DE10307258A1 - Projektionscodierer - Google Patents

Abstract

In einem Projektionscodierer, der auf einem Dreifachgitter-Konzept beruht, sind auf einer beweglichen Gitterplatte (6) eine lichtdurchlässige Gitter-Gruppe (3) zum Nachweisen von A- und B-Phasen-Signalen, eine Fotodioden-Gruppe (4) zum Nachweisen von A- und B-Phasen-Signalen und eine Fotodioden-Gruppe (5) zum Nachweisen einer Grundstellung ausgebildet. Eine reflektierende Gitter-Gruppe (7) zum Erfassen von A- und B-Phasen-Signalen und eine reflektierende Gitter-Gruppe (8) zum Nachweisen der Grundstellung sind auf einer reflektierenden Gitterplatte (9) ausgebildet. Die Fotodioden-Gruppe (5) zum Nachweisen der Grundstellung umfasst Fotodioden (5Z) für eine Z-Phase und Fotodioden (5Z') für eine Z'-Phase, angeordnet entsprechend einem M-Anordnungsmuster, während die reflektierende Gitter-Gruppe (8) zum Nachweisen der Grundstellung reflektierende Gitter (81) und nicht-reflektierende Gitter (82) in gleicher M-Musteranordnung besitzt. Die Grundstellung der beweglichen Gitterplatte (6) lässt sich exakt an Hand des Differenzsignals aus dem Signal von den Fotodioden (5Z) für die Z-Phase und dem Signal aus den Fotodioden (5Z') für die Z'-Phase ermitteln.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Die Erfindung betrifft einen Projektionscodierer, der auf dem Konzept der Verwendung eines Dreifachgitters beruht und den Einsatz eines Halbleitersubstrats oder eines anderen Substrattyps mit Transmissionsgittern und Fotodetektoren vorsieht. Insbesondere geht es um einen miniaturisierten, kompakt aufgebauten Projektionscodierer, der zur Positionserfassung in exakter Weise ein Grundstellungssignal erzeugen kann.
• Von dem Erfinder und anderen wurde in der JP-A-2000-321097 und auch anderweitig ein Projektionscodierer vorgeschlagen, der auf dem Konzept des Dreifachgitters beruht. Ein solcher Projektionscodierer enthält als Lichtquelle eine Leuchtdiode (LED), eine aus einem Halbleitersubstrat mit integral darauf in konstanter Schrittweite ausgebildeten Transmissionsgittern und Fotodetektoren (Fotodioden) ausgebildete bewegliche Platte, und eine reflektierende Gitterplatte, auf der reflektierende Gitter in konstanter Schrittweite (Mittenabstand) ausgebildet sind. Der Projektionscodierer hat einen Aufbau, bei dem die bewegliche Platte sich zwischen der LED und der reflektierenden Gitterplatte befindet.
• Bei dem Projektionscodierer mit diesem Aufbau bewegt sich die bewegliche Platte zusammen mit dem Messobjekt in der Richtung, in der die Transmissionsgitter und die Fotodioden entlang der Richtung rechtwinklig zur optischen Achse des von der LED abgegebenen Lichts angeordnet sind. Von der LED abgegebenes Licht fällt zunächst auf die Rückseite der zu bewegenden Platte, läuft durch die Transmissionsgitter auf der beweglichen Platte und bildet Gitterstreifen auf der Oberfläche der reflektierenden Gitterplatte. Außerdem sind reflektierende Gitter mit konstantem Mittenabstand auf der reflektierenden Platte ausgebildet, wodurch es möglich ist, nur solche Lichtkomponenten zu reflektieren, die auf die reflektierende Gitterplatte fallen und die reflektierenden Gitter bestrahlen. Das Bild des reflektierenden Gitters wird auf die bewegliche Platte zurückgestrahlt und von Fotodioden empfangen, die als vertikale Streifen ausgebildet und mit konstantem Mittenabstand und konstanter Breite ausgebildet sind.
• Die Fotodioden und die Transmissionsgitter, die als vertikale Streifen auf einer beweglichen Gitterplatte ausgebildet sind, arbeiten wie zwei Gitterplatten. Folglich wird die von einer Fotodiode empfangene Lichtmenge basierend auf dem Konzept des Dreifachgitters unter Verwendung der reflektierenden Gitter in eine sinusförmige Wellenform umgewandelt, entsprechend der Relativbewegung der reflektierenden Gitterplatte und der beweglichen Gitterplatte. Auf diese Weise ist es möglich, ein Impulssignal zu gewinnen, welches der Relativgeschwindigkeit der Bewegung entspricht und auf dem Fotostrom der Fotodioden beruht woraus man die Relativgeschwindigkeit der Bewegung an der Impulsgeschwindigkeit des Impulssignals berechnen kann.
• Wenn man darüber hinaus die Fotodioden so anordnet, dass man ein A-Phasen-Signal und ein B-Phasen-Signal mit einer um 90° verschiedenen Phase gewinnen kann, ist es möglich, die Bewegungsrichtung der beweglichen Gitterplatte an Hand dieser zweiphasigen Signale zu ermitteln.
• Die Transmissionsgitter und die Fotodetektoren des in der vorgenannten Druckschrift offenbarten Projektionscodierers werden mit Hilfe von Halbleiter- Fertigungstechnologie hergestellt, wodurch es möglich ist, Gitter mit feiner Teilung herzustellen und Codierer mit hoher Auflösung zu fertigen. Darüber hinaus arbeiten die als vertikale Streifen mit konstanter Teilung ausgebildeten Fotodetektoren als Gitter, und das Gitter selbst hat einen Linseneffekt, so dass auf ein optisches Linsensystem verzichtet und das Bauelement miniaturisiert ausgeführt werden kann. Ein weiteres Merkmal besteht darin, dass das Konzept des Dreifachgitters verhindert, dass die Auflösung abträglich beeinflusst wird durch die Breite oder Schwankung der Lücken in solchen reflektierenden Gittern und Transmissionsgittern, so dass die Justierarbeiten, die zum Garantieren der erforderlichen Montagegenauigkeit für die einzelnen Teile des Gitters erforderlich sind, vereinfacht und die bezüglich der Lagerungsstellen vorhandenen Restriktionen gelockert werden können. Zusätzlich dazu kann das Intervall zwischen den reflektierenden Gittern und den Transmissionsgittern vergrößert werden, so dass man Vorteile wie z. B. eine bessere Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse erhält beispielsweise dadurch, dass man die reflektierenden Gitter in einem Schutzgehäuse unterbringt.
• Eine Grundstellung, welche die Grundlage für eine Stellung oder einen Drehwinkel darstellt, muss nachgewiesen oder erfasst werden, um die relative Stellung der beweglichen Platte und der reflektierenden Gitterplatte auf der ortsfesten Seite feststellen zu können. Das Ausstatten der beweglichen Platte mit integral ausgebildeten Fotodetektoren zum Erfassen der Grundstellung und das Ausstatten der reflektierenden Gitterplatte mit reflektierenden Gittern zum Nachweisen der Grundstellung wurden als Mittel zum Erfassen der Grundstellung bereits vorgeschlagen. Dabei nimmt der Kontrast des reflektierten Lichtbilds zum Nachweisen der Grundstellung ab, und der Pegel des Detektorsignals wird geringer, wenn ein größeres Intervall zwischen der beweglichen Platte und der reflektierenden Gitterplatte vorgesehen wird. Im Ergebnis werden Signale zum Erfassen der Grundstellung durch Rauscheinflüsse blockiert, und es steht zu befürchten, dass die Grundstellung überhaupt nicht mit der erforderlichen Genauigkeit nachgewiesen werden kann.
• Es wurde vorgeschlagen, die Anzahl reflektierender Gitter und Fotodetektoren für den Ursprungsnachweis zu steigern und mit Hilfe einer Differenzdetektierung die Grundstellung zu erfassen, um so den Pegel der Detektorsignale zu stabilisieren und zu erhöhen. Wird allerdings der Versuch unternommen, bloß von der Differenzdetektierung Gebrauch zu machen, so besteht das Ergebnis in einer Steigerung der Größe der beweglichen Platten und der reflektierenden Gitterplatten. In anderen Worten: Es ist unmöglich, eine Grundstellung exakt zu erkennen, wenn es Restriktionen bezüglich der Grundrisse der beweglichen Platten und der reflektierenden Gitterplatten gibt, weil es dann nämlich nicht möglich ist, die Anzahl von Fotodetektoren und der reflektierenden Gitter zum Erfassen der Grundstellung zu erhöhen.
• Im Hinblick auf das oben Gesagte ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Projektionscodierer zu schaffen, der exakt die Grundstellung erfassen kann und auf dem Dreifachgitter-Konzept beruht.
• Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Projektionscodierers mit einem Grundstellungs-Detektormechanismus geringer Baugröße, der kompakt aufgebaut ist und auf dem Dreifachgitter-Konzept beruht.
• OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
• Um die vorgenannten Ziele zu erreichen, wird erfindungsgemäß ein Projektionscodierer geschaffen, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Die Verwendung eines Musters in Form einer M-Abfolge bewirkt, dass die Differenz zwischen der von einem Z-Phasen-Fotodetektor empfangenen Lichtmenge und der von einem Z'-Phasen-Detektor empfangener Lichtmenge dann ein Maximum annimmt, wenn es eine Übereinstimmung gibt zwischen der Musteranordnung in der reflektierenden Gitterzone zum Detektieren der Grundstellung und der Musteranordnung in der Fotodetektorzone zum Nachweisen der Grundstellung, wobei die Differenz zwischen den Lichtmengen dann im Wesentlichen an Null angenähert wird, wenn zwei Musteranordnungen nicht übereinstimmen. Folglich lässt sich ein Grundstellungssignal mit hohem Rauschabstand in wiederholter und konsistenter Weise dadurch erzeugen, dass man die Differenz der Detektorsignale von den Z-Phasen- und dem Z'-Phasen-Detektor bildet.
• Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, auf dem Substrat eine Durchlasszone oder Transmissionszone auszubilden, in welcher die Transmissionsgitter mit konstanter Teilung angeordnet sind, weiterhin eine Lichtempfangszone auf dem Substrat auszubilden, in der die Fotodetektoren mit konstanter Teilung auf einer Seite der Transmissionszone angeordnet sind, und eine Fotcdetektorzone auszubilden, um die Grundstellung zu erfassen, in welcher die Z-Phasen-Fotodetektoren und die Z'-Phasen-Fotodetektoren mit konstanter Teilung auf der anderen Seite der Durchlasszone angeordnet sind. Dabei sollte die reflektierenden Gitterplatte mit einer reflektierenden Gitterzone ausgestattet sein, in welcher die reflektierenden Gitter mit konstanter Teilung an solchen Stellen angeordnet sind, die gegenüber der Lichtempfangszone angeordnet werden können, und sollte mit einer reflektierenden Gitterzone zum Nachweisen der Grundstellung ausgestattet sein, in welcher die reflektierenden Gitter und und nicht reflektierenden Gitter mit konstanter Teilung an Stellen angeordnet sind, die gegenüber der Fotodetektorzone zum Erfassen der Grundstellung angeordnete werden können.
• Darüber hinaus sollten die reflektierenden und nicht reflektierenden Gitter, die mit konstanter Teilung in der reflektierenden Gitterzone angeordnet sind, zum Nachweisen der Grundstellung ausgebildet und auf der reflektierenden Gitterplatte ausgebildet sein, wobei sie sich zusammensetzen aus halbierten, reflektierenden Gittern sowie halbierten nicht reflektierenden Gittern, welche die halbe Breite besitzen und mit der halben Teilung angeordnet sind, um den Kontrast des reflektierten Lichtbilds zum Nachweisen der Grundstellung zu steigern. Der Grundstellungs-Detektormechanismus bei dem erfindungsgemäßen Projektionscodierer umfasst außerdem eine Signalverarbeitungseinheit zum Nachweisen der Grundstellung anhand des Differenzsignals zwischen einem Detektorsignal, welches von dem Z-Phasen-Fotodetektoren erzeugt wird, und einem Detektorsignal, das von den Z'-Phasen-Fotodetektoren erzeugt wird.
• Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
• Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm, welches einen Projektions-Linearcodierer veranschaulicht, der auf dem Dreifachgitter-Konzept beruht und durch Anwendung der Erfindung aufgebaut ist;
• Fig. 2 ein seitliches Schema, welches die Anordnung der beweglichen Gitterplatte, der reflektierenden Gitterplatte und der Lichtquelle aus Fig. 1 in ihrer Lagebeziehung veranschaulicht;
• Fig. 3 ein Diagramm, welches ein Anordnungsmuster der reflektierenden Gitter auf der reflektierenden Gitterplatte nach Fig. 1 veranschaulicht;
• Fig. 4 ein Diagramm, welches ein Anordnungsmuster einer Gruppe von Fotodioden und von Transmissionsgittern auf der beweglichen Gitterplatte nach Fig. 1 veranschaulicht;
• Fig. 5 eine vergrößerte Teil-Schnittansicht, die den Bereich veranschaulicht, in welchem Transmissionsgitter auf der beweglichen Gitterplatte nach Fig. 1 ausgebildet sind;
• Fig. 6 eine vergrößerte Teil-Schnittansicht, die den Bereich veranschaulicht, in welchem Fotodioden auf der beweglichen Gitterplatte nach Fig. 1 ausgebildet sind;
• Fig. 7 ein Diagramm, welches das Prinzip zum Nachweisen der Grundstellung bei der in Fig. 1 gezeigten linearen Projektionscodierer veranschaulicht;
• Fig. 8 eine graphische Darstellung, die die Intensität von Differenzsignalen von Z-Phasen-Detektorfotodioden und Z'-Phasen-Detektonfotodioden in dem in Fig. 1 gezeigten linearen Projektionscodierer abhängig von der Bewegung der beweglichen Gitterplatte aufgezeichnet sind; und
• Fig. 9 ein Diagramm, welches die Anordnungsmuster der reflektierenden und nicht reflektierenden Gitter dargestellt sind, die in der reflektierenden Gitterzone ausgebildet sein können, die zum Nachweisen der Grundstellung ausgestaltet und an der reflektierenden Gitterplatte nach Fig. 1 vorgesehen ist.
• Fig. 1 ist ein schematisches Strukturdiagramm, welches den linearen Projektionscodierer gemäß dem vorliegenden Beispiel veranschaulicht. Fig. 2 ist ein seitliches Strukturdiagramm des wesentlichen Teils des Codierers. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, besteht der lineare Projektionscodierer 1 im Wesentlichen aus einer Leuchtdiode (LED), einer Halogenlampe oder einer anderen Lichtquelle 2, einer beweglichen Gitterplatte 6, die ein Halbleitersubstrat aufweist, auf der eine Transmissionsgitter-Gruppe 3 und Fotodioden-Gruppen 4 und 5 integral ausgebildet sind, ferner einer reflektierenden Gitterplatte (einer ortsfesten Gitterplatte) 9, in der reflektierende Gittergruppen 7 und 8 auf der Oberfläche ausgebildet sind, und einer Steuerschaltungseinheit 10. Von der Lichtquelle 2 abgestrahltes Licht wird durch die Transmissionsgitter-Gruppe 3 auf der beweglichen Gitterplatte 6 durchgelassen und auf die reflektierenden Gittergruppen 7 und 8 auf der reflektierenden Gitterplatte 9 gelenkt. Das von den reflektierenden Gittergruppen 7 und 8 reflektierte Lichtbild wird von den Fotodioden-Gruppen 4 und 5 empfangen, und die von diesen Fotodioden- Gruppen 4 und 5 kommende Detektorsignale werden in die Steuerschaltungseinheit 10 eingegeben.
• Die Steuerschaltungseinheit 10 enthält eine Signalverarbeitungseinheit 11 zur Bildung eines A-Phasen-Signals und eines gegenüber diesem um eine Phase von Rλ verschobenen B-Phasen-Signals sowie eines Z-Phasen-Signals zur Kennzeichnung der Ausgangs- oder Ruhestellung der beweglichen Gitterplatte 6 auf der Grundlage der von den Fotodioden-Gruppen 4 und 5 kommenden Detektorsignale. Die Steuerschaltungseinheit enthält außerdem eine arithmetische Einheit 12 zum Berechnen der Laufgeschwindigkeit, der Laufrichtung, der Laufstellung und anderer Arten von Weginformation bezüglich der beweglichen Gitterplatte 6 auf der Grundlage der A-, B- und Z-Phasen-Signale. Die Einheit enthält ferner eine Anzeigeeinheit 13 zum Anzeigen der Rechenergebnisse eine Lampentreibereinheit 14 zur Rückkopplung der Betriebsspannung für die Lichtquelle 2.
• Fig. 3 ist ein Diagramm, welches ein Anordnungsmuster der reflektierenden Gitter veranschaulicht, die auf der Oberfläche der reflektierenden Gitterplatte 9 gebildet sind. Die eine Oberfläche 9a der reflektierenden Gitterplatte 9 ist rechtwinklig zu der optischen Achse L des von der Lichtquelle 2 abgegebenen Lichts orientiert, außerdem parallel zur Laufrichtung R der beweglichen Gitterplatte 6. Reflektierende Gitter 21 konstanter Breite sind in der Laufrichtung R mit konstanter Teilung oder Schrittweite in einem Oberflächenbereich (dem oberen Teil der Zeichnung) angeordnet, der sich auf einer Seite in der Richtung rechtwinklig zur Laufrichtung R auf der Oberfläche 9a befindet. Darüber hinaus sind reflektierende Gitter 81 sowie nicht-reflektierende Gitter 82 konstanter Breite entsprechend einem Muster in M-Reihenanordnung in einem weiteren Teil (dem unteren Teil der Zeichnung) der Oberfläche 9a angeordnet. Beim vorliegenden Beispiel ist die reflektierende Gitterplatte 9 aus einem transparenten Substrat hergestellt, und deshalb ist ein die reflektierende Gitter 81 definierender Film auf der einen Oberfläche der Platte ausgebildet, die nicht reflektierenden Gitter 82 sind lediglich zum Erleichtern des Verständnisses in der Zeichnung durch imaginäre Linien angedeutet.
• Fig. 4 ist ein Diagramm, welches die Transmissionsgitter-Gruppe 3 und Fotodioden-Gruppen 4 und 5 veranschaulicht, die auf der beweglichen Gitterplatte 6 gegenüber der reflektierenden Gitterplatte 9 ausgebildet sind. Wie in dieser Zeichnung dargestellt ist, ist die bewegliche Gitterplatte 6 ausgestattet mit einer Licht transmittierenden Zone 30 in ihrem mittleren Bereich, betrachtet in einer Richtung orthogonal zur Bewegungsrichtung R der Platte, wobei sich die Lichttransmissionszone 30 zusammensetzt aus einer Transmissionsgitter- Gruppe 3, in der Transmissionsgitter 31 konstanter Breite in Bewegungsrichtung R mit konstanter Teilung angeordnet sind. Eine Lichtempfangszone 40 in Form einer Fotodioden-Gruppe 4 zum Erfassen von A- und B-Phasen- Signalen ist auf einer Seite (der oberen Seite der Zeichnung) der Lichtdurchlasszone 30 gebildet. Die Fotodioden-Gruppe 4 enthält im folgenden Beispiel Fotodioden 4A zum Erfassen von A-Phasen-Signalen, Fotodioden 4B zum Erfassen von B-Phasen-Signalen, Fotodioden 4A' zum Erfassen von A'- Phasen-Signalen, die den A-Phasen-Signalen entgegengesetzt sind; und Fotodioden 4B' zum Erfassen von B-Phasen-Signalen, die den B-Phasen- Signalen entgegengesetzt sind. Diese Fotodioden sind in Bewegungsrichtung R mit gleicher Teilung und gleicher Breite angeordnet.
• Eine Fotodetektorzone 50 zum Erfassen der Grundstellung und bestehend aus einer Fotodioden-Gruppe 5 zum Erfassen von Z-Phasen-Signalen ist auf der entgegengesetzten Seite (der unteren Seite der Zeichnung) bezüglich der Transmissionsgitter 31 ausgebildet. Die Fotodioden-Gruppe 5 bei diesem Beispiel umfasst Fotodioden 5Z zum Erfassen von Z-Phasen-Signalen, außerdem Fotodioden 5Z' zum Erfassen von Z'-Phasen-Signalen, die zu den Z- Phasen-Signalen eine entgegengesetzte Phase haben. Diese Fotodioden sind in Bewegungsrichtung R mit gleicher Teilung und gleicher Breite am geordnet.
• Fig. 5 ist eine vergrößerte Teilquerschnittansicht der lichtdurchlässigen Zone 30, die im mittleren Bereich der beweglichen Gitterplatte 6 gebildet ist. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, ist die lichtdurchlässige Zone 30 bei diesem Ausführungsbeispiel so konfiguriert, dass die Transmissionsgitter 31 konstanter Breite als Schlitze mit konstanter Teilung mit Hilfe des ICP oder eines anderen Trockenätzverfahrens in einem Dünnschichtbereich 61 ausgebildet sind, der seinerseits nach Ätzung auf der Rückseite der beweglichen Gitterplatte 6 gebildet ist.
• Fig. 6 ist eine vergrößerte Teil-Schnittansicht, die die Fotodioden 4A und 4B der Fotodioden-Gruppe 4 zeigt, die integral in der Lichtempfangszone oder Lichtaufnahmezone 40 der beweglichen Gitterplatte 6 ausgebildet ist. Das Gleiche gilt für die Fotodioden-Gruppe 5. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, sind die integral ausgebildeten Elemente Fotodioden 4A und 4B mit pn- Übergang, die mit Bor-dotierten Schichten 62 ausgestattet sind, die durch Einbringen von Bor durch die Oberfläche der durch ein Siliciumsubstrat gebildeten beweglichen Gitterplatte 6 ausgebildet sind. Mit den Bor-dotierten Schichten 62 der Fotodioden 4A und 4B sind aus Aluminium bestehende Elektroden-Verdrahtungsschichten 63 und 64 verbunden, mit der beweglichen Gitterplatte 6 ist auf der Seite der n-Schicht eine gemeinsame Aluminium- Elektrodenschicht 65 angeschlossen. Die bewegliche Gitterplatte 6 und die Elektroden-Verdrahtungsschicht 63 und 64 sind voneinander durch eine Isolierschicht 66 getrennt, die aus einem Siliciumoxidfilm besteht. Darüber hinaus ist die frei liegende Oberfläche der beweglichen Gitterplatte 6 von einem Siliciumoxidfilm 67 bedeckt, der den Zweck hat, eine angemessene Haltbarkeit zu garantieren. In ähnlicher Weise ist die Oberfläche der Bor-dotierten Schicht 62 durch einen Siliciumoxidfilm 68 bedeckt.
Grundstellungs-Detektormechanismus
• Was folgt, ist eine Erläuterung des Prinzips des Nachweises eines Grundstellungssignals (eines Z-Phasen-Signals) in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eines linearen Projektionscodierers. Zunächst enthält der in den linearen Projektionscodierer dieser Ausführungsform integrierte Grundstellungs- Detektormechanismus eine Fotodioden-Gruppe 5 (Fotodioden 5Z und 5Z' für die Erfassung der Z-Phase), die in der Fotodetektorzone 50 ausgebildet ist, die ihrerseits ausgelegt ist zum Nachweis der Grundstellung und sich an der beweglichen Gitterplatte 6 befindet, er besitzt weiterhin ein reflektierendes Gitter 81 und ein nicht-reflektierendes Gitter 82, die in einer reflektierenden Gitterzone 80 ausgebildet sind, ausgelegt zum Nachweis der Grundstellung und auf der reflektierenden Gitterplatte 9 vorgesehen, und er enthält schließlich eine Signalverarbeitungseinheit 11.
• Bei dem vorliegenden Beispiel dient eine Musteranordnung in Form eines fortlaufenden "M" zum Nachweis der Grundstellung. Beispielsweise kann man ein fünfzehn Elemente umfassendes Anordnungsmuster der M-Folge folgender Gestalt verwenden:
  000100110101111
• Für den Fall, dass das Anordnungsmuster der M-Folge zwei Gruppen umfasst, die oben und unten derart angeordnet sind, dass die Ziffern der oberen und der unteren Gruppe einander entsprechen, wie dies in Fig. 7(a) dargestellt ist, werden sämtliche Ziffern miteinander als Paare von Nullen und als Paare von Einsen kombiniert. Wenn die untere Gruppe um eine einzelne Ziffernstelle gegenüber der oberen Gruppe verschoben wird, wie dies in Fig. 7(b) gezeigt ist, so ergibt sich eine im Wesentlichen gleiche Anzahl für die Ziffernstellen, die sich zu Paaren von Einsen kombinieren, und auch für Ziffernstellen, die sich zu Paaren aus jeweils einer "1" und einer "0" kombinieren.
• Beim vorliegenden Beispiel sind die Gitter 81 und 82 in der reflektierenden Gitterzone 80 zum Nachweisen der Grundstellung auf der reflektierenden Gitterplatte 9 in der Weise angeordnet, dass eine "1" in dem M-Anordnungsmuster einem reflektierenden Gitter 81 entspricht, während eine "0" einem nicht reflektierenden Gitter 82 entspricht. In ähnlicher Weise sind die Fotodioden 5Z für das Erfassen der Z-Phase und die Fotodioden 5Z' zum Erfassen der Z'-Phase in der Fotodetektorzone 50, die zum Nachweisen der Grundstellung dient und auf der beweglichen Gitterplatte 6 ausgebildet ist, derart angeordnet, dass eine "1" in dem M-Anordnungsmuster einer Fotodiode 5Z entspricht, während eine "0" einer Fotodiode 5Z' entspricht. Speziell sind die reflektierenden Gitter 81 und die nicht reflektierenden Gitter 82 zum Nachweisen der Grundstellung auf der reflektierenden Gitterplatte 9 angeordnet, und die Fotodioden 5Z und 5Z' zum Nachweisen der Grundstellung befinden sich auf der beweglichen Gitterplatte 6, wie in der Fig. 7(c) gezeigt ist. Fig. 7 (d) zeigt eine Beziehung zwischen der reflektierenden Gitterplatte 9 und der beweglichen Gitterplatte 6, die dem Fall entspricht dass das Anordnungsmuster um eine Ziffernstelle verschoben ist, wie aus Fig. 7(b) hervorgeht.
• Die hier angebotene Beschreibung beschränkt sich auf die Intensität des Lichts, welche erhalten wird, wenn von einem reflektierenden Gitter 81 reflektiertes Licht von einer Fotodiode 5Z oder 5Z' empfangen wird, die sich gegenüber dem reflektierten Gitter 81 befindet. In dem in Fig. 7(c) dargestellten Fall empfangen sämtliche acht Fotodioden 5Z für die Z-Phasen-Detektion Licht, während die Anzahl von Stellen, an denen Licht von den Fotodioden 5Z' zur Erfassung der Z'-Phase empfangen wird, null beträgt. Folglich ist die Differenz der Lichtmenge zwischen den Fotodioden 5Z zum Erfassen der Z-Phase und den Fotodioden 5Z' zur Erfassung der Z'-Phase 8, wobei von der Annahme ausgegangen wird, dass die von einer einzelnen Fotodiode aufgenommene Lichtmenge den Wert 1 hat. Im Gegensatz dazu ist die von den Fotodioden 5Z zum Erfassen der Z-Phase empfangene Lichtmenge für den in Fig. 7(d) dargestellten Fall 4, die von den Fotodioden 5Z' zum Erfassen der Z'-Phase empfangene Lichtmenge beträgt 3, demzufolge beträgt die Differenz dieser Lichtmengen 1. Folglich ermöglicht das Erzeugen eines Differenzsignals basierend auf dem von den Fotodioden 5Z zur Z-Phasen-Detektion erhaltenen Detektorsignal und dem von den Fotodioden 5Z' für die Z'-Phasen-Detektion erhaltenen Detektorsignal die Erzeugung eines Detektorsignals mit maximalem Pegel in der Stellung, in welcher das Differenzsignal seinen Maximalwert hat, d. h. in der Grund- oder Ausgangsstellung (es ist dies die in Fig. 7(c) dargestellte Stellung der beweglichen Gitterplatte).
• Das M-Anordnungsmuster ist ein periodisches (2n-1)-Muster (mit n als natürlicher Zahl). Um ein Beispiel zu geben: Ein M-Anordnungsrnuster aus 63 Ziffern (n = 6) wurde als Anordnungsmuster für die Fotodioden 5Z und 5Z' zum Erfassen der Grundstellung und als das Anordnungsmuster der reflektierenden Gitter 81 und der nicht reflektierenden Gitter 82 zum Erfassen der Grundstellung verwendet, die Grafische Darstellung in Fig. 8 ist eine Darstellung, in der die Stärke oder Intensität des in diesem Fall für die Fotodioden 5Z der Z-Phase und die Fotodioden 5Z' der Z'-Phase gewonnenen Differenzsignals abhängig von der Bewegung der beweglichen Gitterplatte 6 aufgezeichnet ist.
• Man kann auch von der in Fig. 9 dargestellten Anordnung Gebrauch machen, die das Anordnungsmuster für die reflektierenden Gitter 81 und die nichtreflektierenden Gitter 82: darstellt, ausgebildet zum Nachweisen der Grundstellung auf der reflektierenden Gitterplatte 9. Entsprechend dem Dreifachgitter-Konzept kann ein reflektiertes Lichtbild mit starkem Kontrast dann erhalten werden, wenn die Beziehung 2P1 = P = 2P2 erfüllt ist, wobei P1, P und P2 die jeweiligen Teilungen oder Mittenabstände eines Transmissionsgitters (Objektgitters), eines reflektierenden Gitters (Pupillengitters) bzw. einer Fotodetektoranordnung (Bildgitter) sind. Im Hinblick auf diesen Umstand lässt sich ein Originalsignal mit hohem Kontrast durch ein Anordnungsmuster gewinnen, welches z. B. dadurch erhalten wird, dass das theoretische Anordnungsmuster der reflektierenden Gitter 81 und der nicht reflektierenden Gitter 82 nach Fig. 7(c) halbiert wird. Insbesondere besteht die Möglichkeit, ein Anordnungsmuster zu verwenden, bei dem reflektierende Gitter 81 und nicht-reflektierende Gitter 82 basierend auf dem M-Folgen-Anordnungsmuster, wie es in Fig. 9(a) dargestellt ist, jeweils ersetzt werden durch halbierte reflektierende Gitter 81(a) und 81(b) bzw. halbierte nicht-reflektierende Gitter 82(a) und 82(b), die die halbe Breite und die halbe Teilung besitzen, wie aus Fig. 9(b) hervorgeht.
Nachweisvorgang
• Bei dem gemäß diesem Ausführungsbeispiel aufgebauten linearen Projektionscodierer 1 ist die bewegliche Gitterplatte 6 monolithisch mit einem (nicht dargestellten) Messobjekt ausgebildet und wird in der Richtung bewegt, in welcher die Schlitze und die Fotodioden entlang der Richtung rechtwinklig zu der optischen Achse L angeordnet sind. Von der Lichtquelle 2 emittiertes Licht fällt zunächst auf die Rückseite der beweglichen Gitterplatte 6, läuft durch die Transmissionsgitter-Gruppe 3 auf der beweglichen Gitterplatte 6 und erzeugt Gitterstreifen auf der reflektierenden Gitterplatte 9, die sich an einer ortsfesten Stelle befindet. Reflektierende Gittergruppen 7 und 8 gleicher Breite sind ebenfalls mit konstanter Teilung auf der reflektierenden Gitterplatte 9 ausgebildet, so dass die Möglichkeit besteht, dass nur solche Lichtkomponenten reflektiert werden, die auf die reflektierenden Gitter 7 und 9 der reflektierenden Gitterplatte 9 auftrifft. Das reflektierte Gitterbild wird zurück auf die bewegliche Gitterplatte 6 gelenkt und wird von den Fotodioden-Gruppen 4 und 5 empfangen.
• Die Fotodioden 4 und die Transmissionsgitter-Gruppe 3, auf der beweglichen Platte 6 als vertikale Streifen geformt, fungieren als zwei Gitterplatten. Folglich wird die von der Fotodioden-Gruppe 4 empfangene Lichtmenge basierend auf dem Dreifachgitter-Konzept unter Einbeziehung der reflektierenden Gitter- Gruppe 7 umgewandelt in eine sinusförmige Wellenform entsprechend der Relativbewegung der reflektierenden Gitter-Gruppe 7 auf der ortsfesten Seite und der Transmissionsgitter-Gruppe 3 auf der beweglichen Seite. Damit besteht die Möglichkeit, ein Impulssignal zu gewinnen, welches der Relativ- Bewegungsgeschwindigkeit entspricht und auf dem Fotostrom der Fotodioden-Gruppe 4 basiert, und es besteht außerdem die Möglichkeit, die Relativgeschwindigkeit der Bewegung an Hand der Impulsgeschwindigkeit des Impulssignals zu berechnen.
• Darüber hinaus kann ein hochgenaues A-Phasen-Signal basierend auf dem Differenz-Ausgangssignal der Fotodioden 4A und 4A' gewonnen werden. Ferner kann ein hochgenaues B-Phasen-Signal an Hand des Differenz- Ausgangssignals der Fotodioden 4B und 4B' gewonnen werden. Die Laufrichtung der beweglichen Gitterplatte 6 lässt sich an Hand dieser beiden zweiphasigen Signale bestimmen.
• Ein weiteres Merkmal des linearen Projektionscodierers 10 dieser Ausführungsform besteht darin, dass ein Z-Signal zum Nachweisen der Grundstellung der beweglichen Gitterplatte 6 zusammen mit den A- und B-Phasen-Signalen gewonnen werden kann. Die Detektorsignale oder Nachweissignale werden von den Dioden 5Z und 5Z' während der Bewegung der beweglichen Gitterplatte 6 gewonnen, wie es in Verbindung mit den Fig. 7 und 8 erläutert wurde. Das Differenzsignal der Fotodioden 5Z und 5Z' erreicht seinen maximalen Pegel, und ein Z-Phasen-Signal wird mit hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit erreicht, wenn die bewegliche Gitterplatte 6 die Grundstellung erreicht.
Weitere Ausführungsformen
• Obschon das obige Beispiel an Hand eines Falls erläutert wurde, bei dem die reflektierende Gitterplatte mit den reflektierenden Gittern sich auf der ortsfesten Seite befand, besteht auch die Möglichkeit, die reflektierende Gitterplatte auf der beweglichen Seite anzuordnen und die bewegliche Platte auf der ortsfesten Seite anzuordnen.
• Bei der Lichtquelle kann es sich auch um eine Leuchtdiode, eine Laserlichtquelle, eine Halogenlampe oder einen anderen Typ von Lichtquelle handeln.
• Obschon das obige Beispiel an Hand eines linearen Codierers erläutert wurde, kann die Erfindung in gleicher Weise bei einem Drehcodierer eingesetzt werden. In diesem Fall werden die Lichttransmissionsgitter und die Fotodioden zweckmäßigerweise in konstanten Winkelintervallen in Umfangsrichtung ausgebildet.
• Wie oben ausgeführt wurde, besteht die Erfindung in der Schaffung eines Projektionscodierers, bei dem reflektierende Gitter und Transmissionsgitter auf der Grundlage des Dreifachgitter-Konzepts verwendet werden, wobei ein Bild des reflektierenden Gitters, welches den Nachweis von Information über die Relativbewegung dieser Gitter ermöglicht, von Fotodetektoren empfangen wird, wobei dieser Codierer derart aufgebaut ist, dass eine Fotodetektorzone zum Nachweisen der Grundstellung auf einem Substrat ausgebildet ist, welches mit Transmissionsgittern ausgestattet ist während eine Reflektionsgitterzone zum Nachweis der Grundstellung auf einer reflektierenden Gitterplate mit reflektierenden Gittern vorhanden ist. Fotodioden zur Z-Phasen-Erkennung und Fotodioden für die Z'-Phasen-Erkennung sind entsprechend einem M-Anordnungsmuster in der Fotodetektorzone zum Erkennen der Grundstellung angeordnet, und weiterhin sind die reflektierenden und nicht reflektierenden Gitter in der gleichen Weise gemäß dem M-Anordnungsmuster in der reflektierenden Gitterzone für den Nachweis der Grundstellung angeordnet.
• Hierdurch lässt sich ein Signal zum Erkennen der Grundstellung bei hohem Signalpegel in der Grundstellung gemäß der Erfindung erzeugen, indem man von den Fotodioden für die Z-Phase und den Fotodioden für die Z'-Phase ein Differenzsignal in solchen Anwendungen gewinnt, die das Nachweisen der Grundstellung beinhalten. Hierdurch ist es möglich, die Grundstellung exakt nachzuweisen, ohne dass eine Beeinflussung durch Schwankungen der Lichtmenge oder dergleichen stattfindet. Außerdem besteht die Möglichkeit des Aufbaus eines kompakten miniaturisierten Projektionscodierers mit Möglichkeit der Grundstellungs-Erkennung.

Claims (4)

1. Projektionscodierer, mit einer Lichtquelle, reflektierenden Gittern vorbestimmter Form und mit konstanter Teilung angeordnet, Transmissionsgittern mit vorbestimmter Form und mit konstanter Teilung angeordnet, und Fotodetektoren zum Empfangen eines reflektierten Lichtbilds, das von der Lichtquelle emittiert, von den Transmissionsgittern durchgelassen und von den reflektierenden Gittern reflektiert wird, wobei zumindest die Relativbewegungs-Stellung der reflektierenden Gitter und der Transmissionsgitter basierend auf einem von den Fotodetektoren erhaltenen Detektorsignal nachgewiesen wird, umfassend:
eine reflektierende Gitterplatte (9), auf der die reflektierenden Gitter ausgebildet sind;
ein Substrat (6), auf dem die Transmissionsgitter und die Fotodetektoren gebildet sind; und
einen Grundstellungs-Detektormechanismus (2, 10-14) zum Nachweisen der Grundstellung der reflektierenden Gitterplatte bezüglich des Substrats;
wobei der Grundstellungs-Detektormechanismus umfasst:
eine reflektierende Gitterzone, ausgebildet für den Nachweis der Grundstellung und auf der reflektierenden Gitterplatte ausgebildet; und
einen Fotodetektorbereich zum Nachweisen der Grundstellung, ausgebildet auf dem Substrat (6), wobei
nicht-reflektierende Gitter und reflektierende Gitter konstanter Breite entsprechend einem M-Anordnungsmuster in der reflektierenden Gitterzone zum Nachweis der Grundstellung angeordnet sind;
Z-Phasen- und Z'-Phasen-Fotodetektoren (5Z, 5Z') konstanter Breite zum Erhalten von Z-Phasen- und Z'-Phasen-Signalen unterschiedlicher Phase gemäß dem M-Anordnungsmuster in der Fotodetektorzone angeordnet sind, um die Grundstellung nachzuweisen; und
eine Lagebeziehung der reflektierenden Gitterzone zum Nachweisen der Grundstellung und der Fotodetektorzone zum Nachweisen der Grundstellung in der Weise eingerichtet ist, dass das von der reflektierenden Gitterzone reflektierte Lichtbild zum Nachweisen der Grundstellung in der Fotodetektorzone zum Nachweisen der Grundstellung empfangen werden kann.

2. Projektionscodierer nach Anspruch 1, bei dem auf dem Substrat, (6) ausgebildet sind:
eine Transmissionszone (3), in der die Transmissionsgitter (31) mit konstanter Teilung angeordnet sind, eine Lichtempfangszone (40), in der die Fotodetektoren (4A, 4B) mit konstanter Teilung auf einer Seite der Transmissionszone angeordnet sind, und eine Fotodetektorzone (50) zum Nachweisen der Grundstellung, in der die Z-Phasen-Fotodetektoren (5Z) und die Z'-Phasen-Fotodetektoren (5Z') mit einer konstanten Teilung auf der anderen Seite der Transmissionszone angeordnet sind; und wobei
auf der reflektierenden Gitterplatte (9) eine reflektierende Gitterzone ausgebildet ist, in der die reflektierenden Gitter mit konstanter Teilung an Stellen angeordnet sind, die der Lichtempfangszone gegenüber liegen können, und eine reflektierende Gitterzone (80) ausgebildet ist zum Erkennen der Grundstellung, in welcher die reflektierenden und die nichtreflektierenden Gitter (81, 82) mit konstanter Teilung an solchen Stellen angeordnet sind, die der Fotodetektorzone zum Nachweisen der Grundstellung gegenüber liegen können.

3. Projektionscodierer nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die reflektierenden und die nicht-reflektierenden Gitter (81, 82), die mit konstanter Teilung in der reflektierenden Gitterzone (8) zum Nachweis der Grundstellung angeordnet und auf der reflektierenden Gitterplatte (9) angeordnet sind, aus halbierten reflektierenden Gittern (81a, 81b) und aus halbierten nichtreflektierenden Gittern (82a, 82b) gebildet sind, welche die halbe Breite und die halbe Teilung der nicht-halbierten Gitter aufweisen.

4. Projektionscodierer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Grundstellungs-Detektoreinrichtung eine Signalverarbeitungseinheit (11) zum Nachweisen der Grundstellung an Hand des Differenzsignals zwischen einem von den Z-Phasen-Fotodetektoren erzeugten Detektorsignals und einem von den Z'-Phasen-Fotodetektoren erzeugten Detektorsignals aufweist.