用于利用光纤光学接收器通道的干涉测量微型光栅编码器读取头的参考信号产生构造制造技术

提供一种用于利用光纤光学接收器通道的干涉测量微型光栅编码器读取头的参考信号产生构造。该读取头包括“主”光纤，该主光纤提供被处理以产生具有大约０．２微米精度的参考信号的参考标记主信号。该读取头可以包括“副”光纤，该“副”光纤用于产生被处理以产生具有大约２０纳米精度的参考信号的参考标记副信号。被构造用于副光纤光学接收器通道的空间过滤掩膜提供源自于主光纤光学接收器通道的接收区域之外的干涉条纹的两个空间周期性副信号。副信号彼此异相，并且它们的空间频率高于主信号的空间频率。参考标记副信号的信号交叉点被识别为空间地邻近参考标记主参考信号的信号交叉点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总体涉及位移感测光学编码器(displacementsensing optical encoders)，更特别地，提供用于利用光纤作为接收器元件(receiver element)的微型光纤 光学编码器(miniature fiber optic encoder)的参考信号。
技术介绍
利用光纤光学接收器通道的各种微型光纤光栅编码器是已知的，包括美国专利 6，906，315,7, 053，362 和 7，126，696 (下文中，称为 “ ‘315、，362 和，696 专利”)，这些文献 中的全部内容均通过引用的方式包含于此。这些微型编码器提供令人满意的可能包括特别 小的尺寸、很高的精确度、抗电噪声性和很高速的运行的特征组合。很多运动控制和/或位置测量系统等包括用于输入能识别在光栅标度(grating scale)内的特定周期的参考信号的构造。通常与相对于光栅标度固定的特征相对应的参 考信号提供消除位置不确定的参考点，否则在增量型位移测量系统中可能发生该位置不确 定，该增量型位移测量系统计数信号周期作为远程测量的基础。然而，容易地且经济地组合例如包括在上述参考文献中的微型光纤光栅编码器并 提供类似的所需特性的参考信号产生构造却不为人所知。这样的参考信号产生构造将是人 们所需要的。
技术实现思路
提供该概述以简要的形式介绍选择的构思，这些构思在下面的具体实施方式中将 进一步进行说明。该概述不是想要确定要求保护的主题的关键特征，也不是想要用来辅助 确定要求保护的主题的范围。简言之，本专利技术致力于提供一种用于测量位移的微型光纤光学读取头和标度配 置，该微型光纤光学读取头和标度配置还包括可用于提供参考位置指示的微型光纤光学参 考信号产生构造。在各个实施例中，该标度包括标度轨迹，该标度轨迹包括提供第一水平零 阶反射(例如相位光栅)的第一类型轨迹部分和提供第二水平零阶反射(例如镜，mirror) 的参考标记。各个光纤光学参考信号接收器通道包括各自开口(aperture)，该开口根据它 们与参考标记的接近度和/或与所述参考标记的重叠度，接收可检测的不同量的零阶反射 光，并且光学参考标记信号之间的关系是参考位置的指示。根据本专利技术的参考标记具有沿 着测量轴线方向的长度或边界间隔尺寸，该长度或边界间隔尺寸基于读取头内的某些光纤 光学参考信号接收器通道开口的尺寸(例如，大小和间隔)来确定，这在形成的各个参考标 记信号之间建立期望的关系。在一些构造中，提供参考位置指示的光纤光学读取头和标度轨迹与提供周期性增 量测量信号的光纤光学读取头和标度轨迹分开。在一些构造中，积分光纤光学读取头和积 分标度轨迹二者都提供参考位置指示和周期性增量测量信号。在一些构造中，包括各自开口的各个光纤光学参考信号接收器通道被用于产生较 高分辨率参考标记副信号，并且前面所提到的光学参考标记信号被用作较低分辨率参考标 记主信号。特别地，几何设计规则(例如，对于大小和间隔)被用于构造用于副信号接收器 通道开口的空间过滤掩膜，从而使得它们提供与在主信号接收器通道的接收区域之外接 收到的干涉条纹对应的两个空间周期性副信号。参考标记副信号的空间频率和/或变化率 可以是高于参考标记主信号的有效空间频率和/或变化率的若干倍。在一些实施例中，参 考标记主信号以100微米的量级在距离上从高值向低值转变。在一些实施例中，副参考标 记信号的空间频率是2-4微米的量级，并且它们彼此异相180度。参考标记副信号的“副” 交叉点可以被识别(identify)为空间地邻近参考标记主信号的“主”交叉点(该点为主参 考标记位置)。在一些实施例中，主交叉点可以被用于以0. 2微米量级的分辨率和可重复性 识别主参考标记位置。由于参考标记副信号的较高空间频率和/或较高的信号变化率，副 交叉点可以用于以20纳米量级的分辨率和可重复性识别副参考位置(提高10X)。重要的是，根据本专利技术的光纤光学参考信号产生构造提供与已知的提供增量测量 的微型光纤光学光栅编码器(例如在’ 696专利中公开的微型光纤光学光栅编码器)的光 纤光学参考信号产生构造相似的期望特征。重要地，例如，根据本专利技术的光纤光学参考信 号产生构造能以与’ 696专利中公开的干涉测量型光纤光学编码器相似或相同的操作间隙 (operating gap)使用。另外，根据本专利技术的光纤光学参考信号产生构造提供了相似的特别 小的尺寸、很高的精确度、抗电噪声性和很高速的运行的特征。因此，根据本专利技术的微型光 纤光学参考信号产生构造可与期望的高精确度微型光纤光学增量测量编码器容易地且经 济地组合。因此，本专利技术克服了现有技术的光学位移感测装置的缺点，并提供了超小巧、高精 确度、经济和高速性构造的新应用可能性。附图说明通过参照下面结合附图的详细说明，本专利技术的上述方面和许多其它优点将更容易 认识和更好地理解，其中图1是包括根据本专利技术的参考信号产生构造的微型光纤光学读取头和标度配置 的第一实施例的等距视图(isometricview)；图2是包括根据本专利技术的参考信号产生构造的微型光纤光学读取头和标度配置 的第二实施例的等距视图；图3是包括根据本专利技术的参考信号产生构造的微型光纤光学读取头和标度配置 的第三实施例的等距视图；图4是包括根据本专利技术的参考信号产生构造的微型光纤光学读取头和标度配置 的第四实施例的等距视图；图5是示出根据本专利技术的光栅和参考标记构造的一个示例性实施例的等距视图；图6A和6B是示意性示出根据本专利技术的参考信号产生构造的第一实施例的各个方 面的等距视图；图7是示意性示出根据本专利技术的参考信号产生构造的第二实施例的部分的等距 视图8是示出根据图6A、6B和图7的参考信号产生构造所产生的参考信号的图；图9是示意性示出包括根据本专利技术的参考信号产生构造的第三实施例的根据本 专利技术的第一积分参考信号和增量信号产生构造的操作的各个方面的等距视图；图10是示出包括附加细节的图9所示的积分参考信号和增量信号产生构造的部 分的等距视图；图11是示出包括根据本专利技术的参考信号产生构造的第四实施例的根据本专利技术的 第二积分参考信号和增量信号产生构造的部分的等距视图；图12是示意性示出根据图10和图11的积分参考信号和增量信号产生构造所产 生的参考信号的图；图13是示出根据本专利技术的参考信号产生构造的第五实施例的部分的等距视图；图14是示出根据图13的参考信号产生构造所生成的参考信号的图；图15是示出根据本专利技术的参考信号产生构造的第六实施例的部分的等距视图；图16是示出根据本专利技术的参考信号产生构造的第七实施例的部分的等距视图；图17A和图17B是示出可用于替换图16所示的开口掩膜构造的部分的可选开口 掩膜构造的图示；图18是示出根据本专利技术的参考信号产生构造的第八实施例的部分的等距视图；图19是示出可能与根据本专利技术的主参考信号和副参考信号相关的各种信号关系 的图；以及图20A和图20B是示出可用于替换图5所示的参考标记构造的可选参考标记构造。具体实施例方式图1是包括根据本专利技术的参考信号产生构造的微型光纤光学读取头和标度配置 (miniature fiber optic readhead and scalearrangement) 1000 一歹ll白勺巨 图。如本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤光学读取头和标度配置，其包括光纤光学参考信号产生构造，该光纤光学参考信号产生构造可用于提供沿着测量轴方向彼此相对移动的两个构件之间的参考位置的指示，该光纤光学参考信号产生构造包括：第一光纤光学读取头的至少一部分，第一光纤光学读取头的该至少一部分包括输出第一发散光源光的光源及被构造成提供各自的参考标记信号的至少第一和第二光纤光学参考标记信号接收器通道，所述第一光纤光学参考标记信号接收器通道包括第一参考标记信号接收器通道光纤和第一参考标记信号接收器通道开口，所述第二光纤光ＡＲ１２ＳＰＡＮ；以及当所述第一光纤光学读取头相对于所述第一标度轨迹可操作地定位时，所述至少第一和第二光纤光学参考标记信号接收器通道通过它们的开口输入部分所述标度光，并且传送所述标度光的该输入部分以提供它们各自的参考标记信号，该各自的参考标记信号提供位于靠近所述至少一个参考标记部分的信号交叉区域内的参考位置的第一指示。学参考标记信号接收器通道包括第二参考标记信号接收器通道光纤和第二参考标记信号接收器通道开口；以及第一标度轨迹的至少一部分，第一标度轨迹的该至少一部分沿着测量轴方向在标度构件上延伸并且被配置成反射所述第一发散光源光以向所述第一光纤光学读取头提供标度光，第一标度轨迹的该至少一部分包括：第一类型轨迹部分，该第一类型轨迹部分被构造成当由所述发散光源光照射时在参考标记信号作用区域之外提供第一量的零阶反射光；至少一个参考标记部分，该至少一个参考标记部分位于所述第一类型轨迹部分内，该至少一个参考标记部分被构造成当由所述发散光源光照射时在所述参考标记信号作用区域中提供第二量的零阶反射光，其中，所述参考标记信号作用区域和所述至少一个参考标记部分沿着所述测量轴方向对齐，并且所述第一量的零阶反射光和所述第二量的零阶反射光不同，使得所述第一参考标记信号接收器通道开口和所述第二参考标记信号接收器通道开口根据它们与至少一个参考标记的接近度接收可检测的不同量的零阶反射光，其中：对于沿着所述测量轴方向彼此相对移动的所述两个构件之间的至少一个位置，所述标度光包括干涉条纹；所述第一和第二参考标记信号接收器通道开口均包括位于靠近它们的参考标记信号接收器通道光纤的端部的位置、覆盖该参考标记信号接收器通道光纤的光承载芯区的一部分的各自开口掩膜，并且所述各自开口掩膜包括至少第一横向开口边缘，该至少第一横向开口边缘包括不与所述测量轴方向垂直的部分并且跨越从相邻的开口边界沿着所述测量轴方向朝向相对的横向开口边缘延伸的开口边缘过渡尺寸ＰＡＥＴ；所述第一和第二参考标记信号接收器通道开口被构造成，使得当所述第一光纤光学读取头相对于所述第一标度轨迹可操作地定位时，所述第一和第二参考标记信号接收器通道开口的沿着所述测量轴方向彼此最接近的开口边界沿着所述测量轴方向分离开尺寸ＡＲ１２ＳＥＰ，并且所述第一和第二参考标记信号接收器通道开口的沿着所述测量轴方向彼此最远离的开口边界沿着所述测量轴方向跨越总开口跨越尺寸ＡＲ１２ＳＰＡＮ；所述至少一个参考标记部分被构造成，使得参考标记部分的两边界沿着所述测量轴方向分离开边缘到边缘尺寸ＬＥＴＯＥ；所述至少一个参考标记部分及所述第一和第二光纤光学参考标记信号接收器通道被构造成使得ＡＲ１２ＳＥＰ＜（２＊ＬＥＴＯＥ）＜...

【技术特征摘要】
US 2008-11-20 12/275,170一种光纤光学读取头和标度配置，其包括光纤光学参考信号产生构造，该光纤光学参考信号产生构造可用于提供沿着测量轴方向彼此相对移动的两个构件之间的参考位置的指示，该光纤光学参考信号产生构造包括第一光纤光学读取头的至少一部分，第一光纤光学读取头的该至少一部分包括输出第一发散光源光的光源及被构造成提供各自的参考标记信号的至少第一和第二光纤光学参考标记信号接收器通道，所述第一光纤光学参考标记信号接收器通道包括第一参考标记信号接收器通道光纤和第一参考标记信号接收器通道开口，所述第二光纤光学参考标记信号接收器通道包括第二参考标记信号接收器通道光纤和第二参考标记信号接收器通道开口；以及第一标度轨迹的至少一部分，第一标度轨迹的该至少一部分沿着测量轴方向在标度构件上延伸并且被配置成反射所述第一发散光源光以向所述第一光纤光学读取头提供标度光，第一标度轨迹的该至少一部分包括第一类型轨迹部分，该第一类型轨迹部分被构造成当由所述发散光源光照射时在参考标记信号作用区域之外提供第一量的零阶反射光；至少一个参考标记部分，该至少一个参考标记部分位于所述第一类型轨迹部分内，该至少一个参考标记部分被构造成当由所述发散光源光照射时在所述参考标记信号作用区域中提供第二量的零阶反射光，其中，所述参考标记信号作用区域和所述至少一个参考标记部分沿着所述测量轴方向对齐，并且所述第一量的零阶反射光和所述第二量的零阶反射光不同，使得所述第一参考标记信号接收器通道开口和所述第二参考标记信号接收器通道开口根据它们与至少一个参考标记的接近度接收可检测的不同量的零阶反射光，其中对于沿着所述测量轴方向彼此相对移动的所述两个构件之间的至少一个位置，所述标度光包括干涉条纹；所述第一和第二参考标记信号接收器通道开口均包括位于靠近它们的参考标记信号接收器通道光纤的端部的位置、覆盖该参考标记信号接收器通道光纤的光承载芯区的一部分的各自开口掩膜，并且所述各自开口掩膜包括至少第一横向开口边缘，该至少第一横向开口边缘包括不与所述测量轴方向垂直的部分并且跨越从相邻的开口边界沿着所述测量轴方向朝向相对的横向开口边缘延伸的开口边缘过渡尺寸PAET；所述第一和第二参考标记信号接收器通道开口被构造成，使得当所述第一光纤光学读取头相对于所述第一标度轨迹可操作地定位时，所述第一和第二参考标记信号接收器通道开口的沿着所述测量轴方向彼此最接近的开口边界沿着所述测量轴方向分离开尺寸AR12SEP，并且所述第一和第二参考标记信号接收器通道开口的沿着所述测量轴方向彼此最远离的开口边界沿着所述测量轴方向跨越总开口跨越尺寸AR12SPAN；所述至少一个参考标记部分被构造成，使得参考标记部分的两边界沿着所述测量轴方向分离开边缘到边缘尺寸LETOE；所述至少一个参考标记部分及所述第一和第二光纤光学参考标记信号接收器通道被构造成使得AR12SEP＜(2*LETOE)＜AR12SPAN；以及当所述第一光纤光学读取头相对于所述第一标度轨迹可操作地定位时，所述至少第一和第二光纤光学参考标记信号接收器通道通过它们的开口输入部分所述标度光，并且传送所述标度光的该输入部分以提供它们各自的参考标记信号，该各自的参考标记信号提供位于靠近所述至少一个参考标记部分的信号交叉区域内的参考位置的第一指示。2.根据权利要求1所述的光纤光学读取头和标度配置，其特征在于，所述光纤光学参 考信号产生构造是根据单一部分参考标记构造和两子部分参考标记构造中的一种而构造 的，其中在所述单一部分参考标记构造中，所述至少一个参考标记部分由单一参考标记部分 构成，并且该单一参考标记部分的外边界沿着所述测量轴方向被分离开从边缘到边缘尺寸 LETOE ；以及在所述两子部分参考标记构造中，所述至少一个参考标记部分包括根据构造A和构造 B中的一种而构造的第一和第二参考标记子部分，其中，在构造A中，所述第一和第二参考 标记子部分的沿着所述测量轴方向最接近的边界被分离开所述边缘到边缘尺寸LET0E，在 构造B中，所述第一和第二参考标记子部分的沿着所述测量轴方向最远离的边界被分离开 所述边缘到边缘尺寸LETOE。3.根据权利要求2所述的光纤光学读取头和标度配置，其特征在于，当所述第一光纤光学读取头相对于所述第一标度轨迹可操作地定位时，所述干涉条纹 在所述各自开口掩膜的平面具有条纹节距FP，并且所述开口边缘过渡尺寸PAET跨越所述 各自开口掩膜的平面处的至少一个干涉条纹节距FP。4.根据权利要求3所述的光纤光学读取头和标度配置，其特征在于，所述开口边缘过 渡尺寸PAET名义上等于所述各自开口掩膜的平面处的干涉条纹节距FP的整数倍。5.根据权利要求3所述的光纤光学读取头和标度配置，其特征在于，所述相对的横向 开口边缘包括所述各自开口掩膜的第二横向开口边缘，并且所述第一和第二开口边缘沿着 所述测量轴方向在所述第一和第二开口边缘之间限定开口宽度尺寸PAW，在沿着相对于所 述测量轴方向横向的方向的每个位置限定所述尺寸PAW。6.根据权利要求5所述的光纤光学读取头和标度配置，其特征在于，至少沿着所述第 一和第二开口边缘的大部分长度所述尺寸PAW名义上等于所述各自开口掩膜的平面处的 干涉条纹节距FP的整数倍。7.根据权利要求6所述的光纤光学读取头和标度配置，其特征在于，所述开口边缘过 渡尺寸PAET名义上等于所述各自开口掩膜的平面处的干涉条纹节距FP的整数倍。8.根据权利要求7所述的光纤光学读取头和标度配置，其特征在于，沿着所述第一和 第二开口边缘的长度所述尺寸PAW名义上恒定。9.根据权利要求3所述的光纤光学读取头和标度配置，其特征在于，所述第一发散光源光是空间相干且单色的；所述第一类型轨迹部分是相位光栅部分；以及所述至少一个参考标记部分是零阶反射部分，该零阶反射部分是镜部分和具有第一占 空比的相位光栅中的一个，其中该相位光栅的升高面和凹槽面的尺寸沿着所述测量轴方向 不相等。10.根据权利要求9所述的光纤光学读取头和标度配置，其特征在于，所述零阶反射部 分是具有所述第一占空比的相位光栅。11.根据权利要求9所述的光纤光学读取头和标度配置，其特征在于，所述第一标度轨迹包括沿着所述测量轴方向遍布位移测量范围的反射周期性标度光 栅，所述反射周期性标度光栅是被构造成反射所述第一发散光源光、抑制包含在所形成的 标度光中的零阶反射光并且在整个所述位移测量范围在所形成的标度光中提供空间周期 性强度图案的相位光栅，其中，所述空间周期性强度图案包括具有干涉条纹节距FP的干涉 条纹；所述第一光纤光学读取头还包括多个各自的光纤光学增量测量信号接收器通道，该多 个各自的光纤光学增量测量信号接收器通道被构造成提供各自的空间周期性增量测量信 号，每个光纤光学增量测量信号接收器通道包括各自的增量测量信号接收器通道光纤和靠 近该光纤的端部配置的各自的增量测量信号接收器通道空间相位掩膜部分，所述增量测量 信号接收器通道空间相位掩膜部分具有各自的空间相位并且具有用于空间地过滤包含在 从所述第一标度轨迹反射的所述标度光中的所述空间周期性强度图案的、以可操作的节距 配置的光阻断元件，其中所述光纤光学读取头和标度配置被构造成，使得所述各自的参考标记信号以小于所述 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿夫伦兹维林，约瑟夫丹尼尔托拜森，斯科特哈西拉，卡尔古斯塔夫马斯雷莱兹，
申请(专利权)人：株式会社三丰，
类型：发明
国别省市：JP