CN106248124B - 光学编码器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学编码器，其中，标尺(140)包括以周期P形成的标尺光栅。光源光栅(120)包括以周期2P形成的光栅，该光源光栅(120)配置在光源(110)和标尺(140)之间。干涉条纹检测部件(150)被配置为能够以周期P来检测干涉条纹的明部，其中该干涉条纹是通过光源光栅(120)和标尺(140)所生成的。干涉条纹检测部件(150)检测由来自标尺(140)的光所形成的第一干涉条纹和由来自标尺(140)的光所形成的第二干涉条纹，其中第二干涉条纹的明部的位置相对于第一干涉条纹的明部的位置偏移了周期P的一半(即，P/2)。

Description

光学编码器
技术领域
本发明涉及一种光学编码器。
背景技术
已知有各种编码器作为用于检测两个相对移动的组件之间的相对移位的装置。例如，作为线性编码器的示例，提出了使用三光栅系统的光学编码器(日本特开昭63-33604)。
以下说明使用三光栅系统的光学编码器。图14是示出使用三光栅系统的光学编码器800的结构示例的立体图。光学编码器800包括标尺840和检测头870。检测头870在测量方向(X轴方向)上相对于标尺840移动。检测头870检测检测头870相对于标尺840的相对移动量。
标尺840配备有标尺光栅841。标尺光栅841包括透光部842和不透光部843。透光部842和不透光部843在测量方向(X轴方向)上以周期P(即，循环P)交替地配置。
检测头870包括光源110、光源光栅120和干涉条纹检测部件850。光源光栅120包括透光部121和不透光部122，并且光源光栅120配置在光源110的正下方。透光部121和不透光部122在测量方向(X轴方向)上以周期2P(即，循环2P)交替地配置。
干涉条纹检测部件850包括光接收光栅851和光电二极管852。光接收光栅851包括透光部853和不透光部854，并且光接收光栅851配置在光电二极管852的正上方。透光部853和不透光部854在测量方向(X轴方向)上以周期2P交替地配置。光电二极管852将穿过了光接收光栅851的光转换成电信号，并且基于该电信号的强度变化来检测检测头870的移动量。
在光学编码器800中，光源光栅120、标尺光栅841和光接收光栅851与用于实现三光栅系统的三种光栅相对应。光学编码器800被配置为使得光源光栅120和标尺840之间的间隙(G3)等于标尺840和光接收光栅851之间的间隙(G4)(即，G3＝G4)。
以下将简要说明光学编码器800中的标尺840的移动和利用三种光栅所形成的干涉条纹的外观。这里，参考图15～17来说明如下事实：每当标尺840在测量方向(X轴方向)上移动了周期P的一半(即，P/2)(以下称为“半个周期(P/2)”)时，由于三光栅系统而在信号强度出现峰值。
图15示意性地示出初始状态下的检测头870和标尺840的截面结构。图15示出沿着图14中的线XV-XV而截取的截面。图15示出：在初始状态下，光源光栅120的光栅没有与标尺光栅841的光栅对齐。换句话说，图15示出不存在可以使第0次光通过光源光栅120和标尺光栅841这两者的透光部所经由的路径的状态。由于光接收光栅851被配置成使得光接收光栅851的光栅与光源光栅120的光栅对齐，因此在图15所示的状态下，标尺光栅841的光栅没有与光源光栅120和光接收光栅851的光栅对齐。
在图15中，为了将透光部和不透光部彼此区分开，将符号121A和121B从左侧开始按顺序添加至光源光栅120的多个透光部121，并且将符号122A～122C从左侧开始按顺序添加至光源光栅120的多个不透光部122。此外，将符号842A～842E从左侧开始按顺序添加至标尺光栅841的多个透光部842，并且将符号843A～843F从左侧开始按顺序添加至标尺光栅841的多个不透光部843。此外，将符号853A和853B从左侧开始按顺序添加至光接收光栅851的多个透光部853，并且将符号854A～854C从左侧开始按顺序添加至光接收光栅851的多个不透光部854。注意，为了使附图清楚，在不透光部122A～122C、843A～843F以及854A～854C中添加了阴影。
在图15所示的状态下，通过穿过光源光栅120和标尺光栅841的透光部并且光路长度彼此相等的光线之间的干涉，在光电二极管852上形成干涉条纹的明部。例如，行进通过路径“121A->842B->853A”的光的光路长度与行进通过路径“121A->842C->853A”的光的光路长度相等。因此，在光接收光栅851的透光部853A上形成干涉条纹的明部。
如上所述，可以理解，在图15所示的状态下，穿过了光源光栅120和标尺光栅841的光在光接收光栅851上形成以周期P为间隔出现明部的干涉条纹IP8。在该状态下，在光电二极管852所输出的检测信号中产生峰值。
接着，检查标尺光栅841从图15所示的状态起逐渐向右移动的情况。在该处理中，干涉条纹也随着标尺光栅841的移动而逐渐改变其位置。在干涉条纹的明部的位置相对于光接收光栅851的透光部853逐渐偏移的情况下，从光电二极管852输出的检测信号的信号强度逐渐降低。
图16示意性地示出在图15所示的状态之后的状态下的检测头870和标尺840的截面结构。与图15相同。图16示出沿着图14的线XV-XV而截取的截面。检查如图16所示在标尺840随后移动了周期P之后的状态。如从图16的光线的轨迹可以理解，例如，进行通过路径“121A->842A->853A”的光(以下称为“光线81”)的光路长度与行进通过路径“121A->842C->853A”的光(以下称为“光线82”)的光路长度相等。然而，行进通过路径“121A->842B->853A”的光的光路长度与光线81和光线82的光路长度不同。因此，在透光部853A上没有形成干涉条纹的明部。
如上所述，可以理解，在图16所示的状态下，穿过光源光栅120和标尺光栅841的光没有形成干涉条纹。在该状态下，在从光电二极管852输出的检测信号中没有产生峰值。
不必说，在标尺光栅841进一步移动了周期P的情况下，光学编码器具有与图15所示的状态相同的状态。因此，在这种情况下，形成与图15所示的状态下的干涉条纹相同的干涉条纹。
图17示出由于标尺光栅841的移动而引起的检测信号的变化。可以理解，每当标尺光栅841移动了周期P时，在检测信号产生峰值。即，即使在将光源光栅120和光接收光栅851的周期设置成作为标尺光栅841的周期P的2倍的周期2P的情况下，光学编码器也可以具有周期P的检测分辨率。这是使用三光栅系统的编码器的显著优点。
此外，在使用三光栅系统的编码器中，信号强度按照特定周期以重复方式发生变化(即，每当标尺光栅841移动周期P时发生变化)。因此，可以进行如下插值：将一个信号周期(即，一个信号循环)进一步分割成多个区间以利用比该信号周期(周期P)更短的周期来精确地检测标尺光栅841的移位。不必说，与在针对作为周期P的2倍的周期2P进行插值的情况下的分辨率相比，在针对周期P进行插值的情况下可以将分辨率提高为2倍。
发明内容
本发明人发现了如下问题。如上所述，每当由于三光栅系统而使标尺光栅841移动周期P时，在检测信号产生峰值。通常，基于使用均具有周期P的光源光栅、标尺光栅和光接收光栅的三光栅系统的编码器能够提供每当标尺光栅移动周期P/2时产生峰值的检测信号。与此相对，将如上所述的光学编码器800的光源光栅和光接收光栅的周期设置成作为周期P的2倍的周期2P，以使得能够缓和(即降低)光学编码器800所需的制造精度，从而使光学编码器800的制造更容易。然而，由此，检测分辨率从P/2降低成P。因此，即使在针对检测信号进行插值的情况下，检测精度也降低。
有鉴于上述情形而做出本发明，并且本发明的目的是提供一种光学编码器，该光学编码器的检测分辨率相当于与周期为P的光栅标尺的相对移动相对应的周期P的一半(即，P/2)，并且该光学编码器能够容易地被制造。
本发明的第一典型方面是一种光学编码器，其包括：光源，用于发出光；标尺，其包括以预定周期所形成的标尺光栅；光源光栅，其包括以所述预定周期的两倍的周期所形成的光栅，其中所述光源光栅配置在所述光源和所述标尺之间；以及干涉条纹检测部件，其被配置为能够以所述预定周期来检测干涉条纹的明部，其中所述干涉条纹是通过所述光源光栅和所述标尺所生成的，其中，所述干涉条纹检测部件检测由来自所述标尺的光所形成的第一干涉条纹和由来自所述标尺的光所形成的第二干涉条纹，其中所述第二干涉条纹的明部的位置相对于所述第一干涉条纹的明部的位置偏移了所述预定周期的一半。
本发明的第二典型方面是上述的编码器，其中，所述标尺包括以所述预定周期所形成的至少两个标尺光栅，以及所述至少两个标尺光栅并排配置，并且邻接的标尺光栅彼此偏移了所述预定周期的一半。
本发明的第三典型方面是上述的编码器，其中，所述标尺包括偶数个标尺光栅。
本发明的第四典型方面是上述的编码器，其中，配置有所述至少两个标尺光栅的区域的宽度比所述光源光栅的宽度短，其中各宽度是并排配置所述至少两个标尺光栅的方向上的宽度。
本发明的第五典型方面是上述的编码器，其中，所述光源光栅包括以所述预定周期的两倍的周期所形成的至少两个光栅，以及所述至少两个光栅并排配置，并且邻接的光栅彼此偏移了所述预定周期。
本发明的第六典型方面是上述的编码器，其中，所述光源光栅包括偶数个光栅。
本发明的第七典型方面是上述的编码器，其中，所述干涉条纹检测部件检测所述第一干涉条纹和所述第二干涉条纹合成得到的干涉条纹。
本发明的第八典型方面是上述的编码器，其中，所述干涉条纹检测部件包括：光接收光栅，其包括以所述预定周期所形成的光栅；以及光接收部件，用于检测穿过了所述光接收光栅的光。
本发明的第九典型方面是一种光学编码器，其包括：光源，用于发出光；标尺，其包括X轴方向上以第一周期并且Y轴方向上以第二周期在预定平面上所形成的交错图案光栅，其中所述X轴方向与所述预定平面平行，所述Y轴方向与所述预定平面平行并且与所述X轴方向交叉；X轴方向光源光栅，其包括所述X轴方向上以所述第一周期的两倍的周期所形成的光栅，其中所述X轴方向光源光栅配置在所述光源和所述标尺之间；Y轴方向光源光栅，其包括所述Y轴方向上以所述第二周期的两倍的周期所形成的光栅，其中所述Y轴方向光源光栅配置在所述光源和所述标尺之间；X轴方向干涉条纹检测部件，其被配置为能够以所述第一周期来检测通过所述X轴方向光源光栅和所述标尺所生成的干涉条纹的明部；以及Y轴方向干涉条纹检测部件，其被配置为能够以所述第二周期来检测通过所述Y轴方向光源光栅和所述标尺所生成的干涉条纹的明部，其中，所述X轴方向干涉条纹检测部件检测由来自所述标尺的光所形成的第一干涉条纹和由来自所述标尺的光所形成的第二干涉条纹，其中所述第二干涉条纹的明部的位置相对于所述第一干涉条纹的明部的位置偏移了所述第一周期的一半，以及所述Y轴方向干涉条纹检测部件检测由来自所述标尺的光所形成的第三干涉条纹和由来自所述标尺的光所形成的第四干涉条纹，其中所述第四干涉条纹的明部的位置相对于所述第三干涉条纹的明部的位置偏移了所述第二周期的一半。
根据本发明，可以提供一种光学编码器，该光学编码器的检测分辨率相当于与周期为P的光栅标尺的相对移动相对应的周期P的一半(即，P/2)，并且该光学编码器能够容易地被制造。
通过这里及以下给出的详细说明、以及仅以例示方式给出的附图，本发明的上述及其它目的、特征及优点将能够更充分地被理解，而不会被考虑作为对本发明的限制。
附图说明
图1是示意性地示出根据第一典型实施例的光学编码器的结构的立体图；
图2是示意性地示出根据第一典型实施例的标尺的结构的顶视图；
图3示意性地示出在光源光栅、标尺和光接收光栅具有第一位置关系的情况下的检测头和标尺的截面结构；
图4示意性地示出在光源光栅、标尺和光接收光栅具有第二位置关系的情况下的检测头和标尺的截面结构；
图5是示意性地示出根据第二典型实施例的光学编码器的结构的立体图；
图6是示意性地示出根据第二典型实施例的标尺的结构的平面图；
图7是示意性地示出根据第三典型实施例的光学编码器的结构的立体图；
图8是示意性地示出根据第四典型实施例的光学编码器的结构的立体图；
图9是示意性地示出根据第四典型实施例的光源光栅的结构的顶视图；
图10是示意性地示出根据第五典型实施例的光学编码器的结构的立体图；
图11是示意性地示出根据第五典型实施例的标尺的结构的顶视图；
图12是示意性地示出根据第五典型实施例的X轴方向光源光栅和Y轴方向光源光栅的结构的立体图；
图13是示意性地示出根据第五典型实施例的干涉条纹检测部件的结构的立体图；
图14是示出使用三光栅系统的光学编码器的结构示例的立体图；
图15示意性地示出初始状态下的检测头和标尺的截面结构；
图16示意性地示出后续状态下的检测头和标尺的截面结构；以及
图17示出由标尺光栅的移动所引起的检测信号的变化。
具体实施方式
以下参考附图来说明根据本发明的典型实施例。整个附图中将相同的标记分配给相同的组件，并且适当省略它们的重复说明。
第一典型实施例
说明根据第一典型实施例的光学编码器100。图1是示意性地示出根据第一典型实施例的光学编码器100的结构的立体图。光学编码器100包括标尺140和检测头170。在光学编码器100中，检测头170在测量方向(图1的X轴方向)上相对于标尺140移动，并且检测检测头170在测量方向(图1的X轴方向)上相对于标尺140的相对移动量。注意，为了使附图清楚，在图1和随后的附图的各个不透光部(稍后说明)中添加了阴影。
详细说明标尺140。图2是示意性地示出根据第一典型实施例的标尺140的结构的顶视图。在标尺140中，在玻璃基板(未示出)上设置(或者形成)第一标尺光栅141和第二标尺光栅142。在与测量方向平行的X轴方向上，配置有构成第一标尺光栅141的多个单位光栅。同样地，在测量方向(X轴方向)上，配置有构成第二标尺光栅142的多个单位光栅。此外，将第一标尺光栅141和第二标尺光栅142以并排方式沿Y轴方向配置在标尺140上。
注意，Y轴方向是与测量方向(X轴方向)垂直(或交叉)并且与配置有标尺140的第一标尺光栅141和第二标尺光栅142的平面平行的方向。即，配置有标尺140的第一标尺光栅141和第二标尺光栅142的平面是X-Y平面。
第一标尺光栅141包括透光部143和不透光部144。透光部143和不透光部144在测量方向(X轴方向)上以周期P(即，循环P)交替地配置。第二标尺光栅142包括透光部145和不透光部146。透光部145和不透光部146在测量方向(X轴方向)上以周期P交替地配置。注意，第一标尺光栅141和第二标尺光栅142被配置成使得在测量方向(X轴方向)上相对于彼此偏移半个周期(P/2)。
详细说明检测头170。检测头170包括光源110、光源光栅120和干涉条纹检测部件150。
光源110发射光。作为光源110，例如可以使用LED(发光二极管)、激光二极管、SLED(自扫描发光二极管)、或者OLED(有机发光二极管)。
光源光栅120包括透光部121和不透光部122，并且配置在光源110的正下方。将透光部121和不透光部122在测量方向(X轴方向)上以相当于标尺140的周期的2倍的周期、即周期2P(以下还称为“倍周期”)交替地配置在玻璃基板(未示出)上。
注意，在以下说明中，除非指定，否则术语“周期”表示作为标尺140的周期的周期P。因此，将光源光栅120的周期称为“倍周期2P”，以使该周期与标尺140的周期相区分。
光源光栅120的短边方向(Y轴方向)上的宽度L2比配置有第一标尺光栅141和第二标尺光栅142的区域的短边方向上的宽度L4更长。结果，穿过光源光栅120的光均匀地施加至第一标尺光栅141和第二标尺光栅142。
干涉条纹检测部件150检测光源光栅120和标尺140所生成的干涉条纹。干涉条纹检测部件150包括光接收光栅151和光电二极管152。光接收光栅151包括透光部153和不透光部154，并且配置在光电二极管152的正上方。透光部153和不透光部154在测量方向(X轴方向)上以周期P交替地配置。光电二极管152将穿过光接收光栅151的光转换成作为电信号的检测信号。该检测信号的强度根据所接收到的光的强度而变化。结果，基于电信号的变化来检测检测头170的移动量。
在光学编码器100中，光源光栅120、标尺140的第一标尺光栅141和第二标尺光栅142中的每一个、以及光接收光栅151与用于实现三光栅系统的三种光栅相对应。在该结构中，如上所述，光学编码器100被配置为光源光栅120的光栅周期是倍周期2P，并且第一标尺光栅141和第二标尺光栅142中的每一个以及光接收光栅151的光栅周期是周期P。此外，光学编码器100被配置为光源光栅120和标尺140之间的间隙(G1)等于标尺140和光接收光栅151之间的间隙(G2)(即，G1＝G2)。
光电二极管152检测在光接收光栅151的透光部153上所形成的干涉条纹，并且输出与干涉条纹的强度相对应的检测信号。注意，对于干涉条纹检测部件150，代替使用光接收光栅151和光电二极管152，可以使用配置有多个光电二极管的光电二极管阵列。在本典型实施例中，干涉条纹检测部件150被配置成输出正弦波单相信号。注意，可以对干涉条纹检测部件150进行配置，以使得配置了相位相对于彼此偏移了π/4的四个光接收光栅151，从而输出具有相位相对于彼此偏移了π/4的A+相位、B+相位、A-相位、以及B-相位的信号。
接着，说明光学编码器100的操作。从光源110发出的光在穿过光源光栅120时被折射，并且变成相干光。由于在光源光栅120中配置有多个透光部121，因而穿过光源光栅120的光表现为好像是从在测量方向(X轴方向)上配置了各自沿Y轴方向延伸的多个线状光源元件的光源所发出的。穿过光源光栅120的光被标尺140的第一标尺光栅141和第二标尺光栅142折射。第一标尺光栅141和第二标尺光栅142折射后的光到达光接收光栅151，从而形成干涉条纹。
图3示意性地示出在光源光栅120、标尺140和光接收光栅151具有第一位置关系的情况下的检测头170和标尺140的截面结构。图3示出沿着图1中的线III-III截取的截面。在图3中，为了使附图清楚，在第一标尺光栅141的透光部143中添加了阴影，而由轮廓矩形来表示第二标尺光栅142的透光部145。
图3所示的第一位置关系表示光源光栅120、第一标尺光栅141和光接收光栅151的透光部彼此对齐的状态、即存在穿过光源光栅的第0次光可以穿过第一标尺光栅141的透光部143所经由的路径的状态。换句话说，第一位置关系表示光源光栅120的透光部121、第一标尺光栅141的透光部143以及光接收光栅151的透光部153在X轴方向上的中心在Y轴方向上彼此对齐的状态。
以下说明在第一位置关系中通过穿过标尺140的第一标尺光栅141的光所形成的干涉条纹。如图3所示，穿过光源光栅120的光被第一标尺光栅141折射。在第一位置关系中，被光源光栅120折射后接着行进通过光路P11的光再次被第一标尺光栅141折射，并且经由光路P12到达光接收光栅151。此外，穿过光源光栅120后接着行进通过光路P13的第0次光被第一标尺光栅141折射，并且行进通过光路P14而到达光接收光栅151。
在该结构中，光路P11的长度与光路P14的长度相等，并且光路P12的长与光路P13的长度相等。结果，到达光接收光栅151的透光部153的光束彼此干涉并增强，因而形成干涉条纹。将在第一位置关系中通过第一标尺光栅141折射后的光所形成的干涉条纹称为“干涉条纹IP1”(第一干涉条纹)。由光电二极管152接收到(检测到)的干涉条纹IP1的明部之间的间隔等于倍周期2P。
接着，说明在第一位置关系中通过穿过标尺140的第二标尺光栅142的光所形成的干涉条纹。如上所述，第二标尺光栅142在测量方向(X轴方向)上相对于第一标尺光栅141偏移了半个周期(P/2)。因此，在第一位置关系中，被光源光栅120折射后接着行进通过光路P21的光再次被第二标尺光栅142折射，并且经由光路P22到达光接收光栅151。此外，被光源光栅120折射后接着行进通过光路P23的光再次被第二标尺光栅142折射，并且经由光路P24到达光接收光栅151。
在该结构中，光路P21～P24的长度彼此相等。结果，到达光接收光栅151的透光部153的光束彼此干涉并增强，因而形成干涉条纹。以下将在第一位置关系中通过被第二标尺光栅142折射后的光所形成的干涉条纹称为“干涉条纹IP2”(第二干涉条纹)。由光电二极管152接收到(检测到)的干涉条纹IP2的明部之间的间隔等于倍周期2P。
由于第一标尺光栅141和第二标尺光栅142被配置成在测量方向(X轴方向)上相对于彼此偏移半个周期(P/2)，因此同样地，干涉条纹IP1和IP2在测量方向(X轴方向)上相对于彼此偏移半个周期(P/2)。因此，在干涉条纹IP1和IP2彼此合成(或叠加)的情况下，在光电二极管152上以周期P形成所得到的干涉条纹的明部。
注意，如图3所示，形成干涉条纹IP1的光的光路与形成干涉条纹IP2的光的光路不同。因此，即使在干涉条纹IP1和IP2的相位彼此相同的情况下，干涉条纹IP1和IP2的强度也能够彼此不同。
接着，说明检测头170在测量方向(X轴方向)上相对于标尺140移位半个周期(P/2)(以下称为“第二位置关系”)的情况。图4示意性地示出在光源光栅120、标尺140和光接收光栅151具有第二位置关系的情况下的检测头170和标尺140的截面结构。与图3相同，图4示出沿着图1中的线III-III截取的截面。在图4中，为了使附图清楚，与图3的情况相同，在第一标尺光栅141的透光部143中添加了阴影，而由轮廓矩形来表示第二标尺光栅142的透光部145。
在这种情况下，图4所示的第二位置关系表示光源光栅120和光接收光栅151的透光部在测量方向(X轴方向)上相对于第一标尺光栅141的透光部143偏移了半个周期(P/2)的状态、即穿过光源光栅的第0次光被第一标尺光栅141的不透光部144遮档的状态。换句话说，第二位置关系表示光源光栅120的透光部121、第一标尺光栅141的不透光部144以及光接收光栅151的透光部153在X轴方向上的中心在Y轴方向上彼此对齐的状态。
以下说明在第二位置关系中通过穿过标尺140的第一标尺光栅141的光所形成的干涉条纹。如图4所示，穿过光源光栅120的光被第一标尺光栅141折射。在第二位置关系中，被光源光栅120折射后接着行进通过光路P31的光再次被第一标尺光栅141折射，并且经由光路P32到达光接收光栅151。此外，被光源光栅120折射后接着行进通过光路P33的光被第一标尺光栅141折射，并且行进通过光路P34而到达光接收光栅151。
在该结构中，光路P31～P34的长度彼此相等。结果，到达光接收光栅151的透光部153的光束彼此干涉并增强，因而形成干涉条纹。将在第二位置关系中通过被第一标尺光栅141折射后的光所形成的干涉条纹称为“干涉条纹IP3”(第二干涉条纹)。由光电二极管152接收到(检测到)的干涉条纹IP3的明部之间的间隔等于倍周期2P。
接着，说明在第二位置关系中通过穿过标尺140的第二标尺光栅142的光所形成的干涉条纹。如上所述，第二标尺光栅142在测量方向(X轴方向)上相对于第一标尺光栅141偏移了半个周期(P/2)。因此，在第二位置关系中，被光源光栅120折射后接着行进通过光路P41的光再次被第二标尺光栅142折射，并且经由光路P42到达光接收光栅151。此外，穿过光源光栅120后接着行进通过光路P43的第0次光被第二标尺光栅142折射，并且经由光路P44到达光接收光栅151。
在该结构中，光路P41的长度与光路P44的长度相等，并且光路P42的长度与光路P43的长度相等。结果，到达光接收光栅151的透光部153的光束彼此干涉并增强，因而形成干涉条纹。将在第二位置关系中通过被第二标尺光栅142折射后的光所形成的干涉条纹称为“干涉条纹IP4”(第一干涉条纹)。由光电二极管152接收到(检测到)的干涉条纹IP4的明部之间的间隔等于倍周期2P。
由于第一标尺光栅141和第二标尺光栅142被配置成在测量方向(X轴方向)上相对于彼此偏移半个周期(P/2)，因此同样地，干涉条纹IP3和IP4在测量方向(X轴方向)上相对于彼此偏移半个周期(P/2)。因此，在干涉条纹IP3和IP4彼此合成(或叠加)的情况下，在光电二极管152上以周期P形成所得到的干涉条纹的明部。
注意，如图4所示，形成干涉条纹IP3的光的光路与形成干涉条纹IP4的光的光路不同。因此，即使在干涉条纹IP3和IP4的相位彼此相同的情况下，干涉条纹IP3和IP4的强度也能够彼此不同。
然而，通过参考图3和图4，可以理解，第一位置关系中的光路P11～P14分别与第二位置关系中的光路P41～P44相当。即，利用行进通过了彼此相同的光路的光的干涉来形成干涉条纹IP1和IP4(即，上述的第一干涉条纹)。因此，可以理解，干涉条纹IP1和IP4的明部的强度彼此相同。
此外，可以理解，第一位置关系中的光路P21～P24分别与第二位置关系中的光路P31～P34相当。即，利用行进通过了彼此相同的光路的光的干涉来形成干涉条纹IP2和IP3(即，上述的第二干涉条纹)。因此，可以理解，干涉条纹IP2和IP3的明部的强度彼此相同。
基于上述事项，可以理解，第一位置关系中的干涉条纹IP1和IP4的明部的强度的总和与第二位置关系中的干涉条纹IP2和IP3的明部的强度的总和相等。即，每当检测头170在测量方向(X轴方向)上相对于标尺140移位半个周期(P/2)时，光电二极管152所检测到的光的强度变得均匀。结果，能够使得在从光电二极管152所输出的检测信号中以半个周期(P/2)的间隔产生的峰值的强度变均匀。
根据该结构，即使在光源光栅的周期是倍周期2P的情况下，也能够通过设置为半个周期(P/2)来提高检测信号的分辨率。此外，可以理解，与光源光栅的周期是P的情况相比，可以容易地制造光学编码器。
第二典型实施例
说明根据第二典型实施例的光学编码器200。图5是示意性地示出根据第二典型实施例的光学编码器200的结构的立体图。光学编码器200具有通过利用标尺240来替代根据第一典型实施例的光学编码器100的标尺140而获得的结构。
详细说明标尺240。图6是示意性地示出根据第二典型实施例的标尺240的结构的平面图。在光学编码器200中，标尺240包括玻璃基板(未示出)上按照如下所列顺序在Y轴方向上配置的第一标尺光栅241、第二标尺光栅242、第三标尺光栅243、第四标尺光栅244、第五标尺光栅245和第六标尺光栅246。
除了透光部和不透光部在Y轴方向上的长度与根据第一典型实施例的光学编码器100的第一标尺光栅141的透光部和不透光部在Y轴方向上的长度不同以外，第一标尺光栅241、第三标尺光栅243和第五标尺光栅245各自具有与该第一标尺光栅141的结构相同的结构。除了透光部和不透光部在Y轴方向上的长度与根据第一典型实施例的光学编码器100的第二标尺光栅142的透光部和不透光部在Y轴方向上的长度不同以外，第二标尺光栅242、第四标尺光栅244和第六标尺光栅246各自具有与该第二标尺光栅142的结构相同的结构。
在图6中，第一标尺光栅241的透光部241A和不透光部241B分别与第一标尺光栅141的透光部143和不透光部144相对应。第二标尺光栅242的透光部242A和不透光部242B分别与第二标尺光栅142的透光部145和不透光部146相对应。第三标尺光栅243的透光部243A和不透光部243B分别与第一标尺光栅141的透光部143和不透光部144相对应。第四标尺光栅244的透光部244A和不透光部244B分别与第二标尺光栅142的透光部145和不透光部146相对应。第五标尺光栅245的透光部245A和不透光部245B分别与第一标尺光栅141的透光部143和不透光部144相对应。第六标尺光栅246的透光部246A和不透光部246B分别与第二标尺光栅142的透光部145和不透光部146相对应。
即，可以理解，标尺240实质具有如下结构：在Y轴方向上配置有各自包含根据第一典型实施例的标尺140的第一标尺光栅141和第二标尺光栅142的三个对。在图6中，将(与第一标尺光栅141相对应的)第一标尺光栅241和(与第二标尺光栅142相对应的)第二标尺光栅242的对称为“对240A”。将(与第一标尺光栅141相对应的)第三标尺光栅243和(与第二标尺光栅142相对应的)第四标尺光栅244的对称为“对240B”。将(与第一标尺光栅141相对应的)第五标尺光栅245和(与第二标尺光栅142相对应的)第六标尺光栅246的对称为“对240C”。光学编码器200的其它结构与光学编码器100相同，因此省略其说明。
说明光学编码器200相对于光学编码器100的优点。在该结构中，在Y轴方向上以重复方式配置三个对240A、240B和240C。因此，即使在光源光栅120和标尺240在Y轴方向上移位的情况下，也能够减小入射至第一标尺光栅241、第三标尺光栅243和第五标尺光栅245的光的强度与入射至第二标尺光栅242、第四标尺光栅244和第六标尺光栅246的光的强度之间的比的变化。结果，能够减小入射至光电二极管152的(或光电二极管152所检测到的)第一干涉条纹的强度和第二干涉条纹的强度之间的比的变化。因此，能够减小在光源光栅120和标尺240在Y轴方向上移位的情况下所引起的从光电二极管152所输出的检测信号中的插值误差。
注意，关于标尺240，尽管在本典型实施例中Y轴方向上所配置的对数是3，但这仅是示例。即，可以在Y轴方向上配置2对或者3对以上。此外，由于上述的多个对各自包括两个标尺光栅，因此标尺光栅的总数优选为偶数。
第三典型实施例
说明根据第三典型实施例的光学编码器300。图7是示意性地示出根据第三典型实施例的光学编码器300的结构的立体图。光学编码器300具有通过利用标尺340和检测头370来分别替代根据第一典型实施例的光学编码器100中的标尺140和检测头170所获得的结构。
标尺340包括标尺光栅341。除了透光部和不透光部在Y轴方向上的长度与根据第一典型实施例的光学编码器100的标尺140的第一标尺光栅141的透光部和不透光部在Y轴方向上的长度不同以外，标尺光栅341具有与该第一标尺光栅141相同的结构。标尺光栅341的透光部342和不透光部343分别与第一标尺光栅141的透光部143和不透光部144相对应。
检测头370具有利用光源光栅320来替代根据第一典型实施例的检测头170中的光源光栅120所获得的结构。在光源光栅320中，在玻璃基板(未示出)上配置有第一光栅321和第二光栅322。在测量方向(X轴方向)上，构成第一光栅321的多个单位光栅交替地配置。同样地，在测量方向(X轴方向)上，构成第二光栅322的多个单位光栅交替地配置。此外，将第一光栅321和第二光栅322并排地沿Y轴方向配置在光源光栅320上。
第一光栅321包括透光部323和不透光部324。透光部323和不透光部324在测量方向(X轴方向)上以倍周期2P交替地配置。第二光栅322包括透光部325和不透光部326。透光部325和不透光部326在测量方向(X轴方向)上以倍周期2P交替地配置。注意，第一光栅321和第二光栅322在测量方向(X轴方向)上以相对于彼此偏移周期P的方式配置。
即，通过使用如上所述的光源光栅320，光学编码器300能够实现与通过在光学编码器100的标尺140中或在光学编码器200的标尺240中以在测量方向上彼此偏移半个周期的方式配置两个标尺光栅所获得的光学表现相同的光学表现。
如上所述，根据该结构，与根据第一典型实施例的光学编码器100相同，每当检测头370在测量方向(X轴方向)上相对于标尺340移位半个周期(P/2)时，光电二极管152所检测到的光的强度变得均匀。结果，能够使得在从光电二极管152输出的检测信号中以半个周期(P/2)的间隔产生的峰值的强度变得均匀。
此外，与第二典型实施例相同，在本实施例的光源光栅中，可以在Y轴方向上并排地配置各自实质上包括第一光栅321和第二光栅322的两对以上。在这种情况下，与第二典型实施例相同，能够减小在光源光栅320和标尺340在Y轴方向上移位的情况下所引起的从光电二极管152输出的检测信号中的插值误差。注意，由于上述各个对由两个光栅构成，因此配置在光源光栅中的光栅的总数优选为偶数。
第四典型实施例
说明根据第四典型实施例的光学编码器400。图8是示意性地示出根据第四典型实施例的光学编码器400的结构的立体图。光学编码器400具有利用检测头470来替代根据第二典型实施例的光学编码器200中的检测头170而获得的结构。
检测头470具有利用光源光栅420来替代检测头170中的光源光栅120所获得的结构。图9是示意性地示出根据第四实施例的光源光栅420的结构的顶视图。光源光栅420包括玻璃基板(未示出)上按如下所列顺序配置在Y轴方向上的第一光栅421、第二光栅422、第三光栅423、第四光栅424、第五光栅425和第六光栅426。
除了透光部和不透光部在Y轴方向上的长度与光源编码器300的第一光栅321的透光部和不透光部在Y轴方向上的长度不同之外，第一光栅421、第三光栅423和第五光栅425各自具有与该第一光栅321相同的结构。除了透光部和不透光部在Y轴方向上的长度与光源编码器300的第二光栅322的透光部和不透光部在Y轴方向上的长度不同之外，第二光栅422、第四光栅424和第六光栅426各自具有与该第二光栅322相同的结构。
在图9中，第一光栅421的透光部421A和不透光部421B分别与第一光栅321的透光部323和不透光部324相对应。第二光栅422的透光部422A和不透光部422B分别与第二光栅322的透光部325和不透光部326相对应。第三光栅423的透光部423A和不透光部423B分别与第一光栅321的透光部323和不透光部324相对应。第四光栅424的透光部424A和不透光部424B分别与第二光栅322的透光部325和不透光部326相对应。第五光栅425的透光部425A和不透光部425B分别与第一光栅321的透光部323和不透光部324相对应。第六光栅426的透光部426A和不透光部426B分别与第二光栅322的透光部325和不透光部326相对应。
即，可以理解，光源光栅420实质具有如下结构：在Y轴方向上配置了各自包括根据第三典型实施例的第一光栅321和第二光栅322的三个对。在图8和图9中，将(与第一光栅321相对应的)第一光栅421和(与第二光栅322相对应的)第二光栅422的对称为“对420A”。将(与第一光栅321相对应的)第三光栅423和(与第二光栅322相对应的)第四光栅424的对称为“对420B”。将(与第一光栅321相对应的)第五光栅425和(与第二光栅322相对应的)第六光栅426的对称为“对420C”。光学编码器400的其它结构与光学编码器200相同，因此省略其说明。
如上所述，根据该结构，与根据上述典型实施例的光学编码器相同，每当检测头470在测量方向(X轴方向)上相对于标尺240移位半个周期(P/2)时，光电二极管152所检测到的光的强度变得均匀。结果，能够使得在从光电二极管152输出的检测信号中以半个周期(P/2)的间隔产生的峰值的强度变得均匀。
此外，根据该结构，如在第二典型实施例中所述，能够减小在光源光栅420和标尺240在Y轴方向上移位的情况下所引起的从光电二极管152所输出的检测信号中的插值误差。
此外，在该结构中，在光源光栅420中，以重复方式在Y轴方向上配置三个对420A、420B和420C。因此，能够进一步减小在光源光栅420和标尺240在Y轴方向上移位的情况下所引起的从光电二极管152所输出的检测信号中的插值误差。
注意，与光学编码器300相同，在光源光栅中，可以仅配置实质包括第一光栅321和第二光栅322的一对。此外，在光源光栅中，可以在Y轴方向上配置各自包括第一光栅321和第二光栅322的两对或者三对以上。注意，由于上述的多个对各自包括两个光栅，因此配置在光源光栅中的光栅的总数优选为偶数。
第五典型实施例
说明根据第五典型实施例的光学编码器500。图10是示意性地示出根据第五典型实施例的光学编码器500的结构的立体图。光学编码器500被配置成能够检测X轴方向和Y轴方向上的移位的光学编码器。基于与根据第一典型实施例的光学编码器100所用的原理相同的原理来执行X轴方向上的移位检测。即，在X轴方向上的移位检测中，检测如上所述的第一干涉条纹和第二干涉条纹。以通过将根据第一典型实施例的光学编码器100转动90°所获得的形式来执行Y轴方向上的移位检测。即，在Y轴方向上的移位检测中，检测分别与光学编码器100中的第一干涉条纹和第二干涉条纹相对应的第三干涉条纹和第四干涉条纹。光学编码器500包括标尺540和检测头570。
详细说明标尺540。图11是示意性地示出根据第五典型实施例的标尺540的结构的顶视图。在标尺540中，在玻璃基板(未示出)上形成光栅543。在光栅543中，在二维区域上，以交错图案的方式配置矩形(或者正方形)不透光部542。没有配置不透光部542的部分用作使光穿过的透光部541。光栅543在X轴方向上的周期(即，循环)是周期P(还称为“第一周期”)，并且在Y轴方向上的周期(即，循环)是周期Q(还称为“第二周期”)。注意，还可以将光栅543的配置视为如下配置：多个标尺光栅以邻接的标尺光栅相对于彼此偏移半个周期的方式配置在Y轴方向上，其中，该多个标尺光栅各自的透光部541和不透光部542在X轴方向上交替地配置。
说明检测头570。检测头570包括光源110、X轴方向光源光栅521、Y轴方向光源光栅522和干涉条纹检测部件550。X轴方向光源光栅521和Y轴方向光源光栅522配置在同一平面(X-Y平面)上。尽管在附图中未示出，但X轴方向光源光栅521和Y轴方向光源光栅522被配置成使得X轴方向光源光栅521和Y轴方向光源光栅522与标尺540之间的间隙等于标尺540与干涉条纹检测部件550之间的间隙。
图12是示意性地示出根据第五典型实施例的X轴方向光源光栅521和Y轴方向光源光栅522的结构的立体图。在X轴方向光源光栅521中，透光部523和不透光部524在X轴方向上以倍周期2P交替地配置。在Y轴方向光源光栅522中，透光部525和不透光部526在Y轴方向上以倍周期2Q交替地配置。
图13是示意性地示出根据第五典型实施例的干涉条纹检测部件550的结构的立体图。干涉条纹检测部件550包括用于检测X轴方向上的干涉条纹的X轴方向干涉条纹检测部件551和用于检测Y轴方向上的干涉条纹的Y轴方向干涉条纹检测部件552。即，X轴方向干涉条纹检测部件551检测X轴方向上的移动量，并且Y轴方向干涉条纹检测部件552检测Y轴方向上的移动量。
X轴方向干涉条纹检测部件551检测通过X轴方向光源光栅521和标尺540所形成的干涉条纹(上述的第一干涉条纹和第二干涉条纹)。X轴方向干涉条纹检测部件551包括X轴方向光接收光栅553和第一光电二极管554。在X轴方向光接收光栅553中，透光部561和不透光部562以周期P配置在X轴方向上。
Y轴方向干涉条纹检测部件552检测通过Y轴方向光源光栅522和标尺540所形成的干涉条纹(上述的第三干涉条纹和第四干涉条纹)。Y轴方向干涉条纹检测部件552包括Y轴方向光接收光栅555和第二光电二极管556。在Y轴方向光接收光栅555中，透光部563和不透光部564以周期Q配置在Y轴方向上。
标尺540、X轴方向光接收光栅553和Y轴方向光接收光栅555在X轴和Y轴方向上的光栅周期(即、光栅循环)可以彼此相等(即，P＝Q)。即，X轴方向光源光栅521和Y轴方向光源光栅522在X轴方向和Y轴方向上的光栅周期可以彼此相等(即，2P＝2Q)。在周期P等于周期Q(即，P＝Q)的情况下，意味着光栅543包括正方形透光部541和正方形不透光部542。结果，光学编码器500在X轴方向和Y轴方向上的移动量的检测所用的分辨率相等。
如上所述，根据本典型实施例的光学编码器500具有如下结构，其中该结构是通过将光学编码器200的结构与将该光学编码器200绕作为与X-Y平面垂直的方向的Z轴方向转动90°所得到的结构进行组合而获得的。结果，可以提供一种编码器，该编码器能够提供针对X轴方向上的周期P具有半个周期(P/2)的分辨率以及针对Y轴方向上的周期Q具有半个周期(Q/2)的分辨率的检测信号。
注意，与第三典型实施例和第四典型实施例相同，在X轴方向光源光栅521中，一个或多个对可以并排地配置在Y轴方向上，其中，该一个或多个对各自包括具有倍周期2P的光栅和被配置成在X轴方向上偏移了周期P的光栅。在这种情况下，能够减少在X轴方向光源光栅521和标尺540在Y轴方向上移位的情况下所引起的从第一光电二极管554输出的检测信号中的插值误差。
与第三典型实施例和第四典型实施例相同，在Y轴方向光源光栅522中，一个或多个对可以并排地配置在X轴方向上，其中，该一个或多个对各自包括具有倍周期2Q的光栅和被配置成在Y轴方向上偏移了周期Q的光栅。在这种情况下，能够减少在Y轴方向光源光栅522和标尺540在X轴方向上移位的情况下所引起的从第二光电二极管556输出的检测信号中的插值误差。
其它典型实施例
此外，本发明不限于前述典型实施例，并且可以在不偏离本发明的精神的情况下进行适当地改变。例如，在上述典型实施例中，可以通过使用具有高反射率的材料来形成标尺的不透光部，从而将不透光部形成为光反射部。即，可以将标尺形成为反射型标尺。在这种情况下，干涉条纹检测部件可以配置在标尺的配置有光源110的一侧。
此外，在根据第五典型实施例的光学编码器500中透光部和光反射部的形状彼此相同的情况下，可以使用光学编码器500作为透过型编码器和反射型编码器这两者。在光学编码器500被构造成反射型编码器的情况下，由于透光部的大小和光反射部(不透光部)的大小之间的比是1：1，因此光栅543上所反射的光量增加。结果，能够提供用于输出强(或者大)的检测信号的反射型编码器。
尽管在通过使用玻璃基板来形成光源光栅、标尺和光接收光栅这一假设下说明了上述典型实施例，但它们仅是示例。可以通过使用由除玻璃以外的材料制成的透明基板来形成光源光栅、标尺和光接收光栅。可选地，光源光栅、标尺和光接收光栅各自可以通过使用不透明基板中所形成的开口作为透光部而形成的。
根据如此描述的本发明，显而易见，可以以多种方式来改变本发明的实施例。这些变形例不应被视为背离本发明的精神和范围，并且对于本领域技术人员而言显而易见的，所有这些变形例意图包括在所附权利要求书的范围内。

Claims (8)

1.一种光学编码器，包括：
光源，用于发出光；
标尺，其包括以预定周期所形成的标尺光栅；
光源光栅，其包括以所述预定周期的两倍的周期所形成的光栅，其中所述光源光栅配置在所述光源和所述标尺之间；以及
干涉条纹检测部件，其被配置为能够以所述预定周期来检测干涉条纹的明部，其中所述干涉条纹是通过所述光源光栅和所述标尺所生成的，
其中，所述干涉条纹检测部件检测由来自所述标尺的光所形成的第一干涉条纹和由来自所述标尺的光所形成的第二干涉条纹，其中所述第二干涉条纹的明部的位置相对于所述第一干涉条纹的明部的位置偏移了所述预定周期，
所述标尺包括以所述预定周期所形成的至少两个标尺光栅，以及
所述至少两个标尺光栅并排配置，并且邻接的标尺光栅彼此偏移了所述预定周期的一半。
2.根据权利要求1所述的光学编码器，其中，所述标尺包括偶数个标尺光栅。
3.根据权利要求1或2所述的光学编码器，其中，配置有所述至少两个标尺光栅的区域的宽度比所述光源光栅的宽度短，其中各宽度是并排配置所述至少两个标尺光栅的方向上的宽度。
4.根据权利要求1所述的光学编码器，其中，所述干涉条纹检测部件检测所述第一干涉条纹和所述第二干涉条纹合成得到的干涉条纹。
5.根据权利要求1所述的光学编码器，其中，所述干涉条纹检测部件包括：
光接收光栅，其包括以所述预定周期所形成的光栅；以及
光接收部件，用于检测穿过了所述光接收光栅的光。
6.一种光学编码器，包括：
光源，用于发出光；
标尺，其包括以预定周期所形成的标尺光栅；
光源光栅，其包括以所述预定周期的两倍的周期所形成的光栅，其中所述光源光栅配置在所述光源和所述标尺之间；以及
干涉条纹检测部件，其被配置为能够以所述预定周期来检测干涉条纹的明部，其中所述干涉条纹是通过所述光源光栅和所述标尺所生成的，
其中，所述干涉条纹检测部件检测由来自所述标尺的光所形成的第一干涉条纹和由来自所述标尺的光所形成的第二干涉条纹，其中所述第二干涉条纹的明部的位置相对于所述第一干涉条纹的明部的位置偏移了所述预定周期，
所述光源光栅包括以所述预定周期的两倍的周期所形成的至少两个光栅，以及
所述至少两个光栅并排配置，并且邻接的光栅彼此偏移了所述预定周期。
7.根据权利要求6所述的光学编码器，其中，所述光源光栅包括偶数个光栅。
8.一种光学编码器，包括：
光源，用于发出光；
标尺，其包括X轴方向上以第一周期并且Y轴方向上以第二周期在预定平面上所形成的交错图案光栅，其中所述X轴方向与所述预定平面平行，所述Y轴方向与所述预定平面平行并且与所述X轴方向交叉；
X轴方向光源光栅，其包括所述X轴方向上以所述第一周期的两倍的周期所形成的光栅，其中所述X轴方向光源光栅配置在所述光源和所述标尺之间；
Y轴方向光源光栅，其包括所述Y轴方向上以所述第二周期的两倍的周期所形成的光栅，其中所述Y轴方向光源光栅配置在所述光源和所述标尺之间；
X轴方向干涉条纹检测部件，其被配置为能够以所述第一周期来检测通过所述X轴方向光源光栅和所述标尺所生成的干涉条纹的明部；以及
Y轴方向干涉条纹检测部件，其被配置为能够以所述第二周期来检测通过所述Y轴方向光源光栅和所述标尺所生成的干涉条纹的明部，
其中，所述X轴方向干涉条纹检测部件检测由来自所述标尺的光所形成的第一干涉条纹和由来自所述标尺的光所形成的第二干涉条纹，其中所述第二干涉条纹的明部的位置相对于所述第一干涉条纹的明部的位置偏移了所述第一周期，以及
所述Y轴方向干涉条纹检测部件检测由来自所述标尺的光所形成的第三干涉条纹和由来自所述标尺的光所形成的第四干涉条纹，其中所述第四干涉条纹的明部的位置相对于所述第三干涉条纹的明部的位置偏移了所述第二周期。
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