用于光栅尺的反射式光学读数头的制作方法

1.本实用新型涉及电机位置反馈系统，尤其涉及一种用于光栅尺的反射式光学读数头。


背景技术：

2.光栅尺是直线运动系统中常用的测量装置，通常用来对直线位置进行检测，作为伺服系统的全闭环位置反馈。位置反馈系统包括光栅尺和读数头两个部件，常见的读数头利用光干涉的原理，读数头在光栅尺上平移时，读数头内部光源发出的光线照射到测量光栅，光线通过反射方式进入指示光栅，由于测量光栅与指示光栅存在一定夹角θ，根据光线干涉的原理，在指示光栅上形成明暗相间的干涉条纹，读数头感应器将干涉条纹转换成电信号，即可计算出直线运动的位置信息。
3.现有的光栅读数头由于设计原理不一样，设计方案不一样，以及封装结构的原因，体积尺寸做得比较大，不利于在狭小的空间内安装，并且分辨率低。随着半导体设备的兴起，直线运动系统要求高精度、高分辨率的编码器，紧凑化也将成为一种趋势，因此小体积高精度的读数头有迫切的市场需求。


技术实现要素：

4.因此，本实用新型的目的在于提供一种用于光栅尺的反射式光学读数头，满足光学读数头的小体积以及高精度的需求。
5.为实现上述目的，本实用新型提供了一种用于光栅尺的反射式光学读数头，主要包括：由玻璃体封装的反射式光学编码器，信号细分器以及信号输出接口；所述光学编码器，信号细分器以及信号输出接口顺序电性连接，当所述反射式光学读数头贴近光栅尺并相对平行移动时，所述光学编码器有效读取到光栅尺的刻划线信息并输出va相和vb相两路的正余弦模拟信号至信号细分器，所述信号细分器处理接收到的所述正余弦模拟信号形成数字式脉冲信号，输出至信号输出接口并对外输出。
6.其中，还包括z相信号感应器，所述z相信号感应器电性连接所述信号细分器，所述z相信号感应器感应到磁场或者感应到光栅尺上的零位刻划线后输出z相方波信号至信号细分器，所述信号细分器处理接收到所述的z相方波信号形成差分式数字脉冲信号，输出至信号输出接口并对外输出。所述z相信号感应器可以由所述反射式光学编码器内置，也可以在电路板中外置。
7.其中，所述光栅尺由10um的暗刻划条纹和10um的透明条纹构成，从而形成20um栅距的明暗条纹交替的光栅尺。从而，本实用新型的反射式光学读数头能够读取20um栅距的光栅信号。
8.其中，所述z相信号感应器为pcb电路板中外置的霍尔感应器，其型号为sc2430或者同类型传感器
9.其中，所述光学编码器、信号细分器以及信号输出接口设置在一pcb电路板上，所
述pcb电路板相对的两顶角上还分别设置了定位孔。
10.其中，所述pcb电路板上还设有z相信号感应器。
11.其中，所述反射式光学编码器是一种玻璃体封装的元器件，所述玻璃体封装分为两层结构，下面一层为芯片的衬底材料，光学编码器内部的所有电路都建立在衬底材料之上，芯片的引脚分布在衬底材料底部；上面一层为透明玻璃体材料，对光学编码器内部的所有电路进行封装保护，同时光学编码器内部的led光源发出的可见光可以穿透玻璃体发射出去。
12.其中，所述光学编码器包括：led光源，led驱动电路，包括光电二极管阵列的光电二极管单元，以及信号处理单元；所述led驱动电路连接并驱动led光源发射出可见光，经过光学编码器内部的一个狭缝形成衍射图像，投射至对应的光栅尺上；所述光电二极管阵列接收对应的光栅尺所反射回的衍射图像并形成相应的电信号，所述光电二极管单元连接并输入所述电信号至信号处理单元进行处理，所述信号处理单元输出va相和vb相两路的正余弦模拟信号。
13.其中，所述信号细分器包括：a相输入模块、b相输入模块、信号处理模块、信号生成模块以及信号输出模块；所述a相输入模块、b相输入模块电性连接所述信号处理模块，所述信号处理模块电性连接所述信号输出模块；所述a相输入模块用于接收va相正弦模拟信号va+和va-，所述b相输入模块用于接收vb相余弦模拟信号vb+和vb-，所述信号处理模块通过其包含的信号生成模块将其接收到的va相正弦模拟信号、vb相余弦模拟信号加以处理形成相应的信号输出至信号输出模块以对外输出。
14.其中，所述信号细分器还包括存储模块和通讯接口模块，所述存储模块电性连接通讯接口模块，所述通讯接口模块作为编程接口以输入所述信号细分器的参数设置，所述存储模块保存所述的信号细分器的参数设置。
15.其中，所述信号细分器还包括z相输入模块，所述z相输入模块电性连接所述信号处理模块；所述z相输入模块用于接收z相信号感应器输出的z相方波信号，所述信号处理模块通过其包含的信号生成模块将其接收到的z相方波信号加以处理形成差分式数字脉冲信号输出至信号输出模块以对外输出。所述信号处理模块对z相方波信号的相位角和输出脉冲宽度进行调理，输出符合需求的信号。
16.综上，本实用新型的用于光栅尺的反射式光学读数头，可以满足光学读数头的小体积以及高精度的需求。
附图说明
17.下面结合附图，通过对本实用新型的具体实施方式详细描述，将使本实用新型的技术方案及其他有益效果显而易见。
18.附图中，
19.图1为本实用新型用于光栅尺的反射式光学读数头一较佳实施例的电路方框图；
20.图2为本实用新型用于光栅尺的反射式光学读数头的工作原理示意图；
21.图3为图1所示实施例的pcb设计示意图；
22.图4为本实用新型用于光栅尺的反射式光学读数头一较佳实施例的光学编码器的电路结构示意图；
23.图5为图4所示光学编码器的外部俯视图；
24.图6为图4所示光学编码器形成的正余弦模拟信号图；
25.图7为本实用新型用于光栅尺的反射式光学读数头一较佳实施例的信号细分器的电路方框图；
26.图8为图7所示信号细分器形成的正余弦数字信号方波图；
27.图9为本实用新型用于光栅尺的反射式光学读数头一较佳实施例的霍尔传感器的外部示意图。
具体实施方式
28.参见图1，其为本实用新型用于光栅尺的反射式光学读数头一较佳实施例的电路方框图。本实用新型反射式光学读数头电路主要由反射式光学编码器10和信号细分器20组成，主要元器件只有2个，其中反射式光学编码10为14pin脚的玻璃体封装，因此能够制作出小体积小尺寸的读数头。进一步还可以包括信号输出接口40以对外输出信号。光学编码器10，信号细分器20以及信号输出接口40顺序电性连接，当所述反射式光学读数头贴近光栅尺并相对平行移动时，所述光学编码器10有效读取到光栅尺的刻划线信息并输出va相和vb相两路的正余弦模拟信号至信号细分器20，所述信号细分器20处理接收到的所述正余弦模拟信号形成数字式脉冲信号，输出至信号输出接口40并对外输出，对此脉冲信号进行计数统计即可计算出本实用新型的反射式光学读数头在光栅尺上面移动的相对距离。
29.参见图2，其为本实用新型用于光栅尺的反射式光学读数头的工作原理示意图。本实用新型专利的反射式光学读数头，工作原理如下：
30.本实用新型的反射式光学读数头的光学编码器10内部设计有led光源，led光源可发射出可见光，例如中心波长为632nm的可见光。led光源发射的光线通过所述光学编码器内部的一个狭缝形成衍射图像，投射到20um栅距的光栅尺50上。所述20um栅距的光栅尺50，由10um的暗刻划条纹和10um的透明条纹构成，明暗条纹交替。led光源发射的光线经过狭缝形成衍射图像投射到光栅尺50上面暗刻划线，被暗刻划线反射回来的衍射图像并聚焦在光学编码器10。光学编码器10内部的光敏传感器阵列接收到衍射图像，并转换成相应的电信号。输出的电信号的幅值与衍射图像的强弱成正比，衍射图像越强，电信号辐值越大，相反，衍射图像越弱，电信号辐值越小，从而形成了正余弦模拟信号。
31.光学编码器10贴近光栅尺50相对平行移动时，光学编码器10通过光学的原理，有效读取到光栅尺50的刻划线信息，输出两路信号，其中两路信号为va和vb相的正余弦模拟信号。而且，两路正余弦模拟信号va和vb相差90
°
相位角。当然，va相正余弦模拟信号包含va+、va-一对相差180
°
相位角的信号，va+、va-信号统称为va相信号；vb相正余弦模拟信号包含vb+、vb-一对相差180
°
相位角的信号，vb+、vb-信号统称为vb相信号。光栅尺50上两条刻划线之间的距离为20um，称之为一个栅距(pitch),那么光学编码器10在相对光栅尺50移动一个pitch距离的时候，光学编码器10将输出一个完整循环周期的ab相的正余弦模拟信号va和vb。同样可理解为，一个完整循环周期的ab相的正余弦模拟信号即代表一个pitch的移动距离。为此，对完整循环周期的ab相正余弦模拟信号进行计数统计，即可计算出光学编码器10在光栅尺50上面移动的相对距离。
32.本实用新型的反射式光学读数头的光学编码器10能有效读取20um栅距的光栅尺
50，还可根据需求来设置读数头的分辨率以提高测量精度。
33.本实用新型用于光栅尺的反射式光学读数头还可以包括另一路信号输出，其为z相脉冲信号，当然有些实施例的电路设计中也可以无z相脉冲信号输出。
34.在图1所示较佳实施例中，本实用新型反射式光学读数头电路还可以包括z相信号感应器30，z相信号感应器30感应到磁场或者零位刻划线后输出z相方波信号至信号细分器20，所述信号细分器20处理接收到所述的z相方波信号形成差分式数字脉冲信号，输出至信号输出接口40并对外输出。z相信号感应器感应到零位刻划线或挡片或磁场后，输出z相方波信号或者模拟信号，z相信号通常被称为零位信号，一般用于运动系统找原点。
35.当所述z相信号感应器30通过接口电性连接至所述信号输出接口40并将所感应处理得到的z相数字信号输出至信号输出接口40，所述信号输出接口40将接收到的z相数字信号对外输出。
36.在其他实施例中，如z相信号感应器输出模拟信号，则z相信号感应器也可以通过接口电性连接至信号细分器并将所感应到的z相模拟信号输出至信号细分器，信号细分器处理接收到的z相模拟信号形成z相数字信号输出至信号输出接口，信号输出接口将接收到的z相数字信号对外输出。
37.本实用新型反射式光学读数头的电路中所采用的z相信号感应器可以为霍尔感应器，对于不同型号的霍尔感应器型号，霍尔感应器可以输出模拟信号或者数字信号。
38.参见图3，其为图1所示实施例的pcb设计示意图。采用本实用新型专利的光学读数头的电路原理，可设计成不同的外形尺寸的pcb电路。如图3所示，在pcb电路板60上分别顺序设置信号输出接口40，信号细分器20，光学编码器10，以及z相信号感应器30，pcb电路板60相对的两顶角上还分别设置了定位孔70。在此较佳实施例中，pcb电路板60的尺寸为31.5mm
×
8.2mm，尺寸尤为小巧。在其它实施例中，也可以把信号细分器20和光学编码器10两个主要元器件放置在pcb电路板正反面，也可以把两个主要元器件分开放置到两块pcb或fpc上面等各种实现方法，可以进一步满足尺寸变小的需求以及其它特殊需求，但是其电路原理都一样，都是本实用新型专利的保护范围。
39.本实用新型专利，用较少的元器件实现高精度、小体积的光学读数头，尺寸小巧、轻薄，成本优势明显。在一些实例中，读数头的整体设计结构尺寸可以在35mm*10mm*3mm以下，可以在电机行业领域获得实际应用。本实用新型专利在半导体设备领域，智能制造领域，自动化领域，以及电机行业都具有很高的商业价值。
40.本实用新型专利所提供的反射式光学读数头，实物在实际应用中经过检验，性能稳定可靠，精度高，能够有效读取20um栅距的光栅信号。
41.参见图4，其为本实用新型用于光栅尺的反射式光学读数头一较佳实施例的光学编码器的电路结构示意图，另外附加了对应的光栅尺以对电路功能进行说明。在此较佳实施例中，光学编码器10主要包括：led光源11，驱动led光源11的led驱动电路12，包括光电二极管阵列14的光电二极管单元13，以及信号处理单元15。光学编码器10还包括外围匹配的各路引脚，以相应输入/输出各种信号。与读数头的光学编码器10对应的光栅尺50上间隔设有反射的暗刻划线51以及非反射的透明条纹52。在此实施例中，暗刻划线51的宽度为10um，透明条纹52的宽度也为10um，明暗条纹总宽度等于20um，称之为光栅尺的一个pitch栅距。在驱动电路的作用下，led光源可发射出可见光，例如中心波长为632nm的可见光，led光源
发射的光线通过所述光学编码器内部的一个狭缝形成衍射图像，投射到20um栅距的光栅尺50上的暗刻划线51，被暗刻划线51反射回来的衍射图像并聚焦在光学编码器10。光学编码器10内部的光敏传感器阵列14接收到衍射图像，并由信号处理单元15转换成相应的电信号。
42.led驱动电路12连接并驱动led光源11发光至对应的光栅尺50，光电二极管阵列14接收对应的光栅尺50所反射回来的衍射图像并形成相应的信号，光电二极管单元13连接并输入所述信号至信号处理单元15进行处理，信号处理单元15输出va相和vb相两路的正余弦模拟信号。
43.参见图5，其为图4所示光学编码器的外部俯视图。与图4所示的电路结构示意图对应，光学编码器10在布局上形成了与led光源11对应的led光源发射区16，与光电二极管阵列14对应的光线接收区17，以及与内部电路对应的光线接收处理电路区18。
44.本专利的光学编码器10是一种玻璃体封装的元器件，所述玻璃体封装分为两层结构，下面一层为芯片的衬底材料，光学编码器10内部的所有电路都可以建立在衬底材料之上，芯片的引脚分布在衬底材料底部；上面一层为透明玻璃体材料，对光学编码器10内部的所有电路进行封装保护，同时光学编码器10内部的led光源11发出的可见光可以穿透玻璃体发射出去。
45.参见图6，其为图4所示光学编码器形成的正余弦模拟信号图。光栅尺50上两条刻划线51之间的距离，称之为一个pitch,那么光学编码器相对光栅尺50移动一个pitch距离的时候，光学编码器将输出一个完整循环周期的ab相的正余弦模拟信号va和vb。
46.结合如下表1、图4及图5，可进一步理解图4所示光学编码器的功能及结构。
47.表1、光学编码器脚位定义及功能说明
48.脚位序号脚位名称i/o功能说明1sw1ipled亮度控制开关12sw2ipled亮度控制开关23vcc/电源供电+5vdc4nc/无连接5nc/无连接6nc/无连接7swvip参考电压设置8vrefo参考电压输出9vb-ovb相模拟输出信号vb-10vb+ovb相模拟输出信号vb+11va-ova相模拟输出信号va-12va+ova相模拟输出信号va+13nc/无连接14gnd/电源地
49.参见图7，其为本实用新型用于光栅尺的反射式光学读数头一较佳实施例的信号细分器的电路方框图。在此较佳实施例中，信号细分器20主要包括：a相输入模块21、b相输入模块22、z相输入模块23、信号处理模块24、信号生成模块25、存储模块26、带隙基准电压
模块27、通讯接口模块28、信号输出模块29、重置模块201、系统时钟模块202、以及index信号使能模块203。a相输入模块21用于接收a相正弦模拟信号，b相输入模块22用于接收b相余弦模拟信号，z相输入模块23用于接收z相方波信号，index信号使能模块203接收并处理来自z相输入模块23的z相方波信号然后输出至信号处理模块24，所述信号处理模块24通过其包含的信号生成模块25将其接收到的a相正弦模拟信号、b相余弦模拟信号及z相方波信号加以处理，调整z相脉冲信号与ab相脉冲信号的相位关系，以及z相脉冲信号的脉宽。abz相脉冲信号经过所述的信号生成模块25形成相应的差分式数字脉冲信号输出至信号输出模块29以对外输出。存储模块26电性连接通讯接口模块28，通讯接口模块28具体可以为spi串行通讯接口或者其它适合的通讯接口，通讯接口模块28可以作为编程接口，以输入信号细分器20的参数设置。存储模块26则可以用于保存信号细分器20的参数设置。带隙基准电压模块27输出参考电压。重置模块201用于接收外部重置信号，以重置信号细分器20。系统时钟模块202主要用于信号细分器20的时钟信号处理，可以选择内部时钟或者外部时钟。
50.可以理解，在此实施例中包含了用于处理z相信号的相关模块，对于其它不需要处理z相信号的实施例或者z相信号为模拟信号或数字信号等情况，可以对用于处理z相信号的相关模块进行取舍或改变，在此不再赘述。信号生成模块25在此实施例中可以为用于生成abz-/uvw信号的模块，在其它实施例中，根据所需信号的变化也可以对信号生成模块25进行相应的改变。在此实施例中，存储模块26具体可以为eeprom/寄存器，在其它实施例中，存储模块26也可以采用其他适合的硬件。
51.参见图8，其为图7所示信号细分器形成的正余弦数字信号方波图。信号细分器对光学编码器输出的信号进行调理处理，把ab相的正余弦模拟信号va和vb转换成差分式数字脉冲信号，便于长距离的信号传输。va相正余弦模拟信号va+、va-经过信号细分器处理后输出a+、a-一组差分式数字脉冲信号，vb相正余弦模拟信号vb+、vb-经过信号细分器处理后输出b+、b-一组差分差分式数字脉冲信号,信号细分器将输出a+、a-,b+,b-共两组差分式数字脉冲信号。a+、a-,b+,b-差分式数字脉冲的信号周期，等于ab相的正余弦模拟信号va和vb的信号周期。a+、a-,b+,b-差分信号是一种数字式脉冲信号，对此脉冲信号进行计数统计，即可计算出光学编码器在光栅尺上面移动的相对距离。一个完整循环周期的正余弦模拟，可以理解为对应一个pitch栅距的距离，即20um。
52.结合如下表2、图7及图8，可进一步理解图4所示光学编码器的功能及结构
53.表2、信号细分器脚位定义及功能说明
54.[0055][0056]
信号细分器还可以含有spi串行通讯接口，通过spi串行通讯接口可设置内部参数，即可对信号的幅值进行比例调整。信号细分器能够对正余弦模拟信号进行插值处理，使得一个循环周期的正余弦模拟信号，能够输出更多的差分脉冲信号，从而提高读数头的分辨率，提高测量精度。插值的大小，也是可在信号细分器中进行参数设置。所谓插值，是指信号细分器对光学编码器输出的va和vb相正余弦模拟信号进行分割，且是按比例均等分割。
[0057]
参见图9，其为本实用新型用于光栅尺的反射式光学读数头一较佳实施例的霍尔传感器的外部示意图。在此实施例中，霍尔传感器可以是型号为sc2430的霍尔传感器及同类型霍尔传感器，包括用于连接电源的端子1，用于输出信号的端子2，以及用于接地的端子3。
[0058]
本实用新型的反射式光学读数头实施方案，利用反射式光学编码器和信号细分器2颗主要元器件，制作的光学读数头体积小、精度高，为直线运动系统紧凑化创造了条件，在半导体设备领域、智能制造领域、自动化领域和电机行业都具有很高的商业价值。
[0059]
综上，本实用新型的用于光栅尺的反射式光学读数头，通过利用玻璃体封装的光学编码器和信号细分器的技术设计，实现一种高精度、小体积的光学读数头，可读取20um栅
距的光栅信号，还能通过信号细分器来设置编码器分辨率以提高测量精度，同时支持编码器信号的调理。
[0060]
以上所述，本实用新型专利提供一种反射式光学读数头的设计原理和设计方案，所述方案包括：玻璃体封装的反射式光学编码器和信号细分器2颗主要元器件。所述信号细分器可以根据需要替换成同类型的其他细分器，但是光学读数头的设计原理是一样的，都属于本专利权利要求的保护范围。
[0061]
对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本实用新型的技术方案和技术构思做出其他各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应属于本实用新型后附的权利要求的保护范围。