住从光源3射出的光以生成等间距的明区和暗区的图案。此外，与绝对图案23的明暗周期相比较，绝对图案21的明暗周期被设置为略短。并且，与绝对图案21和23的明暗周期相比较，增量图案22的明暗周期被设置为更短。
图2是示出光学编码器1的板5的示意图。如图2所示，板5具有多个光接收元件阵列51～53和基于从光接收元件阵列51～53输出的信号测量刻度尺2的位置的测量器54。将光接收元件阵列51划分成两个区域511和512，并且在区域511和512之间形成间隙。与光接收元件阵列511相同，将光接收元件阵列53划分成两个区域531和532，并且在区域531和532之间形成间隙。
区域511和512、光接收元件阵列52以及区域531和532由多个各自包括等间距排列的光接收元件的组形成，并且被配置为通过合成从各组的光接收元件输出的信号来进行输出。具体地，例如，在区域511中，合成来自相互隔开4个间隔的两个光接收元件511A的输出。与光接收元件511A相同，还合成来自光接收元件511B～511D的输出。此外，将从光接收元件511A～511D组输出的信号经由由运算放大器等构成的放大器55输入至测量器54。也就是说，区域511由4个各自包括等间距排列的光接收元件的组形成。
这里，将区域511中的各组的周期T、即从光接收元件511A到光接收元件511D作为一个周期的周期T设置为与绝对图案21的明暗周期相同。因此，从区域511输出的信号是具有90度的相位差的四相信号。光接收元件阵列52以及区域512、531和532的结构与区域511的结构相同。这里，将区域512中的各组的周期设置为与绝对图案21的明暗周期相同。将光接收元件阵列52中的各组的周期设置为与增量图案22的明暗周期相同。将区域531和532中的各组的周期均设置为与绝对图案23的明暗周期相同。
测量器54包括：异常判断器541，其基于从区域511、512、531和532输出的信号判断区域511、512、531和532是否发生了异常；以及位置测量器542，其基于从光接收元件阵列51～53输出的信号测量刻度尺2的位置。异常判断器541通过比较从区域511、512、531和532的组输出的信号，来判断区域511、512、531和532是否发生了异常。
这里，绝对图案21和23是用于根据从光源3射出的光生成等间距的明区和暗区的图案。因此，光接收元件阵列51和53经由刻度尺2接收到的光在光接收元件阵列51和53的各自受光面处沿预定方向形成正弦形式的明暗区。如上所述，从区域511、512、531和532输出的信号是具有90度的相位差的四相信号。
因此，将诸如从例如光接收元件511A和光接收元件511C输出的信号等的、具有180度的相位差的信号相加的结果为0。因此，在本实施例中，当将(从区域511、512、531和532的组输出的四相信号中)具有180度的相位差的信号相加的结果不是0时，异常判断器541判断为区域511、512、531或532发生了异常。
使用诸如运算放大器和比较器等的硬件可容易地构造出用于进行信号的相加及与阈值的比较等的电路。当判断为区域511和512均未发生异常时，异常判断器541合成从区域511和512输出的信号并输出合成后的信号。当判断为区域531和532均未发生异常时，异常判断器541合成从区域531和532输出的信号并输出合成后的信号。
位置测量器542将从(异常判断器541判断为未发生异常的)区域511、512、531和532以及光接收元件阵列52输出的四相信号转换成两相信号，并且基于这些两相信号生成分别与绝对图案21和23以及增量图案22相对应的相位信号。与日本特开2010-25879号公报公开的线性编码器相同，位置测量器542基于与绝对图案21和23以及增量图案22相对应的相位信号，来测量刻度尺2的位置。
如上所述的本实施例提供了以下效果。(1)位置测量器542基于从光接收元件阵列51和53的区域511、512、531和532中的、异常判断器541判断为未发生异常的区域511、512、531和532输出的信号，来测量刻度尺2的位置。因此，即使当由于诸如灰尘等的异物颗粒附着至刻度尺2或者刻度尺2发生损坏而使得从光接收元件阵列51和53输出的信号发生了异常时，也可以进行适当的测量。
(2)在光接收元件阵列51和53的区域511、512、531和532之间形成间隙。因此，当落在光接收元件阵列51和53上的阴影S小于这些间隙时，可以防止阴影S跨在区域511、512、531和532之间。因此，即使当由于诸如灰尘等的异物颗粒附着至刻度尺2或者刻度尺2发生损坏而使得从光接收元件阵列51和53输出的信号发生了异常时，光学编码器1也可以进行更适当的测量。
(3)当将(从区域511、512、531和532的各组输出的四相信号中)具有180度的相位差的信号相加的结果不是0时，异常判断器541判断为区域511、512、531或532发生了异常。因此，可以容易地判断区域511、512、531和532是否发生了异常。
本发明不限于上述实施例。在实现本发明的目的的范围内的设计改变和改进等均包括在本发明内。例如，在上述实施例中，未将光接收元件阵列52划分成多个区域。然而，还可以将光接收元件阵列52划分成多个区域。在上述实施例中，在区域511和512之间以及区域531和532之间形成有间隙。然而，还可以不形成间隙。
在上述实施例中，当将(从区域511、512、531和532的各组输出的四相信号中)具有180度的相位差的信号相加的结果不是0时，异常判断器541判断为区域511、512、531和532发生了异常。关于该点，例如，异常判断器541还可以通过将从各区域中的各组输出的所有的四相信号相加来判断是否发生了异常。此外，例如，异常判断器541还可以通过将从各区域中的各组输出的四相信号与阈值进行比较来判断是否发生了异常。其要点是异常判断器541通过比较从各区域中的各组输出的信号来判断各区域是否发生了异常。在本实施例中，使用从区域511、512、531和532的各组输出的四相信号来判断区域511、512、531和532的异常。然而，本发明不限于以上实施例。例如，可以实现以下的配置：在该配置中，从区域511、512、531和532各自输出包括2～3个信号的组(即，具有180度的相位差的两相信号或具有120度的相位差的三相信号)。在这种情况下，使用两相信号或三相信号来判断区域511、512、531和532的异常。当根据两相信号判断异常时，可以使用与本实施例相同的方法。当根据三相信号判断异常时，异常判断器可以通过检查以下公式是否能够成立来判断是否发生了异常，在该公式中，如图3所示，将具有120度的相位差的三相信号标识为信号1、信号2和信号3。
信号1＝(信号2)/2+(信号3)/2
换言之，当不存在灰尘或刻度尺损坏时，以上公式能够成立。因此，可以通过检查以上公式是否能够成立来判断是否发生了异常。
在上述实施例中，将光接收元件阵列51～53中的各组的周期设置为与刻度尺2的刻度标记的明暗周期相同。
在上述实施例中，绝对图案21和23以及增量图案22是使从光源3射出的光透过或挡住从光源3射出的光以生成等间距的明区和暗区的图案。光接收元件阵列51～53由多个各自包括等间距排列的光接收元件的组形成，并且被配置为通过合成从各组的光接收元件输出的信号来进行输出。然而，还可以将其它结构的光学编码器应用于本发明。在这种情况下，异常判断器541可以根据光学编码器的结构来判断异常。其要点是异常判断器基于从光接收元件阵列的各区域输出的信号来判断各区域是否发生了异常。
在上述实施例中，光学编码器1被配置成绝对式编码器。然而，还可以将本发明应用于增量式编码器。此外，在上述实施例中，光学编码器1被配置成线性编码器。然而，还可以将本发明应用于旋转式编码器。在上述实施例中，光学编码器1被配置成利用光接收元件阵列51～53来接收透过刻度尺2的光。关于该点，还可以将光学编码器配置成利用光接收元件阵列来接收刻度尺反射的光。
本发明可适用于作为光学编码器。
注意，仅是为了解释目的而提供前述实施例，并且前述实施例决不应被解读为限制本发明。尽管已经参考典型实施例说明了本发明，但要理解这里所使用的词语是说明性和示例性的词语，而不是限制性的词语。在不背离本发明在特征方面的范围和精神的情况下，如目前所陈述和所修改的，可以在所附权利要求书的范围内进行改变。尽管这里已经参考特定结构、材料和实施例说明了本发明，但本发明不限于这里所公开的具体示例；相反，本发明延伸至诸如属于所附权利要求书的范围内的功能上等同的所有结构、方法和用途。
本发明不限于上述实施例，并且可以在不背离本发明的范围的情况下进行各种改变和修改。

Claims (4)

1.一种光学编码器，包括：
刻度尺，其具有沿预定方向形成的格子状的刻度标记；
光源，其被配置成向所述刻度尺射出光；
光接收元件阵列，其包括沿所述预定方向排列的多个光接收元件，并且被配置成输出基于经由所述刻度尺接收到的光的信号，其中，所述光接收元件阵列被划分成多个区域；以及
测量器，其被配置成基于从所述光接收元件阵列输出的信号来测量所述刻度尺的位置，所述测量器包括：
异常判断器，其被配置成基于从各所述区域输出的信号来判断各所述区域是否发生了异常；以及
位置测量器，其被配置成基于从分别被所述异常判断器判断为未发生异常的各区域输出的信号，来测量所述刻度尺的位置。
2.根据权利要求1所述的光学编码器，其特征在于，在所述多个区域之间形成有间隙。
3.根据权利要求1所述的光学编码器，其特征在于，
所述刻度标记是根据从所述光源射出的光生成等间距的明区和暗区的图案，
各所述区域由多个各自包括等间距排列的光接收元件的组形成，并且被配置为通过合成从各组的光接收元件输出的信号来进行输出，
各所述组的周期被设置为与根据所述刻度标记生成的明暗周期相同，以及
所述异常判断器通过比较从各所述组输出的信号来判断各所述区域是否发生了异常。
4.根据权利要求2所述的光学编码器，其特征在于，
所述刻度标记是根据从所述光源射出的光生成等间距的明区和暗区的图案，
各所述区域由多个各自包括等间距排列的光接收元件的组形成，并且被配置为通过合成从各组的光接收元件输出的信号来进行输出，
各所述组的周期被设置为与根据所述刻度标记生成的明暗周期相同，以及
所述异常判断器通过比较从各所述组输出的信号来判断各所述区域是否发生了异常。
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PB01 Publication
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