CN202003095U - 组合形多缝基准零线光栅 - Google Patents

Abstract

组合形多缝基准零线光栅，包括静光栅和动光栅，基准零线由法线基准零线光缝与至少一段圆弧/圆环曲线光缝组成，动光栅与静光栅的对应光缝相对应，所述法线基准零线光缝与圆弧/圆环曲线光缝相交，且两者的位置呈法线关系，法线基准零线光缝和圆弧曲线光缝的宽度与基准零线光栅一个光栅距的光缝宽度相同。本实用新型多缝基准零线光栅的光能量的次峰降低到最低，实现了无次峰零线脉冲，在增加了光能的同时，有效地消除了次峰，实现高光能比的零位信号输出，保留了多缝基准零线光栅的光迭加的特性，同时也提高了零线光栅的频带宽度，低频特性得到了改善。

Description

组合形多缝基准零线光栅

技术领域

本实用新型属于光电技术领域，涉及光栅编码器，特别是多缝基准零线光栅，具体为一种组合形多缝基准零线光栅。

背景技术

光栅编码器是一种利用光-电转换的传感器件。

增量式圆光栅编码器用于测量旋转轴运动的速度、角度、角速度和角加速度。它们把这些物理量转换成电信号输给显示器和控制系统，显示器和控制系统就可以显示这些参量或根据这些量来控制驱动装置。有的场合，这种传感器还要在旋转一周或转动某一特定角度时输出一个基准零线信号。

如图1，现有获取零线信号的办法，是在组成光栅编码器的动光栅和静光栅的栅线区，刻上一条宽度为1个光栅距的光缝，当动光栅和静光栅上的光缝对准时，通过这对光缝的光就会出现一个光能量极限。如果动光栅和静光栅上的光缝都是透光的，其它区不透光，就会有一个光能量峰值，如果动光栅上的光栅不透光，其它区透光，静光栅的光缝透光，其它区不透光，则就有光能量谷值。

这种光能量达到峰值或谷值的光照射到光电接收器上，就可以使光电接收器输出零线电信号。

由于受到光驱动能量的驱动，这种用一条光缝的基准零线，只适用于光栅栅距较大的场合。当光栅栅距过小，在一些情况下可能会出现1个光栅栅距的单光缝透过的光能量不足以有效地驱动接受零线信号的光电接收器，不能使输出有用的电信号时，就要考虑增加光缝来增加信号的光能量，以更有效集合达到光能量极限。

多缝基准零线光栅结构是目前常采用的方案，国内外均有采纳。多缝基准零线光栅是在光栅法线方向上有多条相间光缝，通过多光缝的光能迭加后送入光电接收器，光电接收器收到的达到光能量极限的光就是光信号，这时光电接收器就将光信号转化为有效地基准零线电信号。这个位置只有一个光栅栅距宽，仍然相当于单光缝输出信号的宽度。光电接收器的电输出与通过动光栅和静光栅的零线光缝扫描的光能量成正比，要获得高能比的电信号，就要求光栅设计者设计出高光能比的基准零线，使得动光栅和静光栅处在基准零线信号位置时，光信号能量尽量高，偏离信号位置时，通过这对零线组的光能量尽量的低，也就是这种基准零线的光能比要高。

有关多缝基准零线光栅编码器技术在专利：1)200320110700.3；2)200320120401.8；3)200320120402.2；4)200320120403.7；中已有记载。特征是基准零线由多条宽度为1个光栅距的光缝组成，光缝之间的间隔区和周边区的透光性与光缝的透光性相反，所述多缝基准零线有一条对称或没有对称轴构成。如图2，其工作原理是：由发光器件发射的光信号，经过动光栅和静光栅相对运动，设动光栅和静光栅上各有五个等距狭缝，动光栅狭缝编号：A、B、C、D、E，静光栅狭缝编号：a、b、c、d、e，各狭缝依次按：A-e→0；→AB-de→0→ABC-cde→……→ABCDE-abcde；五个等距狭缝：按1条狭缝→2条狭缝…→5条狭缝，逐一对准，0表示光能切断(遮光)，A-e表示A号(动光栅)与e号(静光栅)的光狭缝对齐，透出一条狭缝光，AB-de表示A、B号(动光栅)的光缝与的d、e号(静光栅)的光狭缝对齐，透出二条狭缝光，动光栅和静光栅相对运动穿过光缝的光将经过：对齐、切断、对齐…发射出明→暗→明变化的光开关信号，形成多个由小到大的光能尖缝，在ABCDE→abcde处，动静光栅的五个狭缝完全对齐，也就是动静光栅狭缝五条光缝完全吻合，形成一个最高的尖峰就是主峰，其它的低于这个最高峰的称为次峰，一个主峰与多个次峰组成了光能的原始信号，主峰信号由光电接收器接收并输入放大器，构成零线位置脉冲。

它的特点是利用光能的逐级迭加，逐渐增加透光强度，在零线位置处的光能最大，光能信号出现高峰，即主峰。在主峰出电压变化幅度也最大，足以提供光电转换驱动的能量，这时放大器能够发出稳定的位置脉冲。

但是上述方案也存在一定的问题：光信号由多缝隙光的逐一迭加而成，多缝基准零线光栅采用多条法向同位权的光缝：每条光缝在空间都是平行的，都可以相互吻合，在静光栅的任意光缝与动光栅的任意光缝相遇时，都会出现一次光能尖峰，即次峰。只有当动光栅和静光栅的光缝完全吻合时，才会出现光能最高峰，即主峰。因光能信号是以开关形式出现，中间有光能的间断现象，形成多个光能小尖峰的零线信号。次峰信号将形成噪声，对零脉冲的输出影响很大，低频时光能幅度大，小尖峰很容易冲出零位区，一旦冲出，将在接近零位处，出现多个零线脉冲，造成位置信号出错。因此光能次峰影响了编码器运行的稳定性，所以在多缝零线光栅的系统中，都希望次峰尽量的低，主峰尽量的高。目前采用的降低次峰的办法：采用不等距的光栅夹缝，次峰虽然得到抑制，但是次峰不能消除。此方法还不是很理想。

发明内容

本实用新型要解决的问题是：一条光缝的基准零线只适用于光栅栅距较大的场合，现有的多缝基准零线光栅的光能次峰会影响编码器运行的稳定性，需要一种新的多缝零线光栅结构，次峰尽量的低，主峰尽量的高。

本实用新型的技术方案为：组合形多缝基准零线光栅，包括静光栅和动光栅，基准零线由法线基准零线光缝与至少一段圆弧曲线光缝组成，圆弧曲线光缝的圆弧半径不大于法线基准零线光缝长度的一半，动光栅与静光栅的对应光缝相对应，所述法线基准零线光缝与圆弧曲线光缝相交，且两者的位置呈法线关系，法线基准零线光缝和圆弧曲线光缝的宽度与基准零线光栅一个光栅距的光缝宽度相同。

基准零线设有多条圆弧曲线光缝，所有圆弧曲线光缝具有不同的圆弧半径，所述圆弧半径不大于法线基准零线光缝长度的一半，所有圆弧曲线光缝的中点交汇于法线基准零线光缝的端点。

基准零线由法线基准零线光缝与至少一圆环曲线光缝组成，圆环曲线光缝的直径等于法线基准零线光缝的长度，动光栅与静光栅的对应光缝相对应，所述法线基准零线光缝位于圆环曲线光缝的直径位置，法线基准零线光缝和圆环曲线光缝的宽度与基准零线光栅的光缝宽度相同。

基准零线设有多条圆环曲线光缝，所有圆环曲线光缝具有不同的半径，所述半径不大于法线基准零线光缝长度的一半，所有圆环曲线光缝相交，且交点为法线基准零线光缝的端点。

如图4，根据圆定律：“过不在同一直线上的三点确定一圆”和一段圆弧确定圆心的方法：在圆弧上任意取四点，两两之间作中垂线，而中垂线的交点就是圆心。也就是说，圆弧上至少有三点就可以确定圆心，因为三个点两两之间可以作两条中垂线，中垂线的交点就是圆心。因为取两段等半径，弧长相等的圆弧，只要圆心重合，即两段圆弧重合，所以取两段等半径，弧长相等的圆弧，圆弧上至少有三点重合，如起点，终点和中间任意一点，则两段圆弧重合。

本实用新型在动光栅进入静光栅的栅区后，动光栅与静光栅上非对应的两条圆曲线光缝只相交，不重合，两光缝间只出现光点，即两圆曲线交点，不出现圆曲线光，也就是光缝不重合。又因各圆曲线光缝均交于基准零线光缝，所以，在动光栅进入静光栅光缝未完全吻合时，光能最小，为多个相交的小光点，且不减小，不间断，满足了偏离信号位置时，光能最小的原则。

当动光栅与静光栅上对应的圆曲线光缝相交的同时，动、静光栅的各对应光缝，也就是法线基准零线光缝与圆环曲线光缝也都同时重合，多光缝光能同时迭加，光能出现最大值，形成光能主峰。满足了动光栅和静光栅处在基准零线信号位置时，光信号能量尽量高，实现了高光能比基准零线。

本实用新型提出一种组合形单主峰零线光栅，组合中的任何一种光栅的基准零线的光能量的次峰都降低到最低，实现了无次峰零线脉冲，组合形单主峰基准零线光栅结构在增加了光能的同时，有效地消除了次峰。组合形单主峰光栅由法线基准零线光缝和圆环曲线光缝组成，其中法线基准零线光缝作为主峰光栅，圆环曲线光缝作为辅助光栅。

本实用新型为组合式基准零线光栅具有如下优点：

1.利用圆定律和一段圆弧确定圆心的方法，使几段圆曲线光缝相交与重合，实现高光能比的零位信号输出；

2.本实用新型为组合式基准零线光栅，通过多个互相相切的基准零线光缝组合，达到不间断的增加受光面积，传递重迭的光能量。使零线光栅的光能连续的变化，保证了零线信号的安全发出，同时有效地消除了原多缝基准零线光栅光电转换的次峰信号；

3.本实用新型在原多缝零线光栅迭加原理的基础上，通过设计的圆弧型/圆环型基准零线光缝与法线基准零线光缝位置分布，产生不间断的连续的光能信号，在零线位置处光能达到最大，而离开零线位置时，光能信号尽量的小，彻底消除了因多狭缝光栅切断→接通的光能中途突起又切断的间断发射造成的光缝与光谷，即多缝现象，保证了多狭缝无次峰零线脉冲的可靠输出，本实用新型不产生次峰噪声信号；

4.本实用新型的另一个优点是曲线光缝的采光量比直线型要大，因为两点之间，最短的距离是直线，所以两点之间，圆曲线的长度大于直线的长度，所以圆曲线的采光量大于直线的采光量。当动、静光栅的各对应光缝同时重合时，多光缝光能同时迭加，光能达到的最大值比直线型还要大，保证光信号能量很高，实现了高光能比基准零线；

由于本实用新型在取消了次峰信号的同时，仍保留了多缝基准零线光栅的光迭加的特性，同时也提高了零线光栅的频带宽度，低频特性得到了改善。

附图说明

图1为现有的用一条光缝作为基准零线的光栅。

图2为现有多缝基准零线光栅的原理示意图。

图3为本实用新型多圆环曲线光缝的原理示意图。

图4为本实用新型所依照的圆定律示意图。

图5为本实用新型实施例1的光栅结构示意图。

图6为本实用新型实施例1的动、静光栅的狭缝透光情况的变化过程。

图7为本实用新型实施例2的光栅结构示意图。

图8为本实用新型实施例2的动、静光栅的狭缝透光情况的变化过程。

图9为本实用新型实施例3的光栅结构示意图。

图10为本实用新型实施例3的动、静光栅的狭缝透光情况的变化过程。

图11为本实用新型反例的光栅结构示意图。

图12为本实用新型反例的动、静光栅的狭缝透光情况的变化过程。

具体实施方式

本实用新型组合形多缝基准零线光栅，包括静光栅和动光栅，静光栅是静止的，动光栅采用光栅盘，是运动的。基准零线由法线基准零线光缝与至少一段圆弧曲线光缝组成，圆弧曲线光缝的圆弧半径不大于法线基准零线光缝长度的一半，动光栅与静光栅的对应光缝相对应，所述法线基准零线光缝与圆弧曲线光缝相交，且两者的位置呈法线关系，法线基准零线光缝和圆弧曲线光缝的宽度与基准零线光栅一个光栅距的光缝1宽度相同。进一步的，基准零线设有多条圆弧曲线光缝，所有圆弧曲线光缝具有不同的圆弧半径，所述圆弧半径不大于法线基准零线光缝长度的一半，所有圆弧曲线光缝的中点交汇于法线基准零线光缝的端点。

另一种方式是基准零线由法线基准零线光缝与至少一圆环曲线光缝组成，圆环曲线光缝的直径等于法线基准零线光缝的长度，动光栅与静光栅的对应光缝相对应，所述法线基准零线光缝位于圆环曲线光缝的直径位置，法线基准零线光缝和圆环曲线光缝的宽度与基准零线光栅的光缝宽度相同。进一步的，如图3，在法线基准零线两端点所在的两个半径2、3所包容的区域u内，这里的半径是动光栅的半径，区域u即静光栅光照区域，基准零线设有多条圆环曲线光缝，所有圆环曲线光缝具有不同的半径，所述半径不大于法线基准零线光缝长度的一半，所有圆环曲线光缝相交，且交点为法线基准零线光缝的端点。

下面结合具体的实施例来说明本实用新型。

实施例1

组合形基准零线光栅结构如图5，基准零线光栅由一个圆环型基准零线光缝5和一宽度为一个光栅距的法线基准零线光缝4组成。图6显示了动、静光栅的狭缝透光情况的变化过程，从上到下分别表示在动光栅转动时，基准零线光栅的光能发生变化的过程，光能量的大小与透光面积成正比，图中透光面积从上到下逐渐变大，相反从下到上透光面积逐渐减小。当动光栅与静光栅的光缝隙完全吻合时，此时光能幅值达到最大，形成光能峰值，光电接收器接收到的光信号与附图相同，电信号输入放大器，经过放大构成编码器的零线位置脉冲。

实施例2

组合形基准零线光栅结构如图7，基准零线光栅由两个半径不等的半圆环形基准零线光缝7、8和一宽度为一个光栅距的法线基准零线光缝6组成，小半圆贴着大半圆，因为如果小半圆在大半圆之中，而不是贴着大半圆，中间会有光能的间断现象，形成多个光能小尖峰的零线信号。次峰信号将形成噪声，对零脉冲的输出影响很大，低频时光能幅度大，小尖峰很容易冲出零位区，一旦冲出，将在接近零位处，出现多个零线脉冲。在圆心法线方向有一宽度为一个光栅距的法线基准零线光缝6。图8显示了动、静光栅的狭缝透光情况的变化过程，从上到下分别表示在动光栅转动时，图中透光面积从上到下逐渐变大，相反从下到上透光面积逐渐减小。当动光栅与静光栅的光缝隙完全吻合时，此时光能幅值达到最大，形成光能峰值，光电接收器接收到的光信号与附图相同，电信号输入放大器，经过放大构成编码器的零线位置脉冲。

实施例3

组合形基准零线光栅结构如图9，基准零线光栅由两个半径不等的圆环型基准零线光缝10、11和一宽度为一个光栅距的法线基准零线光缝9组成，小圆贴着大圆。因为如果小圆在大圆之中，而不贴着大圆，中间会有光能的间断现象，形成多个光能小尖峰的零线信号。次峰信号将形成噪声，对零脉冲的输出产生影响，低频时仍有小尖峰冲出零位区，一旦冲出，将出现次峰零线脉冲。在圆心法线方向有一宽度为一个光栅距的光缝9。图10显示了动、静光栅的狭缝透光情况的变化过程，从上到下分别表示在动光栅转动时，零线光栅的光能发生变化的过程，光能量的大小与透光面积成正比，图中透光面积从上到下逐渐变大，相反从下到上透光面积逐渐减小。当动光栅与静光栅的光缝隙完全吻合时，此时光能幅值达到最大，形成光能峰值，光电接收器接收到的光信号与附图相同，电信号输入放大器，经过放大构成编码器的零线位置脉冲。

反例.

实施例2和3均表明了在设有多条曲线光缝的情况下，曲线光缝之间要求相贴，如图11所示为圆弧光缝不相交的情况，组合型基准零线光栅由两个半径不等的圆环型基准零线光缝13、14和一宽度为一个光栅距的法线基准零线光缝12组成，小圆在大圆之中，而不贴着大圆。图12显示了动、静光栅的狭缝透光情况的变化过程，从上到下分别表示在动光栅转动时，零线光栅的光能发生变化的过程，光能量的大小与透光面积成正比。图中透光面积从上到下逐渐变大，但是变化过程中间出现了光点减少的现象，也就是光面积减小，因为圆弧光缝不相交的时候透光会出现不连续的情况，出现光能的间断现象，形成多个光能小尖峰的零线信号。次峰信号将形成噪声，对零脉冲的输出产生影响，低频时仍有小尖峰冲出零位区，一旦冲出，将出现次峰零线脉冲。

Claims (4)

1.组合形多缝基准零线光栅，包括静光栅和动光栅，其特征是基准零线由法线基准零线光缝与至少一段圆弧曲线光缝组成，圆弧曲线光缝的圆弧半径不大于法线基准零线光缝长度的一半，动光栅与静光栅的对应光缝相对应，所述法线基准零线光缝与圆弧曲线光缝相交，且两者的位置呈法线关系，法线基准零线光缝和圆弧曲线光缝的宽度与基准零线光栅一个光栅距的光缝宽度相同。

2.根据权利要求1所述的组合形多缝基准零线光栅，其特征是基准零线设有多条圆弧曲线光缝，所有圆弧曲线光缝具有不同的圆弧半径，所述圆弧半径不大于法线基准零线光缝长度的一半，所有圆弧曲线光缝的中点交汇于法线基准零线光缝的端点。

3.根据权利要求1所述的组合形多缝基准零线光栅，其特征是基准零线由法线基准零线光缝与至少一圆环曲线光缝组成，圆环曲线光缝的直径等于法线基准零线光缝的长度，动光栅与静光栅的对应光缝相对应，所述法线基准零线光缝位于圆环曲线光缝的直径位置，法线基准零线光缝和圆环曲线光缝的宽度与基准零线光栅的光缝宽度相同。

4.根据权利要求3所述的组合形多缝基准零线光栅，其特征是基准零线设有多条圆环曲线光缝，所有圆环曲线光缝具有不同的半径，所述半径不大于法线基准零线光缝长度的一半，所有圆环曲线光缝相交，且交点为法线基准零线光缝的端点。

Images