专利名称：阵列式光电轴角编码器的转角信号源装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种编码器的转角信号源装置，特别是阵列式光电轴角编码 器的转角信号源装置。
背景技术：
许多自动化设备都需要依赖位置反馈信号工作，而轴角编码器是最重要 的位置反馈器件。关于编码器的结构和工作原理，请参阅“绝对旋转编码器”[机床电器] 杂志1997年第4期20页-22页，以及中国发明专利ZL03109720. 0《阵列式绝对编码器》等 相关资料。一般光电轴角编码器主要由编码器主轴，壳体，信号源，照明装置和探测器组成。 信号源必须跟随编码器主轴旋转，以便向探测器提供编码器主轴的转角信号。例如图1所 示的常见光电轴角编码器中，信号源2是一块透光的刻度码盘，它安装在编码器主轴5上， 而且随编码器主轴5旋转。此刻度码盘(即信号源2)是无源器件，但它在照明装置14的照 射下，能把编码器主轴5的转角信号传递给探测器6。照明装置14是由光源13和狭缝4组 成，由于光源13是固定在壳体1上不动的，因此它可以方便地通过光源能量供给电路9从 外界供电。探测器6也是固定在壳体1上不动的，因此它获得的转角数据也可以直接由转 角数据输出电路8向外界输出。可见在常见的光电轴角编码器中，对旋转的刻度码盘(即 信号源2)本身，并不需要在工作过程中供电，因此让无源的刻度码盘(即信号源2)旋转， 是容易实现的。但与上述图1的常见光电轴角编码器，采用无源信号源2的结构相反，在中国发明 专利ZL03109720.0《阵列式绝对编码器》的第一种实施方式和第二种实施方式中(见该专 利的《说明书附图》图3-图6)，采用了本专利说明书图2及图3所示的有源信号源2结构 由光源13及狭缝4构成的有源信号源2固定在转盘3上，而转盘3又固定在编码器主轴5 上，并随编码器主轴5在壳体1内旋转。在第一种实施方式中，圆环形阵列式探测器11制 作在硅片12上，而硅片12固定在壳体1上不动。当有源信号源2扫过半径为R的圆环形 阵列式探测器11时，能使位于该信号源2下方的探测器11中的光敏单元pi产生感应。由 于该圆环形阵列式探测器11中各光敏单元的排序，与其固定位置之间有对应的编码关系， 因此可以确定该光敏单元Pi的编码，并得知该光敏单元Pi的机械角位置，从而确定编码器 主轴5的绝对转角。(在第二种实施方式中与此类似，圆环形阵列式探测器21制作在硅片 22上，而硅片22固定在壳体1上不动。当有源信号源2扫过半径为R的圆环形阵列式探 测器21时，能使位于该信号源2下方的探测器21中的光敏单元pi产生感应。由于该圆环 形阵列式探测器21中各光敏单元的排序，与其固定位置之间有对应的编码关系，因此可以 确定该光敏单元Pi的编码，并得知该光敏单元Pi的机械角位置，从而确定编码器主轴5的 绝对转角)。总之，与图1所示的常见光电轴角编码器采用无源信号源2不同，不论在《阵 列式绝对编码器》的第一种实施方式或第二种实施方式中，当编码器工作时都必须向旋转 的有源信号源2中的光源13供电。但是由图2及图3可见，当编码器主轴5旋转180°以 后，有源信号源2将会从现在的编码器主轴5的旋转轴的正上方位置，旋转到编码器主轴5 的旋转轴的正下方的新位置。也就是说，光源13在工作过程中是绕编码器主轴5旋转的。 显然采用类似于图1所示的常见光电轴角编码器中，使光源能量供给电路9直接连线的方法，不能对《阵列式绝对编码器》的第一种实施方式或第二种实施方式中，处于旋转中的光 源13不间断地供电。目前向旋转的用电器件供电，最通用的方法仍然采用电刷滑环。例如为了能向旋 转的有源信号源2的光源13不间断地供电，需要先从光源能量供给电路9，将电能供应到相 对于壳体1静止不动的导电滑环组，然后再通过与导电滑环组滑动接触的旋转电刷，才能 最终把电能传输给旋转的光源13。这不但使编码器的结构复杂化，导致故障率增高，降低了 编码器的允许工作转速，还会增加产品的生产成本。由此可见，现有技术ZL03109720. 0《阵 列式绝对编码器》，未能妥善解决向有源信号源2的光源13，在旋转中不间断供电的技术问 题。发明内容本发明的目的是利用固定位置的光源，取代现有技术ZL03109720.0《阵 列式绝对编码器》中，必须跟随编码器主轴旋转的光源。本发明能为现有技术ZL03109720.0 的《阵列式绝对编码器》，提供一种新的简单实用的有源转角信号源装置。本发明的目的是这样实现的光源固定不动，并被安装在编码器主轴的旋转轴延 长线上，非接触地将光源的光能量沿轴向传播到编码器主轴中心位置。然后利用光学系统， 导引从光源辐射出的光能量，使之照射狭缝，并将狭缝成像到圆环形探测器阵列中的光敏 单元的表面形成亮线，使得该光敏单元有感应信号输出。光学系统和狭缝固定在编码器主 轴上，并跟随编码器主轴旋转。光学系统的光能量输入端，位于编码器主轴的旋转轴上。光 学系统的光能量输出端，与编码器主轴的旋转轴的距离，等于圆环形探测器阵列的半径R。 由于在本发明中采用了固定位置的光源，因此极大地改进了现有技术ZL03109720. 0《阵列 式绝对编码器》中，有源转角信号源装置的结构。
本发明共有8张附图，它们是图1常见光电轴角编码器的结构原理图。图2现有技术ZL03109720. 0《阵列式绝对编码器》第一种和第二种实施方式的结 构纵剖面图。图3现有技术ZL03109720. 0《阵列式绝对编码器》第一种和第二种实施方式的结 构垂轴剖视图。图4本发明第一种实施方式的光学系统原理图。图5本发明第一种实施方式的结构原理图。图6本发明第二种实施方式的光学系统原理图。图7本发明第二种实施方式的结构原理图。图8本发明第三种实施方式的结构原理图。鉴于对图1，图2和图3的内容，已在“背景技术”中作过描述，不再重复。具体实 施方式下面仅对图4-图8的本发明的三种具体实施方式
，逐项进行详细的说明。图4是采用显微镜成像光路的第一种实施方式的光学系统原理图。先研究清楚显 微镜成像的光学系统原理，更便于理解其具体结构。为此将图5中具体结构的曲折光路展 直后，可以得到等效光学系统原理图。从图4可以看出光源13'被场镜23'聚焦后成像 在显微物镜25'的入口瞳孔c处。场镜23'的下面放置透光的狭缝4'，此狭缝4'经光 源13'及场镜23'照明后，由显微物镜25'成像在阵列式探测器11'的光敏单元的敏感 面上，形成缩小的亮线d，而使所述的光敏单元有感应信号输出。在等效光学系统原理图中插入反射棱镜24，并使光路在反射棱镜24的上下两个斜面上折反后，就得到图5中实际应 用的光学系统结构。图5是采用显微镜成像光路的第一种实施方式的结构原理图。由图5可见，编码 器主轴1在壳体2内旋转，编码器主轴1本身带有盘形结构。圆环形阵列式探测器11制作 在基片12上，基片12固定在壳体2上不动。与图4的光学系统原理图对照可以看出光源 13'，场镜23'和狭缝4'，是光源13，场镜23和狭缝4经过反射棱镜24的上斜面作90° 折转形成的共轭象。显微物镜25'和探测器11'是显微物镜25和探测器11经过反射棱 镜24的下斜面作90°折转形成的共轭象。在第一种实施方式中，光学系统16由场镜23， 反射棱镜24和显微物镜25组成。场镜23，反射棱镜24，显微物镜25和狭缝4被固定在编 码器主轴1上，并跟随编码器主轴1旋转。光源13被安装在编码器主轴1的旋转轴延长线 上，并固定在壳体2上不动。场镜23的光轴与编码器主轴1的旋转轴重合。场镜23的光 轴与显微物镜25的光轴间的距离R，等于圆环形探测器阵列11的半径。狭缝4经过光源 13和场镜23的照射后，由显微物镜25聚焦成像，在圆环形探测器阵列11中的光敏单元的 表面形成亮线d，使得该光敏单元有感应信号输出。在本实施方式中由于光源13是固定的， 因此不需要采用类似导电滑环组和旋转电刷等复杂结构，而可以用光源能量供给电路9向 光源13直接供电，因而简化了现有技术ZL03109720. 0《阵列式绝对编码器》中转角信号源 装置的结构。图6是采用准直光路的第二种实施方式的光学系统原理图。将图7中具体结构的 曲折光路展直后，可以得到等效光学系统原理图。从图6可以看出，光源13'放置在准直透 镜20'的焦点上。经过准直透镜20'后的平行光束ρ照射到狭缝4'上，然后透过狭缝4' 在阵列式探测器11'中的光敏单元的敏感面上投影出亮线d，而使所述的光敏单元有感应 信号输出。在等效光学系统原理图中插入反射镜26和反射镜27，并使光路在反射镜26和 反射镜27的斜面上折反后，就得到图7中实际应用的光学系统结构。图7是采用准直光路的第二种实施方式的结构原理图。图中编码器主轴1，壳体 2，圆环形阵列式探测器11，基片12的作用与图5的内容相同。与图6本发明第二种实施方 式的光学系统原理图对照可以看出图6中光源13和准直透镜20，是光源13'和准直透镜 20'经过反射镜26作90°折转形成的共轭象。而狭缝4和探测器11，是狭缝4'和探测器 11'经过反射镜27作90°折转形成的共轭象。在阵列式光电轴角编码器的转角信号源装 置的第二种实施方式中，光学系统16由准直透镜20，反射镜26和反射镜27组成。准直透 镜20，反射镜26，反射镜27和狭缝4被固定在编码器主轴1上，并跟随编码器主轴1旋转。 光源13位于编码器主轴1的旋转轴延长线上，并固定在壳体2上不动。准直透镜20的光 轴与编码器主轴1的旋转轴重合，准直透镜20的焦点与光源13重合，因此从光源13辐射 出的光能量，经过准直透镜20后变成平行光束ρ照射到狭缝4上，然后透过狭缝4投影到 圆环形探测器阵列11中的光敏单元的表面形成亮线d，使得该光敏单元有感应信号输出。 反射镜26与反射镜27间的折转距离，等于圆环形探测器阵列11的半径R。在本实施方式 中由于光源13是固定的，因此不需要采用类似导电滑环组和旋转电刷等复杂结构，而可以 用光源能量供给电路9向光源13直接供电，因而简化了现有技术ZL03109720. 0《阵列式绝 对编码器》中转角信号源照明装置的结构。由于现实中不存在点光源，因此光源13的发光面不是无限小，而光束ρ也不是理想的准直光束而是发散光束。这就是说投影亮线d的宽度必然大于狭缝4本身的宽度，狭 缝4距离探测器11的距离s越大，d的宽度也增加得越大，这会降低编码器的分辨率。但距 离s也不能太小，否则会造成因狭缝4在运动中与探测器11发生刮蹭而损坏编码器。由此 可见，本发明第二种实施方式的结构，虽然比起第一种实施方式略为简单，但投影亮线d有 散射现象，不如第一种实施方式的象质好，只能用于中等精度的编码器产品。图8是采用光导纤维照明的第三种实施方式的结构原理图。图中编码器主轴1，壳 体2，圆环形阵列式探测器11，基片12的作用与图5的内容相同。在第三种实施方式中，光 学系统16主要由由聚光镜28和光导纤维29组成。光源13位于编码器主轴1的旋转轴延 长线上，并固定在壳体2上不动。聚光镜28，光导纤维29和狭缝4固定在编码器主轴1上， 并随编码器主轴1旋转。聚光镜28的光轴与编码器主轴1的旋转轴重合。聚光镜28将从 光源13辐射出的光能量聚焦后，注入位于编码器主轴1的旋转轴上的光导纤维29的输入 端，并通过光导纤维29的传输，从距离编码器主轴1的旋转轴等于R的输出端出射。光导 纤维29的输出端作为二次光源照射狭缝4，并把狭缝4投影到圆环形探测器阵列11中的光 敏单元的表面形成亮线d，使得所述的光敏单元有感应信号输出。在第三种实施方式中，虽 然光导纤维29的出口端是和狭缝4 一起旋转的，但入口端(虽然也在转动)的位置，却始 终保持在编码器主轴1的旋转轴上，能够不间断地接受来自固定的光源13的照明。而光源 13既然固定，就能通过光源能量供给电路9直接供电，而不需要采用复杂的导电滑环组和 旋转电刷一类的结构供电。因而本发明的第三种实施方式，简化了现有技术ZL03109720.0 《阵列式绝对编码器》中转角信号源装置的结构。应当指出，光导纤维照明的方法虽然结构 非常简单，但因光导纤维29的出口端距离狭缝4太近，导致投影亮线d因散射现象而边缘 更加模糊，影响分辨率的提高，只宜用于低精度的编码器产品。相对于本发明第二和第三种实施方式中，采用投影方法形成亮线d的效果而言， 本发明第一种实施方式中，采用光学显微镜成像的正规方法，可以产生高清晰和超精细的 亮线d。经显微物镜25完美成像的亮线d，能完全与探测器11光敏单元的敏感表面重合， 不会引起亮线d宽度的任何增加。显微物镜25与探测器11之间的间隙s也可以扩大，以 避免编码器内部发生刮蹭的可能。因此第一种实施方式虽然较为复杂，但更适合于高分辨 率的精密编码器使用。应当指出，本发明第一种实施方式和第二种实施方式中采用的反射棱镜方案和反 射镜方案之间可以互相调换而效果不变。还应当指出，由于在本发明的第一，第二和第三种实施方式中，场镜23，准直透镜 20和聚光镜28的光轴都与编码器主轴1的旋转轴重合，可见场镜23，准直透镜20和聚光镜 28，对编码器主轴1的旋转轴都具有旋转对称性。因此场镜23，准直透镜20和聚光镜28， 可以不固定在编码器主轴1上，不跟随编码器主轴1旋转而固定不动。
权利要求
一种用于阵列式光电轴角编码器的转角信号源装置，该装置主要由光学系统(16)，狭缝(4)和光源(13)组成；光学系统(16)用于导引从光源(13)辐射出的光能量，使之照射狭缝(4)，并将狭缝(4)成象到圆环形探测器阵列(11)中的光敏单元的表面形成亮线d，使得该光敏单元有感应信号输出；其特征在于光源(13)固定不动，并被安装在编码器主轴(1)的旋转轴延长线上；光学系统(16)和狭缝(4)固定在编码器主轴(1)上，并跟随编码器主轴(1)旋转；光学系统(16)的光能量输入端，位于编码器主轴(1)的旋转轴上，光学系统(16)的光能量输出端，与编码器主轴(1)的旋转轴的距离，等于圆环形探测器阵列(11)的半径R。
2.根据权利要求1中所述的阵列式光电轴角编码器的转角信号源装置，其特征在于 所述光学系统(16)主要由场镜(23)，反射棱镜(24)和显微物镜(25)组成；场镜(23)，反 射棱镜(24)，显微物镜(25)和狭缝(4)固定在编码器主轴(1)上，并跟随编码器主轴(1) 旋转；场镜(23)的光轴与编码器主轴(1)的旋转轴重合；场镜(23)的光轴与显微物镜(25) 的光轴间的距离，等于圆环形探测器阵列(11)的半径R ；狭缝(4)经过光源(13)和场镜 (23)的照射后，由显微物镜(25)聚焦成像在圆环形探测器阵列(11)中的光敏单元的表面 形成亮线d，使得该光敏单元有感应信号输出。
3.根据权利要求1中所述的阵列式光电轴角编码器的转角信号源装置，其特征在于 所述光学系统(16)主要由准直透镜(20)，反射镜(26)和反射镜(27)组成；准直透镜(20)， 反射镜(26)，反射镜(27)和狭缝(4)固定在编码器主轴(1)上，并跟随编码器主轴(1)旋 转；准直透镜(20)的光轴与编码器主轴(1)的旋转轴重合，准直透镜(20)的焦点与光源 (13)重合，从光源(13)辐射出的光能量，经过准直透镜(20)后变成平行光束ρ照射到狭缝 (4)上，然后透过狭缝(4)投影到圆环形探测器阵列(11)中的光敏单元的表面形成亮线d， 使得该光敏单元有感应信号输出；反射镜(26)与反射镜(27)间的折转距离，等于圆环形探 测器阵列(11)的半径R。
4.根据权利要求1中所述的阵列式光电轴角编码器的转角信号源装置，其特征在于 所述光学系统(16)主要由聚光镜(28)和光导纤维(29)组成；聚光镜(28)，光导纤维(29) 和狭缝(4)固定在编码器主轴(1)上，并跟随编码器主轴(1)旋转；聚光镜(28)将从光源 (13)辐射出的光能量聚焦后，注入位于编码器主轴(1)的旋转轴上的光导纤维(29)的输入 端，并通过光导纤维(29)的传输，从距离编码器主轴(1)的旋转轴，等于圆环形探测器阵列 (11)的半径R的输出端出射；光导纤维(29)的输出端作为二次光源照射狭缝(4)，并把狭 缝(4)投影到圆环形探测器阵列(11)中的光敏单元的表面形成形成亮线d，使得该光敏单 元有感应信号输出。
5.根据权利要求1和权利要求2中所述的阵列式光电轴角编码器的转角信号源装置， 其特征在于所述光学系统(16)中的棱镜(24)用反射镜(26)和反射镜(27)代替。
6.根据权利要求1和权利要求3中所述的阵列式光电轴角编码器的转角信号源装置， 其特征在于所述光学系统(16)中的反射镜(26)和反射镜(27)用棱镜(24)代替。
7.根据权利要求1和权利要求2中所述的阵列式光电轴角编码器的转角信号源装置， 其特征在于场镜(23)不固定在编码器主轴(1)上，场镜(23)不跟随编码器主轴(1)旋转 而是固定不动。
8.根据权利要求1和权利要求3中所述的阵列式光电轴角编码器的转角信号源装置，其特征在于准直透镜(20)不固定在编码器主轴(1)上，准直透镜(20)不跟随编码器主轴 (1)旋转而是固定不动。
9.根据权利要求1和权利要求4中所述的阵列式光电轴角编码器的转角信号源装置， 其特征在于聚光镜(28)不固定在编码器主轴(1)上，聚光镜(28)不跟随编码器主轴(1) 旋转而是固定不动。
全文摘要
一种阵列式光电轴角编码器的转角信号源装置，主要由光学系统16，狭缝4和光源13组成。光源13固定不动，并安装在编码器主轴1的旋转轴延长线上。从光源13辐射的光能量沿编码器主轴1的旋转轴方向进入光学系统16，在照射狭缝4后，将狭缝4成象到圆环形探测器阵列11中的光敏单元的表面，使得该光敏单元有感应信号输出。由于将现有技术中旋转运动的光源13改成了固定的光源13，因此显著简化了转角信号源装置的结构。
文档编号G01B11/26GK101995232SQ20091016272
公开日2011年3月30日 申请日期2009年8月12日 优先权日2009年8月12日
发明者伍少昊, 赖文彦 申请人:伍少昊