使用光纤接收器通道的绝对位置小型光栅编码器读头制造技术

本发明专利技术公开了一种绝对位置光纤编码器读头，它具有多个读头部分，用于检测标尺的相应标尺光栅轨道的位移。所述读头部分的检测器通道是具有相应的相位光栅掩模的光纤检测器通道。所述光纤编码器读头部分被配置来检测所述标尺的相应标尺光栅轨道的自成像的位移。在各种示范实施例中，按照提供较高信号噪声比的各种设计关系来构造所述光纤读头部分。因此，可以实现高级的位移信号内插，以允许亚微米位移测量。可以以特别准确和经济的方式来组装所述光纤编码器读头部分，并且可以在１－２毫米级的尺寸来以组件（ｐａｃｋａｇｅ）提供所述光纤编码器读头部分，导致依赖于被并入的读头部分的数量的整体绝对读头尺寸很小。可以在所述读头中提供承载从标尺代码轨道得到的二进制光信号的光纤接收器通道，以提供扩展的绝对测量范围。

【技术实现步骤摘要】

总的来说，本专利技术涉及一种位移检测光编码器，具体地说，涉及绝对位置光编码器，它使用光纤作为接收器元件，用于提供极其紧凑的高精度绝对位置系统(absolute position system)。
技术介绍
当前可以获得用于检测线性、旋转或角运动的各种运动或位置编码器。这些编码器一般基于光系统、磁标尺(magnetic scale)、电感传感器或电容传感器。这些编码器的某些被涉及用于进行相对而不是绝对的测量。在这样的相对位置编码器中，一般通过检测标尺相对于基准位置的相对位置变化来进行测量，则需要连续检测标尺模式(scale pattern)的改变，以便可以计数所述模式的重复。所述相对测量要求在每次测量之前建立新的基准或零位置，这使得这样的器件较为不方便使用。一般，相对测量器件的标尺可以相对于彼此可以位移的速率受限于可以达到的信号处理速度。一方面，如果标尺位移太快，则会发生误计数。另一方面，提高所允许的标尺位移速度需要使用高频信号和复杂的信号处理电路，这实质性地提高了测量器件的成本。对于光编码器，已经开发了多种相对位置系统。在颁发给Eselun的美国专利第5,909,283号中公开了使用比最近的系统更少的元件的一种新系统。′283专利所述的系统具有包括点源(在读头中的激光二极管)的光栅标尺和读头、Ronchi光栅或全息元件、光检测器阵列。如其所述，点源产生具有等于标尺间隔的间隔的干涉条纹。干涉条纹光通过Ronchi光栅或全息元件被发送到光检测器阵列。所述光检测器阵列被布置成从被发送的条纹光得到四个通道的正交信号。除了是相对位置系统之外，′283专利所述的系统的另一个缺陷是所得到的编码器是尺寸相对较大或限制很多应用。在颁发给Tokunaga的美国专利第4,733,071号中公开了另一种类型的相对位置光编码器。′071专利所述的系统具有代码组成标尺(code memberscale)；光传感头，包括一个光纤尖发光器和两个光纤尖接收器，它们沿着代码组成测量轴紧密地排列。光传感器头被旋转(偏转)以调整在所述光纤尖接收器之间的相差。但是，所得到的编码器的精度较粗。
技术实现思路
本专利技术涉及提供一种编码器，它克服了前述和其他缺点。更具体而言，本专利技术涉及一种绝对位置光编码器，它具有极小尺寸，并且提供很高的精度，并且具有多种其他所期望的特性。公开一种光纤编码器读头，它具有多个读头部分，用于检测具有多个标尺光栅轨道的标尺的绝对位移。每个读头部分对应于所述标尺的各自标尺光栅轨道。读头部分包括光源，用于向所述标尺的多个标尺光栅轨道和检测器通道发光，所述检测器通道在用于从所述标尺的各自对应的标尺光栅轨道接收光的每个读头部分之内。按照本专利技术的一个方面，编码器的检测器通道是光纤检测器通道。前面公开的′283专利仅仅涉及一种相对而不是绝对位置系统，除此之外，诸如′283专利中所公开的那样的电子读头接收器的局限在于转换与高速标尺运动相关联的高频检测器信号，并且通过长电缆发送那些信号而不带来大的信号损失或干扰。另外，电子光检测器和相关联的电路连接对于对许多可能的编码器应用来说太大的读头有益，尤其是当在单个读头中使用多个读头部分(multiple readhead portions)的情况下。可以理解，本专利技术的光纤检测器通道克服了这些局限。按照本专利技术的另一个方面，绝对位置光纤编码器读头使用各自对应的读头部分来检测一个标尺的多个标尺光栅轨道的位置，每个对应的读头部分具有多个光纤检测器通道，它们具有各自的相位光栅掩模。先前讨论的′071专利仅仅涉及一种相对而不是绝对位置系统，除此之外，对诸如′071专利中公开的那些的光纤尖接收器如果它们具有大直径则具有不足的用于精细相位信号识别的空间分辨率，而如果它们具有小直径则聚集太少的光来提供良好信号。因此，它们的精度受限。可以明白，本专利技术的光纤检测器通道克服了这些和其他局限以提供高精度。按照本专利技术的另一个方面，由读头部分的多个光纤检测器通道检测的标尺光栅轨道图像是自成像，它们也被称为诸如Talbot图像之类的其他名称，它们提供了较为健壮的调整公差和高分辨率。按照本专利技术的另一个方面，按照基于光纤检测器通道的输入孔径尺寸的设计关系来构造绝对位置光纤编码器读头，以便保证较强的信号和增强的精度。按照本专利技术的一个独立方面，以平衡对来排列读头部分的光纤检测器通道，以便提供增强的精度。按照本专利技术的另一个方面，以提供增强的精度的方式来信号处理在每个读头部分内的光纤检测器通道的3个平衡对。按照本专利技术的一个独立方面，用于每个读头部分的光源被光纤提供，用于提供全光读头，它没有与在编码器读头中的电子组件和电子信号相关联的所有局限和成本。按照本专利技术的一个独立方面，从各种类型来选择绝对位置光纤编码器的各种光纤，以便编码器测量精度相对来说不受到弯曲光纤读头电缆的影响。按照本专利技术的一个独立方面，以特别经济、准确和紧凑的方式来构造绝对位置光纤编码器读头的各个实施例。按照本专利技术的一个独立方面，绝对位置光纤编码器读头被构造成使得它可以被插入标准的商用光纤连接器配置中。按照本专利技术的一个独立方面，构造了一种光纤读头来提供附加的多个光纤接收器通道，用于承载从一个或多个二进制代码轨道得到的二进制光信号。所述承载二进制光信号的光纤接收器通道在读头中与用于根据光栅轨道自成像来确定高分辨率位移的多个光纤检测器通道组合，以便提供高分辨率的绝对测量范围。按照本专利技术的一个独立方面，提供了一种光偏转元件，用于偏转在读头部分的基本读头元件和所述标尺的各个标尺轨道之间的读头光路径，以便改变读头对应于标尺的可操作安装方向。按照本专利技术的一个独立方面，在一个实施例中，使用远程接口盒，它包括适当的电光源和光检测器，它们与进出按照本专利技术的一个或多个光纤读头部分的光纤连接，所述远程接口盒将所接收的光信号转换为适合于进一步的信号处理和读头位置确定的形式。因此，本专利技术克服了现有技术的光位移检测器件的缺点，并且提供了具有绝对位置、特别紧凑、高精度、经济和高速配置的新应用可能性。附图说明通过下面参照附图详细说明，本专利技术的上述方面和许多伴随的优点将会变得更容易理解，因为它们变得更好明白，其中图1是按照本专利技术的、绝对位置光纤读头配置的第一一般实施例的等尺度视图；图2是按照本专利技术的、绝对位置光纤读头配置的第二一般实施例的等尺度视图；图3是图2的绝对位置光纤读头配置的第二一般实施例的部分放大的等尺度视图；图4示出了包括按照本专利技术的与绝对位置光纤读头配置相结合使用的远程电子接口单元的方框图；图5是按照本专利技术的、绝对位置光纤读头配置的第三一般实施例的部分放大的等尺度视图；图6是图5的绝对位置光纤读头配置的读头部分之一的光纤和掩模配置的部分放大的等尺度视图；图7是按照本专利技术的绝对位置光纤读头配置的第四一般实施例的等尺度视图；图8是示出用于大致对应于图1、2、3、5、6和7的绝对位置光纤读头部分配置的代表性的信号噪声比的图，所述代表性的信号噪声比是当光纤检测器通道的接收器孔径位于距离照明场的中心不同半径的时候对于各种接收器直径产生的；图9是包括二进制代码轨道位置的、按照本专利技术的绝对位置光纤读头部分配置的第五一般实施例的示意端视图；图10示出了与按照本专利技术的各种绝对位置光纤读头部分配置相结合使用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种绝对测量器件，用于测量在两个元件之间的相对位置，所述器件包括：标尺，至少具有沿着相应的第一和第二轨道的第一和第二标尺光栅，所述相应的第一和第二轨道沿着测量轴方向，每个标尺光栅具有相应的光栅间距；和读头，至少包括第一和第二 自成像读头部分，每个可用于提供标尺光栅的相应一个的可操作自成像，每个相应的自成像读头部分包括：光源部分，至少包括一个相应的光源元件；和多个光纤接收器通道，每个相应的光纤接收器通道包括：相应的接收器通道空间相位掩模部分 ，具有相应的掩模部分空间相位，并且具有以一个间距排列的其光阻挡元件，所述间距可操作用于空间地过滤标尺光栅的相应一个的可操作自成像，并且一般地位于相应的空间相位掩模平面上，所述相应的空间相位掩模平面可操作用于空间地过滤标尺光栅的相应一个的可操作自成像；和至少一个相应的接收器通道光纤，具有一个输入端，用于接收相应的接收器通道光信号光；其中：对于每个相应的接收器通道，由至少一个相应的接收器通道光纤接收的相应的接收器通道光信号光包括通过在相应的集光区域上的、相 应的接收器通道空间相位掩模部分收集的光，所述相应的集光区域具有沿着测量轴方向的集光区域尺寸，所述集光区域尺寸是所述相应的接收器通道空间相位掩模部分的至少一个全周期；　对于每个相应的自成像读头部分：当读头可操作地相对于标尺光栅 定位时，那个相应的自成像读头部分的多个光纤接收器通道的至少第一和第二相应通道过滤在相应的空间相位掩模平面上的标尺光栅的相应一个的可操作自成像的它们的相应部分，以提供具有至少第一和第二相应光信号相位的至少第一和第二相应接收器通道光信号；　 　具有相应的光信号相位的所述至少第一和第二相应通道光信号沿着它们相应的光纤输出，以提供多个相应光输出信号的形式的相对位移测量信息，相应的光输出信号是不使用电子光检测器元件而从空间地过滤的标尺光产生的；和　其中所述至少第一和第二相应接 收器通道光信号可用于确定对于那个相应的自成像读头部分和标尺光栅的相应一个的、相应的较精细分辨率的增量位置测量；在所述较精细分辨率的增量位置测量的至少第一对之间的至少一个第一关系具有在比与所述较精细分辨率的增量位置测量的至少第一对对应 的、相应光栅间距中的任何一个大的相应第一关系波长上的、沿着测量轴方向的每个位置上的唯一值，以便可以根据沿着测量轴方向的每个位置...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：约瑟夫D托比亚森，金W阿瑟顿，
申请(专利权)人：三丰株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]