DE3306790C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen optischen Drehgeber gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
Ein derartiges optisches System ist in der - nicht vorveröffentlichten -
älteren Patentanmeldung DE-OS 31 45 098
beschrieben.
Bei dem optischen System nach der DE-OS 31 45 098 ist zwischen dem
Emitter und der Kodierscheibe eine Objektivlinse zum Fokussieren
des Lichtes auf dem Kodierträger angeordnet. Bei einer solchen
fokussierenden Anordnung muß der Abstand der einzelnen Bauteile
zueinander und insbesondere der Kodierscheibe und der Lichtquelle
zum Emitter sehr exakt bemessen sein.
Die Qualität einer elektrischen Wellenform, die von
einem optischen Drehgeber ohne Fokussiereinrichtung gemäß der US-PS 42 66 125,
deren Inhalt hier mit einbezogen ist, erzeugt wird,
ist vom Grad der Kollimation der zum Erfassen der
Wellenrotation verwendeten Lichtstrahlen abhängig. Der
Grad der Kollimation ist selbst wieder sowohl von der
physikalischen Größe der zum Erzeugen der Lichtstromes
verwendeten Emitter als auch von der Brennweite der
zum Erzeugen kollimierter Lichtstrahlen aus dem Lichtstrom
verwendeten Kollimationslinsen abhängig. Somit
ist für eine optimale Leistung eine punktförmige Quelle
als kollimierte Lichtquelle ideal. Jedoch ist das von
einem eine punktförmige Quelle bildenden Emitter ausgestrahlte
Licht im allgemeinen zur Verwendung unzureichend
und muß der Emitter vergrößert werden. Wenn
der Emitter vergrößert wird, um die Gesamtleistung
des ausgestrahlten Lichtes zu erhöhen, werden die von
einer optischen Codiereinrichtung, beispielsweise von
den Speichen einer sich drehenden Codierscheibe, geworfenen
Schatten immer mehr verschwommen und undeutlich.
Ein nachteiliges Ergebnis der Verwendung verschwommener
Schatten besteht darin, daß sich die von der optischen
Codiereinrichtung erzeugte elektrische Wellenform von
einer optimalen reinen dreieckigen Wellenform auf eine
abgerundete dreieckige Wellenform mit einem geringeren
Signal/Rausch-Verhältnis verschlechtert. Der Schattenverwischungseffekt
eines vergrößerten Emitters ist
bei an sich bekannten optischen Drehgebern durch Verkleinern
der Codierscheibe und der Phasenplatte etwas
verringert worden. Dieser Versuch einer Lösung hat die
großen Nachteile, daß der mechanische Aufbau des optischen
Drehgebers komplizierter wird, während gleichzeitig
das Risiko einer infolge der notwendigen Nähe
der Phasenplatte und der sich drehenden Codierscheibe
entstehenden mechanischen Störung erhöht wird.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Ausbildung des gattungsgemäßen
optischen Drehgebers derart, daß die
Wirkung einer einachsigen punktförmigen Lichtquelle angenähert ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch Patentanspruch
1 gelöst.
Zwar ist aus der US-A-38 08 442 eine Kodierscheibe mit einem
Längen/Breitenverhältnis der Emitterschlitze von 3 : 1 bekannt,
jedoch geht es dort nicht um einen Drehgeber zur Erfassung der
Drehung einer Welle, sondern um einen Balkencode-Leser, bei dem
Licht von einer kodierten Oberfläche reflektiert wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung hat ein optischer Drehgeber Schlitzemitter,
die so angeordnet sind, daß sie mit den Kollimationslinsen,
den Codierscheibenspeichen und den Phasenplattenöffnungen
fluchten. Die Schlitzemitter sind
so geformt, daß ihre Breitenrichtung senkrecht zu der
Radialachse der Codierscheibe verläuft und ihre Längsrichtung
mit der Radialachse der Codierscheibe zusammenfällt.
Der Grad der Lichtkollimation in der zur Radialachse
der Codierscheibe senkrechten Richtung ist somit
von der Breite der Schlitzemitter abhängig. Demzufolge
sind der Grad der Lichtkollimation in dieser Richtung,
d. h. auf einer zur Längsrichtung senkrechten Achse,
die Schattendeutlichkeit und die Wellenformklarheit
bei einer vorgegebenen Spaltgröße und einer vorgegebenen
Kollimationslinsenbrennweite durch Verringern der Breite
der Schlitzemitter für eine einachsige angenäherte
Lichtemission von einer punktförmigen Quelle auf einen
Höchstwert gebracht. Gleichzeitig kann die Gesamtstärke
des von den Schlitzemittern erzeugten Lichtes
je nach Bedarf dadurch erhöht werden, daß lediglich
die Länge der Schlitzemitter vergrößert wird, ohne daß
die Verwendung erhöhter Emitterstromdichten oder Vergrößerung
der punktförmigen Quelle wie beim Stand der
Technik erforderlich sind.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den
Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher
beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung in auseinandergezogener
Anordnung eines optischen
Drehgebers in einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung,
Fig. 2 eine Rückansicht des in Fig. 1 gezeigten
Emittermoduls,
Fig. 3 eine Draufsicht des in Fig. 1 gezeigten
Emittermoduls,
Fig. 4 eine Vorderansicht des in Fig. 1 gezeigten
Emittermoduls und
Fig. 5 eine detaillierte Darstellung eines in
Fig. 2 gezeigten Schlitzemitters.
In Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung in
auseinandergezogener Anordnung eines optischen Drehgebers
gezeigt in einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung. Drei kollimierte
Lichtstrahlen werden von einem Emittermodul 10 erzeugt,
das eine Emitterschalttafel 15 enthält, und werden von
den Schlitzen und Streben, die an einer Codiereinrichtung,
im vorliegenen Fall an einer sich drehenden Codierscheibe
20, angeordnet sind, und von den Blendenöffnungen,
die an einer festen Phasenplatte 30 angeordnet
sind, moduliert. Die modulierten Lichtstrahlen werden
von einem Detektormodul 40 gespalten und fokussiert und
werden von Fotodetektoren, die an einer Schalttafel
45 angeordnet sind, erfaßt. Die Betriebsweise des in
Fig. 1 dargestellten optischen Drehgebers wird durch
Bezugnahme auf die US-PS 42 66 125 besser verständlich,
deren Inhalt hier mit einbezogen ist.
Fig. 2 bis 4 zeigen jeweils eine Rück-, Drauf- und
Vorderansicht des in Fig. 1 gezeigten Emittermoduls 10.
Kollimationslinsen 100, 110 und 120 sind an der Vorderseite
des Emittermoduls 10 zum Aufnehmen und Kollimieren
des von Schlitzemittern 70, 80 und 90 erzeugten Lichtstromes
und zum Richten der drei kollimierten Lichtstrahlen
auf die Codierscheibe 20 angeordnet. Die drei
Schlitzemitter 70, 80 und 90 sind auf herkömmliche Weise
an der Emitterschalttafel 15 befestigt. Die Emitterschalttafel
15 ist an der Rückseite des Emittermoduls
10 angebracht. Die genauen Befestigungsstellen der
Schlitzemitter 70, 80 und 90 an der Emitterschalttafel
15 müssen in bezug auf die optischen Achsen der
Kollimationslinsen 100, 110 und 120 und in bezug auf
die Schlitze in der Codierscheibe 20 und die Blendenöffnungen
in der Phasenplatte 30 bestimmt werden. Die
Schlitzemitter 70, 80 und 90 sind so ausgerichtet, daß
ihre Zentren und folglich der ausgesandte Lichtstrom
mit den optischen Achsen der Kollimationslinsen 100,
110 und 120 fluchten und daß sie auf denselben radialen
Achsen wie die Schlitze in der Codierscheibe 20 und
die Blendenöffnungen in der Phasenplatte 30 liegen,
wenn die kollimierten Lichtstrahlen moduliert und
abgetastet werden. In der zu den Radialachsen senkrechten
Richtung nähern sich die Schlitzemitter der Kollimation
von Licht aus einzelnen punktförmigen Quellen an, und
wegen ihrer Länge werden die Emitter nicht durch einen
niedrigen Lichtstromausstoß verschlechtert.
In Fig. 5 ist eine genaue Darstellung des Schlitzemitters
70 gezeigt. Bei der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, die hier beschrieben wird, sind
die Schlitzemitter 70, 80 und 90 untereinander identisch,
obgleich dies bei anderen Anwendungen nicht unbedingt
erforderlich ist. Die Fachleute werden in der Lage
sein, Schlitzemitter gemäß der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung zu entwerfen und zu bauen. Bei anderen
Ausführungsformen können die verwendeten Schlitzemitter
sehr wohl Abmessungen und Leistungsmerkmale
haben, die sich von denen der hier für den Schlitzemitter
70 angegebenen unterscheiden.
Der Schlitzemitter 70, der bei der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung verwendet wird und in Fig. 5
dargestellt ist, wurde epitaktisch auf bekannte
Art und Weise auf einem 0,2289 mm dicken GaAS-Substrat
aufgebaut. Eine Aluminiumfläche 140 stellt die Plätze
für Haftunterlagen, Sondenunterlagen und Fluchtmarken
bereit. Eine epitaktische GaASP-Sperrschichtfläche 150
umgibt die Lichtemissionsfläche 160, die 0,3175 mm
mal 0,0635 mm mißt. Während der Scheibchen (wafer)-
Prüfung strahlte der Schlitzemitter 70 Licht bei einer
Nennwellenlänge von 700 Nanometer mit einer minimalen
Leistungsdichte von 8,0 Mikrowatt/Steradiant aus,
wobei er mit IF=10 Mikroamperes gespeist wurde.
In der zu der Radialachse der Codierscheibe 20 senkrechten
Richtung wird der Grad der Kollimation der aus den
Kollimationslinsen 100, 110 und 120 herauskommenden
Lichtstrahlen auf einen Höchstwert gebracht, wenn die
Breite der Lichtemissionsfläche 160 auf einem Minimum
gehalten wird. Die untere Grenze der Breite der Lichtemissionsfläche
160 ist sowohl von den bei der Herstellung
des Schlitzemitters 70 verwendeten Metallätzverfahren
als auch von der Höhe der Stromdichte,
die toleriert werden kann, abhängig. Um eine ausreichende
Gesamtleistung zu erzeugen, um die auf der Schalttafel
45 angeordneten Fotodetektoren zu aktivieren, ist es
nicht notwendig, den Treibpegel des Schlitzemitters
70 zu erhöhen. Statt dessen wird die Länge der Lichtemissionsfläche
160 vergrößert, um die ausgestrahlte
Lichtleistung zu erhöhen.
Claims (6)
1. Optischer Drehgeber, der elektrische Signale zum Erfassen der
Drehung einer Welle erzeugt, mit mindestens einem länglichen
Emitter (70, 80, 90) zum Abgeben eines im Querschnitt länglichen
Lichtstrahls, der ein Zentrum, eine Längenausdehnung und
eine Breitenausdehnung hat, einer Kollimatoreinrichtung (100,
110, 120) zum Kollimieren des Lichtstrahls, einer Detektoreinrichtung
(20) zum Erzeugen der elektrischen Signale als Antwort
auf die Erfassung des kollimierten Lichtstrahles und einer
zwischen dem Emitter und der Detektoreinrichtung angeordneten,
rotierenden Codierscheibe (20) mit lichtdurchlässigen Bereichen,
dadurch gekennzeichnet, daß der oder die
schlitzförmig ausgebildeten Emitter (70, 80, 90) mit ihrer
Längenausdehnung ebenso wie in der Codierscheibe (20) angeordnete
lichtdurchlässige Schlitze radial bezüglich der Welle
ausgerichtet sind und die Breitenausdehnung der Schlitzemitter
(70, 80, 90) minimiert ist, so daß sie in Umfangsrichtung gesehen
eine Kollimierwirkung angenähert derjenigen von punktförmigen
Lichtquellen haben, und daß die Detektoreinrichtung (40, 45) den
Lichtstrahl im wesentlichen entlang einer zur Längenausdehnung
des Lichtstrahls (radiale Richtung) senkrechten Richtung
(Umfangsrichtung) empfängt und abtastet.
2. Drehgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das Zentrum des Lichtstrahles mit einer
optischen Achse der Codierscheibe (20) fluchtet.
3. Drehgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Zentrum des Lichtstrahles mit einer
optischen Achse der Kollimatoreinrichtung (100, 110, 120)
fluchtet.
4. Drehgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Längenausdehnung des länglichen
Lichtstrahles mindestens fünfmal so groß wie seine
Breitenausdehnung ist.
5. Drehgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen der Codierscheibe
(20) und der Detektoreinrichtung (40, 45) eine Phasenplatte (30)
mit lichtdurchlässigen Öffnungen angeordnet ist, die zu den
Schlitzen bzw. Speichen der Codierscheibe und den Schlitzen der
Schlitzemitter fluchten.
6. Drehgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Längenausdehnung der
Schlitzemitter (70, 80, 90) entsprechend der gewünschten Gesamtstärke
des von den Lichtemittern ausgestrahlten Lichtes gewählt
ist.
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