-
Querverweis auf verwandte
Anmeldung
-
Die
Offenbarung der
japanischen
Patentanmeldung Nr. 2008-211797 , eingereicht am 20. August 2008,
einschließlich der Patentbeschreibung, der Zeichnungen
und der Patentansprüche wird hiermit in ihrer Gesamtheit
durch Verweis einbezogen.
-
Hintergrund der Erfindung
-
1. Gebiet der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen fotoelektrischen Codierer,
der mit einer Skala, auf der ein Gitter einer vorgegebenen Teilung
ausgebildet ist, sowie mit einer Lichtquelle und einer Lichtempfangseinheit
versehen ist, die in Bezug auf die Skala relativ verschoben werden
können, und insbesondere einen fotoelektrischen Codierer,
der vorteilhaft als linearer Codierer eingesetzt werden kann und
in der Lage ist, einen Positionserfassungsfehler zu reduzieren,
der durch Flecken auf der Skala und/oder Defekte des Gitters entsteht.
-
Beschreibung der verwandten
Technik
-
Herkömmlicherweise
ist ein fotoelektrischer Codierer für genaue Messung des
Maßes linearer Bewegung einer Substanz eingesetzt worden.
Häufig ist als eine der Positionserfassungsmethoden, bei der
ein optischer Codierer eingesetzt wird, eine Arkustangens-Berechnung
von Lissajous-Signalen verwendet worden, die von einer Fotodiodengruppe
gewonnen werden.
-
Beispielsweise
wird bei dem Verfahren, das in der
japanischen
ungeprüften Patentanmeldungsveröffentlichung Nr.
Sho64-57120 (im Folgenden als Patentdokument 1 bezeichnet)
vorgeschlagen wird, wie in
1 und
2 gezeigt,
ein Lichtempfangselement, das aus einer p-leitenden Haltleiterschicht
34 besteht,
die eine fotoempfindliche Zone
35 aufweist, zuerst in einem
Gruppenzustand in einer Anordnungsteilung angeordnet, durch die
eine Phasendifferenz in Bezug auf die Phase des optischen Gitters
12 der
Skala
13 erzeugt wird. Dann werden Lissajous-Signale erzeugt,
indem die Ausgangssignale des Lichtempfangselements durch Differenzverstärker
38A und
38B Differenzverstärkung
unterzogen werden, und des Weiteren wird die Position erfasst, indem
eine Arkustangens-Berechnung in Bezug auf die Lissajous-Signale
ausgeführt wird.
-
Jedoch
werden, wie in 1 der vorliegenden Anmeldung
gezeigt, dort, wo Flecken an der Skala haften und/oder wo das Gitter
der Skala einen Defekt aufweist, die Ausgangssignale des Lichtempfangselements 34 in
Ungleichgewicht gebracht, da die Größen der Flecken
und/oder der Gitterdefekte variieren und das auf das Lichtempfangselement 34 gestrahlte
Messlicht unterbrochen wird. Wenn die Ausgangssignale des Lichtempfangselements 34 ins Ungleichgewicht
gebracht werden, wird die Gleichstromkomponente des Lissajous-Signals
gegenüber der normalen Position, die in 2 mit
einer durchgehenden Linie dargestellt ist, an die mit einer unterbrochenen
Linie dargestellte Position versetzt, wodurch dahingehend ein Problem
entsteht, dass ein Fehler in der Positionserfassung erzeugt wird,
die auf der Arkustangens-Berechnung basiert.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die Probleme nach dem Stand
der Technik zu lösen, und eine Aufgabe der Erfindung besteht
daher darin, einen Positionserfassungsfehler zu reduzieren, der
durch Flecken auf der Skala und/oder Defekte des Gitters entsteht.
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen fotoelektrischen Codierer,
der eine Skala, auf der ein Gitter mit einer vorgegebenen Teilung
ausgebildet ist, und einen Erfassungskopf enthält, der
in Bezug auf die Skala relativ verschoben werden kann und mit einer
Lichtquelle sowie einer Lichtempfangseinheit versehen ist, wobei
Lichtempfangselemente der Lichtempfangseinheit so ausgeführt
sind, dass sie Hell- und Dunkel-Signale mit ”N”-Phasen
(N ist eine ganze Zahl, die gleich 3 oder größer
ist) ausgeben, und die Phasen der Hell- und Dunkel-Signale mit ”N”-Phasen erfasst
werden, indem eine Sinuswellenfunktion mit einer festen Periode
an digitale Signale von ”N”-Phasen angepasst wird,
wodurch die Hell- und Dunkel-Signale von ”N”-Phasen
jeweils digitalisiert werden. Dementsprechend löst die
Erfindung die oben beschriebenen Probleme.
-
Dabei
ist die Lichtempfangseinheit so ausgeführt, dass ”N” Lichtempfangselemente
in einem Gruppenzustand in einer festen Teilung angeordnet sind
und Hell- und Dunkel-Signale mit ”N”-Phasen ausgegeben
werden können, indem der Ausgang der jeweiligen Lichtempfangselemente,
in denen auftreffendes Messlicht fotoelektrisch umgewandelt wird, mittels
Schaltelementen abgetastet wird.
-
Des
Weiteren kann Analog-Digital-Umwandlung der Hell- und Dunkel-Signale
von ”N”-Phasen, die von der Lichtempfangseinheit
ausgegeben werden, jeweils mittels einer A/D-Umwandlungsschaltung
durchgeführt werden, nachdem sie durch eine Rauschfilterschaltung
Rauschfiltern unterzogen wurden.
-
Des
Weiteren kann sich die Anordnungsteilung der Lichtempfangselemente
von der Teilung des Skalengitters unterscheiden.
-
Des
Weiteren kann das Anpassen der Funktion mittels der Methode der
kleinsten Quadrate ausgeführt werden.
-
Weiterhin
kann das Anpassen mittels der Methode der kleinsten Quadrate ausgeführt
werden, nachdem die Sinuswellenfunktion, die durch den folgenden
Ausdruck (i) y = A sinus (x – B)
+ C (i)ausgedrückt
wird, für den folgenden Ausdruck (ii) unter Verwendung
einer Syntheseformel einer trigonometrischen Funktion substituiert
wird: y = a sinus x + b cosinus x
c (ii).
-
Weiterhin
können Flecken auf der Skala und/oder Defekte des Gitters
mittels der Hell- und Dunkel-Signale von ”N”-Phasen
erfasst werden.
-
Des
Weiteren können, wenn die Amplitude der Sinuswellenfunktion,
die dem Anpassen unterzogen wird, kleiner ist als ein vorgegebener
Wert, Flecken auf der Skala und/oder Defekte des Gitters erfasst
werden.
-
Des
Weiteren werden Abschnitte, an denen die Skala Flecken aufweist
und/oder das Gitter einen Defekt hat, aus den Objekten der Anwendung
eliminiert, und die Anwendung kann erneut ausgeführt werden.
-
Weiterhin
kann, wenn Flecken auf der Skala und/oder Defekte des Gitters in
zu großer Anzahl vorhanden sind, dies als ein unbeabsichtigter
Positionserfassungsfehler betrachtet werden.
-
Wenn
sich der Erfassungskopf an einem Punkt befindet, an dem die Skala
Flecken aufweist und/oder das Gitter einen Defekt hat, wird die
Intensität der Hell- und Dunkel-Signale, die von den Lichtempfangselementen
ausgegeben werden, teilweise verringert. Jedoch gibt es gemäß der
vorliegenden Erfindung, da fast kein Fall vorliegt, in dem die Lichtempfangselemente
der gleichen Phase selektiv unterbrochen werden, wie dies bei der
Technik des Patentdokumentes 1 der Fall ist, nahezu keinen Fall,
in dem die Positionserfassung unmöglich wird, und die Position
kann kontinuierlich erfasst werden.
-
Des
Weiteren wird, da keine Arkustangens-Berechnung erforderlich ist
und kein Fehler aufgrund von Gleichstrom-Offset von Lissajous-Signalen
verursacht wird, wie dies prinzipiell der Fall ist, das Auftreten
eines Fehlers bei der Positionserfassung selbst dann verhindert,
wenn die Signale aufgrund von Flecken beeinträchtigt werden.
-
Des
Weiteren ist es möglich, einen Punkt zu erfassen, an dem
die Skala Flecken aufweist und/oder das Gitter einen Fehler hat,
und den Punkt aus den Objekten der Positionserfassung zu eliminieren.
-
Wenn
Flecken auf der Skala und/oder Defekte des Gitters in zu großer
Anzahl auftreten, wird die Amplitude der Sinuswellenfunktion nahezu
Null. Daher ist es möglich, einen unbeabsichtigten Positionserfassungsfehler
zu erfassen, indem im Voraus ein vorgegebener Schwellenwert eingestellt
wird.
-
Des
Weiteren können, da Aliasing, aufgrund dessen die Erfassungsteilung
nicht ordnungsgemäß ist, verhindert werden kann,
indem eine Sinuswellenfunktion mit einer festen Periode verwendet
wird, ausgezeichnete Wirkung und Funktion erzielt werden, indem
die Anordnungsteilung Pd der Lichtempfangselemente optisch unabhängig
von der Teilung Ps eines Schrittmusters der Skala bestimmt werden kann.
-
Diese
und andere neuartige Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
ersichtlich.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Die
bevorzugten Ausführungsformen werden unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Elemente in allen
Figuren mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind, wobei:
-
1 eine
Draufsicht ist, die einen Zustand zeigt, in dem Messlicht aufgrund
von Flecken auf einer Skala und/oder Defekten eines Gitters unterbrochen
wird;
-
2 eine
Ansicht ist, die eine Änderung von Lissajous-Signalen zeigt,
die in dem Fall in 1 auftritt;
-
3 eine
Ansicht ist, die den gesamten Aufbau einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
-
4 eine
Draufsicht ist, die einen Aufbau der Skala derselben zeigt;
-
5 eine
Draufsicht ist, die einen Aufbau einer Lichtempfangseinheit derselben
zeigt;
-
6 eine
Ansicht ist, die ein Beispiel eines Anpassungszustandes einer Sinuswellenfunktion
in einem normalen Zustand derselben zeigt;
-
7 eine
Ansicht ist, die ein Beispiel von Messdaten und einer Anpassungsfunktion
zeigt;
-
8 eine
Ansicht ist, die ein Beispiel eines Anpassungszustandes zeigt, in
dem in 6 die Skala Flecken aufweist und/oder das Gitter
einen Defekt hat;
-
9 eine
Ansicht ist, die ein Beispiel zeigt, bei dem Daten vernachlässigt
werden, deren Differenz größer ist als ein vorgegebener
Wert;
-
10 eine
Ansicht zur Beschreibung eines unbeabsichtigten Positionserfassungsfehlers
ist;
-
11 eine
Ansicht ist, die ein Beispiel einer Schaltung zum Erfassen eines
Punktes, an dem die Skala Flecken aufweist und/oder das Gitter einen
Defekt hat, sowie zum Ausgeben des Fehlers zeigt;
-
12 eine
Ansicht zur Beschreibung von Aliasing ist; und
-
13 eine
Ansicht ist, die ein Konfigurationsbeispiel eines reflektiven fotoelektrischen
Codierers zeigt, bei dem die vorliegende Erfindung eingesetzt werden
kann.
-
Ausführliche Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
-
Im
Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
-
Der Überblick über
den gesamten Aufbau einer Ausführungsform eines fotoelektrischen
Codierers gemäß der vorliegenden Erfindung ist
in 3 dargestellt. Der fotoelektrische Codierer ist,
wie in 4 gezeigt, so zusammengesetzt, dass er mit einer
Skala 13, die ein Schrittmuster mit der Teilung Ps hat
und auf einem transparenten Substrat 11 als ein Gitter 12 ausgebildet
ist, mit einem Erfassungskopf 20, der ein Lichtemissionselement 14,
das als eine Lichtquelle zum Bestrahlen mit Messlicht arbeitet, eine
Kollimatorlinse 17, die das Messlicht zu Parallellicht
macht, und eine Lichtempfangseinheit 30 aufweist, die Lichtempfangselemente 34 in
einem Feld-Zustand enthält, sowie mit einer Signalverarbeitungsschaltung 60 zum
Verarbeiten von Ausgangssignalen der Lichtempfangselemente 34 und
zum Ausgeben eines Positionssignals versehen ist. Dabei kann die
Skala 13 in Bezug auf den Erfassungskopf 20, der
die Lichtemissionselemente 14 und die Lichtempfangseinheit 30 enthält,
relativ in der Längenmessrichtung bewegt werden.
-
Die
Lichtempfangseinheit 30 ist, wie in 5 gezeigt,
so ausgebildet, dass ”N”-Lichtempfangselemente 34 in
einem Gruppenzustand mit einer festen Teilung Pd (N ist eine ganze
Zahl, die gleich 3 oder größer ist, beispielsweise
1024 Elemente) angeordnet sind und Hell- und Dunkel-Signale mit ”N”-Phasen
(beispielsweise 1024 Phasen) über einen Vorverstärker 37 ausgeben,
indem der Ausgang der jeweiligen Lichtempfangselemente 34,
in denen auftreffendes Messlicht fotoelektrisch umgewandelt wird,
mittels Schaltelementen 34a abgetastet wird. Obwohl es
bei der Technik des Patentdokumentes 1 unmöglich wird,
die Position zu erfassen, wenn die Lichtempfangselemente mit der
gleichen Phase selektiv Fehlfunktion aufweisen, tritt bei der vorliegenden
Erfindung nahezu kein Fall auf, in dem es unmöglich wird,
die Position zu erfassen, da alle Lichtempfangselemente gleichmäßig
arbeiten.
-
Die
Signalverarbeitungsschaltung 60 führt, wie in 3 gezeigt,
zunächst Rauschfiltern eingegebener Hell- und Dunkel-Signale
mit ”N”-Phasen mittels einer Rauschfilterschaltung 62 durch
und verstärkt diese mit einem vorgegebenen Verstärkungsfaktor
und führt anschließend jeweils Analog-Digital-Umwandlung
derselben mittels einer A/D-Umwandlungsschaltung 64 durch.
Nachdem die Phase der Skala 13 mittels der Phasenerfassungsschaltung 66 erfasst
worden ist, gibt die Signalverarbeitungsschaltung 60 dann
2-Phasen-Rechteckwellen über eine Schaltung 68 zum
Erzeugen von 2-Phasen-Rechteckwellen, beispielsweise eine Zählerschaltung
usw., als ein Positionssignal aus.
-
Es
folgt eine ausführliche Beschreibung der Funktion der Phasenerfassungsschaltung 66 unter Verwendung
von 6. Die Phasenerfassungsschaltung 66 erfasst
die jeweiligen Phasen von Hell- und Dunkel-Signalen mit ”N”-Phasen
durch Ausführen eines Anpassungsvorgangs mittels des Verfahrens
der kleinsten Quadrate unter Verwendung einer Sinuswellenfunktion A sin (x – B) + C (1)mit einer
festen Periode, als ein Modell in Bezug auf die Hell- und Dunkel-Signale
mit ”N”-Phasen.
-
Es
folgt eine Beschreibung des Verfahrens der kleinsten Quadrate einer
Sinuswellenfunktion. Zur Vereinfachung zeigt, wie dies in 7 dargestellt ist,
die Abszisse die Phasen, und die Ordinate zeigt die Intensität.
-
Zunächst
werden, wie in 7 gezeigt, ”N”-Datenelemente
(xi, yi) zum Gegenstand
der Anpassung gemacht, und die Anpassungsfunktion wird f(x).
-
Ein
Parameterwert von f(x), bei dem der folgende Ausdruck gemäß der
Definition des Verfahrens der kleinen Quadrate den kleinsten Wert
hat, kann ermittelt werden.
-
-
Dabei
wird, wenn angenommen wird, dass der in f(x) enthaltene Parameter
Ak(k = 1, 2, ..., M) ist, wenn Teildifferenzierung des Ausdrucks
(2) unter Verwendung von Ak durchgeführt wird, der folgende Ausdruck
ermittelt, da der Ausdruck Null ist.
-
-
Da
die Gleichungen äquivalent zu der Zahl des Parameters M
aus dem Ausdruck (3) ermittelt werden, kann Ak ermittelt werden,
indem die Gleichungen in die Form einer simultanen Gleichung gebracht
werden.
-
Was
die allgemeine Beschreibung des Verfahrens der kleinsten Quadrate
angeht, so wird auf das Buch „Fundamental Mathematics
of Science and Technology, Numerical Calculation", Seite
52 bis 54, (Autor: Daisuke Takahashi) verwiesen.
-
Im
Folgenden wird ein Fall beschrieben, in dem die Anpassungsfunktion
eine Sinuswellenfunktion ist, die mit dem folgenden Ausdruck dargestellt wird: y = A sin (x – B) + C (4)
-
Da
es schwierig ist, die simultane Gleichung zu lösen, wenn
der Ausdruck (4) in den Ausdruck (3) eingesetzt wird, wird der Ausdruck
(4) für den folgenden Ausdruck unter Verwendung einer Syntheseformel
einer trigonometrischen Funktion substituiert: y = a sin x + b cos x + c (5)
-
Wenn
die simultane Gleichung mit dem Ausdruck (5) gelöst wird,
der in den Ausdruck (3) eingesetzt wird, werden a, b und c ermittelt,
und die Parameter A, B und C in dem Ausdruck (4) können
mit der Syntheseformel einer trigonometrischen Funktion ermittelt
werden, wie dies im Folgenden dargestellt ist. A
= √(a2 + b2),
C = c sin(–B) = b/√(a2 + b2), cos(–B)
= a/√(a2 + b2)
-
Des
Weiteren ergeben sich, wenn der Parameter B normal ermittelt wird,
zwei Lösungen, da Arkussinus und Arkuskosinus verwendet
werden. Da cosB und sinB jedoch mit diesem Verfahren simultan ermittelt
werden können, ist Lösung mit einer einzelnen
Lösung möglich (die Lösung kann eindeutig
ermittelt werden).
-
Mit
dem Anpassungsprozess kann die Anfangsphase B der Sinuswellenfunktion
mit einer festen Periode ermittelt werden. Da die Anfangsphase B der
Phase der Skala 13 gleich ist, kann die Skalenposition
erfasst werden. Des Weiteren kann die Lösung im Allgemeinen
nicht eindeutig ermittelt werden, wenn das Verfahren der kleinsten
Quadrate dort angewendet wird, wo die nicht lineare Funktion als
ein Modell verwendet wird. Wenn jedoch die Periode der Sinuswellenfunktion
fest ist, kann die Lösung als Ausnahme eindeutig ermittelt
werden.
-
Unter
Verwendung von 8 wird ein Fall beschrieben,
in dem Flecken an der Skala 13 haften und/oder das Gitter 12 einen
Defekt aufweist. Obwohl die Intensität der von den Lichtempfangselementen 34 ausgegebenen
Hell- und Dunkel-Signale an Punkten geringer ist, an denen Flecken
und/oder Gitterdefekte vorhanden sind, tritt kein Fall auf, in dem
die Lichtempfangselemente der gleichen Phase selektiv unterbrochen
werden. Des Weiteren wird, da keine Arkustangens-Berechnung erforderlich
ist und im Prinzip kein Fehler aufgrund von Gleichstrom-Offset von
Lissajous-Signalen entsteht, ein Fehler bei der Positionserfassung
selbst dann verhindert, wenn die Signale aufgrund von Flecken beeinträchtigt
werden.
-
Des
Weiteren können, wie in 9 gezeigt, wenn
Daten, die eine größere Differenz als ein vorgegebener
Wert haben, beim Ausführen eines Anpassungsprozesses vernachlässigt
werden, die Daten auch aus den Objekten für die Positionserfassung
eliminiert werden.
-
Da,
wie in 10 gezeigt, die Amplitude einer
Sinuswellenfunktion dort nahezu Null wird, wo Flecken auf der Skala 13 und/oder
Defekte des Gitters 12 in zu großer Anzahl vorhanden
sind, kann ein unbeabsichtigter Positionserfassungsfehler oder ein zufälliger
Positionserfassungsfehler erfasst werden, indem im Voraus ein vorgegebener
Schwellenwert festgelegt wird. Beispielsweise kann Erfassung von Flecken
auf der Skala 13 und/oder eines defektbehafteten Punktes
des Gitters 12 als ein Fehler ausgegeben werden. Ein Verfahren
zum Ausgeben eines Fehlersignals über die Phasenerfassungsschaltung 66,
das in 11(A) dargestellt ist, und
ein Verfahren zum Ausrichten der Phasen von Rechteckwellen, die über
die Schaltung 68 zum Erzeugen von Zweiphasen-Rechteckwellen
ausgegeben werden, das in 11(B) dargestellt
ist, können als ein Beispiel zum Ausgeben eines Fehlers
verwendet werden.
-
Des
Weiteren kann, da Aliasing, mit dem eine Periode erfasst wird, die
sich von der Teilung (Skalenteilung) Ps eines Schrittmusters der
Skala 13 unterscheidet, wie es mit einer unterbrochenen
Linie in 12 dargestellt ist, unter Verwendung
der Sinuswellenfunktion mit einer festen Periode verhindert werden
kann, wie dies mit der durchgehenden Linie dargestellt ist, die
Anordnungsteilung des Lichtempfangselementes (Schrittmaß des
Lichtempfangselementes) Pd optisch unabhängig von dem Skalen-Schrittmuster
Ps bestimmt werden, und die Teilung Pd des Lichtempfangselementes
kann auch größer sein als die Skalenteilung Ps.
-
Des
Weiteren kann die vorliegende Erfindung bei einem reflektiven fotoelektrischen
Codierer eingesetzt werden, wie er in 13 dargestellt
ist.
-
Die
vorliegende Erfindung kann des Weiteren bei einem Drehcodierer sowie
bei einem linearen Codierer eingesetzt werden.
-
Für
den Fachmann sollte auf der Hand liegen, dass die oben beschriebenen
Ausführungsformen lediglich veranschaulichend sind und
die Anwendung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung darstellen.
Für den Fachmann sind zahlreiche andere Anordnungen denkbar,
ohne dass vom Geist und vom Schutzumfang der Erfindung abgewichen
wird.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - JP 2008-211797 [0001]
- - JP 64-57120 [0004]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - „Fundamental
Mathematics of Science and Technology, Numerical Calculation”,
Seite 52 bis 54, (Autor: Daisuke Takahashi) [0047]
