專利名稱：編碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種編碼器，更具體而言是一種對(duì)移動(dòng)體的位置信息進(jìn) 行光學(xué)檢測(cè)的編碼器。
背景技術(shù)：
掃描式編碼器中執(zhí)行如下處理由受光元件接收經(jīng)過移動(dòng)標(biāo)度 (scale)的照明光，由從所述受光元件輸出的輸出信號(hào)而生成2個(gè)以 上的不同的相位信號(hào)，并根據(jù)這些相位信號(hào)來(lái)檢測(cè)移動(dòng)標(biāo)度的位置信 息(以下，簡(jiǎn)稱為檢測(cè)處理)(例如，參照專利文獻(xiàn)l)。
此檢測(cè)處理中，為了提高位置信息的檢測(cè)精度，考慮到使移動(dòng)標(biāo) 度上所設(shè)的圖案達(dá)到高精細(xì)的水平以提高編碼器的分辨率。然而，如 果使圖案達(dá)到高精細(xì)的水平，那么會(huì)存在以下問題調(diào)制照明光的掃 描儀的能力無(wú)法對(duì)應(yīng)于所述高精細(xì)的圖案。而且，當(dāng)要提高編碼器的 測(cè)量精度時(shí)，也必須有效地除去輸出信號(hào)內(nèi)包含的失真。
專利文獻(xiàn)l:美國(guó)專利第6,639,686號(hào)說明書
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種編碼器，其是利用從光源射出的照明光的干涉來(lái)對(duì) 移動(dòng)體的位置信息進(jìn)行檢測(cè)的光電式編碼器，該編碼器包括標(biāo)度，
固定在所述移動(dòng)體上，且具有沿所述移動(dòng)體的移動(dòng)方向排列的圖案； 光學(xué)系統(tǒng)，將照明光照射到所述標(biāo)度上，從而產(chǎn)生包含相互不同的2 個(gè)以上相位信息的出射光；信號(hào)生成裝置，接收所述出射光，生成分 別與所述相位信息相對(duì)應(yīng)的信號(hào)；以及輸出裝置，根據(jù)所述信號(hào)生成 裝置生成的信號(hào)，來(lái)輸出所述移動(dòng)體的位置信息。
這樣，所述信號(hào)生成電路根據(jù)包含互不相同的2個(gè)以上相位信息
3的出射光，而生成與相位信息相對(duì)應(yīng)的信號(hào)(相位信號(hào))。然后，輸 出裝置根據(jù)相位信號(hào)而生成移動(dòng)體的位置信息且進(jìn)行輸出。所以，通 過對(duì)各相位信號(hào)實(shí)施規(guī)定的處理，實(shí)質(zhì)上能獲得與增大照明光的調(diào)制 度時(shí)相同的效果。
圖l是表示本發(fā)明的一實(shí)施方式中的編碼器的構(gòu)成的概要圖。
具體實(shí)施例方式
以下，參照?qǐng)D1對(duì)本發(fā)明的一實(shí)施方式進(jìn)行說明。
圖1中表示本發(fā)明的一實(shí)施方式中的編碼器10的概要性的構(gòu)成。 如圖l所示，編碼器10是所謂衍射干涉式的編碼器，且是對(duì)沿規(guī)定 方向(x軸方向)移動(dòng)的移動(dòng)體的移動(dòng)方向、或移動(dòng)量、或位移進(jìn)行
檢測(cè)的線性編碼器。
如圖1所示，此編碼器10包括光源12、致動(dòng)器16、準(zhǔn)直透鏡 18、指數(shù)標(biāo)度20、 一對(duì)反射鏡22A、 22B、移動(dòng)標(biāo)度24、受光元件26 以及控制電路30。
光源12將相千光、例如波長(zhǎng)X(-850 nm)的激光射向圖1中的 -Z方向。
致動(dòng)器16由例如壓電元件構(gòu)成，且配置在光源12的-X側(cè)。此 致動(dòng)器16根據(jù)從控制電路30供給的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使光源12沿X軸方 向周期性地振動(dòng)。本實(shí)施方式中，通過后述的調(diào)制度控制電路33與 致動(dòng)器控制電路32的協(xié)動(dòng)，使致動(dòng)器16以調(diào)制振幅s (單振幅￡/2 )、 調(diào)制度d (=7P￡/p)、調(diào)制角頻率co進(jìn)行振動(dòng)。
準(zhǔn)直透鏡18配置在光源12的下方，使從光源12射出的照明光 成為平行光。
指數(shù)標(biāo)度20配置在準(zhǔn)直透鏡18的下方。此指數(shù)標(biāo)度20是形成 了衍射光柵的透射型相位光柵，且此衍射光柵以X軸方向?yàn)橹芷诜?向。而且，當(dāng)穿過準(zhǔn)直透鏡18的照明光入射后，產(chǎn)生多束衍射光。圖1中，示出這些衍射光中的、由指數(shù)標(biāo)度20產(chǎn)生的士1階衍射光。 另外，這里，將圖1中+X側(cè)產(chǎn)生的衍射光作為+l階衍射光，而將-X 側(cè)產(chǎn)生的衍射光作為-1階衍射光。
在指數(shù)標(biāo)度20的下方、且從準(zhǔn)直透鏡18的光軸分別向-X方向 及+X方向隔著規(guī)定距離的位置上，以相互對(duì)向的狀態(tài)分別配置有反 射鏡22A、 22B。反射鏡22A、 22B將指數(shù)標(biāo)度20所產(chǎn)生的-1階衍射 光和+1階衍射光分別向移動(dòng)標(biāo)度24進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。這樣，由指數(shù)標(biāo)度20 產(chǎn)生的士l階衍射光，以至少有一部分相互重合的狀態(tài)入射到移動(dòng)標(biāo)度 24。
移動(dòng)標(biāo)度24以能沿X軸方向移動(dòng)的方式配置在反射鏡22A、22B 的下方。此移動(dòng)標(biāo)度24是形成了衍射光柵的透射型相位光柵，且此 衍射光4冊(cè)以X軸方向?yàn)橹芷诜较?。而且，形成在此移?dòng)標(biāo)度24上的 衍射光柵的光柵間距p，與形成在指數(shù)標(biāo)度20上的相位光柵的光柵間 距稍有偏差。而且，指數(shù)標(biāo)度20所產(chǎn)生的+l階衍射光與-1階衍射光， 在移動(dòng)標(biāo)度24受到±1階衍射，從而以相互干涉的狀態(tài)入射到受光元 件26。
受光元件26配置在移動(dòng)標(biāo)度24的下方。此受光元件26具有4 個(gè)受光部26a、 26b、 26c、 26d，這4個(gè)受光部26a、 26b、 26c、 26d 對(duì)應(yīng)于因經(jīng)過移動(dòng)標(biāo)度24的照明光產(chǎn)生干涉而形成的千涉條紋而設(shè) 置。而且，輸出與入射到各受光部26a 26d的照明光的強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的光 電轉(zhuǎn)換信號(hào)Ia、 Ib、 Ic、 Id。由于致動(dòng)器16如上所述地振動(dòng)，所以這 些光電轉(zhuǎn)換信號(hào)Ia Ia以下式(1) ~ (4)表示。另外，x是移動(dòng)標(biāo) 度24相對(duì)于指數(shù)標(biāo)度20的位移。
Ia=l + cos [ 4丌x/p - 2d'sin (cot) ] ...... (1)
Ib=l + sin [ 4丌x/p - 2d.sin (cot) ] ...... ( 2 )
Ic=l - cos [ 4丌x/p - 2d.sin (cot) ] ...... ( 3 )
Id=l - sin [ 47ix/p - 2d.sin ( ot) ] ...... ( 4 )
所述控制電路30包括光源驅(qū)動(dòng)電路31、致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電路32、調(diào) 制度控制電路33、信號(hào)生成電路34、校正電路35以及運(yùn)算電路36。光源驅(qū)動(dòng)電路31對(duì)光源12進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以使照明光達(dá)到固定強(qiáng)度。 信號(hào)生成電路34在收到從受光元件26供給的光電轉(zhuǎn)換信號(hào)Ia ~ Id后，如下式(5)和(6)所示，從光電轉(zhuǎn)換信號(hào)Ia減去光電轉(zhuǎn)換信
號(hào)Ic而生成信號(hào)IA,此光電轉(zhuǎn)換信號(hào)Ia與此光電轉(zhuǎn)換信號(hào)Ie相互存
在180度的相位差。而且，從光電轉(zhuǎn)換信號(hào)Ib減去光電轉(zhuǎn)換信號(hào)Id 而生成信號(hào)IB，此光電轉(zhuǎn)換信號(hào)Ib與此光電轉(zhuǎn)換信號(hào)Id相互存在180 度的相位差。這些信號(hào)IA、 IB分別輸出到校正電路35和運(yùn)算電路36。
IA=Ia - Ic=2cos [ 4丌x/p - 2d'sin ( cot) ] ...... ( 5 )
IB=Ib - Id=2sin [ 4丌x/p - 2d'sin ( cot) ] ...... ( 6 )
運(yùn)算電路36將信號(hào)lA、 Ib相乘而生成信號(hào)Iab。在所述式(5) 和(6)中，如果將4丌x/p - 2d'sin ((ot)定義為(|)，那么信號(hào)IA、 IB 分別成為2cos ( d) ) 、 2sin ((]))。然后，如果將信號(hào)IA與信號(hào)IB 相乘，那么可獲得下式(7)所示的信號(hào)IAB。運(yùn)算電路36算出信號(hào)
IaB后，將此信號(hào)IAB作為移動(dòng)標(biāo)度24的位置信息而輸出到外部，并
且輸出到調(diào)制度控制電路33 。
lAB=lAxlB=4sin cj) 'cos cj) =2sin ( 2 (J))
=2sin [ 8丌x/p - 4d'sin (cot)〗......(7 )
作為一個(gè)例子，調(diào)制度控制電路33根據(jù)角頻率co的時(shí)鐘信號(hào) CL ( =kl.sinot)，而生成由正弦波構(gòu)成的調(diào)制信號(hào)(k2'sincot)。而 且，調(diào)制度控制電路33根據(jù)此調(diào)制信號(hào)，經(jīng)過致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電路32而 使致動(dòng)器16以調(diào)制振幅s (單振幅s/2 )、調(diào)制度d ( =7P￡/p )、調(diào)制 角頻率co進(jìn)行振動(dòng)。這樣，從光源12射出的照明光得到調(diào)制，從受 光元件26輸出如所述式(1) ~ (4)所示的相位分別偏移90度的光 電轉(zhuǎn)換信號(hào)Ia、 Ib、 Ic、 Id。
而且，調(diào)制度控制電路33 —直對(duì)由運(yùn)算電路36供給的信號(hào)IAB
進(jìn)行監(jiān)視，根據(jù)信號(hào)lAB的值進(jìn)行控制，以使調(diào)制振幅s的大小為移
動(dòng)標(biāo)度24的光柵間距p的一半(p/2)以上。這樣，能對(duì)信號(hào)L和信 號(hào)lB的半周期以上進(jìn)行莉莎監(jiān)控(Lissajous monitor)。
校正電路35對(duì)信號(hào)Ia和信號(hào)lB進(jìn)行莉莎監(jiān)控，而校正信號(hào)IA和信號(hào)Ib的相位偏移和失真，將校正后的2個(gè)信號(hào)IA'、 lB，作為移動(dòng) 標(biāo)度24的位置信息而輸出。
如上所述，本實(shí)施方式中的編碼器10中，由信號(hào)生成電路34
對(duì)來(lái)自受光元件26的光電轉(zhuǎn)換信號(hào)Ia、 Ib、 Ie、 Id進(jìn)行運(yùn)算，作為其
結(jié)果而生成2個(gè)信號(hào)Ia、 Ib。然后，在運(yùn)算電路36中，由該信號(hào)IA、 Ib生成信號(hào)Iab，且從編碼器10輸出。此信號(hào)Iab如所述式(7)所示， 依賴于時(shí)間t的項(xiàng)為4d'sin (wt)。另一方面，信號(hào) Ia、 Ib 的依賴于 時(shí)間t的項(xiàng)如所述式(5)及(6)所示，為2d.sin ((ot)。所以，信 號(hào)Iab相對(duì)于信號(hào)Ia、 Ib的變化等同于實(shí)質(zhì)上將調(diào)制度d擴(kuò)大為2倍。
因此，當(dāng)根據(jù)信號(hào)lAB而檢測(cè)出移動(dòng)標(biāo)度24的位置時(shí)，能與將調(diào)制度
d擴(kuò)大為2倍時(shí)同樣地以高精度檢測(cè)出移動(dòng)標(biāo)度24的位置。
而且，在本實(shí)施方式的編碼器10中，調(diào)制度控制電路33根據(jù)由 運(yùn)算電路36供給的信號(hào)lAB進(jìn)行控制，以使致動(dòng)器16的調(diào)制振幅s 的大小為移動(dòng)標(biāo)度24的光柵間距的一半以上。而且，校正電路35對(duì) 從信號(hào)生成電路34輸出的信號(hào)IA、 lB的至少半周期以上進(jìn)行莉莎監(jiān) 控，并迸行除去信號(hào)Ia、 Ib的相位偏移和失真的校正。所以，可將校 正后可靠性校高的信號(hào)Ia'、 IB'作為編碼器10的輸出信號(hào)。另外，其 結(jié)果，能根據(jù)信號(hào)Ia'、 Ib'，而以高精度檢測(cè)出移動(dòng)標(biāo)度24的移動(dòng)方 向。
而且，在本實(shí)施方式的編碼器10中，不論致動(dòng)器16因何原因而 停止振動(dòng)，信號(hào)生成電路34都能對(duì)光電轉(zhuǎn)換信號(hào)Ia、 Ib、 Ic、 Id進(jìn)行 運(yùn)算。所以，編碼器10能繼續(xù)輸出輸出信號(hào)lA，、 IB'、 Iab。這時(shí)，也 可例如在控制電路30中設(shè)置用于一直監(jiān)視信號(hào)lAB而對(duì)致動(dòng)器16的 停止進(jìn)行檢測(cè)的電路，并向外部發(fā)送用于通知致動(dòng)器16的停止或狀 態(tài)等的信號(hào)。
而且，在本實(shí)施方式的編碼器10中，將相位相差180度的光電
轉(zhuǎn)換信號(hào)L、 Ie和光電轉(zhuǎn)換信號(hào)Ib、 Id的差量分別設(shè)為信號(hào)IA、 Ib。
這樣，能避免光電轉(zhuǎn)換信號(hào)Ia、 Ib、 Ie、 Id的雜波(noise)混入到信 號(hào)Ia、 Ib、 Iab中。
7另外，在本實(shí)施方式中，受光元件26具有4個(gè)受光部26a ~ 26d， 且輸出相位分別相差90度的4個(gè)信號(hào)，但并不限于此，例如，也可 輸出相位不同的2個(gè)信號(hào)，并輸出將這2個(gè)信號(hào)相乘后所得到的信號(hào)。 這時(shí)，在移動(dòng)標(biāo)度24的位置檢測(cè)中，能獲得與將調(diào)制度實(shí)質(zhì)上擴(kuò)大 為2倍時(shí)相同的效果。
而且，形成在受光元件26上的受光部26a ~ 26d的配置僅為一例， 本發(fā)明并不限于此。總之，通過與照明系統(tǒng)相組合而從受光元件26 輸出相位不同的4個(gè)信號(hào)即可。
而且，在本實(shí)施方式中，對(duì)于包含由準(zhǔn)直透鏡18、指數(shù)標(biāo)度20 以及反射鏡22A、 22B構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)的編碼器IO進(jìn)行了說明，但本 發(fā)明并不限于此，例如，既可使用分束器代替指數(shù)標(biāo)度20來(lái)使照明 光衍射，也可使用衍射光柵來(lái)代替反射鏡22A、 22B。總之，只要光 學(xué)系統(tǒng)能由入射的照明光而生成相位各不相同的多個(gè)信號(hào)即可。
而且，在本實(shí)施方式中，使光源12周期性地振動(dòng)而對(duì)照明光進(jìn) 行了調(diào)制，但并不限于此，也可使指數(shù)標(biāo)度20周期性地振動(dòng)。
另外，本發(fā)明也可適用于不使光源12振動(dòng)而使準(zhǔn)直透鏡18沿X 軸周期性地振動(dòng)的編碼器。而且，在光源12與準(zhǔn)直透鏡18之間配置 聲光調(diào)制器(AOM ， Acousto-Optical Modulator )或電光調(diào)制器 (EOM， Electro-Optical Modulator)從而4吏照明光的4亍進(jìn)方向或通 過位置周期性地振動(dòng)的編碼器中，也可使用本發(fā)明。
而且，在本實(shí)施方式中，對(duì)移動(dòng)標(biāo)度24移動(dòng)的情況進(jìn)行了說明， 但本發(fā)明并不限于此，移動(dòng)標(biāo)度24以外的部分也可移動(dòng)?？傊?要具有移動(dòng)標(biāo)度24與其它光學(xué)部件相對(duì)移動(dòng)的構(gòu)成即可。
另外，在本實(shí)施方式中，對(duì)指數(shù)標(biāo)度20與移動(dòng)標(biāo)度24具有相位 光柵的情形進(jìn)行了說明，但并不限于此，也可采用具有振幅型衍射光 柵(明暗型衍射光柵)的標(biāo)度。而且，也可混合采用具有振幅型衍射 光柵的標(biāo)度和具有相位光柵的標(biāo)度。
而且，本實(shí)施方式中，使用±1階衍射光作為測(cè)量光，但并不限 于此，既可使用更高階的衍射光的干涉光作為測(cè)量光，也可采用像0階與n階(或-n階)、+n階與+ (m + n)階這樣階數(shù)不同的衍射光 彼此的干涉光作為測(cè)量光。
另外，本實(shí)施方式的編碼器IO是對(duì)移動(dòng)體的單軸方向上的位置 信息進(jìn)行檢測(cè)的線性編碼器，但在對(duì)旋轉(zhuǎn)體的旋轉(zhuǎn)量進(jìn)行檢測(cè)的旋轉(zhuǎn) 編碼器(rotary encoder )中也可使用本發(fā)明。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性
如上所述，本發(fā)明的編碼器適于對(duì)移動(dòng)體的位置信息進(jìn)行光學(xué)檢測(cè)。
權(quán)利要求
1. 一種編碼器，利用經(jīng)過調(diào)制的照明光的干涉，來(lái)檢測(cè)出移動(dòng)體的位置信息，該編碼器的特征在于包括標(biāo)度，固定在所述移動(dòng)體上，且具有沿所述移動(dòng)體的移動(dòng)方向而排列的圖案；光學(xué)系統(tǒng)，向所述標(biāo)度照射所述照明光，而產(chǎn)生含有互不相同的2個(gè)以上相位信息的出射光；信號(hào)生成裝置，接收所述出射光而生成分別與所述相位信息相對(duì)應(yīng)的信號(hào)；及輸出裝置，根據(jù)所述信號(hào)生成裝置生成的信號(hào)，輸出所述移動(dòng)體的位置信息。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的編碼器，其特征在于 還包括處理裝置，該處理裝置根據(jù)由所述信號(hào)生成裝置生成的各個(gè)信號(hào)的加法運(yùn)算、減法運(yùn)算、乘法運(yùn)算、以及除法運(yùn)算中的至少1 個(gè)運(yùn)算結(jié)果，來(lái)調(diào)整所述照明光的調(diào)制度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的編碼器，其特征在于所述輸出裝置即便在所述照明光的調(diào)制已停止時(shí)，也根據(jù)由所述 信號(hào)生成裝置生成的信號(hào)，而輸出所述移動(dòng)體的位置信息。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中的任一項(xiàng)所述的編碼器，其特征在于還包括警報(bào)檢測(cè)裝置，該警報(bào)檢測(cè)裝置在所述照明光的調(diào)制已停 止時(shí)，向外部輸出警報(bào)信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明是一種編碼器，對(duì)于來(lái)自受光元件(26)的光電轉(zhuǎn)換信號(hào)(I<sub>a</sub>、I<sub>b</sub>、I<sub>c</sub>、I<sub>d</sub>)進(jìn)行運(yùn)算，結(jié)果計(jì)算出2個(gè)信號(hào)(I<sub>A</sub>、I<sub>B</sub>)。然后，由信號(hào)(I<sub>A</sub>、I<sub>B</sub>)生成信號(hào)(I<sub>AB</sub>)，且從編碼器(10)輸出此信號(hào)(I<sub>AB</sub>)。如式(7)所示，此信號(hào)(I<sub>AB</sub>)中依賴于時(shí)間t的項(xiàng)為4d·sin(ωt)。另一方面，如式(5)及(6)所示，信號(hào)(I<sub>A</sub>、I<sub>B</sub>)中依賴于時(shí)間t的項(xiàng)為2d·sin(ωt)，因此，信號(hào)(I<sub>AB</sub>)相對(duì)于信號(hào)(I<sub>A</sub>、I<sub>B</sub>)的變化等同于實(shí)質(zhì)上將調(diào)制度擴(kuò)大為2倍。所以，當(dāng)根據(jù)信號(hào)(I<sub>AB</sub>)檢測(cè)移動(dòng)標(biāo)度(24)的位置時(shí)，能與將調(diào)制度擴(kuò)大為2倍時(shí)同樣地以高精度檢測(cè)出移動(dòng)標(biāo)度(24)的位置。
文檔編號(hào)G01D5/38GK101535777SQ20078004208
公開日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2007年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月14日
發(fā)明者今井亨, 渡邊昭宏, 牧野內(nèi)進(jìn) 申請(qǐng)人:株式會(huì)社尼康