專利名稱：光編碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光編碼器，用于與諸如馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)軸或類似的裝置組合使用，尤其涉及一種采用由樹脂材料做成編碼盤的光編碼器。
背景技術(shù)：
通常，以透明玻璃制造的、配備以用鉻沉積和蝕刻技術(shù)制成的光柵的編碼盤，被用作要求高精度的光編碼器的編碼盤。但是，近年來，由于成型和轉(zhuǎn)換(transfering)技術(shù)的改進(jìn)，非常有可能采用無色透明的光樹脂來取代玻璃材料。其主要理由是，一般而言，與玻璃相比，在大量生產(chǎn)中樹脂材料由于易于成型是極優(yōu)秀的，它具有制造成本低的優(yōu)點(diǎn)。透明樹脂制編碼盤的眾所周知的結(jié)構(gòu)有許多不同的種類。在圖1中示出了這樣的結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)例。
如圖1所示，一由樹脂制成的編碼盤的編碼光柵包括平板部分和具有一組V形溝槽的部分，平板部分用作直接傳輸從光源(未示出)來的光的半透明區(qū)，V形溝槽部分用作不透明區(qū)(反射區(qū))。將溝槽部分的每個(gè)V形溝槽制造成具有一斜角，該斜角能引起從編碼盤內(nèi)部射入的光全反射。同樣可將具有這樣的編碼光柵的樹脂制編碼盤用在一類用檢測(cè)單元檢測(cè)傳輸光或反射光的光編碼器中。倘若用檢測(cè)單元檢測(cè)的是傳輸光，傳輸光形成所謂的“光亮區(qū)”，對(duì)應(yīng)于具有一組V形溝槽的部分(反射區(qū))，形成了所謂的“黑暗區(qū)”。反之，倘若用檢測(cè)單元檢測(cè)的是反射光，反射光形成了所謂的“光亮區(qū)”，而對(duì)應(yīng)于半透明的部分，形成了所謂的“黑暗區(qū)”。
紅外發(fā)光二極管被廣泛地用作發(fā)射供檢測(cè)用光的光源。在這種情況下，采用波長(zhǎng)在大約800毫微米到1000毫微米之間、并具有高的敏感度的紅外線光作為供檢測(cè)的光接收要素。通常采用的透明樹脂是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)或類似的材料。正如以后將闡述的，這些材料在從蘭光延伸到紅外光的很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，具有高的光譜透射率。這些材料是相當(dāng)透明無色的，在模壓性和可轉(zhuǎn)換性(transferability)上也是很出色的。由于這樣的材料特性，這些材料不但被廣泛地用來制造樹脂編碼盤，而且被廣泛地用來制造其它光學(xué)元件，如光盤CD和數(shù)字化視頻光盤DVD的光學(xué)盤片。
但是，通常用來制造編碼盤的樹脂，例如聚甲基丙烯酸甲酯和聚碳酸酯，在抗熱性和抗油性(抵抗油性物質(zhì)的性能)上是有很大的缺陷的。由于光編碼器最典型地是被使用在工業(yè)馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)軸的外圍，很容易達(dá)到相當(dāng)高的溫度，因此這種缺陷是不可忽略的。在這種地方，光編碼器很可能會(huì)接觸到高溫蒸氣和切削油。假如在這樣惡劣的環(huán)境下，使用由聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯制成的光編碼盤，高溫蒸氣和切削油脂引起光編碼盤表面狀態(tài)惡化和白混濁、光編碼盤表面軟化造成V形溝槽表面形狀改變從而不能得到滿意的光影對(duì)比度這樣的問題和類似的問題就會(huì)產(chǎn)生。
采用樹脂制編碼盤的光編碼器的已公開實(shí)例包括日本專利JP7-270185A、JP 10-170308A、JP 10-239108A和JP 11-201779A。專利JP7-270185A描述了一種旋轉(zhuǎn)盤片(編碼盤)，它是這樣形成的將兩張基材為塑膠樹脂的透明薄膜盤片相互粘合在一起，將一種感光材料施加到其一側(cè)形成在圓周方向具有一組裂縫的裂縫側(cè)，而在另一側(cè)上用與裂縫側(cè)相同的材料形成透明側(cè)以防止旋轉(zhuǎn)盤片(編碼盤)的變形。
專利JP 10-170308A公開了一種旋轉(zhuǎn)的編碼器，這種編碼器采用的編碼盤是通過在光傳輸合成樹脂制成的盤片上提供一組凹進(jìn)凸出的部分、并采用在凹進(jìn)部分填滿不傳輸光物質(zhì)的結(jié)構(gòu)形成的。專利JP 10-239108A描述了一種編碼盤，它的由一排透鏡元件組成的轉(zhuǎn)換部分(編碼光柵)是通過塑膠模注型法形成的。專利JP 11-201779A公開了一種丙烯酸樹脂制編碼盤，這種編碼盤被分成第一類條形區(qū)域和第二類條形區(qū)域，以產(chǎn)生具有互相不同的光路徑的第一類輸出光和第二類輸出光，在這種編碼盤中，至少第一類區(qū)域或第二類區(qū)域中的一個(gè)區(qū)域具有光路徑變換功能。
雖然上面所描述的現(xiàn)有技術(shù)實(shí)例的每一個(gè)都采用了塑膠作為編碼盤的結(jié)構(gòu)材料，但是他們中沒有一個(gè)教授了采用有色樹脂材料的技術(shù)。這意味著，在現(xiàn)有技術(shù)的水平上，還沒有意識(shí)到，只要有色材料關(guān)于檢測(cè)光波長(zhǎng)具有足夠的光譜傳輸率，編碼盤也可以用有色材料制成，而且，在現(xiàn)有技術(shù)的水平上，以為用于制造光編碼器編碼盤的材料必須是透明無色的。這樣的固定了的概念阻礙了自由地選用具有對(duì)高溫蒸氣、切削油等有高的抵抗性能的材料。
至于專利JP 7-270185A，雖然采用了一種防變形的反措施，但其文件中所公開的觀念并不是基于這樣的概念的，即假如編碼盤材料關(guān)于檢測(cè)光波長(zhǎng)具有足夠的光譜傳輸率，編碼盤也可以是有色的。因此，公開在其文件中的發(fā)明旨在以兩個(gè)薄膜盤片相互粘合在一起的結(jié)構(gòu)形成編碼盤來解決問題。但是，這樣的粘合結(jié)構(gòu)在成本上是不利的，此外，粘合的部分也可能脫落。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明使我們有可能拋棄“用于制造光編碼器編碼盤的材料必須是透明無色的”這樣一種固定的觀念來選擇樹脂材料，從而自由地將具有對(duì)高溫蒸氣、切削油和類似物質(zhì)具有優(yōu)秀抵抗性能的材料用于光編碼器的編碼盤(尤其是編碼光柵)。
本發(fā)明的光編碼器包含有一用于發(fā)射光的光發(fā)射單元；一光接收單元，用于檢測(cè)從光發(fā)射單元發(fā)出的、波長(zhǎng)在預(yù)定檢測(cè)范圍內(nèi)的光；一編碼盤，安置在光發(fā)射單元和光接收單元之間，并具有樹脂材料制成的、由半透明區(qū)和不透明區(qū)構(gòu)成的編碼光柵。在編碼光柵的半透明區(qū)，樹脂材料關(guān)于波長(zhǎng)在預(yù)定檢測(cè)范圍內(nèi)的光具有不小于70％的光譜傳輸率，樹脂材料關(guān)于波長(zhǎng)在預(yù)定檢測(cè)范圍外的光具有不大于50％的光譜傳輸率，而且，不大于50％的光譜傳輸率的范圍至少是可見光波長(zhǎng)范圍的一部分。
波長(zhǎng)在預(yù)定檢測(cè)范圍內(nèi)的一種典型的光是紅外光。樹脂材料關(guān)于蘭色可見光可具有不大于50％的光譜傳輸率。
樹脂材料可從聚醚酰亞胺(Polyetherimide)，聚醚砜(Polyethersulfone)和聚苯砜(Polyphenylsulfone)中選取。這些材料在800毫微米到1000毫微米的范圍內(nèi)顯示了高的光譜傳輸率并對(duì)于高溫蒸氣，切削油和類似的物質(zhì)具有極好的抵抗性能。
但是，用肉眼看來，這些材料塑成的物品呈現(xiàn)類似琥珀那樣的黃色。因此，由于上述傳統(tǒng)固定的觀念，上面所列出的材料曾經(jīng)是不在選擇之列的。
即使這些材料看來具有不適合用于要求高精度的光學(xué)元件的特性，只要這些材料滿足上面的條件，就沒有什么問題。本發(fā)明的意義在于加寬了材料的選擇范圍，并實(shí)現(xiàn)了如上所列具有優(yōu)秀環(huán)境抵抗性能的特定材料(聚醚酰亞胺，聚醚砜或聚苯砜)的實(shí)際應(yīng)用。
在本發(fā)明中，指定“關(guān)于檢測(cè)光其光譜傳輸率為70％或更高”是考慮了切實(shí)際可用的、關(guān)于檢測(cè)光的光譜傳輸率條件的結(jié)果。此外，指定“關(guān)于波長(zhǎng)與用于檢測(cè)的波長(zhǎng)不同、且屬于可見光波長(zhǎng)范圍的光的至少一部分其光譜傳輸率為50％或更低”是基于樹脂材料可以是例如黃色的這樣的概念。


圖1為一視圖，用以說明采用透明樹脂的編碼盤結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)例；圖2為一示意性的視圖，用以說明本發(fā)明所采用的光編碼器結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例；圖3為一局部的橫截面視圖，用以說明圖2中光編碼器編碼盤的編碼光柵，和一固定裂縫構(gòu)件及一光接收單元；圖4為一橫截面視圖，用以說明從圖2的光編碼器編碼盤的編碼光柵所摘出的一部分；和圖5為一曲線圖，用以說明聚醚酰亞胺和聚甲基丙烯酸甲酯的光譜傳輸率曲線，以及通常采用的透明無色材料(磷酯膽堿，玻璃等)的一般光譜傳輸率曲線。
具體實(shí)施例方式
圖2是一示意性的視圖，用以說明本發(fā)明所采用的光編碼器結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例。如圖2中所說明，根據(jù)本實(shí)施例的光編碼器是一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器，它由一編碼盤1，一旋轉(zhuǎn)軸2，一固定裂縫構(gòu)件3，一光接收單元4，和一光發(fā)射單元5作為基本組件組成。在光發(fā)射單元5中，提供了一個(gè)或多個(gè)光發(fā)射元件，如果需要，還提供了一個(gè)使光束平行的透鏡和類似物件。在這里，使用了一個(gè)發(fā)射波長(zhǎng)在800到1000毫微米范圍內(nèi)的紅外發(fā)光二極管作為光發(fā)射元件。提供的編碼盤1具有后面將描述特征的編碼光柵。安裝在旋轉(zhuǎn)軸2上的編碼盤1這樣放置，使其編碼光柵能經(jīng)常地插入到光發(fā)射單元5和光接收單元4之間。
光發(fā)射單元5提供的紅外光被編碼盤1的編碼光柵所調(diào)制，而編碼盤1是被安置在通向光接收單元4的光路徑中的。紅外光在穿過固定裂縫構(gòu)件3后被光接收單元4所檢測(cè)，并由一眾所周知的、用于檢測(cè)馬達(dá)或類似部件的旋轉(zhuǎn)位置或旋轉(zhuǎn)速度的電路(圖中未示出)所處理。
圖3為一局部的橫截面視圖，用以說明圖2中光編碼器編碼盤1的編碼光柵，固定裂縫構(gòu)件3及光接收單元4。包括有編碼光柵11的整個(gè)編碼盤1是由一種可見光顏色的樹脂材料(例如聚醚酰亞胺，聚醚砜和聚苯砜)形成的。如圖3中所示，按給定的編碼圖型，在編碼光柵11內(nèi)，沿著編碼盤1的圓周方向形成了不透明區(qū)(光遮蔽區(qū))12和半透明區(qū)13。
編碼光柵11具有一區(qū)段，在該區(qū)段中，不透明區(qū)(光遮蔽區(qū))12和半透明區(qū)13循環(huán)地彼此相互交替。固定裂縫構(gòu)件3是這樣形成的，例如，通過在一基片31上以給定的節(jié)距形成光遮蔽層，并將二個(gè)分別相鄰的光遮蔽層32之間的部分制成為傳輸開口33。相應(yīng)于開口33，將對(duì)檢測(cè)光(這里為紅外光)具有檢測(cè)靈敏度的檢測(cè)元件42安置在光接收單元4的基片41上。
在從光源5發(fā)出的檢測(cè)光(這里為紅外光)L中，那些通過了編碼盤1半透明區(qū)13的光從編碼盤1分離出來，得以通過固定裂縫構(gòu)件3的開口33。這些光然后由各自的檢測(cè)元件42所檢測(cè)而被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
編碼光柵的每一個(gè)不透明區(qū)(反射區(qū))12包括有一個(gè)表面，該表面在圖3中由參考數(shù)碼12a(粗線)所指示，在該表面上形成了大量與圖1中相同的V形溝槽。圖4為一橫截面視圖，它顯示了從編碼光柵11摘錄出的一部分以便說明其特征。如圖4中所示，編碼光柵11的半透明區(qū)13包含有一個(gè)部分，該部分的二個(gè)表面均是平的，而編碼光柵11的不透明區(qū)(反射區(qū))12包含有一個(gè)部分，該部分在與檢測(cè)光入射表面相對(duì)立的表面上形成有一組V形溝槽12a。
每個(gè)溝槽12a的截面形狀具有一頂角θ，該頂角是形成在一突出部分的每一棱鏡序列的頂角，預(yù)先確定頂角θ，使得入射到突出部分內(nèi)表面的檢測(cè)光實(shí)際上被完全地反射。根據(jù)眾所周知的基礎(chǔ)光學(xué)理論，全反射的特定條件是(90°-θ/2)＞θc。這里，θc代表一臨界角度，它是由不透明區(qū)(反射區(qū))12的材料的折射率和空氣折射率之間的關(guān)系決定的。
如圖2和圖3中所示，在利用光接收單元檢測(cè)傳輸光的一類編碼器中，在圖4中用參考數(shù)字A1和A2表示的每一區(qū)域形成了所謂的“光亮區(qū)”，而用參考數(shù)字B1和B2表示的區(qū)域則形成了所謂的“黑暗區(qū)”。在利用光接收單元檢測(cè)反射光的一類編碼器的情況下，在圖4中用參考數(shù)字D1和D2表示的區(qū)域形成了所謂的“光亮區(qū)”，而用參考數(shù)字C1和C2表示的每一區(qū)域則形成了所謂的“黑暗區(qū)”。
如上所述，在本實(shí)施例中，采用具有發(fā)射波長(zhǎng)在800毫微米到1000毫微米范圍內(nèi)的紅外發(fā)光二極管作為光源5，而采用對(duì)發(fā)射波長(zhǎng)具有高的檢測(cè)靈敏度的檢測(cè)元件作為光接收單元4。此外，采用聚醚酰亞胺，聚醚砜或聚苯砜作為制造編碼盤的樹脂材料，尤其是編碼光柵的材料。這些材料在800毫微米到1000毫微米之間的范圍內(nèi)展現(xiàn)了高的光譜傳輸率(80％或更高)，而在可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)至少一部分(尤其是蘭色光波長(zhǎng)范圍內(nèi))展現(xiàn)了低的光譜傳輸率(50％或更低)。
不管采用聚醚酰亞胺，聚醚砜和聚苯砜材料中的那一種，編碼盤的厚度一般約為1毫米到2毫米，只要材料關(guān)于具有檢測(cè)光波長(zhǎng)(從80毫微米到1000毫微米)的光呈現(xiàn)80％或更高的光譜傳輸率，從實(shí)用的觀點(diǎn)出發(fā)，就不會(huì)有什么問題。圖5為一曲線圖，作為舉例，說明了聚醚酰亞胺的光譜傳輸率曲線(傳輸光譜曲線)，以及通常采用的透明無色材料(磷酯膽堿，玻璃等)的一般光譜傳輸率曲線(傳輸光譜曲線)。
在圖5的曲線圖中，水平軸表示波長(zhǎng)(以毫微米為單位)，而垂直軸表示光譜傳輸率(以百分率為單位)。傳輸厚度的條件是“1毫米”。從圖5顯而易見，在400毫微米和1000毫微米之間的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，用虛線表示的透明無色材料(磷酯膽堿，玻璃等)的一般光譜傳輸率曲線展現(xiàn)了一個(gè)實(shí)際上不變的高的光譜傳輸率，其結(jié)果是，該光譜線暗示了材料的透明性和無色性。
正相反，聚醚酰亞胺的光譜傳輸率曲線，在從600毫微米到1000毫微米的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，展現(xiàn)了一個(gè)實(shí)際上不變的高的光譜傳輸率(80％或更高)。但是，在較之短的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，光譜傳輸率減小，更明確地，光譜傳輸率在蘭光的范圍內(nèi)標(biāo)志出急速的下降。例如，在波長(zhǎng)為典型蘭光波長(zhǎng)的近似435毫微米時(shí)，光譜傳輸率遠(yuǎn)低于50％。在蘭光范圍內(nèi)低的光譜傳輸率被認(rèn)為是聚醚酰亞胺看上去發(fā)黃的確切原因。雖然，圖中沒有示出聚醚砜和聚苯砜的光譜傳輸率曲線，但他們具有相同的特性并由于這樣的特性而具有黃的顏色(琥珀色)。
本發(fā)明典型采用的、具有黃的顏色(琥珀色)的樹脂材料曾經(jīng)是不被考慮作為編碼盤的材料的。但是，正如在上述的實(shí)施例中，如果與檢測(cè)光的波長(zhǎng)(這里，為800毫微米到1000毫微米之間的紅外光范圍)適當(dāng)結(jié)合來使用這些材料，在光功能上將沒有問題。這樣做，材料選擇的多樣性增加了，因而，實(shí)際上就有可能發(fā)現(xiàn)像上面提到的材料那樣抗高溫性、抗水性、抗油性等好的特定材料。
換言之，上面作為舉例列出的材料，即，聚醚酰亞胺，聚醚砜和聚苯砜是工程塑膠，這意味著所有這些材料具有極好的抗熱性能和化學(xué)抵抗性能，并且對(duì)于切削油和類似物質(zhì)的抵抗性能也是很高的。因此，采用這些材料制作編碼盤，尤其是編碼光柵，抑制了表面形狀由于高溫蒸氣和切削油造成表面狀態(tài)的惡化、白混濁、變軟等類似情況引起的變化，從而避免了對(duì)檢測(cè)性能的有害影響。相比在現(xiàn)有技術(shù)中已有的、采用由聚甲基丙烯酸甲酯或聚碳酸酯制成的編碼盤的編碼器，就有可能提供一種在不利的環(huán)境中呈現(xiàn)優(yōu)秀的抵抗性能的編碼器。
本發(fā)明是關(guān)于圖1到圖4所示的傳輸光檢測(cè)類光旋轉(zhuǎn)編碼器來描述的。但是，本發(fā)明并不僅限于上述的實(shí)施例。例如，正如關(guān)于圖4所描述的，同樣可以將本發(fā)明應(yīng)用于反射光檢測(cè)類光編碼器的編碼盤，而且對(duì)于編碼光柵的種類沒有限制。此外，也有結(jié)構(gòu)上沒有固定裂縫構(gòu)件的光編碼器，以及設(shè)計(jì)得使固定裂縫構(gòu)件安置在編碼盤和光源之間的光編碼器。同樣地，在應(yīng)用本發(fā)明時(shí)，對(duì)于結(jié)構(gòu)并沒有特別的限制。
很顯然，假如將上述材料應(yīng)用于線性光編碼器的編碼盤，尤其是編碼光柵，這樣的線性光編碼器同樣可提供相同的功能和優(yōu)點(diǎn)。雖然，在上述的實(shí)施例中，結(jié)合用于檢測(cè)的波長(zhǎng)解釋了紅外范圍(800毫微米到1000毫微米之間)的情況，但這只是一個(gè)例子。例如，即使用一個(gè)具有紅色發(fā)射波長(zhǎng)的發(fā)光二極管來代替紅外發(fā)光二極管作為發(fā)射光單元5，而編碼光柵是用上面所述的材料(聚醚酰亞胺，聚醚砜或聚苯砜)形成的，正如從圖5的曲線圖所顯而易見的，實(shí)際上不會(huì)有什么問題。
本發(fā)明使得多樣選擇用于制造光編碼器編碼盤的材料，在選擇具有好的抗高溫蒸氣、抗切削油脂和抗類似物質(zhì)性能的材料上有一定自由程度的擴(kuò)張，甚至可從看起來不適用于光學(xué)元件的材料中進(jìn)行選擇。結(jié)果，就有可能提供一種即使在惡劣環(huán)境中長(zhǎng)期使用也不會(huì)造成因白混濁和表面形狀的變化而引起性能惡化的光編碼器。
權(quán)利要求
1.一種光編碼器，其特征為，包括一發(fā)射光的光發(fā)射單元；一光接收單元，用于檢測(cè)波長(zhǎng)在預(yù)先確定的檢測(cè)范圍內(nèi)并從所述光發(fā)射單元發(fā)出的檢測(cè)光；和一安置在所述光發(fā)射單元和所述光接收單元之間、具有用樹脂材料形成并由半透明區(qū)和不透明區(qū)組成的編碼光柵的編碼盤；其中在所述的半透明區(qū)，所述樹脂材料關(guān)于波長(zhǎng)在預(yù)定的檢測(cè)范圍內(nèi)的光具有不小于70％的光譜傳輸率，關(guān)于波長(zhǎng)在預(yù)定的檢測(cè)范圍外的光具有不大于50％的光譜傳輸率，而且，不大于50％的光譜傳輸率的范圍至少是可見光波長(zhǎng)范圍的一部分。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光編碼器，其特征為波長(zhǎng)在預(yù)定的檢測(cè)范圍內(nèi)的光為紅外光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的光編碼器，其特征為所述樹脂材料關(guān)于蘭色可見光具有不大于50％的光譜傳輸率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的光編碼器，其特征為所述樹脂材料包括聚醚酰亞胺(Polyetherimide)，聚醚砜(Polyethersulfone)和聚苯砜(Polyphenylsulfone)的任一種。
全文摘要
一種光編碼器，其環(huán)境抵抗性能通過增加對(duì)樹脂制光編碼盤材料選擇的多樣性而得以改進(jìn)。用作制造光編碼器編碼盤的至少一個(gè)編碼光柵的材料要滿足條件“在半透明區(qū)關(guān)于檢測(cè)光具有70％或更高的光譜傳輸率，關(guān)于可見光波長(zhǎng)范圍的一部分光(例如蘭光)具有50％或更低的光譜傳輸率”。如果采用波長(zhǎng)在800毫微米和1000毫微米之間的紅外光作為檢測(cè)光，采用作為有色樹脂材料的聚醚酰亞胺，聚醚砜或聚苯砜是更優(yōu)越的。與慣常使用的透明無色的材料(聚甲基丙烯酸甲酯，聚碳酸酯，玻璃等)相比，這些材料的抗熱、抗油等性能良好，并且在惡劣的環(huán)境中幾乎不會(huì)引起變軟，變形，白混濁等。
文檔編號(hào)G01D5/347GK1540431SQ20041003721
公開日2004年10月27日 申請(qǐng)日期2004年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月24日
發(fā)明者今井圭介, 寺嶋洋也, 也 申請(qǐng)人:發(fā)那科株式會(huì)社