專利名稱：光電式編碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電式編碼器(optical encoder),特別是涉 及一種作為激光干涉測(cè)長儀等測(cè)長用傳感器而適用的光電式編 碼器，該光電式編碼器具備具有沿著測(cè)長方向形成有反射型相 位光柵(reflective phase grating)的增量軌(incremental track)的 主標(biāo)尺(main scale)以及與該主標(biāo)尺相對(duì)位移的#企測(cè)部。
背景技術(shù)：
在增量型的光電式編碼器中，在使檢測(cè)器小型化而縮小檢 測(cè)范圍的情況下，難以分離用于檢測(cè)原點(diǎn)(基準(zhǔn)點(diǎn))的基準(zhǔn)標(biāo)記 (reference mark)與主標(biāo)尺的增量軌。即使能夠在微小范圍內(nèi)進(jìn) 行分離，檢測(cè)器的配置(校準(zhǔn)調(diào)節(jié))也變的困難，導(dǎo)致?lián)p壞編碼 器性能。另外，在隔開增量軌和基準(zhǔn)標(biāo)記使得能夠分離的情況 下，難以將檢測(cè)器構(gòu)成為小型。
還有如下情況在以小型檢測(cè)器結(jié)構(gòu)且具有基準(zhǔn)檢測(cè)功能 的情況下，在主標(biāo)尺的增量軌上實(shí)施基準(zhǔn)標(biāo)記。但是，在這種 情況下，在基準(zhǔn)標(biāo)記部分上產(chǎn)生增量檢測(cè)中的信號(hào)變動(dòng)，從而 發(fā)生主增量信號(hào)的窄范圍精確度劣化、計(jì)數(shù)錯(cuò)誤，因此難以正 確地使基準(zhǔn)信號(hào)與增量信號(hào)同步。
作為其應(yīng)對(duì)方法，在歐洲專利EP207121號(hào)公報(bào)(以下，專 利文獻(xiàn)l)、歐洲特表2008-503745號(hào)公報(bào)(以下，專利文獻(xiàn)2)等 中記載有利用通過擴(kuò)大檢測(cè)范圍實(shí)現(xiàn)平均化的空間濾波器效果 來提高魯棒性(robustness)。
然而，為了提高平均化效果需要擴(kuò)大檢測(cè)范圍，從而難以 使檢測(cè)器小型化。另一方面，當(dāng)將標(biāo)尺周期設(shè)為窄周期時(shí)，濾波器效果降低。另外，由于主增量信號(hào)失去原形，因此存在難 以進(jìn)行精確的基準(zhǔn)同步等問題點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問題
本發(fā)明是為了解決上述以往的問題點(diǎn)而完成的，其目的在 于提供 一 種能夠以小型檢測(cè)器檢測(cè)基準(zhǔn)。 用于解決問題的方案
本發(fā)明是一種光電式編碼器，具備標(biāo)尺，其具有沿著測(cè) 長方向形成有反射型相位光柵的增量軌；以及^r測(cè)部，其相對(duì) 于該標(biāo)尺進(jìn)行相對(duì)位移，該光電式編碼器具備以下部分來解決 上述問題
基準(zhǔn)標(biāo)記，其被設(shè)置在上述標(biāo)尺上，由形成在上述增量軌 的至少 一 個(gè)位置上的反射縫(reflection slit)構(gòu)成；
被設(shè)置在上述檢測(cè)部中的以下部分光照射部，其將漫射光 (diffusion light)照射到上述標(biāo)尺；主受光部，其以該光照射部為 中心被配置在其周圍，接收從上述光照射部照射的光在上述標(biāo)尺 上衍射而形成的干涉條紋，具有沿著測(cè)長方向 一皮配置而具有90 度的相位差、且沿著與測(cè)長方向垂直的方向被配置而具有180度 的相位差的四個(gè)受光窗，并且輸出相位相互不同的四個(gè)增量信 號(hào)；以及一對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)受光部，其以上述光照射部為點(diǎn)對(duì)稱的中 心j皮配置在與上述測(cè)長方向垂直的方向上，并JU命出基準(zhǔn)信號(hào)，
信號(hào)處理部，該信號(hào)處理部具有以下部分三相信號(hào)生成 部，其根據(jù)上述四個(gè)增量信號(hào)生成相位差為90度的三相信號(hào)； 兩相正弦波信號(hào)生成部，其對(duì)該三相信號(hào)進(jìn)行矢量合成而生成 相位差為90度的兩相正弦波信號(hào)；方向辨別部，其通過辨別上 述檢測(cè)部相對(duì)于上述標(biāo)尺的相對(duì)位移的方向來4企測(cè)邊緣；內(nèi)部周期計(jì)數(shù)器，其對(duì)相對(duì)位移的周期進(jìn)行計(jì)數(shù)；以及基準(zhǔn)信號(hào)處 理部，其根據(jù)上述基準(zhǔn)信號(hào)受光部的輸出來產(chǎn)生基準(zhǔn)信號(hào)。
在此，能夠?qū)⑸鲜龌鶞?zhǔn)標(biāo)記設(shè)為由與增量軌的相位光柵平 行的反射縫構(gòu)成，該反射縫形成在上述增量軌的測(cè)長范圍外的、 能夠由上述檢測(cè)部進(jìn)行檢測(cè)的端部。
另外，能夠?qū)⑸鲜龌鶞?zhǔn)標(biāo)記設(shè)為與上述增量軌的相位光柵 為一體結(jié)構(gòu)。
另外，能夠?qū)⑸鲜龌鶞?zhǔn)標(biāo)記附加(add on)到上述增量軌的相 位光柵上。
另外，能夠?qū)⑸鲜龌鶞?zhǔn)標(biāo)記的寬度設(shè)為上述主受光部的寬 度的l/4以下，并且是上述基準(zhǔn)信號(hào)受光部的寬度的一半左右。
另外，能夠?qū)⑸鲜龉庹丈洳吭O(shè)為點(diǎn)光源或者具有空間濾波 器的光源。
另外，能夠?qū)⑸鲜龉庠丛O(shè)為由配置在光纖線纜的中心的光 投射用光纖以及被配置在該光投射用光纖的發(fā)射端處的空間濾 波器構(gòu)成的點(diǎn)光源。
另外，能夠?qū)⑸鲜鲋魇芄獠恳陨鲜鳇c(diǎn)光源為中心配置成田 字型。
另外，能夠設(shè)為上述主受光部的測(cè)長方向?qū)挾萕d、上述基 準(zhǔn)信號(hào)受光部的測(cè)長方向開口寬度Wz以及上述基準(zhǔn)標(biāo)記的測(cè) 長方向?qū)挾萕o滿足以下式的關(guān)系，
(l/4)Wd>Wo
(l/2)Wz Wo。
另外，能夠?qū)⑸鲜龌鶞?zhǔn)標(biāo)記的測(cè)長方向?qū)挾仍O(shè)為與上述增 量軌的周期相比足夠大。
另夕卜，能夠?qū)⑸鲜鲋魇芄獠恐械纳上辔幌嗖?80度的周期 信號(hào)的主受光部配置在與測(cè)長方向垂直地偏離的位置。另外，上述信號(hào)處理部能夠具有脈沖間隔檢測(cè)電路，其 檢測(cè)基準(zhǔn)脈沖與相位相差90度的矩形信號(hào)之間的間隔；以及根 據(jù)所檢測(cè)出的脈沖間隔將上述內(nèi)部周期計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)觸發(fā)位置 變更的電路。
另外，上述信號(hào)處理部能夠具有延遲90度相位差的倍數(shù)的 計(jì)數(shù)器開始指令值延遲電路。
另外，上述信號(hào)處理部能夠具有存儲(chǔ)基準(zhǔn)信號(hào)的受光電平 的電路。
發(fā)明的效果
根據(jù)本發(fā)明，檢測(cè)部的大小與以往的增量結(jié)構(gòu)相同，因此 能夠使結(jié)構(gòu)較小。另外，根據(jù)增量信號(hào)合成兩相正弦波信號(hào)， 因此不會(huì)產(chǎn)生周期計(jì)數(shù)器錯(cuò)誤而能夠檢測(cè)增量。并且，通過使 用形成在增量軌內(nèi)的基準(zhǔn)標(biāo)記以及辨別方向來4企測(cè)邊緣的方向 辨別部，來能夠區(qū)分灰塵、污濁等的光量下降原因和基準(zhǔn)標(biāo)記， 魯棒性較高。另外，通過橫向差動(dòng)矢量合成法(lateral differential vector-synthesized method)的并用和使用內(nèi)部周期計(jì)數(shù)器，能夠 在與增量信號(hào)同步的期望(任意)的位置上輸出基準(zhǔn)脈沖。另夕卜， 不需要進(jìn)行復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)變更，能夠通過電路的附加來實(shí)現(xiàn)， 因此能夠以低成本對(duì)以往不可能實(shí)現(xiàn)的小型檢測(cè)器附加基準(zhǔn)檢 測(cè)功能。
下面，通過對(duì)優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)"i兌明，^吏本發(fā)明的這些 特征和其它顯著特征和優(yōu)點(diǎn)變得清楚。


將參考附圖來說明優(yōu)選實(shí)施例，其中貫穿附圖采用了類似 附圖標(biāo)記表示類似的元件。其中
圖l是表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式中的標(biāo)尺與檢測(cè)器的關(guān)系的立體圖。
圖2是表示本發(fā)明的第 一 實(shí)施方式中的標(biāo)尺與檢測(cè)器的關(guān)
系的俯—見圖。
圖3是表示第一實(shí)施方式的標(biāo)尺結(jié)構(gòu)的立體圖。
圖4是表示第 一 實(shí)施方式的光柵與縫的結(jié)構(gòu)的例子的截面圖。
圖5是表示第 一 實(shí)施方式的檢測(cè)部的受光配置的俯視圖。
圖6是第一實(shí)施方式的立體圖。
圖7是表示第 一 實(shí)施方式的基準(zhǔn)檢測(cè)部的圖。
圖8是表示第 一 實(shí)施方式的基準(zhǔn)標(biāo)記檢測(cè)信號(hào)的圖。
圖9是表示第一實(shí)施方式的信號(hào)處理部的結(jié)構(gòu)的框圖。
圖IO是表示第一實(shí)施方式的信號(hào)處理的例子的矢量圖。
圖ll是表示信號(hào)處理的其它例的矢量圖。
圖12是表示以往的光電式編碼器的信號(hào)的例子的矢量圖。
圖13是表示以往的光電式編碼器的信號(hào)的例子的利薩如波
開j(Lissajous Waveform)的圖。
圖14是表示第 一 實(shí)施方式的信號(hào)處理的其它例的矢量圖。 圖15是表示第一實(shí)施方式的信號(hào)處理的其它例的利薩如波
形的圖。
圖16是表示第一實(shí)施方式的基準(zhǔn)檢測(cè)的流程的圖。 圖17是表示第一實(shí)施方式的因安裝而檢測(cè)部傾斜的情況下 的圖。
圖18是表示本發(fā)明的第二實(shí)施方式的信號(hào)處理部的結(jié)構(gòu)的 框圖。
具體實(shí)施例方式
下面，參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式。圖1(立體圖)以及圖2(從標(biāo)尺側(cè)觀察的俯視圖)示出本發(fā)明 的第一實(shí)施方式中的標(biāo)尺10和檢測(cè)器20的結(jié)構(gòu)。
在圖3中詳細(xì)示出那樣，上述標(biāo)尺10具有增量軌12,其 由反射型的相位光柵構(gòu)成；以及基準(zhǔn)標(biāo)記14,其形成在上述增 量軌12的至少 一 個(gè)位置、例如測(cè)長范圍外的能夠利用檢測(cè)器2 0 進(jìn)行檢測(cè)的端部上，且由與增量軌12的相位光柵平行的反射縫 構(gòu)成。能夠?qū)⒃摶鶞?zhǔn)標(biāo)記14例如設(shè)為圖4的(a)所示那樣的光牙冊(cè) 一體結(jié)構(gòu)或者圖4的(b)所示那樣的附加結(jié)構(gòu)。在此，基準(zhǔn)標(biāo)記 14的寬度Wo為圖2示出的基準(zhǔn)檢測(cè)用受光部32z、 32zb的受光用 差動(dòng)縫33z、 33zb的寬度Wz(參照?qǐng)D5)的大約一半的寬度，并且 需要設(shè)為在某種程度上抑制對(duì)增量檢測(cè)的影響的寬度。此外， 基準(zhǔn)標(biāo)記14的位置并不限于標(biāo)尺10的端部的一個(gè)位置，還能夠
在不需要精確的增量測(cè)量的任意的位置上設(shè)置多處。
如圖l示出那樣，上述檢測(cè)部20具有點(diǎn)光源24和具備分度 圖案(index pattern)31a、 31b、 31ab、 3lbb的主受光部30a、 30b、 30ab、 30bb以及一對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)受光部32z(z相)、32zb(zb相)，其 中，點(diǎn)光源24例如由被配置在光纖線纜22的中心的光投射用光 纖26以及被配置在該光投射用光纖26的發(fā)射端上的空間濾波器 28構(gòu)成，在圖5中詳細(xì)示出那樣，上述主受光部30a、 30b、 30ab、 30bb以該點(diǎn)光源24為中心而^皮配置成田字型，用于對(duì)在標(biāo)尺IO 上衍射的干涉條紋進(jìn)行檢波，分別接收四個(gè)(相位0。的a相、相 位90。的b相、相位180。的ab相、相位270。的bb相)增量相位差信 號(hào)，上述一對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)受光部32z(z相)、32zb(zb相)以上述點(diǎn)光 源24為點(diǎn)對(duì)稱的中心而^皮配置在基準(zhǔn)標(biāo)記14的長度方向上。
光投射用光纖26的另一端連接在激光源(省略圖示)上，分 別將上述主受光部30a、 30b、 30ab、 30bb以及基準(zhǔn)信號(hào)受光部 32z、 32zb設(shè)為入射端的受光用光纖29a、 29b、 29ab、 29bb、 29z、29zb的另 一端被連接在光檢測(cè)器(省略圖示)上。
在此，在圖5中詳細(xì)示出那樣，在上述主受光部30a、 30b、
才企測(cè)部(30a和30ab)(30b和30bb)的斥全波相^f立相互具有1800的相 位差，在測(cè)長方向上分離的才企測(cè)部(30a和3Ob)(30ab和3Obb)相互 具有90。的相位差。
在此，當(dāng)將衍射干涉條紋(增量)檢波的各相受光部30a、 30b、 30ab、 30bb的測(cè)長方向?qū)挾仍O(shè)為Wd、將基準(zhǔn)檢測(cè)用受光 部32z、 32zb的測(cè)長方向開口寬度設(shè)為Wz時(shí)，基準(zhǔn)標(biāo)記(縫)的測(cè) 長方向?qū)挾萕o需要滿足以下兩個(gè)條件。
(l/4)Wd>Wo …(l)
即，標(biāo)尺10上的增量信號(hào)才企測(cè)區(qū)域?yàn)?l/2)Wd,因此在4企測(cè) 器通過基準(zhǔn)標(biāo)記區(qū)域時(shí)，在某種程度上能夠確保信號(hào)的寬度在 其 一 半以下。
(l/2)Wz Wo …(2)
這是因?yàn)?，即使檢測(cè)器的高度發(fā)生變化，也使得受光量比 較不容易發(fā)生變化，以此擴(kuò)大校準(zhǔn)調(diào)節(jié)的允許范圍。
期望上述基準(zhǔn)標(biāo)記寬度Wo與增量軌12的周期相比足夠大 (例如5 10倍)。
如圖6所示，由點(diǎn)光源24照射的放射光在增量軌12上衍射， 在檢測(cè)部中形成干涉條紋。由具有各相位差的主受光部30a、 30b、 30ab、 30bb4企測(cè)該千涉條紋。另外，由在測(cè)長方向上4晉開 而配置的基準(zhǔn)信號(hào)受光部32z、 32zb檢測(cè)在基準(zhǔn)標(biāo)記14上反射(0 級(jí)衍射)的反射光。
在圖7的(a)(仰視圖)、圖7的(b)(側(cè)視圖)中詳細(xì)示出那樣， 上述基準(zhǔn)信號(hào)受光部32z、 32zb被配置成與標(biāo)尺10相向，以便對(duì) 基準(zhǔn)標(biāo)記14進(jìn)行鏡面反射(0級(jí)衍射)受光，并且以光源為中心點(diǎn)
ii對(duì)稱地配置差動(dòng)的受光部。另外，在測(cè)長方向上具有基準(zhǔn)標(biāo)記
(縫)寬度Wo的大約兩倍的受光寬度Wz。在檢測(cè)出基準(zhǔn)標(biāo)記14的 情況下，該基準(zhǔn)信號(hào)受光部32z、 32zb輸出圖8示出那樣的信號(hào)。 其中，受光部信號(hào)中包含來自基準(zhǔn)標(biāo)記14以外的衍射光干涉成 分的直流成分。
如圖9所示，信號(hào)處理部40具有增量信號(hào)處理部42,其 才艮才居上述主受光吾卩30a、 30ab、 30b、 30bb的專餘出通過斗黃向(lateral) 差動(dòng)矢量合成來處理增量信號(hào)；方向辨別部56,其辨別相對(duì)位 移的方向來檢測(cè)邊緣；內(nèi)部周期計(jì)數(shù)器58,其對(duì)相對(duì)位移的周 期進(jìn)行計(jì)數(shù)；以及基準(zhǔn)信號(hào)處理部60,其根據(jù)上述基準(zhǔn)信號(hào)受 光部32z、 32zb的輸出來產(chǎn)生基準(zhǔn)信號(hào)。
上述增量信號(hào)處理部42具有按各相中的每相設(shè)置的電流 -電壓變換器44a、 44ab、 44b、 44bb;按各相中的每相設(shè)置的放 大器46a、 46ab、 46b、 46bb;由三個(gè)差動(dòng)放大器48A、 48B、 48C 構(gòu)成的三相信號(hào)生成部48;由兩個(gè)矢量合成差動(dòng)放大器50A、 50B構(gòu)成的兩相正弦波信號(hào)生成部50; A相、B相用的增益調(diào)節(jié) 部52A、 52B;以及用于設(shè)為方形波的比較器54A、 54B。
上述基準(zhǔn)信號(hào)處理部60具有電流-電壓變換器62z、 62zb; 放大器64z、 64zb;差動(dòng)放大器66,其用于對(duì)z相和zb相進(jìn)行差 動(dòng)放大，生成作為零交叉信號(hào)(zero cross signal)的差動(dòng)z相信號(hào)； 具有閾值產(chǎn)生部的比較器68;邊緣檢測(cè)電路70;觸發(fā)電路72， 其產(chǎn)生用于開始計(jì)數(shù)的啟動(dòng)觸發(fā)信號(hào)；脈沖間隔檢測(cè)電路74, 其用于檢測(cè)基準(zhǔn)斥企測(cè)脈沖和增量兩相方形波之間的邊緣間隔； 下位2位加法電路76,其根據(jù)所檢測(cè)出的間隔，對(duì)內(nèi)部周期計(jì)數(shù) 器58附加下位2位；存儲(chǔ)器/設(shè)定電路80，其用于從外部指定并 存儲(chǔ)基準(zhǔn)信號(hào)的期望位置；以及z信號(hào)輸出電路82,其在指定位 置輸出原點(diǎn)(基準(zhǔn))脈沖。
12下面，說明作用。
圖10的(a)是表示由上述主受光部30a、 30ab 、 30b、 30bb 生成的周期信號(hào)Sa、 Sab、 Sb、 Sbb的相位與強(qiáng)度的關(guān)系的矢量 圖。另外，圖10的(b)示出在三相信號(hào)生成部48中生成的信號(hào) DSa(=Sa-Sab)、 DSb(=Sb—Sbb)、 DSc(-Sbb—Sb)的相4立與強(qiáng)度的 關(guān)系。圖10的(c)示出在兩相正弦波信號(hào)生成部50中生成的信號(hào) A、 B的相位與強(qiáng)度的關(guān)系。此外，在此，設(shè)為各周期信號(hào)Sa、 Sb、 Sab、 Sbb中沒有產(chǎn)生相位的偏差。
如上所述，主受光部30a、 30ab 、 30b、 30bb生成周期信號(hào) Sa、 Sab、 Sb、 Sbb。周期信號(hào)Sa、 Sab通過圖9的電流-電壓變 換器44a、 44ab以及放大器46a、 46ab被輸入到三相信號(hào)生成部 48的差動(dòng)放大器48A。差動(dòng)放大器48A對(duì)兩個(gè)輸入信號(hào)Sa、 Sab 進(jìn)行差動(dòng)放大，輸出第一差動(dòng)信號(hào)DSa。該第一差動(dòng)信號(hào)DSa 是求出具有0度相位的周期信號(hào)S a和具有18 0度相位的周期信號(hào) Sab的差而得到的，如果周期信號(hào)Sa和Sab沒有相位的偏差，則 該第 一差動(dòng)信號(hào)DSa是具有與基準(zhǔn)相位相同的O度相位的信號(hào)。
同樣地，周期信號(hào)Sb和Sbb通過電流-電壓變換器44b、 44bb 以及放大器46b、46bb被輸入到三相信號(hào)生成部48的差動(dòng)放大器 48B。差動(dòng)放大器48B對(duì)兩個(gè)輸入信號(hào)Sb、 Sbb進(jìn)行差動(dòng)放大， 輸出第二差動(dòng)信號(hào)DSb。該第二差動(dòng)信號(hào)DSb是求出具有90度相 位的周期信號(hào)Sb和具有270度相位的周期信號(hào)Sbb的差而得到 的，如果周期信號(hào)Sb和Sbb沒有相位的偏差，則該第二差動(dòng)信 號(hào)DSb是相對(duì)于基準(zhǔn)相位具有90度的相位差的信號(hào)。
另外，周期信號(hào)Sb和周期信號(hào)Sbb通過電流-電壓變換器 44b、 44bb以及》文大器46b、 46bb還4皮專餘入到三相4言號(hào)生成部48 的差動(dòng)放大器48C。差動(dòng)放大器48C與差動(dòng)放大器48B同樣地對(duì) 兩個(gè)輸入信號(hào)Sb和Sbb進(jìn)行差動(dòng)放大，但是該差動(dòng)放大器48C的輸出信號(hào)DSc是作為與上述第二差動(dòng)信號(hào)DSb相位相差180度的 反轉(zhuǎn)差動(dòng)信號(hào)而得到的。即，反轉(zhuǎn)差動(dòng)信號(hào)DSc是相對(duì)于基準(zhǔn) 相位具有270度(即-90度)的相位差的信號(hào)。如圖IO的(b)所示， 由三相信號(hào)生成部48得到的三相信號(hào)DSa、 DSb、 DSc分別具有 90度相位差。
之后，第一差動(dòng)信號(hào)DSa和第二差動(dòng)信號(hào)DSb^皮輸入到兩相 正弦波信號(hào)生成部50所具有的差動(dòng)放大器50A。差動(dòng)放大器50A 通過對(duì)被輸入的兩相信號(hào)DSa和DSb進(jìn)行矢量合成來生成A相 信號(hào)。由于將O度相位的信號(hào)DSa與90度相位的信號(hào)DSb進(jìn)行矢 量合成，因此A相信號(hào)成為相對(duì)于基準(zhǔn)相位具有45度的相位差 的信號(hào)。
同樣地，第 一差動(dòng)信號(hào)DSa和反轉(zhuǎn)差動(dòng)信號(hào)DSc被輸入到兩 相正弦波信號(hào)生成部50所具有的差動(dòng)放大器50B 。差動(dòng)放大器 50B通過對(duì)被輸入的兩相信號(hào)DSa和DSc進(jìn)行矢量合成來生成B 相信號(hào)。與A相信號(hào)同樣地，由于將0度相位的信號(hào)DSa與270 度(-90度)相位的信號(hào)DSc進(jìn)行矢量合成，因此B相信號(hào)成為相 對(duì)于基準(zhǔn)相位具有315度(即-45度)的相位差的信號(hào)。這樣，所 得到的A相信號(hào)與B相信號(hào)具有90度的相位差，其強(qiáng)度相等(參 照?qǐng)D10的(c))。
接著，說明在周期信號(hào)Sb、 Sbb中產(chǎn)生相對(duì)于周期信號(hào)Sa、 Sab的相位偏差的情況。通常，在光電式編碼器中，由于光源的 位置、主標(biāo)尺的標(biāo)尺光柵的誤差等，有時(shí)在其輸出信號(hào)(周期信 號(hào))中產(chǎn)生相位偏差。圖ll的(a)是周期信號(hào)Sb、 Sbb在理想情況 下相對(duì)于周期信號(hào)Sa、Sab具有90度的相位差時(shí)從該90度進(jìn)一步 具有相位差S的偏差的情況的矢量圖。圖ll的(b)示出在三相信 號(hào)生成部48中生成的三相差動(dòng)信號(hào)DSa DSc的相位與強(qiáng)度的關(guān) 系。圖11的(c)示出在兩相正弦波信號(hào)生成部50中生成的信號(hào)的相位與強(qiáng)度的關(guān)系。
如上所述，各周期信號(hào)Sa Sbb被輸入到三相信號(hào)生成部48 的差動(dòng)放大器48A 48C,輸出差動(dòng)信號(hào)DSa DSc。在此，第二 差動(dòng)信號(hào)DSb相對(duì)于第 一差動(dòng)信號(hào)DSa具有相位偏差5，因此不 是90度的相位差，而是相對(duì)于第一差動(dòng)信號(hào)DSa具有(90-S)度的 相位差。由差動(dòng)放大器48C生成的反轉(zhuǎn)差動(dòng)信號(hào)DSc是對(duì)第二差 動(dòng)信號(hào)DSb進(jìn)行反轉(zhuǎn)而得到的，因此與第二差動(dòng)信號(hào)DSb具有 180度相位差，但是與第二差動(dòng)信號(hào)DSb同樣地相對(duì)于第一差動(dòng) 信號(hào)DSa具有相位偏差3，因此相對(duì)于第 一差動(dòng)信號(hào)DSa具有 (270-S)度的相位差。
如圖ll的(b)所示，關(guān)于由三相信號(hào)生成部48生成的三相差 動(dòng)信號(hào)DSa DSc，由于周期信號(hào)Sc、 Sd具有相位偏差5，因此相 互之間不具有90度的相位差而包含有相位偏差S。
之后，具有相位偏差5的三相差動(dòng)信號(hào)DSa DSc中的第一差 動(dòng)信號(hào)DSa和第二差動(dòng)信號(hào)DSb被輸入到兩相正弦波信號(hào)生成 部50的差動(dòng)放大器50A,并被進(jìn)行矢量合成。由此，如圖ll的 (c)所示，得到A相信號(hào)。兩相正弦波信號(hào)生成部50中的處理是 矢量合成，因此A相信號(hào)的相位成為(45-5/2)度。
另外，同樣地，第一差動(dòng)信號(hào)DSa和反轉(zhuǎn)差動(dòng)信號(hào)DSc也被 輸入到兩相正弦波信號(hào)生成部50的差動(dòng)》文大器50B，并被進(jìn)行 矢量合成，由此得到B相信號(hào)。在此，B相信號(hào)的相位成為 (135-S/2)度。
這樣，即使原來的周期信號(hào)Sa Sd中產(chǎn)生相位偏差，所得 到的兩相信號(hào)A、 B也具有90度相位差。即，即使在周期信號(hào) Sa Sd具有相位偏差的情況下，也不進(jìn)行相位調(diào)節(jié)操作，而能 夠得到具有90度相位差的A相信號(hào)和B相信號(hào)(參照?qǐng)Dll的(c))。
兩相正弦波信號(hào)生成部50中的生成90度相位差的兩相信號(hào)A、 B的處理是矢量合成，因此圖ll的(c)所示那樣兩相信號(hào)A、 B各自的信號(hào)強(qiáng)度不同。在這種情況下，在兩相正弦波信號(hào)生 成部50中，在生成兩相信號(hào)A、 B之后，通過增益調(diào)節(jié)部52A、 52B分別調(diào)節(jié)各個(gè)信號(hào)A、 B的增益，由此圖ll的(d)所示那樣能 夠生成具有90度相位差且強(qiáng)度相等的A相信號(hào)和B相信號(hào)。
接著，說明由于在標(biāo)尺10的增量軌12上存在缺陷、不均勻 等或者在測(cè)長移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的縱搖變動(dòng)(pitching fluctuation) 而主受光部30a、 30b、 30ab、 30bb的受光量發(fā)生變化且從主受 光部30a、 30b、 30ab、 30bb輸出的周期信號(hào)Sa、 Sb、 Sab、 Sbb 的強(qiáng)度劣化的情況。
在普通的光電式編碼器中，在受光部中往往在通過光源的 照射位置的對(duì)角線上配置有生成相位相差180度的信號(hào)的主受 光部。例如，在圖5中的a相的位置上配置有生成具有基準(zhǔn)相位 (0度)的相位的周期信號(hào)Sa的主受光部30a,在bb相的位置上配 置有生成具有180度的相位的周期信號(hào)Sab的主受光部30ab。另 外，往往在b相的位置上配置有生成具有90度的相位差的周期信 號(hào)Sb的主受光部30b,在ab相的位置上配置有生成具有270度的 相位差的周期信號(hào)Sbb的主受光部30bb。
當(dāng)存在標(biāo)尺10的增量軌12上的缺陷、縱搖變動(dòng)時(shí)，由受光 部輸出的信號(hào)中，以光源為中心而配置的主受光部中的、僅一 側(cè)(例如圖5中的田字形狀的左側(cè))的信號(hào)劣化。
圖12示出在普通的上述光電式編碼器中周期信號(hào)Sa、 Sb、 Sab、 Sbb中的周期信號(hào)Sa和Sbb中產(chǎn)生劣化的情況下的相位與 強(qiáng)度的關(guān)系。在普通的光電式編碼器中，在生成具有O度相位的 周期信號(hào)的主受光部30a中產(chǎn)生增量軌12的缺陷等的影響，具有 O度相位的周期信號(hào)Sa中產(chǎn)生劣化。同樣地，在生成具有270度 相位的周期信號(hào)的主受光部30bb中產(chǎn)生缺陷等的影響，具有"0
16度相位的周期信號(hào)S b b中產(chǎn)生劣化。
圖13示出在普通的光電式編碼器中由一側(cè)的受光部所生 成的周期信號(hào)Sa和Sbb中產(chǎn)生劣化的情況下的、基于信號(hào)處理 后的相位差為90度的兩相信號(hào)A、 B的利薩如信號(hào)。在根據(jù)進(jìn)行 差動(dòng)放大處理的 一組信號(hào)的 一側(cè)產(chǎn)生劣化的周期信號(hào)來生成的 相位差為90度的兩相信號(hào)中產(chǎn)生DC變動(dòng)。因此，利薩如圖形的 中心偏離。由于產(chǎn)生DC變動(dòng)而窄范圍精確度劣化，對(duì)光電式編 碼器的測(cè)量帶來障礙。
與此相對(duì)，在本實(shí)施方式中，主受光部30a、 30b、 30ab、 30bb中的生成相位相差180度的周期信號(hào)的主受光部被配置在 與測(cè)長方向垂直地偏離的位置。因而，即使產(chǎn)生標(biāo)尺10的增量 軌12的缺陷、縱搖變動(dòng)而對(duì) 一側(cè)的兩個(gè)主受光部(例如圖5中的 主受光部30a和30ab)帶來影響，被進(jìn)行差動(dòng)放大處理的信號(hào)也 不會(huì)同時(shí)產(chǎn)生信號(hào)劣化而不會(huì)產(chǎn)生DC變動(dòng)。
圖14的(a)示出在增量軌12的 一部分產(chǎn)生缺陷等的情況下 的在主受光部30a、 30b、 30ab、 30bb中生成的各周期信號(hào)Sa、 Sb、 Sab、 Sbb的相位與強(qiáng)度。圖14的(b)示出根據(jù)各周期信號(hào)Sa、 Sb、 Sab、 Sbb生成的差動(dòng)信號(hào)DSa DSc的相位與強(qiáng)度。圖14的 (c)表示在兩相正弦波信號(hào)生成部5 0中生成的信號(hào)A 、 B的相位與 強(qiáng)度的關(guān)系。在此，假設(shè)周期信號(hào)Sb和Sbb相對(duì)于周期信號(hào)Sa 和Sab具有相位S的偏差，來進(jìn)行說明和圖示。
在本實(shí)施方式的主受光部30a、 30ab中，由于上述原因，周 期信號(hào)Sa、 Sab產(chǎn)生劣化(參照?qǐng)D14的(a))。根據(jù)周期信號(hào)Sa、 Sab 在三相信號(hào)生成部48中生成的第 一 差 動(dòng)信號(hào)DSa中也產(chǎn)生劣 化。與此相對(duì)，由主受光部30b、 30bb輸出的周期信號(hào)Sb、 Sbb 沒有劣化。根據(jù)周期信號(hào)Sb、 Sbb在三相信號(hào)生成部48中生成 的第二差動(dòng)信號(hào)DSb和反轉(zhuǎn)差動(dòng)信號(hào)DSc也沒有產(chǎn)生劣化(參照
17圖14的(b))。
從三相信號(hào)生成部48輸出的三相差動(dòng)信號(hào)DSa DSc分別具 有相位偏差5，并且由于第一差動(dòng)信號(hào)DSa產(chǎn)生劣化，因此三相 差動(dòng)信號(hào)DSa DSc的信號(hào)強(qiáng)度不同(參照?qǐng)D14的(b))。當(dāng)將該三 相差動(dòng)信號(hào)DSa DSc輸入到兩相正弦波信號(hào)生成部50并進(jìn)行矢 量合成時(shí)，如圖14的(c)所示，作為輸出，輸出相位差不是90度 的A相信號(hào)和B相信號(hào)。之后，在增益調(diào)節(jié)部52A、 52B中對(duì)該A 相信號(hào)和B相信號(hào)的增益進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而變成具有相等強(qiáng)度(參 照?qǐng)D14的(d))。
圖15示出基于在本實(shí)施方式中生成的相位差為90度的兩 相信號(hào)A、 B的利薩如信號(hào)。關(guān)于圖15示出的利薩如圖形，由于 所生成的A相信號(hào)和B相信號(hào)的相位差不是90度，因此其形狀成 為橢圓形狀，但是其中心不會(huì)偏離。
在由于標(biāo)尺10的增量軌12中存在的缺陷、不均勻、縱搖變 動(dòng)而周期信號(hào)產(chǎn)生劣化的情況下，由本實(shí)施方式所涉及的光電 式編碼器生成的兩相信號(hào)不會(huì)準(zhǔn)確地具有90度相位差。但是， 在以光源為中心對(duì)角地配置了進(jìn)行以往的差動(dòng)處理的一組受光 部，因此與所產(chǎn)生的DC變動(dòng)相比，利用由本實(shí)施方式所涉及的 光電式編碼器得到的具有相位差的兩相信號(hào)來檢測(cè)的窄范圍精 確度的劣化(誤差)在一半以下。因此，在產(chǎn)生了標(biāo)尺10的增量 軌12的缺陷、縱搖變動(dòng)的情況下本實(shí)施方式所涉及的光電式編 碼器也有效。
這樣，本實(shí)施方式所涉及的光電式編碼器通過在其信號(hào)處 理中使用矢量合成來調(diào)節(jié)信號(hào)。具有相位偏差的三相信號(hào)在該 處理過程中準(zhǔn)確地具有90度相位差。由此，在具有相位偏差的 三相信號(hào)中，不需要使用可變電阻器等來進(jìn)行相位調(diào)節(jié)操作， 就能夠得到所期望的90度相位差的兩相信號(hào)。另外，在由于存在于標(biāo)尺的增量軌的缺陷、不均勻、縱搖變動(dòng)而周期信號(hào)產(chǎn)生 劣化的情況下，本實(shí)施方式所涉及的光電式編碼器也有效。
如上所述，關(guān)于由本實(shí)施方式所涉及的光電式編碼器得到
的具有90度相位差的A相信號(hào)和B相信號(hào)，由于在兩相正弦波信 號(hào)生成部50中對(duì)三相差動(dòng)信號(hào)DSa DSc進(jìn)行矢量合成，因此信 號(hào)強(qiáng)度大約成為V^倍。由此，改進(jìn)信號(hào)噪聲比3dB。
另外，在增益調(diào)節(jié)部52A、 52B中，通過對(duì)信號(hào)的增益進(jìn)行 調(diào)節(jié)，在進(jìn)行矢量合成之后能夠得到強(qiáng)度相等的相位差為90度 的兩相信號(hào)。
接著，參照?qǐng)D16說明基準(zhǔn)檢測(cè)法。
隨著基準(zhǔn)標(biāo)記14的相對(duì)移動(dòng)，在各受光部中產(chǎn)生信號(hào)變 動(dòng)。如圖16所示，對(duì)于相對(duì)移動(dòng)方向(圖中CW方向)，首先，主 受光部30a和30ab受到鏡面反射的影響，干涉條紋產(chǎn)生受光變 動(dòng)。接著，配置在a相(ab相)與b相(bb相)之間的z相(zb相)受到衍 射光量降低的影響，產(chǎn)生信號(hào)降低。
如以上所i^明的那樣，即4吏受到受光量變動(dòng)，兩相正弦波 也不會(huì)變動(dòng)到產(chǎn)生計(jì)數(shù)錯(cuò)誤的程度。此外，由于信號(hào)純度降低， 因此難以利用通過縫時(shí)的插值(interpolate)來進(jìn)行精確的測(cè)長。
當(dāng)基準(zhǔn)標(biāo)記14到達(dá)與z相受光部32z相向的位置時(shí)，因鏡面 反射成分而受光量增加。在與配置在錯(cuò)開的位置上的zb相之間 的差動(dòng)信號(hào)(差動(dòng)z相信號(hào))中，在基準(zhǔn)檢測(cè)部通過前后的變動(dòng)和 通過時(shí)的變動(dòng)中，差動(dòng)z相信號(hào)的邊緣方向不同(在圖16的情況 下，前者為上升沿、后者為下降沿)，因此能夠進(jìn)行基準(zhǔn)標(biāo)記鏡 面反射位置上的基準(zhǔn)檢測(cè)。
接著，通過差動(dòng)z相信號(hào)的下降沿脈沖來對(duì)增量信號(hào)的內(nèi)部 周期計(jì)數(shù)器58進(jìn)行復(fù)位，使周期計(jì)數(shù)器開始，在存儲(chǔ)器/設(shè)定電 路8 0中設(shè)定的、比邊緣脈沖充分滯后的不產(chǎn)生受光變動(dòng)的任意
19(期望)的位置上，從Z信號(hào)輸出電路82與周期計(jì)數(shù)同步地輸出基 準(zhǔn)脈沖。
由此，能夠與增量信號(hào)同步地且在任意的位置上輸出基準(zhǔn) 脈沖。
在存在灰塵的情況下，差動(dòng)z相信號(hào)的增減方向變得相反，
因此如果已知移動(dòng)方向，則能夠容易地進(jìn)行識(shí)別。
在本實(shí)施方式中通過進(jìn) 一 步附加脈沖間隔#r測(cè)電路7 4和 下位2位加法電路76,具有防止由復(fù)位位置變動(dòng)引起的周期跳躍 來確?；鶞?zhǔn)檢測(cè)復(fù)位脈沖的再現(xiàn)性的功能，其中，上述脈沖間 隔-險(xiǎn)測(cè)電路74對(duì)基準(zhǔn)4企測(cè)脈沖和增量兩相方形波邊緣的間隔進(jìn) 行檢測(cè)，上述下位2位加法電路76根據(jù)所檢測(cè)的間隔在內(nèi)部周期 計(jì)數(shù)器58上加下位2位。即，如圖17所示，在由安裝引起檢測(cè)部 傾斜的情況下，有時(shí)導(dǎo)致計(jì)數(shù)周期跳躍。因此，在計(jì)數(shù)器(1/4 周期計(jì)數(shù)器)的下位加2位(bit),來錯(cuò)開半周期，由此利用下降 沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，能夠提高重復(fù)再現(xiàn)性。在理論上，即使是再現(xiàn)性 <±1/2周期，也能夠確?；鶞?zhǔn)脈沖(任意位置)的再現(xiàn)性。這樣， 通過補(bǔ)償由安裝引起的基準(zhǔn)檢測(cè)再現(xiàn)性的惡化，能夠提高重復(fù) 再現(xiàn)性。
此外，如圖18示出的第二實(shí)施方式那樣，在上述z相/zb相 差動(dòng)放大器66的輸出上設(shè)置電平值存儲(chǔ)電路67,將該電平使用 于比較器68的判斷電平中，由此即使由于光源惡化、表面污濁/ 氧化而引起反射率變化的情況下，也能夠更高精確度地檢測(cè)基 準(zhǔn)。
另外，在上述實(shí)施方式中，檢測(cè)器使用光纖來進(jìn)行檢測(cè)， 但是本發(fā)明的應(yīng)用對(duì)象并不限于此，例如也能夠使用發(fā)光二極 管和光電二極管或者光電二極管陣列等來構(gòu)成檢測(cè)器。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)清楚，表述本發(fā)明的原理的應(yīng)用的上述實(shí)施例僅僅是示例性的。在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況 下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地設(shè)計(jì)出無數(shù)且各種各樣的其它 實(shí)施例。
在此通過引用來包含2008年9月19日提交的包括說明書、 附圖和斥又利要求書的日本專利申請(qǐng)2008-240216的7>開內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種光電式編碼器，具備標(biāo)尺，其具有沿著測(cè)長方向形成有反射型相位光柵的增量軌；以及檢測(cè)部，其相對(duì)于該標(biāo)尺進(jìn)行相對(duì)位移，該光電式編碼器的特征在于，具備基準(zhǔn)標(biāo)記，其被設(shè)置在上述標(biāo)尺上，由形成在上述增量軌的至少一個(gè)位置上的反射縫構(gòu)成；被設(shè)置在上述檢測(cè)部中的以下部分光照射部，其將漫射光照射到上述標(biāo)尺；主受光部，其以該光照射部為中心被配置在其周圍，接收從上述光照射部照射的光在上述標(biāo)尺上衍射而形成的干涉條紋，具有沿著測(cè)長方向被配置而具有90度的相位差、且沿著與測(cè)長方向垂直的方向被配置而具有180度的相位差的四個(gè)受光窗，并且輸出相位相互不同的四個(gè)增量信號(hào)；以及一對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)受光部，其以上述光照射部為點(diǎn)對(duì)稱的中心，被配置在與上述測(cè)長方向垂直的方向上，并且輸出基準(zhǔn)信號(hào)，信號(hào)處理部，該信號(hào)處理部具有以下部分三相信號(hào)生成部，其根據(jù)上述四個(gè)增量信號(hào)生成相位差為90度的三相信號(hào)；兩相正弦波信號(hào)生成部，其對(duì)該三相信號(hào)進(jìn)行矢量合成而生成相位差為90度的兩相正弦波信號(hào)；方向辨別部，其通過辨別上述檢測(cè)部相對(duì)于上述標(biāo)尺的相對(duì)位移的方向來檢測(cè)邊緣；內(nèi)部周期計(jì)數(shù)器，其對(duì)相對(duì)位移的周期進(jìn)行計(jì)數(shù)；以及基準(zhǔn)信號(hào)處理部，其根據(jù)上述基準(zhǔn)信號(hào)受光部的輸出來產(chǎn)生基準(zhǔn)信號(hào)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光電式編碼器，其特征在于， 上述基準(zhǔn)標(biāo)記由與增量軌的相位光柵平行的反射縫構(gòu)成，該反射縫形成在上述增量軌的測(cè)長范圍外的、能夠由上述檢測(cè) 部進(jìn)行檢測(cè)的端部。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光電式編碼器，其特征在于， 上述基準(zhǔn)標(biāo)記與上述增量軌的相位光柵為一體結(jié)構(gòu)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光電式編碼器，其特征在于，上述基準(zhǔn)標(biāo)記被附加到上述增量軌的相位光柵上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光電式編碼器，其特征在于，上述基準(zhǔn)標(biāo)記的寬度為上述主受光部的寬度的1/4以下，并且是上述基準(zhǔn)信號(hào)受光部的寬度的一半左右。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光電式編碼器，其特征在于， 上述光照射部為點(diǎn)光源或者具有空間濾波器的光源。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的光電式編碼器，其特征在于， 上述光源為由配置在光纖線纜的中心的光投射用光纖以及被配置在該光投射用光纖的發(fā)射端處的空間濾波器構(gòu)成的點(diǎn)光 源。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的光電式編碼器，其特征在于， 上述主受光部以上述點(diǎn)光源為中心被配置成田字型。
9. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光電式編碼器，其特征在于， 上述主受光部的測(cè)長方向?qū)挾萕d、上述基準(zhǔn)信號(hào)受光部的測(cè)長方向開口寬度Wz以及上述基準(zhǔn)標(biāo)記的測(cè)長方向?qū)挾萕o滿 足以下式的關(guān)系，(l/4)Wd>Wo(l/2)Wz Wo。
10. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光電式編碼器，其特征在于， 上述基準(zhǔn)標(biāo)記的測(cè)長方向?qū)挾扰c上述增量軌的周期相比足夠大。
11. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光電式編碼器，其特征在于， 上述主受光部中的生成相位相差180度的周期信號(hào)的主受光部被配置在與測(cè)長方向垂直地偏離的位置。
12. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光電式編碼器，其特征在于， 上述信號(hào)處理部具有脈沖間隔纟企測(cè)電路，其檢測(cè)基準(zhǔn)脈沖與相位相差90度的矩形信號(hào)之間的間隔；以及根據(jù)所檢測(cè)出的脈沖間隔將上述內(nèi)部周期計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)觸 發(fā)位置變更的電路。
13. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光電式編碼器，其特征在于，上述信號(hào)處理部具有延遲90度相位差的倍數(shù)的計(jì)數(shù)器開始指令值延遲電路。
14. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的光電式編碼器，其特征在于， 上述信號(hào)處理部具有存儲(chǔ)基準(zhǔn)信號(hào)的受光電平的電路。
全文摘要
提供一種光電式編碼器，在測(cè)量相對(duì)位移的光電式編碼器中，標(biāo)尺(10)具有由形成在增量軌(12)的至少一個(gè)位置上的反射縫構(gòu)成的基準(zhǔn)標(biāo)記(14)，檢測(cè)部(20)具有光照射部(24)、以該光照射部為中心被配置在其周圍的輸出相位不同的四個(gè)增量信號(hào)的主受光部(30a、30b、30ab、30bb)以及以上述光照射部為點(diǎn)對(duì)稱的中心被配置在與測(cè)長方向垂直的方向上的一對(duì)基準(zhǔn)信號(hào)受光部(32z、32zb)，信號(hào)處理部(40)具有三相信號(hào)生成部(48)、兩廂正弦波信號(hào)生成部(50)、方向辨別部(56)、內(nèi)部周期計(jì)數(shù)器(58)以及基準(zhǔn)信號(hào)處理部(60)。由此，能夠以超小型結(jié)構(gòu)檢測(cè)基準(zhǔn)。
文檔編號(hào)G01B11/02GK101676692SQ20091017219
公開日2010年3月24日 申請(qǐng)日期2009年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月19日
發(fā)明者高橋知隆 申請(qǐng)人:株式會(huì)社三豐