CN102620762A - 具有失准检测的光编码器和与其关联的调整方法 - Google Patents

Abstract

一种光编码器包括：标尺，具有在测量轴方向上以预定间距形成的衍射光栅；探头，能够相对于所述标尺而相对移动，所述探头包括用光照射所述标尺的光源单元、以及接收以不同相位由所述标尺的衍射光栅反射或通过所述标尺的衍射光栅透射的光的多个接收单元；以及信号处理设备，对从所述探头的接收单元输出的光接收信号执行信号处理，以产生正交差分信号。所述信号处理设备计算对应于所述正交差分信号的李萨如半径的姿态监控信号，以便检测所述探头相对于所述标尺的失准。

Description

具有失准检测的光编码器和与其关联的调整方法

技术领域

这里描述的本发明涉及光编码器领域、以及失准(misalignment)检测和与其关联的调整方法。

背景技术

已知使用具有衍射光栅的线性标尺(scale)的光编码器，作为这种类型的光编码器之一。在这种光编码器中，通过线性标尺衍射从光源发射的相干光，并且生成具有位置信息的干涉条纹。当相位检测干涉条纹时，可以测量沿着标尺的方向上的长度(参见专利参考文献1)。传统上，在这种类型的光编码器中，通过在沿着标尺移动探头并且观察输出的李萨如(Lissajous)信号的同时调整探头和标尺之间的相对位置关系，来执行探头的失准调整。在这种情况下，关于具有相对大尺寸的探头，可以容易地设定标尺的机械基准，而且，当要安装探头时，可以在某种程度上确保最佳对准(alignment)状态。然而，关于具有相对小尺寸的探头(专利参考文献1和2)，难以设定机械基准，而且，当要安装探头时，需要调整失准的工作。

在不能容易确保执行失准调整的空间的情况下，例如要将光编码器并入到三维测量装置的平台中的情况下，难以执行上述讨论的方法。为了符合这样的情况，已经提出一种在静止状态中执行失准调整(即，无需沿着标尺移动探头)的方法(专利参考文献3)。

[现有技术参考文献]

[专利参考文献]

[专利参考文献1]JP-A-2004-53605

[专利参考文献2]JP-A-2008-39602

[专利参考文献3]JP-A-2007-232681

专利参考文献3提出一种方法，其中将基于由布置于探头中的多个光接收单元接收的光产生的信号相互比较，从而检测探头在俯仰(Pitch)和滚转(Roll)方向上的旋转量。然而，在所述专利参考文献中，并未提出在静止状态下对偏转(Yaw)方向上的旋转量的检测。在偏转方向上的旋转量的检测仍然在传统方法中执行。

发明内容

本发明的示例性实施例提供了光编码器和调整探头的失准的方法，其中可以容易地调整探头的失准。

根据本发明的光编码器包括：

标尺，具有在测量轴方向上以预定间距形成的衍射光栅；

探头，能够相对于所述标尺而相对移动，所述探头包括用光照射所述标尺的光源单元、以及接收以不同相位由所述标尺的衍射光栅反射或通过所述标尺的衍射光栅透射的光的多个接收单元；以及

信号处理设备，对从所述探头的接收单元输出的光接收信号执行信号处理，以产生正交差分信号，其中

所述信号处理设备计算对应于正交差分信号的李萨如半径的姿态监控信号，以便检测所述探头相对于所述标尺的失准。

根据本发明，可以获得所述李萨如半径，并且可以在不移动所述探头或标尺的情况下检测探头在偏转方向上的旋转角度。

在根据本发明的一个实施例的光编码器中，多个接收单元可以是分别置于以光源单元为中心的左上、右上、左下和右下位置的四个接收单元，所述四个接收单元接收由所述标尺的空间相位彼此相差90°的衍射光栅反射或者通过所述标尺的空间相位彼此相差90°的衍射光栅透射的光，并且信号处理设备可以对从四个接收单元输出的光接收信号执行算术处理，以产生正交差分信号。

一种根据本发明的一个实施例的调整失准的方法，包括：

调整探头在偏转方向上相对于标尺的失准，使得监控信号具有最大值，所述监控信号是从信号处理设备输出的正交差分信号的李萨如半径、或者所述李萨如半径的平方值。

可选地，在根据本发明的另一个实施例的光编码器中，所述信号处理设备可以使所述李萨如半径或者所述李萨如半径的平方值近似于特征函数，并且获得所述特征函数的反函数或微分函数，作为监控信号。

一种根据本发明另一个实施例的调整失准的方法，包括：

调整探头在偏转方向上相对于标尺的失准，使得监控信号在允许范围之内。

根据本发明，可以提供光编码器和调整探头的失准的方法，其中可以容易地调整探头的失准。

附图说明

图1是示出本发明第一实施例的光编码器的结构的视图；

图2A和2B是各自示出光编码器的探头的示意图；

图3是示出光编码器的掩模(mask)的视图；

图4是示出光编码器的探头的附装姿态(posture)的视图；

图5是示出光编码器的信号处理设备的结构的框图；

图6是示出光编码器的相位检测电路的电路图；

图7是示出光编码器的滚转检测电路的电路图；

图8是示出光编码器的俯仰检测电路的电路图；

图9是示出光编码器的AGC/偏转检测电路的电路图；

图10是示出光编码器的李萨如半径的大小和在偏转方向上的旋转角度之间的关系的曲线图；

图11是示出根据本发明第二实施例的光编码器中的信号处理设备的一部分的结构的框图；

图12是示出姿态监控信号和偏转旋转角度θ之间的关系的图；以及

图13是示出根据本发明第三实施例的光编码器中的信号处理设备的结构的框图。

具体实施方式

[第一实施例]

下面，将参考附图详细描述本发明的第一实施例的光编码器。

图1是示出本发明第一实施例的光编码器的视图。本发明第一实施例的光编码器包括：标尺1，其中在测量轴方向上以预定间距形成反射型衍射光栅；以及探头2，其通过预定的间隙与形成衍射光栅的标尺1的表面相对，并且其相对于标尺1可相对移动。探头2通过线缆3连接到信号处理设备4。

图2A和2B是示出上述光编码器中的探头2的示意图。在该实施例中，通过将多条光纤捆扎在一起而构成线缆3。通过围绕光源光纤211将六条接收光纤221捆扎在一起而构成线缆3。线缆3的梢端(tip end)部分被金属环25覆盖，以构成探头2。例如，将单模光纤作为光源光纤211使用，而将多模光纤作为接收光纤221使用。如图2A所示，分别地，光源光纤211的梢端构成光源单元21，而接收光纤221的梢端构成接收单元22。如图2B所示，将具有透射型衍射光栅的掩模23附装至光源单元21和接收单元22的前表面。

图3是详细示出掩模23的视图。即，将四个接收单元22分别置于以光源单元21为中心的左上、右上、左下以及右下位置。形成四个接收单元22作为检测位移相位的相位检测接收单元222。形成分别置于中上和中下位置的两个接收单元22，作为姿态监控接收单元223，其也具有检测原点(零)的功能。掩模23包括四个透射型相位检测衍射光栅231以及两个姿态监控窗口232。将四个透射型相位检测衍射光栅231以及两个姿态监控窗口232布置为分别位于相位检测接收单元222以及姿态监控接收单元223的前表面上。设置位于光源单元21前表面上的掩模23的中心部分，使得从光源单元21发射的光按原样透射穿过其。

左上、右上、左下以及右下的相位检测衍射光栅231形成在相等间距处分别具有0°、90°、180°和270°的空间相位关系的a相位、b相位、ab相位和bb相位的相位光栅。在下文中，将相位检测接收单元222分别称为接收单元222A、222B、222AB和222BB。在姿态监控接收单元223中，在Y轴的正向上布置的单元用223Z表示，而在Y轴的负向上布置的单元用223ZB表示。姿态监控接收单元223Z、223ZB也用作零点检测单元。

图4是示出本发明第一实施例的光编码器的探头2的附装姿态的视图。在说明中，探头2相对于标尺1的相对移动方向表示为X方向(测量轴方向)，平行于标尺1表面并垂直于X方向的方向表示为Y方向，以及垂直于X方向和Y方向的方向，即，垂直于标尺1表面的方向，表示为Z方向。在X-Z平面中标尺1和探头2之间的倾角表示为俯仰方向，在Y-Z平面中倾角表示为滚转方向，而在X-Y平面中倾角表示为偏转方向。

下面，将描述光编码器的信号处理设备4。图5是示出本发明第一实施例的光编码器的信号处理设备4的结构的框图。

例如，信号处理设备4具有作为光源光纤211的基端部经由光学系统7所连接到的光源的LD 6。LD 6由LD驱动单元5驱动，以发射相干光。经由光学系统7将相干光引导至光源光纤211的纤芯(core)，然后从光源单元21向着标尺1照射该相干光。

信号处理设备4还具有接收光纤221的基端部所连接到的六个光接收元件8。六个光接收元件8分别输出具有0°、90°、180°和270°相位的相位信号Sa、Sab、Sb、Sbb、以及姿态监控信号Sz、Szb。将相位信号Sa、Sab、Sb、Sbb输入到相位检测电路40和俯仰检测电路60，而将姿态监控信号Sz、Szb输入到滚转检测电路50，其也具有检测原点的功能。相位检测电路40对相位信号Sa、Sab、Sb、Sbb执行算术处理，以输出正交差分信号A、B，其表示探头2相对于标尺1的位移。俯仰检测电路60对相位信号Sa、Sab、Sb、Sbb执行算术处理，以输出俯仰方向的姿态监控信号MP。滚转检测电路50对姿态监控信号Sz、Szb执行算术处理，以输出滚转方向的姿态监控信号MR，或者输出对应于原点位置的原点信号。AGC/偏转检测电路70对从相位检测电路40输出的正交差分信号A、B执行算术处理，以输出归一化的正交差分信号VA、VB、以及作为偏转方向的姿态监控信号MY的正交差分信号A、B的李萨如半径R、或者该李萨如半径的平方值R²。

图6是示出相位检测电路40的结构的电路图。

相位检测电路40具有电流/电压转换单元41、三相信号产生单元42以及正交差分信号产生单元43。

电流/电压转换单元41由电流/电压转换电路41A、41B、41AB、41BB构成。将相位信号Sa、Sb、Sab、Sbb分别提供给所述电路。三相信号产生单元42由差分放大电路42A到42C构成。

差分放大电路42A放大相位信号Sa、Sab之间的差，并输出第一差分信号DSa。第一差分信号DSa通过在具有0度相位的相位信号Sa和具有180度相位的相位信号Sab之间取差而获得。当相位信号Sa、Sab之间没有相位偏差时，第一差分信号DSa是具有与基准相位相同的0度相位的信号。

同样地，差分放大电路42B放大相位信号Sb、Sbb之间的差，并输出第二差分信号DSb。第二差分信号DSb通过在具有90度相位的相位信号Sb和具有270度相位的相位信号Sbb之间取差而获得。当相位信号Sb、Sbb之间没有相位偏差时，第二差分信号DSb是相对于基准相位具有90度相位的信号。

以与差分放大电路42B相同的方式，差分放大电路42C放大相位信号Sb、Sbb之间的差，并且输出反转差分信号DSc。获得反转差分信号DSc作为在相位上与第二差分信号DSb相差180度的反转差分信号。即，反转差分信号DSc是相对于基准相位具有270度(即，-90度)相位差的信号。由上所述，在三相信号产生单元42中获得的三相差分信号DSa、DSb、DSc相对于彼此具有90度相位差。

正交差分信号产生单元43具有差分放大电路43A、43B以及增益调整单元44，增益调整单元44调整它们的输出的增益。将第一差分信号DSa和第二差分信号DSb输入到差分放大电路43A。差分放大电路43A执行对两个输入信号DSa、DSb的矢量合成，以产生A相信号。由于具有0度相位的信号DSa和具有90度相位的信号DSb被进行矢量合成，所以A相信号是相对于基准相位具有45度相位差的信号。

同样地，将第一差分信号DSa和反转差分信号DSc输入到差分放大电路43B。差分放大电路43B执行对两个输入信号DSa、DSc的矢量合成，以产生B相信号。与A相信号同样地，由于具有0度相位的信号DSa和具有270度(-90度)相位的信号DSc被进行矢量合成，所以B相信号是相对于基准相位具有315度(即，-45度)相位差的信号。以这种方式，所获得的A相和B相信号具有90度的相位差。

图7是示出滚转(和原点)检测电路50的结构的电路图。滚转检测电路50包括电流/电压转换电路51和差分放大电路52。电流/电压转换电路51A、51B分别放大从由姿态监控接收单元223Z、223ZB接收的光接收信号获得的姿态监控信号Sz、Szb。差分放大电路52放大经放大的姿态监控信号Sz、Szb之间的差。因此，当姿态监控信号Sz、Szb的强度彼此相等时(在原点以外的位置处)，没有信号从差分放大电路52中输出。在此结构中，在探头2在滚转方向上旋转的情况下，在姿态监控接收单元223Z和标尺1之间的距离、与姿态监控接收单元223ZB和标尺1之间的距离之间存在差，并因此在姿态监控信号Sz、Szb之间产生强度差。因此，差分放大电路52输出对应于探头2在滚转方向上的旋转角度的姿态监控信号MR。姿态监控窗口232具有大的宽度，并且姿态监控信号Sz、Szb具有独立于探头2与标尺1的光栅的相位关系的恒定输出值。因此，可以在不将探头2相对于标尺1移动的情况下检测到探头2在滚转方向上的旋转。

图8是示出俯仰检测电路60的结构的电路图。俯仰检测电路60包括加法电路61A、61B和差分放大电路62。加法电路61A接收相位信号Sa、Sab并将信号相加到一起。加法电路61B接收相位信号Sb、Sbb并将信号相加到一起。差分放大电路62放大加法电路61A的输出与加法电路61B的输出之间的差，并输出俯仰方向的姿态监控信号MP。

在该结构中，相位信号Sa、Sab的相位彼此相反，并且因此从加法电路61A输出DC电流。同样地，也从加法电路61B输出DC电流。因此，在相位信号Sa、Sab的总和等于相位信号Sb、Sbb的总和的情况下，没有信号从差分放大电路62中输出。在所述实施例中，将接收单元222A、222AB布置在从光源单元21观察的-X方向上，而将接收单元222B、222BB布置在从光源单元21观察的X方向上。因此，当产生俯仰方向上的旋转时，在加法电路61A的输出和加法电路61B的输出之间，输出对应于俯仰方向上的旋转角度的DC电流。并且，在这种情况下，不需要改变(移动)探头2和标尺1之间的位置关系。

下面，将描述AGC/偏转检测电路70。图9是示出AGC/偏转检测电路70的结构的电路图。AGC/偏转检测电路70包括信号平方块71、72、加法电路73、平方根计算块74、除法电路75、77、以及放大电路76、78。将在相位检测电路40中产生的正交差分信号A输入到信号平方块71。同样地，将正交差分信号B输入到信号平方块72。信号平方块71、72的输出信号由加法电路73相加到一起。结果，获得正交差分信号A、B的李萨如半径的平方值R²。所述平方值通过平方根计算块74转换为平方根，由此获得正交差分信号A、B的李萨如半径R。将李萨如半径R或其平方值R²作为偏转方向的姿态监控信号MR而输出。在除法电路75中，正交差分信号A通过李萨如半径R而归一化、由放大电路76放大、并作为归一化的正交差分信号VA输出。在除法电路77中，同样地，正交差分信号B通过李萨如半径R而归一化、由放大电路78放大、并作为归一化的正交差分信号VB输出。

在所述结构中，当探头2在偏转方向上旋转时，由接收单元22接收的信号劣化，而且李萨如半径缩小。该实施例的光编码器检测到由于探头2在偏转方向上的旋转而导致的李萨如半径的缩小，并检测到偏转旋转角度θyaw。在所述结构中，可以调整偏转方向上的旋转，使得李萨如半径的大小具有最大值，或者，可以通过预先在最佳对准状态下检测李萨如半径的大小、将检测到的大小设定为基准值、并将所获得的李萨如半径与基准值相比较，来调整偏转旋转角度θyaw。

图10示出根据探头2在偏转方向上的旋转缩小李萨如半径的方式。图10是示出偏转方向上的旋转角度和李萨如半径的大小之间的关系的曲线图。在该图中，纵坐标表示李萨如半径的大小，而横坐标表示偏转方向上的旋转角度。图10示出在标尺1和探头2之间的距离h为200μm、而标尺1的光栅和相位检测衍射光栅231的间距P为4μm、接收单元22的中心到中心的距离为200μm、以及探头2在偏转方向上围绕光源单元21旋转的情况下的仿真结果。

当标尺周期用P表示、由于衍射干扰而导致的信号周期用P/2表示、并且初始相位为Φ时，在长度测量位置x上的A相信号的强度I_A和B相信号的强度I_B如下表示：

[表达式1]

$I_A\left(X\right)=F\left(\mathrm{\θyaw}\right)\sin (2\mathrm{\πx}\·\frac{2}{P}+\mathrm{\Φ})$

[表达式2]

$I_B\left(X\right)=F\left(\mathrm{\θyaw}\right)\cos (2\mathrm{\πx}\·\frac{2}{P}+\mathrm{\Φ})$

其中F(θyaw)表示信号振幅，而且可以以如下方式表达：

[表达式3]

F(θyaw)＝H(θyaw)·G(θyaw)

其中H(θyaw)表示由于探头2在偏转方向上的旋转而导致的每个接收单元的信号强度的劣化，并取决于标尺1和探头2之间的距离h、以及干涉条纹周期P，而G(θyaw)表示相反相位的差分信号的信号强度的劣化，并取决于从被设计为接收相反相位的相位信号S的接收单元(例如接收单元222A、222AB、或者接收单元222B、222BB)的组合检测到的相位信号S的相位差。

由图10可见，当偏转方向上的旋转角度越大时，李萨如半径R的大小就越减小。具体地，当偏转旋转角度由0.1°增加到0.3°时，李萨如半径R的大小减小到约四分之一。在偏转旋转角度从0.0°到0.1°的范围内，李萨如半径R的变化相对较小，但作为信号足够大，并因此可以用作姿态监控信号MY。

根据所述结构，当探头2在偏转方向上旋转而在测量轴的方向上不相对移动标尺1和探头2时，检测到姿态监控信号MY的最大值，从而使得能够执行偏转方向上的失准调整。

[第二实施例]

在第一实施例中，将正交差分信号A、B的李萨如半径R或者该半径的平方值R²用作偏转方向的姿态监控信号MY。例如，在第二实施例中，李萨如半径R近似于特征函数，并且使用所述特征函数的反函数或微分函数。这可以改善调整分辨率。

例如，如图10所示，在旋转角度和李萨如半径的大小之间的关系可以被高斯近似。因此，当使用反函数的对数时，改善了偏转旋转角度在0.0°附近(最佳对准附近)区域中的调整分辨率。

因此，如图11所示，在AGC/偏转检测电路70中布置对李萨如半径R执行反函数转换的反函数转换块79，并且将该块的输出设定为偏转方向的姿态监控信号MY’。当通过使用姿态监控信号MY’调整偏转旋转时，使得调整工作更方便。

在下文中，将对数转换作为反函数转换的例子，将描述实施例中的调整工作。在该例子中，用以下方式计算MY’。即，获得如图10所示的偏转旋转角度θ和李萨如半径的大小之间的关系。下面，对特征执行归一化，并且将特征的最大值设定为1。归一化半径的大小用y(θ)表示，并且执行下面的计算。

[表达式4]

$Y\left(\mathrm{\θ}\right)=\sqrt{\frac{\log \left\{y\left(\mathrm{\θ}\right)\right\}}{-2}}$

[表达式5]

MY’＝[允许水平值]-Y(θ)

图12示出偏转旋转角度θ和通过使用以上表达式4和表达式5计算出的MY’之间的关系。设定图12的例子以使MY’在预定的对准允许范围内具有正值。在该结构中，如图12所示，MY’在偏转旋转角度在0°附近的范围内也均匀地改变，并且因此可以执行对偏转旋转角度的更精确检测和容易的调整工作。

与在确定正交差分信号A、B的平方值R²的调整方法中不同，在设定对准允许区域、并接着判定姿态是否在该对准允许区域内(如同在该实施例中)的调整方法中，必须对李萨如半径执行归一化。这是因为，当不对李萨如半径执行归一化时，对准允许区域根据接收单元22的大小、以及光源单元21和标尺1之间的距离而改变。

在这种情况下，在滚转调整和俯仰调整(可首先执行其中的任一个)结束以后，可以在最后的步骤中执行偏转调整。

[第三实施例]

图13是示出用微型计算机或PC通过软件实现算术处理的例子的图。

即，信号处理设备4包括A/D转换单元80和计算电路90，代替相位检测电路40、俯仰检测电路60、滚转检测电路50和AGC/偏转检测电路70。计算电路90连接到外部PC 10。

A/D转换单元80将相位信号Sa、Sab、Sb、Sbb、以及姿态监控信号Sz、Szb转换为数字信号，并将数字信号提供给计算电路90。计算电路90从转换至数字信号的相位信号和姿态监控信号计算正交差分信号A、B、姿态监控信号MP、MR、归一化的正交差分信号VA、VB、李萨如半径R等，并将它们提供给PC 10。可选地，相位信号和姿态监控信号可以直接发送到PC10，而且PC 10可以计算姿态监控信号等。

在所述实施例中，通过软件实现算术处理。因此，关于在信号处理设备4中使用微型计算机的光编码器、或者将相位信号和姿态监控信号提供给PC10的光编码器，这样的软件可以通过固件等来安装。可以非常经济地提供容易地执行探头的失准检测和失准调整的光编码器。

Claims (5)

1.光编码器，包括：

标尺，具有在测量轴方向上以预定间距形成的衍射光栅；

探头，能够相对于所述标尺而相对移动，所述探头包括用光照射所述标尺的光源单元、以及接收以不同相位由所述标尺的衍射光栅反射或通过所述标尺的衍射光栅透射的光的多个接收单元；以及

信号处理设备，对从所述探头的接收单元输出的光接收信号执行信号处理，以产生正交差分信号，其中

所述信号处理设备计算对应于所述正交差分信号的李萨如半径的姿态监控信号，以便检测所述探头相对于所述标尺的失准。

2.如权利要求1所述的光编码器，其中

所述多个接收单元是分别置于以所述光源单元为中心的左上、右上、左下和右下位置的四个接收单元，所述四个接收单元接收由所述标尺的在空间相位上彼此相差90°的衍射光栅反射或者通过所述标尺的在空间相位上彼此相差90°的衍射光栅透射的光，以及

所述信号处理设备对从所述四个接收单元输出的光接收信号执行算术处理，以产生所述正交差分信号。

3.如权利要求1或2所述的光编码器，其中

所述信号处理设备使所述李萨如半径或者所述李萨如半径的平方值近似于特征函数，并且获得所述特征函数的反函数或微分函数作为监控信号。

4.调整如权利要求1或2所述的光编码器的探头的失准的方法，包括：

调整所述探头在偏转方向上相对于所述标尺的失准，使得监控信号具有最大值，所述监控信号是从所述信号处理设备输出的正交差分信号的李萨如半径、或者所述李萨如半径的平方值。

5.调整如权利要求3所述的光编码器的探头的失准的方法，包括：

调整所述探头在偏转方向上相对于所述标尺的失准，使得所述监控信号在允许范围之内。

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