DE3305921A1

DE3305921A1 - Optische vorrichtung zur erzeugung einer sinusfoermigen wellenform mit einem niedrigen anteil an harmonischen

Info

Publication number: DE3305921A1
Application number: DE19833305921
Authority: DE
Inventors: Douglas James Bonnyrigg Lothian Rogers
Original assignee: Ferranti PLC
Current assignee: Ferranti International PLC
Priority date: 1982-02-25
Filing date: 1983-02-21
Publication date: 1983-09-01
Also published as: GB2116313B; JPS58157203A; FR2522164A1; GB2116313A

Description

Patentanwälte

Dr. rsr. n-ji. Thomas Berendt

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Unser Zeichen: A 14 Lh/fi

Ferranti plc

Bridge House, Park Road, Gatley, Cheadle, Cheshire, England

Optische Vorrichtung zur Erzeugung einer sinusförmigen Wellenform mit einem niedrigen Anteil an Harmonischen

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zur Erzeugung einer sinusförmigen Wellenform mit einem niedrigen Anteil an Harmonischen.

Optische Vorrichtungen werden häufig benutzt zur Erzeugung von elektrischen Signalen, die danach durch eine elektronische Schaltung weiterverarbeitet werden. Positions-Codierer sind ein Beispiel, die solche Vorrichtungen verwenden, welche gewöhnlich zwei relativ zueinander bewegliche Teile haben, von denen jedes ein Bild oder Muster trägt. Eine Lichtquelle und eine lichtempfindliche Einrichtung wirken mit den beiden Teilen zusammen, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das dazu verwendet werden kann, die Richtung und die Größe einer Relativbewegung der beiden Teile zu bestimmen.

Für die meisten Zwecke ist ein elektrisches Rechteckwellensignal geeignet, insbesondere wenn es zur Betätigung digitaler Schaltungen bestimmt ist. Es gibt jedoch Fälle, in welchen komplexe analoge elektronische Schaltungen zur Verarbeitung der Signale benutzt werden. In solchen Fällen wird vorgezogen, daß die optisch abgeleiteten elektrischen Signale sinusförmig sind, wobei ihr Anteil an Harmonischen bzw. ihr Oberwellengehalt so niedrig wie möglich ist.

Nach der Erfindung ist eine optische Vorrichtung zur Erzeugung einer sinuförmigen Wellenform mit einem niedrigen Anteil an Harmonischen vorgesehen, die ein erstes Element umfaßt, das ein Muster mit optischer Durchlässigkeit trägt, das sich sinusförmig längs einer Achse verändert, einem zweiten Element mit einer öffnung, deren Breite längs dieser Achse zwischen einem Viertel und drei Viertel der Wellenlänge dieses sinusförmigen Musters liegt, einem lichtempfindlichen Gerät, das auf Licht anspricht, das durch die öffnung und dieses Muster von einer Lichtquelle her durchfällt, sowie Einrichtungen zur Erzeugung einer relativen Bewegung zwischen dem ersten und dem zweiten Element in einer Richtung parallel zu dieser Achse.

Nach der Erfindung ist ferner ein Positions-Codierer vorgesehen, der Einrichtungen der vorgenannten Art enthält, wobei das erste Element von einem von zwei Körpern getragen wird, die relativ zueinander in einer Richtung parallel zu dieser Achse beweglich sind, wobei ferner das zweite Element an dem anderen der beiden Körper angebracht ist.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 schematisch das Muster an dem ersten Element zeigt.

Fig. 2 zeigt die optische Anordnung.

Fig. 3 zeigt eine praktische Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 4 zeigt im Detail eine Abwandlung der Ausführungsforni nach Fig.

Fig. 5 zeigt einen Teil eines Codierers, der die Vorrichtung nach der Erfindung verwendet.

Fig. 1 zeigt ein erstes Element 10, das aus einem undurchsichtigen Material besteht oder einen undurchsichtigen überzug hat, und auf dem ein Muster in Form eines Schlitzes 11 variabler Breite mit sinusförmigen Rändern ausgebildet ist. Ein zweites Element 12 ist mit einer öffnung 13 versehen, deren Breite gleich die Hälfte einer Wellenlänge des sinusförmigen Musters beträgt. Wenn die beiden Elemente relativ zueinander in einer Richtung parallel zur Längsrichtung des Schlitzes 11 bewegt werden, wie durch den Pfeil 14 angezeigt, dann verändert sich die durch das Muster und den Schlitz hindurchtretende Lichtmenge sinusförmig.

Fig. 2 zeigt die weiteren Komponenten zur Erzeugung eines sinusförmigen elektrischen Signales. Die beiden Elemente 10 und 12 sind benachbart und parallel zueinander angeordnet, wobei auf einer Seite eine Lichtquelle und auf ihrer anderen Seite ein lichtempfindliches Gerät 16 angeordnet sind,

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Derartige Anordnungen sind bekannt, weshalb die optischen Elemente, wie z.B. die Linsen, weggelassen worden sind.

Zur Erzeugung der gewünschten Wellenform ist es erforderlich, eine Relativbewegung zwischen den beiden Elementen herbeizuführen. Dies geht besonders einfach, wenn eines der beiden in Form einer Scheibe ausgebildet ist, die sich dreht, während das andere Element stationär gehalten wird. Da die öffnung 13 leichter herzustellen ist, wird zweckmäßigerweise eine Scheibe mit einer Anzahl von öffnungen verwendet, während das stationäre Element das sinusförmige Muster trägt. Fig. 3 zeigt eine solche Ausführungsform mit einem stationären Element oder Index 17 und einer rotierenden Scheibe oder Skala 18.

Um im Betrieb Fehler zu vermeiden, etwa aufgrund von Ungleichheiten der Lichtquelle oder des Ansprechvermögens des lichtempfindlichen Gerätes über seine empfindliche Fläche, ist es zweckmäßig , eine Anzahl von öffnungen in der Skala vorzusehen, die eine Anzahl von sinusförmigen Mustern auf dem Index überlappen. Der Abstand der Mitten der öffnungen entsprichi

jedoch der Wellenlänge des Musters, so daß Veränderungen des Lichtes, das durch jede öffnung fällt, in Phase zueinander sind. Im Falle einer rotierenden Skala sind die öffnungen radial und nicht exakt parallel zueinander angeordnet, wobei in diesem Fall die sinusförmigen Muster ebenso angeordnet sind, wobei die Wellenlängen dem Abstand der öffnungen entsprechen.

Fig. 4 zeigt einen Teil einer solchen Skala und eines Indexes. Wie Fig. 4 zeigt, trägt der Index 17 drei sinusförmige Muster 11, die parallel zueinander angeordnet sind. Die Skala 18, von der nur ein Teil dargestellt ist, hat eine Anzahl von öffnungen 13, vier im dargestellten Beispiel, von denen sich jede über eine Halbperiode von jedem der sinusförmigen Muster erstreckt. Ein einziges lichtempfindliches Gerät spricht auf das Licht an, das durch alle vier öffnungen hindurchfällt. Etwaige Verlagerungs-Gleichspannungen können aus dem sinusförmigen Ausgang entfernt werden. Beispielsweise kann dasselbe lichtempfindliche Gerät benutzt werden, um auch auf Licht anzusprechen, das durch eine zweite Gruppe von sinusförmig sich ver-

ändernden Streifen hindurchfällt. Diese wirken zusammen mit einer Gruppe von Schlitzen, die so angeordnet sind, daß die Veränderungen des Lichtes, das von dem lichtempfindlichen Gerät von den beiden Gruppen von sinusförmigen Streifen oder Mustern empfangen wird, in Gegenphase sind.

Die Breite der öffnungen 13 braucht nicht exakt ein halb der Wellenlänge des sinusförmigen Musters sein. Breiten zwischen einem Viertel und drei Vierteln der Wellenlänge sind geeignet, es ist jedoch erforderlich, daß die Mitten der öffnungen einen Abstand von einer Wellenlänge haben. Ein besonderer Vorteil einer öffnung mit einer Breite von einer Hälfte der Wellenlänge ist die vollständige Löschung der geradzahligen Harmonischen im Ausgang des Detektors und eine Reduzierung der ungeradzahligen Harmonischen um einen Faktor, der gleich ihrer harmonischen Nummer ist. Das Vorhandensein von Harmonischen ist eine Folge von Ungenauigkeiten in der Form der sinusförmigen Muster. Andere Schlitzbreiten reduzieren den Anteil der Harmonischen in einem geringeren Ausmaß.

Wie bereits erwähnt, kann die beschriebene Vorrichtung als Positions-Codierer verwendet werden. Die Ausführungsform nach den Fig. 3 und 4 eignet sich als Wellenwinkel-Codierer (shaft angle encoder) unter Verwendung einer geeigneten elektronischen Schaltung. Um jedoch die Drehrichtung der Scheibe zu bestimmen, ist es erforderlich, ein weiteres Muster oder eine Gruppe von Mustern hinzuzufügen. Diese haben enfalls sinusförmige Hüllkurven, sind jedoch um ein Viertel einer Wellenlänge versetzt, so daß sie in Verbindung mit einer separaten Gruppe von öffnungen und einem separaten lichtempfindlichen Gerät einen Cosinus-Wellenausgang abgeben. Die Kombination der Sinuswelle und der Cosinuswelle ermöglicht die Bestimmung der Drehrichtung der Scheibe.

Fig. 5 zeigt die entsprechenden Teile von Skala und Index für einen Wellen-Codierer (shaft encoder), der Sinus- und Cosinus-Ausgänge erzeugt. Eine entsprechende Anordnung kann für einen linearen Psitions-Codierer benutzt werden, bei dem die Skala ein geradliniges langgestrecktes Element

mit parallelen Öffnungen ist, anstatt einer Scheibe, die radiale Öffnungen trägt.

Die erforderliche sinusförmig sich variierende optische Durchlässigkeit kann auch durch andere Mittel als durchlässige Streifen mit sinusförmigen Rändern erzeugt werden. Beispielsweise ist es möglich, denselben Effekt zu erzeugen durch Verwendung einer Anzahl paralleler Linien, die ein veränderliches Impuls-Tastverhältnis haben. Alternativ kann auch eine Folie oder eine Schicht mit sinusförmig sich verändernder Dichte verwendet werden.

Die Forderung zur Erzeugung einer Sinuswelle mit niedrigen Harmonischen hängt von der Relativbewegung zwischen den beiden Elementen ab, wobei es keine Rolle spielt, welches der beiden Elemente sich bewegt und welches stationär ist. Die erzeugte Sinuswelle oder Cosinuswelle hat einen sehr niedrigen Anteil an Harmonischen oder Oberwellen-Gehalt und sie kann elektronisch ohne oder nur mit geringer Verzerrung weiterverarbeitet werden.

Claims

Ferranti pic - A 14 622 -

Patentansprüche

1/ Optische Vorrichtung zur Erzeugung einer sinusförmigen Wellenform mit einem niedrigen Anteil an Harmonischen, gekennzeichnet durch ein erstes Element mit einem Muster von optischer Durchlässigkeit, das sich sinusförmig längs einer Achse verändert, einem zweiten Element, das eine Öffnung trägt, deren Breite längs dieser Achse zwischen einem Viertel und drei Vierteln der Wellenlänge des sinusförmigen Musters liegt, einem lichtempfindlichen Gerät, das auf Licht anspricht, welches durch die Öffnung und das Muster von einer Lichtquelle her hindurchtritt, sowie durch Einrichtungen zur Er-• zeugung einer Relativbewegung zwischen dem ersten und dem zweiten Element in einer Richtung parallel zu dieser Achse.
2. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster mit sinusförmig variierender optischer Durchlässigkeit einen transparenten Streifen variabler Breite aufweist, dessen Ränder durch zwei sinusförmige Wellen derselben Wellenlänge gebildet sind,

die in Gegenphase zueinander liegen.
3. Optische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eines der beiden Elemente in Form einer drehbaren Scheibe und das andere stationär relativ zu der Scheibe ausgebildet ist.
4. Optische Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das statinäre Element das Muster trägt, während die drehbare Scheibe eine Mehrzahl von Öffnungen aufweist, deren Mitten einen Abstand voneinander haben der gleich der Wellenlänge des Musters ist.
5. Optische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Öffnung längs der Achse eine Breite hat, die ein halb der Wellenlänge des sinusförmigen Musters beträgt.
6. Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Element eine Anzahl von sinusförmigen Mustern trägt, die in Phase zueinander angeordnet sind, wobei ein Teil jedes Musters gleichzeitig mit dieser Öffnung fluchtet.
7. Positions-Codierer mit einer optischen Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Element auf einem von zwei Körpern angeordnet ist, die relativ zueinander in einer Richtung parallel zu dieser Achse beweglich sind und daß das zweite Element auf dem anderen der beiden Körper angebracht ist.
8. Positions-Codierer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Element ferner ein zweites Muster mit optischer Durchlässigkeit trägt, das sich sinusförmig längs dieser Achse verändert, und daß das erste und das zweite Muster um 90° außer Phase zueinander liegen.