DE3904898C2 - Optischer Kodierer - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft optische Kodierer entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung einen sogenannten optischen Drei-Gitter-
Kodierer, welcher drei (bei einem Transmissions
kodierer) oder zwei (bei einem Reflexionskodierer) Ska
len aufweist, von denen jede mit periodischen Gittern
dreier Arten versehen ist, sowie eine Lichtquelle zur
Beleuchtung der Gitter der drei Arten, und ein licht
empfangendes Element zum Nachweis von Beleuchtungslicht,
welches durch die Gitter dieser drei Arten beschränkt
wird, wobei ein periodisches Nachweissignal in Überein
stimmung mit einer Relativverschiebung zwischen zwei
Teilen erzeugt wird.
Bei Werkzeugmaschinen und dergleichen ist als Einrichtung
zur Messung einer Relativverschiebung zwischen einem
stationären Teil und einem beweglichen Teil eine Verschie
bungsmessungseinrichtung bekannt, die einen optischen
Kodierer zur Erzeugung eines periodischen Nachweissig
nals in Übereinstimmung mit einer Relativverschiebung
aufweist sowie einen Zähler zur Umwandlung der Nachweis
signale und Impulse, und zum Zählen und Integrieren der
Impulse.
Als optischer Kodierer ist zusätzlich zu einem konven
tionellen Kodierer, bei welchem Änderungen in der
Überlappung von Gittern zweier Arten verwendet werden,
ein sogenanntes Drei-Gitter-System bekannt, bei welchem
Änderungen in der Überlappung von Gittern dreier Arten
12, 14 und 16 genutzt werden, wie in Fig. 11 gezeigt
ist. Das Grundprinzip dieses Drei-Gitter-Systems ist
im Journal of the Optical Society of America, 1965, Band
55, Nr. 4, S. 373-381 gezeigt und, wenn auch in nicht
perfekter Form, in der US-PS 3 812 352 und der englischen
Patentanmeldung Nr. 44522/74 beschrieben.
Fig. 11 stellt das System dar, das in "Society of Photo-
Optical Instrumentation Enginieers (SPIE), Band 136, 1st
European Congress on Optics Applied to Metology (1977),
S. 325-331" beschrieben ist.
Vereinfacht umfaßt dieses Drei-Gitter-System, wie in
Fig. 11 gezeigt ist, ein erstes Gitter 12 mit einer Git
terteilung P1, ein zweites Gitter 14 mit einer Gitter
teilung P2, welches um einen Abstand u von dem ersten
Gitter 12 entfernt angeordnet ist, ein drittes Gitter
16 mit einer Gitterteilung P3, welches um einen Abstand
v von dem ersten Gitter 12 und dem zweiten Gitter 14
gegenüberliegend angeordnet ist, eine Lichtquelle 18
zur Aussendung diffusen Beleuchtungslichts in Richtungen
des ersten und dritten Gitters 12, 16 durch das zweite
Gitter 14, ein hinter dem dritten Gitter 16 angeordnetes
lichtempfangendes Element 20 zum Nachweis des Beleuchtungs
lichts, welches durch das erste bis dritte Gitter 12,
14, 16 behindert wird, und zur photoelektrischen Wandlung
des Lichts, sowie einen Vorverstärker 22 zur Verstärkung
eines Signals von dem lichtempfangenden Element 20 und
zur Wandlung des Signals in ein Nachweissignal a, wobei
das Nachweissignal a periodisch im wesentlichen wie ein
Sinussignal schwankt, wenn das erste Gitter 12 in eine
Richtung x verschoben wird.
Die Beziehungen zwischen den Teilungen der voranstehend
angegebenen Parameter P1, P2, P3, u, v und dem Nachweis
signal a können, wie in Tabelle 1 dargestellt ist, in
zwei Gruppen aufgeteilt werden, nämlich entsprechend einem geometrischen
System und einem Beugungssystem. In Tabelle 1 ist l eine
natürliche Zahl und λ eine effektive Wellenlänge des
Beleuchtungslichts.
Bei dem voranstehend beschriebenen konventionellen Drei-Gitter-System
ist beispielsweise im Falle des geometri
schen Systems unter der Voraussetzung, daß die Länge
eines dunklen Abschnitts des ersten Gitters 12 gleich
einer Länge eines hellen Abschnitts = 10 µm ist, die
Teilung P1 = 20 µm ist, und der Abstand u der Gitter
= v = 5 mm beträgt, bekannt, daß die Teilung P2 des zweiten
Gitters 14 sich ergibt zu ((u + v)/v) = 40 µm, und
daß sich die Teilung P3 des dritten Gitters 16 ergibt
zu ((u + v)/u) P1 = 40 µm.
Weiterhin ist im Falle des Beugungssystems mit den An
nahmen, daß die Länge eines dunklen Abschnitts des ersten
Gitters 12 gleich einer Länge eines hellen Abschnitts = 20 µm
ist, die Teilung P1 = 40 µm und der Abstand u = dem Ab
stand v = 5 mm, beispielsweise, bekannt, daß sich die
Teilung P2 des zweiten Gitters 14 ergibt zu
((u + v)/u) (P1/2) = 40 µm, und daß die Teilung P3
des dritten Gitters sich ergibt zu ((u + v)/u) (P1/2)
= 40 µm.
Allerdings ergibt sich bei dem konventionellen Drei-Gitter-System,
wie in Fig. 12 gezeigt ist, zwar eine
genügende Gleichstromkomponente DC des Nachweissignals
a, jedoch nur eine niedrige Wechselstromkomponente PP
des periodischen Signals, so daß kein genügendes Signal-
Rauschverhältnis erhalten wird, wie es für nachgeordnete
elektrische Schaltkreise erforderlich ist.
Der Erfinder hat in 11 Fällen bei dem konventionellen
Verfahren Versuche durchgeführt, bei welchen jeweils
mit dem voranstehend angegebenen geometrischen System
die Gitterteilung P1 = 20 µm, P2 = 40 µm, P3 = 40 µm,
der Abstand der Gitter u = v + 5 mm betrug, und sämtliche Gitter
die gleiche Länge heller und dunkler Abschnitte aufwiesen,
und es wurde festgestellt, daß die Signal-Rauschverhält
nisse (SN-Verhältnisse) gemäß der nachstehenden Definition
im niedrigsten Falle 12% betrugen, im höchsen Falle
17% und im Durchschnitt 14,7%, so daß kein zufrieden
stellenes Signal-Rauschverhältnis erhalten wurde.
SN-Verhältnis = (PP/DC) × 100% (1)
Weiterhin ergab sich bei dem konventionellen Verfahren,
bei welchem mit dem voranstehend angegebenen Beugungs
system die Gitterteilung P1 = 40 µm, P2 = 40 µm, P3 =
40 µm betrug, der Abstand der Gitter u = v = 5 mm war,
und sämtliche Gitter die gleiche Länge heller und dunkler
Abschnitte aufwiesen, in deutlicher Weise, daß die derart
erhaltenen Werte im wesentlichen die gleichen waren wie
voranstehend beschrieben, so daß kein zufriedenstellendes
Signal-Rauschverhältnis erhalten wurde.
Weiterhin ergibt sich, daß dann, wenn ein Reflexions
kodierer mit dem Drei-Gitter-System realisiert werden
soll, und wenn nur das erste Gitter 12 auf einer Haupt
skala des reflektierenden Typs ausgebildet ist, und das
zweite Gitter 14 und das dritte Gitter 16 auf der Index
skala in üblicher Weise verwendet werden, die Gitterkon
stante P2 = P3 ist, und hieraus ergibt sich der Nachteil,
daß P2 = P3 nicht so geändert werden können, daß sie
eine unterschiedliche Teilung aufweisen.
Aus der EP-0163362 A1 ist eine Verschiebungsmeßvorrichtung
bekannt, die eine Lichtquelle, eine Linse, ein Indexgitter,
ein reflektierendes Skalengitter und drei Photodetektoren
umfaßt, wobei die Photodetektoren in Positionen angeordnet
sind, die dem Bild 0. Ordnung der Lichtquelle sowie dem
positiven und negativen Bild erster Ordnung der Lichtquelle
entsprechen. In der Gitterperiode des Indexgitters beträgt das
Längenverhältnis eines lichtundurchlässigen Teils zu einem
lichtdurchlässigen Teil 1 : 3, so daß die drei Photodetektoren
Wellenfronten erfassen, welche eine Phasentrennung von 120°
aufweisen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
die voranstehend beschriebenen Schwierigkeiten zu beseiti
gen, die beim Stand der Technik auftreten, und einen
optischen Kodierer bereitzustellen, mit welchem ein Nach
weissignal mit einem genügend hohen Signal-Rauschverhält
nis erhalten werden kann, so daß Messungen mit hoher
Genauigkeit ausgeführt werden können.
Diese Aufgabe wird mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen
gelöst.
Ein Vorteil der Erfindung liegt in der Bereitstellung
eines optischen Kodierers des reflektierenden Typs, bei
welchem die Teilungen P2 und P3 des zweiten beziehungs
weise dritten Gitters, die bei dem optischen Kodierer
des reflektierenden Typs auf der einen gleichen Skala
(Indexskala) gebildet werden, voneinander unterschiedliche
Werte aufweisen können, so daß sich eine größere konstruk
tive Freiheit ergibt.
Die weiteren Vorteile werden gemäß der vorliegenden Er
findung mit einem optischen Kodierer des Reflexionstyps
erzielt, welcher
eine erste Skala des Reflexionstyps aufweist, welche an einem der relativbeweglichen Teile befestigt und mit einem ersten Gitter versehen ist;
eine Lichtquelle zur Aussendung eines nichtkollimierten Beleuchtungslichts; eine mit einem zweiten Gitter ver sehene zweite Skala zur teilweisen Abschirmung des Beleuch tungslichts von der Lichtquelle und zur Beleuchtung des ersten Gitters, und mehrere dritte Gitter, die eine von einander verschiedene Phase aufweisen und von dem zweiten Gitter getrennt sind, um das Beleuchtungslicht weiter zu modulieren, welches durch das zweite und erste Gitter moduliert wurde, und mehrere lichtempfangende Elemente zum Nachweis des Beleuchtungslichts, welches durch das erste und die jeweiligen dritten Gitter moduliert wurde, wobei eine Befestigung an dem anderen der relativbeweg lichen Teile erfolgt,
und wobei eine Relativverschiebung zwischen den beiden Teilen mittels einer periodischen Änderung von Nachweis signalen von den lichtempfangendne Elementen nachgewiesen wird.
eine erste Skala des Reflexionstyps aufweist, welche an einem der relativbeweglichen Teile befestigt und mit einem ersten Gitter versehen ist;
eine Lichtquelle zur Aussendung eines nichtkollimierten Beleuchtungslichts; eine mit einem zweiten Gitter ver sehene zweite Skala zur teilweisen Abschirmung des Beleuch tungslichts von der Lichtquelle und zur Beleuchtung des ersten Gitters, und mehrere dritte Gitter, die eine von einander verschiedene Phase aufweisen und von dem zweiten Gitter getrennt sind, um das Beleuchtungslicht weiter zu modulieren, welches durch das zweite und erste Gitter moduliert wurde, und mehrere lichtempfangende Elemente zum Nachweis des Beleuchtungslichts, welches durch das erste und die jeweiligen dritten Gitter moduliert wurde, wobei eine Befestigung an dem anderen der relativbeweg lichen Teile erfolgt,
und wobei eine Relativverschiebung zwischen den beiden Teilen mittels einer periodischen Änderung von Nachweis signalen von den lichtempfangendne Elementen nachgewiesen wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird bei dem optischen
Kodierer des Drei-Gitter-Systems, wie er voranstehend
beschrieben wurde, die Teilung P2 des zweiten Gitters
zur Beleuchtung des ersten Gitters auf einen Wert gesetzt,
der größer ist als die Teilung P1 des ersten Gitters,
und die Länge des lichtdurchlässigen Abschnitts (hellen
Abschnitts) wird auf einen Wert gesetzt, der kleiner
ist als die Länge der Teilung P1 des ersten Gitters,
so daß die Inkohärenz zwischen dem Beleuchtungslicht,
das durch das zweite Gitter hindurchgelassen wird, ver
bessert und das Signal-Rauschverhältnis des Nachweissig
nals erhöht wird. Demzufolge wird die Signalverarbeitung
in einer späteren Stufe erleichtert, und es kann ein
Nachweis der Verschiebung mit hoher Genauigkeit durchge
führt werden.
Im Einzelnen ist es vorzuziehen, wie in Fig. 1 gezeigt
ist, daß inkohärente sekundäre Lichtquellen, die so wenig
Gemeinsamkeiten miteinander aufweisen wie möglich, auf
hellen Abschnitten 14B1, 14B2, . . ., 14Bn des zweiten
Gitters 14 gebildet werden. Mit anderen Worten sind im
Idealfall die sekundären Lichtquellen, die auf den voran
stehend genannten hellen Abschnitten 14B, 14B2, . . .,
14Bn gebildet werden, die sekundären Lichtquellen, die
nicht zueinander kohärent sind. Wenn jedoch das zweite
Gitter 14 durch Verwendung einer lichtemittierenden Diode
(LED) oder einer Lampe als Primärlichtquelle 18 beleuchtet
wird, ist es schwierig, wenn die Intervalle zwischen
den hellen Abschnitten 14B klein sind, die sekundären
Lichtquellen inkohärent voneinander auszugestalten, und
wenn das erste Gitter 12 in eine Relativbewegung versetzt
wird, wird das Signal-Rauschverhältnis des Nachweissignals
des lichtempfangenden Elements 20 verschlechtert. Daher
wird gemäß der vorliegendne Erfindung die Teilung P2
des zweiten Gitters auf einen Wert gesetzt, der größer
ist als die Teilung P1 des ersten Gitters 12, und die
Länge des hellen Abschnitts 14B des zweiten Gitters 14
wird auf einen Wert gesetzt, der kleiner ist als die
Länge der Teilung P1 des ersten Gitters 12, so daß die
Intervalle zwischen den hellen Abschnitten 14B vergrößert
werden, wodurch die Inkohärenz zwischen den sekundären
Lichtquellen verbessert wird.
Genauer gesagt werden, wenn die Teilung P2 des zweiten
Gitters 14 größer ist als die Teilung P1 des ersten Gitters
12, die Streu- bzw. Beugungseigenschaften (der Grad der Schrägbeleuch
tung) des das erste Gitter 12 beleuchtenden Lichtes ver
bessert. Weiterhin gelangt, wenn der helle Abschnitt
14B des zweiten Gitters 14 klein ist, der helle Abschnitt
14B eng an die Punktlichtquelle, wodurch die Lichtquelle
äußerst diffus wird. Dies führt dazu, daß es wünschens
wert ist, daß die Teilung P2 des zweiten Gitters 14 gleich
der Länge der Teilung P1 des ersten Gitters 12 oder kleiner
als diese ist. Das erste Gitter 12 wird durch das derart
stark diffuse Licht beleuchtet, wodurch die Signalkompo
nente PP im Vergleich zur Gleichstromkomponente DC groß
wird, so daß insbesondere das Signal-Rauschverhältnis
verbessert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann, wenn diese Bezie
hungen durch nachstehend angegebene allgemeine Formeln
dargestellt werden, ein Gitterbild entsprechend dem geo
metrischen System nachgewiesen werden.
P2 ((u + v)/v)·m1·P1 < P1 (1)
P3 ((u + v)/u)·n1·P1 (2)
Länge des hellen Abschnitts des zweiten Gitters =
Länge der Teilung P1 des ersten Gitters (3)
u = v = d
(beim reflektierenden Typ) (4)
(beim reflektierenden Typ) (4)
oder
v = luP1²/(λu - lP1²)
(bei einem Transmissionstyp) (5)
Hier ist m1 eine positive ganze Zahl größer als 1, und
es wird bevorzugt, daß n1 eine positive ganze Zahl größer
als 1 ist, also eine natürliche Zahl, und l ist eine
natürliche Zahl.
Weiterhin kann, wenn die voranstehenden Beziehungen durch
die nachstehend angegebenen allgemeinen Formeln gegeben
sind, ein Gitterbild entsprechend dem Beugungssystem
nachgewiesen werden.
P2 ((u + v)/v)·m2·P1/2 < P1 (6)
P3 ((u + v)/u)·n2·P1/2 (7)
Länge des hellen Abschnitts des zweiten Gitters =
Länge der Teilung P1 des ersten Gitters (8)
u = v = d
(beim reflektierenden Typ) (9)
(beim reflektierenden Typ) (9)
oder
v = luP1²/(λu - lP1²)
(bei einem Transmissionstyp) (10)
(bei einem Transmissionstyp) (10)
Hier ist m2 eine positive ganze Zahl größer als 1, und
vorzugsweise ist n2 eine positive ungerade Zahl größer
als 1.
Nach den vom Erfinder durchgeführten Versuchen lag der
optimale Bereich des Verhältnisses zwischen der Länge
eines lichtabschirmenden Abschnitts 14A und der des licht
durchlässigen Abschnitts 14B des zweiten Gitters 14 bei
3 : 1 bis 7 : 1.
Weiterhin ergaben sich gemäß den von dem Erfinder durchge
führten Versuchen bei der Messung der Signal-Rauschver
hältnisse, ebenso wie bei dem Beispiel nach dem Stand
der Technik, daß 11 Proben mit dem in Fig. 1 dargestellten
geometrischen System Werte der Gitterteilung P1 des ersten
Gitters 12 = 20 µm (wobei die Länge des hellen Abschnitts
12B = der Länge des dunklen Abschnitts 12A = 12 µm war,
der Gitterteilung P2 des zweiten Gitters 14 von 80 µm
(dies war doppelt so groß wie bei dem konventionellen
Verfahren, und die Länge des hellen Abschnitts 14B betrug
20 µm und die Länge des dunklen Abschnitts 14A betrug
60 µm), der Gitterteilung P3 des dritten Gitters 16 von
40 µm (die Länge des hellen Abschnitts war = der Länge
des dunklen Abschnitts = 20 µm), und des Abstands u zwi
schen den Gittern = v = 5 mm. Das Signal-Rauschverhältnis
betrug 25% im niedrigsten, 35% im höchsten Fall und
30,4% im Durchschnitt, so daß bestätigt wurde, daß das
Signal-Rauschverhältnis auf einen etwa doppelt so großen
Wert, verglichen mit dem Beispiel nach dem Stand der
Technik, erhöht wurde.
Bei dem Beugungssystem, welches in Fig. 2 dargestellt
ist, wurden im wesentlichen dieselben Werte wie bei dem
geometrischen System erhalten, wenn folgende Werte ver
wendet wurden: die Gitterteilung P1 des ersten Gitters
12 betrug 40 µm (die Länge des hellen Abschnitts 12B
war = der Länge des dunklen Abschnitts 12A = 20 µm),
die Gitterteilung P2 des zweiten Gitters 14 betrug 80 µm
(dies war doppelt so groß wie bei dem konventionellen
Verfahren, und die Länge des hellen Abschnitts 14B betrug
20 µm und die Länge des dunklen Abschnitts 14A betrug 60 µm),
die Gitterteilung P3 des dritten Gitters 16 betrug 40 µm
(die Länge des hellen Abschnitts war = der Länge des
dunklen Abschnitts = 20 µm), und der Abstand der Gitter
u war = v = 5 mm.
Tatsächlich müssen gemäß der vorliegenden Erfindung die
Lichtquelle 18 und das zweite Gitter 14 nicht notwendiger
weise voneinander entfernt sein, und es kann, wie in
Fig. 3 gezeigt ist, eine feldförmige Lichtquelle 30 ver
wendet werden, bei welcher die Lichtquellen und das zweite
Gitter miteinander integriert sind. In diesem Fall kann
der Aufbau vereinfacht werden.
Weiterhin müssen das dritte Gitter 16 und die lichtauf
nehmenden Elemente 20 nicht notwendigerweise voneinander
getrennt sein, und es kann, wie aus Fig. 4 hervorgeht,
ein feldförmiges lichtempfangendes Element 32 verwendet
werden, in welchem das dritte Gitter und die lichtempfan
genden Elemente miteinander vereinigt sind. Auch auf
diese Weise läßt sich der Aufbau vereinfachen.
Weiterhin können sowohl die feldförmige Lichtquelle 30
und das feldförmige lichtempfangende Element 32 zur selben
Zeit eingesetzt werden. In diesem Fall ergibt sich eine
weitere Vereinfachung des Aufbaus.
Wenn weiterhin der Reflexions-Kodierer durch Verwendung
des Drei-Gitter-Systems verwirklicht werden soll, wenn
nur das erste Gitter 12 auf einer ersten Skala des Reflexions
typs erzeugt wird, und das zweite Gitter 14 und das dritte
Gitter 16 auf der zweiten (der dritten) Skala gemeinsam
verwendet werden, dann ist die Gitterteilung P2 = P3,
so daß P2 und P3 in ihren Werten in Bezug aufeinander
nicht geändert werden können. Demzufolge werden das zweite
Gitter 14 und das dritte Gitter 16 getrennt voneinander
auf der zweiten Skala in voneinander unterschiedlichen
Lagen hergestellt, und weiterhin werden mehrere dritte
Gitter 16 mit voneinander unterschiedlicher Phase her
gestellt, so daß mehrere Lichtempfangssignale erhalten
werden können, die sich in der Phase voneinander unter
scheiden.
Mit der voranstehend beschriebenen Anordnung können selbst
bei einem Kodierer des Reflexionstyps die Gitterteilungen
P2 und P3 mit voneinander unterschiedlichen Werten gewählt
werden, so daß sich eine höhere Freiheit beim Entwurf
ergibt.
Weiterhin läßt sich ein Kodierer des Reflexionstyps eines
gewünschten Drei-Gitter-Systems verwirklichen, der Kodierer
kann eine geringe Größe aufweisen, verglichen mit dem
Transmissionstyp, und kann einfach auf dem zu messenden
Teil angebracht werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeicherisch darge
stellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen
sich weitere Vorteile und Merkmale ergeben. In den Zeichnungen
sind gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Teile verwendet.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Beispiels, bei
welchem die vorliegende Erfindung bei einem
optischen Kodierer des geometrischen Systems
eingesetzt wird;
Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Beispiels, bei
welchem die vorliegende Erfindung bei einem
optischen Kodierer des Beugungssystems eingesetzt
wird;
Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Beispiels, bei
welchem eine feldförmige Lichtquelle verwendet
wird;
Fig. 4 eine schematische Ansicht eines Beispiels, bei
welchem ein feldförmiges lichtempfangendes Element
verwendet wird;
Fig. 5 eine Schnittansicht mit einer Darstellung der
Anordnung des wesentlichen Abschnitts einer
Ausführungsform des optischen Kodierers gemäß
der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 eine Schnittansicht entlang der Linie VI-VI
in Fig. 5 mit einer Darstellung der Form des
ersten Gitters der voranstehenden Ausführungs
form;
Fig. 7 eine Schnittansicht entlang der Linie VII-VII
in Fig. 5 mit einer Darstellung der Anordnung
des zweiten und des dritten Gitters in der voran
stehenden Ausführungsform;
Fig. 8 und 9 Schnittansichten ähnlich Fig. 7 mit einer
weiteren Anordnung des zweiten und des dritten
Gitters bei der voranstehenden Ausführungsform;
Fig. 10 ein Schaltungsdiagramm mit einer Darstellung
der grundlegenden Anordnung einer Signalverar
beitungsschaltung der vorstehenden Ausführungs
form;
Fig. 11 eine schematische Ansicht der Anordnung eines
konventionellen optischen Kodierers des Drei-Gitter-Systems;
und
Fig. 12 ein Diagramm mit einer Darstellung der Definition
des Signal-Rauschverhältnisses eines Nachweis
signals.
Nachstehend werden die Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
Gemäß der ersten Ausführungsform wird die vorlie
gende Erfindung bei einem optischen Kodierer vom Reflexions
typ entsprechend dem geometrischen System eingesetzt. Wie aus
Fig. 5 hervorgeht, weist der optische Kodierer vom Reflexi
onstyp gemäß der ersten Ausführungsform folgende Teile
auf:
eine Hauptskala 40 aus Glas, die als erste Skala an der Unterseite des Glases in der Figur hergestellt wird,
mit einem ersten Gitter 12 einer Teilung P1, wobei die Hauptskala an einem der relativbeweglichen Teile befestigt ist;
eine aus einer LED oder einer Lampe bestehende Lichtquelle 42 zur Aussendung eines nichtkollimierten Beleuchtungs lichts (Wellenlänge λ = 0,8 µm); eine aus Glas bestehende Indexskala 44, welche eine zweite und eine dritte Skala darstellt, die zusammen verwendet werden, und die auf gegenüberliegenden Seiten der obereren Oberfläche des Glases hergestellt sind mit einem zweiten Gitter 14 einer Teilung P2, zur teilweisen Abschirmung des Beleuchtungslichts von der Lichtquelle 42 und zur Beleuchtung des ersten Gitters 12 auf der Hauptskala 40, und mit einem dritten Gitter 16 einer Teilung P3 zur weiteren Modulierung des Beleuchtungslichts, welches durch das zweite und erste Gitter 14, 12 auf solche Weise moduliert wurde, daß das dritte Gitter 16 vor dem zweiten Gitter 14 einge schoben ist; und lichtempfangende Elemente 48 zum Nachweis des Beleuchtungslichts, welches durch das erste bis dritte Gitter 12, 14 beziehungsweise 16 moduliert wurde, wobei die lichtempfangenden Elemente gegenüberliegend dem dritten Gitter 16 unter Öffnungsteilen 46 befestigt sind, zwischen denen eine Öffnung 46A zum Durchlassen des Beleuchtungs lichts von der Lichtquelle 42 vorgesehen ist; wobei diese Teile sämtlich an dem anderen der relativbeweglichen Teile befestigt sind.
eine Hauptskala 40 aus Glas, die als erste Skala an der Unterseite des Glases in der Figur hergestellt wird,
mit einem ersten Gitter 12 einer Teilung P1, wobei die Hauptskala an einem der relativbeweglichen Teile befestigt ist;
eine aus einer LED oder einer Lampe bestehende Lichtquelle 42 zur Aussendung eines nichtkollimierten Beleuchtungs lichts (Wellenlänge λ = 0,8 µm); eine aus Glas bestehende Indexskala 44, welche eine zweite und eine dritte Skala darstellt, die zusammen verwendet werden, und die auf gegenüberliegenden Seiten der obereren Oberfläche des Glases hergestellt sind mit einem zweiten Gitter 14 einer Teilung P2, zur teilweisen Abschirmung des Beleuchtungslichts von der Lichtquelle 42 und zur Beleuchtung des ersten Gitters 12 auf der Hauptskala 40, und mit einem dritten Gitter 16 einer Teilung P3 zur weiteren Modulierung des Beleuchtungslichts, welches durch das zweite und erste Gitter 14, 12 auf solche Weise moduliert wurde, daß das dritte Gitter 16 vor dem zweiten Gitter 14 einge schoben ist; und lichtempfangende Elemente 48 zum Nachweis des Beleuchtungslichts, welches durch das erste bis dritte Gitter 12, 14 beziehungsweise 16 moduliert wurde, wobei die lichtempfangenden Elemente gegenüberliegend dem dritten Gitter 16 unter Öffnungsteilen 46 befestigt sind, zwischen denen eine Öffnung 46A zum Durchlassen des Beleuchtungs lichts von der Lichtquelle 42 vorgesehen ist; wobei diese Teile sämtlich an dem anderen der relativbeweglichen Teile befestigt sind.
Wie aus Fig. 6 hervorgeht, besteht das erste Gitter 12
aus einer longitudinalen streifenförmigen Abstufung der
Teilung P1, welche auf der unteren Oberfläche der Haupt
skala 40 vorgesehen ist.
Fig. 7 zeigt im einzelnen, daß das zweite Gitter 14 und
das dritte Gitter 16 so angeordnet sind, daß das zweite
Gitter 14 der Teilung P2 zur Bereitstellung mehrerer
linearer Lichtquellen im Zentrum der Indexskala 44 vorge
sehen ist, wobei die vier dritten Gitter 16 der Teilung
P3 jeweils eine Phase A, eine Phase B, eine Phase oder
eine Phase aufweisen und gegeneinander um 90° phasenver
schoben sind, und zwar zur Diskriminierung bezüglich
der Richtung und zur elektrischen Teilung von Nachweis
signalen, und auf beiden Seiten des Gitters 14 vorgesehen
sind, und eine abgelagerte Chromoberfläche 50 umgibt
die beiden Gitter, um eine Störung durch etwa Störlicht
zu verhindern. Tatsächlich ist die Anordnung der Phase
A, Phase B, Phase und Phase nicht auf das in Fig. 7
dargestellte Beispiel beschränkt, und es können die
in den Fig. 8, 9 dargestellten sowie andere Anordnungen
vorgesehen werden.
Weiterhin können zwei Phasen eingesetzt werden, wenn
nur eine Diskriminierung bezüglich der Richtung erfor
derlich ist und keine Phasenunterteilung.
In Fig. 10 ist ein Schaltkreis zur Verarbeitung von Aus
gangssignalen von den lichtempfangenden Elementen 48
gezeigt, welcher zwei Phasennachweissignale a erzeugt,
die eine Phase A beziehungsweise eine Phase B aufweisen
und voneinander um 90° phasenverschoben sind. Dieser
Schaltkreis umfaßt:
Widerstände 52A, 52, 52B und 52 und Operationsverstär ker 54A, 54, 54B, 54 zum Verstärken der Ausgangs signale einer Phase A, einer Phase , einer Phase B und einer Phase von den lichtempfangenden Elementen 48; und
Widerstände 58A, 58, 58B, 58, 60A, 60B, 62A und 62B und Operationsverstärker 64A und 64B zur differentiellen Verstärkung eines Ausgangssignals einer Phase A und eines Ausgangssignals einer Phase , oder eines Ausgangssig nals einer Phase B und eines Ausgangssignals einer Phase , um ein Ausgangssignal einer Phase A oder ein Ausgangs signal einer Phase B zu erzeugen.
Widerstände 52A, 52, 52B und 52 und Operationsverstär ker 54A, 54, 54B, 54 zum Verstärken der Ausgangs signale einer Phase A, einer Phase , einer Phase B und einer Phase von den lichtempfangenden Elementen 48; und
Widerstände 58A, 58, 58B, 58, 60A, 60B, 62A und 62B und Operationsverstärker 64A und 64B zur differentiellen Verstärkung eines Ausgangssignals einer Phase A und eines Ausgangssignals einer Phase , oder eines Ausgangssig nals einer Phase B und eines Ausgangssignals einer Phase , um ein Ausgangssignal einer Phase A oder ein Ausgangs signal einer Phase B zu erzeugen.
Wenn das geometrische System bei dieser Ausführungsform
eingesetzt wird, so wird die Länge des dunklen Abschnitts
14A des zweiten Gitters 14 zu 60 µm gewählt, die Länge
des hellen Abschnitts 14B des zweiten Gitters 14 zu 20 µm,
und die Gitterteilung P2 zu 80 µm. Die Länge des dunklen
Abschnitts 12A des ersten Gitters 12 wird zu 10 µm ge
wählt, die Länge des hellen Abschnitts 12B des ersten
Gitters 12 zu 10 µm, die Gitterteilung P1 zu 20 µm, die
Länge des dunklen Abschnitts des dritten Gitters 16 zu
20 µm, die Länge des hellen Abschnitts des dritten Gitters
16 zu 20 µm, und die Gitterteilung P3 zu 40 µm. Der Ab
stand der Gitter u = v = d wird gewählt zu 0,7 bis 6 mm,
wenn ein Brechungsindex von Glas korrigiert und in den
Wert für Luft umgewandelt wird.
Wenn das bei dieser ersten Ausführungsform erhaltene
Signal-Rauschverhältnis des Nachweissignals experimentell
untersucht wurde, wie voranstehend beschrieben wurde,
so ergab sich das Signal-Rauschverhältnis zu 30,4%,
so daß bestätigt wurde, daß das Signal-Rauschverhältnis
der ersten Ausführungsform verbessert wurde auf einen
etwa doppelt so großen Wert wie bei dem Beispiel nach
dem Stand der Technik, bei dem ansonsten eine Anordnung
wie bei der ersten Ausführungsform verwendet wurde.
Nachstehend wird die zweite Ausführungsform der vorlie
genden Erfindung erläutert, bei welcher die vorliegende
Erfindung bei dem optischen Kodierer vom Reflexionstyp
des Beugungssystems eingesetzt wird.
Bei dieser zweiten Ausführungsform wird die Länge des
dunklen Abschnitts 14A des zweiten Gitters 14 zu 60 µm
gewählt, die Länge des hellen Abschnitts 14B des zweiten
Gitters 14 zu 20 µm, die Gitterteilung P2 zu 80 µm, die
Länge des dunklen Abschnitts des ersten Gitters 12 zu
20 µm, die Länge des hellen Abschnitts des ersten Gitters
12 zu 20 µm, die Gitterteilung P1 zu 40 µm, die Länge
des dunklen Abschnitts des dritten Gitters 16 zu 20 µm,
die Länge des hellen Abschnitts des dritten Gitters 16
zu 20 µm, und die Gitterteilung P3 zu 40 µm. Der Abstand
der Gitter u = v = d betrug 0,5 mm oder oder mehr.
Andere Einzelheiten dieser Anordnung sind ähnlich wie
bei der ersten Ausführungsform, so daß auf eine Beschrei
bung verzichtet wird.
Bei dieser zweiten Ausführungsform wurde, ähnlich wie
bei der ersten Ausführungsform, bestätigt, daß sich das
Signal-Rauschverhältnis auf einen Wert verbesserte, der
etwa doppelt so hoch lag wie bei dem korrespondierenden
Beispiel nach dem Stand der Technik.
Bei den voranstehend beschriebenen Ausführungsformen
wurde die vorliegende Erfindung bei einem optischen Kodie
rer vom Reflexionstyp mit einer aus Glas hergestellten
Hauptskala 40 angewendet, allerdings ist der Schutzumfang der
vorliegenden Erfindung nicht hierauf beschränkt, und
es ist offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung
bei einem optischen Kodierer vom Reflexionstyp einsetz
bar ist, bei welchem die reflektierende Hauptskala aus
Metall hergestellt ist, und bei einem optischen Kodierer
vom Transmissionstyp, bei welchem die durchlässige Haupt
skala aus Glas hergestellt ist, wobei das zweite Gitter
14 und das dritte Gitter 16 als zwei Skalen ausgebildet
sind, die auf beiden Seiten der Hauptskala (des ersten
Gitters 12) angeordnet sind, wie in den Fig. 1 bis 4
gezeigt ist.
Weiterhin wurde bei den voranstehend beschriebenen Aus
führungsformen die vorliegende Erfindung bei einem line
aren Kodierer angewendet, jedoch ist der Schutzumfang der vor
liegenden Erfindung auch hierauf nicht beschränkt, und
es ist offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung
ebenso bei einem Drehkodierer verwendbar ist.
Claims (10)
1. Optischer Kodierer mit:
einer mit einem ersten Gitter (12) versehenen ersten Skala, welche an einem von zwei relativbeweglichen Teilen befestigt ist;
einer Lichtquelle (18) zur Aussendung nicht kollimierten Beleuchtungslichts; einer mit einem zweiten Gitter (14) versehenen zweiten Skala zur teilweisen Modulierung des Beleuchtungslichts von der Lichtquelle und zur Beleuch tung des ersten Gitters; einer mit einem dritten Gitter (16) versehenen dritten Skala zur weiteren Modulierung des Beleuchtungslichts, welches durch das erste und zweite Gitter moduliert wurde; und mit einem lichtempfangenden Element (20) zum Nachweis des Beleuchtungslichts, welches durch das erste bis dritte Gitter moduliert wurde; wobei die letztgenannten Teile an den anderen der beiden rela tivbeweglichen Teile befestigt sind,
wobei eine Relativverschiebung zwischen den beiden Teilen aus einer periodischen Änderung eines Nachweissignals von dem lichtempfangenden Element bestimmt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Teilung (P2) des zweiten Gitters (14) mit einem Wert gewählt wird, welcher größer als eine Teilung (P1) des ersten Gitters (12) ist, und daß eine Länge eines lichtdurch lässigen Abschnitts des zweiten Gitters mit einem solchen Wert gewählt ist, daß dieser nicht größer ist als die Länge der Teilung (P1) des ersten Gitters (12), und daß in dem zweiten Gitter (14) die Länge eines lichtabschirmenden Abschnitts (14A) zu der Länge eines lichtdurchlässigen Abschnitts (14B) im Ver hältnis 3 : 1 bis 7 : 1 steht.
einer mit einem ersten Gitter (12) versehenen ersten Skala, welche an einem von zwei relativbeweglichen Teilen befestigt ist;
einer Lichtquelle (18) zur Aussendung nicht kollimierten Beleuchtungslichts; einer mit einem zweiten Gitter (14) versehenen zweiten Skala zur teilweisen Modulierung des Beleuchtungslichts von der Lichtquelle und zur Beleuch tung des ersten Gitters; einer mit einem dritten Gitter (16) versehenen dritten Skala zur weiteren Modulierung des Beleuchtungslichts, welches durch das erste und zweite Gitter moduliert wurde; und mit einem lichtempfangenden Element (20) zum Nachweis des Beleuchtungslichts, welches durch das erste bis dritte Gitter moduliert wurde; wobei die letztgenannten Teile an den anderen der beiden rela tivbeweglichen Teile befestigt sind,
wobei eine Relativverschiebung zwischen den beiden Teilen aus einer periodischen Änderung eines Nachweissignals von dem lichtempfangenden Element bestimmt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Teilung (P2) des zweiten Gitters (14) mit einem Wert gewählt wird, welcher größer als eine Teilung (P1) des ersten Gitters (12) ist, und daß eine Länge eines lichtdurch lässigen Abschnitts des zweiten Gitters mit einem solchen Wert gewählt ist, daß dieser nicht größer ist als die Länge der Teilung (P1) des ersten Gitters (12), und daß in dem zweiten Gitter (14) die Länge eines lichtabschirmenden Abschnitts (14A) zu der Länge eines lichtdurchlässigen Abschnitts (14B) im Ver hältnis 3 : 1 bis 7 : 1 steht.
2. Optischer Kodierer nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Lichtquelle (18) eine
lichtemittierende Diode oder eine Lampe ist.
3. Optischer Kodierer nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Teilung (P2) des zweiten
Gitters (14), eine Teilung (P3) des dritten Gitters (16),
ein Abstand u der Gitter zwischen dem ersten Gitter (12)
und dem zweiten Gitter sowie ein Abstand v der Gitter
zwischen dem ersten Gitter und dem dritten Gitter (16)
auf Werte gesetzt sind, welche weiterhin die nachstehend
angegebenen Beziehungen erfüllen, wodurch ein Gitterbild vom Reflexionstyp
entsprechend dem geometrischen System
nachgewiesen wird:
P2 ((u + v)/v)·m1·P1 < P1P3 ((u + v)/u)·n1·P1u = vwobei m1 und n1 natürliche Zahlen mit m1< und n1 1
sind.
4. Optischer Kodierer nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Teilung (P2) des zweiten
Gitters (14), eine Teilung (P3) des dritten Gitters (16),
ein Abstand u der Gitter zwischen dem ersten Gitter
(12) und dem zweiten Gitter, sowie ein Abstand v der
Gitter zwischen dem ersten Gitter und dem dritten Gitter
auf Werte gesetzt sind, welche weiterhin die nachstehenden
Beziehungen erfüllen, wodurch ein Gitterbild vom Transmissionstyp entsprechend dem
geometrischen System nachgewiesen wird,
P2 ((u + v)/v)·m1·P1 < P1P3 ((u + v)/u)·n1·P1v = luP1²/(λu - lP1²)wobei m1, n1 und l natürliche Zahlen mit m1 < 1, n1
1 und l 1 sind und λ eine effektive Wellenlänge der
Lichtquelle ist.
5. Optischer Kodierer nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Teilung (P2) des
zweiten Gitters (14), eine Teilung (P3) des dritten Git
ters (16), ein Abstand u der Gitter zwischen dem ersten
Gitter (12) und dem zweiten Gitter sowie ein Abstand
v der Gitter zwischen dem ersten Gitter und dem dritten
Gitter auf Werte gesetzt sind, die weiterhin die nach
stehend angegebenen Beziehungen erfüllen, wodurch ein
Gitterbild vom Reflexionstyp entsprechend dem Beugungssystem
nachgewiesen wird:
P2 ((u + v)/v)·m2·P1/2 < P1P3 ((u + v)/u)·n2·P1/2u = vwobei m2 eine natürliche Zahl mit m2 < 1 ist und n2 eine
positive ungerade Zahl mit n2 1 ist.
6. Optischer Kodierer nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Teilung (P2) des zweiten
Gitters (14), eine Teilung (P3) des dritten Gitters (16),
ein Abstand u der Gitter zwischen dem ersten Gitter
(12) und dem zweiten Gitter sowie ein Abstand v der
Gitter zwischen dem ersten Gitter und dem dritten Gitter
auf Werte gesetzt sind, die weiterhin die nachstehend
angegebenen Beziehungen erfüllen, wodurch ein Gitterbild vom Transmissionsstyp
entsprechend dem Beugungssystem
nachgewiesen wird:
P2 ((u + v)/v)·m2·P1/2 P1P3 ((u + v)/u)·n2·P1/2v = luP1²/(λu - lP1²)wobei m2 eine natürliche Zahl ist mit m2 < 1, n2 eine
positive ungerade Zahl mit n2 1, l eine natürliche
Zahl und λ eine effektive Wellenlänge der Lichtquelle.
7. Optischer Kodierer nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Lichtquelle und das
zweite Gitter einstückig miteinander zur Ausbildung einer
feldförmigen Lichtquelle (30) ausgebildet sind.
8. Optischer Kodierer nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß das dritte Gitter und das
lichtempfangende Element einstückig miteinander zur Er
zeugung eines feldförmigen lichtempfangenden Elements
(32) ausgebildet sind.
9. Optischer Kodierer nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
gekennzeichnet durch:
eine reflektierende erste Skala (40), die an einem von relativbeweglichen Teilen befestigt und mit einem ersten Gitter (12) versehen ist;
eine Lichtquelle (42) zur Aussendung nichtkollimierten Beleuchtungslichts; eine mit einem zweiten Gitter (14) versehene zweite Skala (44) zur teilweisen Modulierung des Beleuchtungslichts von der Lichtquelle und zur Beleuch tung des ersten Gitters und mehrerer dritter Gitter (16), die eine voneinander unterschiedliche Phase aufweisen und getrennt von dem zweiten Gitter angeordnet sind, um das Beleuchtungslicht weiter zu modulieren, welches durch das zweite und das erste Gitter moduliert wurde; und mehrere lichtempfindliche Elemente zum Nachweis des Beleuchtungslichts, welches durch das erste bis dritte Gitter moduliert wurde; wobei die voranstehend genannten Teile an dem anderen der relativbeweglichen Teile befestigt sind,
wobei eine Relativverschiebung zwischen den beiden Teilen aus einer periodischen Änderung von Nachweissignalen der lichtempfindlichen Elemente bestimmt wird.
eine reflektierende erste Skala (40), die an einem von relativbeweglichen Teilen befestigt und mit einem ersten Gitter (12) versehen ist;
eine Lichtquelle (42) zur Aussendung nichtkollimierten Beleuchtungslichts; eine mit einem zweiten Gitter (14) versehene zweite Skala (44) zur teilweisen Modulierung des Beleuchtungslichts von der Lichtquelle und zur Beleuch tung des ersten Gitters und mehrerer dritter Gitter (16), die eine voneinander unterschiedliche Phase aufweisen und getrennt von dem zweiten Gitter angeordnet sind, um das Beleuchtungslicht weiter zu modulieren, welches durch das zweite und das erste Gitter moduliert wurde; und mehrere lichtempfindliche Elemente zum Nachweis des Beleuchtungslichts, welches durch das erste bis dritte Gitter moduliert wurde; wobei die voranstehend genannten Teile an dem anderen der relativbeweglichen Teile befestigt sind,
wobei eine Relativverschiebung zwischen den beiden Teilen aus einer periodischen Änderung von Nachweissignalen der lichtempfindlichen Elemente bestimmt wird.
10. Optischer Kodierer nach Anspruch 9, dadurch ge
kennzeichnet, daß eine Teilung (P2) des zweiten
Gitters (14) auf einen Wert gesetzt ist, welcher größer
ist als eine Teilung (P1) des ersten Gitters (12), und
daß die Länge des lichtdurchlässigen Abschnitts des zweiten
Gitters (14) auf einen Wert gesetzt ist, der geringer
ist als die Teilung (P1) des ersten Gitters (12).
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