專利名稱：光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及一種光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器。
圖5是一個(gè)透視圖，畫出一個(gè)典型的常用光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器的結(jié)構(gòu)。參照該圖，其結(jié)構(gòu)為兩個(gè)帶有狹縫的部件插在光源101與光接收元件102之間，光源101比如用LED(或激光二極管)。兩個(gè)部件中，靠近光源101的是旋轉(zhuǎn)狹縫部件103，它能與待測物體一起旋轉(zhuǎn)。此旋轉(zhuǎn)狹縫部件是一個(gè)圓盤，沿半徑方向開有許多狹縫103a，狹縫以規(guī)則的間距沿圓周方向排列。另一個(gè)部件是不動(dòng)的狹縫部件104，固定在不動(dòng)的部分(未畫出)上，上面開有若干狹縫104a，這些狹縫排列的空間間距與旋轉(zhuǎn)狹縫部件103相同。
旋轉(zhuǎn)狹縫部件103被一光束照射，比如一束LED光束，它從放在旋轉(zhuǎn)狹縫部件103前面的光源101射出，穿過狹縫103a與104a的光，被放在不動(dòng)狹縫部件104后面的光接收元件102檢測。因此，光接收元件102檢測旋轉(zhuǎn)狹縫部件103每一次旋轉(zhuǎn)量的光，對應(yīng)于一個(gè)狹縫間距Ls，給出一個(gè)脈沖輸出。因此，通過對脈沖輸出的計(jì)數(shù)，便能檢測旋轉(zhuǎn)量。就是說，光接收元件的檢測精度，取決于每個(gè)旋轉(zhuǎn)量的脈沖輸出數(shù)目，從而，要改善光接收元件102的檢測精度，必須減小狹縫103a和104a的相應(yīng)狹縫間距Ls。
然而，如果為了改善上述通常光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器的檢測精度，而減小狹縫間距Ls，那么旋轉(zhuǎn)狹縫部件103與不動(dòng)狹縫部件104之間的距離d也必須與狹縫間距Ls的平方值成比例地減小。但遺憾的是，光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器在裝配時(shí)，對距離d的減小存在一定限制，從而也限制了狹縫間距Ls的減小。這就導(dǎo)致對檢測精度改善的限制。
鑒于前文的論述，本發(fā)明的一個(gè)目的，是提供一種光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器，它的設(shè)計(jì)能進(jìn)一步增加其檢測精度。
本發(fā)明的光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器，包括
光源；不動(dòng)板，垂直于光源發(fā)出的光的光軸，此不動(dòng)板至少有一片波帶片；旋轉(zhuǎn)狹縫板，它能旋轉(zhuǎn)且沿光發(fā)射方向離開不動(dòng)板一個(gè)波帶片的焦距的距離，旋轉(zhuǎn)狹縫板的狹縫按預(yù)定的空間間距沿一圓周排列，圓周則在半徑與光軸相交的位置上；以及光接收元件，放在貼近旋轉(zhuǎn)狹縫板的位置，用于檢測穿過狹縫的光。
改進(jìn)后的上述光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器，能使波帶片會聚的光進(jìn)入狹縫，以便用光接收元件檢測。因?yàn)椴◣慕咕嘁蕾囉诓◣罾锩婺莻€(gè)圓周的半徑，適當(dāng)選取該圓的半徑，可以減小光束半徑，使之接近衍射極限，同時(shí)使波帶片的焦距，即不動(dòng)板與旋轉(zhuǎn)狹縫板的距離保持在一定范圍，比如能夠裝配光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器的范圍。因而，相鄰狹縫的間距可以顯著減小，極大地增加旋轉(zhuǎn)量的檢測精度。
還有，上述旋轉(zhuǎn)編碼器還可構(gòu)作成有多個(gè)波帶片，這些波帶片順著狹縫排列方向排列，相鄰兩波帶片的中心距表示為n·Ls，這里L(fēng)s是相鄰兩狹縫的間距，n是個(gè)整數(shù)。在這種結(jié)構(gòu)中，多個(gè)波帶片的存在，增加了穿過的光的總量，從而有利于光接收元件的檢測。此外，接收的光量也能通過改變波帶片的數(shù)目而任意調(diào)整。
在上述旋轉(zhuǎn)編碼器中，波帶片可以是菲涅耳波帶片，它由多個(gè)同心的圓形波帶構(gòu)成。菲涅耳波帶片的作用像個(gè)透鏡，用它把光會聚成精細(xì)的光點(diǎn)。因此便于減小相鄰狹縫的間距。此外，波帶片也可以是直條形波帶片，它由許多沿狹縫縱向平行伸延的直條形波帶構(gòu)成，位于光源發(fā)出的光的光軸上。直條形波帶片把光會聚成直線狀，與狹縫形狀相對應(yīng)，因而，即使狹縫偏移正常位置，會聚成直線的光至少有部分可以容易地穿過狹縫。這就可以使光接收元件進(jìn)行檢測從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的檢測。


圖1是透視圖，畫出本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例中的光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器結(jié)構(gòu)；圖2是前視圖，畫出圖1所示旋轉(zhuǎn)狹縫板的整體形狀；圖3是透視圖，畫出本發(fā)明第二個(gè)實(shí)施例中的光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器結(jié)構(gòu)；圖4是透視圖，畫出本發(fā)明第三個(gè)實(shí)施例中的光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器結(jié)構(gòu)；和圖5是透視圖，畫出通常的光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器結(jié)構(gòu)。
下面，本發(fā)明的各個(gè)優(yōu)選實(shí)施例將參照附圖加以描述。
圖1是在x、y和z三個(gè)座標(biāo)中的透視圖，畫出本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器結(jié)構(gòu)的基本部分。此圖并未按實(shí)際長度或大小的比例畫出，為的是更清晰地表示結(jié)構(gòu)的基本部分。參照此圖，不動(dòng)板1固定在平行于x-y平面的平面內(nèi)，上面有多個(gè)波帶片2沿x方向按規(guī)則的空間間距排列。在此實(shí)施例中，多個(gè)波帶片2排成兩行五列，每個(gè)波帶片2都是菲涅耳波帶片，由多個(gè)同心的圓形波帶構(gòu)成。光源3由一個(gè)LED或多個(gè)LED組成，要把光源3放在這樣的位置，使其光軸沿垂直于不動(dòng)板1的z方向，并把光射向波帶片2。順便指出，也可以用多個(gè)光源3與各個(gè)波帶片2相對應(yīng)。一塊旋轉(zhuǎn)狹縫板4，它可與旋轉(zhuǎn)量待測的物體一起旋轉(zhuǎn)，且平行于x-y平面放置，在z方向上與不動(dòng)板1離開一段距離d。整塊旋轉(zhuǎn)狹縫板4的形狀像個(gè)圓盤，如圖2所示。要這樣安放旋轉(zhuǎn)狹縫板4，使它與光軸成直角相交，相交的位置在距旋轉(zhuǎn)中心O為rs的半徑上。旋轉(zhuǎn)狹縫板4有多個(gè)徑向狹縫4a，沿半徑rs的圓周以規(guī)則的空間間距Ls排列(圖1)。各列上的各對波帶片2與狹縫4a對應(yīng)，也沿徑向排開，因此每一行上相應(yīng)的五個(gè)波帶片2，嚴(yán)格說來，是排列在一弧上。光接收元件5放在旋轉(zhuǎn)狹縫板4后面并緊靠旋轉(zhuǎn)狹縫板4，且沿x-y平面平行伸延。
應(yīng)該指出，相鄰狹縫的空間間距Ls(以后稱為狹縫間距Ls)比半徑rs小很多。因此，像畫在圖1上的少量狹縫4a可以認(rèn)為排在一條直線上。相應(yīng)地，波帶片2也可以沿x方向排在一條直線上。
在上述結(jié)構(gòu)中，狹縫間距Ls由下面的表達(dá)式給出，式中，旋轉(zhuǎn)狹縫板4旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)，光接收元件5檢測到的脈沖數(shù)目記以PsLs＝2π·rs/Ps。狹縫4a的縫寬W，它等于狹縫間距Ls之半，由下式給出W＝π·rs/Ps。不動(dòng)板1與旋轉(zhuǎn)狹縫板4之間相對于Z方向的距離d，等于波帶片2的焦距，由下式給出
d＝(s12)/λ，其中s1表示波帶片2最里面的圓的半徑，λ表示LED發(fā)出的光波長。
為了給出類似于現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)編碼器結(jié)構(gòu)的一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，波帶片2要按給定的空間間距排列，每個(gè)空間間距是狹縫間距Ls的整數(shù)倍。就是說，相鄰被帶片2的空間間距要表示為n·Ls。整數(shù)n的最小值由下式給出n=Psζmaxλdπ·rs+1]]>這里ζmax表示波帶片2的圓環(huán)數(shù)目。當(dāng)選定了由上式得到的整數(shù)n后，相鄰波帶片的空間間距就可以成為極小。順便指出，所要求的波帶片2的數(shù)目，取決于光接收元件5收集到的，穿過狹縫4a的光量以及該元件的最低靈敏度之間的關(guān)系。
上述表示式的一個(gè)特定數(shù)值例子給出于下。
當(dāng)給定下述數(shù)值時(shí)LED波長λ＝0.74μm，脈沖數(shù)Ps＝5000脈沖/轉(zhuǎn)焦距d＝200μm，和半徑rs＝14mm，可得下述數(shù)值s1=0.74×200=12.16μm,]]>W＝π×(14/5000)＝8.8μm，Ls＝2π×(14/5000)＝17.6μm，ρ2=2×0.74×200=17.2μm,]]>ρ3=3×0.74×200=21.1μm,]]>I0＝16×I00(N＝3)，和n＝3其中，ρ2表示第二波帶半徑；ρ3表示第三波帶半徑；I0表示在波帶片焦點(diǎn)上的光強(qiáng)；I00表示不存在波帶片時(shí)相應(yīng)于波帶片焦點(diǎn)上的光強(qiáng)；最后，N表示波帶數(shù)目。
在上述結(jié)構(gòu)中，當(dāng)光源3向以規(guī)則的空間間距排列的多個(gè)波帶片2發(fā)射光時(shí)，波帶片2的作用就像透鏡，把光會聚成以規(guī)則的空間間距排列的精細(xì)的光點(diǎn)。因?yàn)橄噜彽木?xì)光點(diǎn)的空間間距是狹縫間距Ls的整數(shù)倍(n·Ls)，所以對旋轉(zhuǎn)狹縫板4轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的響應(yīng)，是讓所有光點(diǎn)同時(shí)穿過狹縫4a然后又同時(shí)檔柱，如是重復(fù)這個(gè)過程。按照此過程的重復(fù)率，光接收元件5輸出與旋轉(zhuǎn)狹縫板4的旋轉(zhuǎn)量相對應(yīng)的開-關(guān)(脈沖的)信號。
根據(jù)表達(dá)式d＝(s12)/λ給出的波帶片2的焦距，它等于不動(dòng)板1與旋轉(zhuǎn)狹縫板4的距離，因此通過改變波帶片2最里面的圓的半徑s1，可以任意設(shè)定距離d。
此外，眾所周知，波帶片2可以把光束會聚成直徑接近于衍射極限的光束。因此，可以利用半導(dǎo)體的刻圖技術(shù)，例如光刻技術(shù)，改進(jìn)波帶片2的刻圖精度，產(chǎn)生具有預(yù)定最小直徑光斑的會聚光，在不動(dòng)板1與旋轉(zhuǎn)狹縫板4的距離d保持在編碼器裝配所允許的任何值的條件下，可使狹縫間距Ls做得盡可能小。
還有，憑借波帶片2把LED的光會聚成精細(xì)的光點(diǎn)這一有利條件，LED光經(jīng)狹縫4a的通/斷而產(chǎn)生的開/關(guān)信號，可以有更高的信噪比。另外，通過改變波帶片2的數(shù)目，改變波帶片2中心圓的半徑以及波帶片2內(nèi)波帶的數(shù)目，能夠調(diào)整接收的光量，因而提供更多的設(shè)計(jì)自由度。
還有，刻制波帶片圖形時(shí)，把波帶中心移位Ls/4，便可容易地得到熟知的A/B兩相輸出。
應(yīng)當(dāng)指出，上述實(shí)施例用帶有多個(gè)波帶片2的例子來說明，但從原理上說，可以只用一個(gè)波帶片2。
圖3是個(gè)透視圖，畫出帶有一個(gè)波帶片的光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器作為本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例。除了不動(dòng)板1只包含一個(gè)波帶片2以及光接收元件沿x方向縮小了尺寸以與波帶片2的尺寸相稱，此實(shí)施例與第一個(gè)實(shí)施例有相同結(jié)構(gòu)。
在上述這種結(jié)構(gòu)中，有限的光量使光接收元件5在檢測時(shí)略有困難。不過，此實(shí)施例提供的旋轉(zhuǎn)編碼器的高精度檢測特性則與本發(fā)明第一實(shí)施例提供的相同。
圖4是個(gè)透視圖，畫出本發(fā)明的第三個(gè)實(shí)施例。在此實(shí)施例中，代替第二個(gè)實(shí)施例同心地形成的波帶片2，給出一個(gè)直條形波帶片6。更詳細(xì)地說，直條形波帶片6是由直條形波帶組成，這些直條形波帶平行于在光軸上的狹縫4a的縱向(y方向)伸延。在此情形下，LED的光被會聚成一條沿y方向伸延的直線。因此，即使狹縫4a沿y方向偏離其正常位置，只要至少有部分會聚成直線的LED光穿過狹縫4a，也能被光接收元件5檢測。
順便指出，與第一個(gè)實(shí)施例類似，此第三個(gè)實(shí)施例還可以包括帶有多個(gè)直條形波帶片6的情形。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器，包括光源；不動(dòng)板，垂直于所述光源射出的光的光軸，所述不動(dòng)板上至少帶有一個(gè)波帶片；旋轉(zhuǎn)狹縫板，它可以旋轉(zhuǎn)并沿所述光發(fā)射方向與所述不動(dòng)板離開一個(gè)所述波帶片的焦距的距離，所述旋轉(zhuǎn)狹縫板上帶有的狹縫按預(yù)定的空間間距沿一圓周排列，圓周則在半徑與所述光軸相交的位置上；和光接收元件，放在貼近所述旋轉(zhuǎn)狹縫板的位置，用于檢測穿過所述狹縫的光。
2.權(quán)利要求1所述的光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器，其中所形成的多個(gè)所述波帶片沿所述狹縫排列方向排列，和相鄰波帶片的中心的距離由表達(dá)式n·Ls表示，Ls代表相鄰兩個(gè)所述狹縫的空間間距，n代表一個(gè)整數(shù)。
3.權(quán)利要求1所述的光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器，其中所述波帶片是菲涅耳波帶片，它由多個(gè)圓形波帶同心地構(gòu)成。
4.權(quán)利要求1所述的光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器，其中所述波帶片是直條形波帶片，其上有直條形波帶，直條形波帶平行于所述狹縫伸延，所述狹縫位于自光源的所述光軸上。
全文摘要
在光學(xué)旋轉(zhuǎn)編碼器中,一塊帶有波帶片的不動(dòng)板和一塊帶有狹縫的旋轉(zhuǎn)狹縫板插在一個(gè)光源與一個(gè)光接收元件之間。選擇波帶片最里面的圓的一個(gè)合適半徑,使波帶片給出一束足夠會聚的光,以便減小狹縫間距(從而改善檢測精度),同時(shí)使不動(dòng)板與旋轉(zhuǎn)狹縫板的距離保持在編碼器裝配所允許的值。
文檔編號G02B27/58GK1248711SQ98119699
公開日2000年3月29日 申請日期1998年9月23日 優(yōu)先權(quán)日1998年9月23日
發(fā)明者下中勇治, 松島立夫, 藤本靖一 申請人:光洋精工株式會社