CN1434272A - 编码器和编码器用编码盘以及编码盘及其模具的制造方法 - Google Patents
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Abstract
提供了能探测绝对位置的高分辨率编码器用编码盘及其模具的制造方法。用透明基板形成的编码器用编码盘具有设于其上的在各个面上有不同图案的许多光道，以及设于这多个光道之间的与这多个光道上的上述各面高度相异的光道间区域；而上述模具制造方法包括下述各步骤：于第一材料上加工出各具有平坦面的许多光道、于此许多光道间加工出与上述平坦面有不同高度的光道间区域、对此第一材料的图案镀层、从此第一材料上剥离此镀层而获得模具。
Description
技术领域
本发明涉及在伺服***中探测位置的高分辨率光学编码器。
背景技术
编码器业已在数控(NC)机床用作位移传感器。编码器探测马达的转动以及进行直线运动、转动等物体的位置与角度以及速度等位移信息。编码器大致可分为由磁性方法与光学方式中之一来探测位移信息。
光学编码器由光源、收纳从光源接收光的光接收部的机壳以及作为移动物体的光学标尺(编码盘)组成。例如，探测转动体的转动信息的光学转动编码器是于连接转动体的转动圆盘(编码盘)上周期地设置狭缝状的透光部与遮光部。图12是具有编码盘120、光源122、光接收部123的光学编码器探测部的剖面图。编码盘120设于光源122与光接收部123之间。编码盘120具有于玻璃板上蒸镀Cr的图案121，利用图案121有选择地接收用于探测位置的光束124。这种编码盘120存在着易破裂、较重与价格高等问题。
与上述情形相反，已然采用了由塑料等形成的编码盘(参看特开平11-23321号公报)。图13(a)示明塑料形成的编码盘130的剖面图，编码盘130的基板132上设有凹部，在此凹部中形成了使入射光调制到特定方向的特定图案。图13(b)示明基板132的放大剖面图。在基板132中凹部134的底面上形成了图案136。编码盘130绕转动轴P转动，根据通过凹部134的图案136探测出的光源的光，探测转动信息。
发明内容
图13所示的编码盘130由于在凹部134的整个平底面上只设有单一的图案136，也就是说只存在单一的光道，因而只能探测出相对位移量。这样，在切断伺服***的电源时或是在复位时就不能测定绝对位置。
本发明的目的在于提供能探测绝对位置的高分辨率编码器用编码盘。
本发明的编码器用编码盘是用透明基板形成的编码器用编码盘，它具有设于此透明基板上的在各个面上有不同图案的许多光道，以及设于这多个光道之间的与这多个光道的上述各面高度相异的光道间区域，由此可以达到上述目的。
上述许多光道的所述各个面具有透过光的透过部和反射光的反射部，通过此透过部与反射部的布置方式，也可形成不同的图案。
上述透过部可以是平坦表面而上述反射部可以是相对于透过部形成V字形的槽。
上述透过部可以是平坦表面而上述反射部可以是相对于透过部形成V字形的突起。
上述许多光道的所述各个面可以具有不同的高度。
还具有设于上述透明基板上的与所述许多光道位置不同的位置上的平坦面，这种平坦面是设于比这许多光道的上述各个面高的位置中。
本发明的编码器具有：收纳发射光的光源以及从光源接收光的光接收部的机壳；有上述许多光道设于此光源与光接收部之间的编码器用编码盘，此编码器用编码盘通过透过或反射此光源照射的光探测上述物体的位置信息，由此可以达到上述目的。
本发明的编码器用编码盘所用模具的制造方法包括：于第一材料上加工出各具有平坦面的许多光道的步骤；于这许多光道之间加工出与上述平坦面有不同高度的光道间区域的步骤；在上述各平坦面中形成不同图案的步骤；对上述第一材料的图案进行镀层的步骤；从上述第一材料上剥离此镀层而获得模具的步骤、由此可以达到上述目的。
上述形成不同图案的步骤可以是在上述各平坦面上形成有不同布置的V字形沟的步骤。
上述加工出许多光道的步骤可以是加工出各具有不同高度的许多光道的步骤。
上述镀层可以是Ni镀层。
本发明的编码器用编码盘的模具制造方法包括：于基底材料上进行镀层的步骤；于此镀层部分上加工出各具有平坦面的许多光道的光骤；在此许多光道之间加工出与上述平坦面有不同高度的光道间区域的步骤；于上述各平坦面中形成不同图案而获得模具有步骤；由此可以达到上述目的。
上述形成不同图案的步骤可以是于上述各平坦面上形成有不同布置的V字形槽的步骤。
上述加工出许多光道的步骤可以是加工出各具有不同高度的许多光道的步骤。
上述镀层可以是NiP镀层。
上述镀层是Cu镀层，还可以包括在上述许多光道与上述光道间区域再进行NiP镀层的步骤。
本发明的编码器用编码盘的制造方法包括：将透明树脂材料注射到由上述方法获得的模具中的步骤；从此模具中剥离上述树脂材料获得编码器用编码盘的步骤，由此可以达到上述目标。
本发明的编码用编码盘及其模具包括各个面具有不同图案的许多光道。这样，通过缩小光道间隔可以小型化。此种编码器用编码盘能以高分辨率探测运动物体的绝对位置。
通过上述透过部与反射部的布置形成了不同的图案，由此各光道的光学特性不同，结果能够以高分辨率探测运动物体的绝对位置。
由于反射部是相对于透过部的V字型槽或突起，故能在V形槽加工中成为无毛刺的高精度编码盘，而可获得稳定的位置信息。
由于许多光道的各个面的高度不同，故能缩小光道间隔而小型化。
设置了位于比这许多光道的前述各面高的平坦面。于是在此组装等的过程中能保护光道，亦即能不损伤光道的图案，获得稳定的位置信息。
通过采用上述编码器所用的编码盘来形成编码器，可以在高分辨下探测运动物体的绝对位置。
由于所用镀层是Ni层、Cu镀层、NiP镀层，技术上是容易的。通过在光道与光道间区域进行NiP镀层，就能防止氧化和实现成形时的长寿命化。
由于是通过树脂注射成形来制造编码器用编码盘，故可实现低成本化。
附图说明
图1是示明实施形式1的具有两条光道的旋转编码器用编码盘的结构图。(a)为俯视图、(b)为剖面图、(c)与(d)为局部剖面图。
图2是光道的V形槽部分的剖面图。
图3(a)与(b)是示明对应于两条光道的各个V形槽形状变化的编码盘位置位移与信号强度关系的曲线图。
图4中(a)为示明加工成编码盘形状的基底材料的图、(b)为示明加工后的基底材料和设于其上的镀层部的图、(c)为示明从基底材料上剥离下的镀层部的图。
图5是示明加工时工具位置的图。
图6是示明实施形式2的具有两条光道的编码盘结构的图。(a)为俯视图、(b)为剖面图、(c)与(d)为局部剖面图。
图7是光道的V形突起部分的剖面图。
图8中的(a)与(b)是示明对应于两条光道的各个V形突起形状变化的编码盘的位置位移与信号强度关系的曲线图。
图9是示明注射成形时需用的模具基底材料与模具的图。
图10是示明加工时工具位置的图。
图11是示明实施形式3的具有两条光道的线性编码器用编码盘结构的图。(a)为俯视图、(b)为剖面图、(c)与(d)为局部剖面图。
图12是具有编码盘、光源与光接收部的光学编码器的探测部剖面图。
图13中(a)为塑料形成的编码盘的剖面图、(b)为基板的放大剖面图。
图中各标号的意义如下：
1、2，光道；3，凹部；4，平坦部；10，编码器用编码盘。
具体实施方式
下面参考附图说明本发明的实施形式。在这里给出的实施形式中，主要说明光学编码器中所用的编码盘。在此所谓的光学编码器是将马达等的转动，进行直线运动、转动等物体的位置与角度以及速度等位移信息，通过光学方法探测的传感器。光学编码器周知有进行转动的对象中所用的转动编码器和进行直线运动的对象中所用的线性编码器等。光学编码器由收纳光源与接收光源的光的光接收部的机壳以及与作为移动物体的转动体相连接的编码盘构成。例如图12中示明了光学编码器的编码盘120、光源122与光接收部123，编码盘120设于光源122与光接收部123之间。
实施形式1
下面说明实施形式1的光学编码器的编码盘。首先，为了以高分辨率探测出探测对象的绝对位置，需要具有不同图案的许多光道。所谓“光道”是使来自光源122的光束通过、区分的区域。在这里的实施形式中，于编码盘上设有两种光道。图1的(a)～(d)示明本实施形式的具有两种光道的旋转编码器用编码盘(以下称作“编码盘”10的结构。光学旋转编码器是在与转动体连接的转动圆盘(编码盘)上周期地设置狭缝状的透光部和遮光部，探测转动体的转动信息。编码盘10用于探测转动角度的绝对位置，由聚碳酸酯等透明树脂材料形成。其中(a)为俯视图、(b)为剖面图、(c)与(d)为局部剖面图。
参看图1(a)，编码盘10是具有两种光道1与2以及平坦部4的圆形盘状体，光道1、2与平坦部4各形成同心圆状，由相同的同心圆状凹部3区分。在光道1、2之中，分别形成了因形成V字形槽(以下称作“V槽”)而有的不同图案。(d)与(c)示明光道的A-A′剖面形状以及光道2的B-B′剖面形状、各剖面的V槽是根据后述原理反射光的反射部。V槽间的平坦面是使光透过的透过部。各光道的V槽图案形成(沿径向)的辐射状。
图1(b)是图1(a)所示直线C-C′上的剖面图。从图1(b)可知，光道1、2与平坦部4可以说是突起地设置于编码盘10之上的。光道2的上表面处于比光道1的上表面为高的位置处。没有形成图案的平坦部4则位于更高的位置(圆盘的最厚部分)处。在设置了光道1、2这一侧设置光接收部而在相反一侧设置光源。编码盘10以转动轴为中心转动，使来自光源的光束通过或被反射。
下面更详细地说明使光束通过或反射的原理。图2是光道的V槽部分的剖面图。到达V槽部分的来自光源(未图示)的光在内部全反射，不透过编码盘10的光接收部侧。另一方面，到达V槽间平面部分的来自光源的光则透过并入射到光接收部(未图示)。通过这样形成的V槽图案，在此光接部中可有选择地接收透过光。
图3(a)是示明对应于光道2的V槽形状而变化的编码盘的位置变化与信号强度关系的曲线图。如图所示，在光道2中，V槽的节距变化，可以与此相对应探测出透过光量的变化。在编码盘的整个周边上形成了V槽节距变化的图案，借此可以探测绝对位置。另一方面，图3(b)是示明对应于光道1的V槽形状而变化的编码盘的位置变化与信号强度关系的曲线图。在光道1上。于编码盘的整个周边上形成一定节距的V槽。通过使从光道1接收透过光的光接收部具有相同节距的遮光用狭缝，如图3(b)所示，就可探测与此节距对应的透过光量的变化。这就是说，通过组合与处理两种探测信号，就能以高分辨率探测绝对位置。
下面说明探测位置的原理。通过光道2中所刻的图案，能产生电平对应于编码盘1次转动中的各个位置而变化的信号。通过检测这种信号就可探测出粗略的绝对位置。借助光道1中所刻的图案，能生成每次转动中以一定次数(例如16次)重复电平的信号。通过于光接收部中设置与光道1的图案节距相同节距的光接收元件，就可根据编码盘的运动获得图3(b)所示的信号。通过基于光道2的图案的信号，可探测出粗略的绝对位置，再通过基于光道1的图案的信号，就能探测出精度更高的位置。例如重复16次，就能以约16倍的更高精度探测位置。
在编码盘10的最上部即最厚的部分中设置平坦部4(图1)，就能在组装等过程中保护光道1、光道2的图案部，而能不损伤图案部获得稳定的位置信息。
下面说明编码盘10(图1)的制造方法。编码盘10(图1)由树脂注射成形制成。在注射成形中需要模具材料。图4(a)～(c)示明模具材料45的制造工序。模具材料45的制造工序大致有(a)将基底材料加工成编码盘10的形状的工序、(b)在已加工的基底材料上进行镀层的工序以及(c)从基底材料上剥离下镀层的工序。此剥离下的镀层即成为模具材料。
图4(a)示明加工成编码盘10形状的基底材料40。这种基底材料可使用黄铜等。现在说明加工工艺。首先平坦地加工出与光道1、光道2分别对应的环部41、42。在环部中设置高低差。具体地说，环部42的顶面位于比环部41的顶面高的位置处。各个顶面是表面糙度小的镜面。与各环部41、42相邻接加工成同心圆状的凹部43。再于环部41、42的顶面加工V槽。由于光道1与光道2的图案相异，环部41、42顶面V槽的图案也不相同。这里于环部41、42中设置高低差的理由在于当于一方的环部顶面加工V槽的图案时，不会使工具干扰另一方的环部。图5示明加工时工具50的位置。从图可知，工具50由于环部41、42中有高低差，就能在加工环部41时不干扰环部42。此外，通过于环部间设置凹部43，就能在加工V槽之际允许碎屑排出和能抑制毛刺的产生。
图4(b)示明了加工后的基底材料40及其上的镀层部45。镀层部45进行所谓的电镍镀层的从镀层。镀层一直进行刻能相对于环部的高低差、同心圆状的凹入量以及各环部的V槽深度能获得充分的厚度。
从基底材料上剥离下的镀层部45示明于图4(c)。此镀层部在制造编码盘10时用作模具材料。不用说，模具材料45是基底材料40的反转制品。通过相对模具材料45注射透明树脂材料可以制得编码盘10(图1)。
如上所述，通过于光道间设置凹部、使多个光道间的高度不同和采用上述的制造方法，可以制得小型的高精度编码盘。还由于能在制成模具后经树脂注射成形制造编码盘10，故可降低制造费用。
实施形式2
在实施形式2中，与实施形式1相同，说明探测转动角度绝对位置的旋转编码器用编码盘(以下称作“编码盘”)。编码盘具有图案不同的许多光道，能由聚碳酸酯等透明树脂材料制成。图6(a)～(d)示明本实施形式的具有两种光道的编码盘60的结构。编码盘60用于探测转动角度的绝对位置，由聚碳酸酯等透明树脂材料形成。其中(a)为俯视图、(b)为剖面图、(c)与(d)为局部剖面图。
图6所示的编码盘60与编码盘10(图1)的不同处在于其中的凹部与凸部是编码盘10(图1)的凹部与凸部的反转结果。具体说明于下。
参看图6(a)，编码盘60是具有两种光道61、62与平坦部64的圆形盘状体。光道61、62与平坦部64分别形成同心圆状，为同一同心圆状的凸部63所分开。即凸部63相对于光道61与62突出。光道61、62分别由所形成的V字形突起(以下称作“V突起”)而形成不同的图案，(d)与(c)示明光道61的A-A′剖面和光道62的B-B′剖面的形状。各剖面的V突起是根据后述原理反射光的反射部。V突起间的平坦面是使光透过的透过部。各光道的V突起图案形成(沿径向的)辐射状。
图6(b)是沿图6(c)中所示直线C-C′的剖面图。从图6(b)可知，光道61、62也可以说是作为编码盘60的凹部设置的。光道62的顶面所在位置比光道61的顶面高。未形成图案的平坦部64则位于最高位置(圆盘的最厚部分)。在设置光道61、62的一侧设在光接收部，在相反一侧设置光源。编码盘60绕作为中心轴的转动轴P转动，使来自光源的光束通过或反射。
下面更详细地说明使光束通过或反射的原理。图7是光道的V突起部分的剖面图。到达V突起部分的来自光源的光(未图示)，在内部全反射，不透过编码盘60的光接收部侧。另一方面，到达V突起间平面部分的来自光源的光，则透过并入射到光接收部(未图示)。通过这样地形成V突起的图案，在光接收部(未图示)中能有选择地接收透过光。
图8(a)示明对应于光道62V突起的节距而变化的编码盘的位置变化与信号强度关系的曲线图。另一方面，图8(b)示明对应于光道61 V突起的形状而变化的编码盘的位置变化与信号强度关系的曲线图。图8(a)和8(b)与图3(a)和3(b)的不同原则地说只在于V突起或V槽的不同。因而可以根据因3(a)与3(b)的说明而略去对它的描述。此外，与实施形式1相同，通过于编码盘60的最上部(最厚部分)设置平担部64，也能保护光道而可获得稳定的信息。
以下说明编码盘60(图6)的制造方法。编码盘60(图6)由树脂经注射成形制作。图9示明注射成形时需用的模具基底材料95与模具90。首先于模具基底材料95上进行Cu镀层，至于模具基底材料，多采用钢材。然后在Cu镀层部90的与模具基底材料95的相反一面上，平坦地加工出分别与光道61、62对应的环部91、92，对此两个环部设置高低差。具体而言，相对于至模具基底材料的距离，环部92的表面处于比环部91的表面更近的位置。这两个表面都精制成糙度小的镜面。在各环部91、92的邻近处，加工出同心圆状的凹部93。凹部93是在模制件中将成为突起部63(图6)的部分。然后于Cu镀层面加工V槽。加工出的V槽在模制件中则成为突起。由于光道61与光道62的图案不同，环部91、92表面V槽的图案也相异。
在此之所以在环部91、92(图9)中设置高低差的理由，为的是在一方的环部表面上加工V槽图案时，所用工具不会干扰另一环部。图10示明加工时工具100的位置。从图中可以看到，由于环部91、92有高低差，工具100能在加工环部91时不干扰环部92。还由于这两个环部之间设有凹部93，就能让V槽加工时的碎屑逸出和能抑制产生毛刺。
V槽加工后，为防止氧化和延长模制成形时的寿命，在整个表面上镀以厚约0.5μm的NiP。
模具90也可不用Cu而以NiP镀层构成。这时即不需后面的涂层，也就是不需整个表面上的NiP镀层。
如上所述，通过于光道间设置突起部、使这些光道的高度不同和采取上述制造方法，则可以制成小型的高精度编码盘。此外，由于能在模具制成后由树脂注射成形制成编码盘60，故可降低制造费用。
实施形式3
在实施形式1与2中说明了具有不同图案的许多光道的光学旋转编码器，在实施形式3中则说明具有不同图案的许多光道的光学线性编码器。光学线性编码器是通过光学方法探测进行直线运动的物***置、速度等位移信息的传感器。
图11(a)～(d)示明本实施形式的具有两种光道的线性编码器用编码盘(后面称作“编码盘”)110的结构。编码盘110用于探测直线运动对象的绝对位置，由聚碳酸酯等透明树脂材料形成，其中(a)为俯视图、(b)为剖面图、(c)与(d)为局部剖面图。
参看图11(a)，编码盘110是具有直线状的两种光道111、112与平坦部114的矩形板状体。光道111、112与平坦部114各为凹部113分开。光道111、112中分别形成了因形成V字形槽(以下称作“V槽”)而有的不同图案。其中(c)与(d)分别示明光道111的A-A′剖面与光道112的B-B′剖面的形状。与实施形式1相同，各剖面的V槽是据后述原理反射光的反射部。V槽间的平坦面是使光透过的透过部。各光道的V槽图案设置成与C-C′方向平行。
图11(b)是沿图11(a)中所示直线C-C′的剖面图。从图11(b)中可知，光道111、112与平坦部114可以说是突起地设置于编码盘110中的。光道112的顶面所在位置比光道111的顶面高。未形成有图案的平坦部114则位于更高的位置(盘的最厚部分处)。此外，光接收部设于光道111、112所在的一侧而光源则位于相反一侧。
由于光相对于盘110的透过/反射原理以及编码盘的位置位移与信号强度的关系在实质上同于图2与3中所说明的内容，故略去其说明。上述结构的编码盘110可以通过与实施形式1相同的方法制作模具来容易地制造，而制作模具的工艺与参考图4和5所说明的工序实质上相同，故略去其说明。结果可以获得与实施形式1相同的效果。
再有，通过把光道111、112所设的V槽图案作为V突起而将光道111、112以及平坦部114与凹部113反转，即可获得将编码盘110变形的编码盘(未图示)。光相对于这种编码盘透过/反射原理以及这种编码盘的位置位移与信号强度的关系与图7和8说明的内容实质相同，故略去其说明。这种编码盘可通过与实施形式2相同的方法制作模具而容易制造。制作模具的工艺则与参考图9与10说明的工艺实质相同，故略去其说明。结果可以获得与实施形式2相同的效果。
Claims (14)
1.编码器用编码盘，它是用透明基板形成的编码器用编码盘，它具有设于此透明基板上的在各个面上有不同图案的许多光道，以及设于这多个光道之间的与这多个光道的上述各面高度相异的光道间区域。
2.权利要求1所述的编码器用编码盘。其中上述许多光道的所述各个面具有透过光的透过部和反射光的反射部，对应于透过部与反射部的布置形成有不同的图案。
3.权利要求2所述的编码器用编码盘，其中上述透过部是平坦表面而上述反射部是相对于透过部形成V字形的槽。
4.权利要求2所述的编码器用编码盘，其中上述透过部是平坦表面而上述反射部是相对于透过部形成V字形的突起。
5.权利要求1～4中任一项所述的编码器用编码盘，其中上述许多光道的所述各个面具有不同的高度。
6.编码器，它具有：收纳发射光的光源以及从光源接收光的光接收部的机壳；有许多光道设于此光源与光接收部之间的编码器用编码盘，而此编码器用编码盘则是通过透过或反射此光源照射的光探测上述物体的位置信息的按照权利要求1～5中任一项所述的编码器用编码盘。
7.编码器用编码盘的模具制造方法，它包括：于第一材料上加工出各具有平坦面的许多光道的步骤；于这许多光道之间加工出与上述平坦面有不同高度的光道间区域的步骤；在上述各平坦面中形成不同图案的步骤；对上述第一材料的图案进行镀层的步骤；从上述第一材料上剥离此镀层而获得模具的步骤。
8.权利要求7所述的模具制造方法，其中上述形成不同图案的步骤是在上述各平坦面上形成有不同布置的V字型沟的步骤。
9.权利要求8所述的模具制造方法，其中上述加工出许多光道的步骤是加工出各具有不同高度的许多光道的步骤。
10.权利要求7所述的模具制造方法，其中上述镀层是Ni镀层。
11.编码器用编码盘的模具制造方法，它包括：于基底材料上进行镀层的步骤；于此镀层部分上加工出各具有平坦面的许多光道的步骤；在此许多光道之间加工出与上述平坦面有不同高度的光道间区域的步骤；于上述各平坦面中形成不同图案而获得模具的步骤。
12.权利要求11所述的模具制造方法，其中上述形成不同图案的步骤是于上述各平坦面上形成有不同布置的V字形槽的步骤。
13.权利要求12所述的模具制造方法，其中上述加工出许多光道的步骤是加工出各具有不同高度的许多光道的步骤。
14.编码器用编码盘的制造方法，包括：将透明树脂材料注射到由权利要求7～13中任一项所述方法获得的模具中的步骤；从此模具中剥离上述树脂材料获得编码器用编码盘的步骤。
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