CN1161632C - 光学旋转编码器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学旋转编码器，包括：光源；单个不动板；旋转狭缝板；和光接收元件，其中所述波带片沿所述狭缝排列方向排列，以及相邻波带片的中心的距离由表达式n·Ls表示，Ls代表相邻两个所述狭缝的空间间距，n代表一个整数。本发明的光学旋转编码器，能使波带片会聚的光进入狭缝，以便用光接收元件检测。相邻狭缝的间距可以显著减小，从而极大地增加旋转量的检测精度。

Description

光学旋转编码器

技术领域

本发明一般涉及一种光学旋转编码器。

背景技术

图5是一个透视图，画出一个典型的常用光学旋转编码器的结构。参照该图，其结构为：两个带有狭缝的部件插在光源101与光接收元件102之间，光源101比如用LED(或激光二极管)。两个部件中，靠近光源101的是旋转狭缝部件103，它能与待测物体一起旋转。此旋转狭缝部件是一个圆盘，沿半径方向开有许多狭缝103a，狭缝以规则的间距沿圆周方向排列。另一个部件是不动的狭缝部件104，固定在不动的部分(未画出)上，上面开有若干狭缝104a，这些狭缝排列的空间间距与旋转狭缝部件103相同。

旋转狭缝部件103被一光束照射，比如一束LED光束，它从放在旋转狭缝部件103前面的光源101射出，穿过狭缝103a与104a的光，被放在不动狭缝部件104后面的光接收元件102检测。因此，光接收元件102检测旋转狭缝部件103每一次旋转量的光，对应于一个狭缝间距Ls，给出一个脉冲输出。因此，通过对脉冲输出的计数，便能检测旋转量。就是说，光接收元件的检测精度，取决于每个旋转量的脉冲输出数目，从而，要改善光接收元件102的检测精度，必须减小狭缝103a和104a的相应狭缝间距Ls。

然而，如果为了改善上述通常光学旋转编码器的检测精度，而减小狭缝间距Ls，那么旋转狭缝部件103与不动狭缝部件104之间的距离d也必须与狭缝间距Ls的平方值成比例地减小。但遗憾的是，光学旋转编码器在装配时，对距离d的减小存在一定限制，从而也限制了狭缝间距Ls的减小。这就导致对检测精度改善的限制。

发明内容

鉴于前文的论述，本发明的一个目的，是提供一种光学旋转编码器，它的设计能进一步增加其检测精度。

本发明的光学旋转编码器，包括：

光源；

不动板，垂直于光源发出的光的光轴，此不动板至少有一片波带片；

旋转狭缝板，它能旋转且沿光发射方向离开不动板一个波带片的焦距的距离，旋转狭缝板的狭缝按预定的空间间距沿一圆周排列，圆周则在半径与光轴相交的位置上；以及

光接收元件，放在贴近旋转狭缝板的位置，用于检测穿过狭缝的光。

改进后的上述光学旋转编码器，能使波带片会聚的光进入狭缝，以便用光接收元件检测。因为波带片的焦距依赖于波带片最里面那个圆周的半径，适当选取该圆的半径，可以减小光束半径，使之接近衍射极限，同时使波带片的焦距，即不动板与旋转狭缝板的距离保持在一定范围，比如能够装配光学旋转编码器的范围。因而，相邻狭缝的间距可以显著减小，极大地增加旋转量的检测精度。

还有，上述旋转编码器还可构作成有多个波带片，这些波带片顺着狭缝排列方向排列，相邻两波带片的中心距表示为n·Ls，这里Ls是相邻两狭缝的间距，n是个整数。在这种结构中，多个波带片的存在，增加了穿过的光的总量，从而有利于光接收元件的检测。此外，接收的光量也能通过改变波带片的数目而任意调整。

在上述旋转编码器中，波带片可以是菲涅耳波带片，它由多个同心的圆形波带构成。菲涅耳波带片的作用像个透镜，用它把光会聚成精细的光点。因此便于减小相邻狭缝的间距。此外，波带片也可以是直条形波带片，它由许多沿狭缝纵向平行伸延的直条形波带构成，位于光源发出的光的光轴上。直条形波带片把光会聚成直线状，与狭缝形状相对应，因而，即使狭缝偏移正常位置，会聚成直线的光至少有部分可以容易地穿过狭缝。这就可以使光接收元件进行检测从而实现稳定的检测。

附图说明

图1是透视图，画出本发明第一个实施例中的光学旋转编码器结构；

图2是前视图，画出图1所示旋转狭缝板的整体形状；

图3是透视图，画出本发明第二个实施例中的光学旋转编码器结构；

图4是透视图，画出本发明第三个实施例中的光学旋转编码器结构；和

图5是透视图，画出通常的光学旋转编码器结构。

具体实施方式

下面，本发明的各个优选实施例将参照附图加以描述。

图1是在x、y和z三个座标中的透视图，画出本发明一个实施例中的光学旋转编码器结构的基本部分。此图并未按实际长度或大小的比例画出，为的是更清晰地表示结构的基本部分。参照此图，不动板1固定在平行于x-y平面的平面内，上面有多个波带片2沿x方向按规则的空间间距排列。在此实施例中，多个波带片2排成两行五列，每个波带片2都是菲涅耳波带片，由多个同心的圆形波带构成。光源3由一个LED或多个LED组成，要把光源3放在这样的位置，使其光轴沿垂直于不动板1的z方向，并把光射向波带片2。顺便指出，也可以用多个光源3与各个波带片2相对应。一块旋转狭缝板4，它可与旋转量待测的物体一起旋转，且平行于x-y平面放置，在z方向上与不动板1离开一段距离d。整块旋转狭缝板4的形状像个圆盘，如图2所示。要这样安放旋转狭缝板4，使它与光轴成直角相交，相交的位置在距旋转中心O为rs的半径上。旋转狭缝板4有多个径向狭缝4a，沿半径rs的圆周以规则的空间间距Ls排列(图1)。各列上的各对波带片2与狭缝4a对应，也沿径向排开，因此每一行上相应的五个波带片2，严格说来，是排列在一弧上。光接收元件5放在旋转狭缝板4后面并紧靠旋转狭缝板4，且沿x-y平面平行伸延。

应该指出，相邻狭缝的空间间距Ls(以后称为狭缝间距Ls)比半径rs小很多。因此，像画在图1上的少量狭缝4a可以认为排在一条直线上。相应地，波带片2也可以沿x方向排在一条直线上。

在上述结构中，狭缝间距Ls由下面的表达式给出，式中，旋转狭缝板4旋转一圈时，光接收元件5检测到的脉冲数目记以Ps：

  Ls＝2π·rs/Ps。狭缝4a的缝宽W，它等于狭缝间距Ls之半，由下式给出：

  W＝π·rs/Ps。不动板1与旋转狭缝板4之间相对于Z方向的距离d，等于波带片2的焦距，由下式给出：

  d＝(s1²)/λ，其中s1表示波带片2最里面的圆的半径，λ表示LED发出的光波长。

为了给出类似于现有旋转编码器结构的一个光学系统，波带片2要按给定的空间间距排列，每个空间间距是狭缝间距Ls的整数倍。就是说，相邻被带片2的空间间距要表示为n·Ls。整数n的最小值由下式给出：

$n=\frac{\mathrm{Ps}\sqrt{{\mathrm{\ξ}}_{\max }\mathrm{\λd}}}{\mathrm{\π}\·\mathrm{rs}}+1$

这里ζ_max表示波带片2的圆环数目。当选定了由上式得到的整数n后，相邻波带片的空间间距就可以成为极小。顺便指出，所要求的波带片2的数目，取决于光接收元件5收集到的，穿过狭缝4a的光量以及该元件的最低灵敏度之间的关系。

上述表示式的一个特定数值例子给出于下。

当给定下述数值时：

LED波长λ＝0.74μm，

脉冲数Ps＝5000脉冲/转

焦距d＝200μm，和

半径rs＝14mm，

可得下述数值：

$s1=\sqrt{0.74\×200}=12.16\mathrm{\μm},$

W＝π×(14/5000)＝8.8μm，

Ls＝2π×(14/5000)＝17.6μm，

$\mathrm{\ρ}2=\sqrt{2\×0.74\×200}=17.2\mathrm{\μm},$

$\mathrm{\ρ}3=\sqrt{3\×0.74\×200}=21.1\mathrm{\μm},$

I_o＝16×I_oo(N＝3)，和

n＝3

其中，ρ2表示第二波带半径；ρ3表示第三波带半径；I_o表示在波带片焦点上的光强；I_oo表示不存在波带片时相应于波带片焦点上的光强；最后，N表示波带数目。

在上述结构中，当光源3向以规则的空间间距排列的多个波带片2发射光时，波带片2的作用就像透镜，把光会聚成以规则的空间间距排列的精细的光点。因为相邻的精细光点的空间间距是狭缝间距Ls的整数倍(n·Ls)，所以对旋转狭缝板4转动时的响应，是让所有光点同时穿过狭缝4a然后又同时挡住，如是重复这个过程。按照此过程的重复率，光接收元件5输出与旋转狭缝板4的旋转量相对应的开-关(脉冲的)信号。

根据表达式d＝(s1²)/λ给出的波带片2的焦距，它等于不动板1与旋转狭缝板4的距离，因此通过改变波带片2最里面的圆的半径s1，可以任意设定距离d。

此外，众所周知，波带片2可以把光束会聚成直径接近于衍射极限的光束。因此，可以利用半导体的刻图技术，例如光刻技术，改进波带片2的刻图精度，产生具有预定最小直径光斑的会聚光，在不动板1与旋转狭缝板4的距离d保持在编码器装配所允许的任何值的条件下，可使狭缝间距Ls做得尽可能小。

还有，凭借波带片2把LED的光会聚成精细的光点这一有利条件，LED光经狭缝4a的通/断而产生的开/关信号，可以有更高的信噪比。另外，通过改变波带片2的数目，改变波带片2中心圆的半径以及波带片2内波带的数目，能够调整接收的光量，因而提供更多的设计自由度。

还有，刻制波带片图形时，把波带中心移位Ls/4，便可容易地得到熟知的A/B两相输出。

应当指出，上述实施例用带有多个波带片2的例子来说明，但从原理上说，可以只用一个波带片2。

图3是个透视图，画出带有一个波带片的光学旋转编码器作为本发明的第二个实施例。除了不动板1只包含一个波带片2以及光接收元件沿x方向缩小了尺寸以与波带片2的尺寸相称，此实施例与第一个实施例有相同结构。

在上述这种结构中，有限的光量使光接收元件5在检测时略有困难。不过，此实施例提供的旋转编码器的高精度检测特性则与本发明第一实施例提供的相同。

图4是个透视图，画出本发明的第三个实施例。在此实施例中，代替第二个实施例同心地形成的波带片2，给出一个直条形波带片6。更详细地说，直条形波带片6是由直条形波带组成，这些直条形波带平行于在光轴上的狭缝4a的纵向(y方向)伸延。在此情形下，LED的光被会聚成一条沿y方向伸延的直线。因此，即使狭缝4a沿y方向偏离其正常位置，只要至少有部分会聚成直线的LED光穿过狭缝4a，也能被光接收元件5检测。

顺便指出，与第一个实施例类似，此第三个实施例还可以包括带有多个直条形波带片6的情形。

Claims (3)

1.一种光学旋转编码器，包括：

光源；

单个不动板，垂直于所述光源射出的光的光轴，所述不动板上有多个波带片；

旋转狭缝板，它可以旋转并沿所述光发射方向与所述不动板离开一个所述波带片的焦距的距离，所述旋转狭缝板具有多个狭缝，该多个狭缝沿一圆周按预定的空间间距排列在与所述光轴相交的半径位置上；和

光接收元件，放在贴近所述旋转狭缝板的位置，用于检测穿过所述狭缝的光，其中

所述波带片沿所述狭缝排列方向排列，和

相邻波带片的中心的距离由表达式n·Ls表示，Ls代表相邻两个所述狭缝的空间间距，n代表一个整数。

2.权利要求1所述的光学旋转编码器，其中

所述波带片是菲涅耳波带片，它由多个圆形波带同心地构成。

3.权利要求1所述的光学旋转编码器，其中

所述波带片是直条形波带片，其上有直条形波带，直条形波带平行于放在光源的所述光轴上的所述狭缝纵向伸延。

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