CN106471339A - 反射式编码器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种反射式编码器，其能够利用1束出射光对移动量和移动方向的双方进行检测，通过简单的构造实现较高的可靠性且容易实现小型化。反射式编码器使得从激光振荡器射出的出射光入射至设置于标尺侧的反射式衍射光栅，并利用受光部接受从该反射式衍射光栅射出的衍射光，在该反射式编码器中，将干涉光学***设置于所述受光部‑反射式衍射光栅之间，从而能够构建出利用1束出射光就能够对所述标尺的移动量和移动方向的双方进行测定的光学***。

Description

反射式编码器
技术领域
本发明涉及一种反射式编码器，其受光部随着标尺的移动接受来自该标尺的反射光而对标尺的位移进行测定。
背景技术
目前，在搭载于产业用机器人等的步进马达中，使用高精度地对其旋转角度等进行测定的高分辨率的光编码器。这些编码器根据其构造而划分为透射式编码器和反射式编码器，其中，所述透射式编码器在标尺设置有狭缝等而使出射光变化，根据入射至隔着该标尺配置的受光部的出射光的变化而对标尺的位移进行测定，所述反射式编码器设置为使得来自设置于所述标尺的反射镜的反射光与出射光处于同一侧并使该反射光入射至受光部，由此进行该测定。在这些编码器中，在此前所述的产业用机器人的领域中大多将反射式编码器用于机械手部分等、要求小型化的部位，作为具有代表性的小型、高分辨率的构造，日本特开平05-215515(以下记作专利文献1)以及日本特许4008893(以下记作专利文献2)分别在申请后得到了公开及授权。
在这两部文献中，专利文献1所记载的编码器的技术特征在于，使用反射式衍射光栅作为标尺，对作为出射光用光源而使用的半导体激光器进行横向配置。因此，在专利文献1所记载的编码器中，能够利用从半导体激光器的两端射出的出射光而同时对多个标尺进行测定。另外，在专利文献2所记载的编码器中，除了利用同样的基本构造以外，还将半导体激光器配置为使得所述出射光的光强度分布为恒定值，从而针对标尺的移动能够获得高精度的衍射光。
现有技术
专利文献
专利文献1：日本特开平05-215515
专利文献2：日本特许4008893
发明内容
发明所要解决的问题
上述现有的发明分别具有独自的技术特征及由此产生的效果，但另一方面，无法利用1束出射光对移动量和移动方向进行检测，在该检测中必须将用于标尺的反射式衍射光栅构成为2列。因此，当将上述构造用作旋转编码器时，因其内外周之差而具有如下问题：分辨率的上限由节距间隔狭窄的内周侧码盘的节距规定。
除此之外，在专利文献1及2所记载的反射式编码器中，使用单晶硅基板等，作为形成对来自半导体激光器的出射光进行反射的反射部的手段，大多采用基于各向异性蚀刻的加工。因此，专利文献1及2所记载的反射式编码器大多形成为根据由晶体取向所规定的角度而决定所述反射部的反射角的构造。伴随与此，该反射式编码器大多会产生如下问题：用于标尺的反射式衍射光栅的节距限定于与该反射角对应的节距，并且检测部-移动侧衍射光栅之间的距离也由该角度决定，结果导致设计的自由度降低。另外，所述反射式编码器中还存在如下问题：由于用于根据该距离的变化而对衍射光栅的移动进行检测的干涉也发生变化，因此，成为在实际的使用时经受不住该距离变动的构造，从而测量时的可靠性降低。进一步，由于上述构造的缘故，安装该编码器的对象限定于进行测定的部分不会晃动的、高精度的结构。除此之外，为了使上述现有的反射式编码器实际进行动作而必须形成复杂的配线、三维构造，制作需要极其高超的技术，并且难以实现与所述机械手部分等的用途对应的小型化。
针对上述问题，本申请所记载的发明的目的在于提供一种反射式编码器，其能够利用1束出射光对移动量和移动方向的双方进行检测，通过简单的构造实现较高的可靠性且容易实现小型化。
用于解决问题的方法
出于上述目的，本发明的第一方式所记载的发明是一种反射式编码器，该反射式编码器具有：激光受光部；以及衍射光栅，其与上述受光部对置配置，伴随着标尺的移动或旋转而相对于该受光部表面平行地移动，该反射式编码器使从另外设置的激光振荡器朝向所述衍射光栅的入射光经由该衍射光栅而向所述受光部射出，所述反射式编码器的特征在于，在所述受光部-衍射光栅之间设置有干涉光学***。更具体而言，其技术特征在于，形成为如下结构：利用所述干涉光学***而使设置于标尺侧的反射式衍射光栅所反射的2束衍射光之间产生相位差，能够使该衍射光与出射光干涉。
另外，本发明的第二方式所记载的发明的技术特征在于，在所述干涉光学***中使用具有多个衍射光栅的部件。
发明效果
本申请所记载的发明通过上述技术特征而能够提供如下反射式编码器：利用1束出射光对移动量和移动方向的双方进行检测，并且通过简单的构造而容易实现小型化。这是本申请所记载的反射式编码器通过将干涉光学***设置于受光部-衍射光栅之间而获得的效果。即，本申请所记载的反射式编码器通过使用该干涉光学***，从而能够形成为使得从所述反射式衍射光栅反射的2束衍射光产生相位差的结构。因此，在本申请所记载的反射式编码器中，通过使因所述反射式衍射光栅而衍射的2束衍射光产生相位差，并使加入有该相位差的2束衍射光与来自光源的出射光干涉，由此能够借助1束出射光对移动量和移动方向的双方进行检测。
更具体而言，本申请所记载的反射式编码器形成为如下结构：通过将干涉光学***设置于受光部-衍射光栅之间，由此使因所述反射式衍射光栅而衍射的2束衍射光产生相位差，并使该各衍射光与来自光源的出射光干涉，从而借助单一的光源以及反射式衍射光栅而对移动量和移动方向的双方进行检测。因此，对于朝向所述反射式衍射光栅的入射光，在利用透镜使所述出射光形成为平行光之后使该平行光向相对于所述反射式衍射光栅垂直的方向入射，从而消除由所述衍射光栅节距的限定引起的距离限制，能够在实现以来自所述反射式衍射光栅的衍射光入射至受光部的受光范围为动作条件的、更大自由度下的设计的同时，使本申请所记载的反射式编码器发挥功能。
另外，通过形成为上述结构，本申请所记载的反射式编码器能够使朝向所述反射式衍射光栅的入射光仅形成为1束，对于设置于所述标尺侧的反射式衍射光栅，也能够使其仅构成为1列。因此，能够通过该结构而使上述现有的反射式编码器的构造简化，并且能够与所搭载的马达以及各种致动器相配合而容易实现小型化。除此之外，通过使朝向所述反射式衍射光栅的入射光仅形成为1束，在本申请所记载的反射式编码器中能够使入射光相对于衍射光栅的入射方向为垂直。因此，通过使用本申请所记载的反射式编码器，能够解决在通过各向异性蚀刻而形成前述的反射部时所产生的可靠性降低这样的问题。
另外，通过使用本发明的第二方式，能够以较高精度和较少的部件件数构成施加了不同于所述干涉光学***的所述相位差的衍射光与来自光源的射出光的干涉。
如上所述，通过使用本申请技术方案所记载的构造，能够提供如下反射式编码器：能够利用1束出射光对移动量和移动方向的双方进行检测，能够通过简单的构造而实现较高的可靠性且能够容易地实现小型化。
附图说明
图1是在本发明的实施方式中所使用的反射式编码器的透视立体图。
图2是表示图1中示出的反射式编码器的光路的说明图。
图3是表示图1中示出的反射式编码器的基本光路的说明图。
图4是表示与图1中示出的反射式编码器的监控信号相关的光路的说明图。
图5是表示与图1中示出的反射式编码器的Z信号相关的光路的说明图。
图6是表示图1中示出的反射式编码器的基本原理的说明用侧视图。
具体实施方式
以下，利用图1、图2、图3、图4、图5及图6示出本发明的最佳实施方式。其中，关于图中的记号及部件编号，对于作为相同的部件而发挥功能的部件标注通用的记号或编号。
分别地，在图1中示出在本实施方式中所使用的反射式编码器的透视立体图，在图2-图5中示出表示同一反射式编码器的整体及各光路的说明图，而且，在图6中示出表示该反射式编码器的基本原理的说明用侧视图。此外，对于各元件的电路、转子而发挥功能的标尺9、编码器整体的支承构造以及设置于标尺上的反射式衍射光栅4的整体，省略在图中的记载。
根据图1、图2及图3可知，在本实施方式中形成为如下构造：在配置于底座8上的半导体激光器1以及4个受光部7a-7d与设置于作为转子而发挥功能的圆板形状的标尺9上的反射式衍射光栅4以及反射体6a之间设置有干涉光学***10，该干涉光学***10具有透镜2、透射式衍射光栅3a-c、移相器5、反射体6b、6c。此外，反射式衍射光栅4形成为圆环状，图中仅对其一部分进行了记载。
根据图2及图3、图6可知，在本实施方式中形成为如下结构：利用透镜2使从半导体激光器1射出的出射光形成为平行光，使经由透射式衍射光栅3a的3束一次衍射光中的中心的一次衍射光入射至标尺9的反射式衍射光栅4以及反射体6a。此外，根据图2、图3及图6可知，形成为如下结构：从透射式衍射光栅3a透过的图2中左侧的一次衍射光的一部分被反射体6b反射、且入射至受光部7c，从而被赋予作为监控信号的功能，并且未反射的部分也被反射体6c反射、且入射至透射式衍射光栅3a。另外，图6中右侧的一次衍射光被反射体6d反射、且与所述左侧同样地入射至透射式衍射光栅3a。
接下来，关于从图2、图3及图6所示的标尺9的反射式衍射光栅4朝向其他受光部的光路，在本实施方式中，从反射式衍射光栅4反射的2束二次衍射光中的一束在因移相器5而偏移90度的相位之后，经由透射式衍射光栅3b而再次入射至透射式衍射光栅3a，并与被所述反射体6c反射的一次衍射光干涉而入射至受光部7a。该2束二次衍射光中的另一束经由透射式衍射光栅3c而再次入射至透射式衍射光栅3a，并与被所述反射体6d反射的一次衍射光干涉而入射至受光部7b，因此能够根据受光部7a和7b的输出而获知标尺9的旋转量和旋转方向。
通过使用这种构造，本实施方式所记载的反射式编码器能够利用1束出射光对移动量和移动方向的双方进行检测，能够通过简单的构造而实现较高的可靠性且能够容易地实现小型化。即，在本实施方式中，入射至标尺9的激光仅为1束。因此，设置于该标尺9的反射式衍射光栅4形成为仅有1列的结构，从而不会被施加此前所述的分辨率的上限这样的限制，能够对标尺9的位移进行测定。
除此之外，根据图2、图4及图5可知，在本实施方式中，关于标尺9以及干涉光学***10，分别设置有仅对入射光的一部分进行反射的反射体6a及6b。伴随与此，形成为如下构造：分别地，被反射体6b反射的一次衍射光入射至受光部7c，被反射体6a反射的一次衍射光入射至受光部7d。此处，来自反射体6b的信号在半导体激光器1的动作中被向受光部7c输出，来自反射体6a的信号每当标尺9旋转1圈时便被向受光部7d输出。因此，在本实施方式中，能够在保持对所述位移的测定这一功能不变的情况下，进行基于从受光部7c获得的监控信号的动作状况的确认、以及进行基于从受光部7d获得的Z信号的检测的旋转次数的计数。
另外，在本实施方式中，所有的光学元件都在基板上构成，干涉光学***也利用构成各光学元件的基板11而在兼用作侧壁的隔片(spacer)12上构建。对于这些要素的配置而言，由于原则上仅通过二维位置的调整便能够进行光学***的调心，因此能够容易地进行光学***的构建。除此之外，在本实施方式中，形成为将作为发光元件的半导体激光器1以及受光部7a-7d全部都配置于同层的构造。因此，在本实施方式中，无需对电气布线进行三维的处理，也不需要伴随与此的复杂的结构，因此，不仅对于光学***，包括电路***在内也能够使它们形成为简单的构造。
除此之外，根据图6可知，在本实施方式中，从作为发光元件的半导体激光器1射出的激光在通过透镜2而形成为平行光之后，朝向相对于反射式衍射光栅4垂直的方向入射。因此，在本实施方式所记载的编码器中，对于检测部(受光部7a-7d)-移动侧衍射光栅(反射式衍射光栅4)之间的距离并不存在限制，能够在实现以衍射光入射至受光部7a-7d的受光范围面为动作条件的、更大自由度下的设计的同时，使本实施方式所记载的反射式编码器发挥功能。
如上所述，通过利用本申请实施方式所记载的构造，能够提供如下反射式编码器，该反射式编码器能够利用1束出射光对移动量和移动方向的双方进行检测，并能够通过简单的构造而实现较高的可靠性、且能够容易地实现小型化。
符号说明
1 半导体激光器
2 透镜
3a、3b、3c 透射式衍射光栅
4 反射式衍射光栅
5 移相器
6a、6b、6c、6d 反射体
7a、7b、7c、7d 受光部
8 底座
9 标尺
10 干涉光学***
11 基板
12 隔片

Claims (2)

1.一种反射式编码器，该反射式编码器具有：激光受光部；以及衍射光栅，其与上述受光部对置配置，伴随着标尺的移动或旋转而相对于该受光部表面平行地移动，该反射式编码器使从另外设置的激光振荡器朝向所述衍射光栅的入射光经由该衍射光栅而向所述受光部射出，其中，
在所述受光部-衍射光栅之间设置有干涉光学***。
2.根据权利要求1所述的编码器，其中，
所述干涉光学***使用具有多个衍射光栅的部件。
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