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专利名称：光学旋转编码器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种连接在电动机旋转轴及其类似物上的光学旋转编码器，用来探测旋转轴的转动位置。特别是涉及一种具有在编码器制造过程、检查过程、维护等过程中用于转盘和光学探测器之间位置关系的检查、调整及类似操作的机械装置的光学旋转编码器。
背景技术：
光学旋转编码器通常用于探测如电动机旋转轴的转动角度。在光学旋转编码器用来探测旋转支撑轴的转动角度时，有必要把旋转编码器和旋转轴结合起来。通常，光学旋转编码器设置在一个机械装置的结构中，在该结构中，一个装有由狭缝或类似物构成的电码图的玻璃或者塑料圆盘(旋转代码板)安装在旋转轴上，处于静态系统中时，各种用来探测光束的光学元件事先装配好，光束由旋转代码板根据轴的旋转调制而成。这些光学元件包括一个发光物体如发光二极管(LED)、一个固定遮光板、一个光接收元件等等。为了支撑旋转的圆盘，一种轴承如滚球轴承被广泛使用。
具有这样一种结构的光学旋转编码器对于高精度地探测旋转轴的旋转角位置是必需的。因此，包括圆盘在内的各种光学元件之间的位置关系必须保持在几μm级的高精度上。特别是对于用于超精度定位的电动机，在角度探测时需要特别高的精度，圆盘的旋转必须特别光滑。如果一个产生摩擦力的轴承被安装在编码器装置中，它将损害角度探测的精确性和旋转的光滑性，从而在超精度定位过程中造成麻烦。
处理这个问题的一个可以想到的对策是给光学旋转编码器提供一个支撑机构，支撑机构能保持连接在编码器上的旋转圆盘和用于探测旋转圆盘旋转角度的光学探测器之间的位置关系，使得光学旋转编码器在制造、检查、维护及类似过程中，旋转圆盘在与旋转轴(例如电动机)分离的状态下旋转，旋转轴使用时实际上受旋转角度探测的约束。以液体轴承为例，尽管它可以用做一个支撑机构，但存在一个缺点，编码器装置由于使用液体轴承而占用许多空间。此外，构成液体轴承的零件必须用特别高的精度来组装，这样就在成本和人力方面造成另一个不利状况。
现有的日本专利文献JP3-94422U描述了一个使用一个液体轴承的光学旋转编码器。JP3-94422U披露了一个与编码器一体的气锭装置，在该装置中，带有狭缝的编码器的轴，需要做为一个气动轴承来高精度地组装。而且，尽管如果编码器装置做为包括一个锭轴和一个光学系统的个体是可分离的和可调节的在考虑到维护方面有它的好处，但编码器和上述文献中描述的结构不能成为一个整体，会对可维护性造成不利。

发明内容
本发明提供一种可节省空间并具有高可维护性的光学旋转编码器，可减少加工高精度配件的成本。
根据由事先加工成的无变形、几微米级高精确平面度光滑面的玻璃、塑料等制成的光学旋转编码器的旋转圆盘知识，本发明介绍一种构思使用圆盘表面做为液体轴承、滑动轴承或滚动轴承的主要轴承面。
本发明的光学旋转编码器连接到一个旋转轴上并探测旋转轴的位置。光学旋转编码器包括一个其反面具有用于光探测的编码图的旋转圆盘、一个和旋转圆盘一起与旋转轴连接的固定圆盘用的圆盘支持架、一个用于旋转支撑旋转圆盘两表面以限制旋转圆盘在其轴向上位移的的轴承、和一个用来探测使用编码图的旋转圆盘转动位置的静态光辐射探测器。
轴承可以由给旋转圆盘另一面供应液体的液体轴承组成。液体轴承可以由静态压气动轴承组成。
做为选择，轴承可以由滑动轴承或者滚动轴承组成，这两种轴承分别设置再旋转圆盘两表面和正对着旋转圆盘的静态部件之间。
光学旋转编码器可以进一步包含一个为旋转支撑圆盘支持架的圆周表面来限制旋转圆盘在其径向上的位移的液体轴承。液体轴承可以包含一个静态压气动轴承。
本发明的光学旋转编码器中，因为旋转圆盘的相对面做为一个限制旋转圆盘在其轴向上的位移的静态气动轴承、滑动轴承或滚动轴承的主要轴承表面，旋转圆盘和静态光辐射探测器的位置关系被高精度地维持，所以不需要为限制旋转圆盘轴向位移的轴承提供另外的空间，不需要对轴承的轴承面做高精度的加工。本发明的编码器这样构成使其可从旋转轴做为一个个体分离，因此提供了高可维护性。


图1为说明本发明第一实施例中光学旋转编码器一般结构的截面视图，以及编码器相对于旋转轴的连接和拆卸的截面视图；图2为图1中光学旋转编码器沿图1中A-A线方向的截面图；图3为说明本发明第二实施例中光学旋转编码器一般结构的截面图；和图4为说明本发明第三实施例中光学旋转编码器一般结构的截面图。
具体实施例方式
在下文中，实现本发明的最佳方式将参照图1到图4进行说明。首先，本发明第一实施例(使用一个液体轴承)将参照图1和图2进行说明。图1为说明本发明第一实施例中光学旋转编码器一般结构的截面图，以及编码器相对于旋转轴(使用时实际上受旋转角度探测的约束，如电动机的旋转轴)的连接和分拆图；图2为沿图1中A-A线方向的截面图。
在上述图中，附图标记10代表一个旋转圆盘，旋转圆盘上的由透光部分和遮光部分组成的编码图由规定模式构成。附图标记1表示一个沿Z-Z轴向旋转的旋转轴。旋转圆盘10固定在圆盘支持架5上，圆盘支持架5以适当的固定装置如固定螺钉安装在旋转圆盘10上。旋转圆盘10容纳在与光探测装置4在一起的圆柱容器20中，光探测装置包括用于探测光辐射的各种光学元件和后述的液体轴承装置，其中光辐射根据旋转轴1的转动而调制。
包括在光探测装置4中的光学元件为发光器件如发光二极管、固定遮光板、光接收元件及其类似物。这样组成的光探测装置4广为人知，对每个这样的发光元件的说明和详细解释将被省略。光探测装置4和液体轴承装置是包含静态系统和容器20的部件，即使旋转轴1在转动，它们也维持在一个固定状态，并通过适当的固定装置(诸如螺旋夹具、粘附和综合固定方式)固定在容器20上。
圆盘支持架5有一个沿精确垂直于旋转圆盘10展开面方向延伸的圆柱状开孔部分51。在容器20底部中央区域形成一个具有与开孔部分51一样直径的钻孔。
开孔部分51具有通过容器底部钻孔内接于旋转轴1并与旋转轴1外径相符合的内径。旋转轴1周围是由附图标记2和3表示的静态系统安装部分。如图1箭头所示，静态系统(光探测装置4和气动轴承装置)能与容器20一起被固定在静态系统固定部分2和3上。静态系统固定部分2和3由一定尺寸和形状的框架及其类似物所形成，其尺寸和形状适合于固定在相邻固定物体上的静态系统底座。
当静态系统固定在静态系统固定部分2和3后，圆盘支持架5和旋转圆盘10与旋转轴1相内接。圆盘支持架5使用公知的固定装置如固定螺钉固定在旋转轴1上。这样固定后，如果旋转轴1转动，圆盘支持架5和圆盘10同时也产生同样的旋转运动。随同旋转，光学探测装置4根据旋转轴1的转动产生光学信号。光束以公知的方式转换成电信号，从而探测旋转轴1的转动角度位置。
为了使这样的探测稳定而又高精确性，当旋转圆盘10和圆盘支持架5转动时，要求布置在光学探测装置4的发光器件(比如发光二极管LED)与光测器之间的位置关系能够被高精度地维持。可以提供气动轴承装置用来使维持旋转圆盘10和光探测装置(探测转动角度的光探测器)4之间的位置关系，使得旋转圆盘10在光学旋转编码器的制造过程、检查过程、维护过程及其类似过程中与旋转轴1脱离的状态下是可转动的。应用在这里的一种气动轴承装置，是一种通过一个压缩气流通道6和压缩空气喷嘴7在旋转圆盘10侧面和圆盘支持架5的外部圆周表面喷射压缩空气的架构。
压缩气流通道6与一个未显示的压缩空气供应源相连接，并从这里接收调整到适当高压的压缩空气的供应。参照图2，C表示的阴影部分代表一个静压轴承表面的旋转圆盘10的例子，附图标记7代表喷射压缩空气到旋转圆盘10两表面的压缩空气喷嘴位置。压缩空气喷嘴7的尺寸、喷射压力及类似参数经过设计使得旋转圆盘10的两个静压轴承面接受到来自压缩空气的相同的力。通过这样做，在旋转轴1转动期间，“产生在与旋转轴1平行方向的旋转圆盘10的位移”被限制。结果，发光器件(例如，发光二极管LED)和光测器之间的位置关系相对于旋转轴1平行方向被高精度地保持。
如图1说明，压缩空气能够被从气流通道6中喷出到圆盘支持架5的外部圆周(参照特征D)上。因此，“产生于垂直旋转轴1方向(径向)的位移”也被限制，结果，发光器件(例如发光二极管LED)和光测器之间的位置关系被高精度地保持。指向圆盘支持架5外部圆周的喷射位置和压力被确定使得一个非对称的力不能关于Z-Z轴产生作用。
如上文描述，在图1和图2所示光学旋转编码器中，旋转圆盘10表面被用做关于旋转轴方向的限制静压气动轴承的延伸轴承面。因此，构造高精度地维持与光学元件位置关系而不需要准备额外空间的静轴承是可能的。此外，因为先前高精度制作的旋转圆盘10的表面用做静压轴承面，重新高精度地进行各部件加工没有必要。
这样构造编码器使得其作为一个装置可以沿与图1箭头相反的方向没有困难地分离，从而提供良好的可维护性。
当流体流进液体轴承装置时，可能使用上述实施例提到的空气也可能使用其他气体(例如氦和二氧化碳气体)或者液体如油。
如果滑动轴承或滚动轴承安置在旋转圆盘10的两表面与面对着对应圆盘面的元件表面之间代替上述实施例中的液体轴承，产生在旋转轴方向的旋转圆盘10的位移能得到限制。这样的例子在图3和图4作为第二和第三实施例局部地进行了说明。图3为使用滑动轴承的例子，图4是使用滚动轴承的例子。在图3和图4中，对应于图1中旋转轴1和静系统固定部分3的部件没有显示。在第二和第三实施例中，无论如何，这些部件是一样的，所以“旋转轴1”和“静系统固定部分3”最好也用于下列解释中。
如同在第一实施例(图1和2)的案例中，旋转圆盘由附图标记10表示，旋转圆盘中，未显示的编码图由按规定样式形成的透光部分和遮光部分组成。旋转轴线由Z-Z表示。为了支撑旋转圆盘10，旋转圆盘10通过适当的固定装置如固定螺钉固定在圆盘支持架5上。旋转圆盘10和包括不同光学元件的光探测装置4及轴承装置一起容纳在圆柱容器20中，这些光学元件用于探测根据旋转轴1转动进行调制的光。光探测装置4的设计如上所述，不再重复说明。光探测装置4和轴承机构是由静态系统和容器20组成的部件，即使旋转轴1转动，光探测装置4和轴承机构也维持一种固定状态，并通过适当的固定装置(诸如螺旋夹具、粘附和综合固定方式)固定在容器20上。
圆盘支持架5具有沿精确垂直于旋转圆盘10扩展面的方向延伸的圆柱状开口部分51。在容器20底部中央区域形成一个与开口部分51一样直径的钻孔。开孔部分51具有通过容器底部钻孔内接于旋转轴1并与旋转轴1外径相符合的内径。旋转轴1周围是由附图标记2和3表示的静态系统安装部分。因此，如图1箭头所示，静态系统(光探测装置4和气动轴承装置)能与容器20一起被固定在静态系统固定部分2和3上。
在这里，如图3和4所显示，轴承机构在第二实施例中是滑动轴承30，在第三实施例中是滚动轴承40。轴承30和40位于旋转圆盘10两表面和相对于各自侧面的元件(构造每个轴承机构的一部分)之间，从而限制了旋转圆盘10相对于轴承30和40旋转轴方向的位置。因为旋转圆盘10表面充当为在旋转轴方向限制轴承30和40的扩展轴承面，有可能构造高精度地维持与光学元件位置关系而不需要准备额外空间的轴承。此外，先前高精度制作的旋转圆盘10的表面用做轴承面，使得重新高精度地进行各部件加工没有必要。这样构造编码器使得其作为一个装置可以沿与图1箭头相反的方向没有困难地分离，从而提供良好的可维护性。
权利要求
1.一种连接在旋转轴上的光学旋转编码器，用于探测旋转轴的转动位置，包括一个旋转圆盘，其两表面都具有用于光学探测的编码图；一个圆盘支持架，支持所述旋转圆盘，和所述旋转圆盘一起连接到旋转轴上；一个轴承，可旋转地支撑着所述旋转圆盘的两个表面，以限制所述旋转圆盘在其轴向上的位移；和一个静态光探测器，使用编码图探测所述旋转圆盘转动位置。
2.权利要求1所述的一种光学旋转编码器，其中所述轴承包括一个供应流体到所述旋转圆盘两表面的液体轴承。
3.权利要求2所述的一种光学旋转编码器，其中所述液体轴承包括一个静压空气轴承。
4.权利要求1所述的一种光学旋转编码器，其中所述轴承包括分别在所述旋转圆盘两表面和正对着所述旋转圆盘面的静态部件之间设置的滑动轴承。
5.权利要求1所述的一种光学旋转编码器，其中所述轴承包括分别在所述旋转圆盘两表面和正对着所述旋转圆盘面的静态部件之间设置的滚动轴承。
6.权利要求1所述的一种光学旋转编码器，还包括可旋转地支撑着由所述圆盘支持架的一个圆周表面来限制所述旋转圆盘在其径向上的位移的液体轴承。
7.权利要求6所述的一种光学旋转编码器，其中所述液体轴承包括一个静压空气轴承。
全文摘要
一种使用液体轴承的光学旋转编码器，能节省空间，降低各部件高精度加工成本，并具有卓越的可维护性。一个旋转圆盘固定在一个圆盘支持架上，并和一个液体轴承机构和一个光学探测装置一起容纳在一个圆柱容器中。光学探测装置和液体轴承机构和容器组成一个静态系统，即使旋转轴转动，也能维持一种固定状态，并和容器一起固定在静态系统固定部分上。圆盘支持架和旋转圆盘安装在旋转轴上。压缩空气通过一个压缩气流通道和一个压缩空气喷嘴喷射到旋转圆盘的两表面上，从而限制圆盘在平行于旋转轴方向上的位移。压缩空气也通过压缩气流通道喷射到圆盘支持架的外部圆周上，从而限制圆盘产生在垂直于旋转轴方向上的位移。使用氦气或油来充当流体是可能的。
文档编号G01D5/26GK1611919SQ20041008679
公开日2005年5月4日 申请日期2004年10月29日 优先权日2003年10月29日
发明者河合知彦, 谷口满幸, 见波弘志 申请人:发那科株式会社