專(zhuān)利名稱(chēng)：具有降低背景噪聲的反射式編碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有降低背景噪聲的反射式編碼器。
背景技術(shù)：
編碼器可以測(cè)量系統(tǒng)中元件相對(duì)于某個(gè)預(yù)定參考點(diǎn)的位置。編碼器通常用于給電動(dòng)機(jī)或其他致動(dòng)器提供閉環(huán)反饋系統(tǒng)。例如，軸編碼器輸出數(shù)字式信號(hào)，該信號(hào)表示旋轉(zhuǎn)軸相對(duì)于某個(gè)已知的不運(yùn)動(dòng)參考位置的位置。在可動(dòng)平臺(tái)沿著預(yù)定路徑運(yùn)動(dòng)時(shí)，線性編碼器測(cè)量可動(dòng)平臺(tái)當(dāng)前位置與參考位置之間的距離，對(duì)于可動(dòng)平臺(tái)而言，該參考位置是固定的。
光學(xué)編碼器采用光源和光檢測(cè)器來(lái)測(cè)量碼盤(pán)或碼帶的位置改變。在透射式編碼器中，碼盤(pán)包括一系列交替的透明帶和不透明帶。光源位于碼帶的一側(cè)，光檢測(cè)器位于碼帶的另一側(cè)。光源和光檢測(cè)器彼此相對(duì)固定，碼帶在光檢測(cè)器與光源之間運(yùn)動(dòng)，使得碼帶的不透明區(qū)域會(huì)使到達(dá)光檢測(cè)器的光發(fā)生中斷。通過(guò)測(cè)量光電二極管觀測(cè)到的亮暗區(qū)域之間的轉(zhuǎn)換，來(lái)確定碼帶的位置。
在反射式編碼器中，光源和光檢測(cè)器位于碼帶的同一側(cè)，碼帶由交替的反射帶和吸收帶組成。光源的位置使得當(dāng)光從反射帶反射時(shí)，來(lái)自光源的光反射到檢測(cè)器中。
在公差和對(duì)比度方面，透射式編碼器具有優(yōu)于反射式編碼器的若干優(yōu)點(diǎn)。在反射式編碼器中，碼帶與檢測(cè)器之間的距離很關(guān)鍵，因?yàn)榇a帶本身或來(lái)自碼帶的反射光中看到的光源會(huì)被成像到檢測(cè)器中。因此，如果碼帶到檢測(cè)器的距離存在誤差，成像就會(huì)離焦并造成誤差。
在透射式編碼器中，來(lái)自光源的光在到達(dá)碼帶之前受到準(zhǔn)直，因此離開(kāi)碼帶的光也是準(zhǔn)直的。檢測(cè)組件只需將該準(zhǔn)直光成像到檢測(cè)器表面上。因此，惟一的關(guān)鍵距離是成像透鏡到檢測(cè)器的距離，檢測(cè)器制造商可以不考慮具體編碼器組件而嚴(yán)密控制該距離。
但是，透射式編碼器要求對(duì)光源和光檢測(cè)器這兩個(gè)單獨(dú)的元件在組裝編碼器時(shí)就進(jìn)行安裝并彼此對(duì)準(zhǔn)。相反，反射式編碼器是由單一的發(fā)射器-檢測(cè)器元件構(gòu)成的，該元件與用于將光源成像到光檢測(cè)器上的各種光學(xué)元件封裝在一起。這樣降低了組件成本。另外，機(jī)械系統(tǒng)有越來(lái)越小的趨勢(shì)。隨著使用編碼器的機(jī)械系統(tǒng)的尺寸減小，與在碼帶兩側(cè)安裝元件有關(guān)的問(wèn)題也變得嚴(yán)重起來(lái)。在這樣的系統(tǒng)中，如果不考慮上述問(wèn)題，則反射式編碼器具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。
但是，由于光源-檢測(cè)器模塊中光源的內(nèi)部反射，反射式編碼器的信噪比明顯較低。在反射式編碼器中，光源和檢測(cè)器一起包封在透明材料中，所述透明材料還提供透鏡功能，該功能是以期望方式照明碼盤(pán)并將光反射到檢測(cè)器上所需的。光源產(chǎn)生的部分光在封裝物-空氣界面處向檢測(cè)器反射回去。這種光形成了與碼輪無(wú)關(guān)的背景，因此降低了編碼器的信噪比。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明包括編碼器，該編碼器具有碼帶和發(fā)射器檢測(cè)器模塊。碼帶包括交替的反射條和不透明條。發(fā)射器檢測(cè)器模塊包括光源和光檢測(cè)器，光源產(chǎn)生光并將部分所產(chǎn)生的光導(dǎo)向成像元件，光檢測(cè)器產(chǎn)生信號(hào)，該信號(hào)表示光檢測(cè)器接受到的、具有沿預(yù)定方向的線偏振態(tài)的光的強(qiáng)度。光源和光檢測(cè)器包封在透明介質(zhì)中，其中在透明介質(zhì)與碼帶之間有間隙。預(yù)定方向被選擇為使得從透明介質(zhì)與間隙之間的界面反射的、由光檢測(cè)器接受到的光強(qiáng)度降低。還可以在光源中包括偏振濾波器，來(lái)進(jìn)一步提高對(duì)于從透明介質(zhì)與間隙間界面反射的光的阻擋性。


圖1圖示了透射式編碼器。
圖2圖示了一種類(lèi)型的反射式編碼器。
圖3圖示了另一種形式的成像編碼器。
圖4圖示了根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施例的典型反射式編碼器布局。
圖5是根據(jù)本發(fā)明另一種實(shí)施例的編碼器的剖視圖。
圖6是具有碼帶的線性編碼器90一部分的俯視圖，該碼帶包括沿直線布置的反射帶和吸收帶。
圖7是根據(jù)本發(fā)明另一種實(shí)施例的編碼器的俯視圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參考圖1-圖3，它們圖示了一些類(lèi)型的編碼器設(shè)計(jì)。編碼器可以劃分成發(fā)射器/檢測(cè)器模塊15以及碼輪或碼帶。為了簡(jiǎn)化此處所用的用詞，術(shù)語(yǔ)“碼尺”定義為既包括線性碼帶也包括圓形的碼盤(pán)或碼輪。模塊15包括發(fā)射器11，發(fā)射器11照明部分碼尺12。檢測(cè)器13檢查被照明的碼尺。發(fā)射器通常用LED作為光源。檢測(cè)器通常是基于一個(gè)或多個(gè)光電二極管。圖1圖示了透射式編碼器。在透射式編碼器中，來(lái)自光源的光由準(zhǔn)直光學(xué)器件(例如透鏡24)準(zhǔn)直成平行光束。碼尺12包括不透明帶16和透明帶17。當(dāng)碼尺12在發(fā)射器11與檢測(cè)器13之間運(yùn)動(dòng)時(shí)，光束被碼尺上的不透明帶中斷。檢測(cè)器中的光電二極管接受到光的閃爍。然后用所得的信號(hào)產(chǎn)生邏輯信號(hào)，該邏輯信號(hào)在邏輯1與邏輯0之間轉(zhuǎn)換。
檢測(cè)器可以包括將準(zhǔn)直光成像到光電二極管上的成像透鏡25。透鏡25可以用于調(diào)制光帶的尺寸以與檢測(cè)器中的一個(gè)或多個(gè)光電二極管的尺寸匹配。在以此方式使用時(shí)，光檢測(cè)器位于碼尺與透鏡25焦點(diǎn)之間的某個(gè)位置。光檢測(cè)器與透鏡之間的距離確定了光檢測(cè)器上碼尺圖像的尺寸。
一般地，透射式編碼器是由提供給編碼器制造商的兩個(gè)單獨(dú)子模塊構(gòu)成的。第一子模塊包括由發(fā)射器11和透鏡24組成的光源。第二子模塊由光檢測(cè)器13和透鏡25組成。由于光是準(zhǔn)直的，所以只有發(fā)射器11與透鏡24之間的距離以及透鏡25與光檢測(cè)器13之間的距離是關(guān)鍵的距離。子模塊制造商可以將這些距離控制在很高的精度水平。因此，透射式設(shè)計(jì)大大減小了需要由編碼器制造商保證的公差。但是，從編碼器的整個(gè)組裝過(guò)程來(lái)看，透射式編碼器更加昂貴，因?yàn)楸仨毎惭b和對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)子模塊。另外，如上所述，在許多應(yīng)用中，沒(méi)有足夠的空間來(lái)在編碼器中與光檢測(cè)器相反那側(cè)容納光源，因此就需要反射式編碼器。
圖2圖示了一種類(lèi)型的反射式編碼器。在反射式編碼器中，碼尺包括反射帶18和吸收帶19。發(fā)射器包括光學(xué)系統(tǒng)(例如透鏡21)，該光學(xué)系統(tǒng)在光照射到碼尺上的反射帶上時(shí)將發(fā)射器光源成像到檢測(cè)器中。來(lái)自發(fā)射器的光被碼尺上的帶反射或吸收。光檢測(cè)器的輸出再次被轉(zhuǎn)換成邏輯信號(hào)。某些實(shí)施例中的光檢測(cè)器包括多個(gè)光電二極管，這些光電二極管提供取決于帶的圖像與光電二極管間匹配情況的信號(hào)，在這些實(shí)施例中，可以包括第二透鏡27來(lái)以類(lèi)似于上述的方式將碼尺的尺寸調(diào)整到光檢測(cè)器的尺寸。
圖3圖示了成像編碼器的另一種形式。成像編碼器以與上述反射式編碼器基本相同的方式工作，只是模塊15包括成像光學(xué)器件23，成像光學(xué)器件23在檢測(cè)器14上形成被照明的碼尺的圖像。另外，光源經(jīng)過(guò)了透鏡22的處理，使得在被成像到檢測(cè)器上的區(qū)域，碼尺得到均勻照明。
為了簡(jiǎn)化下面的討論，用于將光源成像到光檢測(cè)器中的各種透鏡將從其余附圖中略去。但是，應(yīng)當(dāng)理解，光源和/或光檢測(cè)器可以包括透鏡或其他光源元件。
現(xiàn)在參考圖4，它圖示了根據(jù)本發(fā)明一種實(shí)施例的典型反射式編碼器布局。碼尺34由來(lái)自發(fā)射器-檢測(cè)器模塊37的光照明，該模塊37包括安裝在襯底31上的LED 32和光檢測(cè)器33。光檢測(cè)器33包括一個(gè)或多個(gè)光電二極管。光電二極管的數(shù)目取決于具體的編碼器設(shè)計(jì)。這些元件包封在透明環(huán)氧樹(shù)脂層35中，所述透鏡環(huán)氧樹(shù)脂層35具有模制的頂面以提供透鏡，所述透鏡將碼尺34反射的那些來(lái)自LED 32的光成像到光檢測(cè)器33上。標(biāo)號(hào)38示出了成像光源的光線。
透明環(huán)氧樹(shù)脂包封件具有比周?chē)諝飧蟮恼凵渎?。因此，如?biāo)號(hào)39所示，由于菲涅耳反射，部分照射到表面36的光被反射回發(fā)射器-檢測(cè)器模塊。這些光中的一些直接照射到光檢測(cè)器33。被反射光中的一些在發(fā)射器-檢測(cè)器模塊的壁上反射，也到達(dá)光檢測(cè)器33。以此方式到達(dá)光檢測(cè)器33的光的數(shù)量與從碼尺34反射的光無(wú)關(guān)，因此形成了恒定的背景照明，它會(huì)降低光檢測(cè)器33的信噪比。
這種背景光的顯著性取決于編碼器的尺寸和分辨率。從碼尺34反射的光的數(shù)量取決于碼尺上反射帶的尺寸。在非常高分辨率的編碼器中，這些帶很小，因此反射光的數(shù)量也很小。類(lèi)似地，許多應(yīng)用場(chǎng)合由于空間上的限制而要求小體積的編碼器。因此反射帶的尺寸也很小。當(dāng)光電二極管處來(lái)自碼尺的反射光與來(lái)自表面36處內(nèi)部反射的背景光強(qiáng)度相似時(shí)，編碼器就不能正確工作。
本發(fā)明基于這樣的結(jié)論，即來(lái)自表面36的菲涅耳反射光是部分偏振的。光源32發(fā)射的光可以看作由具有兩種正交線偏振態(tài)的光組成，一種偏振態(tài)是進(jìn)入紙面的，另一種與紙面平行。在處于布儒斯特角時(shí)，電場(chǎng)平行于入射面的那種光的反射系數(shù)變成零。在其他角度情況下，反射光是部分偏振的。因此，從表面36反射到光檢測(cè)器33中的菲涅耳反射光是部分偏振的。即，光會(huì)具有兩種線偏振分量，其中一種分量比另一種大。可以通過(guò)下述方式來(lái)消除這種光在光檢測(cè)器33之前設(shè)置線偏振濾波器41，并設(shè)置其偏振軸線使具有最大幅度偏振分量的光消除。
本發(fā)明的上述實(shí)施例阻止了部分菲涅耳反射光進(jìn)入光檢測(cè)器33?；蛘撸庠?2可以由線偏振光源代替，所述線偏振光源定向?yàn)槭沟脧墓庠?2產(chǎn)生的光中除去那些在表面36處傾向于反射的偏振態(tài)的光。在此情況下，減小了菲涅耳反射的光數(shù)量，從而提高了編碼器的信噪比。線偏振光源是本領(lǐng)域公知的，只要注意這樣的光源可以通過(guò)在LED或其他非偏振光源前方設(shè)置偏振濾波器來(lái)構(gòu)成就夠了。還應(yīng)當(dāng)注意，發(fā)射線偏振光的激光器也是本領(lǐng)域公知的。
現(xiàn)在參考圖5，它是根據(jù)本發(fā)明另一種實(shí)施例的編碼器的剖視圖。編碼器60包括帶有線偏振光源62的發(fā)射器檢測(cè)器模塊65。光源62提供位于紙面內(nèi)的偏振方向。偏振方向被選擇為使得會(huì)在界面66處受到菲涅耳反射的光數(shù)量減少。在界面66處反射時(shí)，這種光的一部分仍然反射回發(fā)射器檢測(cè)器模塊65，因?yàn)椴皇撬械墓舛紩?huì)以布儒斯特角照射到界面66處。剩余的光會(huì)射出發(fā)射器檢測(cè)器模塊65并經(jīng)過(guò)偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)器(例如四分之一波片68)，所述偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)器使偏振態(tài)如標(biāo)號(hào)72所示旋轉(zhuǎn)90度。這種光由碼尺34反射并成像到包括偏振濾波器61的光檢測(cè)器63上。偏振濾波器61設(shè)置成使偏振態(tài)矢量垂直于紙面的光通過(guò)，而阻止偏振態(tài)矢量在紙面內(nèi)的那些光。因此，標(biāo)號(hào)71所示的在界面66處發(fā)生反射的光被阻擋。
上述實(shí)施例使用了碼尺對(duì)來(lái)自發(fā)射器檢測(cè)器模塊的光進(jìn)行調(diào)制。術(shù)語(yǔ)“碼尺”通常用于表示線性編碼器，即用于對(duì)一個(gè)元件相對(duì)于另一個(gè)元件的線性位移進(jìn)行測(cè)量的、沿直線的一系列交替矩形帶。現(xiàn)在參考圖6，它是線性編碼器90一部分的俯視圖，線性編碼器90具有碼尺91，碼尺91包括分別沿直線96布置的反射帶92和吸收帶93。反射器檢測(cè)器模塊95設(shè)在一段碼尺下方。碼尺沿平行于直線96的方向相對(duì)于發(fā)射器編碼器模塊95運(yùn)動(dòng)。
但是，應(yīng)當(dāng)明白，采用本發(fā)明的教導(dǎo)也可以構(gòu)成軸編碼器，使用碼盤(pán)來(lái)測(cè)量軸相對(duì)于固定位置的角位移。現(xiàn)在參考圖7，它是根據(jù)本發(fā)明另一種實(shí)施例的編碼器80的俯視圖。編碼器80對(duì)軸86的角位置進(jìn)行編碼。編碼器80類(lèi)似于上述編碼器，發(fā)射器檢測(cè)器模塊85照明編碼圖樣并對(duì)編碼圖樣的反射部分所反射的光進(jìn)行測(cè)量。上述碼尺由碼盤(pán)81代替，碼盤(pán)81包括沿環(huán)形交替的切頂餅狀部分82和83，這些部分具有與軸86一致的中心。每個(gè)部分由環(huán)形89的兩條半徑以及環(huán)形88和89來(lái)限定，環(huán)形89的中心在軸86的中心。發(fā)射器檢測(cè)器模塊85的光源和光檢測(cè)器在環(huán)形89的半徑84上對(duì)準(zhǔn)。為了簡(jiǎn)化文中所用的用詞，術(shù)語(yǔ)“碼尺”定義為既包括線性的碼帶也包括環(huán)形的碼盤(pán)。
根據(jù)前述說(shuō)明以及附圖，本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)明白本發(fā)明的各種變形。因此，本發(fā)明應(yīng)當(dāng)僅由權(quán)利要求的范圍來(lái)限定。
權(quán)利要求
1.一種編碼器，包括碼尺，包括交替的反射帶和不透明帶；發(fā)射器檢測(cè)器模塊，包括光源和光檢測(cè)器，所述光源產(chǎn)生光并將部分所產(chǎn)生的所述光導(dǎo)向所述成像元件，所述光檢測(cè)器產(chǎn)生信號(hào)，所述信號(hào)表示所述光檢測(cè)器接受到的具有沿預(yù)定方向線偏振態(tài)的光的強(qiáng)度，所述光源和所述光檢測(cè)器包封在透明介質(zhì)中，其中所述透明介質(zhì)與所述碼尺之間存在間隙，并且其中，所述預(yù)定方向選擇為使得從所述透明介質(zhì)與所述間隙之間的界面反射的、由所述光檢測(cè)器接受到的光的強(qiáng)度減小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的編碼器，其中，所述光檢測(cè)器包括線偏振濾波器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的編碼器，其中，所述光源產(chǎn)生線偏振光，所述線偏振光具有與所述預(yù)定方向正交的偏振態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的編碼器，還包括偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)器，所述偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)器使離開(kāi)所述透明介質(zhì)的光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90度，所述偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)器位于所述間隙中。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種具有碼帶和發(fā)射器檢測(cè)器模塊的編碼器。碼帶包括交替的反射條和不透明條。發(fā)射器檢測(cè)器模塊包括光源和光檢測(cè)器，光源產(chǎn)生光并將部分所產(chǎn)生的光導(dǎo)向成像元件，光檢測(cè)器產(chǎn)生信號(hào)，該信號(hào)表示光檢測(cè)器接受到的、具有沿預(yù)定方向的線偏振態(tài)的光的強(qiáng)度。光源和光檢測(cè)器包封在透明介質(zhì)中，其中在透明介質(zhì)與碼帶之間有間隙。預(yù)定方向被選擇為使得從透明介質(zhì)與間隙之間的界面反射的、由光檢測(cè)器接受到的光強(qiáng)度降低。還可以在光源中包括偏振濾波器，來(lái)進(jìn)一步提高對(duì)于從透明介質(zhì)與間隙間界面反射的光的阻擋性。
文檔編號(hào)G01D5/347GK101017100SQ20071000500
公開(kāi)日2007年8月15日 申請(qǐng)日期2007年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月9日
發(fā)明者陳日隆 申請(qǐng)人:安華高科技杰納勒爾Ip(新加坡)私人有限公司