DE10037979B4

DE10037979B4 - Optischer Kodierer

Info

Publication number: DE10037979B4
Application number: DE10037979.6A
Authority: DE
Inventors: Shingo Nihommori; Seiji Sakagami; Toru Yaku
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1999-08-06
Filing date: 2000-08-03
Publication date: 2018-10-25
Anticipated expiration: 2020-08-04
Also published as: GB0018967D0; GB2352811A; US6635863B1; DE10037979A1; GB2352811B

Abstract

Optischer Kodierer, welcher aufweist:
eine Hauptskala (1), auf welcher erste optische Gitter (11) mit einem bestimmten Winkelteilungsabstand entlang einer Messachse (x1) vorhanden sind, wobei die Messachse (x1) einen Kreisbogen beschreibt; und
einen Detektorkopf (2), auf welchem zweite optische Gitter (7) vorhanden sind, wobei der Detektorkopf (2) gegenüberliegend der Hauptskala (1) angeordnet ist, und eine Relativbewegung entlang der Messachse (x1) durchführen kann, um eine Relativverschiebung zwischen der Hauptskala (1) und dem Detektorkopf (2) festzustellen,
wobei die zweiten optischen Gitter (7) auf dem Detektorkopf (2) mit einem bestimmten Teilungsabstand (P) auf einer geraden Linie angeordnet sind,
wobei die zweiten optischen Gitter (7) auf dem Detektorkopf (2) eine effektive Photodetektoroberfläche mit einer bestimmten Länge (L) entlang der Messachse (x1) aufweisen, wobei die effektive Photodetektoroberfläche als ein Bereich definiert ist, in welchem der Winkelteilungsabstand der ersten optischen Gitter (11) im wesentlichen gleich dem Teilungsabstand (P) der zweiten optischen Gitter (7) ist, und
wobei die effektive Photodetektoroberfläche Abmessungen in einer Richtung senkrecht zu einer Messachse (x1) aufweist, wobei die Abmessungen größer im Zentrum der bestimmten Länge (L) der zweiten optischen Gitter (7) und kleiner an Umfängen entlang der Messachse (x1) sind, und
wobei weiterhin eine Apertur (8a, 8b) zur Festlegung der effektiven Photodetektoroberfläche vorhanden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Kodierer.
Ein optischer Kodierer weist eine Hauptskala und einen Detektorkopf zur optischen Ablesung der Hauptskala auf, wobei diese beiden Teile zusammengebaut sind. Beim Zusammenbau eines derartigen optischen Kodierers sind Ausrichtungseinstellungen wesentlich, um eine gute Leistung zu erzielen. Spezielle Ausrichtungseinstellungen sind erforderlich für: einen Spalt zwischen der Hauptskala und dem Detektorkopf; die Drehung um jede Achse zwischen dem Detektorkopf und der Hauptskala; und eine Verschiebung in einer Richtung senkrecht zu einer Messachse zwischen dem Detektorkopf und der Hauptskala.
Insbesondere weist ein kleiner optischer Kodierer optische Gitter auf, die einen kleinen Teilungsabstand haben, und erfordert daher in nachteiliger Weise einen Zusammenbau und eine Anbringung mit hoher Genauigkeit, um eine gute Leistung zu erreichen. Im Stand der Technik wurden mechanische Einstellungen für Änderungen der Ausrichtung durchgeführt, jedoch gibt es für mechanische Ausrichtungseinstellungen Einschränkungen.
Die europäische Patentanmeldung EP 0 143 525 A1 betrifft einen optischen Positionstransducer und offenbart eine photoelektrische Positionserfassungsvorrichtung, in der die Zellen des photoelektrischen Elements in einer rhombischen Form ausgebildet sind. Das photoelektrische Element dient der Positionserfassung eines drehbaren Shutters, an dessen Randbereich durchsichtige Fenster in konstantem Winkelabstand angeordnet sind, und die von dem photoelektrischen Element erfasst werden können.
In der internationalen Patentanmeldung WO 97 167 04 A1 wird ein optoelektrischer Drehkodierer beschrieben, der ein resultierendes Streifenmuster erzeugt, indem ein Analysegitter und ein periodisches Lichtmuster zusammenwirken. Es wird weiterhin offenbart, dass entweder das periodische Lichtmuster oder das sich ergebende Streifenmuster ein lineares Muster ist. Das jeweils andere Muster ist ein winkelförmiges Muster.
Die deutsche Patentanmeldung DE 42 26 683 A1 beschreibt einen optischen Bewegungsaufnehmer, bei dem eine Lichtquelle ein periodisches Schlitzmuster auf einer Geberplatte beleuchtet, um eine primäres Streifenbild zu bilden, deren Hell-/Dunkelbereiche sich in einer ersten Ebene bewegen. Ein Linsenglied projiziert das primäre Streifenbild mit einer vorgegebenen Vergrößerung, um ein vergrößertes Sekundärstreifenbild zu bilden, dessen Hell-/Dunkelbereiche sich in einer zweiten Ebene abwechseln.
Die deutsche Patentanmeldung DE 31 50 349 A1 betrifft eine Winkelmessvorrichtung mit einem Liniensensor. Bei dieser Lichtmessvorrichtung wird eine in gleichwinkligen Intervallen auf einer Skalentafel ausgebildete Skala auf einen Liniensensor auf solche Weise projiziert, dass die Teilung der Skala im wesentlichen gleich (aber nicht exakt gleich) der Teilung des Liniensensors ist, wobei die Skalentafel einen Durchmesser von ungefähr 75,630 mm aufweist, und der Liniensensor mit 22 Lichtaufnahmeelementen, auf den die Skalentafel projiziert wird, linear ist und eine Breite von 25 µm und eine Länge von 25 µm × 22 aufweist. Dabei werden die Gradeinteilungen auf einen sehr kleinen Bereich projiziert (50' = 360° × 10/4320 in Winkelminuten).
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der voranstehend geschilderten Situation entwickelt, und daher besteht ihr Vorteil in der Bereitstellung eines optischen Kodierers, mit welchem eine gute Leistung erzielbar ist, ohne dass es erforderlich ist, Ausrichtungseinstellungen und den Zusammenbau mit hoher Genauigkeit vorzunehmen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein optischer Kodierer gemäß Anspruch 1 zur Verfügung gestellt, der eine Hauptskala mit ersten darauf befindlichen optischen Gittern aufweist, mit einem bestimmten Winkelabstand, entlang einer Messachse. Die Messachse beschreibt die Form eines Kreisbogens. Der Kodierer weist weiterhin einen Detektorkopf auf, auf welchem zweite optische Gitter vorhanden sind. Der Detektorkopf ist gegenüberliegend der Hauptskala angeordnet, und kann eine Relativbewegung entlang der Messachse durchführen, um die Relativverschiebung zwischen der Hauptskala und dem Detektorkopf festzustellen. Die zweiten optischen Gitter auf dem Detektorkopf sind mit einem bestimmten Teilungsabstand auf einer geraden Linie versehen.
Weiterhin wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein optischer Kodierer gemäß Anspruch 5 zur Verfügung gestellt, der einen Hauptskala mit darauf befindlichen ersten optischen Gittern mit einem bestimmten Teilungsabstand entlang einer Messachse aufweist. Die Messachse beschreibt eine gerade Linie. Weiterhin weist der Kodierer einen Detektorkopf auf, auf welchem zweite optische Gitter vorhanden sind. Der Detektorkopf ist gegenüberliegend der Hauptskala angeordnet, und kann eine Relativbewegung entlang der Messachse durchführen, um die Relativverschiebung zwischen der Hauptskala und dem Detektorkopf festzustellen. Die zweiten optischen Gitter auf dem Detektorkopf sind mit einem bestimmten Winkelabstand auf einem Kreisbogen vorhanden.
In jenem Fall, in welchem der optische Kodierer gemäß der vorliegenden Erfindung vom Drehtyp ist, mit einer Messachse, die einen Kreisbogen beschreibt, weisen die optischen Gitter auf dem Detektorkopf eine Gitteranordnung auf einer geraden Linie auf. In jenem Fall, in welchem der optische Kodierer vom Lineartyp ist, mit einer Messachse, die eine gerade Linie beschreibt, weisen die optischen Gitter auf dem Detektorkopf eine Gitteranordnung auf einem Kreisbogen auf. Bei derartigen Anordnungen überlappen die optischen Gitter auf der Hauptskala die optischen Gitter auf dem Detektorkopf, wobei der Überlappzustand allmählich zum benachbarten Zustand geringfügig geändert wird, innerhalb einer bestimmten Länge entlang der Messachse des Detektorkopfes. Selbst wenn eine Fehlausrichtung bezüglich der Ausrichtung des einen zum anderen der einander gegenüberliegenden optischen Gitter auftritt, führt dies dazu, dass die Fehlausrichtung in Bezug auf die Ausrichtung den Überlappungszustand der optischen Gitter weniger stark ändert, so dass kaum ein Einfluss infolge von Schwankungen der Ausrichtung auftritt.
Bei der vorliegenden Erfindung sind die beiden gegenüberliegenden optischen Gitter so aufgebaut, dass sie die Anordnung entlang einem Kreisbogen bzw. die Anordnung entlang einer geraden Linie aufweisen. Da sie vom Zentrum des Detektorkopfes entlang der Messachse getrennt sind, nimmt ein schiefer Winkel zwischen den beiden optischen Gittern allmählich zu, und nimmt eine Überlappungsfläche zwischen den beiden optischen Gittern ab, was zu einer Erhöhung der Gleichspannungsoffsetkomponente des Ausgangssignals führt. Zur Verbesserung dieser Situation ist eine effektive Lichtdetektoroberfläche der zweiten optischen Gitter auf dem Detektorkopf innerhalb einer bestimmten Länge eingeschränkt, entlang der Messachse, bei welcher die beiden optischen Gitter nahezu identische Teilungsabstände aufweisen. Weiterhin ist eine Apertur zur Festlegung der effektiven Photodetektoroberfläche vorhanden. Die Apertur ist dabei so geformt, dass ihre Abmessungen größer im Zentrum der bestimmten Länge der zweiten optischen Gitter und kleiner an Umfängen entlang der Messachse sind. Eine derartige Apertur kann große Gleichspannungslichtkomponenten unterdrücken, die an beiden Enden der optischen Gitter entlang der Messachse auf dem Detektorkopf erzeugt werden, und stellt ein ausreichend großes Verhältnis des Wertes V_PP von einem Spitzenwert zum nächsten zum Gleichspannungsoffset V_DC des Ausgangssignals sicher.
Bei der vorliegenden Erfindung kann der Detektorkopf entweder aufweisen: (a) eine Indexskala, auf welcher die zweiten Gitter vorhanden sind, und Photodetektorgeräte zum Empfang von Licht, das durch die zweiten Gitter hindurchgegangen ist; oder (b) einen Photodetektorarray, der als die zweiten Gitter dient.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:

1 die Ausbildung eines optischen Kodierers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 eine Querschnittsansicht des optischen Kodierers gemäß der ersten Ausführungsform;
3 Muster von Skalengittern und optischen Gittern an der Photoempfangsseite bei der ersten Ausführungsform;
4A einen Überlappungszustand von optischen Gittern, wenn sich der optische Kodierer gemäß der ersten Ausführungsform im Zustand der besten Ausrichtung befindet;
4B einen Überlappungszustand optischer Gitter nach einer Änderung der Ausrichtung, die bei dem optischen Kodierer gemäß der ersten Ausführungsform aufgetreten ist;
4C einen Überlappungszustand optischer Gitter, nachdem eine andere Ausrichtungsänderung in dem optischen Kodierer gemäß der ersten Ausführungsform aufgetreten ist;
5A eine Kombination einer zweiten Ausführungsform und einer Apertur;
5B eine zweite Ausführungsform in Kombination mit einer anderen Apertur;
6 eine Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsform mit einem Photodetektorgerätearray;
7 eine Querschnittsansicht eines optischen Kodierers gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 eine Querschnittsansicht eines optischen Kodierers gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 eine Querschnittsansicht eines optischen Kodierers gemäß einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 eine Querschnittsansicht eines optischen Kodierers gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
11 die Ausbildung eines optischen Kodierers gemäß einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM
1 zeigt die Ausbildung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, nämlich einen Einsatz bei einem Drehkodierer. Der Drehkodierer weist eine Hauptskala 1 und einen Detektorkopf 2 zum Ablesen der Skala auf. Die Hauptskala 1 weist eine Skalenscheibe 10 und eine Gruppe optischer Gitter (Skalengitter) 11 darauf auf. Die Skalenscheibe 10 ist mit einer Messachse x₁ versehen, welche einen Kreisbogen beschreibt. Die optischen Gitter 11 weisen reflektierende und nicht reflektierende Abschnitte entlang der Messachse x₁ mit einem bestimmten Winkelteilungsabstand auf (eine gerade Entfernung von P im Zentrum der Spurbreite).
Der Detektorkopf 2 weist, wie in der Querschnittsansicht von 2 gezeigt ist, eine Lichtquelle wie beispielsweise eine LED 3 auf, ein Indexskalensubstrat 4, und Photodetektorgeräte 5a, 5b. Das Indexskalensubstrat 4 weist eine Gruppe optischer Gitter 6 an der Seite der Lichtquelle auf, welche das Licht von der LED 3 empfangen, und so eine sekundäre Lichtquelle zur Beleuchtung der Hauptskala 1 bilden. Weiterhin weist es eine weitere Gruppe optischer Gitter 7 an der Photoempfangsseite zum Empfang des Lichts auf, das von der Hauptskala reflektiert wird. Die optischen Gitter 7 an der Photoempfangsseite sind in zwei Gitterabschnitte für Ausgangssignale einer Phase A und einer Phase B unterteilt, zwischen denen ein Phasenunterschied von 90 ° vorhanden ist, relativ zum Winkelteilungsabstand der Skalengitter 11 auf der Hauptskala. Diese Gitterabschnitte entsprechen den Photodetektorgeräten 5a und 5b für die Phase A und B.
3 erläutert Muster der Skalengitter 11 auf der Hauptskala 1 und der optischen Gitter 7 an der Photoempfangsseite auf dem Detektorkopf 2 Seite an Seite. Die optischen Gitter 7 an der Photoempfangsseite auf dem Detektorkopf 2 weisen eine Geradliniengitteranordungsachse x₂ auf, wogegen die Messachse x₁ auf der Hauptskala 1 einen Kreisbogen beschreibt. Die optischen Gitter 7 weisen lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Abschnitte entlang der Gitteranordnungsachse x₂ mit einem Teilungsabstand von P auf. Der Gitterabschnitt für das Ausgangssignal der Phase A und der Gitterabschnitt für das Ausgangssignal der Phase B sind entlang der Gitteranordnungsachse x₂ mit einer Phasendifferenz von (2n+1)P/4 angeordnet (n bezeichnet eine positive ganze Zahl).
Bei der voranstehend geschilderten Ausführungsform weist ein Paar gegenüberliegender Gitter zwischen den optischen Gittern 7 an der Photoempfangsseite auf dem Detektorkopf 2 und den Skalengittern 11 auf der Hauptskala 1 eine Überlappungsfläche auf, die am größten im Zentrum einer bestimmten Länge entlang der Messachse innerhalb der optischen Gitter 7 ist. Die Überlappungsfläche nimmt allmählich ab, wenn sie sich an die beiden Ränder annähert, da ein schiefer Winkel zwischen den gegenüberliegenden Gittern zunimmt. Diese Änderung der Überlappungsflächen von Gittern entlang der Messachse verringert die Ausgangsschwankungen infolge von Ausrichtungsschwankungen zwischen dem Detektorkopf 2 und der Hauptskala 1.
Die 4A bis 4C zeigen Variationen der Überlappungszustände von Gittern, zwischen den optischen Gittern 7 an der Lichtempfangsseite auf dem Detektorkopf 2 und den Skalengittern 11 auf der Hauptskala 1, die infolge der relativen Ausrichtungen auftreten. 4A zeigt einen Fall mit der besten Ausrichtung entsprechend der Konstruktion; 4B zeigt einen anderen Fall, bei welchem ein Offset in Radialrichtung aufgetreten ist; und 4C zeigt einen unterschiedlichen Fall, in dem eine Drehänderung (Moire-Änderung) aufgetreten ist. Wie aus 4A hervorgeht, ist selbst bei der sechsten Ausrichtung innerhalb einer Länge L entlang der Messachse auf den optischen Gittern 7 die Überlappungsfläche der Gitter größer im Zentrum, und nimmt allmählich mit Annäherung an die Umfänge ab. Daher ändert sich der Mittelwert der Gesamtüberlappungsflächen in den sämtlichen optischen Gittern 7 kaum wesentlich, selbst wenn Ausrichtungsschwankungen auftreten, wie dies in den 4B und 4C gezeigt ist.
Daher weist der Detektorkopf bei dieser Ausführungsform eine langsame Reaktion auf die Ausrichtungsschwankungen auf, wodurch der Kodierer hervorragende Leistungen aufweist, ohne exakten Zusammenbau und exakte Ausrichtungseinstellung.
ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM
Wie aus 4 deutlich wird, kann bei der voranstehend geschilderten Ausführungsform Signallicht mit größerer Amplitude vom Zentrum der optischen Gitter 7 an der Lichtempfangsseite erhalten werden. Im Gegensatz hierzu weist das Signallicht eine starke Gleichspannungslichtkomponente an den Umfängen auf, da die Überlappungsfläche zwischen gegenüberliegenden Gittern abnimmt, wenn der schiefe Winkel dazwischen zunimmt. Zur Ausschaltung dieses Problems ist bei einer bevorzugten, zweiten Ausführungsform eine Apertur (Aperturöffnung) vorgesehen, um die optischen Gitter 7 an der Lichtempfangsseite auf dem Detektorkopf 2 so zu begrenzen, dass sie eine effektive Photodetektoroberfläche innerhalb einer Länge L entlang der Messachse aufweist. Die effektive Photodetektoroberfläche ist als ein Bereich definiert, in welchem der Winkelteilungsabstand der Skalengitter 11 und der Teilungsabstand der optischen Gitter 7 im Wesentlichen gleich sind. Die Apertur ist so geformt, dass die effektive Photodetektoroberfläche in Bezug auf die Spurbreite Abmessungen aufweisen kann, die größer im Zentrum und kleiner an den Umfängen sind, innerhalb der Länge L.
5A zeigt eine Apertur 8a und einen Zustand der Maskierung eines Überlappungsmusters zwischen den optischen Gittern 7 und den Skalengittern 11 unter Verwendung der Apertur 8a. 5B zeigt eine weitere Apertur 8b und einen Zustand der Maskierung eines Überlappungsmusters zwischen den optischen Gittern 7 und den Skalengittern 11 unter Verwendung der Apertur 8b. Die Apertur 8a weist ein Maskierungsmaterial 82 auf, dessen Abmessungen ausreichend groß sind, um die gesamten optischen Gitter 7 abzudecken, wobei darin ein rhombenförmiges Fenster 81 geöffnet ist. Die Apertur 8b weist ein Maskierungsmaterial 82 mit ausreichend großen Abmessungen auf, um die gesamten optischen Gitter 7 abzudecken, wobei darin ein im wesentlichen rhombenförmiges Fenster 81 geöffnet ist.
Die Aperturen 8a und 8b sind, wie besonders deutlich aus 2 hervorgeht, auf der Oberfläche der optischen Gitter 7 des Indexskalensubstrats 4 oder auf Photodetektoroberflächen der Photodetektorgeräte 8a und 5b vorgesehen. Alternativ können die Aperturen auf der Oberfläche des Indexskalensubstrats 4 gegenüberliegend jener Oberfläche vorgesehen sein, die zur Ausbildung der optischen Gitter 7 an der Lichtempfangsseite verwendet wird. Anderenfalls können die Aperturen 8a und 8b einstückig mit den optischen Gittern 7 an der Photodetektorseite (Lichtempfangsseite) ausgebildet sein, unter Verwendung desselben metallischen Films, wobei sie gleichzeitig mit den Gittern mit einem Muster versehen werden.
Der Einsatz einer derartigen Apertur in Kombination beschränkt die Amplitude des Ausgangssignals, kann nutzlose Gleichspannungslichtkomponenten unterdrücken, und ein ausreichend hohes Verhältnis des Wertes V_PP von Spitzenwert zu Spitzenwert zum Gleichspannungsoffset V_DC des Ausgangssignals sicherstellen.
DRITTE AUSFÜHRUNGSFORM
6 zeigt, entsprechend 2, eine Ausbildung eines Kodierers gemäß einer anderen Ausführungsform. Andere Teile sind ähnlich jenen gemäß den vorherigen Ausführungsformen ausgebildet. Ein Photodetektorgerätearray 9, der als die optischen Gitter 7 dient, wird bei der vorliegenden Ausführungsform verwendet, anstatt die optischen Gitter 7 zu verwenden, zur Ausbildung des Photodetektorabschnitts des Detektorkopfes 2 zusammen mit den Photodetektorgeräten 5 bei den vorherigen Ausführungsformen. Der Photodetektorgerätearray 9 weist Photodetektorgeräte auf, beispielsweise Photodioden, die in einem Feld mit einem Teilungsabstand von 3P/4 angeordnet sind, wobei P der Teilungsabstand der Gitter auf der Hauptskala 1 ist. Daher kann der Photodetektorgerätearray 9 Quadratur-Phasenverschiebungssignale A (= 0 °), BB (= 270 °), AB (= 90 °) und B (= 180 °) ausgeben.
VIERTE AUSFÜHRUNGSFORM
Die vorliegende Erfindung kann auch bei Kodierern des Transmissionstyps eingesetzt werden, obwohl reflektierende Kodierer als Beispiele bei den vorherigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dienten.
7 zeigt eine Ausbildung eines Kodierers des Transmissionstyps gemäß einer Ausführungsform, welche einen Einsatz der Ausbildung des optischen Kodierers gemäß der ersten Ausführungsform von 2 darstellt, wobei dieselben Bezugszeichen für entsprechende Teile wie bei den vorherigen Ausführungsformen verwendet werden.
Der Kodierer des Transmissionstyps gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist eine Hauptskala 1 und einen Detektorkopf 2 zum Ablesen der Hauptskala 1 auf. Die Hauptskala 1 weist eine Skalenscheibe 10 auf, die aus einem transparenten Substrat, beispielsweise einem Glassubstrat besteht, und optische Gitter des Transmissionstyps, bei denen ein Feld abwechselnder lichtdurchlässiger und lichtundurchlässiger Abschnitte vorgesehen ist. Der Detektorkopf 2 weist eine LED 3 als Lichtquelle auf, ein Indexskalensubstrat 4, sowie Photodetektorgeräte 5a, 5b. Das Indexskalensubstrat 4 und die Photodetektorgeräte 5a, 5b sind ebenso ausgebildet wie bei der ersten Ausführungsform.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die LED 3 gegenüberliegend einer Oberfläche der Hauptskala 1 angeordnet. Im Gegensatz hierzu sind die Photodetektorgeräte 5a und 5b gegenüberliegend der anderen Oberfläche der Hauptskala 1 über das Indexskalensubstrat 4 angeordnet.
Licht, das von der LED 3 ausgesandt wird, geht durch die transparenten Abschnitte der Skalengitter 11 hindurch, die auf der Hauptskala 1 vorgesehen sind. Das durch die Hauptskala 1 hindurchgegangene Licht erreicht die Photodetektorgeräte 5a und 5b, nachdem es durch die optischen Gitter 7 des Indexskalensubstrats 4 hindurchgegangen ist.
Im Ergebnis werden Bi-Phasensignale A und B erhalten, abhängig von der Verschiebung der Hauptskala 1 in Bezug auf den Detektorkopf 2.
Wenn ein lichtundurchlässiges Material für die Skalenscheibe 10 verwendet wird, kann die Ausbildung der Skalengitter 11 als Schlitze, die durch die Skalenscheibe 10 hindurchgehen, dazu führen, dass die Hauptskala 1 bei dem Kodierer des Transmissionstyps eingesetzt wird.
FÜNFTE AUSFÜHRUNGSFORM
8 zeigt eine Ausbildung eines Kodierers des Transmissionstyps gemäß einer Ausführungsform, welche einen Einsatz der Ausbildung des optischen Kodierers gemäß der in 7 gezeigten, vierten Ausführungsform darstellt, wobei dieselben Bezugszeichen für entsprechende Teile wie in den vorherigen Ausführungsformen verwendet werden.
Der Kodierer des Transmissionstyps gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist eine Hauptskala 1 und einen Detektorkopf 2 zum Ablesen der Hauptskala 1 auf. Die Hauptskala 1 weist eine Skalenscheibe 10 auf, die aus einem transparenten Substrat, beispielsweise einem Glassubstrat besteht, und auf welcher optische Gitter des Transmissionstyps mit abwechselnden lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Abschnitten vorgesehen sind. Der Detektorkopf 2 weist eine LED 3 als Lichtquelle auf, ein Indexskalensubstrat 4, optische Gitter 6 an der Seite der Lichtquelle, sowie Photodetektorgeräte 5a, 5b. Das Indexskalensubstrat 4 und die Photodetektorgeräte 5a, 5b sind ebenso ausgebildet wie bei der ersten Ausführungsform.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die LED 3 gegenüberliegend einer Oberfläche der Hauptskala 1 über die optischen Gitter 6 an der Seite der Lichtquelle angeordnet. Im Gegensatz hierzu sind die Photodetektorgeräte 5a und 5b gegenüberliegend der anderen Oberfläche der Hauptskala 1 über das Indexskalensubstrat 4 angeordnet. Von der LED 3 ausgesandtes Licht wird durch die optischen Gitter 6 an der Seite der Lichtquelle in eine Sekundärlichtquelle zur gleichmäßigen Beleuchtung der Skala umgewandelt, und geht durch die lichtdurchlässigen Abschnitte der Skalengitter 11 hindurch, die auf der Hauptskala 1 vorgesehen sind. Das durch die Hauptskala 1 hindurchgegangene Licht erreicht die Photodetektorgeräte 5a und 5b nach dem Durchgang durch die optischen Gitter 7 an der Lichtempfangsseite des Indexskalensubstrats 4.
Dies führt dazu, dass Bi-Phasensignale A und B erhalten werden, abhängig von der Verschiebung der Hauptskala 1 in Bezug auf den Detektorkopf 2.
Wenn ein lichtdurchlässiges Material bei der Skalenscheibe 11 verwendet wird, kann die Ausbildung der Skalengitter 11 als Schlitze, die durch die Skalenscheibe 10 hindurchgehen, dazu führen, dass die Hauptskala 1 bei dem Kodierer des Transmissionstyps eingesetzt wird.
SECHSTE AUSFÜHRUNGSFORM
9 zeigt eine Ausführungsform des Kodierers des Transmissionstyps, welche einen Einsatz der dritten Ausführungsform unter Verwendung des in 6 gezeigten Photodetektorgerätearrays 9 darstellt, wobei dieselben Bezugszeichen für entsprechende Teile wie bei den vorherigen Ausführungsformen verwendet werden.
Der Kodierer des Transmissionstyps gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist eine Hauptskala 1 auf, ein Photodetektorgerätearray 9, und eine LED 3 als Lichtquelle. Die Hauptskala 1 ist ebenso ausgebildet wie bei der fünften Ausführungsform. Der Photodetektorgerätearray 9 dient als die optischen Gitter an der Lichtempfangsseite, ähnlich wie bei der Ausbildung gemäß der dritten Ausführungsform.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die LED 3 gegenüberliegend einer Oberfläche der Hauptskala 1 angeordnet. Im Gegensatz hierzu ist der Photodetektorgerätearray 9 gegenüberliegend der anderen Oberfläche der Hauptskala 1 angeordnet.
Von der LED 3 durchgelassenes Licht geht durch die lichtdurchlässigen Abschnitte der Skalengitter 11 hindurch, die auf der Hauptskala 1 vorgesehen sind, ähnlich wie bei der vierten Ausführungsform. Wenn das durch die Hauptskala 1 hindurchgegangene Licht den Photodetektorgerätearray 9 erreicht, werden Quadratur-Phasenverschiebungssignale A, BB, AB und B ausgegeben, auf der Grundlage der Verschiebung der Hauptskala 1 in Bezug auf den Photodetektorgerätearray 9.
SIEBTE AUSFÜHRUNGSFORM
10 zeigt eine Ausführungsform eines Kodierers des Transmissionstyps, welche einen Einsatz der sechsten Ausführungsform gemäß 9 darstellt, wobei dieselben Bezugszeichen für entsprechende Teile wie bei den vorherigen Ausführungsformen verwendet werden.
Der Kodierer des Transmissionstyps gemäß der vorliegenden Ausführungsform weist eine Hauptskala 1 auf, ein Photodetektorgerätearray 9, eine LED 3 als Lichtquelle, und optische Gitter 6 an der Seite der Lichtquelle zur Ausbildung einer sekundären Lichtquelle. Die Hauptskala 1 ist ebenso ausgebildet wie bei der vierten Ausführungsform. Der Photodetektorgerätearray 9 dient als die optischen Gitter an der Lichtempfangsseite, ähnlich wie bei der Ausbildung gemäß der dritten Ausführungsform.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die LED 3 gegenüberliegend einer Oberfläche der Hauptskala 1 über die optischen Gitter 6 an der Seite der Lichtquelle angeordnet. Weiterhin ist der Photodetektorgerätearray 9 gegenüberliegend der anderen Oberfläche der Hauptskala 1 angeordnet.
Von der LED 3 ausgesandtes Licht wird durch die optischen Gitter 6 an der Seite der Lichtquelle in eine sekundäre Lichtquelle zur gleichmäßigen Beleuchtung der Skala umgewandelt, und geht durch die lichtdurchlässigen Abschnitte der Skalengitter 11 hindurch, die auf der Hauptskala 1 vorgesehen sind, ähnlich wie bei der vierten Ausführungsform. Wenn das durch die Hauptskala 1 hindurchgegangene Licht den Photodetektorgerätearray 9 erreicht, werden Qudaratur-Phasenverschiebungssignale A, BB, AB und B ausgegeben, auf der Grundlage der Verschiebung der Hauptskala 1 in Bezug auf den Photodetektorgerätearray 9.
ACHTE AUSFÜHRUNGSFORM
Obwohl voranstehend Anwendungen in Bezug auf einen Drehkodierer in Bezug auf die voranstehenden Ausführungsformen beschrieben wurden, läßt sich die Anordnung gemäß den voranstehenden Ausführungsformen auch bei einem Linearkodierer einsetzen.
11 zeigt die Ausbildung einer Ausführungsform, welche einen Einsatz der vorliegenden Erfindung bei einem linearen Kodierer darstellt, wobei die gleichen Bezugszeichen für entsprechende Teile wie bei den voranstehenden Ausführungsformen verwendet werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform weist die Hauptskala 1 eine gerade Messachse x₁ auf. Die Skalengitter 11 sind entlang der Messachse x₁ mit einem bestimmten Unterteilungsabstand P angeordnet. Die optischen Gitter 7 an der Lichtempfangsseite auf dem Detektorkopf 2 weisen lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Abschnitte auf, die abwechselnd mit einem bestimmten Winkelabstand (einer geraden Entfernung von P im Zentrum der Spur) entlang einer Gitteranordnungsachse x₂ angeordnet sind, welche einen Kreisbogen beschreibt.
Der Überlappungszustand gegenüberliegender Gitter, zwischen den Skalengittern 11 auf der Hauptskala 1 und den optischen Gittern 7 an der Lichtempfangsseite auf dem Detektorkopf 2, ist ebenso wie in 4, mit Ausnahme der Tatsache, dass die optischen Gitter 7 und der Detektorkopf 2 entgegengesetzt ausgebildet sind, im Vergleich zur Beziehung gemäß 4. Daher kann eine unempfindliche Reaktion auf die Ausrichtungsschwankungen erzielt werden, ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform. Darüber hinaus kann die Verwendung einer Apertur in Kombination bei der vierten Ausführungsform ebenfalls wie bei der zweiten Ausführungsform wirksam sein. Ein Photodetektorgerätearray, der als die Gitter 7 an der Lichtempfangsseite dient, kann ebenfalls eingesetzt werden, ähnlich wie bei der dritten Ausführungsform.
Wie voranstehend deutlich geworden sein sollte, kann durch Verwendung der optischen Gitter, die entlang einer geraden Linie angeordnet sind, in Kombination mit den optischen Gittern, die entlang einem Kreisbogen angeordnet sind, die vorliegende Erfindung einen optischen Kodierer zur Verfügung stellen, welcher den Einfluß akkumulierter Fehler und von Ausrichtungsschwankungen nach dem Zusammenbau verringern kann, und eine hohe Leistung erzielen kann, ohne dass es erforderlich ist, Ausrichtungseinstellungen und den Zusammenbau mit hoher Genauigkeit vorzunehmen.
Nach der Beschreibung von Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten auf diesem Gebiet andere Ausführungsformen und Abänderungen auffallen, die mit der vorliegenden Erfindung verträglich sind.

Claims

Optischer Kodierer, welcher aufweist: eine Hauptskala (1), auf welcher erste optische Gitter (11) mit einem bestimmten Winkelteilungsabstand entlang einer Messachse (x1) vorhanden sind, wobei die Messachse (x1) einen Kreisbogen beschreibt; und einen Detektorkopf (2), auf welchem zweite optische Gitter (7) vorhanden sind, wobei der Detektorkopf (2) gegenüberliegend der Hauptskala (1) angeordnet ist, und eine Relativbewegung entlang der Messachse (x1) durchführen kann, um eine Relativverschiebung zwischen der Hauptskala (1) und dem Detektorkopf (2) festzustellen, wobei die zweiten optischen Gitter (7) auf dem Detektorkopf (2) mit einem bestimmten Teilungsabstand (P) auf einer geraden Linie angeordnet sind, wobei die zweiten optischen Gitter (7) auf dem Detektorkopf (2) eine effektive Photodetektoroberfläche mit einer bestimmten Länge (L) entlang der Messachse (x1) aufweisen, wobei die effektive Photodetektoroberfläche als ein Bereich definiert ist, in welchem der Winkelteilungsabstand der ersten optischen Gitter (11) im wesentlichen gleich dem Teilungsabstand (P) der zweiten optischen Gitter (7) ist, und wobei die effektive Photodetektoroberfläche Abmessungen in einer Richtung senkrecht zu einer Messachse (x1) aufweist, wobei die Abmessungen größer im Zentrum der bestimmten Länge (L) der zweiten optischen Gitter (7) und kleiner an Umfängen entlang der Messachse (x1) sind, und wobei weiterhin eine Apertur (8a, 8b) zur Festlegung der effektiven Photodetektoroberfläche vorhanden ist.
Optischer Kodierer nach Anspruch 1, wobei der Detektorkopf (2) aufweist: eine Indexskala (4), auf welcher die zweiten optischen Gitter (7) vorhanden sind; und Photodetektorgeräte (5a, 5b) zum Empfang von Licht, das durch die Indexskala (4) hindurchgegangen ist.
Optischer Kodierer nach Anspruch 1, wobei der Detektorkopf (2) einen Photodetektorgerätearray (9) aufweist, der als die zweiten optischen Gitter (7) dient.
Optischer Kodierer nach Anspruch 1, wobei die effektive Photodetektoroberfläche die Form eines Rhombus aufweist.
Optischer Kodierer, welcher aufweist: eine Hauptskala (1), auf welcher erste optische Gitter (11) vorhanden sind, mit einem bestimmten Teilungsabstand (P) entlang einer Messachse (x1), wobei die Messachse (x1) eine gerade Linie beschreibt; und einen Detektorkopf (2), auf welchem zweite optische Gitter (7) vorhanden sind, wobei der Detektorkopf (2) gegenüberliegend der Hauptskala (1) angeordnet ist, und eine Relativbewegung entlang der Messachse (x1) durchführen kann, um die Relativverschiebung zwischen der Hauptskala (1) und dem Detektorkopf (2) festzustellen, wobei die zweiten optischen Gitter (7) auf dem Detektorkopf (2) mit einem bestimmten Winkelteilungsabstand auf einem Kreisbogen angeordnet sind, wobei die zweiten optischen Gitter (7) auf dem Detektorkopf (2) eine effektive Photodetektoroberfläche innerhalb einer bestimmten Länge (L) entlang der Messachse (x1) aufweisen, wobei die effektive Photodetektoroberfläche als ein Bereich definiert ist, in welchem der Teilungsabstand (P) der ersten optischen Gitter (11) im wesentlichen gleich dem Winkelteilungsabstand der zweiten optischen Gitter (7) ist, und wobei die effektive Photodetektoroberfläche Abmessungen in einer Richtung senkrecht zu einer Messachse (x1) aufweist, wobei die Abmessungen größer im Zentrum der bestimmten Länge (L) der zweiten optischen Gitter (7) und kleiner an Umfängen entlang der Messachse (x1) sind, und wobei weiterhin eine Apertur (8a, 8b) zur Festlegung der effektiven Photodetektoroberfläche vorhanden ist.
Optischer Kodierer nach Anspruch 5, wobei der Detektorkopf (2) aufweist: eine Indexskala (4), auf welcher die zweiten optischen Gitter (7) vorhanden sind; und Photodetektorgeräte (5a, 5b) zum Empfang von Licht, das durch die Indexskala (4) hindurchgegangen ist.
Optischer Kodierer nach Anspruch 5, wobei der Detektorkopf (2) einen Photodetektorgerätearray (9) aufweist, der als die zweiten optischen Gitter (7) dient.
Optischer Kodierer nach Anspruch 5, wobei die effektive Photodetektoroberfläche rhombenförmig ausgebildet ist.