绝对式光学编码器的刻度轨迹结构制造技术

本发明专利技术涉及一种绝对式光学编码器的刻度轨迹结构。该编码器结构包括照明部、包含绝对轨迹的绝对刻度图案和具有宽度尺寸ＹＤＥＴＡＢＳ的检测器。绝对轨迹图案包括几何全等子轨迹，并且该全等子轨迹被布置成如果全等子轨迹之一平移宽度尺寸ＹＤＥＴＡＢＳ，则这些子轨迹将标称重合。全等子轨迹可以间隔小于ＹＤＥＴＡＢＳ的尺寸ＹＣＥＮＴ，并且各自可以具有尺寸ＹＴＯＬ，使得［ＹＣＥＮＴ＋２（ＹＴＯＬ）］大于ＹＤＥＴＡＢＳ。因而，检测器可以窄于绝对轨迹图案，但由于检测器边缘各自标称位于全等子轨迹上，因此检测到的信号不受图案内检测器的水平未对准的影响。尽管检测器窄于绝对轨迹，但是这些原理在构成绝对轨迹中的有利的各图案特征时提供了大的自由度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及精密测量设备，尤其涉及具有可以依赖于多个光学感测原理的多 个刻度轨迹(scale track)的绝对式光学编码器。
技术介绍
增量式位置编码器利用以下刻度结构该刻度结构允许通过从沿刻度的起始点开 始累积位移的增量单位来确定读取头相对于该刻度的位移。这种编码器适用于特定应用， 特别是可以获得线路功率的应用。然而，在低功耗装置中使用编码器等的特定应用中，更期 望使用绝对式位置编码器。该绝对式位置编码器在沿刻度的各位置处提供唯一的输出信号 或信号的组合。绝对式位置编码器不要求连续累积增量位移以识别位置。因而，绝对式位 置编码器允许各种功率节约方案。已知使用各种电容、感应或光学感测技术的各种绝对式 位置编码器。 绝对式编码器的优点的最重要的指标之一是(范围/分辨率)、即装置的最大容许 绝对测量范围与有意义的测量分辨率和/或精确度的比。将此称为"范围_分辨率比"。 —些编码器通过使用与刻度平行移动的多个二进制码轨迹实现了高的范围_分 辨率比。通常由刻度的宽度来限制该技术的范围，该刻度的宽度确定可制造的二进制码轨 迹的数量。此外，粗糙的二进制感测通常限制了分辨率。该技术通常对于在致密编码器中 期望的窄的刻度而言不是最优的。将认识到，可以将最低有效位(least significant bit, LSB) 二进制码轨迹看作为"细微波长"增量轨迹，因为该二进制码轨迹以LSB的"细微"空 间分辨率重复，并且除非与提供更高有效码位的轨迹组合使用，否则仅提供增量位移信息 (即，仅提供周期非绝对信号)。这是在大多数高分辨率绝对式编码器(例如，提供微米级 的分辨率的编码器)中使用的细微波长轨迹的特性。因而，在许多绝对式编码器中，还可以 将该细微波长轨迹(细微轨迹)称为增量轨迹。 与"全二进制"技术相比较，一些编码器通过使用提供与波长相关的模拟信号的技 术、然后测量该模拟信号直至其范围的一小部分来提高细微轨迹的分辨率，以提供比细微 波长更细微的分辨率，并由此扩展绝对式编码器的范围_分辨率比。将此一般称为信号插 值，并且将细微波长相对于所得的测量分辨率的比称为插值比。根据所使用的技术以及用 于提供管理信噪(S/N)比的精确部件和组件的支出水平，高达100、300或甚至1000以上的 实际信号插值比都是可能的。然而，一般而言，大于约100的插值比可能要求所需要的精确 部件和组件的极大额外费用。此外，如果要求亚微米分辨率，则细微轨迹的波长可以是约40 微米以下的级别。5个额外二进制轨迹将仅带来有限用途的多达约1. 3毫米的关联范围。 因而，该技术一般对于结合高分辨率(例如，微米级别)的窄的刻度不是最佳的。 为了克服该限制，一些编码器放弃二进制轨迹并且在附加的刻度轨迹上使用信号 插值。可以将这种轨迹称为绝对刻度轨迹(绝对轨迹)。将认识到，这种信号插值在细微波 长的正负一半内必须具有分辨能力和重复性，以分辨由细微轨迹所提供的周期信号的模糊 性。 一些编码器使用在整个测量范围内单调(例如，线性)变化的绝对轨迹。然而，假定约40微米以下的细微轨迹波长以及约100以上的插值比，则这种绝对轨迹自己将带来有限用 途的仅多达2 10毫米的关联绝对测量范围。 为了克服该限制，一些编码器使用具有比细微轨迹长得多的空间波长的至少两个 附加绝对轨迹。为了方便，可以将这些波长称为绝对波长和/或中等波长和/或粗糙波长， 以将它们与细微波长区分开并且/或者强调它们的功能。作为一个例子，使用已知的感测 技术(例如，光学感测技术)，从具有略微不同的中等波长的两个绝对轨迹得到周期模拟信 号(例如，正弦信号或类似处理输出等)。根据已知关系，两个模拟信号之间的空间相位差 在与中等波长的乘积成正比并且与中等波长的差的绝对值成反比的距离上改变了 360度。 可以将该距离称为粗糙合成波长或粗糙波长，并且该距离大致为装置的绝对测量范围。来 自中等轨迹的信号之间的相位差提供相对于粗糙分辨率的绝对位置。可以将此称为粗糙位 置。粗糙位置分辨率和/或精确度必须位于中等波长其中之一的近似正负一半内，以消除 由中等轨迹所提供的周期信号的模糊度，从而可靠地识别与位置相对应的中等波长的特定 周期。可以对来自中等轨迹的周期信号进行插值，以提供相对于比粗糙分辨率好的中等分 辨率的绝对位置。可以将此称为中等位置。中等位置分辨率和/或精确度必须位于一个 细微波长的近似正负一半内，以消除由细微轨迹所提供的周期信号的模糊度，从而可靠地 识别与位置相对应的细微波长的特定周期。可以对来自细微轨迹的周期信号进行插值，以 向装置的绝对位置提供最终细微分辨率和/或精确度。根据前述说明，假定细微轨迹波长 是约40微米以下，并且对于粗糙合成波长和中等波长两者，插值比是约100，则这种绝对轨 迹结构将带来在大量应用(例如，指示器、线性量规和旋转型编码器等)中有用的多达约 100毫米的关联绝对测量范围。前述技术一般是已知的，并且与各种相关编码器结构和/ 或信号处理有关的附加详情在各种绝对式编码器和绝对式干涉仪专利中可以容易地获得。 可以将前述技术称为合成粗糙波长绝对测量技术(SCWAM(synthetic coarse wavelength absolute measurement)技术)。 美国专利3， 882， 482、5， 965， 879、5， 279， 044、5， 886， 519、5， 237， 391、5， 442， 166、 4， 964， 727、4， 414， 754、4， 109， 389、5， 773， 820和5， 010， 655(下文中称为'655专利)公开 了包括以上所概述的与绝对式编码器相关的各种编码器结构和/或信号处理技术，这些专 利的内容在此通过引用全部包含于此。然而，现有技术未能教导能够提供绝对式编码器的 用户所期望的范围-分辨率比、高分辨率、紧凑大小、耐用性和成本的特定组合的结构。期 望能够提供这种组合的改进后的绝对式编码器的结构。
技术实现思路
提供该部分从而以简单形式介绍以下将在具体实施方式部分中进一步描述的概 念的选择。该部分既不意图明确所要求保护的主题的关键特征，也不意图用作在确定所要 求保护的主题的范围时的辅助。 本专利技术涉及能够提供范围_分辨率比、高分辨率、紧凑大小、耐用性及制造和组装 成本的改进组合的改进后的绝对式编码器结构。 本专利技术的各种特征克服现有技术的缺陷。本申请的现有技术图1A 1C与先前并 入的'655专利的图2 4相对应。如在'655专利中所述，结合用于确定位置的增量轨迹， 使用单绝对控制轨迹(例如，提供单调变化的模拟输出的轨迹)，并且图1A 1C各自示出单控制轨迹的可能图案。图1A示出具有沿刻度延伸并且从刻度的左端向右端逐渐变细的 条的图案的控制轨迹，使得光通过该图案的透射沿轨迹以模拟形式(例如，线性地)变化。 图1B示出具有类似效果的、具有大小沿刻度变化的点的图案的控制轨迹。图1C示出具有 类似效果的、包括具有均匀间隔但其各自的宽度作为其沿刻度的位置的函数而变化的条的 另一图案的控制轨迹。如前所示，这种单模拟控制轨迹在与波长为40微米的增量轨迹组合 使用时，极有可能提供约仅几毫米的测量范围。因而，这种结构不适合于实际的高分辨本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种编码器结构，其用于绝对式位置感测装置中，所述绝对式位置感测装置能够用于测量两个元件之间沿测量轴方向的相对位置，所述编码器结构包括：照明部；刻度元件，其包括绝对刻度图案，所述绝对刻度图案包括细微轨迹图案和至少第一绝对轨迹图案，所述细微轨迹图案和所述第一绝对轨迹图案用于接收来自所述照明部的光并沿各自的光路输出各自的空间调制光图案，并且所述细微轨迹图案和所述第一绝对轨迹图案均沿所述测量轴方向延伸；以及检测器电子装置，其包括细微轨迹检测器部和至少第一绝对轨迹检测器部，所述细微轨迹检测器部和所述第一绝对轨迹检测器部以相对于所述照明部的固定关系布置，并用于分别接收来自所述细微轨迹图案和所述第一绝对轨迹图案的空间调制光图案，其中：所述第一绝对轨迹检测器部包括沿与所述测量轴方向垂直的Ｙ方向具有Ｙ方向边缘间尺寸ＹＤＥＴＡＢＳ１的各个光检测器区域，以及所述第一绝对轨迹检测器部用于对所接收到的空间调制光图案进行空间滤波，并输出多个分别具有各自的空间相位的位置指示信号，其中：所述第一绝对轨迹图案包括沿所述测量轴方向延伸的几何全等子轨迹部，所述几何全等子轨迹部被配置成：所述几何全等子轨迹部沿所述Ｙ方向间隔尺寸ＹＣＥＮＴ，并且ＹＣＥＮＴ小于ＹＤＥＴＡＢＳ１，所述几何全等子轨迹部各自具有Ｙ方向尺寸ＹＴＯＬ，使得尺寸量［ＹＣＥＮＴ＋２（ＹＴＯＬ）］大于ＹＤＥＴＡＢＳ１，以及所述几何全等子轨迹部被布置成如果所述几何全等子轨迹部之一沿所述Ｙ方向平移所述尺寸ＹＤＥＴＡＢＳ１，则所述几何全等子轨迹部将标称重合；以及所述第一绝对轨迹图案包括图案化信号变化部，所述图案化信号变化部被配置成所述图案化信号变化部的面积与ｘ的具有空间波长Ｌ１的第一周期函数相对应地变化，其中，ｘ表示沿所述测量轴方向的ｘ坐标位置，并且所述第一周期函数不是方波。...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：米歇尔M米尔维驰，卓赛弗D托比阿森，
申请(专利权)人：株式会社三丰，
类型：发明
国别省市：JP[日本]