CN204575098U - 光电编码器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种高精度、高分辨率的光电编码器，包括：光源；标尺，其上设有均匀间距或角间距间隔、且具有不同反射率的明区域和暗区域，用于利用从所述光源照射的光在沿测量轴的第一方向上生成光的明暗图案；设置于所述光源和所述标尺之间的光束格栅，具有至少两个或两组几何形状的透光孔，以向所述标尺提供对应的照亮区域以生成所述明暗图案；以及光检测器，用于检测所述对应的光的明暗图案。其中，所述标尺包括第一排标尺和第二排标尺，所述第一排标尺和所述第二排标尺各自的明、暗区域间距或角间距相同，而配合光源使得所述第一排标尺上的明、暗区域和第二排标尺上对应的明、暗区域所得到的总光度在所述第一方向上具有相同的大小、不同的相位的变化。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种光电编码器，尤其涉及一种精确测量的光电编码器。
背景技术
光电编码器被广泛用于测量物体的线性位移和角位移，通常安装在如三维测量设备或图像测量设备当中，如打印机、扫描仪、复印机、传真机、绘图器等。
光电编码器的一种常见的技术是采用光电传感器和光电编码图案(或编码媒介)。光电传感器聚焦于光电编码图案的表面上，随着光电传感器相对光电编码图案移动，或光电编码图案相对光电传感器移动，光电传感器读取穿过光电编码图案或的从光电编码图案上反射的光图案，从而检测该移动。
一种传统的光电编码图案包括交替设置的一系列明暗元件。当编码图案和传感器中的其一相对另一移动时，编码图案上的一个明元件或暗元件与相邻的暗元件或明元件之间的过渡/变化即会被接收，通过光电转换来生成电信号，从而利用该电信号来检测位移量。
如专利参考文献US5,572,019、CN102168995 A均公开了这种光电编码器。
然而，随着设备例如机电传动、伺服控制在数字化、高精度方向的高速发展，现有的光电编码器如果测量精度不够高、响应速度不够快，则无法满足角位移、角速度检测装置的要求。
因此，亟待一种高精度、高分辨率的光电编码器，以克服上述缺陷。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种高精度、高分辨率的光电编码器。
为实现上述目的，本实用新型光电编码器，包括：
光源；
标尺，其上设有均匀间距或角间距间隔、且具有不同反射率的明区域和暗区域，用于利用从所述光源照射的光在沿测量轴的第一方向上生成光的明暗图案；
设置于所述光源和所述标尺之间的光束格栅，具有至少两个或两组幾何形状的透光孔，以向所述标尺提供对应的照亮区域以生成所述明暗图案；以及
光检测器，用于检测所述光的明暗图案；
其中：所述标尺包括第一排标尺和第二排标尺，所述第一排标尺和所述第二排标尺错开设置，使得所述第一排标尺上的明、暗区域和第二排标尺上对应大小相同、均距排列的明、暗区域在所述第一方向上具有相同的大小、不同的相位。
较佳地，多个所述明区域呈均距排列，其形状在第一方向上的面积变化呈现为具有常量偏移的正弦函数，所述透光孔的形状为矩形。
较佳地，所述明区域为涂有高反光涂层的区域，所述暗区域为涂有低反光涂层的区域。
较佳地，所述具有常量偏移的正弦函数的常量大小在所述正弦函数的幅值的5％至90％之间。较佳地，多个所述明区域呈均距排列，其形状在第一方向上的面积变化呈现为具有常量偏移的线性函数，所述透光孔为高斯函数的形状。
较佳地，所述第一排标尺和所述第二排标尺的任一对应的明或暗区域的相位差为1/4码距。
与现有技术相比，本实用新型中标尺上的图案的形状排列成在第一方向上的面积变化具有常量偏移的正弦函数的波形，且光束格栅的透光孔的形状为矩形，因此穿过透光孔的光照射到标尺上的图案上时，在明暗图案所得的总光度变化在第一方向上呈具有常量偏移的线性函数的波形，因而当不同的明区为通过格栅的光线所照射时,光度的变化得出不同相位的正弦信号。而第一排标尺的图案和第二排标尺的图案呈内外错开设置，且两者具有特定的相位差，因此在同一相位上两个或两组图案会相应产生两个变化，从而形成的正弦信号也是两组，这样使得光电检测器的检测结果更为精确，从而提高位移量的测量精度。
通过以下的描述并结合附图，本实用新型将变得更加清晰，这些附图用于解释本实用新型的实施例。
附图说明
图1为本实用新型的光电编码器的结构示意图。
图2为本实用新型的光电编码器的另一结构示意图。
图3为图2中的标尺上图案的局部放大图，其展示了一个明区域单元和一个暗区域单元。
图4展示了本实用新型的光电编码器的另一实施例的标尺上图案形状、光束格柵上透光孔的形状。
图5展示了本实用新型光电编码器的另一实施例的标尺上图案形状，标尺上图案可多于一列。
图6展示了本实用新型的光电编码器的另一实施例的标尺上图案形状、光束格柵上透光孔的形状。
图7展示了本实用新型的光电编码器的光检测器的输出调制信号波形图。
具体实施方式
下面将参考附图阐述本实用新型几个不同的最佳实施例，其中不同图中相同的标号代表相同的部件。如上所述，本实用新型的实质在于一种高精度、高分辨率的光电编码器。在实用新型中，该光电编码器为旋转光电编码器。
图1为本实用新型的光电编码器100的一个实施例的结构示意图。如图，该光电编码器100包括光源101、光检测器102、设置在光源101和光检测器102之间的标尺103、以及设置于光源101和标尺103之间的光束格柵104。具体地，该光源101可由一个或多个发光二极管提供。该标尺103为具有明暗区域的码盘，其可相对光检测器102及光束格栅104作旋转运动。标尺103上设有均匀间隔的明暗区域，在码盘上排列形成环状。当光源101发出的光从明暗区域上穿过或反射，从而被光检测器102检测进而输出信号以控制并测量标尺103的移动量。
特定地，如图2所示，该标尺103上的图案形成明区域1031a、1032a，暗区域1031b、1032b均匀间隔排列，如均匀的间距或角间距。具体地，该明区域1031a、1031b为高反射区域，暗区域1031b、1032b为与明区域1031a、1032a形成强烈对比的低反射区域。在本实施例中，明区域1031a、1032a涂有高反光涂层，暗区域1031b、1032b涂有低反光涂层。具体地，该标尺103包括第一排标尺103a、第二排标尺103b，两排标尺103a、103b错开设置，使得第一排标尺103a上的明区域1031a、暗区域1031b和第二排标尺103b上对应的明区域1032a、暗区域1032b在同一排列方向上具有相同的大小、不同的相位。亦即，可见图中第一排标尺103a上的首个明区域1031a和第二排标尺103b上的首个明区域1032a并非对齐或重叠，而是呈现特定相位的偏移。较佳地，两者的相位差为1/4码距，可选为1/2码距。在本实用新型中，第一排标尺103a和第二排标尺103b沿码盘排列成环状，故此亦称为“外圈标尺”和“内圈标尺”，下文如是。
如图3所示，该标尺103上的明区域1031a、1032a的形状排列成类似正弦波状，且是具有常量偏移的正弦波。更佳地如图所示，其展示了一个明区域1031a单元的放大图。如图所示，该明区域1031a包括呈1/2码距正弦波形状的上部121，以及与上部121连接的下部122，该下部122具有预定厚度X，例如是明区域1031a所在的正弦函数的幅值H的5％至90％之间。由此，该下部122可被视为正弦函数的常量偏移部分。为使两排标尺103a、103b同时接收光信号，光束格柵104至少包括具有两个幾何形状的透光孔1041，例如是矩形的狭缝。
相应地，在本实施中的光检测器102至少包括两个光电检测元件1021、1022、以分别接收从第一排标尺103a和第二排标尺103b表面反射的光。该光电检测元件1021、1022为光电二极管，其光接收面在标尺的图案的相同侧。光电二极管只是光电检测元件的一个实施例，除此之外，还可采用光电晶体管作为光电检测元件。另外，还设有与光电检测元件1021、1022相连的用于计算的IC芯片(图未示)，该IC芯片基于光电检测元件1021、1022所检测到的正弦波明暗图案(即光信号)来执行位移量的计算。可选地，在另一实施例中，还可在标尺图案的相反侧增加两个光电检测元件(即图1中另一侧的光检测器102)以接收穿过第一排标尺103a和第二排标尺103b表面而传递的光。
下面简要说明光电编码器100的工作原理。
在来自发光二极管101的光L穿过光束格柵上的透光孔照射到标尺103上的情况下，由于标尺103上的光学图案而在测量轴方向上产生光的明暗图案。此外，形成在光检测器内的各光电二极管检测到通过标尺在测量轴方向上移动所引起的明暗图案(正弦光信号)的变化。继而，该正弦光信号经由光电检测元件被发送至IC芯片，在IC芯片中对明暗图案相对应的电信号进行特定处理之后，从而基于处理后的电信号来计算位移量。
本实用新型中，标尺上的图案的形状均距排列成在第一方向上的面积变化具有常量偏移的正弦函数的波形，且光束格柵的透光孔的形状为矩形，因此穿过透光孔的光照射到标尺上的图案上时，会在明暗图案上的不同相位(不同位置)产生相应的变化从而形成正弦光信号。而本实用新型中的第一排标尺的图案和第二排标尺的图案呈内外错开设置，且两者具有特定的相位差，因此在同一相位上两个图案会相应产生两个变化，从而形成的正弦信号也是两组，如图7所示的具有相位差的正弦调制光信号，这样使得光电检测器的检测结果更为精确，从而提高位移量的测量精度。
图4展示了本实用新型光电编码器的另一实施例的标尺上图案形状、光束格柵上透光孔的形状。与第一实施例不同的是，在本实施例中，标尺203上每一排标尺的图案还包括与明区域1031a连接但在排列方向上对称设置的另一部分2031a，即该部分2031a为明区域1031a的镜影图形。亦即，区域1031a形成正弦波状，区域2031a形成与该正弦波呈接近镜影对称的波形。其中，两者的大小尺寸一致，两者之间连接形成连接部222。该连接部222的高度大小范围为明区域1031a所述具有常量偏移的正弦函数的常量大小在所述正弦函数的幅值的5％至90％，其中对应地，标尺203上的图案中的暗区域与上述明区域1031a、2031a一一对应，在此不再描述。在本实施例中的标尺203同样可包括两排(两圈)，其中内圈和外圈的图案形状、大小一致，但相位相差1/4码距，或1/2码距为佳；内圈或外圈的图案即如上标尺203所述。本实施例中的光束格栅104上的透光孔1041为狭缝状的矩形，且该矩形的宽度大小最好为明区域1031a所在正弦波的1/4至1/2码距。
基于图4所示的实施例的改进，图5所示的实施例与其的区别仅在于，在上述区域1031a、2031a组成的图案303a基础上再增加一排与之形状、大小、相位相同的标尺图案303b。这两标尺图案303a、303b组成外圈标尺303。其中，标尺图案303a和标尺图案303b之间的间距X可以为0，也可以设置该间距X的大小为标尺图案的幅值H的5％～90％之间。而在外圈标尺303的内侧还形成内圈标尺303’，其图案的形状与外圈标尺303的形状、大小一致，但相位相差1/4码距，或1/2码距为佳。在此情况下，光束格柵104上的透光孔1041则相应内、外圈标尺而相应增加或尺寸增大，从而使光可同时照射到两圈标尺的相同位置处。本实施例中的标尺图案设计可增加测量精度。
图6展示了本实用新型光电编码器的另一实施例的标尺上图案形状、光束格柵上透光孔的形状。与上述实施例不同的是，本实施例中的标尺403上的图案形状为由多个菱形单元4031a排列形成的图案，光束格栅104上的透光孔1041的形状包括高斯函数的波形。具体地，透光孔1041的形状可包括多个高斯函数波形单元，如图6所示。由此，光电检测器检测到的光信号同样呈现正弦波形信号。较佳地，该标尺图案同样可包括外圈标尺和内圈标尺，其中外圈标尺如上所述，内圈标尺的形状、大小与外圈标尺一致，但相位相差1/4码距，或1/2码距为佳。在此情况下，光束格栅104上的透光孔1041则相应内、外圈标尺而相应增加或尺寸增大，从而使光可同时照射到两圈标尺的相同位置处。当然，还可以基于图6所示的实施例作出如图5所示实施例类似的改进，同样可获得如图7所示的正弦信号。另外，如图6所示，透光孔1041’的形状可包括多个由两个接近镜影对称的高斯函数构成的图案单元，同样地，在标尺403相配合使用时同样可获得正弦光信号。
综上所述，本实用新型中标尺上的图案的形状排列成具有常量偏移的正弦函数的波形，且光束格栅的透光孔的形状为矩形，因此穿过透光孔的光照射到标尺上的图案上时，会在明暗图案上在第一方向不同位置上得出光度变化(不同相位)，而产生相应的变化为正弦波信号。而本实用新型中的第一排标尺的图案和第二排标尺的图案呈内外错开设置，且两者具有特定的相位差，因此在同一相位上两个图案会相应产生两个变化，从而形成两组具有相位差的正弦光信号，这样使得光电检测器的检测结果更为精确，从而提高位移量的测量精度。
以上所揭露的仅为本实用新型的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型申请专利范围所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。
Claims (7)
1.一种光电编码器，包括：
光源；
标尺，其上设有均匀间距或角间距间隔、且具有不同反射率的明区域和暗区域，用于利用从所述光源照射的光在沿测量轴的第一方向上生成光的明暗图案；
设置于所述光源和所述标尺之间的光束格栅，具有至少两个或两组线性形状的透光孔，以向所述标尺提供对应的照亮区域以生成所述明暗图案；以及
光检测器，用于检测所述光的明暗图案；
其特征在于：所述标尺包括第一排标尺和第二排标尺，所述第一排标尺和所述第二排标尺错开设置，使得所述第一排标尺上的明、暗区域和第二排标尺上对应大小相同、均距排列的明、暗区域在所述第一方向上具有相同的大小、不同的相位。
2.如权利要求1所述的光电编码器，其特征在于：多个所述明区域呈均距排列，其形状在第一方向上的面积变化呈现为具有常量偏移的正弦函数，所述透光孔的形状为矩形。
3.如权利要求2所述的光电编码器，其特征在于：所述明区域为涂有高反光涂层的区域，所述暗区域为涂有低反光涂层的区域。
4.如权利要求2所述的光电编码器，其特征在于：所述具有常量偏移的正弦函数的常量大小在所述正弦函数的幅值的5％至90％之间。
5.如权利要求1所述的光电编码器，其特征在于：多个所述明区域呈均距排列，其形状在第一方向上的面积变化呈现为具有常量偏移的线性函数，所述 透光孔为高斯函数的形状。
6.如权利要求1所述的光电编码器，其特征在于：所述第一排标尺和所述第二排标尺的任一对应的明或暗区域在第一方向上的相位差为1/4码距。
7.如权利要求1所述的光电编码器，其特征在于：所述光检测器至少包括两组光检测元件，其中一组光检测元件用于检测所述光在明区域上反射的明暗图案，另一组光检测元件用于检测所述光在明、暗区域上穿过的明暗图案。
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