CN107560546B - 光栅尺光电传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光栅尺光电传感器，其包括：光敏感单元阵列、读取电路，光敏感单元阵列包括多个光敏感单元，每个光敏感单元上覆盖有栅状金属层。本发明的优点在于将光栅尺的指示光栅以栅状金属层的方式直接集成在光电传感器上，能够节约光栅尺制造成本，提高生产效率，提高指示光栅制造精度。

Description

光栅尺光电传感器
技术领域
本发明涉及一种光栅尺光电传感器，属于光电测量技术领域。
背景技术
光栅尺作为直线位置测量装置，被广泛应用于机械加工行业。
光栅尺通常包括光源、标尺光栅、指示光栅、光电传感器，其工作原理是，指示光栅和标尺光栅相互运动形成光学莫尔条纹，光电传感器将光学莫尔条纹转换为电学莫尔信号，通过对电学莫尔信号进行计数、细分来进行位置测量。
目前常用的方法是，指示光栅以玻璃为基体，粘接在光电传感器上。指示光栅上刻划有多组光学窗口，每个光学窗口上刻划有一组等间距的栅线，用来与标尺光栅配合产生莫尔条纹。为了保证较好的莫尔条纹质量，指示光栅与光电传感器粘接时，需要使用专用的设备将指示光栅上的光学窗口与光电传感器上的光敏感单元对齐。此外，受限于计量光栅的制作方式，指示光栅上的栅线刻划精度在0.3μm左右。
发明内容
一种光栅尺光电传感器，包括光敏感单元阵列(1)、读取电路(2)，其特征在于：光敏感单元阵列(1)包括由N个大小相同的光敏感单元组成，其中N为4的整数倍，光敏感单元上覆盖有栅状金属层，栅状金属层由金属线等间距排列组成，金属线具有不透射光的特性。
所述的光栅尺光电传感器，其特征在于，栅状金属层的金属线宽度(W1)与光栅尺光电传感器所对应的标尺光栅增量码道刻线宽度(W2)相同，栅状金属层的栅距(D1)与光栅尺光电传感器所对应的标尺光栅增量码道栅距(D2)相同，从光敏感单元的排列方向上第一个栅状金属层开始，每4个栅状金属层为一组，每组栅状金属层的中心距为栅状金属层栅距的整数倍，组内相邻栅状金属层之间的中心距为(M+0.25)倍栅状金属层栅距(D1)，其中M为正整数。
所述的光栅尺光电传感器，其特征在于，栅状金属层的金属线宽度(W1)与光栅尺光电传感器所对应的标尺光栅增量码道刻线宽度(W2)的关系为q×W2＝(q+1)×W1，栅状金属层的栅距(D1)与光栅尺光电传感器所对应的标尺光栅增量码道栅距(D2)的关系为q×D2＝(q+1)×D1，其中q为正整数，相邻栅状金属层之间的中心距为q×D2/4；光敏感单元的中心距为q×D2/4。
本发明的有益效果在于：光栅尺光电传感器可以直接与光栅尺的标尺光栅作用形成莫尔条纹电压信号，省去了指示光栅以及指示光栅与光敏感单元的对齐、粘接工序，从而降低了生产成本与装调时间。其次，由于半导体集成电路的加工精度为0.01μm量级，高于以玻璃为基体的指示光栅的加工精度，所以采用本实施例中的方法，可以使莫尔电压信号之间有更好的相位关系；最后，在探测器上方增加栅状金属层，不增加生产成本，因此本方法具有降低生产成本的优点。
附图说明
图1是本发明的光栅尺光电传感器实施例1的示意图。
图2是本发明的光栅尺光电传感器实施例2的示意图。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，本发明的光栅尺光电传感器，包括：光敏感单元阵列(1)、读取电路(2)，所述光敏感单元阵列(1)包括8个大小相同的光敏感单元，分别为(11a)、(12a)、(13a)、(14a)、(11b)、(12b)、(13b)、(14b)，光敏感单元上覆盖有栅状金属层，栅状金属层由金属线等间距排列组成，栅状金属层的栅距(D1)与光栅尺标尺光栅的增量码道栅距(D2)相同，栅状金属层的金属线宽度(W1)与光栅尺标尺光栅的增量码道栅线宽度(W2)相同。以图1所示x方向上第一个栅状金属层开始，每4个栅状金属层为一组，每组栅状金属层的中心距为栅状金属层栅距(D1)的整数倍，组内相邻栅状金属层之间的中心距为(M+0.25)倍栅状金属层栅距(D1)，其中M为正整数。相邻栅状金属层之间的中心距为(M+0.25)倍栅状金属层栅距(D1)，其中M为正整数。在本实施例中，光敏感单元x方向上尺寸为140μm，光敏感单元中心距为200μm，y方向上尺寸为360μm，D1＝D2＝20μm，W1＝W2＝10μm，M＝3，第一组栅状金属层与第二组栅状金属层的中心距为800μm。
本实施例中，信号(11)为光敏感单元(11a)与光敏感单元(11b)产生的光生电流求和，信号(12)为光敏感单元(12a)与光敏感单元(12b)产生的光生电流求和，信号(13)为光敏感单元(13a)与光敏感单元(13b)产生的光生电流求和，信号(14)为光敏感单元(14a)与光敏感单元(14b)产生的光生电流求和。读取电路(2)将信号(13)和(11)做差后转换成电压信号(21)输出，将信号(14)和(12)做差后转换成电压信号(22)输出。
本实施例在光栅尺系统中的应用中，光敏感单元阵列(1)上的栅状金属层与光栅尺标尺光栅上的增量码道配合产生莫尔条纹光信号，随后光敏感单元阵(1)列将莫尔条纹光信号转换为莫尔条纹电流信号输出。采用公知的理论分析，由于栅状金属层的栅距与光栅尺标尺光栅的增量码道栅距相同，栅状金属层的金属线宽度与光栅尺标尺光栅的增量码道栅线宽度相同，所以栅状金属层的金属线与光栅尺标尺光栅的增量码道栅线在x方向上相互运动时，产生横向莫尔条纹。光敏感单元(11a)上的栅状金属层向x方向平移(3+0.25)个栅距后即可与光敏感单元(12a)上的栅状金属层重合，因此若以光敏感单元(11a)产生的莫尔条纹电流信号为0°相位，那么光敏感单元(12a)产生的莫尔条纹电流信号为较(11a)超前90°，即90°相位，以此类推，光敏感单元(13a)产生的莫尔条纹电流信号为180°相位，光敏感单元(14a)产生的莫尔条纹电流信号为270°相位，光敏感单元(11b)产生的莫尔条纹电流信号为0°相位，光敏感单元(12b)产生的莫尔条纹电流信号为90°相位，光敏感单元(13b)产生的莫尔条纹电流信号为180°相位，光敏感单元(14b)产生的莫尔条纹电流信号为270°相位。因此本实施例中信号(21)和信号(22)为相差90°的莫尔条纹电压信号，光栅尺系统中的后续电子设备采用计数、细分等公知的手段得到位置信息。
因此，本实施例中的光栅尺光电传感器可以直接与光栅尺的标尺光栅作用形成莫尔条纹电压信号，省去了指示光栅以及指示光栅与光敏感单元的对齐、粘接工序，从而降低了生产成本与装调时间。其次，由于半导体集成电路的加工精度为0.01μm量级，高于以玻璃为基体的指示光栅的加工精度，所以采用本实施例中的方法，可以使莫尔电压信号之间有更好的相位关系
实施例2：
如图1所示，本发明的光栅尺光电传感器，包括：光敏感单元阵列(1)、读取电路(2)，所述光敏感单元阵列(1)包括8个大小相同的光敏感单元，分别为(11a)、(12a)、(13a)、(14a)、(11b)、(12b)、(13b)、(14b)，栅状金属层的金属线宽度(W1)与光栅尺光电传感器所对应的标尺光栅增量码道刻线宽度(W2)的关系为q×W2＝(q+1)×W1，栅状金属层的栅距(D1)与光栅尺光电传感器所对应的标尺光栅增量码道栅距(D2)的关系为q×D2＝(q+1)×D1，其中q为正整数，相邻栅状金属层之间的中心距为栅状金属层栅距(D1)的整数倍；光敏感单元的中心距为q×D2/4。在本实施例中，q＝39，光敏感单元x方向上尺寸为156μm，y方向上尺寸为360μm，相邻光敏感单元中心距为195μm，D1＝19.5μm，W1＝9.75μm，D2＝20μm，W2＝10μm，相邻栅状金属层的中心距为195μm。
本实施例中，信号(11)为光敏感单元(11a)与光敏感单元(11b)产生的光生电流求和，信号(12)为光敏感单元(12a)与光敏感单元(12b)产生的光生电流求和，信号(13)为光敏感单元(13a)与光敏感单元(13b)产生的光生电流求和，信号(14)为光敏感单元(14a)与光敏感单元(14b)产生的光生电流求和。读取电路(2)将信号(13)和(11)做差后转换成电压信号(21)输出，将信号(14)和(12)做差后转换成电压信号(22)输出。
本实施例在光栅尺系统中的应用中，光敏感单元阵列(1)上的栅状金属层与光栅尺标尺光栅上的增量码道配合产生莫尔条纹光信号，随后光敏感单元阵(1)列将莫尔条纹光信号转换为莫尔条纹电流信号输出。采用公知的理论分析，由于栅状金属层的金属线宽度(W1)与光栅尺光电传感器所对应的标尺光栅增量码道刻线宽度(W2)的关系为40×W2＝(39+1)×W1，栅状金属层的栅距(D1)与光栅尺光电传感器所对应的标尺光栅增量码道栅距(D2)的关系为40×D2＝(39+1)×D1，光敏感单元的中心距为q×D2/4，所以栅状金属层的金属线与光栅尺标尺光栅的增量码道栅线在x方向上相互运动时，产生纵向莫尔条纹。且若以光敏感单元11a产生的莫尔条纹电流信号为0°相位，那么光敏感单元12a产生的莫尔条纹电流信号为较11a超前90°，即90°相位，光敏感单元13a产生的莫尔条纹电流信号为180°相位，光敏感单元14a产生的莫尔条纹电流信号为270°相位，光敏感单元11b产生的莫尔条纹电流信号为0°相位，光敏感单元12b产生的莫尔条纹电流信号为90°相位，光敏感单元13b产生的莫尔条纹电流信号为180°相位，光敏感单元14b产生的莫尔条纹电流信号为270°相位。因此本实施例中信号21和信号22为相差90°的莫尔条纹电压信号，光栅尺系统中的后续电子设备采用计数、细分等公知的手段得到位置信息。
因此，本实施例中的光栅尺光电传感器可以直接与光栅尺的标尺光栅作用形成莫尔条纹电压信号，省去了指示光栅以及指示光栅与光敏感单元的对齐、粘接工序，从而降低了生产成本与装调时间。其次，由于半导体集成电路的加工精度为0.01μm量级，高于以玻璃为基体的指示光栅的加工精度，所以采用本实施例中的方法，可以使莫尔电压信号之间有更好的相位关系。

Claims (2)

1.一种光栅尺光电传感器，包括光敏感单元阵列(1)、读取电路(2)，其特征在于：光敏感单元阵列(1)包括由N个大小相同的光敏感单元组成，其中N为4的整数倍，光敏感单元上覆盖有栅状金属层，栅状金属层由金属线等间距排列组成，金属线具有不透射光的特性；
所述栅状金属层的金属线宽度Wl与光栅尺光电传感器所对应的标尺光栅增量码道刻线宽度W2的关系为q×W2= (q+ 1) ×Wl，栅状金属层的栅距Dl与光栅尺光电传感器所对应的标尺光栅增量码道栅距D2的关系为q×D2=(q+l) ×Dl，其中q为正整数，相邻栅状金属层之间的中心距为q×D2/4；光敏感单元的中心距为q×D2/4；
所述光敏感单元阵列(1)上的栅状金属层与光栅尺标尺光栅上的增量码道配合产生莫尔条纹光信号，随后光敏感单元阵列(1)将莫尔条纹光信号转换为莫尔条纹电流信号输出。
2.根据权利要求1所述的光栅尺光电传感器，其特征在于，栅状金属层的金属线宽度Wl与光栅尺光电传感器所对应的标尺光栅增量码道刻线宽度W2相同，栅状金属层的栅距Dl与光栅尺光电传感器所对应的标尺光栅增量码道栅距D2相同，从光敏感单元的排列方向上第一个栅状金属层开始，每4个栅状金属层为一组，每组栅状金属层的中心距为栅状金属层栅距的整数倍，组内相邻栅状金属层之间的中心距为(M+0. 25)倍栅状金属层栅距Dl，其中M为正整数。
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