CN103487075A - 光学编码器及其透镜固定机构 - Google Patents

Abstract

光学编码器及其透镜固定机构。光学编码器包括检测头（20）。检测头包括：光学系统，其包括透镜（22、24）和光圈板（28），透镜包括与透镜一体形成的一对凸起（22A、24A），该对凸起布置成透镜的光轴在该对突起之间，光圈板具有一对基准销插入孔（28A、28B），该对基准销插入孔布置成光圈开口在该对基准销插入孔之间；壳体（26），包括一对安装部（26D）并具有布置在中心对称面（P1）上的一对透镜凸起插入孔（26A、26B）和一对基准销插入孔（26C）；透镜保持件（30），具有配置在中心对称面上的一对透镜凸起插入孔和一对基准销插入孔；一对基准销（32），用于使透镜保持件和光圈板相对于壳体定位。以凸起和基准销为基准调整光学系统的光轴。

Description

光学编码器及其透镜固定机构

技术领域

本发明涉及一种光学编码器并且涉及一种光学编码器的透镜固定机构。特别地，本发明涉及的光学编码器通过使用包括光圈板和多个透镜的成像光学系统在光接收元件上形成轨道的像来检测标尺上的轨道，本发明涉及的透镜固定机构优选地用于这种光学编码器。

背景技术

图1示出了光学编码器的示例，该光学编码器包括具有成像光学系统（imaging optics）的检测头1。光学系统在光接收元件4上形成标尺（scale）2的像3。特别地，日本特开2011-13093号公报和特开2011-59055号公报均说明了包括双远心光学系统的光学编码器，在该双远心光学系统中，透镜5、6配置在光圈板（aperture plate）7的两侧。该编码器具有如下优点：由于标尺2和前侧的透镜5之间的间隙以及后侧的透镜6和光接收元件4之间的间隙的变化导致的像的失真小。在图1中，箭头X指标尺的纵向，箭头Z指光轴方向。

在具有双轨标尺的光学编码器中，可以平行配置一对相同的光学系统。在这种情况中，如日本特开2012-32295号公报和特开2008-3014号公报所述，使用透镜阵列以便减小光学编码器的尺寸并且简化光学编码器的组件。为了减少透镜的数量并且通过仅使用两个透镜来消除光学像差，使用非球面透镜。图2是包括双远心光学系统的光学编码器的示意图，该双远心光学系统包括双轨标尺12、入射侧透镜阵列13和出射侧透镜阵列14。在图2中，箭头X指标尺的纵向，箭头Y指横向。如日本特开2008-3421号公报和特开2008-3466号公报所述，优选地将塑料用作小型高精度非球面透镜的材料。在下文中，将假定透镜是由塑料制成的。

为了达到所需的光学特性，必须以大约百微米的相对位置精度装配这些光学元件。

然而，在具有双轨标尺的光学编码器中，为了通过使用配置在一个检测头中的两个独立的光学系统检测双轨标尺的每一条轨道，必须使得双轨标尺12的在横向（Y方向）上的轴线与连接两个光学系统的光轴的线彼此高精度地平行。平行的偏离（偏移）导致了增量式编码器的信号检测效率的降低并且引起了两条轨道之间的位置误差（轨道间误差）。

在图3A和图3B中示出的双远心光学系统中，需要将两个透镜的焦点高精度地定位在光圈板7处，并且必须将入射侧透镜阵列13高精度地固定到检测头的金属壳体15。

可以通过使用包括如下步骤的方法将透镜阵列13、14固定到壳体15：例如，凸起13A、14A以位于连接透镜阵列13、14的光轴的线上的方式形成于透镜阵列13、14，将粘接剂涂覆到凸起13A、14A，并且将凸起13A、14A插入到壳体15的凸起插入孔15A中。利用这种方法，如日本特开2004-93556号公报所建议的，能够通过使用单个模具使透镜（5或6）的面与凸起13A或14A一体地形成，使得能够以高精度简单地制造光学系统。图3A是示出了入射侧透镜阵列13和壳体15彼此接合的示意性截面图。

然而，当周围温度变化时，因为透镜阵列13、14的塑料材料的线性膨胀系数（大约60×10^-6mK^-1）是壳体15的诸如铝等的金属材料的线性膨胀系数（铝的线性膨胀系数是23×10^-6mK^-1）的三倍左右，所以如图3B所示应力被施加到入射侧透镜阵列13的粘接面13B。另外，因为在入射侧透镜阵列13的与粘接面13B相反的侧面没有产生应力，所以入射侧透镜阵列13受到由箭头A表示的弯曲力。结果，入射侧透镜阵列13的透镜5的面如虚线所示地产生变形，由此导致了像对比度的减小或者失真，这可能导致编码信号的效率的降低以及精度的降低。出射侧透镜阵列14也是一样的。

日本特开2008-3466号公报说明了通过使用金属板对塑料透镜进行机械限制来减小由于温度变化导致的透镜曲率的变化的技术。然而，该技术不够充分有效。

发明内容

因此，本发明的目的在于方便光学编码器的检测头的光学元件的装配，增加光学元件的装配精度，并且增加光学编码器的针对温度变化的性能稳定性。

根据本发明的第一方面，提供一种光学编码器，其包括具有轨道的标尺和用于检测轨道的检测头。检测头包括成像光学系统、壳体、透镜保持件、一对基准销和光接收元件。成像光学系统包括透镜和光圈板。透镜包括与透镜一体形成的一对凸起，一对凸起被布置成透镜的光轴在一对凸起之间。光圈板具有一对基准销插入孔，一对基准销插入孔被布置成光圈开口在一对基准销插入孔之间。壳体具有布置在中心对称面上的一对透镜凸起插入孔和一对基准销插入孔，壳体包括彼此对称地布置的一对安装部。透镜保持件具有配置在中心对称面上的一对透镜凸起插入孔和一对基准销插入孔。基准销使透镜保持件和光圈板相对于壳体定位。成像光学系统在光接收元件上形成轨道的像。以凸起和基准销为基准调整成像光学系统的光轴。

在光学编码器中，可以设置多条轨道，并且透镜可以是包括以与轨道对应的方式平行配置的多个透镜的透镜阵列。

在光学编码器中，透镜的固定面可以配置在将透镜的体积二等分的面上，其中，透镜在固定面处固定到壳体或者固定到透镜保持件。

根据本发明的第二方面，提供一种光学编码器的透镜固定机构，其包括透镜，透镜具有固定面，其中，透镜在固定面处固定到壳体或者固定到透镜保持件。固定面布置在将透镜的体积二等分的面上。

利用本发明，相对于在透镜保持件中和在壳体中形成的凸起插入孔，将透镜和光圈板装配在一起，使得光学系统能够容易地以高精度装配。通过使用例如塑料作为透镜的材料，透镜面和凸起能够容易地彼此一体形成，使得能够提高透镜面和凸起的位置和尺寸的精度。另外，通过将透镜直接地安装到壳体，能够相对于光学系统的位置高精度地调整壳体的机械基准面的位置。因此，能够降低外部设备的用于安装光学编码器的基准面所需的精度水平。另外，因为壳体中的凸起插入孔、透镜的凸起和光圈板中的凸起插入孔配置在壳体的中心对称面上，即使在由于温度变化而产生光学元件的膨胀和收缩的情况下，原则上也不会产生壳体、透镜和光圈板在X轴方向上的偏移并且光轴和轨道上的测量点之间的距离不会改变。因此，能够稳定地进行位置检测。

在透镜的使透镜被安装到壳体或者透镜保持件的固定面被布置在将透镜的体积二等分的面上的情况中，能够减少由于温度变化导致的透镜面的变形并且利用简单的低成本结构抑制了像的失真，由此能够抑制由于温度变化导致的编码信号的输出的降低。

附图说明

图1是示出现有的双远心光学系统的示意性光路图；

图2是包括双轨标尺和双远心光学系统的现有的光学编码器的示意性分解立体图；

图3A和图3B是示出现有的光学编码器的透镜阵列与壳体接合的部分的示意性截面图；

图4是根据本发明的第一实施方式的光学编码器的示意性立体图；并且

图5是示出根据第一实施方式的光学编码器的透镜阵列与壳体接合的部分的示意性截面图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图说明本发明的实施方式。

图4是根据本发明的第一实施方式的光学编码器的检测头的示意性立体图。为了简单起见，省略了盖、螺丝等。

如图4所示，根据本实施方式的光学编码器通过如下方式来检测双轨标尺12上的轨道：通过使用包括透镜和光圈板的成像光学系统在光学接收元件4上形成轨道的像。光学编码器包括检测头20，检测头20包括入射侧透镜阵列22、出射侧透镜阵列24、壳体26、光圈板28、透镜保持件30和一对基准销32。入射侧透镜阵列22和出射侧透镜阵列24由例如塑料制成。入射侧透镜阵列22和出射侧透镜阵列24分别包括一对凸起22A和一对凸起24A，凸起22A与入射侧透镜阵列22一体形成，凸起24A与出射侧透镜阵列24一体形成，并且凸起22A和凸起24A配置在将两个光轴彼此连接的中心线上。壳体26具有：供入射侧透镜阵列22的凸起22A插入的凸起插入孔26A和长孔26B（在下文中，统称为凸起插入孔）；以及一对基准销插入孔26C。孔26A、26B、26C配置在中心对称面P1上。壳体26包括彼此对称配置的一对安装部26D。光圈板28具有一对基准销插入孔28A、28B，在一对基准销插入孔28A、28B之间配置一对光圈开口。透镜保持件30具有：供出射侧透镜阵列24的凸起24A插入的凸起插入孔30A和长孔30B（在下文中，统称为凸起插入孔）；以及供基准销32插入的基准销插入孔30C和长孔30D（在下文中，统称为“基准销插入孔”）。孔30A、30B、30C、30D配置在中心对称面P1上。基准销32用于使透镜保持件30和光圈板28相对于壳体26定位。以凸起22A、24A和基准销32为基准调整成像光学系统的光轴。

具体地，检测头20包括光学系统、壳体26、透镜保持件30和光传感器基板34，上述光学系统包括入射侧透镜阵列22、出射侧透镜阵列24和光圈板28。

在壳体26中，凸起插入孔26A、26B配置在中心对称面P1上，中心对称面P1在X方向上将壳体26二等分。

入射侧透镜阵列22和出射侧透镜阵列24具有相同的形状并且都具有两个光轴。上述两对凸起22A、24A在连接两个光轴的中心线上布置在透镜阵列22、24的端部。透镜阵列22、24均由塑料制成，并且凸起22A、24A与透镜阵列22、24一体形成。通过将凸起22A插入到壳体26的凸起插入孔26A、26B中将入射侧透镜阵列22和壳体26装配到一起。

在壳体26的布置光圈板28的面中，上述一对基准销插入孔26C形成在中心对称面P1上，并且基准销32插入到基准销插入孔26C中。上述一对光圈开口形成在光圈板28中。基准销插入孔28A、28B以配置在将光圈开口的光轴彼此连接的中心对称线上的方式形成在光圈板28中。光圈板28相对于基准销32定位。

基准销插入孔30C、30D形成在透镜保持件30中。基准销32插入到基准销插入孔30C、30D中。

出射侧透镜阵列24包括凸起24A。通过将凸起24A插入到透镜保持件30的凸起插入孔30A、30B中而将出射侧透镜阵列24和透镜保持件30装配到一起。

光传感器基板34安装到壳体26。

检测头20的整体以使得外部设备的基准面的位置相对于壳体26的安装部26D能够进行适当调整的方式安装到外部设备（未示出）。

图5示出了使用根据第一实施方式的透镜固定机构将入射侧透镜阵列22固定到壳体26的示例。如上所述，设置具有凸起插入孔26A、26B的检测头的壳体26和与凸起22A一体形成的入射侧透镜阵列22。壳体26由铝制成，并且入射侧透镜阵列22由塑料制成并且具有板状形状。入射侧透镜阵列22在其两侧具有入射侧透镜面22B和出射侧透镜面22C。入射侧透镜阵列22的凸起22A配置在连接透镜的光轴的线上。

区域22D被限定为入射侧透镜阵列22的位于上下粘接面23之间且不包括粘接面23的部分。面P2被限定为将区域22D的体积二等分的面。

与图3A和图3B中示出的现有结构相比，粘接面23的位置移位为使得粘接面23位于入射侧透镜面22B和出射侧透镜面22C之间并且位于体积二等分面P2上。

通过将粘合剂涂覆到壳体26中的凸起插入孔26A、26B并且将凸起22A插入到凸起插入孔26A、26B，将透镜固定到壳体26。

在壳体26和入射侧透镜阵列22彼此接合的状态下，当周围的温度变化时，因为塑料和金属的线性膨胀系数彼此不同，所以和在现有的结构中一样入射侧透镜阵列22受到来自粘接面23的应力。然而，因为粘接面23位于将入射侧透镜阵列22的体积二等分的体积二等分面P2上，所以入射侧透镜面22B上产生的应力和出射侧透镜面22C上产生的应力彼此抵消。因此，与现有结构相反，没有产生翘曲力，并且防止了透镜面的变形。

可以使用相同的结构将出射侧透镜阵列24固定到透镜保持件30。固定方法不限于粘接。

利用上述结构，能够以高精度简单地装配光学系统，并且能够抑制由光学系统导致的光学系统的偏移和轨道间误差。

即使由于周围温度变化导致部件膨胀或收缩时，因为光学元件的位置在沿X方向延伸的中心对称线上，所以不会发生光轴在X方向上的偏移。因此，当周围温度变化时，光轴和测量点之间的关系不会变化，因此能够稳定地进行位置测量。

此外，通过使用透镜阵列，能够高精度地调整两个光轴的位置，能够减少组件的数量，并且能够减小光学系统导致的轨道间误差。

在第一实施方式中，使用双轨标尺12。根据第二实施方式，光学编码器可以包括单轨标尺并且可以具有一个光轴。

根据第三实施方式，光学编码器可以包括具有三条或更多轨道的标尺，以代替双轨标尺12，并且可以具有三个或更多光轴。

在第一实施方式中，光学系统是双远心光学系统。然而，光学系统不限于双远心光学系统。

在第一实施方式中，入射侧透镜阵列22固定到壳体26，并且出射侧透镜阵列24固定到透镜保持件30。相反地，入射侧透镜阵列22可以固定到透镜保持件30，并且出射侧透镜阵列24可以固定到壳体26。

透镜的材料不限于塑料，只要凸起能够与透镜一体形成，可以将玻璃用作透镜的材料。

Claims (4)

1.一种光学编码器，其包括具有轨道的标尺和用于检测所述轨道的检测头，其特征在于，所述光学编码器包括：

成像光学系统，其包括：

透镜，其包括与所述透镜一体形成的一对凸起，所述一对凸起被布置成所述透镜的光轴在所述一对凸起之间，以及

光圈板，其具有一对基准销插入孔，所述一对基准销插入孔被布置成光圈开口在所述一对基准销插入孔之间；

壳体，其具有布置在中心对称面上的一对透镜凸起插入孔和一对基准销插入孔，所述壳体包括彼此对称地布置的一对安装部；

透镜保持件，其具有布置在所述中心对称面上的一对透镜凸起插入孔和一对基准销插入孔；

一对基准销，其用于使所述透镜保持件和所述光圈板相对于所述壳体定位；以及

光接收元件，所述成像光学系统在所述光接收元件上形成所述轨道的像，

其中，以所述凸起和所述基准销为基准调整所述成像光学系统的光轴。

2.根据权利要求1所述的光学编码器，其特征在于，

设置多条所述轨道，并且所述透镜是包括以与所述轨道对应的方式平行配置的多个透镜的透镜阵列。

3.根据权利要求1或2所述的光学编码器，其特征在于，

所述透镜的固定面布置在将所述透镜的体积二等分的面上，其中，所述透镜在所述固定面处固定到所述壳体或者固定到所述透镜保持件。

4.一种光学编码器的透镜固定机构，所述机构包括：

透镜，其具有固定面，其中，所述透镜在所述固定面处固定到壳体或者固定到透镜保持件，

其中，所述固定面布置在将所述透镜的体积二等分的面上。

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