CN1540431A - 光编码器 - Google Patents
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Abstract
一种光编码器，其环境抵抗性能通过增加对树脂制光编码盘材料选择的多样性而得以改进。用作制造光编码器编码盘的至少一个编码光栅的材料要满足条件“在半透明区关于检测光具有70％或更高的光谱传输率，关于可见光波长范围的一部分光(例如兰光)具有50％或更低的光谱传输率”。如果采用波长在800毫微米和1000毫微米之间的红外光作为检测光，采用作为有色树脂材料的聚醚酰亚胺，聚醚砜或聚苯砜是更优越的。与惯常使用的透明无色的材料(聚甲基丙烯酸甲酯，聚碳酸酯，玻璃等)相比，这些材料的抗热、抗油等性能良好，并且在恶劣的环境中几乎不会引起变软，变形，白混浊等。
Description
技术领域
本发明涉及一种光编码器，用于与诸如马达的旋转轴或类似的装置组合使用，尤其涉及一种采用由树脂材料做成编码盘的光编码器。
背景技术
通常，以透明玻璃制造的、配备以用铬沉积和蚀刻技术制成的光栅的编码盘，被用作要求高精度的光编码器的编码盘。但是，近年来，由于成型和转换(transfering)技术的改进，非常有可能采用无色透明的光树脂来取代玻璃材料。其主要理由是，一般而言，与玻璃相比，在大量生产中树脂材料由于易于成型是极优秀的，它具有制造成本低的优点。透明树脂制编码盘的众所周知的结构有许多不同的种类。在图1中示出了这样的结构的一个实例。
如图1所示，一由树脂制成的编码盘的编码光栅包括平板部分和具有一组V形沟槽的部分，平板部分用作直接传输从光源(未示出)来的光的半透明区，V形沟槽部分用作不透明区(反射区)。将沟槽部分的每个V形沟槽制造成具有一斜角，该斜角能引起从编码盘内部射入的光全反射。同样可将具有这样的编码光栅的树脂制编码盘用在一类用检测单元检测传输光或反射光的光编码器中。倘若用检测单元检测的是传输光，传输光形成所谓的“光亮区”，对应于具有一组V形沟槽的部分(反射区)，形成了所谓的“黑暗区”。反之，倘若用检测单元检测的是反射光，反射光形成了所谓的“光亮区”，而对应于半透明的部分，形成了所谓的“黑暗区”。
红外发光二极管被广泛地用作发射供检测用光的光源。在这种情况下，采用波长在大约800毫微米到1000毫微米之间、并具有高的敏感度的红外线光作为供检测的光接收要素。通常采用的透明树脂是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)或类似的材料。正如以后将阐述的，这些材料在从兰光延伸到红外光的很宽的波长范围内，具有高的光谱透射率。这些材料是相当透明无色的，在模压性和可转换性(transferability)上也是很出色的。由于这样的材料特性，这些材料不但被广泛地用来制造树脂编码盘，而且被广泛地用来制造其它光学元件，如光盘CD和数字化视频光盘DVD的光学盘片。
但是，通常用来制造编码盘的树脂，例如聚甲基丙烯酸甲酯和聚碳酸酯，在抗热性和抗油性(抵抗油性物质的性能)上是有很大的缺陷的。由于光编码器最典型地是被使用在工业马达的旋转轴的外围，很容易达到相当高的温度，因此这种缺陷是不可忽略的。在这种地方，光编码器很可能会接触到高温蒸气和切削油。假如在这样恶劣的环境下，使用由聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯制成的光编码盘，高温蒸气和切削油脂引起光编码盘表面状态恶化和白混浊、光编码盘表面软化造成V形沟槽表面形状改变从而不能得到满意的光影对比度这样的问题和类似的问题就会产生。
采用树脂制编码盘的光编码器的已公开实例包括日本专利JP7-270185A、JP 10-170308A、JP 10-239108A和JP 11-201779A。专利JP7-270185A描述了一种旋转盘片(编码盘)，它是这样形成的：将两张基材为塑胶树脂的透明薄膜盘片相互粘合在一起，将一种感光材料施加到其一侧形成在圆周方向具有一组裂缝的裂缝侧，而在另一侧上用与裂缝侧相同的材料形成透明侧以防止旋转盘片(编码盘)的变形。
专利JP 10-170308A公开了一种旋转的编码器，这种编码器采用的编码盘是通过在光传输合成树脂制成的盘片上提供一组凹进凸出的部分、并采用在凹进部分填满不传输光物质的结构形成的。专利JP 10-239108A描述了一种编码盘，它的由一排透镜元件组成的转换部分(编码光栅)是通过塑胶模注型法形成的。专利JP 11-201779A公开了一种丙烯酸树脂制编码盘，这种编码盘被分成第一类条形区域和第二类条形区域，以产生具有互相不同的光路径的第一类输出光和第二类输出光，在这种编码盘中，至少第一类区域或第二类区域中的一个区域具有光路径变换功能。
虽然上面所描述的现有技术实例的每一个都采用了塑胶作为编码盘的结构材料，但是他们中没有一个教授了采用有色树脂材料的技术。这意味着，在现有技术的水平上，还没有意识到，只要有色材料关于检测光波长具有足够的光谱传输率，编码盘也可以用有色材料制成，而且，在现有技术的水平上，以为用于制造光编码器编码盘的材料必须是透明无色的。这样的固定了的概念阻碍了自由地选用具有对高温蒸气、切削油等有高的抵抗性能的材料。
至于专利JP 7-270185A，虽然采用了一种防变形的反措施，但其文件中所公开的观念并不是基于这样的概念的，即：假如编码盘材料关于检测光波长具有足够的光谱传输率，编码盘也可以是有色的。因此，公开在其文件中的发明旨在以两个薄膜盘片相互粘合在一起的结构形成编码盘来解决问题。但是，这样的粘合结构在成本上是不利的，此外，粘合的部分也可能脱落。
发明内容
本发明使我们有可能抛弃“用于制造光编码器编码盘的材料必须是透明无色的”这样一种固定的观念来选择树脂材料，从而自由地将具有对高温蒸气、切削油和类似物质具有优秀抵抗性能的材料用于光编码器的编码盘(尤其是编码光栅)。
本发明的光编码器包含有：一用于发射光的光发射单元；一光接收单元，用于检测从光发射单元发出的、波长在预定检测范围内的光；一编码盘，安置在光发射单元和光接收单元之间，并具有树脂材料制成的、由半透明区和不透明区构成的编码光栅。在编码光栅的半透明区，树脂材料关于波长在预定检测范围内的光具有不小于70％的光谱传输率，树脂材料关于波长在预定检测范围外的光具有不大于50％的光谱传输率，而且，不大于50％的光谱传输率的范围至少是可见光波长范围的一部分。
波长在预定检测范围内的一种典型的光是红外光。树脂材料关于兰色可见光可具有不大于50％的光谱传输率。
树脂材料可从聚醚酰亚胺(Polyetherimide)，聚醚砜(Polyethersulfone)和聚苯砜(Polyphenylsulfone)中选取。这些材料在800毫微米到1000毫微米的范围内显示了高的光谱传输率并对于高温蒸气，切削油和类似的物质具有极好的抵抗性能。
但是，用肉眼看来，这些材料塑成的物品呈现类似琥珀那样的黄色。因此，由于上述传统固定的观念，上面所列出的材料曾经是不在选择之列的。
即使这些材料看来具有不适合用于要求高精度的光学元件的特性，只要这些材料满足上面的条件，就没有什么问题。本发明的意义在于加宽了材料的选择范围，并实现了如上所列具有优秀环境抵抗性能的特定材料(聚醚酰亚胺，聚醚砜或聚苯砜)的实际应用。
在本发明中，指定“关于检测光其光谱传输率为70％或更高”是考虑了切实际可用的、关于检测光的光谱传输率条件的结果。此外，指定“关于波长与用于检测的波长不同、且属于可见光波长范围的光的至少一部分其光谱传输率为50％或更低”是基于树脂材料可以是例如黄色的这样的概念。
附图说明
图1为一视图，用以说明采用透明树脂的编码盘结构的一个实例；
图2为一示意性的视图，用以说明本发明所采用的光编码器结构的一个实施例；
图3为一局部的横截面视图，用以说明图2中光编码器编码盘的编码光栅，和一固定裂缝构件及一光接收单元；
图4为一横截面视图，用以说明从图2的光编码器编码盘的编码光栅所摘出的一部分；和
图5为一曲线图，用以说明聚醚酰亚胺和聚甲基丙烯酸甲酯的光谱传输率曲线，以及通常采用的透明无色材料(磷酯胆碱，玻璃等)的一般光谱传输率曲线。
具体实施方式
图2是一示意性的视图，用以说明本发明所采用的光编码器结构的一个实施例。如图2中所说明，根据本实施例的光编码器是一个旋转编码器，它由一编码盘1，一旋转轴2，一固定裂缝构件3，一光接收单元4，和一光发射单元5作为基本组件组成。在光发射单元5中，提供了一个或多个光发射元件，如果需要，还提供了一个使光束平行的透镜和类似物件。在这里，使用了一个发射波长在800到1000毫微米范围内的红外发光二极管作为光发射元件。提供的编码盘1具有后面将描述特征的编码光栅。安装在旋转轴2上的编码盘1这样放置，使其编码光栅能经常地插入到光发射单元5和光接收单元4之间。
光发射单元5提供的红外光被编码盘1的编码光栅所调制，而编码盘1是被安置在通向光接收单元4的光路径中的。红外光在穿过固定裂缝构件3后被光接收单元4所检测，并由一众所周知的、用于检测马达或类似部件的旋转位置或旋转速度的电路(图中未示出)所处理。
图3为一局部的横截面视图，用以说明图2中光编码器编码盘1的编码光栅，固定裂缝构件3及光接收单元4。包括有编码光栅11的整个编码盘1是由一种可见光颜色的树脂材料(例如聚醚酰亚胺，聚醚砜和聚苯砜)形成的。如图3中所示，按给定的编码图型，在编码光栅11内，沿着编码盘1的圆周方向形成了不透明区(光遮蔽区)12和半透明区13。
编码光栅11具有一区段，在该区段中，不透明区(光遮蔽区)12和半透明区13循环地彼此相互交替。固定裂缝构件3是这样形成的，例如，通过在一基片31上以给定的节距形成光遮蔽层，并将二个分别相邻的光遮蔽层32之间的部分制成为传输开口33。相应于开口33，将对检测光(这里为红外光)具有检测灵敏度的检测元件42安置在光接收单元4的基片41上。
在从光源5发出的检测光(这里为红外光)L中，那些通过了编码盘1半透明区13的光从编码盘1分离出来，得以通过固定裂缝构件3的开口33。这些光然后由各自的检测元件42所检测而被转换成电信号。
编码光栅的每一个不透明区(反射区)12包括有一个表面，该表面在图3中由参考数码12a(粗线)所指示，在该表面上形成了大量与图1中相同的V形沟槽。图4为一横截面视图，它显示了从编码光栅11摘录出的一部分以便说明其特征。如图4中所示，编码光栅11的半透明区13包含有一个部分，该部分的二个表面均是平的，而编码光栅11的不透明区(反射区)12包含有一个部分，该部分在与检测光入射表面相对立的表面上形成有一组V形沟槽12a。
每个沟槽12a的截面形状具有一顶角θ，该顶角是形成在一突出部分的每一棱镜序列的顶角，预先确定顶角θ，使得入射到突出部分内表面的检测光实际上被完全地反射。根据众所周知的基础光学理论，全反射的特定条件是(90°-θ/2)＞θc。这里，θc代表一临界角度，它是由不透明区(反射区)12的材料的折射率和空气折射率之间的关系决定的。
如图2和图3中所示，在利用光接收单元检测传输光的一类编码器中，在图4中用参考数字A1和A2表示的每一区域形成了所谓的“光亮区”，而用参考数字B1和B2表示的区域则形成了所谓的“黑暗区”。在利用光接收单元检测反射光的一类编码器的情况下，在图4中用参考数字D1和D2表示的区域形成了所谓的“光亮区”，而用参考数字C1和C2表示的每一区域则形成了所谓的“黑暗区”。
如上所述，在本实施例中，采用具有发射波长在800毫微米到1000毫微米范围内的红外发光二极管作为光源5，而采用对发射波长具有高的检测灵敏度的检测元件作为光接收单元4。此外，采用聚醚酰亚胺，聚醚砜或聚苯砜作为制造编码盘的树脂材料，尤其是编码光栅的材料。这些材料在800毫微米到1000毫微米之间的范围内展现了高的光谱传输率(80％或更高)，而在可见光波长范围内至少一部分(尤其是兰色光波长范围内)展现了低的光谱传输率(50％或更低)。
不管采用聚醚酰亚胺，聚醚砜和聚苯砜材料中的那一种，编码盘的厚度一般约为1毫米到2毫米，只要材料关于具有检测光波长(从80毫微米到1000毫微米)的光呈现80％或更高的光谱传输率，从实用的观点出发，就不会有什么问题。图5为一曲线图，作为举例，说明了聚醚酰亚胺的光谱传输率曲线(传输光谱曲线)，以及通常采用的透明无色材料(磷酯胆碱，玻璃等)的一般光谱传输率曲线(传输光谱曲线)。
在图5的曲线图中，水平轴表示波长(以毫微米为单位)，而垂直轴表示光谱传输率(以百分率为单位)。传输厚度的条件是“1毫米”。从图5显而易见，在400毫微米和1000毫微米之间的波长范围内，用虚线表示的透明无色材料(磷酯胆碱，玻璃等)的一般光谱传输率曲线展现了一个实际上不变的高的光谱传输率，其结果是，该光谱线暗示了材料的透明性和无色性。
正相反，聚醚酰亚胺的光谱传输率曲线，在从600毫微米到1000毫微米的波长范围内，展现了一个实际上不变的高的光谱传输率(80％或更高)。但是，在较之短的波长范围内，光谱传输率减小，更明确地，光谱传输率在兰光的范围内标志出急速的下降。例如，在波长为典型兰光波长的近似435毫微米时，光谱传输率远低于50％。在兰光范围内低的光谱传输率被认为是聚醚酰亚胺看上去发黄的确切原因。虽然，图中没有示出聚醚砜和聚苯砜的光谱传输率曲线，但他们具有相同的特性并由于这样的特性而具有黄的颜色(琥珀色)。
本发明典型采用的、具有黄的颜色(琥珀色)的树脂材料曾经是不被考虑作为编码盘的材料的。但是，正如在上述的实施例中，如果与检测光的波长(这里，为800毫微米到1000毫微米之间的红外光范围)适当结合来使用这些材料，在光功能上将没有问题。这样做，材料选择的多样性增加了，因而，实际上就有可能发现像上面提到的材料那样抗高温性、抗水性、抗油性等好的特定材料。
换言之，上面作为举例列出的材料，即，聚醚酰亚胺，聚醚砜和聚苯砜是工程塑胶，这意味着所有这些材料具有极好的抗热性能和化学抵抗性能，并且对于切削油和类似物质的抵抗性能也是很高的。因此，采用这些材料制作编码盘，尤其是编码光栅，抑制了表面形状由于高温蒸气和切削油造成表面状态的恶化、白混浊、变软等类似情况引起的变化，从而避免了对检测性能的有害影响。相比在现有技术中已有的、采用由聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯制成的编码盘的编码器，就有可能提供一种在不利的环境中呈现优秀的抵抗性能的编码器。
本发明是关于图1到图4所示的传输光检测类光旋转编码器来描述的。但是，本发明并不仅限于上述的实施例。例如，正如关于图4所描述的，同样可以将本发明应用于反射光检测类光编码器的编码盘，而且对于编码光栅的种类没有限制。此外，也有结构上没有固定裂缝构件的光编码器，以及设计得使固定裂缝构件安置在编码盘和光源之间的光编码器。同样地，在应用本发明时，对于结构并没有特别的限制。
很显然，假如将上述材料应用于线性光编码器的编码盘，尤其是编码光栅，这样的线性光编码器同样可提供相同的功能和优点。虽然，在上述的实施例中，结合用于检测的波长解释了红外范围(800毫微米到1000毫微米之间)的情况，但这只是一个例子。例如，即使用一个具有红色发射波长的发光二极管来代替红外发光二极管作为发射光单元5，而编码光栅是用上面所述的材料(聚醚酰亚胺，聚醚砜或聚苯砜)形成的，正如从图5的曲线图所显而易见的，实际上不会有什么问题。
本发明使得多样选择用于制造光编码器编码盘的材料，在选择具有好的抗高温蒸气、抗切削油脂和抗类似物质性能的材料上有一定自由程度的扩张，甚至可从看起来不适用于光学元件的材料中进行选择。结果，就有可能提供一种即使在恶劣环境中长期使用也不会造成因白混浊和表面形状的变化而引起性能恶化的光编码器。
Claims (4)
1.一种光编码器，其特征为，包括：
一发射光的光发射单元；
一光接收单元，用于检测波长在预先确定的检测范围内并从所述光发射单元发出的检测光；和
一安置在所述光发射单元和所述光接收单元之间、具有用树脂材料形成并由半透明区和不透明区组成的编码光栅的编码盘；
其中：在所述的半透明区，所述树脂材料关于波长在预定的检测范围内的光具有不小于70％的光谱传输率，关于波长在预定的检测范围外的光具有不大于50％的光谱传输率，而且，不大于50％的光谱传输率的范围至少是可见光波长范围的一部分。
2.根据权利要求1的光编码器，其特征为：波长在预定的检测范围内的光为红外光。
3.根据权利要求1的光编码器，其特征为：所述树脂材料关于兰色可见光具有不大于50％的光谱传输率。
4.根据权利要求1的光编码器，其特征为：所述树脂材料包括聚醚酰亚胺(Polyetherimide)，聚醚砜(Polyethersulfone)和聚苯砜(Polyphenylsulfone)的任一种。
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