CN1142056A - 光编码器 - Google Patents

Abstract

主刻度盘11和基准刻度盘12平行可动配置。光源10将准直光射到11上。12下方有光检测装置13a和13b检测透过光通量。11的均匀光栅含均匀宽度的透光部分14和不透光部分15，以等间距P交替。12的非均匀光栅12a和12b相位差90度，透光部分16和不透光部分17按11的间距排列。17的宽度等于正弦波按10个电平限幅的各宽度，波长为均匀光栅间距。12a和12b按正弦波光栅工作，输出信号无谐波分量失真。

Description

光编码器

本发明涉及一种均匀光栅和非均匀光栅兼备的光编码器。

传统的光编码器通常有一个主刻度盘(main scale)、一个基准刻度盘(index scale)、一个光源和一个光检测器，主刻度盘与基准刻度盘彼此平行配置，可以彼此相对运动，光源用以将准直光照射到刻度盘上，光检测器用以检测主刻度盘与基准刻度盘之间的重叠状态调制出的阴影图形。主刻度盘和基准刻度盘都有自己的光栅。两刻度盘的光栅由透光部分和不透光部分组成，两部分以1∶1的预定宽度和预定间距交替排列。假设没有衍射，则当准直光照射到各刻度盘上时通过刻度盘光栅透射出的光量分布呈矩形波谱。以下称这种光栅为“矩形波光栅”。

当主刻度盘与基准刻度盘相对移动时，随这种矩形光栅的重叠情况得出的输出光通量在理想情况下成为三角形波信号。但实际上由于没有衍射等现象，输出的光通量成为伪正弦曲线。相对位置是采用正弦波信号作为位移信号检测出的。通常采用一对基准刻度盘来获取在相位上彼此相差90度的所谓A相和B相正弦波信号。

上述由伪正弦波组成的位移信号与理想的正弦波不同，即波形失真大。尤其是失真率取决于主刻度盘与基准刻度盘之间的间隙波动情况。失真率的波动主要是位移信号中的奇数(三次、五次……)谐波分量引起的。若采用失真率波动的位移信号进行位置测定，测定误差会变大。

减小随位移信号中的波形失真而产生的测量误差的方法，迄今提出过的就有好几种。例如，大家知道，在刻度盘上形成两个在相位上彼此有些偏差的矩形光栅图形，将两个输出信号加起来可以消除位移信号中的谐波分量(参看美国专利5,068,530)。

另一个现有技术提出，将两个光栅加起来，(一个光栅由矩形图形组成，另一个光栅由正弦波图形组成)可以避免输出信号中含谐波分量(参看美国专利4,82,229)。以下将具有正弦波图形的光栅称之为“正弦波光栅”，这种光栅，与矩形波光栅相加，基本上只能得出正弦波的输出。

用上述传统方法，大致上可以减小波形失真因素，但其准确度尚未高得足以可将其用来在精密机床制造等进行位置测定。此外，从现行制造技术的现状看，要形成正弦波光栅图形还是有困难的。

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种通过控制刻度盘光栅的宽度能有效地消除位移信号中的谐波分量从而可以进行精密测量的光编码器。

为达到上述目的，本发明提供了这样一种光编码器，这种光编码器具有第一和第二刻度盘、一个光源和一个光检测装置，两刻度盘彼此平行配置，彼此可相对移动，两刻度盘上分别按预定间距形成有光栅，光源用以将准直光照射到第一刻度盘上，光检测装置则用以检测透过第二刻度盘射出的光，该透射光的阴影图形通过第一与第二刻度盘之间的重叠状态进行调制，其中，第一和第二刻度盘中的一个具有均匀的光栅，该均匀光栅由多个矩形透光部分和多个矩形不透光部分按预定的间距交替排列，各矩形透光部分的宽度均匀，第一和第二刻度盘的另一个具有不均匀光栅，该不均匀光栅由至少一组M(其中M为2或大于2的整数)对矩形透光部分和矩形不透光部分组成，各对的间距与均匀光栅的相同，不均匀光栅上的各矩形透光部分，在一组M对内的宽度彼此不同，从而分布地包含一波长等于均匀光栅的一个间距的一个周期正弦波形的信息。其中，该周期正弦波形以底到底的范围表示，不均匀光栅矩形透光部分的各宽度取得等于该一个周期正弦波形被M个不同限幅电平限幅的各限幅部分的每宽度。

按照本发明，其中一个刻度盘是和传统普通的矩形波光栅一样的均匀光栅，另一个刻度盘是不均匀光栅，不均匀光栅的透光部分和不透光部分的各间距设计得与均匀光栅的间距相同，透光部分和不透光部分的各宽度与波长等于均匀光栅一个间距的正弦波形在M个限幅电平的各宽度。换句话说，不均匀光栅的光栅宽度有正弦波形的幅值信息，不均匀光栅基本上按正弦波光栅同样的方式工作。因此，配合这种均匀光栅刻度盘和不均匀光栅刻度盘工作可以输出不含正弦波谐波分量的位移信号。这样就可处理这种位移信号进行精密的位置测定。主刻度盘可以选用均匀光栅刻度盘和非均匀光栅刻度盘两者的其中一个刻度盘，另一个刻度盘则用作基准刻度盘。

此外，按照本发明，制造刻度盘无需形成正弦波图形，因而不难制取光栅图形精确的刻度盘，从而提高光编码器位置测定的精确性。

此外，按照本发明的一个最佳模式，所提供的光编码器的不透光部分(该部分的宽度彼此不同)分散开来，从而最大限度地减小所述组中透光各部分在宽度上的变化。按照上述模式，可以提高输出光量在空间中分布的均匀性。按照另一个最佳实施例，所提供的光编码器的透光部分分散开来，从而最大限度地减小了不透光部分在宽度上的变化。本发明的这方面，在光检测器阵列用作基准刻度盘的情况下，对光检测器阵列配线部位的固定有好处。此外，当刻度盘要求很小的间距时，用这种分散模式设置可以使处理高度精确，还提高了位置测定精确度。

图1示出了本发明一个实施例的透光式线性编码器。

图2示出了实施例主刻度盘和基准刻度盘的光栅图形。

图3是说明实施例主刻度盘设计过程的示意图。

图4示出了与实施例等效的刻度盘结构。

图5A示出了透过矩形波光栅的透射光的分布情况。

图5B示出了从图5A的透射光波滤除基波的滤波器。

图6示出了本发明另一个实施例的基准刻度盘的光栅图形。

图7示出了本发明另一个实施例的基准刻度盘的光栅图形。

图8示出了本发明另一个实施例的反射式线性编码器。

图9示出了本发明另一个实施例的透光式线性编码器。

图10示出了图9光检测器阵列的检测表面设计。

图11示出了本发明另一个实施例的施转式编码器。

图1示出了本发明一个实施例的透光式线性编码器的结构。主刻度盘11和基准刻度盘12彼此平行配置，且举例说，主刻度盘能沿图1箭头所示的X方向移动。基准刻度盘12的两个光栅部分12a、12b，其相位相对于主刻度盘11相互移动了90度。光源10设在主刻度盘11上方，供将准直光照射到主刻度盘11上，光检测装置13a和13b则设在基准刻度盘12下方。检测装置13a和13b与光栅部分12a和12b相对，检测分别透过光栅部分12a和12b的光量。光检测装置13a和13b为例如光电二极管或光电晶体管。

图2示出了主刻度盘11和基准刻度盘12上的光栅图形。主刻度盘11的均匀光栅(即矩形光栅)由矩形透光部分14和矩形不透光部分15组成，该两部分由Cr薄膜制成，宽度均匀，以均匀的间距P交替排列着。在此实施例中，透光部分14和不透光部分15各自的宽度为10微米，按20微米的间距排列。相反，基准刻度盘12上的光栅部分12a和12b都是不均匀光栅，其中的多个矩形透光部分16，彼此之间的宽度不同，

因而多个矩形不透光部分17彼此之间的宽度也不同。

透光部分16和不透光部分17的宽度按预定的规律确定，使其基本上作为正弦波光栅工作。这个规律稍后即将说明。

虽然各光栅部分12a和12b是不均匀光栅，但其光栅间距都与主刻度盘的相同，即在图2实施例中为20微米。从图2中可以看到，每一个光栅部分12a、12b都由起码一组M(＝10)个光栅单元组成，各单元又由一对透光部分16和不透光部分17组成。就是说，各光栅部分12a和12b由N(其中N为1或大于1的整数)组光栅群组成。

各光检测装置13a和13b都有光检测表面，分别供接收光栅部分12a和12b来的输出光线。因此，检测装置13a和13b适宜分别输出相位彼此相差90度的A相输出信号和B相输出信号。

下面详细说明基准刻度盘12上的上述不均匀光栅的设计方法。图3示出了制取波长与刻度盘光栅间距P相同、等于20微米的正弦波形18的情况。先在底到底的范围绘制正弦波形18。接着按10个限幅电平L1、L2、……、L10以恒定的阶段划分正弦波18的振幅。通过划分正弦波18，可以得出如图3所示的近似于正弦波形18的阶梯式波形19。正弦波形18各限幅电平处的宽度，如图3中所示，为3微米、5微米、6.6微米、8微米、9.4微米、10.6微米、12微米、13.4微米、15微米和17微米。因此，如图2中所示，正弦波形18的上述诸宽度可分派给基准刻度盘12上光栅部分12a和12b的不透光部分17。

如上所述，不均匀光栅部分12a和12b上不透光部分17的各宽度取决于正弦波形18的与均匀光栅的一个间距相应的10个限幅电平的每个宽度，因此彼此具有不同值。换句话说，基准刻度盘12分布性地做为光栅部分12a和12b 10个格子中的宽度信息包括了一周期正弦波形18的面积信息。因此，图2中主刻度盘11与基准刻度盘12之间的关系基本上与图4中所示的矩形光栅的主刻度盘51和正弦波光栅的基准刻度盘52的关系相同。采用上述正弦光栅之所以会减小失真程度的理由如下。

参看图4中的主刻度盘51和基准刻度盘52，主刻度盘51是个矩形光栅。当主刻度盘51受到准直光照射时，透过主刻度盘透射的光量It(X)可用下列傅里叶展开式表示： $\mathrm{It}\left(X\right)=\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{AnSin}\frac{2(2n-1)\mathrm{\πX}}{P}----------\left(1\right)$

其中X是图4所示的测定位置，P是光栅间距，An是n项幅值。(1)式中，直流分量消除掉了，因为该分量用另一反相输出信号通过差分处理消除掉了。

图5A示出了透射光量It(X)与位置X的关系。图5A中，n＝1表示基波分量，n＝Q和n＝3分别表示三次和五次谐波分量。

如图4中所示，当主刻度盘51与间距和主刻度盘51相同的正弦波光栅的基准刻度盘52一起使用时，透过间距为m的基准刻度盘52的透射光量I(X)(即收到的光量)可用下式表示： $I\left(X\right)=M\underset{O}{\overset{P}{\∫}}\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{AnSin}\frac{2(2n-1)\mathrm{\π}(X+X1)}{P}\sin \frac{2n\×1}{P}d\×1---\left(2\right)$

(2)式表明，图5A中的光分布由图5B所示的具有透光部分和不透光部的正弦波滤波器滤过。因此，(2)式中时，收到的光的输出量I(X)可用下式表示： $I\left(X\right)=\frac{\mathrm{MAlP}}{2}\mathrm{COS}\frac{2\mathrm{\πX}}{P}-------\left(3\right)$

n＝2或大于2时，I(X)＝O。不然也可以通过1刻度间隔的积分消除奇次的谐波分量。

图4中的基准刻度盘52用水平限幅线按等间距分成M个部分、再将M个部分X方向成串排列构成1个光栅单元时，可以得出同样的效果。此实施例中基准刻度盘12的光栅部分12a、12b大致与上述1个光栅单元相等。在此实施例中，由于基准刻度盘12把一周期的正弦波信息包括在M个间距的光栅部分中，所以随刻度盘的位移的M个间距收到的光量也可用准正弦波表示。划分值M越大，输出就变得越接近正弦波。本发明人通过模拟试验验证了这一点。

因此，按照上述实施例，奇数次谐波分量也从输出信号消除掉了。但M最好选取3至10的范围。因为若M大于10，基准刻度盘上一组光栅的宽度就太大以致不能均匀照射出去。

此外，按照上述实施例，主刻度盘与基准刻度盘之间间隙的变化，和光栅为正弦波的编码器类似，对输出信号并没有大的影响。

如上所述，按照上述实施例，由均匀光栅组成的主刻度盘和由不均匀光栅组成的基准刻度盘结合起来使用，可以获得谐波失真消除了的准正弦波输出信号。在图2的基准刻度盘中，对调透光部分16和不透光部分17之间的关系，得出的结果还是一样。

图2中，基准刻度盘12上不均匀光栅的宽度分布取得使图3中正弦波形限幅电平的宽度信息依次按宽度顺序指定为不透光部分17的宽度。但具有一周期正弦波信息的一组光栅群中不透光部分的设计是任意的。从图2中可以清楚地看到，即使不透光部分17在光栅部分12a和12b是任意分布的，输出信号在一个间距位移过程中一组的变化还是相同的。

图6示出了比图2的实施例更好的另一个实施例的基准刻度盘12的设计实例。在此实施例中，不透光部分17按一定的规律分散得最大限度地减小了透光部分16在宽度上的变化，具体情况下：最窄的不透光部分(＝3微米)和最宽的不透光部分(＝17微米)彼此毗邻配置，次较窄的不透光部分(＝5微米)和次较宽的不透光部分(＝17微米)彼此毗邻配置，如此类推。按照此实施例，透光部分16在一组光栅群中的分布可比图2中的更均匀。因此可使光量在一组中的空间分布更为均匀。此外，由于无需采用窄于预定值的狭缝，对光编码器的制造有利。

图7示出了基准刻度盘12的另一个实例。在此实施例中，与图6中的实例相比，透光部分16是按图6实例同样的规律分散开的。不然也可以令最窄的透光部分(＝3微米)与最宽的透光部分(＝17微米)彼此毗邻配置，次较窄的透光部分(＝5微米)与次较宽的透光部分(＝15微米)彼此毗邻配置，如此类推。按照如此分布，可以使一组光栅群中不透光部分17的宽度更均匀。

图8示出了另一个实施例的反射式线性编码器，主刻度盘21是均匀光栅，刻度盘上的透光部分和不透光部分(即反射部分)与上述实施例一样按1∶1的宽度比排列。基准刻度盘22的光栅部分22a和22b都是不均匀光栅，每一部分22a和22b对应于上述实施例中的光栅部分22a和22b。基准刻度盘22上设有衍射部分25，供获取来自漫射光源24(例如发光二极管)输出的准直光。光栅部分25是均匀光栅，按周知的三光栅理论用作辅助光源。

按照此实施例可获得与前述实施例类似的失真程度较小的正弦波输出信号。

图9示出了另一个实施例没有基准刻度盘的线性编码器。主刻度盘31是个均匀光栅，其上的透光部分和不透光部分与上述实施例一样按1∶1的宽度比交替排列。光检测装置阵列32面对主刻度盘31配置，接收主刻度盘31来的光。光检测器阵列32用作基准刻度盘。不然也可以将光检测表面按上述基准刻度盘的透光部分类似的方式排列，用作不均匀光栅。图10示出了检测装置阵列32图形的一个实例。光检测部分33和配线部分34分别配置得与图7中透光部分16和不透光部分17一样。

按照此实施例，可以获得与上述实施例类似的失真程度较小的正弦波输出信号。

在图9的实施例中，光接收部分的布局可采用图6光栅的那种布局。但最好还是采用图10等效于图7的那种阵列，因为不象图6的阵列那样，书写区34可以在更宽的范围内固定。

图11示出了另一个实施例的旋转式编码器。从图11中可以看以，该编码器包括用作旋转主刻度盘的转盘41、用作固定基准刻度盘的定盘42(42a，42b)和光检测装置43a、43b和上述实旋例类似，转盘41和定盘42分别由均匀光栅和栅组成。按照此实施例，可以得出失真程度较小的正弦波输出信号。

在上述诸实施例中，虽然主刻度盘采用了均匀光栅，基准刻度盘采用了不均匀光栅，但也可以对调均匀光栅和不均匀光栅的用场。此外，在上述诸实施例中，正弦波信息系限幅并分成10个部分，分散到刻刻度盘的10个分度间隔上。但限幅电平数也可选取任何等于大于2的整数。

虽然上述诸实施例中采用了一对基准刻度盘，但也可以采用四个基准刻度盘输出相位分别为0°、90°、180°和270°的四个位移信号。

此外，在本发明中，一周期正弦波形可以用垂直限幅线分成多个区。

按照本发明，其中一个刻度盘是均匀光栅，另一个刻刻度盘是不均匀光栅，不均匀光栅的透光部分和不透光部分按均匀光栅的等间距配置，透光部分和不透光部分的各宽度与波长等于均匀光栅一个间距的正弦波形在M限幅电平处的各宽度。因此能输出失真程度较小的位移信号，从而用该位移信号可以精确测定位置。此外，按照本发明，要制造刻度盘，无需形成正弦波图形，因而不难制取光栅图形精确的刻度盘，从而提高了光编码器位置测定的精确度。

Claims (9)

1.一种光编码器，具有第一和第二刻度盘、一个光源和一个光检测装置，所述两刻度盘彼此平行配置，并可彼此相对移动，刻度盘上都分别按预定间距形成有光栅，所述光源的准直光照射到第一刻度盘上，光检测装置用以检测透过第二刻度盘的透射光，透射光的阴影图形借助于第一和第二刻度盘之间的重叠状态加以调制，其特征在于，

所述第一和第二刻度盘中的一个的光栅是均匀的，由多个矩形透光部分和多个矩形不透光部分按预定间距交替排列组成，各矩形透光部分的宽度均匀；

所述第一和第二刻度盘中的另一个的光栅是不均匀的，由至少一组M(其中M是等于或大于2的整数)对矩形透光部分和矩形不透光部分组成，这些对按均匀光栅同样的间距配置，所述不均匀光栅上的所述矩形透光部分在所述一组M对中的宽度彼此不同，从而含有其波长等于所述均匀光栅一个间距的一个周期正弦波形的信息。

2.如权利要求1所述的光编码器，其特征在于，所述一个周期正弦波形按底到底的范围表示，且所述透光部分的各宽度取等于所述一个周期正弦波按M个不同限幅电平所限幅的各限幅部分的宽度。

3.如权利要求1所述的光编码器，其特征在于，M选取3至10之间的整数。

4.如权利要求1所述的光编码器，其特征在于，所述第一刻度盘为主刻度盘，所述第二刻度盘为基准刻度盘，基准刻度盘上配置有至少两个不均匀的光栅，使输出的信号至少为两个相位彼此相差90度的正弦波位移信号。

5.如权利要求1所述的光编码器，其特征在于，所述第一刻度盘为主刻度盘，所述第二刻度盘为光检测装置阵列，用作基准刻度盘。

6.如权利要求1所述的光编码器，其特征在于，所述不均匀光栅的所述不透光部分分散在所述一组M对中，从而最大限度地减小所述不均匀光栅的所述透光部分在宽度上的变化。

7.如权利要求1所述的光编码器，其特征在于，所述不均匀光栅的所述透光部分分散在所述一组M对中，从而最大限度地减小所述不均匀光栅所述不透光部分在宽度上的变化。

8.如权利要求1所述的不编码器，其特征在于，所述第一和第二刻度盘制成线性刻度盘。

9.如权利要求1所述的光编码器，其特征在于，所述第一和第二刻度盘制成旋转式编码器。

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