DE3445694A1

DE3445694A1 - Fotoelektrische detektor-vorrichtung

Info

Publication number: DE3445694A1
Application number: DE19843445694
Authority: DE
Inventors: Ryo Kawasaki Kanagawa Nagai
Original assignee: Mitutoyo Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Mitutoyo Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1983-12-16
Filing date: 1984-12-14
Publication date: 1985-06-27
Also published as: GB2151779A; GB8431666D0; US4636630A; GB2151779B

Description

Weber, Hellfeld & Tönnies

PATENTANWÄLTE If

D-8000 MÜNCHEN 71 Hofbrunnstrasse 47

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MITUTOYO MFG. CO., LTD.

5-33-7 Shiba, Minato, Tokyo, Japan

Fotoelektrische Detektor-Vorrichtung

European Patent Attorney

D'pl.-Phys.

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Dipi.-Phys. Dr. rex. nat.

A. v. "-jELLFELD. München Rechtsanwalt

Dipl.-Ing. Dipi.-Oek.

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Die Erfindung betrifft ein fotoelektrisches Detektorgerät zur Erfassung von Veränderungen, insbesondere von Strecken- oder Vorschubveränderungen, gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 .

Speziell betrifft die Erfindung ein fotoelektrisches Detektor-Gerät, das die Erfassung von Veränderungen mit verbesserter Stabilität und Konstanz und verbesserter Frequenz-Ansprechempfindlichkeit ermöglicht.

Zur Zeit werden verschiedene fotoelektrisch arbeitende Detektor-Systeme zur Erfassung von Veränderungen und Verschiebungen verwendet, die ausgezeichnete Meßgenauigkeit und Haltbarkeit bzw. Lebensdauer aufweisen, wofür beispielsweise digital anzeigende Mikrometer-Meßgeräte oder Meßuhren, Meßsysteme zur dreidimensionalen Längenerfassung, Tischvorschubsysteme von Laser-Mikroskopen oder NC-Werkzeugmaschinen zur Messung des Abstandes bzw. der Distanz oder anderer Abmessungen,bei denen Laserstrahlen verwendet werden oder dergleichen, erwähnt seien.

In Fig. 1 ist der wesentliche Teil eines derartigen Detektor-Systems zur Erfassung von Veränderungen, insbesondere Abstandsveränderungen oder Verschiebeveränderungen, dargestellt. Bei diesem Detektor-System ist eine Hauptskala 10 aus einer Glasplatte vorgesehen. Weiterhin ist eine Platte 10' aus rostfreiem Stahl oder eine ähnliche Einrichtung vorhanden, die eine Vielzahl von Schlitzen 10a zur Längenmessung aufweist und Schlitze 10b zur Anzeige des absoluten Wertes darin ausgebildet aufweist, wobei diese Schlitze voneinander beabstandet sind. Bei diesem Detektor-System kann die gewünschte Längenmessung oder Positionsermittlung längs der Hauptskala 10 festgestellt und durchgeführt werden .

Im Nahbereich der Hauptskale 10 sind eine Indexskala 12 und eine Skala 13 für den Absolutwert angeordnet. Die Indexskala 12 weist Indexschlitze 12a und 12b auf, die den Schlitzen 10a zur Längenmessung entsprechen oder entsprechend angepaßt sind. Die Skala 13 für den Absolutwert weist Indexschlitze 13a auf, die den Schlitzen 10b zur Anzeige der Absolutwerte angepaßt sind. Bei einer Relativbewegung zwischen den Skalen 10,12 und 13, die nachstehend auch als optische Linienraster- oder Gitterraster-Einrichtung bezeichnet wird, wird die Bewegung der Schlitze elektrisch detektiert, um ein Signal für die Relativbewegung zu erhalten, mittels dem eine Längenmessung oder Positionserfassung durchgeführt werden kann.

Um die Relativbewegung der Skalen 10,12 und 13 in ein fotoelektrisches Signal umzuwandeln, sind lichtemittierende und lichtempfangende bzw. lichtempfindliche Elemente im Nahbereich der entsprechenden Skalen 10,12 und 13 angeordnet. Bei dem dargestellten System handelt es sich um ein Meßgerät, das auf der Basis der Lichtübertragung bzw. Lichtdurchlässigkeit arbeitet, indem lichtemittierende Elemente 14a, 14b und 14c im Nahbereich der Hauptskala angeordnet sind. Des weiteren sind lichtempfindliche Elemente 16a und 16b in der Nähe der Indexscala 12 und ein weiteres lichtempfindliches Element 16c im Nahbereich der Skala 13 für den Absolutwert vorgesehen. Die Elemente 14a, b und c und die Elemente 16a.b.c sind auf entqeqenqesetzten Seiten gegenüber den Indexschlitzen 12a, 12b und 13 a angeordnet.

Wie es hinreichend bekannt ist, sind die Gruppen der Indexschlitze 12a und 12b relativ zueinander um eine halbe Teilung

bzw. einen Halbabstand versetzt, so daß Lichtstrahlen, die durch jede der Skalen 10 und 12 hindurchgelassen werden, als Signale mit Sinus- oder Kosinuswellenform detektiert werden. Diese, nicht in Phase zueinander liegenden Signale können dazu verwendet werden, um eine gewünschte Teilung zu realisieren.

Die Absolutwert-Skala 13 kann ein Ausgangssignal für den Absolutwert erzeugen, der die absolute Position der bewegten Hauptskala 10 im Zusammenwirken mit den Schlitzen 10b anzeigt, die auf der Hauptskala 10 beabstandet voneinander vorgesehen sind. Auf diese Weise kann eine Bedienungsperson die absolute Position der Skala 13 reiativ zur Hauptskala 10 feststellen.

Das in der vorbeschriebenen Art bekannte Detektor-System wird mit einer Schaltung, wie sie in Fig.2 gezeigt ist. betrieben, um die fotoelektrische Umwandlung der Verschiebung anhand des aus der Relativbewegung resultierenden Signals durchzuführen, wobei letzteres dem Schaltungsablauf einer Schaltung nach Fig.2 unterzogen wird.

Die Fig.2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Detektorsystems zur Verschiebungserfassung, das im Rahmen eines Längenmeßgerätes einsetzbar ist. Das von jedem der lichtempfindlichen Elemente 16 stammende Verschiebungssignal aufgrund der Relativbewegung, wird durch einen entsprechend zugeordneten Vorverstärker 18a, 18b oder 18c verstärkt und anschließend einer Detektorschaltung 20 zugeführt. Die Detektorschaltung 20 weist eine Schaltung 22 zur Formung einer Wellenform und eine Dividierschaltung 24 auf. Die

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Dividier- bzw. Divisionsschaltung 24 kann die Sinus- und Kosinussignale miteinander kombinieren und das kombinierte Signal in Signale unterteilen, die einen Meßabstand bzw. eine Meßteilung haben, der bzw. die kleiner ist als die Schlitzbreite der Skalen 10 und 12.

Das Ausgangssignal der Detektorschaltung 20 ist einer Digitalanzeige 28 über eine Zähleinrichtung 26 zugeführt, so daß die gemessene Länge digital angezeigt werden kann» Die gemessene Länge kann auch mittels eines Druckers 30, sofern dies erforderlich ist, aufgezeichent werden.

Die lichtemittierenden Elemente 14a,14b und 14c sind mit einer Spannungs- bzw. Stromversorgungsquelle über Widerstände 31a,31b und 31c verbunden.

In dem vorbeschriebenen Detektor-System zur Ermittlung der Verschiebung muß die von den lichtemittierenden Elementen 14 abgegebene Lichtmenge in jedem Zeitpunkt konstant sein, wobei diese Forderung aus einer daraus resultierenden verstärkten Beeinflussung der Eigenschaften des fotoelektrischen Umwandlungsabschnittes resultiert. In einem wie in der Fig.2 dargestellten System werden die mit den entsprechenden lichtemittierenden Elementen 14 verbundenen Widerstände 31 abschließend so justiert und eingestellt, daß die von den lichtemittierenden Elementen 14 abgegebene Lichtmenge gleich ist. Gleichzeitig kann auch der entsprechende Vorverstärker 18, falls dies erforderlich ist., justiert bzw. kalibriert werden, um die Anfangseinstellung der der Detektorschaltung 20 zugeführten Ausgangs-

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signale zu ermöglichen.

Trotz der Anfangseinstellung vor den vorausgehend erwähnten Messungen, wird sich die Lichtmenge bei den bekannten Detektorsystemen jedoch entsprechend einer Veränderung der Spannung in der Versorgungsquelie ändern, so daß sich hierdurch häufig Fehler in den festgestellten Werten ergeben.

Die bekannten Detektorsysteme zur Feststellung der Veränderung bzw. des Vorschubes wurden im allgemeinen zur Steuerung und Kontrolle des Tischvorschubs in herkömmlichen NC-Werkzeugmaschinen verwendet, in denen ein Sensor für jede der NC-Antriebswellen vorgesehen war. Diese Sensoren wurden gemeinsam durch die Versorgungsquelle, durch Betätigungsschalter oder Anzeigeeinheiten, die im stationären Teil der Maschine untergebracht waren, gesteuert bzw. beeinflußt.

In Fig. 3 ist beispielsweise ein derartiges NC-gesteuertes System dargestellt. Jede X-,Y- und Z-Sektion der NC-Werkzeugmaschine weist ein fotoelektrisches Detektorsystem zur Ermittlung der Veränderung auf, wie es in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist. Jedes der axial beweglichen Teile umfaßt ein lichtemittierendes Element 14a,14b oder 14c sowie ein lichtempfangendes Element 16a,16b oder 16c und einen Vorverstärker 18a,18b oder 18c. Diese Bestandteile sind innerhalb eines beweglichen Gehäuses 32 aufgenommen. Andererseits ist ein stationäres Gehäuse 34 vorgesehen, das die Energieversorgung 36, eine Detektorschaltung 20 und Anzeigeeinrichtungen 38,40 und 42 für die entsprechenden Wellen aufweist.

Das beweglichen Gehäuse 32 ist jeweils auf oder an der entsprechenden X-,Y- und Z-Sektion vorgesehen und auf der entsprechenden NC-Vorschubwelle angebracht. Hierbei ist das verschiebbare Gehäuse 32 elektrisch mit dem stationären Gehäuse 34 durch eine kabelartige Leitung 44 verbunden. Ein derartiges getrenntes Detektor-System kann eine gemeinsame Energieversorgung, eine gemeinsame Gruppe von Betätigungsschaltern und eine gemeinsame Anzeigeeinrichtung aufweisen, wobei dies zu einer Verkleinerung der Abmessungen des Systems führt. Anstelle der Vorschubwelle kann die Anbringung z.B. auch an der Zugspindel erfolgen. In diesem getrennten Detektorsystem sind jedoch Leitungen 44 mit unterschiedlichen Längen zur Verbindung des stationären und der beweglichen Gehäuse 34 bzw. 32 vorhanden. Darüber hinaus wird während des Betriebes z.B. einer NC-Maschine, die Länge der Leitungen für jede Welle sich verändern, sofern eine Vielzahl von bewegbaren X-,Y- und Z-Sektionen, wie es in Fig.3 gezeigt ist, vorhanden sind. Auch für den Fall, daß die Spannung auf der stationären Seite konstant gehalten wird, wird die von den lichtemittierenden Elementen der entsprechenden bewegbaren Sektion uneinheitlich werden bzw. sich verändern, wenn ein Spannungsabfall in der entsprechenden Leitung 44 entsteht. Aufgrund dieser Umstände sind Fehler in der Messung nicht geringfügig und nicht vernachlässigbar.

Um derartige Probleme und Nachteile zu beseitigen, wurde vorgeschlagen, einen Spannungsdetektor und eine separate Steuerung der Versorgungsspannung oder eine Konstanzspannungsquelle vorzusehen, wobei all diese Einrichtungen in einer bewegbaren Gleiteinheit untergebracht sein sollten.

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Dies würde jedoch eine Vielzahl von ähnlichen Kabeln und Leitungen zur Weiterleitung der detektierten Spannungen erfordern und andere komplizierte Strukturen und Maßnahmen einschließlich des Spannungsdetektors erforderlich machen, wobei dadurch eine Erzeugung von Störungen in den Steuer- und Spannungsdetektorleitungen zu erwarten ist. Darüber hinaus wird eine separate Energieversorgung die Bewegung der Gleiteinheit oder der Verschiebeeinrichtungen nachteilig beeinträchtigen und
eine unerwünschte Vergrößerung in den Abmessungen des
Systems mit sich bringen.

Bei der vorausgehend beschriebenen Konstruktion mit einer Vielzahl von bewegbaren Detektorsektionen würde z.B. bei einer Spannung von 5 Volt auf der stationären Seite der Spannungsversorgung, die tatsächliche Spannung in der bewegbaren Gleiteinheit um 4% bis 5% aufgrund von Leitungsverlusten reduziert werden. Hieraus würde eine Reduzierung der von den lichtemittierenden Elementen abgestrahlten Lichtmenge von etwa 10% bis 15% resultieren. Zusätzlich könnte die Lichtmenge um etwa 20% verringert werden, wenn berücksichtigt wird, daß die Schwankungen in der Spannung auf der stationären Energieversorgungsseite im Bereich von etwa 5% liegen. Dies führt zu einer beachtenswerten Verminderung des Signal/Rausch-Verhältnisses bzw. Störabstandes (SN-Verhältnis) bei den Licht-Meßsignalen, so daß folglich die Genauigkeit der Messung negativ beeinträchtigt wird.

Obwohl Detektor-Systeme nach dem Stand der Technik für bestimmte Anwendungszwecke elektrische Ausgangssignale verwenden, die die Längen- oder Positionsangaben anzeigen,

die aufgrund der fotoelektrischen Umwandlung der Relativbewegung zwischen der Hauptskala und der Indexskala 12 erhalten werden, kann dies im Hinblick auf die Empfindlichkeit in neuerdings entwickelten Detektions-Systemen mit höchster Präzision, zu schwierigen anderen Problemen führen.

Darüber hinaus ist die Reduzierung des Energieverbrauches in immer stärkerem Maße gefordert, insbesondere in tragbaren Systemen wie batteriebetriebenen Längenmeßgeräten und anderen Geräten. Systeme auf der Basis der fotoelektrischen Umwandlung bewirken normalerweise einen erhöhten Energieverbrauch bei den lichtemittierenden Elementen, was jedoch gerade verringert werden soll.

Bei einer Anordnung der Skalen, wie sie in Fig.1 gezeigt ist, wird gefordert, daß der Zwischenraum bzw. Abstand zwischen den relativ zueinander bewegbaren benachbarten Skalen vergrößert wird, um den Zusammenbau und die Herstellung und Bearbeitung der einzelnen Komponenten zu erleichtern.

Aufgrund der vorausgehend aufgezeigten verschiedenen Faktoren neigen bekannte Detektor-Systeme dazu, die von den lichtempfindlichen Elementen aufgenommene Lichtmenge zu reduzieren. Für eine positive und ausreichende Phasendetektion,auch bei sehr kleinen empfangenen Signalen, wurden verschiedene Ideen in die Detektorschaltung 20, die mit den lichtempfindlichen Elementen verbunden ist, eingebracht und integriert.

Zu diesem Zweck wird normalerweise, wie dies in Fig.4 gezeigt ist, ein Lastwiderstand 46 mit relativ hohem Widerstandswert R mit dem Emitter eines lichtempfind-

Lj

liehen Elementes 16 verbunden. Im Beispiel kann dieses lichtempfindliche bzw. empfangende Element ein Fototransistor sein. Zwischen dem Emitter und dem Lastwiderstand 46 wird eine Spannung V„ abgegriffen. Diese Spannung V_n stellt eine detektierte Spannung mit einem Wert dar, der relativ einfach weiterverarbeitet werden kann.

Der Lastwiderstand 46 mit seinem großen Widerstandswert R. wirft jedoch insofern ein Problem auf, als seine Ansprechfrequenz bzw. Betriebsfrequenz gravierend eingeschränkt ist, falls als lichtempfangendes Element 16 ein Foto-Transistor verwendet wird. Bei einem Beispiel nach Fig.4 ist die Ansprechfrequenz f des Foto-Transistors durch die folgende Gleichung bestimmt:

f = 1 / (27T . C- . R. ) ;

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wobei C die elektrische Kapazität des Foto-Transistors ist. Wie aus der vorgenannten Formel hervorgeht, bewirkt eine Erhöhung des Lastwiderstandes R. eine Reduzierung und

Verringerung der Ansprechfrequenz f. In den Detektorsystemen nach dem Stand der Technik ist die Reduktion beim Leistungsverbrauch nicht mit den Verbesserungen bzw. Änderungen in der Ansprechfrequenz in Einklang zu bringen bzw. vereinbar. C ist die beim Fototransistor zwischen Kollektor und Emitter vorhandene Kapazität. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes fotoelektrisches Detektorgerät zur Erfassung von

Veränderungen vorzusehen, die eine verbesserte Frequenzcharakteristik, insbesondere Ansprechempfindlichkeit aufweist, ohne einen erhöhten Leistungsverbrauch zu erfordern und bei dem die von den lichtemittierenden Elementen abgegebene Lichtmenge kostant gehalten werden kann, wobei trotz eventuell vorhandener Änderungen in der Spannungsversorgung oder Spannungsverlusten auf den Leitungen die Detektorgeschwindigkeit erhöht werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe weist das erfindungsgemäße Gerät eine Lichtemittierungseinrichtung auf, die über einen Transistor und Widerstand zur Bildung einer lichtemittierenden Schaltung mit der Energieversorgung verbunden ist. Die lichtemittierende Schaltung ist dabei mit einer Konstantspannungsschaltung verbunden, die einen Nebenschlußregler aufweist, dessen Kathodeneingang mit der Basis des Transistors verbunden ist und dessen Konstantsoannungsseite mit dem Emitter des Transistors in Verbindung steht. Weiterhin ist eine Einrichtung zum Empfang des emittierten Lichtes vorgesehen, die einen Fototransistor aufweist, der in Kaskade mit einem weiteren Transistor verbunden ist, dessen Basis zum Bezugspotential liegt und dessen Kollektor über einen Lastwiderstand mit Bezugspotential verbunden ist. Die Schaltung erzeugt dabei ein die relative Bewegung anzeigendes Signal, wobei die Frequenzcharakteristik des Fototransistors von der Eingangsimpedanz des in Basisschaltung bzw. mit Basis gegen Bezugspotential liegenden Transistors abhängen kann, um den der lichtemittierenden Einheit zugeführten Strom konstant zu halten und den Frequenzgang bzw. die Ansprechfrequenz zu verbessern.

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Unter Bezugnahem auf den Stand der Technik wird die Erfindung nachstehend noch beispielhaft näher erläuterte Es zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Ansicht der wesentlichen Baugruppe einer Verschiebe- bzw. Gleitsektion eines fotoelektrischen Detektorssystems nach dem Stand der Technik zur Erfassung einer Verschiebungsbewegung ;

Figur 2 ein Blockdiagramm einer zur Verwendung im System nach Fig.1 geeigneten Verarbeitungsschaltung;

Figur 3 ein Beispiel eines in stationäre und bewegliche Baugruppen unterteilten Detektorgerätes, wie es in einer herkömmlichen NC-Werkzeugmaschine verwendbar ist;

Figur 4 eine Schaltungsdarstellung für ein Element zur Aufnahme von Licht nach dem Stand der Technik und für einen Teil der Detektorschaltung;

Figur 5 eine schematische Darstellung teilweise in Blockform, teilweise als vereinfachte Schaltung eines erfindungsgemäßen Detektorgerätes zur Erfassung einer Änderung, insbesondere einer Verschiebeänderung, wie es in einer NC-Werkzeugmaschine verwendbar ist und

Figur 6 eine Schaltungsdarstellung des wesentlichen Teiles des fotoelektrischen Detektor-Gerätes gemäß der Erfindung zur Erfassung einer Veränderung.

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In Fig. 5 ist eine NC-Werkzeugmaschine schematisiert mit drei Wellen dargestellt, wobei die NC-Werkzeugmaschine mit getrennten Baugruppen sozusagen vom "Split"-Typ ist. In einer derartigen NC-Werkzeugmaschine ist die Erfindung angewandt dargestellt. Im Beispiel nach Fig.5 sind Teile und Baugruppen, die ähnlich oder gleich denen aus Fig. 3 sind, mit gleichen Bezugszeichen versehen und nachstehend nicht weiter beschrieben.

Das erfindungsgemäße Detektor-Gerät weist lichtemittierende Elemente 14a,14b,14c auf, die über eine Konstantstromschaltung mit Energie versorgt werden. Die Konstantstromschaltung weist Transistoren 48a,48b und 48c sowie Widerstände 50a,50b und 50c auf, die in Reihe zu den entsprechenden lichtemittierenden Elementen 14a,14b und 14c liegen. Die lichtemittierende Schaltung erhält somit von der stationären Seite her eine instabil variable Spannungs- und/oder Stromversorgung.

Erfindungsgemäß ist die lichtemittierende Schaltung mit einer Konstantspannungsschaltung verbunden, die einen Nebenschlußregler 52 derart aufweist, daß die lichtemittierende Schaltung einschließlich der vorausgehend erwähnten Transistoren 48 bzw. des einzelnen entsprechenden Transistors 4ba bis 48c, bei konstanter Stromaufnahme stabilisiert werden kann. Im dargestellten Beispiel ist der Nebenschlußregler 52 eine handelsüblich von T.I. (Texas Instruments) erhältliche Baugruppe mit der Bezeichnung TL 431 C. Am Anschluß R des Nebenschlußreglers 52 (shunt regurator) wird dabei eine Konstantspannung erzeugt. Die

Kathode K des Nebenschlußreglers 52 ist mit dem positiven Anschluß der Spannungsversorgung direkt oder indirekt verbunden. Die Kathode K liegt dabei zweckmäßigerweise über einem weiteren Widerstand 54 gegen das positive Potential der Spannungsversorgungsquelle. Der Anodenanschluß A ist dementsprechend mit dem negativen Anschluß der gleichen Spannungsversorgungsquelle verbunden.

Des weiteren ist erfindungsgemäß die Kathode K des Nebenschlußreglers 52 auch mit der Basis des entsprechenden Transistors 48a, 48b oder 48c verbunden, der wiederum mit dem entsprechenden Emitter mit dem erwähnten Anschluß R verbunden ist. Die in Fig. 5 gezeiqten lichtempfindlichen bzw. lichtaufnehmenden Elemente 16a,16b und 16c sind Fototransistoren, z.B. Fototransistoren mit der Kennzeichnung PT 501 der Sharp Corporation. Der Kollektor jedes der Fototransistoren 16a,b,c liegt an einer Klemme, insbesondere der positiven Klemme, der Spannungsversorgung, während der Emitter der Fototransistoren mit einem entsprechenden Lastwiderstand 46 über einen mit der Basis gegen Bezugspotential liegenden Transistor 56 verbunden ist, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Mit anderen Worten, jeder der Fototransistoren 16 ist mit dem entsprechenden Lastwiderstand 46 nach Impedanzumwandlung durch den in Basisschaltung vorgesehenen Transistor 56 gekoppelt, wobei der Transistor 56 mit dem entsprechenden Fototransistor 16 kaskadenverbunden ist. Im Beispiel ist daher der Emitter des Fototransistors 16a mit dem Emitter des als Impedanzwandler zugeordneten Transistors 56a verbunden.

Gemäß den Figuren 5 und 6 ist daher der Emitter jedes Fototransistors 16 mit dem Emitter des entsprechenden Transistors 56, dessen Basis auf Bezugspotential bzw. Masse geführt ist, verbunden.

Ebenfalls ist der Kollektor dieses Transistors 56 über den entsprechenden Lastwiderstand 46 auf Bezugspotential gelegt. Zwischen dem Kollektor des mit Basis gegen Bezugspotential liegenden Transistors 56 und dem entsprechenden Lastwiderstand 46 kann daher eine Detektorspannung abgegriffen werden.

Nachstehend wird die Betriebsweise des erfindungsgemäßen Gerätes betrachtet.

Der Strom i, der dem lichtemittierenden Element 14c, das z.B. eine LED-Diode ist, unter Berücksichtigung der Konstantspannungswirkung des Nebenschlußreglers 52 zugeführt wird, kann entsprechend der nachstehenden Formel berechnet werden:

i = V_R/r;

in dieser Formel ist r der Wert des Widerstandes 50c und

V_n die Spannung am Anschluß R des Nebenschlußreglers 52 κ

als Konstantspannung.

Aus diesem Grund kann der Nebenschlußregler 52 eine Konstantspannung V am Anschluß R trotz Schwankungen in der Länge der Leitungen oder der Spannungsversorgung erzeugen, wobei dies durch die Verbindung der Konstantspannungs-Schaltung, die den Nebenschlußregler 52 aufweist, mit der lichtemittierenden Schaltung, die einen Konstantstrom zieht, realisierbar ist. Auf diese Weise kann der für die Lichtemission maßgebende Strom i zu jedem Zeitpunkt konstant gehalten werden.

Sogar wenn sich die Transistorkenndaten der Transistoren aufgrund von Temperaturschwankungen oder anderen Einflüssen in geringem Maße veränderen, kann sich an der Kathode K des

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Nebenschlußreglers 52 vorhandene Potential in Abhängigkeit von den vorausgehend erwähnten Schwankungen derart ändern, daß die Spannung V_ am Anschluß R konstant gehalten wird.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Anschluß K des Nebenschlußreglers 52, der den Kathodeneingang darstellt, mit dem bzw„ den Basisanschlüssen des bzw. der entsprechenden Transistoren 48 verbunden. Dementsprechend kann die Referenzspannung am Konstantspannungsanschluß R mit einer einzelnen lichtemittierenden Schaltung gekoppelt werden. Diese einzelne lichtemittierende Schaltung ist das lichtemittierende Element 14c, wobei die anderen lichtemittierenden Schaltungen den gewünschten Konstantstrom über die Basiseingänge der Transistoren 48a und 48b, die an der Kathode K des Nebenschlußreglers anliegen, erhalten. Auf diese Weise ist es möglich, alle lichtemittierenden Elemente 14 mit konstantem Strom zu versorgen.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß ein Nebenschlußregler 52 für die lichtemittierende Schaltung jedes der lichtemittierenden Elemente 14a,14b und 14c vorgesehen wird.

In der Praxis wird es bevorzugt, daß die Transistoren 48a, 48b und 48c im wesentlichen gleiche Kenndaten aufweisen und daß die Widerstände 50a,50b und 50c anfangs auf den gleichen Wert einjustiert werden.

Da die den Nebenschlußregler aufweisende Konstantspannungsschaltung zur Stromsteuerung für die lichtemittierenden Elemente verwendet wird, ist es erfindungsgemäß möglich, sogar bei Spannungsschwankungen aufgrund von Schwankungen in

der Leitungslänge oder anderer Faktoren, daß die Lichtmenge jederzeit unverändert, also konstant bleibt, so daß eine hohe Meßgenauigkeit erreichbar ist.

Obwohl jeder der in Fig.5 dargestellten Widerstände 46 am Ausgang im Vergleich zum Stand der Technik einen relativ hohen Widerstandswert R hat, kann die Eingangs-

impedanz hib des in Basischaltung betriebenen Transistors ausreichend und zufriedenstellend kleiner sein als der Widerstandswert R , wobei dies aus der Impedanzwandlung

Lj

aufgrund der Transistorschaltung resultiert. Dementsprechend ergibt sich die Frequenzcharakteristik bzw. Kennungsfrequenz f jedes der lichtempfindlichen Fototransistoren 16 als:

f = 1/(27TC. . hib) .

Dies bedeutet, daß die Kennungs- bzw. Ansprechfrequenz, da die Eingangsimpedanz hib hinreichend kleiner als der Widerstandswert R ist, beachtlich verbessert werden kann.

Für einen Vergleich des Systems nach dem Stand der Technik gemäß Fig.4 mit der Erfindung, wie sie in der Fig.6 dargestellt ist, wurden folgende Werte ausgewählt: Als Spannungsversorgung wurden 5 V an der Klemme V gewählt. Des weiteren wurden Fototransistoren vom Typ PT501 als lichtempfindliche Elemente und 5 kOhm Lastwiderstände R genommen. Bei diesen Werten wies das System nach dem Stand der Technik eine Kennungsfrequenz von 25 kHz auf. Im Gegensatz dazu erreichte das erfindungsgemäße Gerät bzw. das entsprechende System eine Kennungs- oder Grenzfrequenz von 100 kHz, wobei als kaskadenverbundene Transistoren

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Transistoren des Type 2SA1048 von Toshiba corporation verwendet wurden und eine Basisbezugsspannung von 2,5 Volt angelegt wurde.

Diese verbesserte Kennungsfrequenz ermöglicht es, die Relativbewegung der benachbarten Teile des Gerätes mit höherer Geschwindigkeit ausführen zu können. Wenn bei einem System nach dem Stand der Technik z.B. jeder Schlitz in der Hauptskala und der Index- Skala eine Länge für den Lichtdurchlaß von 10 um (microns) und eine Länge zur Lichtblockierung von 10 um aufweist, ist die Geschwindigkeit für die Relativbewegung in einem System nach dem Stand der Technik auf 500 mm/s begrenzt. Demgegenüber kann bei einem erfindungsgemäßen Gerät die Geschwindigkeit der Relativbewegung bis zu 2000 mm/s erhöht werden. Derartige Anforderungen und Verbesserungen werden von neueren Hochgeschwindigkeits-NC-Werkzeugmaschinen mit automatischen Bearbeitungstischen oder Zuführeinrichtungen erreicht.

Wenn die Konstantspannungsschaltung einschließlich des Nebenschlußreglers im Gehäuse 32 in der verschiebbaren Gleiteinheit untergebracht ist, können die entsprechenden lichtemittierenden Schaltungen in nächster Nähe mit einem Konstantstrom versorgt werden. Dies wird besonders bei Detektor-Geräten und Systemen bevorzugt, in denen eine Aufteilung in stationäre und bewegliche Sektionen getroffen ist

In ähnlicher Weise kann die Erfindung selbstverständlich auch auf jegliches System mit einer Hologramm-Skala ohne Index-Skala angewandt werden.

Aus der vorausgehenden Beschreibung wird deutlich, daß die Erfindung die Möglichkeit schafft,jegliche Schwankungen in der Stromversorgung für die lichtemittierenden Elemente aufgrund verschiedener Einflußfaktoren, wie einer Veränderung der Spannungsversorgung oder dergleichen, zu eliminieren. Parallel dazu wird die Frequenzempfindlichkeit bzw. Kennungsfrequenz ohne Erhöhung der vom Gerät aufgenommenen Leistung verbessert, so daß dadurch die Meßgeschwindigkeit als Ergebnis der Tatsache erhöht werden kann, daß die lichtemittierenden Elemente mit der Konstantstromschaltung und den kaskadenverbundenen,in Basisschaltung vorgesehenen Transistoren verbunden sind.

Bei einer Benutzung der optischen Gittereinrichtung mit einer Vorschub- bzw. Zuführgeschwindigkeit unterhalb eines vorgegebenen Niveaus, kann die Dividierschaltung im Vergleich mit den Geräten nach dem Stand der Technik dadurch vereinfacht werden, daß die Schlitzbreite der optischen Gittereinrichtung verkleinert wird.

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Claims

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Ansprüche

. Fotoelektrische Detektor-Vorrichtung zur Erfassung einer Veränderung, insbesondere einer Verschiebebewegung, mit einer optischen Gittereinrichtung, einer Einrichtung zur Emittierung von Licht zur Bestrahlung der optischen Gittereinrichtung mit einem Meßlicht, einer Empfängereinrichtung für die Aufnahme des von der optischen Gittereinrichtung übertragenen oder reflektierten Lichtes und einer Detektorschaltung zur Erzeugung eines Ausgangssignales, das die Relativveränderung zwischen relativ zueinander bewegten Teilen entsprechend einem Ausgangssignal von der Empfängereinrichtung für das Licht anzeigt,
dadurch gekennzeichnet ,

daß die lichtemittierende Einrichtung (14a,14b,14c) mit einer Spannungsquelle über einen Transistor (48a,48b_r48c) und einen Widerstand (50a,50b,50c) zur Bildung einer lichtemittierenden Schaltung verbunden ist, daß die lichtemittierende Schaltung mit einer Kostantspannungsschaltung verbunden ist, die einen Nebenschlußregler (52) aufweist, dessen Kathoden-Eingangsanschluß (K) mit der Basis des Transistors (48c) verbunden ist und dessen Konstantspannungsanschluß (V_n) mit dem Emitter des gleichen Transistors (48c) verbunden ist, daß die Empfängereinrichtung einen Fototransistor (16a,16b,16c) in Kaskaden- · verbindung mit einem in Basisschaltung vorgesehenen

European Patent A':tompv ReciUsarwai*.

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Transistor (56a,56b,56c) aufweist, wobei der Kollektor des in Basisschaltung vorgesehenen Transistors(56a, 56b, 56c) über einen Lastwiderstand (46a,46b,46c) gegen Bezugspotential liegt, so daß das am Kollektoranschluß des in Basisschaltung betriebenen Transistors (56a,56b,56c) erhältliche Ausgangssignal die Relativveränderung anzeigt, und wobei die Frequenzcharakteristik des Fototransistors (16a,16b,16c) von der Eingangsimpedanz des in Basisschaltung betriebenen Transistors (56a,56b,56c) abhängt, um eine konstante Stromversorgung für die lichtemittierende Einrichtung aufrechtzuerhalten und die Erfassungsfrequenz der Vorrichtung zu verbessern.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet ,

daß die optische Gittereinrichtung (10,10',1Oa,12,12a,12b, 13, 13a,1 Ob), die lichtemittierende Schaltung (14a,14b,14c) und die Empfängereinrichtung (16a,16b,16c) für das Licht in einem ersten Gehäuse (32) auf einer bewegbaren Gerätegruppe angebracht sind und daß die Detektorschaltung und die Spannungsversorgung für die lichtemittierende Einrichtung innerhalb eines zweiten Gehäuses (34) auf einer stationären Baugruppe vorgesehen sind und daß das erste und das zweite Gehäuse miteinander so über Leitungseinrichtungen verbunden sind, daß das erste Gehäuse (32) bewegbar ist und die Konstantspannungsschaltung innerhalb des ersten Gehäuses vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet ,

daß das bewegbare Gehäuse eine Vielzahl von lichtemittierenden Schaltungen (14a,14b,1Ac) aufweist und daß der Kathoden-

eingang (K) des Nebenschlußreglers (52) in einer einzelnen Konstantspannungsschaltung mit der Basis eines Transistors (48a,48b,48c) in jeder der lichtemittierenden Schaltungen verbunden ist, und daß der Anschluß (V ) des Nebenschlußreglers (52) für konstante Spannung mit dem Emitter einer der lichtemittierenden Schaltungen verbunden ist.