对偏移具有低灵敏度的光学位移传感装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于测定衍射标度光栅相对位移的光位移传感装置，该光栅可以具有小于传感装置光波长的光栅间距。该传感装置包括分光束输入部分用于沿各自光路输入两条分光束，和光路引导部件用于沿会聚光路引导两条分光束至标度光栅上的第一区而沿发散光路产生两条衍射光束。该传感装置进一步包括后向反射部件用于接收两条发散衍射光束并沿光路后向反射它们，该光路向标度光栅上的第二区会聚，从而产生两条后衍射光束，然后将这两条后衍射光束引导至共享区。可安置后向反射器以消除跨接光束并不需要偏光器。光检测器检测至少一个产生于共享区的发光特性，因而检测到标度光栅沿测量轴的位移。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种传感装置，尤其是一种光学位移传感装置，该装置利用光束干扰对衍射光栅的相对位移进行检测，其对偏移具有低灵敏度。
技术介绍
本文中描述了一种光学位移传感装置或一种光学编码器，其能够克服在高精确度测量中此种类型装置的设计者们所面临的几个最重要的问题。如果一光学位移传感装置对光栅表面位移进行高精确度的测量(例如亚微米的分辨率及精确度)，则该传感装置必须能够在非常高的精确度水平上有效地消除或减弱上述测量中所出现的任何失真。现有的光学位移传感装置在所需的精确度和分辨率水平上，不能经济实用地从测量中消除或显著地降低某些失真或参数漂移所引起的不良效果。在使用这些装置中经常遇到的问题源自于测量时所用光源的波长发生改变，如所伴随的衍射角度改变、光路改变、以及具有不同长度的两条光路上所发生的波长改变，这影响了它们的相位和干涉图形。另一个问题与非常小的光栅周期有关。为了达到高的测量分辨率，最好使用具有尽可能小的光栅周期(d)的标度光栅。根据公式d＞λ/2，通过光源的波长λ确定d的下限。然而，除非采用专门的设计，否则使用如此短的光栅周期的编码器很难达到足够的横向偏移精度，同时还需要昂贵的设备，或在安装过程中需要花费大量的时间和精力。横向偏移是指光学读数头相对于光栅，在与光栅平行的平面上所发生的旋转。如果产生横向偏移，源于标度的所需输出光束相互之间将不再平行并产生相关的“失真”干涉条纹。与干涉光束照射的检测器区域的直径相比，如果该失真干涉条纹周期较小，那么由于光栅的旋转而对信号进行的必需的调制将会显著地减弱，这是因为某些失真干涉条纹周期将落在检测器区域内并且检测器信号将趋向于这些失真干涉条纹的恒定平均强度。当使用那些用于实际应用的光学检测器以及接近于前述的λ/2限值的光栅周期时，为了避免上述效应，在没有采用专门设计的情况下，横向偏移必须小于约0.1毫弧度。上述在校准方面的要求，对于许多使用者和应用来说是不实际的。众所周知，为了克服上述横向偏移的问题，可以在光学编码器的光路上并入后向反射器，如Dieter的美国专利5079418和Nishimura的美国专利4930895中所描述的，这些专利申请为本文的参考文献。然而，这些后向反射器的设置并没有同时考虑到光学读数头简洁而经济的设计和包装当光栅周期大于或小于光源波长时，上述装置是否可用；以及对于不同参数漂移测量的不敏感——包括横向偏移之外的偏移。为了达到目前所需的测量分辨率和精确度，必须同时考虑上述这些设计因素并选择适当的折衷方法。特别是在光学位移传感装置中，包括动态位置偏移的参数漂移是重要的误差来源。本文中，术语“动态偏移或漂移“是指不论何种原因，某一校准成分或参数在一个位移位置和另一个位移位置之间发生的变化，或者在某一时间间隔内，某一校准成分或参数在同一位移位置上发生的变化。那些可能会在实际应用中产生的动态位置偏移和漂移的范围是指，读数头和光栅之间的间隙变化、间距间距(pitch)(围绕一个与光栅平行但垂直于测量轴的轴旋转)、横向偏移(围绕测量轴的平行轴进行旋转)，转动(围绕与测量轴平行的轴旋转)以及光源波长发生的漂移。本文中所引用的Ishizuka的美国专利申请5146085，以及上述提及的美国专利申请4930895中均披露了对与间距(pitch)有关的误差不敏感的光学读数头结构。然而，当考虑到后向反射器以及同时考虑上面述及的其他各种设计因素时，这些结构就不具备多种功能，而且不够坚固。因此，在设计和应用具有高分辨率的编码器的过程中，与读数头和光栅之间的相对间距(pitch)偏移有关的误差灵敏度问题是最难降低的误差来源。而且，专利申请US5146085和US4930895中的构造会引入新的问题，该问题是由于将某一光束反射至产生该光束的光源中所引起的，其可以导致光源波长的不稳定。而且，这些装置中需要偏振器，其减弱了光学检测器中可利用的光，因此可能会限制或不允许某些检测器使用上述结构，和/或对系统动力提出更高的要求，从而使这些结构在某些应用中会较为复杂，或限制这些结构在某些应用中的使用。本专利技术的目的是提供光学读数头装置，它们适合于简洁、经济的设计和包装，在光栅周期大于或小于光源波长的情况下也同样适用，同时，对多种参数漂移(至少包括动态横向偏移和间距(pitch)偏移)基本上是不敏感的。某些装置还避免或限制了光检测器所用光的减弱，和/或避免了将光束反射至光源中。专利技术概述本专利技术提供一种光学位移传感装置或光学编码器读数头，用于确定沿测量轴某一衍射光栅标度所发生的相对位移。光栅可以是反射性的，光栅间距可以小于编码器读数头的光波长。在一个实施例中，该传感装置包括一分裂光束输入部分，其用于输入两束分裂光束，这两束光束沿着各自的光路传播；光束导向元件，其引导上述两束分裂光束沿着各自的会聚光路至标度光栅的第一区域，从而产生两个衍射光束，这两个衍射光束沿着各自的光路分开进入两个后向反射器元件中，这两个后向反射器元件接收上述两个衍射光束并将它们后向反射成两个单独的后向反射光束沿着会聚光路至标度光栅的第二区域，从而产生两个随后的衍射光束，然后这两个随后产生的衍射光束被引向一共享区域；和光学检测器。该光学检波器检测出至少一个来自于上述共享区域的照明特性，从而检测出该光栅标度沿着测量轴所发生的相对位移。按照本专利技术的一个方面，通过将两束分裂光束沿着各自的会聚光路导向至标度光栅上的第一密集区域可减小该装置对动态间距(pitch)偏移的灵敏度。按照本专利技术的另一个方面，通过将两束衍射光束沿着各自的会聚光路回射至标度光栅上的第二区域，基本上消除了该装置的动态横向偏移灵敏度，同时进一步减小了该装置对动态间距(pitch)偏移的灵敏度。按照本专利技术的另一个方面，该传感器装置可以与两个不同的斜面对准，这两个斜面之间相互倾斜并且平行于测量轴。不同的倾斜结构可以防止不同光束之间产生不需要的混合，同时更有利于对该装置进行简单的设计和包装。按照本专利技术的另一个方面，在一个实施例中，上述两个分离的光束沿着各自的光路会聚在一起到达标度光栅上的第一区域，相对于后向反射器所接收的光束对后向反射器进行定位，从而使回射出的两束光束沿着各自的会聚光路进行返回，直至到达一假想的平面，该平面平行并邻近于标度光栅上的第二区域，然后这两个光束在剩余的一小段距离上分开到标度光栅上的第二区域。该装置在标度光栅上具有光程长度和光点，从而进一步减少了装置对动态间距(pitch)偏移的灵敏度，同时有利于对该装置进行简单的设计和包装。按照本专利技术的另一个方面，在一实施例中，上述两个分裂光束沿着各自的光路会聚至一假想平面，该平面平行并邻近于标度光栅上的第一区域，然后在剩余的一小段距离上分开到标度光栅上的第一区域，并且相对于后向反射器所接收的光束对后向反射器进行定位，从而使两回射光束沿着各自的会聚光路到达标度光栅上的第二区域。该装置在标度光栅上具有光程长度和光点，从而进一步减少了装置对动态间距(pitch)偏移的灵敏度，同时有利于对该装置进行简单的设计和包装。按照本专利技术的另一个方面，分开进入两个后向反射器部件的光路各自接收一衍射光束，这两个衍射光束分别仅仅来源于两分裂光束中的一个，从而避免了在编码器读数头上安装偏振器。按照本专利技术的另一个方面，本文档来自技高网...

【技术保护点】
本专利技术在其中要求保护专有特性或权利的实施例如下限定： 一种用于测定标度沿测量的轴相对位移的装置，该标度具有沿测量轴形成的光栅，该装置包括： 分光束输入部分； 两个或更多的光束引导部件； 两个或更多的后向反射部件；和 光学检测器； 其中： 安置分光束输入部分，以沿各自光路输入两束分光束； 安置两个或更多光束引导部件，以沿它们各自的光路接收两束分光束，并沿各自的会聚光路引导两条分光束至标度光栅上的第一区，两条分光束从第一区沿各自光路产生两条衍射光束，该衍射光束发散进入两个或更多的后向反射器部件； 安置两个或更多的后向反射部件，以接收来自第一区的两束衍射光束，并沿各自会聚光路将两束后向反射光束后向反射至标度光栅上的第二区；以及 两束后向反射光束沿各自光路从第二区产生两条后衍射光束，该光路发散而被各自的光束引导部件接收并引导进入共享区；以及 光检测器检测至少一个产生于共享区的发光特性，该检测到的至少一个发光特性可用于确定标度的相对位移。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：KG马斯雷列兹，BK琼斯，KW阿瑟顿，
申请(专利权)人：株式会社三丰，
类型：发明
国别省市：JP[日本]