本发明专利技术公开了披露一种２Ｄ纤维光学编码器读头，具有多个读头件用于检测一标度光栅的二维位移。读头件检测通道是纤维光学检测通道，具有相应的相位光栅掩模。至少两个相位光栅掩模具有不同的取向，以便便于在至少两个不同的方向上检测位移。各２Ｄ纤维光学编码器读头件设计得可测得自标度光栅上相应图形的自映象图形的位移。自映象图形为在至少两个不同的方向上检测位移创造了条件。在不同的示范性实施例中，纤维光学读头件是按照确保某种强大信噪比的不同设计关系予以制作的。因此，可以达到高水平的位移信号插值。此２Ｄ纤维光学编码器读头件以特别精确和经济的方式组装起来并可以设置在尺寸在１－２毫米量级上的一个封装之中，产生一非常小的总体读头尺寸，这取决于装入的读头件的数量。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术一般地涉及一种位移检测光学编码器，而更为具体地涉及一种光学编码器，利用光纤作为接收元件以提供一超紧凑的二维位置测量系统。
技术介绍
用于检测一维(1D)线性、旋转或角度运动的各种移动或位置编码器当前是可以获得的。这些编码器一般基于或是光学系统、磁性标度盘、电感变换器，或是电容变换器。某些编码器被设计成用于作出相对测量。在这种相对位移或位置编码器中，测定一般是通过检测相对于一参照位置的标度位置的相对变化而作出的，这就要求进行对标度图形中的变化的检测，以致可以数出此图形的多次重复。这种类型的位置测定可以称作是增量位移测定或增量位置检测或测定。
技术介绍
对于光学编码器来说，许多1D增量位置系统已经研制出来。一种比大多数先前的系统利用较少零部件的新近系统被示出在Eselun的美国专利第5909283号之中。在283专利中所述的这一系统具有一光栅标度盘和包括一点光源(读头中的激光二极管)的读头，一Ronehi光栅或全息器件，以及一光电检测器阵列。一如所述，此点光源导致具有等于标度盘间隔的许多干涉条纹。干涉条纹光线通过Ronchi光栅或全息器件被传送到光电检测器阵列。光电检测器阵列被配置得可从被传送的条纹光线得到四条通道的正交相移信号。说明在′283专利之中的系统的一项缺点是，所得出的编码器具有的尺寸对于许多应用来说是较大的或禁止的，而另一项缺点是，此系统一般只提供在一维上的测定。另外，在具有采用电子光检测器的光学读头的某些现代运动控制系统中，一如′283专利中所述，检测出来并经过相对很长的导线长度被传送的高频测量信号的衰减将成为一种限制因素。另一类型的相对位置光学编码器被披露在Tokunaga的美国专利第4733071号之中。在′071专利之中说明的系统具有一编码构件标度盘，以及一光学传感头，包括一光纤顶端光线发射器和两个沿着编码构件测量轴线紧密配置的光纤顶端接受器。光学传感器端头被转动(被偏转)以调节两个光纤顶端接受器之间的相位差。不过，所得的编码器的精确度是比较欠缺的，而且此系统一般又是仅仅提供了在一维上的测定。某种这些类型的编码器被设计得用于进行二维(2D)增量位置测定。在Masreliez的美国专利第5104225号之中披露了一种2D增量位置编码器，采用一2D光栅标度盘并且在一2D平面上一任意位置处提供高分辨率和高精度。不过，披露在′225专利中的读头是相对大的、复杂和昂贵的。而且，披露在′225专利中的读头经受着′283专利所述的、同样的普通电子信号衰减的限制。2D绝对位置测定系统也是为人所知的。比如，2D条形码编码系统已经适用于某些低分辨率的绝对2D位置测量应用。不过，这种2D条形码系统的“信息存储”结构一般不能很好地适合于作为用于高分辨率位置确定的2D标度盘。其次，适于这种2D条形码系统的读头也是相对较大、复杂和昂贵的。其次，对比于许多现代运动控制系统所要求的速度使用这些装置的电子信号处理，严重地限制了这些装置能够追踪的高速运动的可允许速率。一种可以单独或结合起来克服前述各种问题和局限的2D位置检测装置，是所希望的。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种编码器，其克服了前述和其他的缺点。更为具体地，本专利技术致力于一种光学编码器，可在二维上提供很高分辨率的测量并具有极小的尺寸，另外还具有一些其他预期特性。披露了一种用于在二维上检测一标度盘位移的、带有多个读头件的2D纤维光学编码器读头。在一实施例中，标度盘可以包括一多个反射部分的2D光栅图形(grating patern)。每一读头件沿着一相应的方向检测标度盘的2D光栅图形的位移。各读头件包括一光源用于向标度盘传送光线，以及位于每一读头件之内的各检测通道用于从标度盘接收光线。按照本专利技术的一个方面，编码器读头件的各检测通道是纤维光学检测通道。如前面所概括指出的，除了先前公开的′283专利只致力于一种单维测定系统这一事实之外，诸如披露在′283专利之中的电子读头接收器(光检测器)，在转换与高速标度盘运动相关联的高频检测信号和在没有显著的信号损失或干扰的情况下将这些信号传送通过长电缆时，遭受各种局限性。此外，电子光检测器和相关电路连接促成了对于许多潜在的编码器应用来说太大的读头，特别是在一单一读头中采用多个读头件的场合下。应该认识到，本专利技术的纤维光学检测通道克服了这些局限性。按照本专利技术的另一方面，2D纤维光纤编码器读头利用各读头件在二维中检测2D光栅标度盘的位移，每个读头件具有多条纤维光学检测通道，后者具有相应的相位光栅掩模。根据相关联的读头件为之检测位移的相应方向，至少两个读头件的相应相位光栅掩模相对于彼此以及相对于2D标度光栅具有不同的取向。除了先前所述的′071专利只是致力于一种1D测定系统这一事实之外，诸如披露在′071专利之中的那些光纤端部接受器，如果它们具有很大的直径，则对于精细的相位信号辨识而言具有不充足的空间分辨，如果它们具有很小的直径，又收集太少的光线而不能提供良好的信号。因而，它们的精确度是有限的。应该认识到，本专利技术的纤维光学检测通道克服了这些和其他局限以提供高精确度。按照本专利技术的另一方面，由各读头件的多条纤维光学检测通道检测的各2D光栅标度映象都是自映象，也由其它诸如Talbot映象这样的其他名称而为人所知，它们保证了相对稳定的调准允差以及高分辨率和确度。按照本专利技术的另一方面，2D纤维光学编码器读头是按照基于各纤维光学检测通道的输入孔尺寸的设计关系而构造的，以确保信号可靠和精确度提高。按照本专利技术的另一方面，读头件的纤维光学检测通道配置成均衡对，以提高精确度。按照本专利技术的又一方面，每一读头件之内的纤维光学检测通道的3个均衡对以一种提高精确度的方法作信号处理。按照本专利技术的另一方面，用于每一读头件的光源由一光纤提供，以形成一种全光学读头，除去了与编码器读头中电子信号以及电子组件相关联的所有局限性和成本。按照本专利技术的另一方面，2D纤维光学编码器的各种光纤是从多种类型中选定的，以使编码器的测量精确度相对地不受纤维光学读头光缆的弯曲的影响。按照本专利技术的另一方面，2D纤维光学编码器读头的各种实施例是以特别经济、精确和紧凑的方式构成的。按照本专利技术的另一方面，2D纤维光学编码器读头被构造成使得它可以被插入到一标准市场上可买到的纤维光学连接器结构中。按照本专利技术的另一方面，一光线导向器件被设置用来用于偏转读头件基本读头元件与标度盘之间的读头光线路径，使得读头相对于标度盘的可运作安装取向得以改变。按照本专利技术的另一方面，在一实施例中，采用了一远控连接盒器，装有适当的电子光源和光检测器，它们连接于来往于符合本专利技术的一或多个纤维光学读头件的纤维光学元件，并把接收到的光学信号转换成一种适合进一步进行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2D光学位移检测装置的缺点并利用一系统提供许多新的应用可能性，该系统能够实现以极高速度在两维上进行测量并且是超紧凑、高度精确和经济的系统。附图说明本专利技术的前述各方面和许多相伴的优点，随着参照结合附图所作的以下详细说明而更好地认识，将会变得更加易于理解，其中图1是符合本专利技术的一种2D纤维光学读头装置第一类实施例的轴测视图；图2是图1 2D纤维光学读头装置的、由2D标度图形(scale pattern)产生的一个本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种２Ｄ测量装置，用于测量两个构件之间的相对位置，此装置包括：一２Ｄ标度盘，具有一沿着第一和第二测量轴线方向延伸的２Ｄ标度光栅，２Ｄ标度光栅包括一２Ｄ光栅图形，按照相应的第一和第二光栅间距沿着第一和第二标度光栅方向是周期性的；以及 一读头，包括至少第一和第二自映象读头件，各自用以提供可运作的２Ｄ标度光栅的自映象，每一相应的自映象读头件对应于第一和第二标度光栅方向之一，而每一相应的自映象读头件包括：一光源部分，包括至少一个相应的光源器件；以及多个纤 维光学接收通道，每一相应的纤维光学接收通道包括：一相应的接收通道空间相位掩模部分，具有一相应的掩模部分空间相位且其各阻光元件以用以沿着相应的标度光栅方向对２Ｄ标度光栅的可运作自映象作空间滤波的相应间距配置，且基本上位于用以对２Ｄ标度 光栅的可运作自映象作空间滤波的相应空间相位掩模平面上；以及至少一条相应的接收通道光纤，其具有一接收相应的接收通道光学信号光线的输入端；其中：对于每一相应的接收通道，由所述至少一条相应接收通道光纤接收的相应的接收通道光 学信号光线，包括通过相应的接收通道空间相位掩模部分收在一相应的光线收集区域上集到的光学信号光线，所述区域沿着相应标度光栅方向具有的光线收集区域尺寸至少是相应接收通道空间相位掩模部分的一个完整周期（ｆｕｌｌ ｐｅｒｉｏｄ）；对于每一相 应的自映象读头件：当所述读头在运作上相对于标度光栅定位时，相应自映象读头件的多个纤维光学接收通道的至少第一和第二相应通道，沿着相应空间相位掩模平面处的相应标度光栅方向，对２Ｄ标度光栅的可运作的自映象的其相应部分作空间滤波，以提供具有 至少第一和第二相应光学信号相位的至少第一和第二相应接收通道光学信号；具有相应光学信号相位的所述至少第一和第二相应接收通道光学信号沿着它们相应的光纤被输出，以提供多个相应光学输出信号形式的相对位移测量信息，相应光学输出信号在不使用电子 光检测器件的情况下产生自经过空间滤波的标度光线；以及其中，所述至少第一和第二相应接收通道光学信号用于以沿着相应的标度光栅方向确定相应自映象读头件的相应增量微子测量，而得自至少所述第一自映象读头件的增量位置测量对应于所述第一标度光栅方 向，得自至少所述第二自映象读头件的增量位相应测量对应于所述第二标度光栅方向，以及得自于所述至少第一和第二自映象读头件的增量位置...
【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，
申请(专利权)人：三丰株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]
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