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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Skala und einen optischen Codierer.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Bislang wird ein optischer Codierer, der eine Skala und einen sich entlang der Skala bewegenden Erfassungskopf beinhaltet, beispielsweise zur Messung eines Bewegungsabstandes in einer Fertigungsvorrichtung verwendet. Das japanische Patent
JP 4 274 751 B2 zeigt einen optischen Codierer, der eine Skala beinhaltet, bei der Versetzungserfassungsmuster (Hauptsignalskalengitter) und Referenzpositionserfassungsmuster (Referenzsignalskalengitter) parallel in einer Richtung senkrecht zu einer Längenmessungsachse angeordnet sind.
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Wie in
12 gezeigt ist, beinhaltet ein optischer Codierer 7 aus der Offenbarung in dem japanischen Patent
JP 4 274 751 B2 eine Skala 70 und einen Erfassungskopf 80, der sich relativ entlang der Skala 70 bewegt.
13 ist eine Planansicht der Skala 70.
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Wie in 13 gezeigt ist, sind in der Skala 70 Versetzungserfassungsmuster 71 und ein Referenzpositionserfassungsmuster 72 parallel in einer Richtung (Y-Achsen-Richtung) senkrecht zu einer Längenmessungsachse (X-Achsen-Richtung) angeordnet. In den Versetzungserfassungsmustern 71 sind transmittierende Teile 73 und nichttransmittiertende Teile 74 abwechselnd entlang der Längenmessungsrichtung (X-Achsen-Richtung) der Skala 70 angeordnet.
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Wie in 12 gezeigt ist, beinhaltet der Erfassungskopf 80 eine Lichtquelle 31, Lichtquellengitter 81, die zwischen der Skala 70 und der Lichtquelle 31 angeordnet sind, und einen Lichtempfangsteil 82, der in einer Position in Gegenüberlage zu dem Lichtquellengitter 81 mit der dazwischen angeordneten Skala 70 angeordnet ist. In dem Lichtempfangsteil 82 sind Empfängergitter 83 und ein Referenzsignalempfängerelement 84 parallel zueinander angeordnet.
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Die Lichtquelle 31 emittiert Licht zu den Lichtquellengittern 81 hin, wobei das Licht, das durch die Lichtquellengitter 81 hindurchgelaufen ist, auf die Skala 70 auftrifft. Das Licht, das auf die Skala 70 aufgetroffen ist, wird durch die Versetzungserfassungsmuster 71 und das Referenzpositionserfassungsmuster 72 gebeugt, es wird ein Hauptsignaleinterferenzrand von den Versetzungserfassungsmustern 71 gebildet, und es wird ein Referenzsignalinterferenzrand von dem Referenzpositionserfassungsmuster 72 gebildet. Der Hauptsignalinterferenzrand wird von den Empfängergittern 83 erfasst, und es wird der Referenzsignalinterferenzrand von dem Referenzsignalempfängerelement 84 erfasst.
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Der optische Codierer 7 aus der Offenbarung in dem japanischen Patent
JP 4 274 751 B2 liest die Zunahme und Abnahme der Leuchtstärke (Luminanz) der Hauptsignalinterferenzränder, wenn sich der Erfassungskopf 80 entlang der Skala 70 zur Messung der Anzahl von Hauptsignalinterferenzrändern, um die sich der Erfassungskopf 80 aus einer Messungsanfangsposition heraus bewegt hat, bewegt. Des Weiteren erfasst das Referenzsignalempfängerelement 84 den Referenzsignalinterferenzrand zum Einstellen der Position, an der der Referenzsignalinterferenzrand erfasst worden ist, als Referenzposition zum Messen eines Bewegungsabstandes. Auf diese Weise ist es möglich, die aktuelle Position des Erfassungskopfes 80 auf Grundlage der Referenzposition und des Bewegungsabstandes aus der Messungsanfangsposition zu messen.
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Die
US 2011/0 272 564 A1 beschreibt einen photoelektrischer Kodierer mit einer Skala, in der eine Hauptspur zum Erfassen eines Bewegungsbetrags in einer Messrichtung ausgebildet ist. Der fotoelektrische Kodierer enthält einen Ursprungssignalerzeugungsabschnitt, der an einem Teil der Hauptspur in einer Richtung orthogonal zur Messrichtung vorgesehen ist. Dabei wird die Änderung eines Lichtempfangssignals aufgrund der Passage des Ursprungssignal-Erzeugungsabschnitts erfasst, um ein Ursprungssignal zu erzeugen.
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Die
DE 34 12 128 C1 beschreibt eine Positionsmeßeinrichtung zur Messung der Relativlage zweier Objekte, bei der die Teilung eines Teilungsträgers von einer Abtasteinheit zur Gewinnung wenigstens eines periodischen Analogsignals mit der Bandbreite N (Anzahl der Frequenzen oder Wellen) abtastbar ist.
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Die
US 2014/0 263 987 A1 beschreibt einen flexiblen optischen Verschiebungscodierer mit einem Quellgitter, um eine Skala mit strukturiertem Licht zu beleuchten, so dass das Licht von der Skala mit einer Schwebungsfrequenzhüllkurve moduliert wird, die eine relativ grobe Tonhöhe haben kann, die einer gewünschten Detektorteilung entspricht. Eine Abbildungskonfiguration bietet eine räumliche Filterung, um die hohen räumlichen Frequenzen aus der Modulationshüllkurve zu entfernen und ein sauberes Signal im erfassten Streifenmuster zu erhalten.
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Die
DE 10 2005 006 247 A1 beschreibt eine Positionsmesseinrichtung zur Erzeugung positionsabhängiger Abtastsignale, bestehend aus einem Maßstab und einer Abtasteinheit, die relativ zueinander in einer Messrichtung beweglich angeordnet sind, wobei der Maßstab mindestens eine Inkrementalteilungsspur umfasst, die sich in der Messrichtung erstreckt und im Wesentlichen aus einer periodischen Anordnung von Teilungsbereichen mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften besteht und an mindestens einer Referenzposition eine Referenzmarkierung aufweist, die aus einer aperiodischen Anordnung von Teilungsbereichen besteht.
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Die
US 2002/ 0 014 581 A1 beschreibt einen optischen Kodierer, bei dem eine Skala verschoben werden kann, um einen ersten Lichtstrahl zu kreuzen, der von einer ersten Lichtquelle emittiert wird, und der einen ersten Lichtmodulationsbereich aufweist, der aus einem optischen Muster mit einer vorbestimmten Periode gebildet ist, das mit dem ersten Lichtstrahl bestrahlt wird, um ein Beugungsmuster zu erzeugen.
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Die
AT 395 914 B beschreibt eine photoelektrische Positionsmesseinrichtung, bei der die Relativverstellung eines als Phasengitter ausgebildeten Abtastgitters gegenüber einem als reflektierendes Phasengitter ausgebildeten Maßstabs erfasst wird, wobei von wenigstens einer Lichtquelle ausgesandtes Licht am Abtastgitter, bei der Reflexion am Maßstab und schließlich wieder am Abtastgitter gebeugt wird und aus dem entstehenden Interferenzbild nur Gruppen mit bestimmter Beugungsordnung über Photoempfänger erfasst und in sich bei der Relativverstellung von Abtastgitter und Maßstab periodisch ändernde, gegeneinander phasenverschobene Messsignale umgewandelt werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Zum Zwecke einer verständlichen Beschreibung wird bei einem Beispiel davon ausgegangen, dass, wie in 13 gezeigt ist, die Position eines Empfängergitters 83A des Lichtempfangsteils 82 in der X-Achsen-Richtung und diejenige des Referenzsignalempfängerelementes 84 in der X-Achsen-Richtung zueinander gleich sind. Entsprechend wird die Phase des Hauptsignalinterferenzrandes mit Erfassung durch das Empfängergitter 83 dann, wenn der Referenzsignalinterferenzrand von dem Referenzsignalempfängerelement 84 erfasst wird, auf die Referenzposition zum Messen des Bewegungsabstandes eingestellt. Da hier die in 13 gezeigte Ausgestaltung zum Einsatz kommt, wird die Phase des Hauptsignalinterferenzrandes bei Erfassung der Referenzposition auf 0° eingestellt. Als Nächstes wird ein Fall betrachtet, in dem der Erfassungskopf 80 eine Drehabweichung in der Gierrichtung in Bezug auf die Skala 70 aufweist. Die Gierrichtung bezeichnet eine Richtung, in der sich der Erfassungskopf 80 um die Z-Achse in 13 dreht.
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14 zeigt einen Zustand, in dem der Erfassungskopf 80 eine Drehabweichung in der Gierrichtung in Bezug auf die Skala 70 aufweist. Wird der Referenzsignalinterferenzrand von dem Referenzsignalempfängerelement 84 erfasst, so wird das Empfängergitter 83A des Lichtempfangsteiles 82 in der X-Achsen-Richtung verschoben. Ist keine Drehabweichung vorhanden, so ist die Phase des Hauptsignals, wenn das Referenzsignal erfasst wird, gleich 0°. Wenn demgegenüber der Erfassungskopf 80 eine Drehabweichung aufweist, so wird die Phase des Hauptsignals, wenn das Referenzsignal erfasst wird, zu Δθ verschoben. Wie vorstehend beschrieben worden ist, ist, da die Phase des Hauptsignals, wenn das Referenzsignal erfasst wird, abweicht, ein Fehler in dem Bewegungsabstand des Erfassungskopfes 80 von der Referenzposition vorhanden.
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Die vorliegende Erfindung stellt auf die Bereitstellung einer Skala und eines optischen Codierers mit der Fähigkeit ab, die Genauigkeit einer Referenzposition unabhängig von einem Fehler beim Anbringen eines Erfassungskopfes zu wahren.
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Das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch eine Skala mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt, wenn das Referenzsignalmuster die Gittermuster für ein Hauptsignalskalenmuster nicht stört und die Gittermuster für das andere Hauptsignalskalengitter stört.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt, wenn das Referenzsignalmuster einen nicht-transmittierenden Teil beinhaltet, der sich in der Richtung senkrecht zu der Längen- messungsrichtung der Skala erstreckt und Licht unterbricht, und die Länge des Referenzsignalmusters in der Längenmessungsrichtung gleich der Länge des halben Zyklus der Rasterweite der Hauptsignalskalengitter ist.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt, wenn das Referenzsignalmuster ein transmittierender Teil ist, der sich in der Richtung senkrecht zu der Längenmessungsachse der Skala erstreckt.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt, wenn eine Mehrzahl der Referenzsignalmuster vorgesehen ist.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt, wenn die beiden Hauptsignalskalengitter, die parallel angeordnet sind, ein Paar bilden, und eine Mehrzahl von Paaren der beiden Hauptsignalskalengitter parallel in der Richtung senkrecht zu der Längenmessungsachse der Skala angeordnet ist.
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Ein optischer Codierer entsprechend der vorliegenden Erfindung beinhaltet: die vorbeschriebene Skala; eine Lichtquelle; Hauptsignallichtquellengitter, die zwischen der Lichtquelle und der Skala zur Bildung eines Hauptsignalinterferenzrandes in Zusammenwirkung mit den Hauptsignalskalengittern angeordnet sind; Referenzsignallichtquellengitter, die zwischen der Lichtquelle und der Skala zur Bildung eines Referenzsignalinterferenzrandes in Zusammenwirkung mit dem Referenzsignalmuster angeordnet sind; Hauptsignalerfassungsmittel zum Erfassen eines Hauptsignals aus dem Hauptsignalinterferenzrand; und Referenzsignalerfassungsmittel zum Erfassen eines Referenzsignals aus dem Referenzsignalinterferenzrand, wobei: die Hauptsignallichtquellengitter Gitter beinhalten, die derart ausgebildet sind, dass sie eine Rasterweite derart aufweisen, dass zwei oder mehr Interferenzränder mit Bildung durch die zwei oder mehr Hauptsignalskalengitter und die Hauptsignallichtquellengitter dieselbe Phase aufweisen, und die Referenzsignallichtquellengitter Gitter beinhalten, die derart ausgebildet sind, dass sie eine Rasterweite derart aufweisen, dass zwei oder mehr Interferenzränder mit Bildung durch die zwei oder mehr Hauptsignalskalengitter und das Referenzsignallichtquellengitter voneinander hinsichtlich der Phase um 1/2 verschieden sind.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt, wenn die Hauptsignallichtquellengitter und die Referenzsignallichtquellengitter parallel zueinander in einer Längenmessungsrichtung der Skala angeordnet sind, wobei das Hauptsignalerfassungsmittel parallel in Gegenüberlage zu den Hauptsignallichtquellengittern mit der dazwischen angeordneten Skala angeordnet ist und das Referenzsignalerfassungsmittel in Gegenüberlage zu den Referenzsignallichtquellengittern mit der dazwischen angeordneten Skala angeordnet ist.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird möglich, eine Skala und einen optischen Codierer mit der Fähigkeit bereitzustellen, die Genauigkeit einer Referenzposition unabhängig von einem Fehler beim Anbringen eines Erfassungskopfes zu wahren.
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Die vorgenannten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung erschließen sich besser aus der nachstehend angegebenen Detailbeschreibung und der begleitenden Zeichnung, die nur zu Darstellungszwecken angegeben ist und daher nicht als Beschränkung der vorliegenden Erfindung betrachtet werden soll.
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Figurenliste
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- 1 ist eine perspektivische Ansicht zur Darstellung eines optischen Codierers entsprechend einer ersten Ausführungsform.
- 2 ist eine perspektivische Ansicht zur Darstellung des optischen Codierers entsprechend der ersten Ausführungsform.
- 3 ist eine Planansicht zur Darstellung einer Skala entsprechend der ersten Ausführungsform.
- 4 ist ein erstes Diagramm zum Beschreiben von Interferenzrändern mit Erzeugung durch Hauptsignallichtquellengitter und Hauptsignalskalengitter in dem optischen Codierer entsprechend der ersten Ausführungsform.
- 5 ist ein zweites Diagramm zum Beschreiben von Interferenzrändern mit Erzeugung durch die Hauptsignallichtquellengitter und die Hauptsignalskalengitter in dem optischen Codierer entsprechend der ersten Ausführungsform.
- 6 ist ein erstes Diagramm zum Beschreiben von Interferenzrändern mit Erzeugung durch Referenzsignallichtquellengitter und die Hauptsignalskalengitter in dem optischen Codierer entsprechend der ersten Ausführungsform.
- 7 ist ein zweites Diagramm zum Beschreiben von Interferenzrändern mit Erzeugung durch die Referenzsignallichtquellengitter und die Hauptsignalskalengitter in dem optischen Codierer entsprechend der ersten Ausführungsform.
- 8 ist eine Planansicht zur Darstellung einer Skala entsprechend einer zweiten Ausführungsform.
- 9 ist ein Diagramm zur Darstellung einer Positionsbeziehung zwischen Referenzsignallichtquellengittern, Hauptsignalskalengittern und einem Referenzsignalmuster in einer Längenmessungsrichtung in einem optischen Codierer entsprechend einer dritten Ausführungsform.
- 10 ist eine Planansicht zur Darstellung einer Skala entsprechend einem modifizierten Beispiel 1.
- 11 ist eine Planansicht zur Darstellung einer Skala entsprechend einem modifizierten Beispiel 2.
- 12 ist eine perspektivische Ansicht zur Darstellung eines optischen Codierers entsprechend dem Stand der Technik.
- 13 ist eine Planansicht zur Darstellung einer Skala entsprechend dem Stand der Technik.
- 14 ist eine Planansicht zur Darstellung der Skala entsprechend dem Stand der Technik.
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Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen
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Erste Ausführungsform
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Anhand 1 bis 6 wird ein optischer Codierer entsprechend einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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Wie in 1 gezeigt ist, beinhaltet ein optischer Codierer 1 eine Skala 2 und einen Erfassungskopf 3, der sich relativ entlang der Skala 2 bewegt. Das Innere des Erfassungskopfes 3 und die Struktur der Skala 2 sind in 2 detailliert gezeigt. 3 ist eine Planansicht der Skala 2.
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Wie in 2 und 3 gezeigt ist, beinhaltet die Skala 2 Hauptsignalskalengitter 21 bis 24 und ein Referenzsignalmuster 25. Die Hauptsignalskalengitter 21 bis 24 beinhalten Gittermuster mit einer vorbestimmten Rasterweite P. In den Gittermustern sind helle Teile und dunkle Teile von transmittierenden Teilen 26 und nicht-transmittierenden Teilen 27 in der Rasterweite P beinhaltet, wobei die hellen Teile und die dunklen Teile abwechselnd entlang einer Längenmessungsrichtung (X-Achsen-Richtung) angeordnet sind. Die Länge der transmittierenden Teile 26 und der nicht-transmittierenden Teile 27 in der Längenmessungsrichtung (X-Achsen-Richtung) ist gleich P/2.
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Mit Blick auf den nicht-transmittierenden Teil 27 weist dieser eine Breite von P/2 auf, wobei eine Mehrzahl von nicht-transmittierenden Teilen 27 in der X-Achsen-Richtung mit den Intervallen von P/2 ausgerichtet ist. Des Weiteren ist hinsichtlich des transmittierenden Teiles 26 eine Mehrzahl von transmittierenden Teilen 26 in der X-Achsen-Richtung mit den Intervallen von P/2 ausgerichtet.
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Bei dieser Ausführungsform (3) können die Gittermuster um P/2 verschoben sein, wobei gemäß 3 die Gittermuster um einen halben Zyklus (P/2) in der +X-Richtungs-Seite und der -X-Richtungs-Seite in Bezug auf das Referenzsignalmuster 25 verschoben sind. Der Grund hierfür wird nachstehend anhand 4 und 5 beschrieben.
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Die Hauptsignalskalengitter 21 bis 24 sind parallel in einer Breitenrichtung (Y-Achsen-Richtung) der Skala 2 angeordnet, und es sind die benachbarten Hauptsignalskalengitter voneinander hinsichtlich der Phase um 1/2 verschieden. Die Hauptsignalskalengitter 21 bis 24 sind als Ganzes gestapelt. Bei dieser Ausführungsform sind die nicht-transmittierenden Teile gestapelt. Da die transmittierenden Teile und die nicht-transmittierenden Teile gegeneinander ausgetauscht werden können, können auch die transmittierenden Teile gestapelt sein.
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Das Referenzsignalmuster 25 ist auf der Längenmessungsachse der Hauptsignalskalengitter 21 bis 24, die parallel angeordnet sind, ausgebildet. Gebildet wird das Referenzsignalmuster 25 durch Entfernen der Hauptsignalskalengitter 21 bis 24 für eine Rasterweite und Anordnen eines nicht-transmittierenden Teiles, der sich über die vier Hauptsignalskalengitter 21 bis 24 in der -X-Richtungs-Seite der entfernten Fläche bzw. Zone erstreckt.
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Von einem anderen Standpunkt aus betrachtet heißt dies, dass ein Teil der Gittermuster der Hauptsignalskalengitter 21 bis 24 mit paralleler Anordnung gestört ist, wodurch das Referenzsignalmuster 25 gebildet wird. Da das Referenzsignalmuster 25 ein nichttransmittierender Teil ist, sind die Gittermuster bei einer Betrachtung von den Hauptsignalskalengittern 21 und 23 auf der -X-Richtungs-Seite des Referenzsignalmusters 25 nicht verschoben, wohingegen die Gittermuster um P/2 in der +X-Richtung bei einer Betrachtung von den Hauptsignalskalengittern 22 und 24 verschoben sind. Die Gittermuster sind indes bei einer Betrachtung von den Hauptsignalskalengittern 22 und 24 auf der +X-Richtungs-Seite des Referenzsignalmusters 25 nicht verschoben, wohingegen die Gittermuster um P/2 in der -X-Richtung bei einer Betrachtung von den Hauptsignalskalengittern 21 und 23 verschoben sind.
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Wie in 2 gezeigt ist, beinhaltet der Erfassungskopf 3 eine Lichtquelle 31, Hauptsignallichtquellengitter 32, Referenzsignallichtquellengitter 33, Hauptsignalempfängergitter 42 und Referenzsignalempfängerelemente 43. Die Hauptsignallichtquellengitter 32 und die Referenzsignallichtquellengitter 33 sind parallel in der Längenmessungsrichtung derart angeordnet, dass sie einer Oberfläche der Skala 2 gegenüberliegen. Die Hauptsignalempfängergitter 42 und die Referenzsignalempfängerelemente 43 sind parallel in der Längenmessungsrichtung derart angeordnet, dass sie der anderen Oberfläche der Skala 2 gegenüberliegen.
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Die Rasterweite der Hauptsignallichtquellengitter 32 und der Hauptsignalempfängergitter 42 sind von der Rasterweite der Referenzsignallichtquellengitter 33 und der Referenzsignalempfängerelemente 43 verschieden. Möglich ist daher eine Erfassung eines Hauptsignals und eines Referenzsignals auf getrennte Weise von den Interferenzrändern mit Erzeugung von dem Referenzsignalmuster 25 und den Hauptsignalskalengittern 21 bis 24 mit Erzeugung auf der Längenmessungsachse.
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Die Lichtquelle 31 emittiert Licht zu den Hauptsignallichtquellengittern 32 und den Referenzsignallichtquellengittern 33. Eine Licht emittierende Diode (LED), ein Halbleiterlaser, eine selbstabtastende Licht emittierende Diode (LED), eine organische Licht emittierende Diode (OLED) können beispielsweise als Lichtquelle 31 verwendet werden.
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Die Hauptsignallichtquellengitter 32 sind zwischen der Lichtquelle 31 und der Skala 2 angeordnet und beinhalten transmittierende Teile 34 und nicht-transmittierende Teile 35 mit abwechselnder Anordnung entlang der Längenmessungsachse der Skala 2. Die Rasterweite der Hauptsignallichtquellengitter 32 ist gleich der Rasterweite P der Hauptsignalskalengitter 21 bis 24. Die Hauptsignallichtquellengitter 32 bilden Hauptsignalinterferenzränder in Zusammenwirkung mit den Hauptsignalskalengittern 21 bis 24. Die vier Interferenzränder mit Bildung durch die Hauptsignalskalengitter 21 bis 24 und die Hauptsignallichtquellengitter 32 weisen dieselbe Phase auf (der Grund, warum diese dieselbe Phase aufweisen, wird nachstehend anhand 4 und 5 beschrieben).
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Die Referenzsignallichtquellengitter 33 sind zwischen der Lichtquelle 31 und der Skala 2 angeordnet und beinhalten transmittierende Teile 36 und nicht-transmittierende Teile 37 mit abwechselnder Anordnung entlang der Längenmessungsachse der Skala 2. Die Rasterweite der Referenzsignallichtquellengitter 33 ist doppelt so groß wie die Rasterweite P der Hauptsignalskalengitter 21 bis 24. Die Rasterweite der Referenzsignallichtquellengitter 33 kann ein geradzahliges Vielfaches der Rasterweite P der Hauptsignalskalengitter 21 bis 24 sein. In diesem Fall wird die Rasterweite der Referenzsignallichtquellengitter 33 durch 2NP dargestellt, wobei N eine natürliche Zahl N bezeichnet. Die Referenzsignallichtquellengitter 33 bilden Referenzsignalinterferenzränder in Zusammenwirkung mit dem Referenzsignalmuster 25. Die vier Interferenzränder mit Bildung durch die Referenzsignallichtquellengitter 33 und die vier Hauptsignalskalengitter 21 bis 24 sind voneinander hinsichtlich der Phase um 1/2 verschieden (der Grund, warum sie voneinander hinsichtlich der Phase um 1/2 verschieden sind, wird nachstehend anhand 6 und 7 beschrieben).
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Die Hauptsignalempfängergitter 42 (Hauptsignalerfassungsmittel) liegen den Hauptsignallichtquellengittern 32 mit der dazwischen angeordneten Skala 2 gegenüber und erfassen ein Hauptsignal von den Hauptsignalinterferenzrändern. Die Rasterweite der Hauptsignalempfängergitter 42 ist gleich der Rasterweite P der Hauptsignalskalengitter 21 bis 24 und des Hauptsignallichtquellengitters 32. Die Hauptsignalempfängergitter 42 werden von einer Mehrzahl von Fotodioden gebildet, die eine Breite von P/2 aufweisen und parallel in der Längenmessungsrichtung mit der Rasterweite P angeordnet sind. Die Hauptsignalinterferenzränder mit einer Rasterweite P werden an den Hauptsignalempfängergittern 42 durch die Hauptsignalskalengitter 21 bis 24 und die Hauptsignallichtquellengitter 32 erzeugt, wobei Licht, das auf die Hauptsignalempfängergitter 42 auftrifft, in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Des Weiteren kann das Hauptsignalerfassungsmittel ein Gitter mit einer Rasterweite P in der Längenmessungsrichtung mit Anordnung an einer planaren Fotodiode sein.
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Die Referenzsignalempfängerelemente 43 (Referenzsignalerfassungsmittel) liegen den Referenzsignallichtquellengittern 33 mit der dazwischen angeordneten Skala 2 gegenüber und erfassen das Referenzsignal aus den Referenzsignalinterferenzrändern. Die Breite eines Lichtempfangsteiles des Referenzsignalempfängerelementes 43 ist P. Des Weiteren kann das Referenzsignalerfassungsmittel eine opake Platte sein, die einen Schlitz mit einer Breite P mit Anordnung an einer planaren Fotodiode beinhaltet.
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Anhand 4 bis 6 wird der Betrieb des optischen Codierers 1 beschrieben.
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Zunächst wird anhand 4 und 5 die Erzeugung des Hauptsignals zum Erfassen des Bewegungsausmaßes des Erfassungskopfes 3 in Bezug auf die Skala 2 beschrieben. 4 ist eine Endansicht zur Darstellung eines Querschnittes der Ebene senkrecht zu dem Hauptsignalskalengitter 21. 5 ist eine Endansicht zur Darstellung eines Querschnittes der Ebene senkrecht zu dem Hauptsignalskalengitter 22. Wie in 4 gezeigt ist, wird das Licht, das von der Lichtquelle 31 emittiert wird, bei Durchlauf durch die Hauptsignallichtquellengitter 32 gebeugt und verhält sich wie Mehrfachlinearlichtquellen mit Anordnung in der X-Achsen-Richtung.
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Ein Zustand, in dem die Hauptsignalskalengitter 21 bis 24 und die Hauptsignallichtquellengitter 32 regelmäßig ausgerichtet sind, das heißt ein Zustand, in dem Licht nullter Ordnung nach Durchlauf durch die Hauptsignallichtquellengitter 32 durch die Hauptsignalskalengitter 21 bis 24, wie in 4 gezeigt ist, hindurchlaufen kann, wird als erste Positionsbeziehung bezeichnet. Wie in 5 gezeigt ist, wird ein Zustand, in dem die Hauptsignallichtquellengitter 32 und die Hauptsignalskalengitter 21 bis 24 voneinander um eine halbe Rasterweite abweichen, das heißt ein Zustand, in dem das Licht nullter Ordnung nach Durchlauf durch die Hauptsignallichtquellengitter 32 durch die Hauptsignalskalengitter 21 bis 24 unterbrochen wird, als zweite Positionsbeziehung bezeichnet.
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Wie in 2 gezeigt ist, sind in der Skala 2 die Hauptsignalskalengitter 21 bis 24 parallel in der Breitenrichtung angeordnet, wobei die benachbarten Hauptsignalskalengitter voneinander hinsichtlich der Phase um 1/2 verschieden sind. Wenn daher die Hauptsignalskalengitter 21 und 23 in der ersten Positionsbeziehung in Bezug auf die Hauptsignallichtquellengitter 32 sind, sind die Hauptsignalskalengitter 22 und 24 natürlicherweise in der zweiten Positionsbeziehung. Wenn demgegenüber die Hauptsignalskalengitter 21 und 23 in der zweiten Positionsbeziehung in Bezug auf die Hauptsignallichtquellengitter 32 sind, sind die Hauptsignalskalengitter 22 und 24 natürlicherweise in der ersten Positionsbeziehung.
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Der Interferenzrand, der erzeugt wird, wenn die Skala 2 in der ersten Positionsbeziehung ist, wird erster Hauptsignalinterferenzrand genannt, wohingegen der Interferenzrand, der erzeugt wird, wenn die Skala 2 in der zweiten Positionsbeziehung ist, als zweiter Hauptsignalinterferenzrand bezeichnet wird. Da die Rasterweite der Hauptsignalskalengitter 21 bis 24 gleich der Rasterweite der Hauptsignallichtquellengitter 32 ist, weisen das erste Hauptsignalinterferenzgitter und das zweite Hauptsignalinterferenzgitter dieselbe Phase auf.
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Entsprechend sind bei dem optischen Codierer 1 die Spitzenpositionen in der Längenmessungsrichtung der vier Hauptsignalinterferenzränder mit Erzeugung durch die vier Hauptsignalskalengitter 21 bis 24 gleich. Da die Hauptsignalempfängergitter 42 keine Auflösung in der Richtung senkrecht zu der Längenmessungsachse der Skala 2 aufweisen, werden vier Hauptsignalinterferenzränder zusammengefasst bzw. aufsummiert, und es wird nur ein Hauptsignal durch die Hauptsignalempfängergitter 42 erfasst.
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Es gibt Licht, das auf das Hauptsignalempfängergitter 42 über das Referenzsignalmuster 25 nach Durchlauf durch das Hauptsignallichtquellenmuster 32 auftrifft. Hinsichtlich dieses Punktes ist, da die Breite des Referenzsignalmusters 25 in der Längenvermessungsachsenrichtung gleich der Rasterweite P der Hauptsignalskalengitter 21 bis 24 ist, der Zyklus der Interferenzränder mit Erzeugung durch die Hauptsignallichtquellengitter 32 und das Referenzsignalmuster 25 gleich demjenigen des ersten Hauptsignalinterferenzrandes und des zweiten Hauptsignalinterferenzrandes. Entsprechend tritt eine Verschlechterung des Hauptsignals nicht ohne Weiteres auf, wenn der Erfassungskopf 3 durch den Teil der Skala 2, in dem das Referenzsignalmuster 25 vorgesehen ist, hindurchtritt.
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Zudem gibt es Licht, das auf das Referenzsignalempfängerelement 43 über die Hauptsignalskalengitter 21 bis 24 nach Durchlauf durch das Hauptsignallichtquellengitter 32 auftrifft. Da die Hauptsignalempfängergitter 42 und das Referenzsignalempfängerelement 43 entfernt voneinander in der Längenmessungsrichtung angeordnet sind, ist die absolute Lichtmenge, die in das Referenzsignalempfängerelement 43 eintritt, klein. Da des Weiteren die Breite des Referenzsignalempfängerelementes 43 in der Längenmessungsrichtung gleich P ist, empfängt das Referenzsignalempfängerelement 43 konstant den Interferenzrand für einen Zyklus, und es ist die Menge des Lichtes, das von dem Referenzsignalempfängerelement 43 empfangen wird, stets konstant. Die Breite des Referenzsignalempfängerelementes 43 in der Längenmessungsrichtung ist nicht auf P beschränkt, sondern kann auch NP sein, wobei N eine natürliche Zahl ist.
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Anhand 6 und 7 wird nunmehr dasjenige Licht beschrieben, das durch die Referenzsignallichtquellengitter 33 hindurchgelaufen ist. Wie in 6 gezeigt ist, wird das Licht, das die Lichtquelle 31 emittiert hat, in den Referenzsignallichtquellengittern 33 ähnlich zur Beugung in den Hauptsignallichtquellengittern 32 gebeugt und wird zu kohärentem Licht. Ein Teil des Lichtes, das durch die Referenzsignallichtquellengitter 33 übertragen worden ist, trifft auf die Hauptsignalskalengitter 21 bis 24 auf, während der Rest des Lichtes auf das Referenzsignalmuster 25 auftrifft.
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Da die Rasterweite der Referenzsignallichtquellengitter 33 gleich 2P ist und die Rasterweite der Hauptsignalskalengitter 21 bis 24 gleich P ist, sind zwei Arten von Positionsbeziehungen zwischen den Referenzsignallichtquellengittern 33 und den Hauptsignalskalengittern 21 bis 24 ähnlich zu den Positionsbeziehungen zwischen den Hauptsignallichtquellengittern 32 und den Hauptsignalskalengittern 21 bis 24 vorhanden. In 6 sind die transmittierenden Teile 26 der Hauptsignalskalengitter unmittelbar unter den nicht-transmittierenden Teilen 37 der Referenzsignallichtquellengitter 33 positioniert. In 7 sind die nicht-transmittierenden Teile 27 der Hauptsignalskalengitter unmittelbar unter den nicht-transmittierenden Teilen 27 der Referenzsignallichtquellengitter 33 positioniert.
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Da die Rasterweite der Referenzsignallichtquellengitter 33 gleich 2P ist und die Rasterweite der Hauptsignalskalengitter 21 bis 24 gleich P ist, ist die Rasterweite der Interferenzränder mit Erzeugung durch die Referenzsignallichtquellengitter 33 und die Hauptsignalskalengitter 21 bis 24 gleich 2P. Während helle Teile der Interferenzränder in jedem anderen Teil unter dem transmittierenden Teil 26 der Hauptsignalskalengitter 21 und 23 gemäß 6 erzeugt werden, werden helle Teile der Interferenzränder in jedem anderen Teil unter den nicht-transmittierenden Teilen 37 der Hauptsignalskalengitter 22 und 24 gemäß 7 erzeugt.
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Sind die Hauptsignalskalengitter 21 und 23, wie in 6 gezeigt ist, positioniert, so sind die Hauptsignalskalengitter 22 und 24, wie in 7 gezeigt ist, natürlicherweise positioniert. Wenn demgegenüber die Hauptsignalskalengitter 21 und 23, wie in 7 gezeigt ist, positioniert sind, sind die Hauptsignalskalengitter 22 und 24, wie in 6 gezeigt ist, natürlicherweise positioniert. Da die Interferenzränder mit Erzeugung durch die Hauptsignalskalengitter 21 und 23 und die Interferenzränder mit Erzeugung durch die Hauptsignalskalengitter 22 und 24 hinsichtlich der Phase um 180° voneinander verschieden sind, schwächen diese Ränder einander. Entsprechend wird Licht mit Durchlauf durch das Referenzsignallichtquellengitter 33 und die Hauptsignalskalengitter 21 bis 24 zum Auftreffen auf das Referenzsignalempfängerelement 43 neutralisiert.
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Das Licht mit Durchlauf durch das Referenzsignallichtquellengitter 33 wird nicht in dem Hauptsignalempfängergitter 42 erfasst, wenn es durch die Hauptsignalskalengitter 21 bis 24 hindurchläuft. Da jedoch die Hauptsignalskalengitter 21 bis 24 um das Referenzsignalmuster 25 herum gestört sind, neutralisieren einander die Lichtstrahlen, die durch das Referenzsignallichtquellengitter 33 hindurchgelaufen sind, nicht. Daher wird das Licht, das durch das Referenzsignallichtquellengitter 33 hindurchgelaufen ist, von dem Referenzsignalempfängerelement 43 erfasst, wenn es durch das Referenzsignalmuster 25 hindurchläuft. Entsprechend wird nur das Referenzsignal aus dem Licht, das durch das Referenzsignallichtquellengitter 33 hindurchgelaufen ist, erfasst.
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In der Skala 2 entsprechend dieser Ausführungsform ist das Referenzsignalmuster 25 auf der Längenmessungsachse der Hauptsignalskalengitter 21 bis 24, die parallel angeordnet sind, ausgebildet, und es sind das Referenzsignalmuster 25 und die Hauptsignalskalengitter 21 bis 24 auf derselben Achse befindlich. Wenn daher eine Drehabweichung des Erfassungskopfes 3 in Bezug auf die Skala 2 vorhanden ist, ist kein Unterschied zwischen der Art, in der die Hauptsignalskalengitter 21 bis 24 in Bezug auf die Hauptsignalempfängergitter 42 und das Referenzsignalempfängerelement 43 abweichen, und der Art, in der das Referenzsignalmuster 25 in Bezug auf die Hauptsignalempfängergitter 42 und das Referenzsignalempfängerelement 43 abweichen, vorhanden. Entsprechend kann sogar dann, wenn eine Drehabweichung des Erfassungskopfes 3 in Bezug auf die Skala 2 vorhanden ist, der optische Codierer 1 die Referenzposition genau erfassen.
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Wie vorstehend beschrieben worden ist, ist es entsprechend dieser Ausführungsform möglich, die Skala 2 und den optischen Codierer 1 mit der Fähigkeit bereitzustellen, die Genauigkeit der Referenzposition unabhängig von einem Fehler beim Anbringen des Erfassungskopfes zu wahren.
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Zweite Ausführungsform
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Ein optischer Codierer entsprechend einer zweiter Ausführungsform beinhaltet eine Skala 50, die in 8 gezeigt ist, wobei Ausgestaltungen des optischen Codierers, die nicht die Ausgestaltung der Skala 50 sind, dieselben wie diejenigen des optischen Codierers 1 entsprechend der ersten Ausführungsform sind. Die Skala 50 entsprechend der zweiten Ausführungsform weist eine Ausgestaltung ähnlich zu derjenigen der Skala 2 entsprechend der ersten Ausführungsform mit derjenigen Ausnahme auf, dass ein Referenzsignalmuster 51 von transmittierenden Teilen in der Skala 50 und nicht den nicht-transmittierenden Teilen gebildet wird. Der optische Codierer entsprechend dieser Ausführungsform kann die Referenzposition durch Erfassen von Licht mit Übertragung durch das Referenzsignalmuster 51 durch das Referenzsignalempfängerelement 43 erfassen.
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Dritte Ausführungsform
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Wie in 9 gezeigt ist, sind Referenzsignalmuster 62, 63 und 64 in einer Skala 61 eines optischen Codierers 60 entsprechend einer dritten Ausführungsform angeordnet, und es sind Hauptsignalskalengitter 21 bis 24 in Teilen, die nicht die Referenzsignalmuster 62, 63 und 64 sind, angeordnet. Sind die Intervalle der Referenzsignalmuster 62, 63 und 64 in der Längenmessungsrichtung, siehe 9, voneinander verschieden, so können die Referenzsignalmuster 62, 63 und 64 in gleichen Intervallen angeordnet sein.
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In dem Erfassungskopf 3 sind drei Referenzsignalempfängerelemente 65, 66 und 67 in Positionen angeordnet, die den drei Referenzsignalmustern 62, 63 und 64 entsprechen, und es sind Hauptsignalempfängergitter 42 in den Positionen angeordnet, die den Hauptsignalskalengittern 21 bis 24 entsprechen. Des Weiteren weist ein Lichtquellengitter 68, das in dem Erfassungskopf 3 beinhaltet ist, eine ausreichende Länge in der Längenmessungsrichtung auf, damit Licht auf alle Referenzsignalempfängerelemente 65, 66 und 67 auftreffen kann. Das Lichtquellengitter 68 beinhaltet Referenzsignallichtquellengitter 33 in Positionen entsprechend den Referenzsignalmustern 62, 63 und 64 und Hauptsignallichtquellengitter 32 in Positionen entsprechend den Hauptsignalskalengittern 21 bis 24.
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Bewegt sich der Erfassungskopf 3 an der Skala 2, so überlappen alle drei Referenzsignalmuster 62, 63 und 64 und die drei Referenzsignalempfängerelemente 65, 66 und 67 nur einmal.
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Überlappen alle drei Referenzsignalmuster 62, 63 und 64 und die drei Referenzsignalempfängerelemente 65, 66 und 67, so wird die Summe der Signale, die von den drei Referenzsignalempfängerelementen 65, 66 und 67 ausgegeben werden, zum Referenzsignal. Dies vergrößert die Intensität des Referenzsignals, wodurch es möglich wird, das S/N-Verhältnis des Signals zu vergrößern und den optischen Codierer unempfindlich gegenüber Rauschen zu machen. Die Anzahl von Paaren des Referenzsignalmusters und des Referenzsignalempfängerelementes ist nicht auf 3 beschränkt, sondern kann auch 2 oder 4 oder mehr sein.
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Modifiziertes Beispiel 1
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10 ist ein Diagramm zur Darstellung eines modifizierten Beispiels 1 einer Skala. Wie in 3 gezeigt ist, sind bei den Hauptsignalskalengittern 21 bis 24 der Skala 2 entsprechend der ersten Ausführungsform die Anordnung der transmittierenden Teile 26 und die Anordnung der nicht-transmittierenden Teile 27 um einen halben Zyklus zwischen der +X-Richtungs-Seite und der -X-Richtungsseite mit dem dazwischen angeordneten Referenzsignalmuster 25 verschoben. Dies bedeutet, dass im Vergleich zu einem Fall, in dem die Anordnung der nicht-transmittierenden Teile 27 und die Anordnung der transmittierenden Teile 26 in der +X-Richtungs-Seite des Referenzsignalmusters 25 ebenfalls in der -X-Richtungs-Seite des Referenzsignalmusters 25 zum Einsatz kommen, die Anordnung der transmittierenden Teile 26 und diejenige der nicht-transmittierenden Teile 27 umgekehrt sind.
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Bei der Skala 110 entsprechend diesem modifizierten Beispiel ist der Zyklus der Anordnung der transmittierenden Teile 26 indes derselbe wie derjenige der nicht-transmittierenden Teile 27 zwischen der +X-Richtungs-Seite und der -X-Richtungs-Seite mit dem dazwischen angeordneten Referenzsignalmuster 25. Dies bedeutet, dass die Anordnung der transmittierenden Teile 26 und die Anordnung der nicht-transmittierenden Teile 27 in der +X-Richtungs-Seite des Referenzsignalmusters 26 ebenfalls in der -X-Richtungs-Seite des Referenzsignalmusters 25 Verwendung findet. Dies bedeutet, dass das Referenzsignalmuster 25 durch Entfernen der Hauptsignalskalengitter 21 bis 24 für 1,5 Rasterweiten und Anordnen eines nicht-transmittierenden Teiles, der sich über die vier Hauptsignalskalengitter 21 bis 24 in der Mitte der entfernten Fläche bzw. Zone erstreckt, gebildet wird.
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Modifiziertes Beispiel 2
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11 ist ein Diagramm zur Darstellung eines modifizierten Beispiels 2 der Skala. Sowohl in der Skala 120 entsprechend diesem modifizierten Beispiel wie auch in der Skala 2 entsprechend der ersten Ausführungsform ist die Rasterweite der hellen Teile und der dunklen Teile der Gittermuster der Hauptsignalskalengitter 121 bis 124 gleich P. Bei der Rasterweite P ist jedoch die Länge der transmittierenden Teile 126 in der Längenmessungsrichtung gleich P/4, die Länge der nicht-transmittierenden Teile 127 ist gleich 3P/4, und das Hell-Dunkel-Verhältnis der Rasterweite P ändert sich auf 1:3. Auf ähnliche Weise ist die Breite des Referenzsignalmusters 125 in der Längenmessungsachsenrichtung gleich 3P/4.
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Man beachte, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist, sondern je nach Bedarf geändert werden kann, ohne vom Wesen der vorliegenden Erfindung abzugehen. So ist beispielsweise der optische Codierer entsprechend der vorliegenden Erfindung nicht darauf beschränkt, bei einem transmissiven Codierer eingesetzt werden, sondern kann auch bei einem reflektiven Codierer eingesetzt werden. Des Weiteren ist der optische Codierer entsprechend der vorliegenden Erfindung nicht darauf beschränkt, bei einem Linearcodierer eingesetzt werden, sondern kann auch bei einem Drehcodierer eingesetzt werden.
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Aus der auf diese Weise beschriebenen Erfindung ergibt sich, dass die Ausführungsformen der Erfindung auf vielerlei Weisen abgewandelt werden können. Derartige Abwandlungen sollen nicht als vom Wesen und Umfang der Erfindung abgehend gedeutet werden, sondern es sollen alle derartigen Abwandlungen, so sie sich einem Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet erschließen, als innerhalb des Umfanges der nachfolgenden Ansprüche betrachtet werden.
