光學(xué)編碼器及其透鏡固定機(jī)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】光學(xué)編碼器及其透鏡固定機(jī)構(gòu)。光學(xué)編碼器包括檢測(cè)頭(20)。檢測(cè)頭包括:光學(xué)系統(tǒng),其包括透鏡(22、24)和光圈板(28),透鏡包括與透鏡一體形成的一對(duì)凸起(22A、24A),該對(duì)凸起布置成透鏡的光軸在該對(duì)突起之間,光圈板具有一對(duì)基準(zhǔn)銷插入孔(28A、28B),該對(duì)基準(zhǔn)銷插入孔布置成光圈開(kāi)口在該對(duì)基準(zhǔn)銷插入孔之間;殼體(26),包括一對(duì)安裝部(26D)并具有布置在中心對(duì)稱面(P1)上的一對(duì)透鏡凸起插入孔(26A、26B)和一對(duì)基準(zhǔn)銷插入孔(26C);透鏡保持件(30),具有配置在中心對(duì)稱面上的一對(duì)透鏡凸起插入孔和一對(duì)基準(zhǔn)銷插入孔;一對(duì)基準(zhǔn)銷(32),用于使透鏡保持件和光圈板相對(duì)于殼體定位。以凸起和基準(zhǔn)銷為基準(zhǔn)調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)的光軸。
【專利說(shuō)明】光學(xué)編碼器及其透鏡固定機(jī)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光學(xué)編碼器并且涉及一種光學(xué)編碼器的透鏡固定機(jī)構(gòu)。特別地,本發(fā)明涉及的光學(xué)編碼器通過(guò)使用包括光圈板和多個(gè)透鏡的成像光學(xué)系統(tǒng)在光接收元件上形成軌道的像來(lái)檢測(cè)標(biāo)尺上的軌道,本發(fā)明涉及的透鏡固定機(jī)構(gòu)優(yōu)選地用于這種光學(xué)編碼器。
【背景技術(shù)】
[0002]圖1示出了光學(xué)編碼器的示例,該光學(xué)編碼器包括具有成像光學(xué)系統(tǒng)(imagingoptics)的檢測(cè)頭I。光學(xué)系統(tǒng)在光接收元件4上形成標(biāo)尺(scale) 2的像3。特別地,日本特開(kāi)2011-13093號(hào)公報(bào)和特開(kāi)2011-59055號(hào)公報(bào)均說(shuō)明了包括雙遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)編碼器,在該雙遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)中,透鏡5、6配置在光圈板(aperture plate)7的兩側(cè)。該編碼器具有如下優(yōu)點(diǎn):由于標(biāo)尺2和前側(cè)的透鏡5之間的間隙以及后側(cè)的透鏡6和光接收元件4之間的間隙的變化導(dǎo)致的像的失真小。在圖1中,箭頭X指標(biāo)尺的縱向,箭頭Z指光軸方向。
[0003]在具有雙軌標(biāo)尺的光學(xué)編碼器中,可以平行配置一對(duì)相同的光學(xué)系統(tǒng)。在這種情況中,如日本特開(kāi)2012-32295號(hào)公報(bào)和特開(kāi)2008-3014號(hào)公報(bào)所述,使用透鏡陣列以便減小光學(xué)編碼器的尺寸并且簡(jiǎn)化光學(xué)編碼器的組件。為了減少透鏡的數(shù)量并且通過(guò)僅使用兩個(gè)透鏡來(lái)消除光學(xué)像差,使用非球面透鏡。圖2是包括雙遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)編碼器的示意圖,該雙遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)包括雙軌標(biāo)尺12、入射側(cè)透鏡陣列13和出射側(cè)透鏡陣列14。在圖2中,箭頭X指標(biāo)尺的縱向,箭頭Y指橫向。如日本特開(kāi)2008-3421號(hào)公報(bào)和特開(kāi)2008-3466號(hào)公報(bào)所述,優(yōu)選地將塑料用作小型高精度非球面透鏡的材料。在下文中,將假定透鏡是由塑料制成的。
[0004]為了達(dá)到所需的光學(xué)特性,必須以大約百微米的相對(duì)位置精度裝配這些光學(xué)元件。
[0005]然而,在具有雙軌標(biāo)尺的光學(xué)編碼器中,為了通過(guò)使用配置在一個(gè)檢測(cè)頭中的兩個(gè)獨(dú)立的光學(xué)系統(tǒng)檢測(cè)雙軌標(biāo)尺的每一條軌道,必須使得雙軌標(biāo)尺12的在橫向(Y方向)上的軸線與連接兩個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的光軸的線彼此高精度地平行。平行的偏離(偏移)導(dǎo)致了增量式編碼器的信號(hào)檢測(cè)效率的降低并且引起了兩條軌道之間的位置誤差(軌道間誤差)。
[0006]在圖3A和圖3B中示出的雙遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)中,需要將兩個(gè)透鏡的焦點(diǎn)高精度地定位在光圈板7處,并且必須將入射側(cè)透鏡陣列13高精度地固定到檢測(cè)頭的金屬殼體15。
[0007]可以通過(guò)使用包括如下步驟的方法將透鏡陣列13、14固定到殼體15:例如,凸起13A、14A以位于連接透鏡陣列13、14的光軸的線上的方式形成于透鏡陣列13、14,將粘接劑涂覆到凸起13A、14A,并且將凸起13A、14A插入到殼體15的凸起插入孔15A中。利用這種方法,如日本特開(kāi)2004-93556號(hào)公報(bào)所建議的,能夠通過(guò)使用單個(gè)模具使透鏡(5或6)的面與凸起13A或14A—體地形成,使得能夠以高精度簡(jiǎn)單地制造光學(xué)系統(tǒng)。圖3A是示出了入射側(cè)透鏡陣列13和殼體15彼此接合的示意性截面圖。[0008]然而,當(dāng)周圍溫度變化時(shí),因?yàn)橥哥R陣列13、14的塑料材料的線性膨脹系數(shù)(大約60X IO-6Hir1)是殼體15的諸如鋁等的金屬材料的線性膨脹系數(shù)(鋁的線性膨脹系數(shù)是23X IO^mr1)的三倍左右,所以如圖3B所示應(yīng)力被施加到入射側(cè)透鏡陣列13的粘接面13B。另外,因?yàn)樵谌肷鋫?cè)透鏡陣列13的與粘接面13B相反的側(cè)面沒(méi)有產(chǎn)生應(yīng)力,所以入射側(cè)透鏡陣列13受到由箭頭A表示的彎曲力。結(jié)果,入射側(cè)透鏡陣列13的透鏡5的面如虛線所示地產(chǎn)生變形,由此導(dǎo)致了像對(duì)比度的減小或者失真,這可能導(dǎo)致編碼信號(hào)的效率的降低以及精度的降低。出射側(cè)透鏡陣列14也是一樣的。
[0009]日本特開(kāi)2008-3466號(hào)公報(bào)說(shuō)明了通過(guò)使用金屬板對(duì)塑料透鏡進(jìn)行機(jī)械限制來(lái)減小由于溫度變化導(dǎo)致的透鏡曲率的變化的技術(shù)。然而,該技術(shù)不夠充分有效。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0010]因此,本發(fā)明的目的在于方便光學(xué)編碼器的檢測(cè)頭的光學(xué)元件的裝配,增加光學(xué)元件的裝配精度,并且增加光學(xué)編碼器的針對(duì)溫度變化的性能穩(wěn)定性。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的第一方面,提供一種光學(xué)編碼器,其包括具有軌道的標(biāo)尺和用于檢測(cè)軌道的檢測(cè)頭。檢測(cè)頭包括成像光學(xué)系統(tǒng)、殼體、透鏡保持件、一對(duì)基準(zhǔn)銷和光接收元件。成像光學(xué)系統(tǒng)包括透鏡和光圈板。透鏡包括與透鏡一體形成的一對(duì)凸起,一對(duì)凸起被布置成透鏡的光軸在一對(duì)凸起之間。光圈板具有一對(duì)基準(zhǔn)銷插入孔,一對(duì)基準(zhǔn)銷插入孔被布置成光圈開(kāi)口在一對(duì)基準(zhǔn)銷插入孔之間。殼體具有布置在中心對(duì)稱面上的一對(duì)透鏡凸起插入孔和一對(duì)基準(zhǔn)銷插入孔,殼體包括彼此對(duì)稱地布置的一對(duì)安裝部。透鏡保持件具有配置在中心對(duì)稱面上的一對(duì)透鏡凸起插入孔和一對(duì)基準(zhǔn)銷插入孔?;鶞?zhǔn)銷使透鏡保持件和光圈板相對(duì)于殼體定位。成像光學(xué)系統(tǒng)在光接收元件上形成軌道的像。以凸起和基準(zhǔn)銷為基準(zhǔn)調(diào)整成像光學(xué)系統(tǒng)的光軸。
[0012]在光學(xué)編碼器中,可以設(shè)置多條軌道,并且透鏡可以是包括以與軌道對(duì)應(yīng)的方式平行配置的多個(gè)透鏡的透鏡陣列。
[0013]在光學(xué)編碼器中,透鏡的固定面可以配置在將透鏡的體積二等分的面上,其中,透鏡在固定面處固定到殼體或者固定到透鏡保持件。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的第二方面,提供一種光學(xué)編碼器的透鏡固定機(jī)構(gòu),其包括透鏡,透鏡具有固定面,其中,透鏡在固定面處固定到殼體或者固定到透鏡保持件。固定面布置在將透鏡的體積二等分的面上。
[0015]利用本發(fā)明,相對(duì)于在透鏡保持件中和在殼體中形成的凸起插入孔,將透鏡和光圈板裝配在一起,使得光學(xué)系統(tǒng)能夠容易地以高精度裝配。通過(guò)使用例如塑料作為透鏡的材料,透鏡面和凸起能夠容易地彼此一體形成,使得能夠提高透鏡面和凸起的位置和尺寸的精度。另外,通過(guò)將透鏡直接地安裝到殼體,能夠相對(duì)于光學(xué)系統(tǒng)的位置高精度地調(diào)整殼體的機(jī)械基準(zhǔn)面的位置。因此,能夠降低外部設(shè)備的用于安裝光學(xué)編碼器的基準(zhǔn)面所需的精度水平。另外,因?yàn)闅んw中的凸起插入孔、透鏡的凸起和光圈板中的凸起插入孔配置在殼體的中心對(duì)稱面上,即使在由于溫度變化而產(chǎn)生光學(xué)元件的膨脹和收縮的情況下,原則上也不會(huì)產(chǎn)生殼體、透鏡和光圈板在X軸方向上的偏移并且光軸和軌道上的測(cè)量點(diǎn)之間的距離不會(huì)改變。因此,能夠穩(wěn)定地進(jìn)行位置檢測(cè)。
[0016]在透鏡的使透鏡被安裝到殼體或者透鏡保持件的固定面被布置在將透鏡的體積二等分的面上的情況中,能夠減少由于溫度變化導(dǎo)致的透鏡面的變形并且利用簡(jiǎn)單的低成本結(jié)構(gòu)抑制了像的失真,由此能夠抑制由于溫度變化導(dǎo)致的編碼信號(hào)的輸出的降低。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1是示出現(xiàn)有的雙遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)的示意性光路圖;
[0018]圖2是包括雙軌標(biāo)尺和雙遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)的現(xiàn)有的光學(xué)編碼器的示意性分解立體圖;
[0019]圖3A和圖3B是示出現(xiàn)有的光學(xué)編碼器的透鏡陣列與殼體接合的部分的示意性截面圖;
[0020]圖4是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的光學(xué)編碼器的示意性立體圖;并且
[0021]圖5是示出根據(jù)第一實(shí)施方式的光學(xué)編碼器的透鏡陣列與殼體接合的部分的示意性截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]在下文中,將參照【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】本發(fā)明的實(shí)施方式。
[0023]圖4是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施方式的光學(xué)編碼器的檢測(cè)頭的示意性立體圖。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn),省略了蓋、螺絲等。
[0024]如圖4所示,根據(jù)本實(shí)施方式的光學(xué)編碼器通過(guò)如下方式來(lái)檢測(cè)雙軌標(biāo)尺12上的軌道:通過(guò)使用包括透鏡和光圈板的成像光學(xué)系統(tǒng)在光學(xué)接收元件4上形成軌道的像。光學(xué)編碼器包括檢測(cè)頭20,檢測(cè)頭20包括入射側(cè)透鏡陣列22、出射側(cè)透鏡陣列24、殼體26、光圈板28、透鏡保持件30和一對(duì)基準(zhǔn)銷32。入射側(cè)透鏡陣列22和出射側(cè)透鏡陣列24由例如塑料制成。入射側(cè)透鏡陣列22和出射側(cè)透鏡陣列24分別包括一對(duì)凸起22A和一對(duì)凸起24A,凸起22A與入射側(cè)透鏡陣列22 —體形成,凸起24A與出射側(cè)透鏡陣列24 —體形成,并且凸起22A和凸起24A配置在將兩個(gè)光軸彼此連接的中心線上。殼體26具有:供入射側(cè)透鏡陣列22的凸起22A插入的凸起插入孔26A和長(zhǎng)孔26B (在下文中,統(tǒng)稱為凸起插入孔);以及一對(duì)基準(zhǔn)銷插入孔26C。孔26A、26B、26C配置在中心對(duì)稱面Pl上。殼體26包括彼此對(duì)稱配置的一對(duì)安裝部26D。光圈板28具有一對(duì)基準(zhǔn)銷插入孔28A、28B,在一對(duì)基準(zhǔn)銷插入孔28A、28B之間配置一對(duì)光圈開(kāi)口。透鏡保持件30具有:供出射側(cè)透鏡陣列24的凸起24A插入的凸起插入孔30A和長(zhǎng)孔30B (在下文中,統(tǒng)稱為凸起插入孔);以及供基準(zhǔn)銷32插入的基準(zhǔn)銷插入孔30C和長(zhǎng)孔30D (在下文中,統(tǒng)稱為“基準(zhǔn)銷插入孔”)。孔30A、30B、30C、30D配置在中心對(duì)稱面Pl上?;鶞?zhǔn)銷32用于使透鏡保持件30和光圈板28相對(duì)于殼體26定位。以凸起22A、24A和基準(zhǔn)銷32為基準(zhǔn)調(diào)整成像光學(xué)系統(tǒng)的光軸。
[0025]具體地,檢測(cè)頭20包括光學(xué)系統(tǒng)、殼體26、透鏡保持件30和光傳感器基板34,上述光學(xué)系統(tǒng)包括入射側(cè)透鏡陣列22、出射側(cè)透鏡陣列24和光圈板28。
[0026]在殼體26中,凸起插入孔26A、26B配置在中心對(duì)稱面Pl上,中心對(duì)稱面Pl在X方向上將殼體26 二等分。
[0027]入射側(cè)透鏡陣列22和出射側(cè)透鏡陣列24具有相同的形狀并且都具有兩個(gè)光軸。上述兩對(duì)凸起22A、24A在連接兩個(gè)光軸的中心線上布置在透鏡陣列22、24的端部。透鏡陣列22、24均由塑料制成,并且凸起22A、24A與透鏡陣列22、24—體形成。通過(guò)將凸起22A插入到殼體26的凸起插入孔26A、26B中將入射側(cè)透鏡陣列22和殼體26裝配到一起。
[0028]在殼體26的布置光圈板28的面中,上述一對(duì)基準(zhǔn)銷插入孔26C形成在中心對(duì)稱面Pl上,并且基準(zhǔn)銷32插入到基準(zhǔn)銷插入孔26C中。上述一對(duì)光圈開(kāi)口形成在光圈板28中。基準(zhǔn)銷插入孔28A、28B以配置在將光圈開(kāi)口的光軸彼此連接的中心對(duì)稱線上的方式形成在光圈板28中。光圈板28相對(duì)于基準(zhǔn)銷32定位。
[0029]基準(zhǔn)銷插入孔30C、30D形成在透鏡保持件30中?;鶞?zhǔn)銷32插入到基準(zhǔn)銷插入孔30C、30D 中。
[0030]出射側(cè)透鏡陣列24包括凸起24A。通過(guò)將凸起24A插入到透鏡保持件30的凸起插入孔30A、30B中而將出射側(cè)透鏡陣列24和透鏡保持件30裝配到一起。
[0031]光傳感器基板34安裝到殼體26。
[0032]檢測(cè)頭20的整體以使得外部設(shè)備的基準(zhǔn)面的位置相對(duì)于殼體26的安裝部26D能夠進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整的方式安裝到外部設(shè)備(未示出)。
[0033]圖5示出了使用根據(jù)第一實(shí)施方式的透鏡固定機(jī)構(gòu)將入射側(cè)透鏡陣列22固定到殼體26的示例。如上所述,設(shè)置具有凸起插入孔26A、26B的檢測(cè)頭的殼體26和與凸起22A一體形成的入射側(cè)透鏡陣列22。殼體26由鋁制成,并且入射側(cè)透鏡陣列22由塑料制成并且具有板狀形狀。入射側(cè)透鏡陣列22在其兩側(cè)具有入射側(cè)透鏡面22B和出射側(cè)透鏡面22C。入射側(cè)透鏡陣列22的凸起22A配置在連接透鏡的光軸的線上。
[0034]區(qū)域22D被限定為入射側(cè)透鏡陣列22的位于上下粘接面23之間且不包括粘接面23的部分。面P2被限定為將區(qū)域22D的體積二等分的面。
[0035]與圖3A和圖3B中示出的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)相比,粘接面23的位置移位為使得粘接面23位于入射側(cè)透鏡面22B和出射側(cè)透鏡面22C之間并且位于體積二等分面P2上。
[0036]通過(guò)將粘合劑涂覆到殼體26中的凸起插入孔26A、26B并且將凸起22A插入到凸起插入孔26A、26B,將透鏡固定到殼體26。
[0037]在殼體26和入射側(cè)透鏡陣列22彼此接合的狀態(tài)下,當(dāng)周圍的溫度變化時(shí),因?yàn)樗芰虾徒饘俚木€性膨脹系數(shù)彼此不同,所以和在現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)中一樣入射側(cè)透鏡陣列22受到來(lái)自粘接面23的應(yīng)力。然而,因?yàn)檎辰用?3位于將入射側(cè)透鏡陣列22的體積二等分的體積二等分面P2上,所以入射側(cè)透鏡面22B上產(chǎn)生的應(yīng)力和出射側(cè)透鏡面22C上產(chǎn)生的應(yīng)力彼此抵消。因此,與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)相反,沒(méi)有產(chǎn)生翹曲力,并且防止了透鏡面的變形。
[0038]可以使用相同的結(jié)構(gòu)將出射側(cè)透鏡陣列24固定到透鏡保持件30。固定方法不限于粘接。
[0039]利用上述結(jié)構(gòu),能夠以高精度簡(jiǎn)單地裝配光學(xué)系統(tǒng),并且能夠抑制由光學(xué)系統(tǒng)導(dǎo)致的光學(xué)系統(tǒng)的偏移和軌道間誤差。
[0040]即使由于周圍溫度變化導(dǎo)致部件膨脹或收縮時(shí),因?yàn)楣鈱W(xué)元件的位置在沿X方向延伸的中心對(duì)稱線上,所以不會(huì)發(fā)生光軸在X方向上的偏移。因此,當(dāng)周圍溫度變化時(shí),光軸和測(cè)量點(diǎn)之間的關(guān)系不會(huì)變化,因此能夠穩(wěn)定地進(jìn)行位置測(cè)量。
[0041]此外,通過(guò)使用透鏡陣列,能夠高精度地調(diào)整兩個(gè)光軸的位置,能夠減少組件的數(shù)量,并且能夠減小光學(xué)系統(tǒng)導(dǎo)致的軌道間誤差。
[0042]在第一實(shí)施方式中,使用雙軌標(biāo)尺12。根據(jù)第二實(shí)施方式,光學(xué)編碼器可以包括單軌標(biāo)尺并且可以具有一個(gè)光軸。[0043]根據(jù)第三實(shí)施方式,光學(xué)編碼器可以包括具有三條或更多軌道的標(biāo)尺,以代替雙軌標(biāo)尺12,并且可以具有三個(gè)或更多光軸。
[0044]在第一實(shí)施方式中,光學(xué)系統(tǒng)是雙遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)。然而,光學(xué)系統(tǒng)不限于雙遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)。
[0045]在第一實(shí)施方式中,入射側(cè)透鏡陣列22固定到殼體26,并且出射側(cè)透鏡陣列24固定到透鏡保持件30。相反地,入射側(cè)透鏡陣列22可以固定到透鏡保持件30,并且出射側(cè)透鏡陣列24可以固定到殼體26。
[0046]透鏡的材料不限于塑料,只要凸起能夠與透鏡一體形成,可以將玻璃用作透鏡的材料。
【權(quán)利要求】
1.一種光學(xué)編碼器,其包括具有軌道的標(biāo)尺和用于檢測(cè)所述軌道的檢測(cè)頭,其特征在于,所述光學(xué)編碼器包括: 成像光學(xué)系統(tǒng),其包括: 透鏡,其包括與所述透鏡一體形成的一對(duì)凸起,所述一對(duì)凸起被布置成所述透鏡的光軸在所述一對(duì)凸起之間,以及 光圈板,其具有一對(duì)基準(zhǔn)銷插入孔,所述一對(duì)基準(zhǔn)銷插入孔被布置成光圈開(kāi)口在所述一對(duì)基準(zhǔn)銷插入孔之間; 殼體,其具有布置在中心對(duì)稱面上的一對(duì)透鏡凸起插入孔和一對(duì)基準(zhǔn)銷插入孔,所述殼體包括彼此對(duì)稱地布置的一對(duì)安裝部; 透鏡保持件,其具有布置在所述中心對(duì)稱面上的一對(duì)透鏡凸起插入孔和一對(duì)基準(zhǔn)銷插入孔; 一對(duì)基準(zhǔn)銷,其用于使所述透鏡保持件和所述光圈板相對(duì)于所述殼體定位;以及 光接收元件,所述成像光學(xué)系統(tǒng)在所述光接收元件上形成所述軌道的像, 其中,以所述凸起和所述基準(zhǔn)銷為基準(zhǔn)調(diào)整所述成像光學(xué)系統(tǒng)的光軸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)編碼器,其特征在于, 設(shè)置多條所述軌道,并且所述透鏡是包括以與所述軌道對(duì)應(yīng)的方式平行配置的多個(gè)透鏡的透鏡陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)編碼器,其特征在于, 所述透鏡的固定面布置在將所述透鏡的體積二等分的面上,其中,所述透鏡在所述固定面處固定到所述殼體或者固定到所述透鏡保持件。
4.一種光學(xué)編碼器的透鏡固定機(jī)構(gòu),所述機(jī)構(gòu)包括: 透鏡,其具有固定面,其中,所述透鏡在所述固定面處固定到殼體或者固定到透鏡保持件, 其中,所述固定面布置在將所述透鏡的體積二等分的面上。
【文檔編號(hào)】G01D5/32GK103487075SQ201310231668
【公開(kāi)日】2014年1月1日 申請(qǐng)日期:2013年6月9日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月11日
【發(fā)明者】小野林季, 川田洋明 申請(qǐng)人:株式會(huì)社三豐