定光栅和光电编码器的制作方法

1.本发明涉及光电技术领域，更具体地涉及一种定光栅和光电编码器。


背景技术：

2.光电编码器是一种集光学、机械、电气于一体的测角设备,通过机械结构和信号处理电路将光学信号转换成电信号,从而实现对角位移、速度和位置等多种物理量的直接或间接测量。
3.在绝对式光电编码器中，通过动光栅的绝对编码可实现一圈内每一个角度的编码都是唯一的。为了同时满足高分辨率及尺寸小的要求，须通过电子细分的方式对信号进行处理。而电子细分中需要用到的源信号是电子细分的基石。源信号的产生取决于定光栅的图案设计。目前大多数定光栅的设计通过改变窗口的形状实现信号输出为类正弦，无法满足细分的高精度要求；公告号为cn106248117b的中过专利提出一种阶梯形定光栅，能够一定程度提升源信号的正弦性，但仍存在较大的谐波含量。
4.因此，需要一种能够产生正弦信号的定光栅以提高细分的精度。
5.上述在背景部分公开的信息仅用于对本发明的背景做进一步的理解，因此它可以包含对于本领域普通技术人员已知的不构成现有技术的信息。


技术实现要素：

6.本发明涉及一种定光栅和光电编码器。本发明的方案能够解决非正弦信号带来的细分精度低的问题；并且能够解决解决绝对式光电编码器的高分辨率与尺寸小两个要求同时满足困难的问题。
7.本发明的第一方面提供了一种定光栅，所述定光栅用于光电编码器，其特征在于：所述定光栅包括：依次排布的多个绝对码道和位于光学中心两侧的至少一个正弦码道；其中，所述绝对码道的数量n和所述正弦码道的刻线数量的关系为n＝2n。其中，刻线数量是指与该刻线对应的动光栅的刻线数量；其中刻线数表示信号的周期数。
8.根据本发明的一个实施例，其中，所述正弦码道为多个，所述多个正弦码道在相位上依次错开90度。
9.根据本发明的一个实施例，其中，所述绝对码道用于产生对应唯一的位置信息的单圈的绝对编码，以及其中，所述正弦码道还用于产生正弦信号，在所述每个单圈的绝对编码中对应一个周期的正弦信号，其中一个周期的正弦信号为正弦信号的一个周期。
10.根据本发明的一个实施例，其中，采用渐变色的镀膜来改变正弦码道的透光率。
11.根据本发明的一个实施例，其中，当所述光电编码器的动光栅移动时，通过所述正弦码道输出的光电流为：i(δx)＝p*i*s(δx)，
12.其中，p为光源的光强，s为正弦码道的透光面积，δx为动光栅相对于定光栅的移动变量；i为正弦码道的透光率
13.根据本发明的一个实施例，其中，所述定光栅的材质为光学玻璃，所述光学玻璃为
所述正弦码道和绝对码道刻线的载体。
14.根据本发明的一个实施例，其中所述刻线为在所述光学玻璃上开的窗口。
15.根据本发明的一个实施例，其中，通过对多个正弦码道透光面积变化的正弦函数进插值运算来提高所述光电编码器的分辨率。
16.根据本发明的一个实施例，其中，所述镀膜的材料根据光电编码器中光源发出光线的波长来选择。
17.本发明的第二方面提供了一种光电编码器，包括：根据上所述的定光栅，动光栅、感光单元、光源、信号处理单元，其中，所述动光栅通过轴承固定在轴上可随轴旋转，所述定光栅位于感光单元的表面，所述感光单元与所述信号处理单元相耦接。
18.根据本发明的方案，能够产生高质量正弦信号的波形，保证用于电子细分的源信号的正弦性，提高电子细分的精度，解决绝对式光电编码器同时满足高分辨率及尺寸小的难题。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图进行简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1是本发明的示例性实施例的定光栅原理示意图。
21.图2是根据本发明的示例性实施例的正弦码道透光率示意图。
22.图3是根据本发明示例性实施例的单圈编码的示意图。
23.图4是据本发明的示例性实施例的光电编码器结构图。
具体实施例
24.如在本文中所使用的，词语“第一”、“第二”等可以用于描述本发明的示例性实施例中的元件。这些词语只用于区分一个元件与另一元件，并且对应元件的固有特征或顺序等不受该词语的限制。除非另有定义，本文中使用的所有术语(包括技术或科学术语)具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的含意相同的含意。如在常用词典中定义的那些术语被解释为具有与相关技术领域中的上下文含意相同的含意，而不被解释为具有理想或过于正式的含意，除非在本发明中被明确定义为具有这样的含意。
25.本领域的技术人员将理解的是，本文中描述的且在附图中说明的本发明的装置和方法是非限制性的示例性实施例，并且本发明的范围仅由权利要求书限定。结合一个示例性实施例所说明或描述的特征可与其他实施例的特征组合。这种修改和变化包括在本发明的范围内。
26.下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施例。在附图中，省略相关已知功能或配置的详细描述，以避免不必要地遮蔽本发明的技术要点。另外，通篇描述中，相同的附图标记始终指代相同的电路、模块或单元，并且为了简洁，省略对相同电路、模块或单元的重复描述。
27.本发明提出了一种用于光电编码器的定光栅，定光栅包括依次排布的多个绝对码道和位于光学中心两侧的至少一个正弦码道。定光栅绝对码道和正弦码道码道为光学玻璃
中的透光部分。绝对码道的数量n和所述正弦码道的刻线数量的关系为n＝2n。定光栅的其他部分不透光，通过在定光栅上设置正弦码道，使得正弦的透光面积随着动光栅的转动成三角函数正半周期变化，这样就使得光电转换后的电信号也成相应的三角函数正半周期变化，由于三角函数都可以由正弦函数变化而来，具有正弦性，利用具有正弦特性的电信号作为电子细分的源信号，有效提高了光电编码器的电子细分精度，进而提高了光电编码器的精度。
28.图1是本发明的示例性实施例的定光栅原理示意图。
29.如图1所示，定光栅由绝对码道1、绝对码道2、绝对码道3、绝对码道4、绝对码道5、绝对码道6、绝对码道7、绝对码道8、及正弦码道组成。其中绝对码道1～8用于产生单圈的绝对编码，每一个单圈的绝对编码对应唯一的位置信息；而正弦码道用于产生正弦信号，在每个单圈的绝对编码里对应一个周期的正弦信号。由于有定光栅和动光栅，因此绝对码道和正弦码道是成对出现的，分别位于定光栅和动光栅上。
30.根据本发明的一个或多个实施例，绝对码道根据需要依次排布，无限定要求；绝对码道的个数n与正弦码道的个数无直接关系，与正弦码道的刻线数n的关系为n＝2n；如果正弦码道有多个，正弦码道在相位上依次错开90
°
，位于光学中心两侧。例如：正弦码道分为4部分，标号分别为1、2、3、4，是这4个部分依相位错开90
°
，例如各正弦码道的对应的相位为：1为sin，2为-cos，3为cos，4为-sin。
31.如图1所示，绝对码道1-8在定光栅的纵向方向上交错地设置。这样，可避免各个绝对码道之间的相互影响，使各绝对码道分散排列在定光栅几何中心的两侧，而不是集中排列在一条线上。根据本发明的一个或多个实施例，图1仅仅示出了绝对码道为8的情形，根据光电编码器的需要，绝对码道和正弦码道的数量可以为多个。
32.根据本发明的所述正弦码道所产生的正弦信号是电子细分的基石，通过内插方法或插值运算(通常为反正切)对所述正弦信号进行处理，以达到提高编码器分辨率的目的。通过增加正弦码道，得到一个和原正弦码道透光面积变化三角函数有着预设相位差的三角函数(例如90度)，通过两个三角函数进行插值运算，运算结果更精确。根据本发明的一个或多个实施例，本发明利用正弦码道得到理想的正弦和余弦信号，通过三角函数插值运算，可以提升细分精度。
33.在图1中，a是定光栅局部放大的标示符号，根据本发明的一个或多个实施例，例如，当a为100时，100:1是放大100倍的效果图。
34.图2是根据本发明的示例性实施例的正弦码道透光率示意图。
35.如图2所示，所述正弦码道采用渐变色镀膜，以改变正弦码道窗口的透光率，其透光率i(纵轴)与窗口宽度x(横轴)的关系如图2所示，透光率相对窗口宽度成正弦变化；由于光电编码器光线为准直光，光强为恒定值p，因此编码器的动光栅移动时，输出光电流可通过如下公式计算：
36.i(δx)＝p*i*s(δx)
37.其中s为透光面积，δx为动光栅相对于定光栅的移动变量；另外由于透光率i为正弦函数，因此输出光电流i为正弦信号，由于渐变色镀膜可以实现透光率连续变化，不会产生离散误差，保证了用于电子细分的源信号的正弦性，提高了细分精度。镀膜材料可以包括氧化铝、二氧化铪和氟化铝的任一种。
38.根据本发的一个或多个实施例，定光栅材质为光学玻璃，是各正弦码道和绝对码道刻线的载体,光栅上的窗口为刻线。
39.图3是根据本发明示例性实施例的单圈编码的示意图。
40.如图3所示，光源通过光电编码器的狭缝盘，即动光栅和定光栅组成的狭缝盘，通过光电检测器进行加检测后得到的三位编码示意图，通过光电编码器可以得到：000、001、011，010,100,101,110,111这8个绝对码值。
41.图4是据本发明的示例性实施例的光电编码器结构图。
42.如图4所示，结构件包括轴、支架、轴承；动光栅固定在轴上，随轴旋转；led(光源)固定在支架上，定光栅位于感光单元表面；感光单元焊接在pcb上，pcb包含信号处理电路，固定在支架上。
43.根据本发明的一个或多个实施例，本发明的光电编码器包括：图1所示的定光栅，动光栅、感光单元、光源、信号处理单元，和包括轴、支架、轴承的结构件，其中，所述动光栅固定在轴上并随轴旋转，所述定光栅位于感光单元的表面，所述感光单元与所述信号处理单元相耦接，所述信号处理单元固定在支架上。
44.本发明提供了一种产生正弦信号的定光栅，其正弦码道窗口采用渐变色镀膜，以改变光线的透光率成正弦分布，保证用于电子细分的源信号的正弦性，提高细分精度，解决绝对式光电编码器的高分辨率及尺寸小的难题。
45.作为本发明示例的上文涉及的附图和本发明的详细描述，用于解释本发明，但不限制权利要求中描述的本发明的含义或范围。因此，本领域技术人员可以很容易地从上面的描述中实现修改。此外，本领域技术人员可以删除一些本文描述的组成元件而不使性能劣化，或者可以添加其它的组成元件以提高性能。此外，本领域技术人员可以根据工艺或设备的环境来改变本文描述的方法的步骤的顺序。因此，本发明的范围不应该由上文描述的实施例来确定，而是由权利要求及其等同形式来确定。
46.尽管本发明结合目前被认为是可实现的实施例已经进行了描述，但是应当理解本发明并不限于所公开的实施例，而相反的，意在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同配置。