DE102020107954B4

DE102020107954B4 - Optischer codierer und berechnungsverfahren für einen optischen codierer

Info

Publication number: DE102020107954B4
Application number: DE102020107954.0A
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Kato
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2020-03-23
Publication date: 2023-07-20
Anticipated expiration: 2040-03-24
Also published as: CN111750909B; DE102020107954A1; CN111750909A; US11320289B2; JP2020159991A; US20200309572A1; JP7252809B2

Abstract

Optischer Codierer (1), der Folgendes umfasst:eine Skala (2), die ein periodisches Skalenmuster (20) besitzt, das in einer Messrichtung vorgesehen ist;einen Kopf (3), der der Skala (2) zugewandt ist und in der Messrichtung in Bezug auf die Skala (2) versetzt wird, wobei der Kopf (3) Folgendes umfasst:eine Lichtquelle (4), die Licht zur Skala (2) abstrahlt;einen Bildaufnehmer (6), der ein Bild des Lichts von der Lichtquelle (4), das über die Skala (2) eintrifft, aufnimmt; undeine Linsenanordnung (5), die zwischen der Skala (2) und dem Bildaufnehmer (6) angeordnet ist, wobei die Linsenanordnung (5) Folgendes umfasst:eine erste Linse (51), die ein Bild bildet, das über das Skalenmuster (20) auf dem Bildaufnehmer (6) eintrifft; undeine zweite Linse (52), die in der Messrichtung parallel zur ersten Linse (51) angeordnet ist und die ein Bild bildet, das über das Skalenmuster (20) auf dem Bildaufnehmer (6) eintrifft; undeinen Rechner (7), der ein Signal auf Grundlage des relativen Versatzes zwischen der Skala (2) und dem Kopf (3) berechnet,wobei der Rechner (7) einen Prozessor und einen Speicher, in dem ein Satz ausführbarer Anweisungen gespeichert ist, umfasst,wobei der Rechner (7) aufgrund einer Ausführung der ausführbaren Anweisungen durch den Prozessor als Folgendes arbeitet:ein Signalgenerator (71), der ein entsprechendes Sinusschwingungssignal aus dem Bild, das durch die erste Linse (51) gebildet wird, und dem Bild, das durch die zweite Linse (52) gebildet wird, die durch den Bildaufnehmer (6) aufgenommen werden, erzeugt;ein Analysebereichextraktor (72), der ein Sinusschwingungssignal mindestens einer Periode aus dem Sinusschwingungssignal des Bilds, das durch die erste Linse (51) gebildet wird, extrahiert, um als ein erster Analysebereich zu dienen, und ein Sinusschwingungssignal derselben Anzahl Perioden wie die Anzahl Perioden des ersten Analysebereichs aus dem Sinusschwingungssignal des Bilds, das durch die zweite Linse (52) gebildet wird, extrahiert, um als ein zweiter Analysebereich zu dienen;ein Signalkombinierer (73), der auf Grundlage eines Abstands zwischen Bereichen, der der Abstand von einem ersten Ende des ersten Analysebereichs zu einem ersten Ende des zweiten Analysebereichs ist, das Sinusschwingungssignal des zweiten Analysebereichs verwendet, um ein Sinusschwingungssignal zu erzeugen, das zum ersten Ende des ersten Analysebereichs verläuft, derart, dass das erzeugte Sinusschwingungssignal mit dem Sinusschwingungssignal des ersten Analysebereichs überlappt, und das Sinusschwingungssignal des ersten Analysebereichs mit dem erzeugten Sinusschwingungssignal, das das Sinusschwingungssignal des zweiten Analysebereichs als Grundlage verwendet, kombiniert; undein Versatzbetragsrechner (74), der einen Betrag eines relativen Versatzes zwischen der Skala (2) und dem Kopf (3) auf Grundlage des Sinusschwingungssignals, das durch den Signalkombinierer (73) kombiniert wird, berechnet, wobeider Bildaufnehmer (6) optische Empfänger (61) umfasst, die parallel in der Messrichtung in einem Anordnungsabstand p angeordnet sind,der Analysebereichextraktor (72) den ersten Analysebereich und den zweiten Analysebereich aus dem Sinusschwingungssignal des Bilds, das durch die erste Linse (51) gebildet wird, und dem Sinusschwingungssignal des Bilds, das durch die zweite Linse (52) gebildet wird, derart extrahiert, dass eine Periode Λ mit einer ganzen Zahl Q multipliziert wird, unddie optischen Empfänger (61) derart parallel angeordnet sind, dass sie ein Vielfaches einer ganzen Zahl q sind, derart, dass die optischen Empfänger (61) sowohl durch die Periode Λ als auch den Anordnungsabstand p teilbar sind, wobei dann, wennein Punkt am ersten Ende des ersten Analysebereichs als n = 1 definiert ist,ein Punkt an einem zweiten Ende des ersten Analysebereichs als n = m definiert ist,ein Punkt am ersten Ende des zweiten Analysebereichs als n = m + 1 definiert ist,ein Punkt an einem zweiten Ende des zweiten Analysebereichs als n = N definiert ist,eine Signalstärke eines n-ten Punkts als yn definiert ist,die Periode, die im ersten Analysebereich und im zweiten Analysebereich enthalten ist, als Λ definiert ist,der Abstand zwischen Bereichen als d definiert ist,der Anordnungsabstand der optischen Empfänger (61) als p definiert ist undeine Phase als Φ definiert ist, der Signalkombinierer (73) und der Versatzbetragsrechner (74) die Signale unter Verwendung von Formel (1)Φ=arg[∑n=1mynei2πpnΛ+∑n=m+1Nynei2πpnΛe−i2πdΛ]kombinieren und den Betrag des relativen Versatzes zwischen der Skala (2) und dem Kopf (3) berechnen.

Description

OUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung JP 2019-062 374 A , eingereicht am 28. März 2019, deren Offenbarung ausdrücklich hier durch Bezugnahme vollständig mit aufgenommen ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen optischen Codierer, der eine Linsenanordnung enthält, und ein Berechnungsverfahren für den optischen Codierer.
2. Beschreibung des verwandten Gebiets
Herkömmlicherweise ist ein optischer Codierer bekannt, der eine Skala, die ein periodisches Skalenmuster besitzt, das in einer Messrichtung vorgesehen ist, einen Kopf, der der Skala zugewandt ist und in der Messrichtung in Bezug auf die Skala versetzt wird, und einen Rechner, der ein Signal auf der Grundlage des relativen Versatzes zwischen der Skala und dem Kopf berechnet, enthält. Der Kopf enthält eine Lichtquelle, die Licht zur Skala abstrahlt, einen Bildaufnehmer, der ein Bild des Lichts von der Lichtquelle, das über die Skala eintrifft, aufnimmt, und eine Linse, die zwischen der Skala und dem Bildaufnehmer angeordnet ist. Der Rechner berechnet den Betrag des relativen Versatzes zwischen der Skala und dem Kopf auf der Grundlage des Lichts von der Lichtquelle, das durch den Bildaufnehmer aufgenommen wird.
7A und 7B sind Graphen, die ein Verfahren zur Phasenanalyse eines Sinusschwingungssignals mit einem herkömmlichen Rechner darstellen. Wie z. B. in 7A dargestellt ist, erzeugt der Rechner ein Sinusschwingungssignal aus dem Licht, das in einem Bildaufnahmebereich H, der ein Bereich des Bildaufnehmers ist, in dem Licht aufgenommen werden kann, aufgenommen wird. Eine Periode des Sinusschwingungssignals wird durch Λ repräsentiert. Der Rechner berechnet den Betrag des relativen Versatzes zwischen der Skala und dem Kopf durch Durchführen einer Phasenanalyse des erzeugten Sinusschwingungssignals. An dieser Stelle kann der Rechner eine hochgenaue Analyse unter Verwendung einer Fourier-Transformation in der Phasenanalyse durchführen.
In diesem Beispiel hängt die Größe des optischen Codierers von der Brennweite des optischen Systems (Linse) ab. Speziell wird das Licht von der Lichtquelle über die Skala und die Linse zum Bildaufnehmer abgestrahlt, um jedoch das Bild (das Licht), das über die Skala eintrifft, scharf abzustrahlen, muss die Brennweite der Linse eingestellt werden. Um das System derart zu fokussieren, dass das gesamte Bild, das zum Bildaufnehmer (d. h. dem gesamten Bildaufnahmebereich H) abgestrahlt wird, scharf gebildet wird, muss ein bestimmter Abstandsbetrag zwischen der Skala und der Linse und außerdem zwischen der Linse und der Bildaufnahmevorrichtung vorgesehen sein. Darüber hinaus ist die Größe der Linse zu einer Größe konfiguriert, die zum Bildaufnahmebereich H proportional ist. Deshalb kann der optische Codierer in Verbindung mit der Größe der Linse, der Brennweite und der Größe des Bildaufnahmebereichs H größer werden.
In Reaktion auf derartige Probleme wird z. B. in der ungeprüften japanischen Patenveröffentlichung JP 2005-522 682 A und der japanischen Patentoffenlegungsschrift JP 2012-32 295 A eine Linsenanordnung, die mehrere Linsen mit kleinem Durchmesser besitzt, statt einer einzelnen Linse verwendet. Die mehreren Linsen mit kleinem Durchmesser in der Linsenanordnung besitzen jeweils einen kleinen Bildaufnahmebereich und eine kurze Brennweite und deshalb kann ein optischer Codierer im Vergleich zu dem Fall, in dem eine einzelne Linse verwendet wird, kleiner gestaltet werden. Allerdings kann dann, wenn eine Linsenanordnung verwendet wird, an den Grenzen zwischen den mehreren Linsen mit kleinem Durchmesser kein Bild gebildet werden und, wie in 7B dargestellt ist, wird das Bild, das zum Bildaufnehmer abgestrahlt wird, in einem Zustand gebildet, in dem jede Linse mit kleinem Durchmesser isoliert ist, z. B. wie in einem ersten Bildaufnahmebereich H1 und einem zweiten Bildaufnahmebereich H2.
Der optische Codierer der ungeprüften japanischen Patenveröffentlichung JP 2005-522 682 A (photoelektrischer Codierer) ist in Reaktion auf derartige Probleme konfiguriert, eine Anordnungjeder Linse mit kleinem Durchmesser derart auszugleichen, dass das Bild, das durch einen optischen Detektor (Bildaufnehmer) gebildet wird, bei einer Koordinatenphase überlappt, und durch Anpassen der Periodizität der Linsenanordnung tritt keine Isolation in dem Bild auf, das durch den optischen Detektor gebildet wird. Darüber hinaus können sich dann, wenn die Linsenanordnung z. B. mit Plastik gebildet ist, Eigenschaften wie z. B. die Brennweite jeder Linse mit kleinem Durchmesser aufgrund von Temperaturänderungen wie z. B. Wärmeausdehnung ändern, jedoch korrigiert der optische Codierer der japanischen Patentoffenlegungsschrift JP 2012-32 295 A die Änderungsmenge in jeder Linse mit kleinem Durchmesser z. B. unter Verwendung des Verfahrens der kleinesten Quadrate. Bei Sinusschwingungssignalen, die isoliert sind wie im ersten Bildaufnahmebereich H1 und im zweiten Bildaufnahmebereich H2, kann die Phase mit demselben Genauigkeitsgrad analysiert werden, als wenn eine Fourier-Transformation unter Verwendung des Verfahrens der kleinesten Quadrate eingesetzt wird.
Allerdings tritt im optischen Codierer der japanischen Patentoffenlegungsschrift JP 2012-32 295 A selbst dann, wenn die Phase durch Berechnung mit einem hohen Genauigkeitsgrad analysiert werden kann, dann, wenn der optische Codierer z. B. in einem Mikrocomputer montiert ist, eine instabile Matrixberechnung auf und z. B. aufgrund des Einflusses von Rundungsfehlern kann ein wesentlicher Phasenfehler auftreten. Zusätzlich weist eine Phasenanalyse unter Verwendung des Verfahrens der kleinsten Quadrate im Vergleich zu einer Fourier-Transformation eine extrem große Menge von Berechnungsinhalt auf und erfordert eine entsprechende Berechnungszeit.
Die deutsche Patentanmeldung DE 102 17 726 A1 beschreibt eine optische Positionsmesseinrichtung mit einer Abtasteinheit, die eine Lichtquelle, eine Abbildungsebene und eine Brechungsoptik zum Erzeugen eines Bildes einer periodischen Gitterstruktur umfasst. Die Brechungsoptik besteht aus einem periodischen Linsenarray mit einer Gitterperiode.
Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2015 209 716 A1 offenbart eine optische Wegmesssystemkonfiguration die ein Ausgangsgitter verwendet, um eine Skala mit strukturiertem Licht zu beleuchten, so dass Licht von der Skala mit einer Schwebungsfrequenzhüllkurve moduliert wird, die eine grobe Teilung aufweisen kann, die mit einer gewünschten Detektorteilung übereinstimmt. Eine Bildgebungskonfiguration stellt räumliches Filtern bereit, um die hohen räumlichen Frequenzen aus der Modulationshüllkurve zu entfernen, um ein sauberes Signal in dem detektierten Streifenmuster bereitzustellen.
Die US Patentanmeldung US 2017/0 067 758 A1 beschreibt eine Skala mit einem Gittermuster, das in einer Messrichtung angeordnet ist. Ein Erfassungskopf kann relativ zur Skala in Messrichtung bewegt werden und gibt ein elektrisches Signal aus, das ein Ergebnis des Erfassens des Musters anzeigt. Eine Operationseinheit berechnet eine relative Verschiebung des Erfassungskopfs relativ zur Skala. Der Messkopf bestrahlt die Skala mit Licht. Ein optisches System bildet Licht von der Skala in Interferenzstreifen auf einer Lichtempfangsfläche der Lichtempfangseinheit unter Verwendung von in Messrichtung angeordneten Linsenarrays ab. Ein Linsenarrayabstand zwischen benachbarten Linsen der Linsenarrays ist nicht gleich einem ganzzahligen Vielfachen eines Abstands des Gittermusters.
Die US Patentanmeldung US 2007/0 018 084 A1 zeigt eine Verschiebungsmessvorrichtung mit einer Skala und einem optischen Lesekopf mit einem Indexmuster und einem Lichtempfangselement. Ein Hell/Dunkel-Muster, das von einem Skalengitter herrührt, wird vom Lesekopf erkannt, um die Verschiebung zu messen. In verschiedenen Ausführungsformen wird eine Vergrößerung des Musters durch den Abstand zwischen mindestens einem Linsenelement, einem Blendenelement und einer Detektionsebene des Lesekopfs eingestellt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist das Bereitstellen eines optischen Codierers, der einen Betrag eines relativen Versatzes zwischen einer Skala und einem Kopf mit einem hohen Genauigkeitsgrad berechnen kann, selbst wenn eine Linsenanordnung verwendet wird, die mehrere Linsen mit kleinem Durchmesser besitzt.
Ein optischer Codierer gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein optischer Codierer, der eine Skala, die ein periodisches Skalenmuster besitzt, das in einer Messrichtung vorgesehen ist, einen Kopf, der der Skala zugewandt ist und in der Messrichtung in Bezug auf die Skala versetzt wird, und einen Rechner, der ein Signal auf der Grundlage des relativen Versatzes zwischen der Skala und dem Kopf berechnet, enthält, wobei der Kopf eine Lichtquelle, die Licht zur Skala abstrahlt, einen Bildaufnehmer, der ein Bild des Lichts von der Lichtquelle, das über die Skala eintrifft, aufnimmt, und eine Linse, die zwischen der Skala und dem Bildaufnehmer angeordnet ist, enthält. Die Linsenanordnung enthält eine erste Linse, die ein Bild bildet, das über das Skalenmuster auf dem Bildaufnehmer eintrifft, und eine zweite Linse, die in der Messrichtung parallel zur ersten Linse angeordnet ist und die ein Bild bildet, das über das Skalenmuster auf dem Bildaufnehmer eintrifft. Der Rechner enthält einen Signalgenerator, der ein entsprechendes Sinusschwingungssignal aus dem Bild, das durch die erste Linse gebildet wird, und dem Bild, das durch die zweite Linse gebildet wird, die durch den Bildaufnehmer aufgenommen werden, erzeugt; einen Analysebereichextraktor, der ein Sinusschwingungssignal mindestens einer Periode aus dem Sinusschwingungssignal des Bilds, das durch die erste Linse gebildet wird, extrahiert, um als ein erster Analysebereich zu dienen, und ein Sinusschwingungssignal derselben Anzahl Perioden wie die Anzahl Perioden des ersten Analysebereichs aus dem Sinusschwingungssignal des Bilds, das durch die zweite Linse gebildet wird, extrahiert, um als ein zweiter Analysebereich zu dienen; einen Signalkombinierer, der auf der Grundlage eines Abstands zwischen Bereichen, der der Abstand von einem ersten Ende des ersten Analysebereichs zu einem ersten Ende des zweiten Analysebereichs ist, das Sinusschwingungssignal des zweiten Analysebereichs verwendet, um ein Sinusschwingungssignal zu erzeugen, das zum ersten Ende des ersten Analysebereichs verläuft, derart, dass das erzeugte Sinusschwingungssignal mit dem Sinusschwingungssignal des ersten Analysebereichs überlappt, und das Sinusschwingungssignal des ersten Analysebereichs mit dem erzeugten Sinusschwingungssignal, das das Sinusschwingungssignal des zweiten Analysebereichs als Grundlage verwendet, kombiniert; und einen Versatzbetragsrechner, der einen Betrag eines relativen Versatzes zwischen der Skala und dem Kopf auf der Grundlage des Sinusschwingungssignals, das durch den Signalkombinierer kombiniert wird, berechnet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird im Rechner auf der Grundlage des Abstands zwischen Bereichen und unter Verwendung des Signalkombinierers ein Sinusschwingungssignal, das zum ersten Ende des ersten Analysebereichs verläuft, aus dem Sinusschwingungssignal des zweiten Analysebereichs derart erzeugt, dass das erzeugte Sinusschwingungssignal mit dem Sinusschwingungssignal des ersten Analysebereichs überlappt, und das Sinusschwingungssignal des ersten Analysebereichs wird mit dem erzeugten Sinusschwingungssignal, das das Sinusschwingungssignal des zweiten Analysebereichs als Grundlage verwendet, kombiniert und der Betrag des relativen Versatzes zwischen der Skala und dem Kopf wird unter Verwendung des Versatzmengenrechners auf der Grundlage des Sinusschwingungssignals, das durch den Signalkombinierer kombiniert wird, berechnet. Deshalb kann ein Signal für ein Bild, das an der Grenze zwischen der ersten Linse und der zweiten Linse, die mehrere Linsen mit kleinem Durchmesser sind, nicht gebildet wird, ohne jegliche komplizierte Berechnungen oder Korrekturen interpoliert werden. Entsprechend kann der optische Codierer den Betrag des relativen Versatzes zwischen der Skala und dem Kopf mit einem hohen Genauigkeitsgrad berechnen, selbst wenn eine Linsenanordnung verwendet wird, die mehrere Linsen mit kleinem Durchmesser besitzt.
In diesem Fall enthält der Bildaufnehmer bevorzugt optische Empfänger, die parallel in der Messrichtung in einem Anordnungsabstand p angeordnet sind, der Analysebereichextraktor extrahiert den ersten Analysebereich und den zweiten Analysebereich aus dem Sinusschwingungssignal des Bilds, das durch die erste Linse gebildet wird, und dem Sinusschwingungssignal des Bilds, das durch die zweite Linse gebildet wird, derart, dass eine Periode Λ mit einer ganzen Zahl Q multipliziert wird, und die optischen Empfänger sind derart parallel angeordnet, dass sie ein Vielfaches einer ganzen Zahl q sind, derart, dass die optischen Empfänger sowohl durch eine Periode Λ als auch den Anordnungsabstand p teilbar sind.
Gemäß einer derartigen Konfiguration führt der Analysebereichextraktor eine Extraktion am ersten Analysebereich bzw. am zweiten Analysebereich derart durch, dass eine Periode Λ des Sinusschwingungssignals mit der ganzen Zahl Q multipliziert wird, und die optischen Empfänger sind derart parallel angeordnet, dass sie ein Vielfaches der ganzen Zahl q sind, derart, dass die optischen Empfänger sowohl durch eine Periode Λ als auch den Anordnungsabstand p teilbar sind und deshalb z. B. eine Fourier-Transformation beim Analysieren einer Phase verwendet werden kann. Entsprechend kann der optische Codierer eine Phase mit einem hohen Genauigkeitsgrad unter Verwendung einer Fourier-Transformation analysieren, selbst wenn die Linsenanordnung verwendet wird.
In diesem Fall kombinieren dann, wenn ein Punkt am ersten Ende des ersten Analysebereichs als n = 1 definiert ist, ein Punkt an einem zweiten Ende des ersten Analysebereichs als n = m definiert ist, ein Punkt am ersten Ende des zweiten Analysebereichs als n = m + 1 definiert ist, ein Punkt an einem zweiten Ende des zweiten Analysebereichs als n = N definiert ist, eine Signalstärke eines n-ten Punkts als yn definiert ist, eine Periode, die im ersten Analysebereich und im zweiten Analysebereich enthalten ist, als Λ definiert ist, der Abstand zwischen Bereichen als d definiert ist, der Anordnungsabstand der optischen Empfänger als p definiert ist und die Phase als Φ definiert ist, der Signalkombinierer und der Versatzbetragsrechner bevorzugt die Signale unter Verwendung von Formel (1), die in der Ausführungsform unten bereitgestellt wird, und berechnen den Betrag des relativen Versatzes zwischen der Skala und dem Kopf.
Gemäß einer derartigen Konfiguration kann der Rechner den Betrag des relativen Versatzes zwischen der Skala und dem Kopf unter Verwendung von Formel (1) berechnen und deshalb kann die vorliegende Erfindung z. B. einfach an einem Mikrocomputer angebracht werden.
Ein Berechnungsverfahren für einen optischen Codierer gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Berechnungsverfahren für einen optischen Codierer, der eine Skala, die ein periodisches Skalenmuster besitzt, das in einer Messrichtung vorgesehen ist, einen Kopf, der der Skala zugewandt ist und in der Messrichtung in Bezug auf die Skala versetzt wird, und einen Rechner, der ein Signal auf der Grundlage des relativen Versatzes zwischen der Skala und dem Kopf berechnet, enthält, wobei der Kopf eine Lichtquelle, die Licht zur Skala abstrahlt, einen Bildaufnehmer, der ein Bild des Lichts von der Lichtquelle, das über die Skala eintrifft, aufnimmt, und eine Linse, die zwischen der Skala und dem Bildaufnehmer angeordnet ist, enthält. Die Linsenanordnung enthält eine erste Linse, die ein Bild bildet, das über das Skalenmuster auf dem Bildaufnehmer eintrifft, und eine zweite Linse, die in der Messrichtung parallel zur ersten Linse angeordnet ist und die ein Bild bildet, das über das Skalenmuster auf dem Bildaufnehmer eintrifft. Der Rechner enthält einen Signalerzeugungsschritt, der ein entsprechenden Sinusschwingungssignal aus dem Bild, das durch die erste Linse gebildet wird, und dem Bild, das durch die zweite Linse gebildet wird, die durch den Bildaufnehmer aufgenommen werden, erzeugt; einen Analysebereichsextraktionsschritt, der ein Sinusschwingungssignal mindestens einer Periode aus dem Sinusschwingungssignal des Bilds, das durch die erste Linse gebildet wird, extrahiert, um als ein erster Analysebereich zu dienen, und ein Sinusschwingungssignal derselben Anzahl Perioden wie die Anzahl Perioden des ersten Analysebereichs aus dem Sinusschwingungssignal des Bilds, das durch die zweite Linse gebildet wird, extrahiert, um als ein zweiter Analysebereich zu dienen; einen Signalkombinationsschritt, der auf der Grundlage eines Abstands zwischen Bereichen, der der Abstand von einem ersten Ende des ersten Analysebereichs zu einem ersten Ende des zweiten Analysebereichs ist, das Sinusschwingungssignal des zweiten Analysebereichs verwendet, um ein Sinusschwingungssignal zu erzeugen, das zum ersten Ende des ersten Analysebereichs derart verläuft, dass das erzeugte Sinusschwingungssignal mit dem Sinusschwingungssignal des ersten Analysebereichs überlappt, und das Sinusschwingungssignal des ersten Analysebereichs mit dem erzeugten Sinusschwingungssignal, das das Sinusschwingungssignal des zweiten Analysebereichs als Grundlage verwendet, kombiniert; und einen Versatzmengenberechnungsschritt, der einen Betrag eines relativen Versatzes zwischen der Skala und dem Kopf auf der Grundlage des Sinusschwingungssignals, das im Signalkombinationsschritt kombiniert wird, berechnet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird im Rechner auf der Grundlage des Abstands zwischen Bereichen ein Sinusschwingungssignal, das zum ersten Ende des ersten Analysebereichs verläuft, im Signalkombinationsschritt aus dem Sinusschwingungssignal des zweiten Analysebereichs derart erzeugt, dass das erzeugte Sinusschwingungssignal mit dem Sinusschwingungssignal des ersten Analysebereichs überlappt, und das Sinusschwingungssignal des ersten Analysebereichs wird mit dem erzeugten Sinusschwingungssignal, das das Sinusschwingungssignal des zweiten Analysebereichs als Grundlage verwendet, kombiniert und im Versatzmengenberechnungsschritt wird der Betrag des relativen Versatzes zwischen der Skala und dem Kopf unter Verwendung des kombinierten Sinusschwingungssignals berechnet. Deshalb kann ein Signal für ein Bild, das an der Grenze zwischen der ersten Linse und der zweiten Linse, die mehrere Linsen mit kleinem Durchmesser sind, nicht gebildet wird, ohne jegliche komplizierte Berechnungen oder Korrekturen interpoliert werden. Entsprechend kann das Berechnungsverfahren für den optischen Codierer den Betrag des relativen Versatzes zwischen der Skala und dem Kopf mit einem hohen Genauigkeitsgrad berechnen, selbst wenn der optische Codierer eine Linsenanordnung verwendet, die mehrere Linsen mit kleinem Durchmesser besitzt.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird ferner in der genauen Beschreibung, die folgt, unter Bezugnahme auf die vermerkten mehreren Zeichnungen in Form nicht einschränkender Beispiele beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben, wobei ähnliche Bezugszeichen überall in den mehreren Ansichten der Zeichnungen ähnliche Teile repräsentieren; es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines optischen Codierers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ein Blockdiagramm, das den optischen Codierer darstellt;
3 einen Ablaufplan, der ein Verfahren zum Berechnen eines Betrags eines relativen Versatzes mit einem Rechner des optischen Codierers darstellt;
4A bis 4C Graphen, die das Verfahren zum Berechnen des Betrags des relativen Versatzes mit dem Rechner des optischen Codierers darstellen;
5A und 5B Graphen, die das Verfahren zum Berechnen des Betrags des relativen Versatzes mit dem Rechner des optischen Codierers darstellen;
6A und 6B perspektivische Ansichten optischer Codierer gemäß Änderungen; und
7A und 7B Graphen, die ein Verfahren zur Phasenanalyse eines Sinusschwingungssignals mit einem herkömmlichen Rechner darstellen.

GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINGUNG
Die Einzelheiten, die hier gezeigt werden, sind beispielhaft und lediglich zum Zweck der veranschaulichenden Diskussion der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und sind zum Zweck des Bereitstellens dessen dargestellt, was als die nützlichste und am einfachsten verständliche Beschreibung der Prinzipien und der konzeptionellen Aspekte der vorliegenden Erfindung betrachtet wird. In dieser Hinsicht wird kein Versuch unternommen, strukturelle Details der vorliegenden Erfindung genauer als zum grundlegenden Verstehen der vorliegenden Erfindung erforderlich darzustellen, wobei die Beschreibung mit den Zeichnungen vorgenommen wird, die Fachleuchten verdeutlichen, wie die Formen der vorliegenden Erfindung in der Praxis verkörpert werden können.
Im Folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 1 bis 4C beschrieben. In jeder Zeichnung ist eine lange Seite einer Skala 2 als die X-Richtung dargestellt, ist eine kurze Seite als die Y-Richtung dargestellt und ist eine Höhenrichtung als die Z-Richtung dargestellt. Im Folgenden können Beschreibungen einfach unter Verwendung der Begriffe X-Richtung, Y-Richtung und Z-Richtung bereitgestellt werden. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines optischen Codierers 1 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 dargestellt ist, enthält der optische Codierer 1 eine Längsskala 2 und einen Kopf 3, der der Skala 2 zugewandt ist und in Bezug auf die Skala 2 in der X-Richtung (Messrichtung) versetzt wird. Der optische Codierer 1 ist ein Lineargeber, der in einem linearen Maßstab verwendet wird. Der lineare Maßstab detektiert eine Position des Kopfs 3 in Bezug auf die Skala 2 durch Versetzen des Kopfs 3 in Bezug auf die Skala 2 in der X-Richtung (Messrichtung) und gibt die Detektionsergebnisse zu einer Anzeigekomponente wie z. B. einer Flüssigkristallanzeigevorrichtung, die in den Zeichnungen nicht gezeigt ist, aus.
Der Kopf 3 enthält eine Lichtquelle 4, die Licht zur Skala 2 abstrahlt, eine Linsenanordnung 5, die mehrere Linsen mit kleinem Durchmesser besitzt, und einen Bildaufnehmer 6, der ein Bild des Lichts von der Lichtquelle 4, das über die Skala 2 eintrifft, aufnimmt. Der Kopf 3 ist derart vorgesehen, dass er in der X-Richtung in Bezug auf die Skala 2 vorgerückt und zurückgezogen werden kann. Die Lichtquelle 4, die Linsenanordnung 5 und der Bildaufnehmer 6 sind derart konfiguriert, dass sie in Bezug auf die Skala 2 einteilig versetzt werden.
Die Skala ist z. B. mit Glas gebildet und ist mit einem periodischen Skalenmuster 20 versehen, das in der X-Richtung (Messrichtung) auf einer Oberfläche vorgesehen ist. Das Skalenmuster 20 ist von einem reflektierenden Typ und enthält einen reflektierenden Abschnitt 21, der das Licht von der Lichtquelle 4 reflektiert, und einen nicht reflektierenden Abschnitt 22, der das Licht nicht reflektiert. Das Skalenmuster 20 besitzt den reflektierenden Abschnitt 21 und den nicht reflektierenden Abschnitt 22, die abwechselnd in einem vorgegebenen Abstand in der X-Richtung parallel angeordnet sind: ein sogenanntes inkrementelles Muster. Ein Sinusschwingungssignal (inkrementelles Signal) wird aus dem Licht, das über das inkrementelle Muster eintrifft, erzeugt, wobei das Licht durch den Bildaufnehmer 6 aufgenommen wird. Der optische Codierer 1 berechnet einen Betrag eines relativen Versatzes zwischen der Skala 2 und dem Kopf 3 durch Analysieren dieses Sinusschwingungssignals.
Die Lichtquelle 4 ist z. B. eine Leuchtdiode (LED). Die Lichtquelle 4 ist in einem geeigneten Winkel installiert, um das Licht zur Skala 2 abzugeben. Die Lichtquelle 4 ist nicht auf eine LED beschränkt; jede gewünschte Lichtquelle kann verwendet werden. Die Linsenanordnung 5 ist zwischen der Skala 2 und dem Bildaufnehmer 6 angeordnet. Die Linsenanordnung 5 ist z. B. mit Plastik gebildet. Die Linsenanordnung 5 enthält als die mehreren Linsen mit kleinem Durchmesser eine erste Linse 51, die auf dem Bildaufnehmer 6 ein Bild bildet, das über das Skalenmuster 20 eintrifft, und eine zweite Linse 52, die in der X-Richtung (Messrichtung) parallel zur ersten Linse 51 angeordnet ist und auf dem Bildaufnehmer 6 ein Bild bildet, das über das Skalenmuster 20 eintrifft. Zur Zweckmäßigkeit der Beschreibung werden zwei Linsen mit kleinem Durchmesser, die im Zentrum der Linsenanordnung 5 angeordnet sind, wie die erste Linse 51 und die zweite Linse 52 behandelt, jedoch können beliebige Linsen mit kleinem Durchmesser wie die erste Linse 51 und die zweite Linse 52 behandelt werden, solange die Linsen in der X-Richtung parallel angeordnet sind. Zusätzlich kann die Linsenanordnung 5 mit einem beliebigen durchsichtigen Material wie z. B. Glas statt Plastik gebildet sein.
Der Bildaufnehmer 6 enthält optische Empfänger 61, die in der X-Richtung (Messrichtung) in einem Anordnungsabstand p parallel angeordnet sind. Eine Fotodiodenanordnung (PDA) wird für die optischen Empfänger 61 verwendet. Der Bildaufnehmer 6 ist nicht auf ein PDA beschränkt und kann eine beliebige Detektionsvorrichtung wie z. B. einen positionsempfindlichen Detektor (PSD) oder eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD) verwenden. Der Bildaufnehmer 6 ist in eine +Z-Richtung (Oberseite in der Ebene des Zeichenblatts) der Linsenanordnung 5 weisend derart installiert, dass er mit der Linsenanordnung 5 überlappt. Mit anderen Worten sind die Skala 2 und der Bildaufnehmer 6 einander zugewandt derart angeordnet, dass sie mit der Linsenanordnung 5 dazwischen eingeklemmt einander überlappen.
2 ist ein Blockdiagramm, das den optischen Codierer 1 darstellt. Wie in 2 dargestellt ist, enthält der optische Codierer 1 ferner einen Rechner 7, der ein Signal berechnet, das den relativen Versatz zwischen der Skala 2 und dem Kopf 3 als Grundlage verwendet. Der Rechner 7 ist derart konfiguriert, dass er einen Signalgenerator 71, einen Analysebereichextraktor 72, einen Signalkombinierer 73 und einen Versatzbetragsrechner 74 enthält. Der Rechner 7 kann einen Mikrocomputer enthalten (ist jedoch nicht darauf beschränkt), der einen Prozessor und einen Speicher, in dem ein Anweisungssatz gespeichert ist, der durch den Prozessor ausgeführt werden kann, z. B., um die hier beschriebenen Operationen auszuführen, besitzt.
Der Signalgenerator 71 erzeugt ein entsprechendes Sinusschwingungssignal aus dem Bild, das durch die erste Linse 51 gebildet wird, und dem Bild, das durch die zweite Linse 52 gebildet wird, die durch den Bildaufnehmer 6 aufgenommen werden. Der Analysebereichextraktor 72 extrahiert ein Sinusschwingungssignal mindestens einer Periode aus dem Sinusschwingungssignal des Bilds, das durch die erste Linse 51 gebildet wird, um als ein erster Analysebereich zu dienen, und extrahiert ein Sinusschwingungssignal derselben Anzahl Perioden wie die Anzahl Perioden des ersten Analysebereichs aus dem Sinusschwingungssignals des Bilds, das durch die zweite Linse 52 gebildet wird, um als ein zweiter Analysebereich zu dienen. Ein bestimmtes Verfahren zum Extrahieren eines Analysebereichs mit dem Analysebereichextraktor 72 wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 3 bis 5B beschrieben.
Auf der Grundlage eines Abstands zwischen Bereichen (des Abstands von einem ersten Ende des ersten Analysebereichs zu einem ersten Ende des zweiten Analysebereichs) verwendet der Signalkombinierer 73 das Sinusschwingungssignal des zweiten Analysebereichs, um ein Sinusschwingungssignal, das zum ersten Ende des ersten Analysebereichs verläuft, derart zu erzeugen, dass das erzeugte Sinusschwingungssignal mit dem Sinusschwingungssignal des ersten Analysebereichs überlappt, und kombiniert das Sinusschwingungssignal des ersten Analysebereichs mit dem erzeugten Sinusschwingungssignal, das das Sinusschwingungssignal des zweiten Analysebereichs als Grundlage verwendet. Ein bestimmtes Signalkombinationsverfahren unter Verwendung des Signalkombinierers 73 wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 3 bis 5B beschrieben. Der Versatzbetragsrechner 74 berechnet den Betrag des relativen Versatzes zwischen der Skala 2 und dem Kopf 3 auf der Grundlage des Sinusschwingungssignals, das durch den Signalkombinierer 73 kombiniert wurde.
3 ist ein Ablaufplan, der ein Verfahren zum Berechnen des Betrags eines relativen Versatzes mit dem Rechner 7 des optischen Codierers 1 darstellt, und 4A bis 5B sind Graphen, die das Verfahren zum Berechnen des Betrags des relativen Versatzes unter Verwendung des Rechners 7 des optischen Codierers 1 darstellen. Die Zeichnungsbezeichnungen sind in 4 und 5 unterbrochen, jedoch stellen die Graphen (A) bis (E) den Fluss einer Signalfolge im Verfahren zum Berechnen des Betrags eines relativen Versatzes unter Verwendung des Rechners 7 dar. Im Folgenden wird ein bestimmtes Verfahren zum Berechnen des Betrags des relativen Versatzes im optischen Codierer 1 unter Bezugnahme auf 3 bis 5B beschrieben.
Zuerst wird, wie in 3 dargestellt ist, ein Signalerzeugungsschritt ausgeführt, in dem dann, wenn die optischen Empfänger 61 im Bildaufnehmer 6 ein Bild des Lichts von der Lichtquelle 4, das über die Skala 2 eintrifft, aufnehmen, der Signalgenerator 71 sowohl das Bild, das durch die erste Linse 51 gebildet wird, als auch das Bild, das durch die zweite Linse 52 gebildet wird, die durch den Bildaufnehmer 6 aufgenommen werden, verwendet, um ein entsprechendes Sinusschwingungssignal zu erzeugen (Schritt ST01). Im Signalerzeugungsschritt, der durch den Signalgenerator 71 durchgeführt wird, wird, wie in 4A dargestellt ist, ein Sinusschwingungssignal aus einem Bild erzeugt, das in einem ersten Bildaufnahmebereich h1 aufgenommen wird, der der Bereich ist, in dem eine Bildaufnahme der ersten Linse 51 möglich ist, und wird ein Sinusschwingungssignal aus einem Bild erzeugt, das im zweiten Bildaufnahmebereich h2 aufgenommen wird, der der Bereich ist, in dem eine Bildaufnahme der zweiten Linse 52 möglich ist.
Dann wird, wie in 3 und 4A dargestellt ist, ein Analysebereichsextraktionsschritt ausgeführt, in dem der Analysebereichextraktor 72 ein Zweiperiodensinusschwingungssignal aus dem Sinusschwingungssignal des Bilds für den ersten Bildaufnahmebereich h1 der ersten Linse 51 extrahiert, um als ein erster Analysebereich H1 zu dienen, und ein Sinusschwingungssignal derselben Anzahl Perioden wie die Anzahl Perioden im ersten Analysebereich H1 (d. h. ein Zweiperiodensinusschwingungssignal) aus dem Sinusschwingungssignal des Bilds für den zweiten Bildaufnahmebereich h2 der zweiten Linse 52 extrahiert, um als ein zweiter Analysebereich H2 zu dienen (Schritt ST02).
Der Analysebereichextraktor 72 extrahiert den ersten Analysebereich H1 und den zweiten Analysebereich H2 aus dem Sinusschwingungssignal des Bilds für den ersten Bildaufnahmebereich h1 der ersten Linse 51 und dem Sinusschwingungssignal des Bilds für den zweiten Bildaufnahmebereich h2 der zweiten Linse 52 derart, dass eine Periode Λ mit einer ganzen Zahl Q multipliziert wird (H1 = ΛQ und H2 = ΛQ). An diesem Punkt ist die Beziehung (erster Analysebereich H1) = (zweiter Analysebereich H2) = ΛQ erforderlich. Zusätzlich sind die optischen Empfänger 61 parallel angeordnet, derart, dass sie ein Vielfaches einer ganzen Zahl q sind, derart, dass die optischen Empfänger 61 sowohl durch eine Periode Λ als auch durch den Anordnungsabstand p teilbar sind. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der optische Codierer 1 eine Phase unter Verwendung einer Fourier-Transformation analysiert.
Dann wird ein Signalkombinationsschritt ausgeführt, in dem auf der Grundlage eines Abstands d zwischen Bereichen, der der Abstand vom ersten Ende des ersten Analysebereichs H1 (linke Seite auf dem Zeichenblatt) zum ersten Ende des zweiten Analysebereichs H2 (linke Seite auf dem Zeichenblatt) ist, wie in 4B und 4C dargestellt ist, der Signalkombinierer 73 das Sinusschwingungssignal des zweiten Analysebereichs H2 verwendet, um ein Sinusschwingungssignal (das in den Zeichnungen durch eine gestrichelte Linie angezeigt ist) zu erzeugen, das zum ersten Ende des ersten Analysebereichs H1 verläuft, derart, dass das erzeugte Sinusschwingungssignal mit dem Sinusschwingungssignal des ersten Analysebereichs H1 überlappt und, wie in 5A dargestellt ist, das Sinusschwingungssignal des ersten Analysebereichs H1 mit dem erzeugten Sinusschwingungssignal mit gestrichelter Linie, das das Sinusschwingungssignal des zweiten Analysebereichs H2 als Grundlage verwendet, kombiniert (Schritt ST03). 4B stellt eine Situation dar, in der das Sinusschwingungssignal mit gestrichelter Linie, das das Sinusschwingungssignal des zweiten Analysebereichs H2 als Grundlage verwendet, erzeugt wird, und daher sind die Positionen des ersten Analysebereichs H1 und des zweiten Analysebereichs H2 derart dargestellt, dass sie in der Vertikalrichtung in der Ebene des Zeichenblatts versetzt sind, jedoch wird tatsächlich das Sinusschwingungssignal mit gestrichelter Linie in dem Zustand erzeugt, der in 4C gezeigt ist.
Zusätzlich wird, wie in 3 dargestellt ist, ein Versatzbetragsberechnungsschritt ausgeführt, in dem der Versatzbetragsrechner 74 den Betrag eines relativen Versatzes zwischen der Skala 2 und dem Kopf 3 auf der Grundlage des kombinierten Sinusschwingungssignals aus dem Signalkombinationsschritt des Signalkombinierers 73 berechnet (Schritt ST04). Speziell dann, wenn der Signalkombinierer 73 die Sinusschwingungssignale in 5A kombiniert, verschiebt der Versatzbetragsrechner 74 den zweiten Analysebereich H2 entlang des Sinusschwingungssignals um den Betrag der Trennung zwischen den Signalen, die durch die erste Linse 51 und die zweite Linse 52 erzeugt werden (d. h., bis sich das zweite Ende des ersten Analysebereichs H1 (rechte Seite im Zeichenblatt) und das erste Ende des zweiten Analysebereichs H2 berühren), wie in 5B dargestellt ist, und berechnet den Betrag des relativen Versatzes zwischen der Skala 2 und dem Kopf 3 auf der Grundlage des Sinusschwingungssignals in einem Analysebereich H3, der den ersten Analysebereichs H1 und den zweiten Analysebereichs H2 kombiniert.
Der Signalkombinierer 73 und der Versatzbetragsrechner 74 kombinieren die zwei Sinusschwingungssignale unter Verwendung der folgenden Formel, die eine Fourier-Transformation ist, und berechnen den Betrag des relativen Versatzes zwischen der Skala 2 und dem Kopf 3. Speziell dann, wenn ein Punkt am ersten Ende des ersten Analysebereichs H1 als n = 1 definiert ist, ein Punkt am m zweiten Ende des ersten Analysebereichs H1 als n = m definiert ist, ein Punkt am ersten Ende des zweiten Analysebereichs H2 als n = m + 1 definiert ist, ein Punkt am zweiten Ende des zweiten Analysebereichs H2 als n = N definiert ist, eine Signalstärke des n-ten Punkts als yn definiert ist, eine Periode, die im ersten Analysebereich H1 und im zweiten Analysebereich H2 enthalten ist, als Λ definiert ist, der Abstand zwischen Bereichen als d definiert ist, der Anordnungsabstand der optischen Empfänger 61 als p definiert ist und die Phase als Φ definiert ist, werden die Signale unter Verwendung von Formel (1) kombiniert und der Betrag des relativen Versatzes zwischen der Skala 2 und dem Kopf 3 wird berechnet.
[Formel 1] $Φ = arg [\sum_{n = 1}^{m} y_{n} e^{i 2 π \frac{pn}{Λ}} + \sum_{n = m + 1}^{N} y_{n} e^{i 2 π \frac{pn}{Λ}} e^{- i 2 π \frac{d}{Λ}}]$
Selbst dann, wenn kein Sinusschwingungssignal zum Suchen einer Phase erhalten werden kann, können lediglich durch Isolieren der Sinusschwingungssingale, die auf diese Weise durch die erste Linse 51 und die zweite Linse 52 unter Verwendung des Rechners 7 erzeugt wurden, und einfaches Addieren der isolierten Sinusschwingungssignale unter Verwendung der entsprechenden Eigenschaften der ersten Linse 51 und der zweiten Linse 52 die zwei isolierten Signale kombiniert und korrigiert und außerdem durch den Signalkombinierer 73 interpoliert werden, und deshalb kann der Betrag des relativen Versatzes zwischen der Skala 2 und dem Kopf 3 mit einem hohen Genauigkeitsgrad berechnet werden.
Auf diese Weise können gemäß der vorliegenden Ausführungsform die folgenden Wirkungen und Vorteile erzielt werden:

(1) Im Rechner 7 wird auf der Grundlage des Abstands d zwischen Bereichen und unter Verwendung des Signalkombinierers 73 ein Sinusschwingungssignal, das zum ersten Ende des ersten Analysebereichs H1 verläuft, aus dem Sinusschwingungssignal des zweiten Analysebereichs H2 derart erzeugt, dass das erzeugte Sinusschwingungssignal mit dem Sinusschwingungssignal des ersten Analysebereichs H1 überlappt, und das Sinusschwingungssignal des ersten Analysebereichs H1 wird mit dem erzeugten Sinusschwingungssignal, das das Sinusschwingungssignal des zweiten Analysebereichs H2 als Grundlage verwendet, kombiniert. Unter Verwendung des Versatzbetragsrechners 74 wird der Betrag des relativen Versatzes zwischen der Skala 2 und dem Kopf 3 auf der Grundlage des Sinusschwingungssignals, das durch den Signalkombinierer 73 kombiniert wird, berechnet. Deshalb kann ein Signal für ein Bild, das an der Grenze zwischen der ersten Linse 51 und der zweiten Linse 52, die die mehreren Linsen mit kleinem Durchmesser der Linsenanordnung 5 sind, nicht gebildet wird, ohne jegliche komplizierte Berechnungen oder Korrekturen interpoliert werden. Entsprechend kann der optische Codierer 1 den Betrag des relativen Versatzes zwischen der Skala 2 und dem Kopf 3 mit einem hohen Genauigkeitsgrad berechnen, selbst wenn die Linsenanordnung 5 verwendet wird.
(2) Der Analysebereichextraktor 72 führt eine Extraktion im ersten Analysebereich H1 bzw. im zweiten Analysebereich H2 derart durch, dass eine Periode Λ des Sinusschwingungssignals mit der ganzen Zahl Q multipliziert wird, und die optischen Empfänger 61 sind derart parallel angeordnet, dass sie ein Vielfaches der ganzen Zahl q sind, derart, dass die optischen Empfänger 61 sowohl durch eine Periode Λ als auch den Anordnungsabstand p teilbar sind. Deshalb kann eine Fourier-Transformation zum Analysieren einer Phase verwendet werden. Entsprechend kann der optische Codierer 1 eine Phase unter Verwendung einer Fourier-Transformation mit einem hohen Genauigkeitsgrad analysieren, selbst wenn die Linsenanordnung 5 verwendet wird.
(3) Der Rechner 7 kann den Betrag des relativen Versatzes zwischen der Skala 2 und dem Kopf 3 unter Verwendung von Formel (1) berechnen und deshalb kann die vorliegende Erfindung einfach z. B. an einem Mikrocomputer montiert werden.
(4) Im Rechner 7 wird im Signalkombinationsschritt auf der Grundlage des Abstands d zwischen Bereichen ein Sinusschwingungssignal, das zum ersten Ende des ersten Analysebereichs H1 verläuft, aus dem Sinusschwingungssignal des zweiten Analysebereichs H2 derart erzeugt, dass das erzeugte Sinusschwingungssignal mit dem Sinusschwingungssignal des ersten Analysebereichs H1 überlappt, und das Sinusschwingungssignal des ersten Analysebereichs H1 wird mit dem erzeugten Sinusschwingungssignal, das das Sinusschwingungssignal des zweiten Analysebereichs H2 als Grundlage verwendet, kombiniert und im Versatzbetragsberechnungsschritt wird der Betrag des relativen Versatzes zwischen der Skala 2 und dem Kopf 3 auf der Grundlage des kombinierten Sinusschwingungssignals berechnet. Deshalb kann ein Signal für ein Bild, das an der Grenze zwischen der ersten Linse 51 und der zweiten Linse 52 nicht gebildet wird, ohne jegliche komplizierte Berechnungen oder Korrekturen interpoliert werden. Entsprechend kann das Berechnungsverfahren für den optischen Codierer 1 den Betrag des relativen Versatzes zwischen der Skala 2 und dem Kopf 3 mit einem hohen Genauigkeitsgrad berechnen, selbst wenn der optische Codierer 1 die Linsenanordnung 5 verwendet.

Änderungen
Außerdem ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt und enthält Änderungen und Verbesserungen in einem Umfang, der die Vorteile der vorliegenden Erfindung erzielen kann. Zum Beispiel wird in der oben beschriebenen Ausführungsform der optische Codierer 1 in einer linearen Skala verwendet, die als eine Messvorrichtung dient, jedoch kann der optische Codierer auch in einer weiteren Messvorrichtung wie z. B. einer Messuhr (Prüfindikator) oder einem Mikrometer verwendet werden. Das heißt, dass ein optischer Codierer hinsichtlich der Form, des Verfahrens oder dergleichen der Messvorrichtung, in der er verwendet wird, nicht besonders beschränkt ist und auch in weiteren Messvorrichtungen oder dergleichen verwendet werden kann. Der optische Codierer der vorliegenden Erfindung ist dahingehend, woran er montiert werden kann, nicht besonders beschränkt. Zusätzlich kann der optische Codierer in einer Vorrichtung außer einer Messvorrichtung wie z. B. einem Sensor verwendet werden.
In der Ausführungsform, die oben beschrieben wird, ist der optische Codierer 1 ein Lineargeber, jedoch kann der optische Codierer auch ein Drehgeber sein. Zusätzlich enthält in der oben beschriebenen Ausführungsform der Bildaufnehmer 6 die optischen Empfänger 61, jedoch muss ein Bildaufnehmer keinen optischen Empfänger enthalten. Eine beliebige Komponente kann verwendet werden, solange das Licht von der Lichtquelle, das über die Skala eintrifft, aufgenommen werden kann. In der oben beschriebenen Ausführungsform ist der Rechner 7 z. B. ein Mikrocomputer, jedoch muss der Rechner kein Mikrocomputer sein und kann stattdessen z. B. ein Personal Computer sein, der extern verbunden ist. Der Rechner kann durch eine beliebige Komponente konfiguriert sein, solange die Komponente Berechnungen durchführen kann.
In der oben beschriebenen Ausführungsform führt der Analysebereichextraktor 72 den Analysebereichsextraktionsschritt aus, in dem ein Zweiperiodensinusschwingungssignal aus dem Sinusschwingungssignal des Bilds für den ersten Bildaufnahmebereich h1 der ersten Linse 51 extrahiert wird, um als der erste Analysebereich H1 zu dienen, und ein Zweiperiodensinusschwingungssignal entsprechend aus dem Sinusschwingungssignal des Bilds für den zweiten Bildaufnahmebereich h2 der zweiten Linse 52 extrahiert wird, um als der zweite Analysebereich H2 zu dienen. Allerdings muss ein Analysebereichextraktor kein Zweiperiodensinusschwingungssignal als einen ersten Analysebereich und einen zweiten Analysebereich festlegen und kann ein Sinusschwingungssignal mindestens einer Periode als den ersten Analysebereich und den zweiten Analysebereich extrahieren. Das heißt, der Analysebereichextraktor kann ein Sinusschwingungssignal mindestens einer Periode aus dem Sinusschwingungssignal des Bilds, das durch die erste Linse gebildet wird, extrahieren, um als der erste Analysebereich zu dienen, und kann ein Sinusschwingungssignal derselben Anzahl Perioden wie die Anzahl Perioden des ersten Analysebereichs aus dem Sinusschwingungssignal des Bilds, das durch die zweite Linse gebildet wird, extrahieren, um als der zweite Analysebereich zu dienen.
In der oben beschriebenen Ausführungsform ist in 4A bis 5B der erste Analysebereich H1 auf der linken Seite des Zeichenblatts gezeigt und ist der zweite Analyseberiech H2 auf der rechten Seite gezeigt, jedoch kann die linke Seite des Zeichenblatts als der zweite Analysebereich H2 behandelt werden und kann die rechte Seite des Zeichenblatts als der erste Analysebereich H1 behandelt werden. Außerdem verwendet der Signalkombinierer 73 auf der Grundlage eines Abstands d zwischen Bereichen, der der Abstand vom ersten Ende des ersten Analysebereichs H1 (linke Seite auf dem Zeichenblatt) zum ersten Ende des zweiten Analysebereichs H2 (linke Seite auf dem Zeichenblatt) ist, wie in 4B und 4C dargestellt ist, das Sinusschwingungssignal des zweiten Analysebereichs H2, um ein Sinusschwingungssignal (das in den Zeichnungen durch eine gestrichelte Linie angezeigt ist), das zum ersten Ende des ersten Analysebereichs H1 verläuft, derart zu erzeugen, dass das erzeugte Sinusschwingungssignal mit dem Sinusschwingungssignal des ersten Analysebereichs H1 überlappt. Allerdings kann, solange das Sinusschwingungssignal des zweiten Analysebereichs verwendet werden kann, um ein Sinusschwingungssignal, das zum ersten Ende des ersten Analysebereichs verläuft, derart zu erzeugen, dass es mit dem Sinusschwingungssignal des ersten Analysebereichs überlappt, entweder die linke oder die rechte Richtung des Zeichenblatts als das erste Ende behandelt werden.
In der oben beschriebenen Ausführungsform verwenden der Signalkombinierer 73 und der Versatzbetragsrechner 74 Formel (1), um zwei Sinusschwingungssignale (das Sinusschwingungssignal des ersten Analysebereichs H1, das mittels der ersten Linse 51 erfasst wird, und das Sinusschwingungssignal des zweiten Analysebereichs H2, das mittels der zweiten Linse 52 erfasst wird) zu kombinieren und den Betrag des relativen Versatzes zwischen der Skala 2 und dem Kopf 3 zu berechnen. Allerdings kann ferner eine dritte Linsenanordnung, die zur zweiten Linse 52 in der X-Richtung (Messrichtung) parallel angeordnet ist und ein Bild bildet, das über das Skalenmuster auf dem Bildaufnehmer 6 eintrifft, vorgesehen sein und der Signalkombinierer 73 und der Versatzbetragsrechner 74 können drei Sinusschwingungssignale unter Verwendung des Sinusschwingungssignals eines dritten Analysebereichs, das über die dritte Linse erfasst wird, kombinieren und den Betrag des relativen Versatzes zwischen der Skala und dem Kopf berechnen. In einem derartigen Fall muss aufgrund des dritten Sinusschwingungssignals ein dritter Ausdruck ähnlich dem zweiten Ausdruck von Formel (1) verwendet werden und der Abstand zwischen Bereichen ist nicht der Abstand vom ersten Ende des ersten Analysebereichs H1 zum ersten Ende des zweiten Analysebereichs H2, sondern muss vielmehr als ein Abstand d' zwischen Bereichen vom ersten Ende des zweiten Analysebereichs H2 zum ersten Ende des dritten Analysebereichs berechnet werden. Das heißt, der Signalkombinierer ist nicht auf zwei Sinusschwingungssignale beschränkt, sondern kann Signale für Sinusschwingungssignale kombinieren, die gemäß der Anzahl der mehreren Linsen mit kleinem Durchmesser, die in der Linsenanordnung vorhanden sind, erzeugt werden.
Außerdem führen der Signalkombinierer 73 und der Versatzbetragsrechner 74 eine Kombination unter Verwendung von Formel (1), die eine Fourier-Transformation ist, durch und berechnen den Betrag des relativen Versatzes zwischen der Skala 2 und dem Kopf 3. Allerdings ist das Verwenden von Formel (1) oder einer weiteren Fourier-Transformation nicht erforderlich, um die Berechnung durchzuführen, und die Berechnung kann mit einem weiteren Verfahren durchgeführt werden. Das heißt, der Signalkombinierer kann auf der Grundlage des Abstands zwischen Bereichen, der der Abstand vom ersten Ende des ersten Analysebereichs zum ersten Ende des zweiten Analysebereichs ist, das Sinusschwingungssignals des zweiten Analysebereichs verwenden, um ein Sinusschwingungssignal, das zum ersten Ende des ersten Analysebereichs verläuft, derart zu erzeugen, dass das erzeugte Sinusschwingungssignal mit dem Sinusschwingungssignal des ersten Analysebereichs überlappt, und kann das Sinusschwingungssignal des ersten Analysebereichs und das Sinusschwingungssignal, das das erzeugte Sinusschwingungssignal des zweiten Analysebereichs als Grundlage verwendet, kombinieren. Der Versatzbetragsrechner kann den Betrag des relativen Versatzes zwischen der Skala und dem Kopf auf der Grundlage des Sinusschwingungssignals, das durch den Signalkombinierer kombiniert wird, berechnen.
6A und 6B sind perspektivische Ansichten optischer Codierer gemäß Änderungen. Speziell ist 6A eine perspektivische Ansicht eines optischen Codierers 1A gemäß einer ersten Änderung und ist 6B eine perspektivische Ansicht eines optischen Codierers 1B gemäß einer zweiten Änderung. In der oben beschriebenen Ausführungsform enthält die Skala 2 des optischen Codierers 1 das Skalenmuster 20 des reflektierenden Typs.
In der ersten Änderung unterscheidet sich eine Skala 2A des optischen Codierers 1A von der oben beschriebenen Ausführungsform dahingehend, dass die Skala 2A ein Skalenmuster 20A des durchsichtigen Typs besitzt, wie in 6A dargestellt ist. Das Skalenmuster 20 enthält einen durchsichtigen Abschnitt 21A, durch den Licht von der Lichtquelle 4 verläuft, und einen nicht durchsichtigen Abschnitt 22, durch den Licht nicht verläuft, und der optische Codierer 1A berechnet den Betrag des relativen Versatzes zwischen der Skala und dem Kopf durch Analysieren des Sinusschwingungssignals, das durch das Licht, das über das Skalenmuster 20A eintrifft, ähnlich zu dem Fall, in dem das Skalenmuster von einem reflektierenden Typ ist, erzeugt wird. Dadurch kann selbst dann, wenn der optische Codierer 1A ein Skalenmuster des durchsichtigen Typs besitzt, der optische Codierer 1A unter Verwendung der Linsenanordnung 5 kleiner gestaltet werden und kann außerdem den Betrag des relativen Versatzes zwischen der Skala 2A und dem Kopf 3 mit einem hohen Genauigkeitsgrad berechnen.
In der zweiten Änderung unterscheidet sich der optische Codierer 1B, wie in 6B dargestellt ist, von der ersten Änderung dahingehend, dass der optische Codierer 1B ferner eine reflektierende Komponente 10 enthält, die das Licht von der Lichtquelle 4 reflektiert. Die reflektierende Komponente 10 ist z. B. ein Spiegel, kann jedoch eine beliebige Komponente sein, die Licht von der Lichtquelle 4 zur Skala 2A reflektieren kann. Entsprechend kann die Position der Lichtquelle 4 im optischen Codierer 1B frei entworfen werden und deshalb kann der Freiheitsgrad beim Entwerfen des optischen Codierers 1B erhöht werden.
Wie oben erwähnt kann die vorliegende Erfindung in einem optischen Codierer, der eine Linsenanordnung enthält, und in einem Berechnungsverfahren für den optischen Codierer vorteilhaft verwendet werden.
Es ist festzuhalten, dass die vorhergehenden Beispiele lediglich zum Zweck der Erläuterung bereitgestellt wurden und auf keine Weise die vorliegende Erfindung einschränkend ausgelegt werden sollen. Während die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht es sich, dass die Worte, die hier verwendet worden sind, Worte der Beschreibung und Veranschaulichung sind, statt Worte der Beschränkung. Änderungen können im Bereich der beigefügten Ansprüche, wie sie gegenwärtig angegeben sind und ergänzt wurden, vorgenommen werden, ohne vom Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung in ihren Aspekten abzuweichen. Obwohl die vorliegende Erfindung hier unter Bezugnahme auf bestimmte Strukturen, Materialien und Ausführungsformen beschrieben worden ist, ist nicht beabsichtigt, die vorliegende Erfindung auf die Einzelheiten, die hier offenbart werden, zu beschränken; vielmehr erstreckt sich die vorliegende Erfindung auf alle funktionstechnisch gleichwertigen Strukturen, Verfahren und Anwendungen, die im Umfang der beigefügten Ansprüche liegen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und verschiedene Variationen und Änderungen können möglich sein, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims

Optischer Codierer (1), der Folgendes umfasst: eine Skala (2), die ein periodisches Skalenmuster (20) besitzt, das in einer Messrichtung vorgesehen ist; einen Kopf (3), der der Skala (2) zugewandt ist und in der Messrichtung in Bezug auf die Skala (2) versetzt wird, wobei der Kopf (3) Folgendes umfasst: eine Lichtquelle (4), die Licht zur Skala (2) abstrahlt; einen Bildaufnehmer (6), der ein Bild des Lichts von der Lichtquelle (4), das über die Skala (2) eintrifft, aufnimmt; und eine Linsenanordnung (5), die zwischen der Skala (2) und dem Bildaufnehmer (6) angeordnet ist, wobei die Linsenanordnung (5) Folgendes umfasst: eine erste Linse (51), die ein Bild bildet, das über das Skalenmuster (20) auf dem Bildaufnehmer (6) eintrifft; und eine zweite Linse (52), die in der Messrichtung parallel zur ersten Linse (51) angeordnet ist und die ein Bild bildet, das über das Skalenmuster (20) auf dem Bildaufnehmer (6) eintrifft; und einen Rechner (7), der ein Signal auf Grundlage des relativen Versatzes zwischen der Skala (2) und dem Kopf (3) berechnet, wobei der Rechner (7) einen Prozessor und einen Speicher, in dem ein Satz ausführbarer Anweisungen gespeichert ist, umfasst, wobei der Rechner (7) aufgrund einer Ausführung der ausführbaren Anweisungen durch den Prozessor als Folgendes arbeitet: ein Signalgenerator (71), der ein entsprechendes Sinusschwingungssignal aus dem Bild, das durch die erste Linse (51) gebildet wird, und dem Bild, das durch die zweite Linse (52) gebildet wird, die durch den Bildaufnehmer (6) aufgenommen werden, erzeugt; ein Analysebereichextraktor (72), der ein Sinusschwingungssignal mindestens einer Periode aus dem Sinusschwingungssignal des Bilds, das durch die erste Linse (51) gebildet wird, extrahiert, um als ein erster Analysebereich zu dienen, und ein Sinusschwingungssignal derselben Anzahl Perioden wie die Anzahl Perioden des ersten Analysebereichs aus dem Sinusschwingungssignal des Bilds, das durch die zweite Linse (52) gebildet wird, extrahiert, um als ein zweiter Analysebereich zu dienen; ein Signalkombinierer (73), der auf Grundlage eines Abstands zwischen Bereichen, der der Abstand von einem ersten Ende des ersten Analysebereichs zu einem ersten Ende des zweiten Analysebereichs ist, das Sinusschwingungssignal des zweiten Analysebereichs verwendet, um ein Sinusschwingungssignal zu erzeugen, das zum ersten Ende des ersten Analysebereichs verläuft, derart, dass das erzeugte Sinusschwingungssignal mit dem Sinusschwingungssignal des ersten Analysebereichs überlappt, und das Sinusschwingungssignal des ersten Analysebereichs mit dem erzeugten Sinusschwingungssignal, das das Sinusschwingungssignal des zweiten Analysebereichs als Grundlage verwendet, kombiniert; und ein Versatzbetragsrechner (74), der einen Betrag eines relativen Versatzes zwischen der Skala (2) und dem Kopf (3) auf Grundlage des Sinusschwingungssignals, das durch den Signalkombinierer (73) kombiniert wird, berechnet, wobei der Bildaufnehmer (6) optische Empfänger (61) umfasst, die parallel in der Messrichtung in einem Anordnungsabstand p angeordnet sind, der Analysebereichextraktor (72) den ersten Analysebereich und den zweiten Analysebereich aus dem Sinusschwingungssignal des Bilds, das durch die erste Linse (51) gebildet wird, und dem Sinusschwingungssignal des Bilds, das durch die zweite Linse (52) gebildet wird, derart extrahiert, dass eine Periode Λ mit einer ganzen Zahl Q multipliziert wird, und die optischen Empfänger (61) derart parallel angeordnet sind, dass sie ein Vielfaches einer ganzen Zahl q sind, derart, dass die optischen Empfänger (61) sowohl durch die Periode Λ als auch den Anordnungsabstand p teilbar sind, wobei dann, wenn ein Punkt am ersten Ende des ersten Analysebereichs als n = 1 definiert ist, ein Punkt an einem zweiten Ende des ersten Analysebereichs als n = m definiert ist, ein Punkt am ersten Ende des zweiten Analysebereichs als n = m + 1 definiert ist, ein Punkt an einem zweiten Ende des zweiten Analysebereichs als n = N definiert ist, eine Signalstärke eines n-ten Punkts als yn definiert ist, die Periode, die im ersten Analysebereich und im zweiten Analysebereich enthalten ist, als Λ definiert ist, der Abstand zwischen Bereichen als d definiert ist, der Anordnungsabstand der optischen Empfänger (61) als p definiert ist und eine Phase als Φ definiert ist, der Signalkombinierer (73) und der Versatzbetragsrechner (74) die Signale unter Verwendung von Formel (1) $Φ = arg [\sum_{n = 1}^{m} y_{n} e^{i 2 π \frac{pn}{Λ}} + \sum_{n = m + 1}^{N} y_{n} e^{i 2 π \frac{pn}{Λ}} e^{- i 2 π \frac{d}{Λ}}]$
kombinieren und den Betrag des relativen Versatzes zwischen der Skala (2) und dem Kopf (3) berechnen.
Berechnungsverfahren für einen optischen Codierer (1), der eine Skala (2), die ein periodisches Skalenmuster (20) besitzt, das in einer Messrichtung vorgesehen ist, einen Kopf (3), der der Skala (2) zugewandt ist und in der Messrichtung in Bezug auf die Skala (2) versetzt wird, enthält, wobei der Kopf (3) eine Lichtquelle (4), die Licht zur Skala (2) abstrahlt, einen Bildaufnehmer (6), der ein Bild des Lichts von der Lichtquelle (4), das über die Skala (2) eintrifft, aufnimmt, und eine Linsenanordnung (5), die zwischen der Skala (2) und dem Bildaufnehmer (6) angeordnet ist, enthält und die Linsenanordnung (5) eine erste Linse (51), die ein Bild bildet, das über das Skalenmuster (20) auf dem Bildaufnehmer (6) eintrifft und eine zweite Linse (52), die in der Messrichtung parallel zur ersten Linse (51) angeordnet ist und die ein Bild bildet, das über das Skalenmuster (20) auf dem Bildaufnehmer (6) eintrifft, enthält, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Erzeugen eines entsprechenden Sinusschwingungssignals aus dem Bild, das durch die erste Linse (51) gebildet wird, und dem Bild, das durch die zweite Linse (52) gebildet wird, die durch den Bildaufnehmer (6) aufgenommen werden; Extrahieren eines Sinusschwingungssignals mindestens einer Periode aus dem Sinusschwingungssignal des Bilds, das durch die erste Linse (51) gebildet wird, um als ein erster Analysebereich zu dienen, Extrahieren eines Sinusschwingungssignals derselben Anzahl Perioden wie die Anzahl Perioden des ersten Analysebereichs aus dem Sinusschwingungssignal des Bilds, das durch die zweite Linse (52) gebildet wird, um als ein zweiter Analysebereich zu dienen; Verwenden auf Grundlage eines Abstands zwischen Bereichen, der der Abstand von einem ersten Ende des ersten Analysebereichs zu einem ersten Ende des zweiten Analysebereichs ist, des Sinusschwingungssignals des zweiten Analysebereichs, um ein Sinusschwingungssignal zu erzeugen, das zum ersten Ende des ersten Analysebereichs verläuft, derart, dass das erzeugte Sinusschwingungssignal mit dem Sinusschwingungssignal des ersten Analysebereichs überlappt; Kombinieren des Sinusschwingungssignals des ersten Analysebereichs mit dem erzeugten Sinusschwingungssignal, das das Sinusschwingungssignal des zweiten Analysebereichs als Grundlage verwendet; und Berechnen eines Betrags eines relativen Versatzes zwischen der Skala (2) und dem Kopf (3) auf Grundlage des kombinierten Sinusschwingungssignals, wobei der Bildaufnehmer (6) optische Empfänger (61) umfasst, die parallel in der Messrichtung in einem Anordnungsabstand p angeordnet sind, der Analysebereichextraktor (72) den ersten Analysebereich und den zweiten Analysebereich aus dem Sinusschwingungssignal des Bilds, das durch die erste Linse (51) gebildet wird, und dem Sinusschwingungssignal des Bilds, das durch die zweite Linse (52) gebildet wird, derart extrahiert, dass eine Periode Λ mit einer ganzen Zahl Q multipliziert wird, und die optischen Empfänger (61) derart parallel angeordnet sind, dass sie ein Vielfaches einer ganzen Zahl q sind, derart, dass die optischen Empfänger (61) sowohl durch die Periode Λ als auch den Anordnungsabstand p teilbar sind, wobei dann, wenn ein Punkt am ersten Ende des ersten Analysebereichs als n = 1 definiert ist, ein Punkt an einem zweiten Ende des ersten Analysebereichs als n = m definiert ist, ein Punkt am ersten Ende des zweiten Analysebereichs als n = m + 1 definiert ist, ein Punkt an einem zweiten Ende des zweiten Analysebereichs als n = N definiert ist, eine Signalstärke eines n-ten Punkts als yn definiert ist, die Periode, die im ersten Analysebereich und im zweiten Analysebereich enthalten ist, als Λ definiert ist, der Abstand zwischen Bereichen als d definiert ist, der Anordnungsabstand der optischen Empfänger (61) als p definiert ist und eine Phase als Φ definiert ist, der Signalkombinierer (73) und der Versatzbetragsrechner (74) die Signale unter Verwendung von Formel (1) $Φ = arg [\sum_{n = 1}^{m} y_{n} e^{i 2 π \frac{pn}{Λ}} + \sum_{n = m + 1}^{N} y_{n} e^{i 2 π \frac{pn}{Λ}} e^{- i 2 π \frac{d}{Λ}}]$
kombinieren und den Betrag des relativen Versatzes zwischen der Skala (2) und dem Kopf (3) berechnen.