DE102023129547A1

DE102023129547A1 - Optischer Encoder

Info

Publication number: DE102023129547A1
Application number: DE102023129547.0A
Authority: DE
Inventors: Akihide Kimrua; Kimitoshi ONO; Keitaro Koyatsu
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2022-11-24
Filing date: 2023-10-26
Publication date: 2024-05-29
Also published as: CN118067163A; US20240175729A1

Abstract

Bereitgestellt wird ein optischer Encoder, der die Auswirkungen von unerwünschtem Licht reduzieren kann, das durch ein optisches Element, wie beispielsweise eine Apertur bzw. Blende, verursacht werden kann. Der optische Encoder umfasst: eine Skala mit einem Skalengitter, das mit einer vorbestimmten Periode entlang einer Messrichtung angeordnet ist; eine Lichtquelle, die Licht emittiert; und Lichtempfangsmittel, das Licht empfängt, das durch die Skala getreten ist. Der optische Encoder umfasst zudem eine Abschirmplatte, die die Strahlform formt, die die Form des von der Lichtquelle emittierten Lichts ist. Die Abschirmplatte ist zwischen der Lichtquelle und der Skala angeordnet, formt die Strahlform, die die Form des von der Lichtquelle emittierten Lichts ist, und definiert die Strahlform so, dass die Form eines Konturabschnitts langer Länge und die Form einer Seitensektion langer Länge keine Korrelation zueinander aufweisen, wobei der Konturabschnitt langer Länge ein Abschnitt der Strahlform ist, der sich in der Messrichtung an der Kontur der Strahlform des Lichts von der Lichtquelle erstreckt, das über die Skala an das Lichtempfangsmittel emittiert wird, und die Seitensektion langer Länge eine Sektion des Lichtempfangsmittels ist, die sich in der Messrichtung an der Kontur des Lichtempfangsmittels erstreckt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Encoder zum Messen einer relativen Verlagerung bzw. Verschiebung zwischen einem Kopf und einer Skala.
BESCHREIBUNG DER VERWANDTEN TECHNIK
Optische Encoder, die ein Verfahren zum Detektieren von Phasenänderungen in Interferenzstreifen entsprechend der Verschiebung verwenden, wurden herkömmlicherweise realisiert (siehe beispielsweise die japanische Patentanmeldung Nr. 2008-32530 ).
8 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel der herkömmlichen Konfiguration eines solchen optischen Encoders 100 zeigt.
Wie in 8 gezeigt, wird von einer Lichtquelle 200 emittiertes Laserlicht durch eine Kollimatorlinse L0 kollimiert. Anschließend wird der Lichtstrahl durch eine Blende bzw. Apertur 300, die ein in den optischen Weg bzw. Strahlengang eingefügtes Strahlformungselement ist, in seiner Größe und Form begrenzt, und der Lichtstrahl tritt nach Reflexion an einem Spiegel M in eine Skala 400 ein. Der Lichtstrahl, der in die Skala 400 eingetreten ist, wird in zwei Beugungslichtstrahlen aufgespalten bzw. abgezweigt, die jeweils in ein Indexgitter 500 eingekoppelt werden. Die beiden Lichtstrahlen werden mittels des Indexgitters 500 erneut gebeugt und erneut in die Richtungen umgelenkt, entlang derer sich die beiden Strahlen treffen. Dann werden Interferenzstreifen in dem Raum gebildet, in dem sich die beiden Strahlen überlappen. Lichtempfangsmittel 600, das mit Elementreihen 710 von Lichtempfangselementen 700 versehen ist, ist an der Position angeordnet, an der die Interferenzstreifen gebildet werden (siehe 9). Die Lichtquelle 200, die Blende 300, der Spiegel M, das Indexgitter 500 und das Lichtempfangsmittel 600 sind in einem Kopf 101 bereitgestellt. Der Kopf 101 ermöglicht, dass diese Konfigurationen zusammen relativ zu der Skala 400 hin- und her bewegt werden Der optische Encoder 100 bestimmt den Betrag der Verschiebung unter Verwendung der Elementreihen 710 (siehe 9), um die Phasenänderungen in den Interferenzstreifen zu detektieren, die mit der Änderung der relativen Position zwischen dem Kopf 101 und der Skala 400 verknüpft sind.
9 ist ein Diagramm, das ein herkömmliches Lichtempfangsmittel 600 zeigt. Insbesondere zeigt 9 das Lichtempfangsmittel 600 zusammen mit einem Lichtinterferenzmuster p, das aus der Beugung an der Blende des in die Lichtempfangsmittel 600 emittierten Lichtstrahls resultiert. Das Lichtempfangsmittel 600 ist mit mehreren Elementreihen 710 versehen. Jede Elementreihe 710 ist mit mehreren Lichtempfangselementen 700 versehen, die entlang der Messrichtung mit einem Abstand angeordnet sind, der gleich der Periode der Interferenzstreifen ist, die durch Beugung an Skala und Indexgitter erzeugt werden. Die Elementreihen 710 sind in einer Richtung (Y-Richtung) orthogonal zu der Messrichtung (X-Richtung) an bzw. auf einer Lichtempfangsfläche bzw. -oberfläche des Lichtempfangsmittels 600 angeordnet. Zudem sind die Elementreihen 710 entlang der Messrichtung (X-Richtung) versetzt. Insbesondere enthält das Lichtempfangsmittel 600: eine A-Phase-Elementreihe 711 zum Detektieren eines A-Phase-Signals; eine B-Phase-Elementreihe 712 zum Detektieren eines B-Phase-Signals; eine AB-Phase-Elementreihe 713 zum Detektieren eines AB-Phase-Signals; und eine BB-Phase-Elementreihe 714 zum Detektieren eines BB-Phase-Signals, und somit detektiert es Vierphasensignale. In Bezug auf die A-Phase-Elementreihe 711 ist die B-Phase-Elementreihe 712 in der Messrichtung (X-Richtung) so versetzt, dass sie eine Phasendifferenz von 90° aufweist, die AB-Phase-Elementreihe 713 ist so versetzt, dass sie eine Phasendifferenz von 180° aufweist, und die BB-Phase-Elementreihe 714 ist so versetzt, dass sie eine Phasendifferenz von 270° aufweist. Durch Anordnen mehrerer Sätze von Elementreihen 710 für solche vier Phasen (im Folgenden als „Elementreihengruppen“ bezeichnet) in der orthogonalen Richtung werden, selbst wenn es Schwankungen bei der Lichtintensität innerhalb des in das Lichtempfangsmittel 600 emittierten Strahls gibt, die Schwankungen der Signalintensitäten der jeweiligen Phasen durch Mittelung der Intensitäten des empfangenen Lichts zwischen den mehreren Sätzen von Elementzeilengruppen abgeschwächt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
Bei dem auf diese Weise konfigurierten optischen Encoder 100 kann unerwünschtes Licht, beispielsweise Streulicht, das durch einen unbeabsichtigten optischen Weg bzw. Strahlengang getreten ist, oder Beugungslicht höherer Ordnung in die Lichtempfangsfläche 610 des Lichtempfangsmittels 600 eindringen. Die Blende 300 (siehe 8) ist ein Strahlformungselement mit einer in einer Abschirmplatte bzw. einem Abschirmblech bereitgestellten Öffnung und begrenzt die Größe und Form des Lichtstrahls dahingehend, dass er so klein wie möglich ist, um ein solches unerwünschtes Licht am Eintritt zu hindern. Genauer gesagt sind die minimal erforderliche Form und Größe des Lichtstrahls zwar die gleiche wie die eines Lichtempfangsbereichs 620 (der Bereich, wo die Lichtempfangselemente 700 ausgebildet sind) in das Lichtempfangsmittel 600, aber die tatsächliche Form und die Größe des Lichtstrahls werden so eingestellt bzw. festgelegt, dass sie die oben beschriebene minimal erforderliche Form und Größe plus des für die Montage bzw. Anordnung des optischen Encoders 100 erforderlichen Spielraums, die Verarbeitungsgenauigkeit und den aufgrund der Einschränkung des Verarbeitungsprozesses erforderlichen Platzbedarf der in der Abschirmplatte bereitzustellenden Öffnung aufweisen.
10A ist ein schematisches Diagramm, das eine herkömmliche Blende bzw. Apertur 300 zeigt. Die Blende 300 weist beispielsweise eine Öffnung 310 mit der Form eines Langlochs auf (eines Durchgangslochs mit der Form, bei der die kurzen Seiten eines Rechtecks durch Halbkreisbögen ersetzt sind), wie in 10 A gezeigt. Das durch eine solche Blende 300 begrenzte Licht wird zu einem Lichtstrahl mit einer Form, die im Wesentlichen gleich zu derjenigen der Öffnung 310 ist, und tritt mittels einer Skala 400 oder dergleichen in das Lichtempfangsmittel 600 ein (siehe 8). Zu diesem Zeitpunkt tritt der Lichtstrahl in das Lichtempfangsmittel 600 ein, sodass ein rechteckiger Abschnitt an der Mitte des Lichtstrahls den Lichtempfangsbereich 620 in dem Lichtempfangsmittel 600 abdeckt.
Mit Ausnahme der von dem Beugungsgitter erzeugten Interferenzstreifen, die zum Bestimmen des Verschiebungsbetrags erforderlich sind, ist es wünschenswert, dass die Lichtintensität innerhalb des Lichtstrahls, der in das Lichtempfangsmittel 600 eintritt, im Wesentlichen gleichmäßig bzw. einheitlich ist. Wenn jedoch das Licht von der Lichtquelle 200 (siehe 8) durch die Öffnung 300 tritt, tritt an dem Rand bzw. der Kante 320 der Öffnung 310 ein Beugungsphänomen auf, und somit können unerwünschte und regelmäßige Lichtinterferenzmuster an der Lichtempfangsfläche 610 des Lichtempfangsmittels 600 gebildet werden.
10B ist ein Diagramm, das ein Beispiel des Lichtinterferenzmusters p zeigt, das im Zusammenhang mit der Beugung an dem Rand 320 der herkömmlichen Öffnung 310 erzeugt wird. Wie in 10B gezeigt, werden bei dem Lichtinterferenzmuster p abwechselnd helle und dunkle Muster im Wesentlichen parallel zu der Kontur des Lichtstrahls gebildet. Wenn der Lichtstrahl dahingehend begrenzt wird, so klein wie möglich zu sein, um den Lichtempfangsbereich 620 abzudecken, weist der Teil bzw. Abschnitt des Lichtstrahls entlang der Messrichtung an der Kontur des Lichtstrahls eine Form auf, die mit der Form des Abschnitts des Lichtempfangsbereichs 620 korreliert, der sich in der Messrichtung an der Kontur des Lichtempfangsbereichs 620 erstreckt (in diesem Fall sind der Teil bzw. Abschnitt und die Sektion beide linear). Wie in 9 gezeigt, überlappt dann die Verteilung der hellen und dunklen Abschnitte des Lichtinterferenzmusters p mit den Elementreihen 710. Beispielsweise treten die hellen Abschnitte des Lichtinterferenzmusters p in die A-Phase-Elementreihe 711 und die B-Phase-Elementreihe 712 ein, wohingegen die dunklen Abschnitte des Lichtinterferenzmusters p in die AB-Phase-Elementreihe 713 und die BB-Phase-Elementreihe 714 eintreten, und es kann daher ein erheblicher Unterschied in der Intensität des empfangenen Lichts zwischen den Elementreihen bestehen.
Solche signifikanten Unterschiede in der Intensität des empfangenen Lichts zwischen den Elementreihen können mit dem Mittelungsansatz, bei dem mehrere Sätze von Elementreihengruppen verwendet werden, nicht ausreichend aufgehoben bzw. ausgeglichen werden und bei der Bestimmung von Differenzsignalen (einem A-Phase-Differenzsignal und einem B-Phase-Differenzsignal) durch Verwendung von Kombinationen aus einem A-Phase-Signal (0°) mit einem AB-Phase-Signal (180°) und einem B-Phase-Signal (90°) mit einem BB-Phase-Signal (270°) kann ein DC-Offset in den Differenzsignalen erzeugt werden und/oder es kann eine Amplitudendifferenz erzeugt werden. Bei Vorhandensein eines DC-Offsets können die Mittelpositionen der Lissajous-Kurven, die durch das differenzielle A-Phase-Signal und das B-Phase-Signal gezeichnet werden, von dem Ursprung versetzt werden. Darüber hinaus kann sich bei Vorhandensein einer Amplitudendifferenz die Form der Lissajous-Kurve (idealerweise kreisförmig) verformen (länglich werden) oder schrumpfen. Diese Probleme führen zu einer Verschlechterung der Messgenauigkeit.
Wenn zudem bei der oben beschriebenen Konfiguration eine Fehlausrichtung des Abstands zwischen der Skala 400 und dem Kopf 101, der Ausrichtung (relativer Winkel) des Kopfes 101 relativ zu der Skala 400 oder dergleichen vorliegt, wie in 8 gezeigt, kann sich die Position des Lichtinterferenzmusters p (siehe 10B) relativ zu dem Lichtempfangsmittel 600 ändern. Somit variiert die durchschnittliche Lichtmenge des in jede Elementreihe 710 emittierten Lichts, und damit einhergehend variieren auch die detektierten Signale, wodurch Fehler verursacht werden, was zu einer Verringerung der Messgenauigkeit führt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Encoder bereitzustellen, der die Auswirkungen der Lichtinterferenzmuster in dem Lichtstrahl verringern kann, die im Zusammenhang mit der Beugung in einem Strahlformungselement, wie beispielsweise einer Apertur bzw. Blende, die zwischen der Lichtquelle und der Skala angeordnet ist, auftreten können.
MITTEL ZUM LÖSEN DER PROBLEME
Der optische Encoder der vorliegenden Erfindung umfasst: eine Skala mit einem Skalengitter, das mit einer vorbestimmten Periode entlang einer Messrichtung angeordnet ist; eine Lichtquelle, die Licht zu der Skala aussendet; und einLichtempfangsmittel, das einen Lichtempfangsbereich aufweist, wobei der Lichtempfangsbereich mehrere Lichtempfangselemente aufweist, die mit einer vorbestimmten Periode in der Messrichtung angeordnet sind, und Licht empfängt, das durch die Skala getreten ist. Der optische Encoder umfasst zudem ein Strahlformungselement, das die Strahlform formt, welche die Form des von der Lichtquelle emittierten Lichts ist. Das Strahlformungselement ist zwischen der Lichtquelle und der Skala angeordnet und definiert die Strahlform so, dass die Form eines Konturabschnitts langer Länge und die Form einer Seitensektion langer Länge keine Korrelation zueinander aufweisen, wobei der Konturabschnitt langer Länge ein Abschnitt der Strahlform ist, der sich in der Messrichtung an der Kontur der Strahlform des Lichts von der Lichtquelle erstreckt, das über die Skala in das Lichtempfangsmittel emittiert wird, und die Seitensektion langer Länge eine Sektion des Lichtempfangsmittels ist, die sich in der Messrichtung an der Kontur des Lichtempfangsmittels erstreckt.
Dabei bezieht sich der Lichtempfangsbereich auf einen Bereich der Lichtempfangsfläche des Lichtempfangsmittels, wo die Lichtempfangselemente bereitgestellt sind. Zudem bezieht sich die Form des Konturabschnitts langer Länge, die keine Korrelation mit der Form der Seitensektion langer Länge aufweist, auf eine Form, die keine Gemeinsamkeit oder Ähnlichkeit zwischen den beiden Formen aufweist, beispielsweise in dem Fall, in dem eine von ihnen linear und die andere gebogen oder wellenförmig ist. Ferner stimmt die Form des Rands bzw. der Kante des Strahlformungselements nicht unbedingt mit der Kontur der Strahlform überein. Insbesondere können die Form des Rands des Strahlformungselements und die Kontur der Strahlform des in die Lichtempfangsfläche emittierten Strahls unterschiedliche Formen aufweisen, wenn das Licht in einem vorgegebenen Winkel in das Strahlformungselement emittiert wird, wenn das Licht über mehrere Strahlformungselemente unterschiedlicher Form oder dergleichen emittiert wird. Das Strahlformungselement definiert die Form des in die Lichtempfangsfläche emittierten Strahls.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es durch Definieren der Form des Konturabschnitts langer Länge mittels des Strahlformungselements dahingehend, dass sie keine Korrelation mit der Form der Seitensektion langer Länge aufweist, möglich zu verhindern, dass das Lichtinterferenzmuster und die Interferenzstreifen, die aus dem Signallicht entstehen, einander mit Korrelation zwischen ihnen überlappen. Dadurch ist es möglich, Auswirkungen auf die Interferenzstreifen zu verhindern und eine Verschlechterung der Detektionsgenauigkeit und Messgenauigkeit zu unterbinden. Dementsprechend ist der optische Encoder in der Lage, die Auswirkungen von unerwünschtem Licht zu verringern, das aufgrund eines optischen Elements (des Strahlformungselements), wie einer zwischen der Lichtquelle und der Skala angeordneten Apertur bzw. Blende, verursacht werden kann.
Vorzugsweise ist in diesem Fall die Form der Seitensektion langer Länge linear.
Gemäß einer solchen Konfiguration ist es möglich, Signale auf stabile Weise zu detektieren, selbst wenn sich eine anhaftende Substanz, beispielsweise Schmutz, auf der Lichtempfangsfläche befindet.
In diesem Fall enthält das Strahlformungselement einen Strahlformungsteil mit Rändern bzw. Kanten, die vorbestimmte Formen aufweisen. Vorzugsweise enthält die Form des Rands des Strahlformungsteils, wobei der Rand den Konturabschnitt langer Länge definiert, mehrere Kreisbögen mit einem gemeinsamen Radius. Wünschenswerterweise weist der Strahlformungsteil die minimal erforderliche Größe, die die Größe der Kontur aufweist, oder dergleichen des Lichtempfangsbereichs plus des Mindestraums auf.
Gemäß einer solchen Konfiguration ist es durch Durchführen einer gewissen Bearbeitung der oben beschriebenen minimal erforderlichen Größe unter Verwendung eines Schneidwerkzeugs oder dergleichen, das in der Lage ist, ein Loch mit einem vorbestimmten Durchmesser zu bohren, das den Strahlformungsteil bildet, möglich, den Strahlformungsteil zu bilden, der die Form des Konturabschnitts langer Länge definiert, die keine Korrelation mit der Form der Seitensektion langer Länge aufweist.
Vorzugsweise ist in diesem Fall die Form des Rands des Strahlformungsteils ein Kreisbogen mit dem Radius, wobei der Rand einen Konturabschnitt kurzer Länge definiert, wobei der Konturabschnitt kurzer Länge ein Abschnitt der Strahlform ist, der sich in einer Richtung orthogonal zu der Messrichtung an der Kontur der Strahlform erstreckt.
Gemäß einer solchen Konfiguration ist es zum Zeitpunkt des Bildens des Strahlformungsteils unter Verwendung des Schneidwerkzeugs oder dergleichen, das in der Lage ist, ein Loch mit einem vorbestimmten Durchmesser zu bohren, möglich, den Strahlformungsteil zum Definieren der Form des Konturabschnitts langer Länge einfach zu bilden, die keine Korrelation mit der Form der Seitensektion langer Länge aufweist, indem eine Art von Schneidwerkzeug oder dergleichen mit einem vorbestimmten Radius verwendet wird, ohne dass Schneidwerkzeuge oder dergleichen verwendet werden müssen, die der Lage sind, mehrere Löcher mit unterschiedlichen Radien zu bohren. Da zudem der Strahlformungsteil mit einer Art von Schneidwerkzeug oder dergleichen gebildet werden kann, gibt es keine zusätzlichen Komponenten, schwierige Herstellungsprozesse, Bearbeitungsmethoden oder dergleichen und es ist daher möglich, eine Kostenreduzierung in Bezug auf Komponenten, Zeit, Werkzeuge und dergleichen im Vergleich zu dem Fall zu erreichen, in dem unterschiedliche Schneidwerkzeuge oder dergleichen für die jeweiligen Teile verwendet werden.
Vorzugsweise ist in diesem Fall ein Indexgitter zwischen der Skala und dem Lichtempfangsmittel bereitgestellt, wobei das Indexgitter ein mit einer vorbestimmten Periode angeordnetes Gitter aufweist.
Da es gemäß einer solchen Konfiguration möglich ist, mittels des Indexgitters unerwünschtes Licht von der Skala zu unterbinden, kann der optische Encoder eine höhere Genauigkeit erreichen.
Vorzugsweise ist in diesem Fall eine Linse zwischen der Skala und dem Lichtempfangsmittel bereitgestellt, wobei die Linse durch die Skala hindurchgetretenes Licht sammelt und das Licht auf das Lichtempfangsmittel abbildet.
Gemäß einer solchen Konfiguration kann der optische Encoder unter Verwendung eines Linsenabbildungssystems Skalenzufallsmuster abbilden und detektieren. Zudem ist es möglich, den Design- bzw. Gestaltungsfreiheitsgrad zu verbessern, da der optische Encoder aufgrund der Anordnung der Linse eine freie Gestaltung des Strahlengangs oder dergleichen erlaubt.
Vorzugsweise ist in diesem Fall das von der Lichtquelle emittierte Licht Laserlicht.
Gemäß einer solchen Konfiguration ist es immer noch möglich, die Intensität der zu detektierenden Signale aufrechtzuhalten, da das Laserlicht kohärent ist, selbst wenn es zu einer Verschiebung der Positionen kommt, bei der die Skala und das Lichtempfangsmittel angeordnet werden, indem sich eines von ihnen dem anderen nähert oder sich von ihm entfernt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein schematisches Diagramm, das einen optischen Encoder gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
2 ist ein schematisches Diagramm, das Lichtempfangsmittel in dem oben beschriebenen optischen Encoder zeigt.
3 ist ein Diagramm, das ein Strahlformungselement (Abschirmplatte bzw. -blech) in dem oben beschriebenen optischen Encoder zeigt.
4 ist ein schematisches Diagramm, das die Form des in das Lichtempfangsmittel in dem oben beschriebenen optischen Encoder emittierten Strahls und die Lichtinterferenzmuster zeigt.
5 ist ein Diagramm, bei dem die Strahlform dem Lichtempfangsmittel in dem oben beschriebenen optischen Encoder überlagert ist.
6A und 6B sind Graphen, die die Beziehung zwischen dem Signalpegel (Spannung) der Detektionssignale (Differenzsignale der beiden Phasen) und der Verschiebung in dem optischen Encoder darstellen.
7 ist ein schematisches Diagramm, das einen optischen Encoder gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.
8 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel für die Konfiguration eines herkömmlichen optischen Encoders zeigt.
9 ist ein Diagramm, das herkömmliche Lichtempfangsmittel zeigt.
10A ist ein schematisches Diagramm, das eine herkömmliche Apertur bzw. Blende zeigt.
10B ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Lichtinterferenzmusters zeigt, das im Zusammenhang mit Beugung an einem Rand bzw. einer Kante einer Öffnung der herkömmlichen Blende erzeugt wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Erste Ausführungsform
Die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf 1 bis 6 beschrieben.
1 ist ein schematisches Diagramm, das den optischen Encoder 1 gemäß der ersten Ausführungsform zeigt. Insbesondere Sektion (A) in 1 ist ein schematisches Diagramm, das den optischen Encoder 1 von der Seite zeigt, und Sektion (B) in 1 ist ein schematisches Diagramm, das den optischen Encoder 1 aus einer Richtung (d. h. einer Vorderrichtung) zeigt, die sich von der in Sektion (A) unterscheidet. In 1 ist ein Teil bzw. Abschnitt des von der Lichtquelle 2 emittierten Lichts durch Pfeile dargestellt, um dadurch die Richtungen und den Strahlengang des Lichts anzugeben.
Wie in 1 gezeigt, ist der optische Encoder 1 mit einer Lichtquelle 2, einem Strahlformungselement (Abschirmplatte bzw. -blech) 3, einer Skala 4, einem Indexgitter 5 und Lichtempfangsmittel 6 versehen. Zudem sind die Lichtquelle 2, die Abschirmplatte 3, ein Spiegel M, das Indexgitter 5 und das Lichtempfangsmittel 6 in einem Kopf 10 bereitgestellt. Der Kopf 10 ermöglicht, dass diese Konfigurationen gemeinsam relativ zu der Skala 4 vor und zurück bzw. hin und her bewegt werden.
Der optische Encoder 1 ist ein linearer Encoder, der mit der plattenförmigen Skala 4 versehen ist, die entlang der X-Richtung ausgebildet ist, welche die Messrichtung ist; und der Kopf 10 ist beweglich relativ zu der Skala 4 entlang der X-Richtung bereitgestellt. In den folgenden Beschreibungen und den jeweiligen Zeichnungen wird die Messrichtung, d. h. die Längsrichtung, der Skala 4 als die X-Richtung angegeben, die Breitenrichtung der Skala 4 wird als die Y-Richtung angegeben, und die Höhenrichtung senkrecht zu der X- und Y-Richtung wird als die Z-Richtung angegeben. Insbesondere kann in Bezug auf die Abschirmplatte 3 einfach die Längsrichtung oder die Breitenrichtung verwendet werden.
Der lineare Encoder erhält Positionsinformationen aus dem Betrag der relativen Bewegung zwischen der Skala 4 und dem Kopf 10, indem er den Kopf 10 entlang der Skala 4 bewegt.
Die Lichtquelle 2 emittiert Licht mit einer konstanten Breite zu der Skala 4 hin ab. Die Lichtquelle 2 ist beispielsweise ein Halbleiterlaser. Daher ist das von der Lichtquelle 2 emittierte Licht Laserlicht. Laserlicht weist im Vergleich zu dem Licht von Leuchtdioden (LEDs) eine bessere Kohärenz auf. Insbesondere wenn beispielsweise eine Differenz der Strahlenganglänge bzw. optischen Weglänge zwischen zwei Lichtstrahlen von der LED zu dem Lichtempfangsmittel 6 besteht, werden an dem Lichtempfangsmittel 6 möglicherweise keine Interferenzstreifen erzeugt. Wenn jedoch ein Laser mit einer kohärenten Länge von mehreren Zentimetern verwendet wird, können selbst bei einer Differenz der optischen Weglänge zwischen zwei Lichtstrahlen von dem Diodenlaser zu dem Lichtempfangsmittel 6 immer noch Interferenzstreifen an dem Lichtempfangsmittel 6 erzeugt werden, solange eine solche Differenz nur wenige Zentimeter beträgt. Aus diesem Grund wird bei dem optischen Encoder 1 ein Halbleiterlaser als Lichtquelle 2 verwendet. Es ist offensichtlich, dass die Lichtquelle 2 nicht auf Halbleiterlaser beschränkt ist und jede Lichtquelle verwendet werden kann, solange sie eine kohärente Länge aufweist, die in der Lage ist, Interferenzstreifen (Interferenzlicht) zu erzeugen. Beispielsweise kann die Lichtquelle ein Helium-Neon-Laser mit einer Kohärenzlänge von mehreren Metern oder die oben genannte LED sein. Zwischen der Lichtquelle 2 und der Abschirmplatte 3 ist eine Kollimatorlinse L angeordnet. Die Kollimatorlinse L kollimiert das Licht von der Lichtquelle 2.
Die Abschirmplatte 3 ist ein Strahlformungselement, das die Strahlform B1, welche die Form des von der Lichtquelle 2 emittierten Lichts ist, formt, und ist ein optisches Element zum Begrenzen des Betrags des in die Skala 4 emittierten Lichts. Die Abschirmplatte 3 ist an dem optischen Weg bzw. Strahlengang des Lichts zwischen der Lichtquelle 2 und der Skala 4 angeordnet. Das Licht, das durch die Kollimatorlinse L getreten ist, wird von dem Spiegel M reflektiert, nachdem es durch die Abschirmplatte 3 getreten ist, und zu der Skala 4 hin gerichtet, und dann von der Skala 4 gebeugt und über das Indexgitter 5 in das Lichtempfangsmittel 6 emittiert. Details zu der Abschirmplatte 3 werden später beschrieben.
Der Spiegel M ist zwischen der Abschirmplatte 3 und der Skala 4 angeordnet. Der Spiegel M ermöglicht eine freie Gestaltung der Bewegungsrichtung des Lichts, indem er in der Mitte des Strahlengangs des von der Lichtquelle 2 emittierten Lichts angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform bewegt sich das Licht von der Lichtquelle 2 in einer Richtung weg von der Skala 4, wenn das Licht direkt emittiert wird, ohne dass der Spiegel M angeordnet ist. Durch Anordnung des Spiegels M in einem vorbestimmten Winkel kann die Bewegungsrichtung des Lichts geändert werden und das Licht von der Lichtquelle 2 kann in die Skala 4 emittiert werden.
Die Skala 4 besteht aus Glas oder dergleichen und ist plattenförmig ausgebildet. Auf einer Seite der Skala 4 ist ein Skalengitter 40 bereitgestellt, wobei reflektierende Teile und nicht reflektierende Teile mit einer vorbestimmten Periode entlang der X-Richtung angeordnet sind. Das Skalengitter 40 ist mit einem reflektierenden Teil 41, der Licht von der Lichtquelle 2 reflektiert, und einem nicht reflektierenden Teil 42 versehen, der Licht absorbiert oder dergleichen, ohne das Licht zu reflektieren. Der reflektierende Teil 41 ist eine Metallplatte, die so bearbeitet ist, dass sie Licht reflektiert. Der nicht reflektierende Teil 42 ist mit einem Antireflexmittel versehen, das Licht absorbiert, sodass es kein Licht reflektiert. Der reflektierende Teil 41 und der nicht reflektierende Teil 42 weisen eine gleiche Breite auf und sind in gleichen Intervallen bzw. Abständen angeordnet. Der reflektierende Teil 41 muss keine Metallplatte sein, solange er Licht reflektieren kann. Beispielsweise kann der reflektierende Teil 41 ein Spiegel oder dergleichen sein. Das Skalengitter 40 dient als ein Beugungsgitter zum Beugen von einfallendem Licht und beugt und teilt das von der Lichtquelle 2 emittierte Licht in einen Lichtstrahl 0. Ordnung, Lichtstrahlen +/-1. Ordnung und Lichtstrahlen +/-2. Ordnung und dergleichen.
Das Indexgitter 5 ist zwischen der Skala 4 und dem Lichtempfangsmittel 6 angeordnet. Das Indexgitter 5 leitet das von der Skala 4 gebeugte und geteilte Licht auf den Lichtempfangsbereich 60 des Lichtempfangsmittels 6. Das Indexgitter 5 weist eine Plattenfläche bzw. -oberfläche 50 parallel zu der Fläche bzw. Oberfläche der Skala 4 auf, auf der das Skalengitter 40 angeordnet ist, und umfasst ein Gitter 55 auf der Plattenoberfläche 50 entlang der X-Richtung, die eine vorbestimmte Richtung ist. Das Gitter 55 weist einen konvexen Teil 51 und einen vertieften Teil 52 auf. Der konvexe Teil 51 und der vertiefte Teil 52 sind abwechselnd ausgebildet und mit einer vorbestimmten Periode entlang der X-Richtung, welche die Messrichtung ist, angeordnet. Das Indexgitter 5 ist eine Beugungsgitterplatte vom Transmissionstyp, die aus einem Plattenmaterial aus synthetischem Quarz gebildet ist. Das Indexgitter 5 muss nicht aus einem Plattenmaterial aus synthetischem Quarz gebildet sein, und es kann ein beliebiges Indexgitter verwendet werden, solange es sich um ein transparentes Plattenmaterial handelt. Das Indexgitter 5 beugt das von der Skala 4 gebeugte Licht erneut und lenkt den Lichtstrahl +1. Ordnung und den Lichtstrahl -1. Ordnung in die Richtungen, entlang derer sie sich schneiden.
Das durch das Skalengitter 40 und das Indexgitter 5 hindurchgetretene Licht bildet an dem Lichtempfangsmittel 6 Interferenzstreifen, bei denen die Phasen gemäß der relativen Bewegung zwischen der Skala 4 und dem Kopf 10 variieren. Die Periode der Interferenzstreifen entspricht der Periode des Skalengitters 40. Der optische Encoder 1 nimmt die Lichtstrahlen +/-1. Ordnung als Signallicht und verwendet die durch die Lichtstrahlen +/-1. Ordnung gebildeten Interferenzstreifen zur Detektion. Das andere Licht als die Lichtstrahlen +/-1-Ordnung ist unerwünschtes Licht, das nicht zur Messung beiträgt.
2 ist ein schematisches Diagramm, das das Lichtempfangsmittel 6 bei dem optischen Encoder 1 zeigt.
Wie in 2 gezeigt, ist das Lichtempfangsmittel 6 parallel zu der XY-Ebenenfläche bzw. -oberfläche angeordnet, bei der es sich um die Plattenfläche bzw. -oberfläche der Skala 4 handelt. Das Lichtempfangsmittel 6 enthält den Lichtempfangsbereich 60, der Licht von der Lichtquelle 2 über die Skala 4 empfängt. Das Lichtempfangsmittel 6 empfängt das Licht, das durch die Skala 4 hindurchgetreten ist, detektiert die durch dieses Licht gebildeten Interferenzstreifen und gibt Detektionssignale aus, die den Phasen der detektierten Interferenzstreifen entsprechen. Als Lichtempfangsmittel 6 wird ein Fotodiodenarray (PDA) verwendet. Ein PDA ist ein Detektor mit der Fähigkeit, mehrere Interferenzstreifen gleichzeitig zu messen. Das Lichtempfangsmittel 6 ist nicht auf PDAs beschränkt und es kann jeder beliebige Detektor verwendet werden, beispielsweise eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD) oder dergleichen.
Der Lichtempfangsbereich 60 enthält mehrere Elementreihen 7. Jede Elementreihe 7 ist mit mehreren Lichtempfangselementen 70 versehen, die entlang der X-Richtung, welche die Messrichtung ist, mit der gleichen Periode wie die der Interferenzstreifen angeordnet sind. Eine Mehrzahl von Elementreihen 7 sind in der Y-Richtung orthogonal zu der X-Richtung in dem Lichtempfangsbereich 60 angeordnet. Zudem sind die Elementreihen 7 entlang der X-Richtung versetzt. Insbesondere enthalten die Elementreihen 7 eine A-Phase-Elementreihe 71, eine B-Phase-Elementreihe 72, eine AB-Phase-Elementreihe 73 und eine BB-Phase-Elementreihe 74. In Bezug auf die A-Phase-Elementreihe 71 ist die B-Phase-Elementreihe 72 in der X-Richtung mit einer Phasendifferenz von 90° versetzt, die AB-Phase-Elementreihe 73 ist mit einer Phasendifferenz von 180° versetzt und die BB-Phase-Elementreihe 74 ist mit einer Phasendifferenz von 270° versetzt, ausgedrückt als Anordnungsabstand (d. h. die Periode) der Lichtempfangselemente 70, die die Elementreihen 7 konfigurieren bzw. bilden.
Basierend auf dieser Konfiguration gibt die A-Phase-Elementreihe 71 ein A-Phase-Signal aus, die B-Phase-Elementreihe 72 gibt ein B-Phase-Signal mit einer Phasendifferenz von 90° zu dem A-Phase-Signal aus, die AB-Phase-Elementreihe 73 gibt ein AB-Phase-Signal (d. h. ein Negative-Phase-Signal der A-Phase) mit einer Phasendifferenz von 180° zu dem A-Phase-Signal aus, und die BB-Phase-Elementreihe 74 gibt eine BB-Phase-Signal (d. h. ein Negative-Phasen-Signal der B-Phase) mit einer Phasendifferenz von 270° zu dem A-Phase-Signal aus. Mit anderen Worten gibt das Lichtempfangsmittel 6 Vierphasensignale als Detektionssignale aus. Das Detektionssignal variiert gemäß der relativen Bewegung zwischen der Skala 4 und dem Kopf 10. Durch Anordnen mehrerer Sätze von Elementreihen 7 für diese vier Phasen (d. h. der Elementreihengruppen) in der orthogonalen Richtung, auch wenn es Variationen bzw. Schwankungen der Lichtintensität innerhalb des in das Lichtempfangsmittel emittierten Strahls gibt, werden die Schwankungen der Signalintensitäten der jeweiligen Phasen durch Mittelung der Intensitäten des empfangenen Lichts zwischen den mehreren Sätzen von Elementreihengruppen gemildert.
3 ist ein Diagramm, das die Abschirmplatte 3 bei dem optischen Encoder 1 zeigt.
Wie in 3 gezeigt, ist die Abschirmplatte 3 mit einer plattenförmigen Basis 30 und einer Öffnung 31 versehen. Die Öffnung 31 ist ein Strahlformungsteil, der in der Abschirmplatte 3 ausgebildet ist, und wird durch Bohren eines Lochs in die Basis 30 mit einem Schneidwerkzeug oder ähnlichem gebildet, das in der Lage ist, ein Loch vorbestimmten Durchmessers zu bohren. Die Öffnung 31 weist dann einen vorbestimmten Rand bzw. eine vorbestimmte Kante 32 auf. Der Rand 32 besteht aus Kanten- bzw. Randabschnitten 321 langer Länge, die entlang der Längsrichtung ausgebildet sind, und Kanten- bzw. Randabschnitten 322 kurzer Länge, die kürzer als die Randabschnitte 321 langer Länge sind und in der Breitenrichtung ausgebildet sind.
Der Randabschnitt 321 langer Länge definiert einen Konturabschnitt B21 langer Länge (siehe 4), der ein Abschnitt der Strahlform B1 an der Kontur B2 der Strahlform B1 ist und sich in Längsrichtung erstreckt. Der Randabschnitt 321 langer Länge enthält mehrere Kreisbögen mit einem gemeinsamen Radius R. Insbesondere enthält einer der Randabschnitte 321 langer Länge (der obere Rand in 3) drei Kreisbögen und der andere der randabschnitte 321 langer Länge (der untere Rand in 3) enthält zwei Kreisbögen. Bei einer solchen Ausbildung kann der Unterschied die Differenz der Lichtmenge des in den Lichtempfangsbereich 60 emittierten Lichts durch Randomisierung gemittelt werden, und es ist möglich, Detektionsfehler oder dergleichen zu unterbinden, die aufgrund des Lichts, das durch das Abschirmblech 3 hindurchtritt, auftreten können.
Der Randabschnitt 322 kurzer Länge definiert einen Konturabschnitt B22 kurzer Länge (siehe 4), der ein Abschnitt der Strahlform B1 an der Kontur B2 der Strahlform B1 ist und sich in der Breitenrichtung orthogonal zu der Längsrichtung erstreckt. Der Randabschnitt 322 kurzer Länge besteht aus einem Kreisbogen mit dem gleichen Radius R wie die Kreisbögen, die den Randabschnitt 321 langer Länge konfigurieren bzw. bilden.
Die Öffnung 31 mit einer solchen Form kann unter Verwendung eines Schneidwerkzeugs, wie eines Bohrers oder Fräsers, gebildet werden, das in der Lage ist, mit dem gleichen Radius R wie dem der Kreisbögen zu bearbeiten, die die Randabschnitte 321 langer Länge und die Randabschnitte 322 bilden. Mit anderen Worten ist es durch Aufweiten des anfänglichen Lochs mit einem Schneidwerkzeug, das zur Bearbeitung mit einem Radius R in der Lage ist, möglich, problemlos Öffnungen mit komplexen Formen zu bilden, die Kreisbögen mit einem Radius R in den Randabschnitte 321 langer Länge und den Randabschnitte 322 kurzer Länge enthalten, wie es oben beschrieben wird. Da nicht mehrere Werkzeuge und/oder schwierige Prozesse erforderlich sind, ist es möglich, die Kosten und den Zeitaufwand für die Bearbeitung zu senken.
4 ist ein schematisches Diagramm, das die Strahlform B1 und die Lichtinterferenzmuster P zeigt, die in das Lichtempfangsmittel 6 in dem optischen Encoder 1 emittiert werden.
Wie in 4 gezeigt, ist die Strahlform des Lichts, das durch die Öffnung 31 getreten ist, durch den Rand 32 der Öffnung 31 begrenzt, und das Licht wird in eine Lichtempfangsfläche bzw. -oberfläche 61 (siehe 2) des Lichtempfangsmittels 6 als das Licht mit der Strahlform B1 mit einer Kontur B2 emittiert.
Dabei müssen die Form des Randes 32 der Öffnung 31 (siehe 3) und die Kontur B2 der Strahlform B1 nicht unbedingt identisch sein und daher nicht übereinstimmen. Beispielsweise können die Form des Rands 32 der Öffnung 31 und die Kontur B2 der Strahlform B1 des in den Lichtempfangsbereich 60 emittierten Strahls unterschiedliche Formen aufweisen, wenn, wie in 1 gezeigt: das in die Skala 4 emittierte Licht so eingestellt wird, dass es dorthin in einem Winkel emittiert wird, und zwar durch Einstellen des Winkels des Spiegels M; das Licht in einem vorbestimmten Winkel in die Abschirmplatte 3 emittiert wird; das Licht über mehrere Abschirmplatten unterschiedlicher Form emittiert wird; oder dergleichen. Obwohl in dieser Ausführungsform zur Vereinfachung der Beschreibung die Form des Rands 32 der Öffnung 31 und die Kontur B2 der Strahlform B1 des in den Lichtempfangsbereich 60 emittierten Strahls so dargestellt und beschrieben sind, als ob sie identisch wären, können sie streng genommen nicht identisch sein, da das Licht, das vertikal durch die Abschirmplatte 3 hindurchgetreten ist, in einem Winkel auf die Lichtempfangsmittel 6 einfällt, wie in 1 gezeigt.
Es wird ein Lichtinterferenzmuster P erzeugt, das die Verteilung heller und dunkler Abschnitte ist, die durch Beugung an dem Rand 32 der Öffnung 31 innerhalb der in 4 gezeigten Strahlform B1 bewirkt werden. Das Lichtinterferenzmuster P wird als ein Muster mit abwechselnden hellen und dunklen Abschnitten in Form eines Jahresrings entlang der Kontur der Strahlform B1 des Lichts gebildet. In 5, die weiter unten beschrieben wird, ist die Lichtmenge in den gestrichelten Abschnitten gering, während die Lichtmenge in den weißen Abschnitten zwischen den gestrichelten Abschnitten hoch ist.
5 ist ein Diagramm, bei dem die Strahlform B1 dem Lichtempfangsmittel 6 bei dem optischen Encoder 1 überlagert ist. In dieser Ausführungsform wird eine Seitensektion R11 langer Länge des Lichtempfangsbereichs 60, die sich in der X-Richtung an der Kontur R1 des Lichtempfangsbereichs 60 erstreckt, auf lineare Weise ausgebildet, und eine Seitensektion R12 kurzer Länge des Lichtempfangsbereichs 60, die sich in der Y-Richtung orthogonal zu der X-Richtung an der Kontur R1 des Lichtempfangsbereichs 60 erstreckt, wird auf ähnliche Weise linear ausgebildet. Mit anderen Worten wird die Kontur R1 des Lichtempfangsbereichs 60 in einer rechteckigen Form ausgebildet. Die Strahlform B1 ist so durch die Abschirmplatte 3 definiert, dass die Form des Konturabschnitts B21 langer Länge, der sich in der X-Richtung erstreckt, nicht mit der Form der Seitensektion R11 langer Länge korreliert. Zudem ist die Strahlform B1 an der Öffnung 31 so definiert, dass sie groß genug ist, um den gesamten Lichtempfangsbereich 60 zu umfassen bzw. zu umspannen.
Dabei bezieht sich die Form des Konturabschnitts B21 langer Länge der Strahlform B1, die keine Korrelation mit der Form der Seitensektion R11 langer Länge der Kontur R1 des Lichtempfangsbereichs 60 aufweist, auf eine Form, die keine Gemeinsamkeit oder Ähnlichkeit zwischen den beiden Formen aufweist, wie in dem Fall der vorliegenden Ausführungsform, wo die Form der Seitensektion R11 langer Länge linear ist und die Form des Konturabschnitts B21 langer Länge eine Kombination von Kurven ist. Vorzugsweise können der Konturabschnitt B21 langer Länge und die Seitensektion R11 langer Länge um einen Abstand voneinander beabstandet sein, der gleich oder größer als die Abmessung des Lichtempfangselements in der Richtung orthogonal zu der Messrichtung ist.
6 zeigt Graphen, die die Beziehung zwischen dem Signalpegel (Spannung) der Detektionssignale (Differenzsignale der beiden Phasen) und der Verschiebung bei dem optischen Encoder darstellen. Genauer gesagt ist 6A ein Graph, der die Detektionssignale darstellt, die mit einem optischen Encoder erhalten werden, der mit einer Apertur bzw. Blende mit einer herkömmlichen länglichen Öffnung versehen ist, wie in 10 A gezeigt. 6B ist ein Graph, der die Detektionssignale darstellt, die mit dem optischen Encoder 1 der vorliegenden Ausführungsform erhalten werden, der mit der Apertur bzw. Blende (Abschirmplatte 3) mit einer unregelmäßig geformten Öffnung 31 versehen ist.
Bei dem optischen Encoder mit der herkömmlichen Blende haben die hellen und dunklen Abschnitte (der Unterschied in der Lichtmenge) des Lichtinterferenzmusters unverhältnismäßige Auswirkungen auf jede Elementreihe, was zu einer erheblichen Differenz der Intensität des empfangenen Lichts zwischen den Elementzeilen führt. Im Ergebnis kann, wenn Differenzsignale (ein A-Phase-Differenzsignal und ein B-Phase-Differenzsignal) unter Verwendung von Kombinationen eines A-Phase-Signals mit einem AB-Phase-Signal und eines B-Phase-Signals mit einem BB-Phase-Signal bestimmt werden, ein Offset-Fehler wie in 6A gezeigt erzeugt werden. Bei Vorhandensein eines Offset können die Mittelpositionen der Lissajous-Kurven, die durch das Differenz A-Phase-Signal und das B-Phase-Signal gezeichnet werden, von dem Ursprung versetzt werden, und diese wird zu einem Faktor für die Verschlechterung der Messgenauigkeit. Zudem kann auch ein Versatzfehler erzeugt werden, wenn eine Fehlausrichtung hinsichtlich der Positionen auftritt, an denen die Skala 4 und das Lichtempfangsmittel 6 angeordnet sind, und daher ändert oder verschiebt sich die Ausrichtung des Kopfes 10 relativ zu der Skala 4.
Im Gegensatz dazu wird bei dem optischen Encoder 1 der vorliegenden Ausführungsform, der mit der Blende (Abschirmplatte 3) mit einer Öffnung 31 mit unregelmäßiger Form ausgestattet ist, die Differenz der Intensitäten des empfangenen Lichts zwischen den Elementreihen (und zwischen Phasen) aufgrund eines Mittelungseffekts, bei dem die Lichtmenge des in den Lichtempfangsbereich 60 emittierten Lichts gestreut (d. h. randomisiert) wird, unterbunden (genauer gesagt wird eine Konfiguration bereitgestellt, wo sowohl helle als auch dunkle Abschnitte des Lichtinterferenzmusters P auf unregelmäßige Weise auf eine einzelne Elementreihe 7 einfallen). Wenn Differenzsignale (ein A-Phase-Differenzsignal und ein B-Phase-Differenzsignal) unter Verwendung von Kombinationen eines A-Phase-Signals mit einem AB-Phase-Signal und eines B-Phase-Signals mit einem BB-Phase-Signal bestimmt werden, können im Ergebnis Detektionssignale erhalten werden, bei denen die Offset-Fehler unterbunden werden, wie in 6B gezeigt. Selbst wenn die oben genannte Fehlausrichtung auftritt, werden zudem die Offset-Fehler verglichen mit dem herkömmlichen Verfahren reduziert und die Auswirkungen auf die Detektionsgenauigkeit sind vernachlässigbar.
Dadurch, dass die Form des Konturabschnitts B21 langer Länge und die Form der Seitensektion R11 langer Länge nicht miteinander korrelieren, ist es somit möglich, einen unverhältnismäßigen Einfall der hellen und dunklen Lichtabschnitte des Lichtinterferenzmusters P auf eine einzelne Elementreihe 7 zu vermeiden und die Differenz der Intensität des empfangenen Lichts zwischen den Elementreihen zu unterbinden. Im Ergebnis wird die Signalpegeldifferenz zwischen jeder Phase der Vierphasensignale verringert und es ist daher möglich, die Entstehung eines DC-Offset in den Differenzsignalen und/oder die Entstehung einer Amplitudendifferenz zu verhindern, wenn die Differenzsignale (ein A-Phase-Differenzsignal und ein B-Phase-Differenzsignal) bestimmt werden.
Gemäß dieser ersten Ausführungsform können die folgenden vorteilhaften Wirkungen erzielt werden.

(1) Durch Definieren der Strahlform B1 mittels der Abschirmplatte 3 dahingehend, dass sie keine Korrelation mit der Form eines Abschnitts (d. h. der Seitensektion langer Länge R11) des Lichtempfangsmittels 6 aufweist, der sich in der X-Richtung an der Kontur R1 des Lichtempfangsmittels 6 erstreckt, ist es möglich, zu verhindern, dass das Lichtinterferenzmuster P und die Elementreihen 7 der Lichtempfangselemente 70 einander überlappen und eine Korrelation zwischen ihnen besteht. Dadurch ist es möglich, unverhältnismäßige Auswirkungen der hellen und dunklen Abschnitte (die Differenz der Lichtmenge) des Lichtinterferenzmusters P auf jede Elementreihe 7 zu verhindern und eine Verschlechterung der Detektionsgenauigkeit und Messgenauigkeit aufgrund der Offset-Fehler in den Detektionssignalen zu unterbinden.
(2) Durch lineares Ausbilden der Seitensektion R11 langer Länge des Lichtempfangsbereichs 60 an der Kontur R1 des Lichtempfangsbereichs 60 ist es immer noch möglich, Signale auf stabile Weise zu detektieren, selbst wenn es eine anhaftende Substanz, beispielsweise Schmutz, auf dem Lichtempfangsbereich 60 und/oder der Skala 4 gibt, was zu Störungen bei der Detektion führen kann.
(3) Durch Durchführen einer Bearbeitung für die minimal erforderliche Größe unter Verwendung eines Schneidwerkzeugs oder dergleichen zum Bilden einer Öffnung 31 ist es leicht möglich, die Öffnung 31 zum Definieren der Strahlform B1, die keine Korrelation mit der Seitensektion R11 langer Länge des Lichtempfangsbereichs 60 an der Kontur R1 des Lichtempfangsbereichs 60 aufweist, auszubilden.
(4) Zum Zeitpunkt des Bildens der Öffnung 31 unter Verwendung des Schneidwerkzeugs oder dergleichen ist es leicht möglich, die Öffnung 31 zum Definieren der Strahlform B1 zu bilden, die keine Korrelation mit der SeitensektionR11 langer Länge des Lichtempfangsbereichs 60 an der Kontur R1 des Lichtempfangsbereichs 60 aufweist, indem eine Art von Schneidwerkzeug oder dergleichen mit einem vorbestimmten Radius R verwendet wird, ohne dass mehrere Schneidwerkzeuge oder dergleichen mit unterschiedlichen Radien R verwendet werden müssen.
(5) Da die Öffnung 31 mit einer Art von Schneidwerkzeug oder dergleichen gebildet werden kann, gibt es keine zusätzlichen Komponenten, schwierige Herstellungsprozesse, Bearbeitungsverfahren oder dergleichen und es ist daher möglich, eine Kostenreduzierung im Hinblick auf Komponenten, Zeit, Werkzeuge und dergleichen verglichen mit dem Fall zu erreichen, in dem für die jeweiligen Teile unterschiedliche Klingen oder Werkzeuge verwendet werden.
(6) Da es möglich ist, unerwünschtes Licht von der Skala 4 mittels des Indexgitters 5 zu unterbinden, kann der optische Encoder 1 eine höhere Genauigkeit erreichen.
(7) Da das von der Lichtquelle 2 emittierte Laserlicht kohärent ist, ist es, selbst wenn es zu einer Verschiebung der Positionen der Skala 4 und des Lichtempfangsmittels 6 kommt, indem sich einer von ihnen dem anderen nähert oder sich von ihm entfernt, dennoch möglich, die Intensität der zu detektierenden Signale beizubehalten.

Zweite Ausführungsform
Die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf 7 beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden zuvor beschriebene Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet und auf deren Beschreibung wird verzichtet.
In der ersten Ausführungsform verwendet der Kopf 10 bei dem optischen Encoder 1 ein Indexgitter 5. In der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich der Kopf 10A bei dem optischen Encoder 1A von der ersten Ausführungsform dadurch, dass er kein Indexgitter 5, sondern stattdessen eine Linse 5A aufweist.
7 ist ein schematisches Diagramm, das den optischen Encoder 1A gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt. Insbesondere Sektion (A) in 7 ist ein schematisches Diagramm, das den optischen Encoder 1A von der Seite zeigt, und Sektion (B) in 7 ist ein schematisches Diagramm, das den optischen Encoder 1A aus einer Richtung (d. h. einer Vorderrichtung) zeigt, die sich von der in Sektion (A) unterscheidet. In 7 ist ein Teil des von der Lichtquelle 2 emittierten Lichts durch Pfeile dargestellt, um dadurch die Richtungen und den optischen Weg bzw. Strahlengang des Lichts anzugeben.
Wie in 7 gezeigt, sind bei dem optischen Encoder 1A zwei Linsen 5A zwischen der Skala 4 und dem Lichtempfangsmittel 6 angeordnet. Die Linse 5A sammelt das Licht, das durch die Skala 4 getreten ist, insbesondere das Signallicht, Lichtstrahlen +/-1. Ordnung, und bildet sie auf dem Lichtempfangsbereich 60 des Lichtempfangsmittels 6 ab.
Die Linse 5A ermöglicht eine effizientere Erzeugung von Interferenzstreifen im Vergleich zu dem Fall, in dem keine Linse 5A bereitgestellt ist, da sie das Licht sammelt, das an der Skala 4 gebeugt wurde, sodass dieses Licht Interferenzstreifen auf dem Lichtempfangsbereich 60 des Lichtempfangsmittels 6 erzeugt.
Bei dieser zweiten Ausführungsform können auch die gleichen vorteilhaften Wirkungen wie bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform erzielt werden. Darüber hinaus können gemäß der zweiten Ausführungsform die folgenden vorteilhaften Wirkungen erzielt werden.
(8) Der optische Encoder 1A kann unter Verwendung eines Linsenabbildungssystems Skalenzufallsmuster abbilden und detektieren. Zudem ist es möglich, den Gestaltungsfreiheitsgrad zu verbessern, da der optische Encoder 1A aufgrund der Anordnung der Linse 5A eine freie Gestaltung des optischen Lichtwegs oder dergleichen ermöglicht.
Modifikation von Ausführungsformen
Es ist anzumerken, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen jeweiligen Ausführungsformen beschränkt ist und dass jede Variation, Verbesserung oder dergleichen in dem Umfang in der vorliegenden Erfindung enthalten ist, in dem das Ziel der vorliegenden Erfindung erreicht werden kann.
Beispielsweise wurde in den oben beschriebenen jeweiligen Ausführungsformen ein Fall beschrieben, in dem die vorliegende Erfindung bei dem optischen Encoder 1 eingesetzt wird, der ein linearer Encoder ist, aber der Encoder ist nicht besonders auf das Format des Detektors, das Detektionsverfahren und dergleichen beschränkt, sofern es sich um einen optischen Encoder handelt. In den oben beschriebenen jeweiligen Ausführungsformen ist die Skala 4 des optischen Encoders 1 reflektierend und reflektiert das Licht der Lichtquelle 2, die Skala kann jedoch auch durchlässig sein. Handelt es sich um eine Skala der durchlässigen Art, kann der optische Encoder entsprechend konfiguriert werden.
In den oben beschriebenen jeweiligen Ausführungsformen ist das Skalengitter 40 mit einem reflektierenden Teil 41 und einem nicht reflektierenden Teil 42 versehen, und der reflektierende Teil 41 ist eine Metallplatte. Das Skalengitter kann jedoch jede beliebige Konfiguration aufweisen, solange darin ein gitterartiges Muster ausgebildet wird. Wenn die Skala beispielsweise von der nicht durchlässigen Art ist, können der reflektierende Teil und der nicht reflektierende Teil durch die Bildung einer periodischen konkav-konvexen Form auf der Metallplatte oder einem ähnlichen Material konstruiert werden. Darüber hinaus kann das Skalengitter 40 durch Aufbringen einer Membran oder dergleichen gebildet werden, die in einem gitterartigen Muster ausgebildet ist, das kein Licht zu der Skalenplatte überträgt bzw. durchlässt. Wenn die Skala von einer durchlässigen Art ist, kann das Skalengitter 40 periodische Löcher in einem gitterartigen Muster, das in der Skala gebildet ist, oder periodische durchlässige Glieder umfassen.
In der ersten Ausführungsform ist der optische Encoder 1 mit einem Indexgitter 5 versehen, und in der zweiten Ausführungsform ist der optische Encoder 1A mit einer Linse 5A versehen. Die Anzahl dieser verwendeten optischen Elemente kann höher sein als die in den oben beschriebenen jeweiligen Ausführungsformen dargestellte Anzahl, oder diese optischen Elemente müssen möglicherweise gar nicht verwendet werden.
In den oben beschriebenen jeweiligen Ausführungsformen gibt das Lichtempfangsmittel 6 Vierphasensignale aus. Allerdings kann das Lichtempfangsmittel Signale ausgeben, die sich von den Vierphasensignalen unterscheiden (z. B. Dreiphasensignale, Zweiphasensignale etc.), solange es von der Lichtquelle emittiertes Licht empfangen und Signale detektieren kann, und jede Konfiguration kann für das Lichtempfangsmittel verwendet werden, um die auszugebenden Signale aufzunehmen.
In den oben beschriebenen jeweiligen Ausführungsformen ist die Abschirmplatte 3, die ein Strahlformungselement ist, als ein unitäres bzw. einheitliches Glied bereitgestellt. Das Strahlformungselement kann jedoch aus einer Mehrzahl von physisch separaten Gliedern bestehen. Beispielsweise kann die Kontur des Strahls mittels einer Mehrzahl von Gliedern, die entlang des Strahlengangs angeordnet sind, geteilt und begrenzt werden. In einem solchen Fall kann die Mehrzahl von Gliedern, die die Strahlkontur definieren, zusammen als ein Strahlformungselement (Abschirmplatte 3) betrachtet werden.
Anstelle einer Abschirmplatte 3 kann es sich bei dem Strahlformungselement auch um ein optisches Element, beispielsweise einen Spiegel, einen Strahlteiler oder eine Linse handeln. Durch entsprechendes Gestalten der Form des reflektierenden Bereichs des Spiegels M in 1 und 7 kann dieser als ein Strahlformungselement zum Formen der Strahlform verwendet werden. Insbesondere wird der reflektierende Bereich bei dem Spiegel M durch einen Bereich bestimmt, wo ein reflektierendes Glied, beispielsweise ein Metall, auf dem Spiegel M angeordnet ist. Wenn die Form eines Bereichs so gestaltet ist, dass keine Korrelation mit der Seitensektion langer Länge des Lichtempfangsbereichs besteht, können Wirkungen erzielt werden, die zu denen der oben beschriebenen jeweiligen Ausführungsformen äquivalent sind. In diesem Fall entspricht der Spiegel M dem „Strahlformungselement“ und der reflektierende Bereich auf dem Spiegel M entspricht dem „Strahlformungsteil“.
In den oben beschriebenen jeweiligen Ausführungsformen ist der Randabschnitt 322 kurzer Länge an dem Rand 32 der Öffnung 31, der der Strahlformungsteil ist, der den Konturabschnitt B22 kurzer Länge der Strahlform B1 definiert, ein Kreisbogen mit einem Radius R. Der Randabschnitt 322 kurzer Länge muss jedoch möglicherweise kein Kreisbogen sein. Beispielsweise kann der Randabschnitt 322 kurzer Länge eine lineare Form, eine Wellenform oder eine unregelmäßige Form aufweisen.
In den oben beschriebenen jeweiligen Ausführungsformen enthält der Randabschnitt 321 langer Länge an dem Rand 32 der Öffnung 31, der der Strahlformungsteil ist, der den Konturabschnitt B21 langer Länge der Strahlform B1 definiert, mehrere Kreisbögen mit einem gemeinsamen Radius R. Der Randabschnitt 321 langer Länge muss jedoch möglicherweise nicht mehrere Kreisbögen mit einem gemeinsamen Radius R enthalten. Beispielsweise kann ein solcher Randabschnitt 321 langer Länge eine lineare Form, eine Wellenform oder eine unregelmäßige Form aufweisen.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung wird ein optischer Encoder bereitgestellt, der die Auswirkungen von unerwünschtem Licht reduzieren kann, das durch ein optisches Element, wie beispielsweise eine Apertur bzw. Blende, verursacht werden kann. Der optische Encoder 1 der vorliegenden Erfindung 1 umfasst: eine Skala 4 mit einem Skalengitter 40, das mit einer vorbestimmten Periode entlang einer Messrichtung angeordnet ist; eine Lichtquelle 2, die Licht emittiert; und Lichtempfangsmittel 6, das Licht empfängt, das durch die Skala 4 getreten ist. Der optische Encoder 1 umfasst zudem eine Abschirmplatte bzw. ein Abschirmblech 3 (Strahlformungselement), die bzw. das die Strahlform formt, die die Form des von der Lichtquelle 2 emittierten Lichts ist. Die Abschirmplatte 3 ist zwischen der Lichtquelle 2 und der Skala 4 angeordnet, formt die Strahlform B1, die die Form des von der Lichtquelle 2 emittierten Lichts ist, und definiert die Strahlform B1 so, dass die Form eines Konturabschnitts langer Länge und die Form einer Seitensektion langer Länge keine Korrelation zueinander aufweisen, wobei der Konturabschnitt langer Länge ein Abschnitt der Strahlform B1 ist, der sich in der Messrichtung an der Kontur B2 der Strahlform B1 des Lichts von der Lichtquelle 2 erstreckt, das über die Skala 4 an das Lichtempfangsmittel emittiert wird, und die Seitensektion langer Länge eine Sektion des Lichtempfangsmittels 6 ist, die sich in der Messrichtung an der Kontur R1 des Lichtempfangsmittels 6 erstreckt.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Wie oben beschrieben, kann die vorliegende Erfindung auf geeignete Weise auf optische Encoder zum Messen einer relativen Verlagerung bzw. Verschiebung zwischen Köpfen und Skalen angewendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2008032530 [0002]

Claims

Optischer Encoder, umfassend: eine Skala mit einem Skalengitter, das mit einer vorbestimmten Periode entlang einer Messrichtung angeordnet ist; eine Lichtquelle, die Licht zu der Skala emittiert; und ein Lichtempfangsmittel, das einen Lichtempfangsbereich aufweist, wobei der Lichtempfangsbereich mehrere Lichtempfangselemente aufweist, die mit einer vorbestimmten Periode in der Messrichtung angeordnet sind, und Licht empfängt, das durch die Skala getreten ist, wobei: der optische Encoder ein Strahlformungselement umfasst, das die Strahlform formt, die die Form des von der Lichtquelle emittierten Lichts ist, wobei das Strahlformungselement zwischen der Lichtquelle und der Skala angeordnet ist, und das Strahlformungselement die Strahlform so definiert, dass die Form eines Konturabschnitts langer Länge und die Form einer Seitensektion langer Länge keine Korrelation zueinander aufweisen, wobei der Konturabschnitt langer Länge ein Abschnitt der Strahlform ist, der sich in der Messrichtung an einer Kontur der Strahlform des Lichts von der Lichtquelle erstreckt, das über die Skala in das Lichtempfangsmittel zu emittieren ist, und die Seitensektion langer Länge eine Sektion des Lichtempfangsbereichs ist, die sich in der Messrichtung an einer Kontur des Lichtempfangsbereichs erstreckt.
Optischer Encoder nach Anspruch 1, wobei die Form der Seitensektion langer Länge linear ist.
Optische Encoder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: das Strahlformungselement einen Strahlformungsteil mit Rändern bzw. Kanten mit vorbestimmten Formen enthält; und die Form des Rands des Strahlformungsteil, wobei der Rand den Konturabschnitt langer Länge definiert, mehrere Kreisbögen mit einem gemeinsamen Radius enthält.
Optischer Encoder nach Anspruch 3, wobei die Form des Rands des Strahlformungsteils ein Kreisbogen mit dem Radius ist, wobei der Rand einen Konturabschnitt kurzer Länge definiert, wobei der Konturabschnitt kurzer Länge ein Abschnitt der Strahlform ist, der sich in einer Richtung orthogonal zu der Messrichtung an der Kontur der Strahlform erstreckt.
Optischer Encoder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Indexgitter zwischen der Skala und dem Lichtempfangsmittel bereitgestellt ist, wobei das Indexgitter ein Gitter aufweist, das mit einer vorbestimmten Periode angeordnet ist.
Optischer Encoder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Linse zwischen der Skala und dem Lichtempfangsmittel bereitgestellt ist, wobei die Linse Licht sammelt, das durch die Skala getreten ist, und das Licht auf dem Lichtempfangsmittel abbildet.
Optischer Encoder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das von der Lichtquelle emittierte Licht Laserlicht ist.