CN101021425A - 光电式编码器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光电式编码器(增量编码器或绝对编码器)，其具有相对于形成规定图形(增量图形或模拟随机图形)的标尺、可相对变位的检出器，其中，其具有多个感光***，其用于将所述图形的应该同时检出的检出范围至少在检出方向上分割，而分别在每个检出区域检出。这样，能够使用简单的小型光学***及感光***对宽的检出范围进行测定。

Description

光电式编码器
技术领域
本发明涉及一种光电式编码器，其具有相对于形成规定图形的标尺、可相对变位的检出器，特别是能够使用简单的小型光学***及感光***对宽的检出范围进行测定。
背景技术
光电式编码器，例如增量型光电式线性编码器，为了减小对标尺上的污垢的灵敏度，需要扩大标尺上的检出范围。但扩大检出范围，会发生检出器内部的光学***增大的问题。
如日本国特开平7-286861号公报(专利文献1)的图1中所记述，众所周知，通过检出主标尺上配置的模拟随机图形求得绝对位置的所谓绝对型编码器。
所述模拟随机图形，使用例如在JTM Stevenson等“使用编码图的光学检测的绝对位置测量(Absolute position measurement using optical detectionof coded patterns”，J.Phys，E：Sci.Instrum.21(1988)1140-1145(非专利文献1))中，图1中记载的被称为M系列符号的图形。
在该绝对型编码器中，检出配置于标尺上的图形的局部，进行比较而求得其图形与模拟随机图形整体的哪一部分一致。具体地，如日本国特开平8-29200号公报(专利文献2)的图1、图3(A)中所记述，计算检出图形与模拟随机图形的相关系数，将相关系数最高处作为绝对位置。
这样，由模拟随机图形而得到的绝对位置检出方法中，若想要增加绝对位置能够检出的长度(绝对检出范围)，则要增加模拟随机图形的循环周期，并且为了得到良好的相关峰值，还必须检出长的图形。但具有如下的问题，即，为了检出长的图形，需要具有宽视角的光学***，而为了使用大的透镜，则需要大的光学***。
作为改善手段，在日本国特开平2004-317503号公报(专利文献3)中如图1及图2所示，将透镜阵列成像光学***3、4重叠使用。在此方法中，将标尺2上的图形21、22(图2中的O)首先在中间像O′成像后，在感光元件19上的检出像O″上成像。图中，1为扫描单元，10为印刷基板，11为光源，L为光束，12为侧壁，13为聚光镜，15为玻璃板，A为光轴，B为光束，31a～c、41a～41c为透镜。
但是，在专利文献3中，由于将两透镜阵列成像光学***重叠，为了得到最终的检出像，需要正确设定两者的位置关系，而实际实现在光学***上，这成为很大的技术问题。
另外，为了提高绝对位置检出的可靠性，在日本国特开平9-29717(特许文献4)中确认了如下的内容：在多个检出点检出绝对位置，使它们所检出的位置数据的差和各个检出点之间的距离一致或不一致。
但是，在特许文献3、4中，在各个检出点中，至少在仅能够计算出绝对位置的广的范围，例如，从N段的移位寄存器生成的M系列符号的情况下，有必要检出对2N-1位进行检出的范围的图形。
发明内容
本发明为了解决所述以往的问题，使用比较简单的光学***和感光***，以确保宽的检出范围。
本发明通过一种光电式编码器解决上述问题，其具有相对于形成规定图形的标尺、可相对变位的检出器，其中，具有多个感光***，其用于将所述图形的应该同时检出的检出范围至少在检出方向上分割而分别检出。
所述感光***间可以配设遮光板。
所述各感光***可以设有成像光学***。
可以将所述成像光学***单侧或两侧作为远心光学***。
可以将所述检出范围在与检出方向垂直的方向上也进行分割。
利用所述分割、检出的地点的输出振幅，可以将检出范围的局部污染检出。
可以将所述污染被检出的地点以外的输出用于变位检出。
可以将所述图形作为增量图形。
通过将所述分割、检出的个别的输出平均化，可以检出移动量。
通过进行所述分割、检出的个别的输出的相对比较，可以进行检出器的姿势检出。
可以将所述图形作为模拟随机图形。
可以对所述分割、检出的图形分别进行相关计算，将各相关峰值的顺序正确、且各相关峰值的间隔在规定范围内的位置判定为绝对位置。
可以在所述相关峰值的高度低于阈值的情况下，不将该个别检出图形用于相关计算。
可以对多个个别检出图形中的一个在循环周期整个区域进行相关计算、求得最高的相关峰值，仅对其周边进行相关计算。
根据本发明，将应该同时检出的检出范围分割而分别检出，因此，即使个别检出区域小，也能够确保宽的检出范围。由于即使个别检出区域小也可以，因此，直径小、焦距短的透镜也可以构成光学***，而能够缓和整体的大小。另外，通过加入遮光板，能够遮断来自于相邻光学***的光。成像光学***通过使用单侧或两侧远心光学***，能够构成对空气隙变动不敏感的检出***。
特别是适用于增量编码器的情况下，移动量检出由于不依赖于个别地检出区域的相对位置关系，因此能够由比较简单的光学***、感光元件构成。通过宽的检出范围内的平均化效果，对污垢的灵敏度变小。进而，能够检出检出范围的局部污染，能够进行污染地点以外的平均化处理。通过相对比较个别的检出区域的输出，能够检出检出器的姿势。
在使用绝对编码器的情况下，通过分割、检出，能够检出长的模拟随机图形。进而，通过进行分割、相关计算，将各个相关峰值的顺序及间隔与设计值相对照，即使是非连续检出图形也能够得到相关峰值。由于不使用低的相关峰值的个别检出图形，能够得到可靠性高的检出。仅对各个分割检出图形中的一个进行循环周期整个区域的相关计算，预计其他的在最高相关峰值的附近而缩小相关计算范围，能够节约计算时间。另外，通过利用例如二维感光阵列元件检出、挑出无污垢的部分的个别检出图形，而能够进行不受污垢影响的检出。
附图说明
图1是表示专利文献3记载的透镜阵列构成的光学***的立体图；
图2是专利文献3记载的透镜阵列构成的光学***的光路图；
图3是将适用于增量编码器的本发明的第一实施方式的关键部件模式化表示的包含一部分平面图的光路图；
图4是同样地表示信号处理电路的框图；
图5是表示本发明第二实施方式的信号处理电路的框图；
图6是同样地表示第三实施方式的关键部件的平面图及框图；
图7是同样地将第四实施方式的关键部件模式化表示的包含一部分平面图的光路图；
图8是将适用于绝对编码器的本发明的第五实施方式的关键部件模式化表示的包含一部分平面图的光路图；
图9是同样地表示信号处理电路的框图；
图10是同样地表示处理内容的图；
图11是同样地表示相关峰值由于污垢变低的情况下的图；
图12是表示本发明的第六实施方式的处理内容的图；
图13是同样地将第七实施方式的关键部件模式化表示的包含一部分平面图的光路图；
图14是同样地将第八实施方式的关键部件模式化表示的包含一部分平面图的光路图；
图15是同样地将第九实施方式的关键部件模式化表示的包含一部分平面图的光路图；
图16是同样地将第十实施方式的关键部件模式化表示的包含一部分平面图的光路图；
图17是同样地将第十一实施方式的关键部件模式化表示的包含一部分立体图的光路图；
图18是同样地表示第十二实施方式的检出部的构成的包含一部分立体图的光路图；
图19是同样地表示个别检出图形的挑出位置的平面图；
图20是同样地表示信号处理电路的框图；
图21是同样地表示个别相关峰值信号的一例的图；
图22是同样地表示映出污垢的情况的平面图；
图23是同样地表示映出污垢的情况的相关峰值的图；
图24是本表示发明第十三实施方式的处理的平面图。
具体实施方式
以下参照附图，对本发明的实施方式进行详细说明。
其中通篇相同元件用相同附图标记代表。
首先，对适用于增量编码器的实施方式进行说明。
本发明的第一实施方式如图3所示，将标尺上的增量(INC)图形100的检出范围分割为多个检出区域120、并且配置在检出方向(图的左右方向)，对各检出区域，将比成像区域小的感光阵列元件130A～E与成像光学***110并列配置。
这时，对各感光阵列元件130A～E形成左右反转像。在使用检出范围整体的像进行检出的情况下，需要将像再次反转，而且，对检出区域彼此的相对长度方向的位置关系要求其正确性。但在根据本发明分割检出的情况下，不需要这样，能够比较简单地构成。
即，即使一个检出区域小，通过多个配置，也能够得到宽的检出范围的信息。
由于即使一个检出区域小也可以，因此，能够使用直径比较小、焦距短的透镜，从而能使光学***小型化。
为了不受检出区域彼此的相对位置关系(检出方向)的影响，在光学***中使用的透镜可以将如图3所示的透镜阵列、小型单透镜、球面透镜等排列而成。
在图3中，排列多个感光阵列元件130，但也可以设计为在单一长的感光元件上，在检出方向上排列多阵列感光部。
由于检出范围的大小、检出区域的大小任意，由透镜的大小、配置间距决定，因此能够比较容易地变更。
如图4所示，编码器移动量的输出可以通过将整个检出区域的数据经平均化处理电路140进行平均化而求得。因此，即使个别的检出区域小，也能够确保宽的检出范围，故而，标尺的检出范围的一部分污染的情况下的灵敏度变小。
如图5所示的第二实施方式，通过设置污染检出电路150、检出各检出区域的输出振幅，从而能够进行标尺检出范围的局部污染检出，在除污染部外的范围内进行平均化处理。
如图6所示的第三实施方式，将检出范围二维分割，将增量图形100上比成像光学***和成像区域小的感光元件多个、且二维排列，通过设置比较个别检出区域的输出的姿势检出电路160，能够检出绕垂直中轴旋转(ヨ一)、前后仰俯(ピッチ)、左右摇摆(ロ一ル)等姿势。通过利用这些，谋求报警机能、外部监视器等的姿势检出等的机能充实。另外，在单一感光元件上也可以将感光阵列检出部多个、且二维排列而进行检出。另外，如图3所示的一维分割，也能够进行前后倾斜(ピッチ)检出。
如图7的第四实施方式，通过在成像光学***110间配置遮光板170，能够防止从相邻的透镜射入的光引起的像的恶化。
接着，对适用于绝对编码器的本发明的实施方式进行说明。
本发明的第五实施方式如图8所示，通过例如透镜阵列构成的成像光学***110将绝对标尺上的模拟随机图形200分割为多个检出区域，通过在各成像面下配置的一维感光阵列元件130A～E各个分割、检出。
在此，检出范围的大小、检出领域的大小可以任意，并且，也没有必须利用仅其各个范围内的检出数据进行计算绝对位置的条件，由于由透镜的大小、配置的间距来决定，所以能够比较容易变更。
虽然对各个透镜的成像倍率没有限制，但由于扩大光学***，左右的像相互干涉。这种干涉能够通过如第四实施方式所示的遮光板而防止，但为了有效利用来自标尺的光量，选择一倍以下的等倍或缩小光学***较好。
在图8中，多个排列感光阵列元件130，但也可以是在单一长的感光元件上设有多个阵列感光部。
利用如图9所示结构的信号处理电路的相关器210，被分割的个别检出图形与作为基础的模拟随机图形各个地进行相关计算。在这种情况下，由于个别检出图形左右反转，如图10所示，成为基础的模拟随机图形也左右反转。
由峰值高度判断部220来确认由所述相关器210输出的相关峰值的高度是否在阈值以上。
在此，将个别检出图形通过相关器210各个地进行相关计算，由于个别检出图形中包含的数据位数少，因此相关峰值低。
通过相关峰值顺序判断部230，对各个相关峰值的顺序与检出的位置的顺序是否相同进行确认，进而，通过相关峰值间隔判断部240，对相关峰值的间隔与透镜间距或感光阵列元件的配置间距是否相同进行确认，最后通过绝对位置计算部250确定模拟随机图形上的绝对位置。
另外，通过对间距间隔的比较，可以将排列公差或排列公差乘以光学倍率作为容许范围。
如图11所示，若标尺上局部存在污垢，某个个别检出图形变得不清晰，相关峰值可能变低。在这种情况下，不能正确判断相关峰值顺序和间隔。因此，为了防止这种情况的发生，通过所述峰值高度判定部220，判断相关峰值的高度。在比规定高度低的情况下，不将该个别检出图形用于相关计算，而使用其余的个别检出图形进行相关计算。
作为规定高度的设定方法，可以定为例如最高相关峰值的一半。或者，在模拟随机图形使用由N段移位寄存器生成的M系列的情况下，可以设定为从(2×N-1)位长的图形而得的相关值的最大值。
这样，即使不使用大的光学***或多个透镜阵列成像光学***，也能够确实检出长的模拟随机图形。
在第五实施方式中，由于必须对个别检出图形进行个别相关计算，因此在循环周期长的情况下，由于检出图形的数量而使得计算需要花费时间。如图12所示的第六实施方式中，改进相关计算方法，仅对某一个个别检出图形(图12中C)在循环周期整个区域进行相关计算，求得最高相关峰值。由其它的个别检出图形而得的相关峰值，由于应该存在于该最高相关峰值的周围，因此，缩小相关计算的范围(图12中在±(2+α)，此处α为考虑透镜间距的误差、倍率误差的余量)，在此范围内进行各相关计算。
如果在其范围内其它的个别检出图形的相关峰值不存在的情况下，对最初检出的相关峰值判断为有误，而求第二高的相关峰值(或在最初的相关计算时暂时记录)，进行相同处理。
这样，能够防止增加求多个个别检出图形的相关峰值时的计算时间。
如图13所示的第七实施方式，通过在透镜阵列成像光学***110间配置遮光板172，能够防止自相邻的透镜射入的光引起的像的恶化。
如图14所示的第八实施方式，将成像光学***作为将光阑板114配置于透镜阵列113与感光阵列元件130间的单侧远心光学***112，而能够限制成像***的NA。这样，由于焦点深度变宽，能够构成相对于与标尺的空气隙变动或感光元件配置位置变动，灵敏度少的检出***。
或如图15所示的第九实施方式，将成像光学***作为在光阑板114的相反一侧也配置透镜阵列117的两侧远心光学***116，能够构成相对于与标尺的空气隙变动及感光元件配置位置变动，灵敏度少的检出***。两侧远心光学***116中，两块透镜阵列113、117重叠，不像专利文献3那样生成中间像。因此，相对于专利文献3的透镜阵列两块重叠的情况，透镜阵列间距离的容许范围变宽。
第八及第九实施方式中，两侧远心光学***都适用于绝对编码器，同样单侧或两侧远心光学***也能够适用于增量编码器。
如图16所示的第十实施方式，对标尺照射平行光，且根据需要通过在感光***间配设遮光板174，即使没有成像光学***，也能够检出标尺上的模拟随机图形。这种情况下，个别检出图形不进行左右反转，因此相关计算时的基础的模拟随机图形也不用反转。
这样，即使是比检出范围小的感光阵列元件130A～E，通过并列配置、分割，而进行检出、相关计算，能够对应长的循环周期的模拟随机图形。
如图17所示的第十一实施方式，可以将多个比检出范围小的感光阵列元件，在检出方向及与其垂直的方向上，二维排列。这样，不易受标尺上的污垢的影响，通过很多接近的个别相关峰值，提高绝对位置检出的可靠性。
如图18所示的第十二实施方式，可以使用单一的二维感光阵列元件132检出模拟随机图形。
如图19所示，自所得的二维图像数据选出个别检出图形，如图20所示，分别对其进行相关计算，如图21所示，确认相互的相关峰值的顺序与间隔，确定绝对位置。
如图22所示为标尺上存在污垢、恰巧在个别检出图形E处映出污垢的像、其图形不清晰的状态。这样在个别检出图形上映出污垢，则如图23所示，相关峰值的高度变低，不能正确判断相关峰值的顺序与间隔。为了防止这种情况，在如图20所示的峰值高度判断部220，进行相关峰值高度的确认。进而，在比规定高度低的情况下，不将该个别检出图形用于相关计算，使用其余的个别检出图形进行相关计算。
映出污垢的情况下，该部分的光量减少。因此，如图24所示的第十三实施方式，在二维图像数据的范围内，将比平均光量少的地方判断为有污垢，能够避开该部分而选出个别检出图形。
通过这种方法，能够实现不受标尺上污垢的影响而检出绝对位置。
对本领域的技术人员来说，显然上述实施例仅是代表本申请原理应用的示例。本领域技术人员容易做出很多各样的其他安排且不脱离本发明的精神和范围。
2006年2月15日提交的日本专利申请公开No.2006-38457，包括说明书、附图和权利要求书引用在此处作为参考。

Claims (14)

1.一种光电式编码器，其具有相对于形成规定图形的标尺、可相对变位的检出器，其特征在于，具有多个感光***，其用于将所述图形的应该同时检出的检出范围至少在检出方向上分割而分别检出。
2.如权利要求1所述的光电式编码器，其特征在于，所述感光***间配设遮光板。
3.如权利要求1或2所述的光电式编码器，其特征在于，所述各感光***设有成像光学***。
4.如权利要求3所述的光电式编码器，其特征在于，所述成像光学***为单侧或两侧远心光学***。
5.如权利要求1至4中任一项所述的光电式编码器，其特征在于，所述检出范围在与检出方向垂直的方向上也分割。
6.如权利要求1至5中任一项所述的光电式编码器，其特征在于，利用所述分割、检出的地点的输出振幅，检出检出范围的局部污染。
7.如权利要求6所述的光电式编码器，其特征在于，将所述污染被检出的地点以外的输出用于变位检出。
8.如权利要求1至7中任一项所述的光电式编码器，其特征在于，所述图形为增量图形。
9.如权利要求8所述的光电式编码器，其特征在于，通过将所述分割、检出的地点的输出平均化，而检出移动量。
10.如权利要求8所述的光电式编码器，其特征在于，通过进行所述分割、检出的地点的输出的相对比较，进行检出器的姿势检出。
11.如权利要求1至7中任一项所述的光电式编码器，其特征在于，所述图形为模拟随机图形。
12.如权利要求11所述的光电式编码器，其特征在于，对所述分割、检出的图形分别进行相关计算，将各相关峰值的顺序正确、且各相关峰值的间隔在规定范围内的位置判定为绝对位置。
13.如权利要求12所述的光电式编码器，其特征在于，在所述相关峰值的高度低于阈值的情况下，不将该个别检出图形用于相关计算。
14.如权利要求12或13所述的光电式编码器，其特征在于，对多个个别检出图形中的一个在循环周期整个区域进行相关计算、求得最高的相关峰值，仅对其周边进行相关计算。
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