CN1538149A - 光电式编码器 - Google Patents

Abstract

一种可在一种接收光部对应不同间距的主尺的光电式编码器。其用相对上述主尺移动的由指示光栅(31)和接收光元件(32)组成的接收光部(30、33)检测至少由主尺(20、40)上的光栅(21、42)产生的干涉条纹。通过在上述主尺与接收光部之间插入透镜(60)和/或孔阑(62)，调整该透镜或孔阑与主尺和接收光部之间的距离(a，b)或(m，l)，进行放大率设定。

Description

光电式编码器

技术领域

本发明涉及一种光电式编码器，其用相对上述主尺移动的由指示光栅和接收光元件组成的接收光部检测至少由主尺上的光栅产生的明暗条纹。还涉及代替由指示光栅和接收光元件组成的接收光部，用把指示光栅和接收光元件形成一体化的接收光元件阵列进行检测的光电式编码器。另外，明暗条纹可以设定成通过光学设计形成干涉条纹或主尺的像。

背景技术

现在，使用如图15中所述的透射型光电式编码器。在图中，10是光源，12是用于使从光源10射出的光变成平行光的准直透镜、20是在其表面(在图中是下面)上形成预定间距P的第一光栅21的透射式主尺、30是接收光部，其组合有规定间距Q的指示光栅31和接收光元件32。

在图15中，由于指示光栅31和接收光元件32是分开的单个部件，所以必须分别安装。另外，为辨别方向(A相、B相)必须要多个接收光元件32A、32B，为使其感光性和温度特性一致，必须对元件进行选择。

如专利文献1所述，如图16(主视图)和图17(沿图16的III-III线的平面图)所示，提出使用规定间距Q的指示光栅和接收光元件32一体化的接收光元件阵列33作为接收光部的透射型光电式编码器的方案。在图17中，34是前置放大器，36A、36B是差动放大器。

采用这样的接收光元件阵列33具有小型化和提高信号稳定性等许多优点。

另外，在反射型光电式编码器中，如专利公报2中所述，往往应用三光栅原理。更具体地说，如图18所示，通过相互移动使由两个光栅(指示尺50上的第一光栅51和反射型的主尺40上的第二光栅42)产生的干涉条纹的位置发生变化，然后，在指示尺50上的第三光栅(指示光栅)53滤掉该干涉条纹，而检测相对移动量。通过组合接收光阵列33(在图18中向下配置)而获得上述的优点。

(专利文献1)专利第2610624号公报

(专利文献2)特公昭60-23282号

可是，由于接收光侧的光栅间距Q也由主尺20、40的光栅间距P确定，因此要对应具有与间距P不同光栅间距的主尺时，同时一定要更换接收光部侧。另外，因为从主尺20、40的光栅21、42的面只在由其光栅间距P和光波长λ决定的距离产生明暗条纹，所以，不管采用/不采用接收光元件阵列33，在主尺和接收光部的间隙都变动的场合存在信号输出大幅下降的问题。

另外，利用三光栅原理的反射型光电式编码器如图18所示，通常在主尺40上形成第二光栅42。如图19所示，在主尺40的表面上存在波纹的场合，还存在因光的反射角变化的影响而发生测量误差的问题。

发明内容

本发明是为解决上述现有技术中的问题而提出的，提供一种即使采用一种接收光部，也能对应不同间距的主尺且结构简单的光电式编码器。

本发明的光电式编码器，其用相对上述主尺移动的由指示光栅和接收光元件组成的接收光部检测至少由主尺上的光栅产生的明暗条纹，通过在上述主尺与接收光部之间插入透镜并调整该透镜与主尺和接收光部之间的距离进行放大率设定，从而解决所述述问题。另外，明暗条纹可以通过光学系统设计成形成干涉条纹或主尺的像。

另外，把所述指示光栅和接收光元件一体化而形成接收光元件阵列，可以使结构简单。

另外，通过在上述透镜的焦点位置上插入孔阑或者用透镜阵列作为上述透镜，提高间距变动特性。

另外，在上述透镜阵列的焦点位置上插入孔阑阵列。

另外，在所述透镜阵列相邻的透镜间设置隔板，防止从相邻的透镜射入眩光。

另外，所述主尺是反射型可以减少尺表面的波纹的影响。

另外，使用扩散光源，所述透镜也作为准直透镜，可以使结构简单。

本发明的另一种光电式编码器，其用相对上述主尺移动的由指示光栅和接收光元件组成的接收光部检测至少由主尺上的光栅产生的明暗条纹，通过在上述主尺与接收光部之间插入孔阑，调整该孔阑与主尺和接收光部之间的距离，进行放大率设定，从而解决所述问题。

另外，把所述指示光栅和接收光元件一体化成接收光元件阵列，可以使结构简单。

根据本发明，可在一种接收光部对应不同间距的尺。

特别是在插入孔阑时，可以减少主尺与接收光部之间间距变动的影响而得到稳定的信号。

另外，在反射型的，可以减少尺的波纹的影响。

另外，在省略透镜时，由于不使用透镜，所以可降低成本且可以更小型化并自由地设定倍率。

附图说明

图1是表示本发明第一实施例的主要部分构成的立体图；

图2是表示本发明第一实施例的光学系统的光路图；

图3是表示使用接受光元件阵列的本发明第二实施例的光学系统的光路图；

图4是平凸透镜的焦点距离和透镜直径的关系图；

图5是表示使用透镜阵列的本发明第三实施例的光学系统的光路图；

图6表示在透镜阵列组合接受光元件阵列的本发明第四实施例的光学系统的光路图；

图7表示在透镜阵列间设置隔板的本发明第五实施例的光学系统的光路图；

图8表示不使用孔阑的本发明第六实施例的光学系统的光路图；

图9是构成反射型的本发明第七实施例的光学系统的光路图；

图10不受由尺的波纹产生的角度变化影响的说明图；

图11表示使用分光镜构成的本发明第八实施例的立体图；

图12表示使用反射型扩散光源构成的本发明第九实施例的光学系统的光路图；

图13表示省略透镜的本发明第十实施例的光学系统的光路图；

图14表示使用接受光元件阵列省略透镜的本发明第十一实施例的光学系统的光路图；

图15现有的透射型光电式编码器的一例构成的正面图；

图16是表示使用接收光元件阵列的现有的透射型光电式编码器的一例构成的正面图；

图17是沿图16III-III线的接收光元件阵列的平面图；

图18是表示利用三光栅原理的现有的反射型光电式编码器一例构成的立体图；

图19是用来说明图18的现有例的问题的示意正面图。

具体实施方式

下面参照附图详细说明本发明的实施例。

本发明的第一实施例，在与图15所示的现有例同样的透射型光电式编码器中，如图1(立体图)和图2(光路图)所示，用光源10作为光源，同时在主尺20的第一光栅21与接收光部30之间插入透镜60和孔阑62，通过调整该透镜60与第一光栅21和指示光栅31间的距离a、b来进行放大倍数设定。

在本实施例中，来自光源10的光通过主尺20的第一光栅21射到透镜60上。从透镜60出来的光中，沿着通过设置在透镜焦点上的孔阑62的光轴的部分到达指示光栅31，形成第一光栅21的像。

在此，根据主尺20的第一光栅20的间距p1与指示光栅31上的像间距p2的关系，求出放大率，为下式：

M＝p2/p1＝b/a..........(1)。

并且，为了得到像，以满足：

1/f＝(1/a)+(1/b)..........(2)

(f：透镜的焦距距离)的方式，确定各部件的间隔。如表1所示。

表1

	例1	例2
			主尺的间距：p1	20μm	10μm
指示光栅的间距：p2	20μm
			放大率：M	1	2
透镜的焦距距离：f	3mm
			尺—透镜间距离：a	6mm	4.5mm
透镜—指示光栅间距离：b	6mm	9mm
			用(4)式求出的N.A.(DOF＝100μm)	0.066

这样的编码器结构的间隙变动特性与透镜光学系统的焦点深度DOF有很大关系。焦点深度DOF越大，间隙变动允许范围也越宽。焦点深度DOF用下面的(3)式表示。

DOF＝λ/(2×N.A.²)...............(3)

式中，λ是光源的波长。

焦点深度DOF，即间隙的变动范围，由于根据编码器的用途分别具有必要的值，所以也可以与此一致地设定N.A.。从而，

DOF＜λ/(2×N.A.²)

$N.A.<\sqrt{\mathrm{\&lambda;}/(2\&times;\mathrm{DOF})}...............\left(4\right)$

在此，作为焦点深度DOF，设定为必须是100μm时，N.A.一定比用(4)式求出的值小。在此，光源波长λ为880nm。

$N.A<\sqrt{\mathrm{\&lambda;}/(2\&times;\mathrm{DOF})}$

$=\sqrt{880\mathrm{nm}/(2\&times;100\mathrm{\&mu;m})}$

$=0.066$

另外，光学系统的N.A.用下式(5)求出。

N.A.＝(1/2)·(e/a)＝(1/2)·d/(b-f)·M＝d/(2f)...............(5)

式中d是孔阑的大小，e是透镜上的光束直径。

这样，通过具有20μm的指示光栅间距p2的接收光部，可以使主尺间距p1分别对应10μm和20μm。

另外，本发明第二实施例，如图3所示，可以把接收光部30换成与图16同样的接收光元件阵列33。

在第一和第二实施例，仅一个光轴，作为第三、四实施例，以下说明使用透镜阵列和孔阑阵列，检测由多个光轴组成的光学系统的构成。

首先，在第一和第二实施例，由于透镜的焦点距离是3mm，所以连接主尺-透镜-指示光栅的距离是12～13.5mm，为进一步实现小型化，有必要使透镜的焦点距离变小。

但是，透镜的焦点距离变小后，在一般可得到的透镜中，其直径小(图4中表示由日本光学埃德蒙德株式会社作的一系列平凸透镜的焦点距离和透镜直径的关系)。透镜的直径变小后，可检测的主尺上的视野变窄。

在此，图5是表示使用透镜阵列70和孔阑阵列72的第三实施例。在图5中，决定主尺的第一光栅21、透镜阵列70、孔阑阵列72和指示光栅31之间的距离的方法与第一实施例相同，如表2所示。

表2

	例3	例4
			主尺的间距：p1	20μm	10μm
指示光栅的间距：p2	20μm
			放大率：M	1	2
透镜的焦距距离：f	0.6mm
			尺—透镜间距离：a	1.2mm	0.9mm
透镜—指示光栅间距离：b	1.2mm	1.8mm
			用(4)式求出的N.A.(DOF＝100μm)	0.066

在图6表示把接受光部30换成接受光元件阵列33的第四实施例。

在用透镜阵列时，存在从相邻的透镜射入眩光的可能性。在此，如图7所示的第五实施例，在透镜阵列70和孔阑阵列72之间设置隔板74可以防止眩光

另外，在透镜阵列70的N.A.小而不需要孔阑时，如图8所示的第六实施例可以省略孔阑阵列。

以上介绍透射型的，在反射型，如图9所示的第七实施例基本有相同构成。这里，在本实施例，倾斜射入的平行光在反射型主尺40的第一光栅41发散的光受到孔阑62的限制，结果，限制N.A.的光导向接受光部30。

如第七实施例所示，在反射型主尺40构成对应由透镜60组成的光学系统时，从主尺上某点射出的光由主尺的表面波纹形成错位，如图10透射型模式表示，由透镜60而聚在某一点。从而，主尺表面的波纹在±N.A.以内不受表面的波纹的影响。

另外，图11中表示在兼作准直透镜的透镜60的焦点设置扩散光源11的第八实施例，在图11中，借助于分光镜61，在透镜60的焦点位置设置扩散光源11。从而，从透镜60照射到主尺40的光成为平行光，在主尺40中第一光栅41反射的光通过透镜60和分光镜61导向孔阑62。由于作为光源的扩散光源11和孔阑62也都位于透镜60的焦点位置，所以可有效利用光。

在图12中，表示使用反射型扩散光源11的第九实施例，除光源以外，由于与图9中所述的第七实施例相同，所以省略详细说明。

在前面的实施例无论哪个都使用了透镜，但也可省略透镜。

图13表示在接受光部使用指示光栅31和接受光元件32A、32B的第一实施例(参考图2)中省略透镜的第十实施例

图14表示在接受光部使用接受光元件阵列33的第二实施例(参考图3)中省略透镜的第十一实施例

省略透镜的第十、十一实施例的倍率M，用下式求出：

M＝m/l...............(6)

在此，m、l分别是孔阑62和第一光栅21及指示光栅31间的距离。

在第十、十一实施例，光量少，间距变动时像倍率M变动，由于不用透镜，因此使成本下降且可更小型化并可自由地设定倍率。

在所述实施例中，使用孔阑可以减少间距变动的影响而得到稳定的信号。另外，在间距变动不成为问题的情况下，如第六实施例也可以省略孔阑。

Claims (10)

1.一种光电式编码器，其用相对上述主尺移动的由指示光栅和接收光元件组成的接收光部检测至少由主尺上的光栅产生的明暗条纹，其特征在于，通过在上述主尺与接收光部之间插入透镜，调整该透镜与主尺和接收光部之间的距离，进行放大率设定。

2.如权利要求1所述的光电式编码器，其特征在于，所述指示光栅和接收光部一体化成接收光元件阵列。

3.如权利要求1所述的光电式编码器，其特征在于，在上述透镜的焦点位置上插入孔阑。

4.如权利要求1所述的光电式编码器，其特征在于，用透镜阵列作为上述透镜。

5.如权利要求4所述的光电式编码器，其特征在于，在上述透镜阵列的焦点位置上插入孔阑阵列。

6.如权利要求4所述的光电式编码器，其特征在于，在所述透镜阵列相邻的透镜间设置隔板。

7.如权利要求1所述的光电式编码器，其特征在于，所述主尺是反射型。

8.如权利要求1所述的光电式编码器，其特征在于，使用扩散光源，所述透镜也作为准直透镜。

9.一种光电式编码器，其用相对上述主尺移动的由指示光栅和接收光元件组成的接收光部检测至少由主尺上的光栅产生的明暗条纹，其特征在于，通过在上述主尺与接收光部之间插入孔阑，调整该孔阑与主尺和接收光部之间的距离，进行放大率设定。

10.如权利要求9所述的光电式编码器，其特征在于，所述指示光栅和接收光部一体化成接收光元件阵列。

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