光電式編碼器的制作方法

專利名稱：光電式編碼器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種光電式編碼器，其具有相對于形成規定圖形的標尺、可相對變位的檢出器，特別是能夠使用簡單的小型光學系統及感光系統對寬的檢出范圍進行測定。
背景技術：
光電式編碼器，例如增量型光電式線性編碼器，為了減小對標尺上的污垢的靈敏度，需要擴大標尺上的檢出范圍。但擴大檢出范圍，會發生檢出器內部的光學系統增大的問題。
如日本國特開平7-286861號公報(專利文獻1)的圖1中所記述，眾所周知，通過檢出主標尺上配置的模擬隨機圖形求得絕對位置的所謂絕對型編碼器。
所述模擬隨機圖形，使用例如在JTM Stevenson等“使用編碼圖的光學檢測的絕對位置測量(Absolute position measurement using optical detectionof coded patterns”，J.Phys，ESci.Instrum.21(1988)1140-1145(非專利文獻1))中，圖1中記載的被稱為M系列符號的圖形。
在該絕對型編碼器中，檢出配置于標尺上的圖形的局部，進行比較而求得其圖形與模擬隨機圖形整體的哪一部分一致。具體地，如日本國特開平8-29200號公報(專利文獻2)的圖1、圖3(A)中所記述，計算檢出圖形與模擬隨機圖形的相關系數，將相關系數最高處作為絕對位置。
這樣，由模擬隨機圖形而得到的絕對位置檢出方法中，若想要增加絕對位置能夠檢出的長度(絕對檢出范圍)，則要增加模擬隨機圖形的循環周期，并且為了得到良好的相關峰值，還必須檢出長的圖形。但具有如下的問題，即，為了檢出長的圖形，需要具有寬視角的光學系統，而為了使用大的透鏡，則需要大的光學系統。
作為改善手段，在日本國特開平2004-317503號公報(專利文獻3)中如圖1及圖2所示，將透鏡陣列成像光學系統3、4重疊使用。在此方法中，將標尺2上的圖形21、22(圖2中的O)首先在中間像O′成像后，在感光元件19上的檢出像O″上成像。圖中，1為掃描單元，10為印刷基板，11為光源，L為光束，12為側壁，13為聚光鏡，15為玻璃板，A為光軸，B為光束，31a～c、41a～41c為透鏡。
但是，在專利文獻3中，由于將兩透鏡陣列成像光學系統重疊，為了得到最終的檢出像，需要正確設定兩者的位置關系，而實際實現在光學系統上，這成為很大的技術問題。
另外，為了提高絕對位置檢出的可靠性，在日本國特開平9-29717(特許文獻4)中確認了如下的內容在多個檢出點檢出絕對位置，使它們所檢出的位置數據的差和各個檢出點之間的距離一致或不一致。
但是，在特許文獻3、4中，在各個檢出點中，至少在僅能夠計算出絕對位置的廣的范圍，例如，從N段的移位寄存器生成的M系列符號的情況下，有必要檢出對2N-1位進行檢出的范圍的圖形。

發明內容
本發明為了解決所述以往的問題，使用比較簡單的光學系統和感光系統，以確保寬的檢出范圍。
本發明通過一種光電式編碼器解決上述問題，其具有相對于形成規定圖形的標尺、可相對變位的檢出器，其中，具有多個感光系統，其用于將所述圖形的應該同時檢出的檢出范圍至少在檢出方向上分割而分別檢出。
所述感光系統間可以配設遮光板。
所述各感光系統可以設有成像光學系統。
可以將所述成像光學系統單側或兩側作為遠心光學系統。
可以將所述檢出范圍在與檢出方向垂直的方向上也進行分割。
利用所述分割、檢出的地點的輸出振幅，可以將檢出范圍的局部污染檢出。
可以將所述污染被檢出的地點以外的輸出用于變位檢出。
可以將所述圖形作為增量圖形。
通過將所述分割、檢出的個別的輸出平均化，可以檢出移動量。
通過進行所述分割、檢出的個別的輸出的相對比較，可以進行檢出器的姿勢檢出。
可以將所述圖形作為模擬隨機圖形。
可以對所述分割、檢出的圖形分別進行相關計算，將各相關峰值的順序正確、且各相關峰值的間隔在規定范圍內的位置判定為絕對位置。
可以在所述相關峰值的高度低于閾值的情況下，不將該個別檢出圖形用于相關計算。
可以對多個個別檢出圖形中的一個在循環周期整個區域進行相關計算、求得最高的相關峰值，僅對其周邊進行相關計算。
根據本發明，將應該同時檢出的檢出范圍分割而分別檢出，因此，即使個別檢出區域小，也能夠確保寬的檢出范圍。由于即使個別檢出區域小也可以，因此，直徑小、焦距短的透鏡也可以構成光學系統，而能夠緩和整體的大小。另外，通過加入遮光板，能夠遮斷來自于相鄰光學系統的光。成像光學系統通過使用單側或兩側遠心光學系統，能夠構成對空氣隙變動不敏感的檢出系統。
特別是適用于增量編碼器的情況下，移動量檢出由于不依賴于個別地檢出區域的相對位置關系，因此能夠由比較簡單的光學系統、感光元件構成。通過寬的檢出范圍內的平均化效果，對污垢的靈敏度變小。進而，能夠檢出檢出范圍的局部污染，能夠進行污染地點以外的平均化處理。通過相對比較個別的檢出區域的輸出，能夠檢出檢出器的姿勢。
在使用絕對編碼器的情況下，通過分割、檢出，能夠檢出長的模擬隨機圖形。進而，通過進行分割、相關計算，將各個相關峰值的順序及間隔與設計值相對照，即使是非連續檢出圖形也能夠得到相關峰值。由于不使用低的相關峰值的個別檢出圖形，能夠得到可靠性高的檢出。僅對各個分割檢出圖形中的一個進行循環周期整個區域的相關計算，預計其他的在最高相關峰值的附近而縮小相關計算范圍，能夠節約計算時間。另外，通過利用例如二維感光陣列元件檢出、挑出無污垢的部分的個別檢出圖形，而能夠進行不受污垢影響的檢出。


圖1是表示專利文獻3記載的透鏡陣列構成的光學系統的立體圖；圖2是專利文獻3記載的透鏡陣列構成的光學系統的光路圖；圖3是將適用于增量編碼器的本發明的第一實施方式的關鍵部件模式化表示的包含一部分平面圖的光路圖；圖4是同樣地表示信號處理電路的框圖；圖5是表示本發明第二實施方式的信號處理電路的框圖；圖6是同樣地表示第三實施方式的關鍵部件的平面圖及框圖；圖7是同樣地將第四實施方式的關鍵部件模式化表示的包含一部分平面圖的光路圖；圖8是將適用于絕對編碼器的本發明的第五實施方式的關鍵部件模式化表示的包含一部分平面圖的光路圖；圖9是同樣地表示信號處理電路的框圖；圖10是同樣地表示處理內容的圖；圖11是同樣地表示相關峰值由于污垢變低的情況下的圖；圖12是表示本發明的第六實施方式的處理內容的圖；圖13是同樣地將第七實施方式的關鍵部件模式化表示的包含一部分平面圖的光路圖；圖14是同樣地將第八實施方式的關鍵部件模式化表示的包含一部分平面圖的光路圖；圖15是同樣地將第九實施方式的關鍵部件模式化表示的包含一部分平面圖的光路圖；圖16是同樣地將第十實施方式的關鍵部件模式化表示的包含一部分平面圖的光路圖；圖17是同樣地將第十一實施方式的關鍵部件模式化表示的包含一部分立體圖的光路圖；圖18是同樣地表示第十二實施方式的檢出部的構成的包含一部分立體圖的光路圖；圖19是同樣地表示個別檢出圖形的挑出位置的平面圖；圖20是同樣地表示信號處理電路的框圖；圖21是同樣地表示個別相關峰值信號的一例的圖；圖22是同樣地表示映出污垢的情況的平面圖；圖23是同樣地表示映出污垢的情況的相關峰值的圖；圖24是本表示發明第十三實施方式的處理的平面圖。
具體實施例方式
以下參照附圖，對本發明的實施方式進行詳細說明。
其中通篇相同元件用相同附圖標記代表。
首先，對適用于增量編碼器的實施方式進行說明。
本發明的第一實施方式如圖3所示，將標尺上的增量(INC)圖形100的檢出范圍分割為多個檢出區域120、并且配置在檢出方向(圖的左右方向)，對各檢出區域，將比成像區域小的感光陣列元件130A～E與成像光學系統110并列配置。
這時，對各感光陣列元件130A～E形成左右反轉像。在使用檢出范圍整體的像進行檢出的情況下，需要將像再次反轉，而且，對檢出區域彼此的相對長度方向的位置關系要求其正確性。但在根據本發明分割檢出的情況下，不需要這樣，能夠比較簡單地構成。
即，即使一個檢出區域小，通過多個配置，也能夠得到寬的檢出范圍的信息。
由于即使一個檢出區域小也可以，因此，能夠使用直徑比較小、焦距短的透鏡，從而能使光學系統小型化。
為了不受檢出區域彼此的相對位置關系(檢出方向)的影響，在光學系統中使用的透鏡可以將如圖3所示的透鏡陣列、小型單透鏡、球面透鏡等排列而成。
在圖3中，排列多個感光陣列元件130，但也可以設計為在單一長的感光元件上，在檢出方向上排列多陣列感光部。
由于檢出范圍的大小、檢出區域的大小任意，由透鏡的大小、配置間距決定，因此能夠比較容易地變更。
如圖4所示，編碼器移動量的輸出可以通過將整個檢出區域的數據經平均化處理電路140進行平均化而求得。因此，即使個別的檢出區域小，也能夠確保寬的檢出范圍，故而，標尺的檢出范圍的一部分污染的情況下的靈敏度變小。
如圖5所示的第二實施方式，通過設置污染檢出電路150、檢出各檢出區域的輸出振幅，從而能夠進行標尺檢出范圍的局部污染檢出，在除污染部外的范圍內進行平均化處理。
如圖6所示的第三實施方式，將檢出范圍二維分割，將增量圖形100上比成像光學系統和成像區域小的感光元件多個、且二維排列，通過設置比較個別檢出區域的輸出的姿勢檢出電路160，能夠檢出繞垂直中軸旋轉(ヨ一)、前后仰俯(ピッチ)、左右搖擺(ロ一ル)等姿勢。通過利用這些，謀求報警機能、外部監視器等的姿勢檢出等的機能充實。另外，在單一感光元件上也可以將感光陣列檢出部多個、且二維排列而進行檢出。另外，如圖3所示的一維分割，也能夠進行前后傾斜(ピッチ)檢出。
如圖7的第四實施方式，通過在成像光學系統110間配置遮光板170，能夠防止從相鄰的透鏡射入的光引起的像的惡化。
接著，對適用于絕對編碼器的本發明的實施方式進行說明。
本發明的第五實施方式如圖8所示，通過例如透鏡陣列構成的成像光學系統110將絕對標尺上的模擬隨機圖形200分割為多個檢出區域，通過在各成像面下配置的一維感光陣列元件130A～E各個分割、檢出。
在此，檢出范圍的大小、檢出領域的大小可以任意，并且，也沒有必須利用僅其各個范圍內的檢出數據進行計算絕對位置的條件，由于由透鏡的大小、配置的間距來決定，所以能夠比較容易變更。
雖然對各個透鏡的成像倍率沒有限制，但由于擴大光學系統，左右的像相互干涉。這種干涉能夠通過如第四實施方式所示的遮光板而防止，但為了有效利用來自標尺的光量，選擇一倍以下的等倍或縮小光學系統較好。
在圖8中，多個排列感光陣列元件130，但也可以是在單一長的感光元件上設有多個陣列感光部。
利用如圖9所示結構的信號處理電路的相關器210，被分割的個別檢出圖形與作為基礎的模擬隨機圖形各個地進行相關計算。在這種情況下，由于個別檢出圖形左右反轉，如圖10所示，成為基礎的模擬隨機圖形也左右反轉。
由峰值高度判斷部220來確認由所述相關器210輸出的相關峰值的高度是否在閾值以上。
在此，將個別檢出圖形通過相關器210各個地進行相關計算，由于個別檢出圖形中包含的數據位數少，因此相關峰值低。
通過相關峰值順序判斷部230，對各個相關峰值的順序與檢出的位置的順序是否相同進行確認，進而，通過相關峰值間隔判斷部240，對相關峰值的間隔與透鏡間距或感光陣列元件的配置間距是否相同進行確認，最后通過絕對位置計算部250確定模擬隨機圖形上的絕對位置。
另外，通過對間距間隔的比較，可以將排列公差或排列公差乘以光學倍率作為容許范圍。
如圖11所示，若標尺上局部存在污垢，某個個別檢出圖形變得不清晰，相關峰值可能變低。在這種情況下，不能正確判斷相關峰值順序和間隔。因此，為了防止這種情況的發生，通過所述峰值高度判定部220，判斷相關峰值的高度。在比規定高度低的情況下，不將該個別檢出圖形用于相關計算，而使用其余的個別檢出圖形進行相關計算。
作為規定高度的設定方法，可以定為例如最高相關峰值的一半。或者，在模擬隨機圖形使用由N段移位寄存器生成的M系列的情況下，可以設定為從(2×N-1)位長的圖形而得的相關值的最大值。
這樣，即使不使用大的光學系統或多個透鏡陣列成像光學系統，也能夠確實檢出長的模擬隨機圖形。
在第五實施方式中，由于必須對個別檢出圖形進行個別相關計算，因此在循環周期長的情況下，由于檢出圖形的數量而使得計算需要花費時間。如圖12所示的第六實施方式中，改進相關計算方法，僅對某一個個別檢出圖形(圖12中C)在循環周期整個區域進行相關計算，求得最高相關峰值。由其它的個別檢出圖形而得的相關峰值，由于應該存在于該最高相關峰值的周圍，因此，縮小相關計算的范圍(圖12中在±(2+α)，此處α為考慮透鏡間距的誤差、倍率誤差的余量)，在此范圍內進行各相關計算。
如果在其范圍內其它的個別檢出圖形的相關峰值不存在的情況下，對最初檢出的相關峰值判斷為有誤，而求第二高的相關峰值(或在最初的相關計算時暫時記錄)，進行相同處理。
這樣，能夠防止增加求多個個別檢出圖形的相關峰值時的計算時間。
如圖13所示的第七實施方式，通過在透鏡陣列成像光學系統110間配置遮光板172，能夠防止自相鄰的透鏡射入的光引起的像的惡化。
如圖14所示的第八實施方式，將成像光學系統作為將光闌板114配置于透鏡陣列113與感光陣列元件130間的單側遠心光學系統112，而能夠限制成像系統的NA。這樣，由于焦點深度變寬，能夠構成相對于與標尺的空氣隙變動或感光元件配置位置變動，靈敏度少的檢出系統。
或如圖15所示的第九實施方式，將成像光學系統作為在光闌板114的相反一側也配置透鏡陣列117的兩側遠心光學系統116，能夠構成相對于與標尺的空氣隙變動及感光元件配置位置變動，靈敏度少的檢出系統。兩側遠心光學系統116中，兩塊透鏡陣列113、117重疊，不像專利文獻3那樣生成中間像。因此，相對于專利文獻3的透鏡陣列兩塊重疊的情況，透鏡陣列間距離的容許范圍變寬。
第八及第九實施方式中，兩側遠心光學系統都適用于絕對編碼器，同樣單側或兩側遠心光學系統也能夠適用于增量編碼器。
如圖16所示的第十實施方式，對標尺照射平行光，且根據需要通過在感光系統間配設遮光板174，即使沒有成像光學系統，也能夠檢出標尺上的模擬隨機圖形。這種情況下，個別檢出圖形不進行左右反轉，因此相關計算時的基礎的模擬隨機圖形也不用反轉。
這樣，即使是比檢出范圍小的感光陣列元件130A～E，通過并列配置、分割，而進行檢出、相關計算，能夠對應長的循環周期的模擬隨機圖形。
如圖17所示的第十一實施方式，可以將多個比檢出范圍小的感光陣列元件，在檢出方向及與其垂直的方向上，二維排列。這樣，不易受標尺上的污垢的影響，通過很多接近的個別相關峰值，提高絕對位置檢出的可靠性。
如圖18所示的第十二實施方式，可以使用單一的二維感光陣列元件132檢出模擬隨機圖形。
如圖19所示，自所得的二維圖像數據選出個別檢出圖形，如圖20所示，分別對其進行相關計算，如圖21所示，確認相互的相關峰值的順序與間隔，確定絕對位置。
如圖22所示為標尺上存在污垢、恰巧在個別檢出圖形E處映出污垢的像、其圖形不清晰的狀態。這樣在個別檢出圖形上映出污垢，則如圖23所示，相關峰值的高度變低，不能正確判斷相關峰值的順序與間隔。為了防止這種情況，在如圖20所示的峰值高度判斷部220，進行相關峰值高度的確認。進而，在比規定高度低的情況下，不將該個別檢出圖形用于相關計算，使用其余的個別檢出圖形進行相關計算。
映出污垢的情況下，該部分的光量減少。因此，如圖24所示的第十三實施方式，在二維圖像數據的范圍內，將比平均光量少的地方判斷為有污垢，能夠避開該部分而選出個別檢出圖形。
通過這種方法，能夠實現不受標尺上污垢的影響而檢出絕對位置。
對本領域的技術人員來說，顯然上述實施例僅是代表本申請原理應用的示例。本領域技術人員容易做出很多各樣的其他安排且不脫離本發明的精神和范圍。
2006年2月15日提交的日本專利申請公開No.2006-38457，包括說明書、附圖和權利要求書引用在此處作為參考。
權利要求
1.一種光電式編碼器，其具有相對于形成規定圖形的標尺、可相對變位的檢出器，其特征在于，具有多個感光系統，其用于將所述圖形的應該同時檢出的檢出范圍至少在檢出方向上分割而分別檢出。
2.如權利要求1所述的光電式編碼器，其特征在于，所述感光系統間配設遮光板。
3.如權利要求1或2所述的光電式編碼器，其特征在于，所述各感光系統設有成像光學系統。
4.如權利要求3所述的光電式編碼器，其特征在于，所述成像光學系統為單側或兩側遠心光學系統。
5.如權利要求1至4中任一項所述的光電式編碼器，其特征在于，所述檢出范圍在與檢出方向垂直的方向上也分割。
6.如權利要求1至5中任一項所述的光電式編碼器，其特征在于，利用所述分割、檢出的地點的輸出振幅，檢出檢出范圍的局部污染。
7.如權利要求6所述的光電式編碼器，其特征在于，將所述污染被檢出的地點以外的輸出用于變位檢出。
8.如權利要求1至7中任一項所述的光電式編碼器，其特征在于，所述圖形為增量圖形。
9.如權利要求8所述的光電式編碼器，其特征在于，通過將所述分割、檢出的地點的輸出平均化，而檢出移動量。
10.如權利要求8所述的光電式編碼器，其特征在于，通過進行所述分割、檢出的地點的輸出的相對比較，進行檢出器的姿勢檢出。
11.如權利要求1至7中任一項所述的光電式編碼器，其特征在于，所述圖形為模擬隨機圖形。
12.如權利要求11所述的光電式編碼器，其特征在于，對所述分割、檢出的圖形分別進行相關計算，將各相關峰值的順序正確、且各相關峰值的間隔在規定范圍內的位置判定為絕對位置。
13.如權利要求12所述的光電式編碼器，其特征在于，在所述相關峰值的高度低于閾值的情況下，不將該個別檢出圖形用于相關計算。
14.如權利要求12或13所述的光電式編碼器，其特征在于，對多個個別檢出圖形中的一個在循環周期整個區域進行相關計算、求得最高的相關峰值，僅對其周邊進行相關計算。
全文摘要
本發明涉及一種光電式編碼器(增量編碼器或絕對編碼器)，其具有相對于形成規定圖形(增量圖形或模擬隨機圖形)的標尺、可相對變位的檢出器，其中，其具有多個感光系統，其用于將所述圖形的應該同時檢出的檢出范圍至少在檢出方向上分割，而分別在每個檢出區域檢出。這樣，能夠使用簡單的小型光學系統及感光系統對寬的檢出范圍進行測定。
文檔編號G01D5/36GK101021425SQ20071000592
公開日2007年8月22日 申請日期2007年2月15日 優先權日2006年2月15日
發明者夜久亨, 川田洋明 申請人:三豐株式會社