DE112009001319B4

DE112009001319B4 - Optischer Encoder

Info

Publication number: DE112009001319B4
Application number: DE112009001319T
Authority: DE
Inventors: Hajime Nakajima; Takuya Noguchi; Takeshi Musha; Youichi Omura; Toshiro Nakashima; Tatsuya Nagatani; Takashi Iwamoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-06-05
Filing date: 2009-06-03
Publication date: 2013-06-06
Anticipated expiration: 2029-06-04
Also published as: TW201003044A; JPWO2009148066A1; CN102047078B; JP4854809B2; US8415610B2; KR20110015598A; WO2009148066A1; DE112009001319T5; US20110049341A1; TWI416082B; KR101184129B1; CN102047078A

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt einen optischen Encoder, welcher dazu in der Lage ist, die Genauigkeit von einem Interpolationswinkel in einer einzelnen Signalspur zu erhöhen, in einem Encoder vom Typ einer Sinuswellenwinkel-Interpolation bereit. Der optische Encoder enthält eine Wellenform, bei welcher eine phasenmodulierte Welle innerhalb einer vorbestimmten Periode über eine Sinuswelle von einer Grundperiode überlagert wird, als eine Signalspur (103), und einen optischen Erfasser (104) zum Extrahieren des Sinussignals und des Kosinussignals von der phasenmodulierten Welle. Eine Betriebseinheit (106) bearbeitet individuell elektrische Winkel von den Ausgangssignalen von einem ersten optischen Erfasser-Paar und einem zweiten optischen Erfasser-Paar, welche zu dem optischen Erfasser gehoren, und bestimmt die Summe und die Differenz von den elektrischen Winkeln, wodurch der elektrische Winkel und die phasenmodulierte Welle von der Grundperiode erlangt werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen optischen Encoder, welcher eine Lichtquelle, eine Signalspur, welche an einem Messobjekt angeordnet ist, und Lichtempfangselemente enthält, und welcher einen Versatz des Messobjektes bestimmt, indem ein Betrieb hinsichtlich der Ausgaben der Lichtempfangselemente durchgeführt wird.
STAND DER TECHNIK
Bei dem zuvor genannten optischen Encoder ist die Signalspur herkömmlicherweise beispielsweise derart ausgebildet, dass eine Größe eines durchdringenden Lichtes oder eine Größe eines reflektierten Lichtes, welches von der Lichtquelle über die Signalspur durch die Lichtempfangselemente erlangt wird, sinusförmig geändert wird. Zusätzlich enthält der optische Encoder einen Aufbau, bei welchem jedes Lichtempfangselement an einer Position angeordnet ist, welche bei einem 1/4-Abstand in der Sinusänderung in der Lichtgröße versetzt ist. Gemäß dieses Aufbaus können Signale, welche zueinander in der Phase um 90° versetzt sind, von den Lichtempfangselementen erlangt werden, und wird es möglich, eine Periode des Signals, welches von einem Muster von der Signalspur erlangt wird, in eine Mehrzahl von Segmenten zu unterteilen (siehe beispielsweise Patentdokument 1).
Bei einem optischen Encoder, welcher eine Mehrzahl von Beugungsgittern hat, gibt es ferner, um eine harmonische Storung von einem Ausgangssignal zu entfernen, einen Typ des optischen Encoders, bei welchem das Beugungsgitter kein Muster mit einem konstanten Abstand zwischen angrenzenden Mustern hat, und ein Muster mit einer vorbestimmten Phasendifferenz mit Bezug auf ein Muster von einer Referenzphase hat, und ein Muster hat, welches eine Phasendifferenz hat, welche einer Kombination von einer Summe von jeder Phasendifferenz entspricht (siehe beispielsweise Patentdokument 2).
Darüber hinaus wird ebenfalls eine Technik eines Vernier-Encoders vorgeschlagen, welcher eine Haupt-Schlitzspur, welche eine vorbestimmte Wellenanzahl hat, und eine Neben-Schlitzspur, welche eine Wellenanzahl hat, welche um eine bestimmte Wellenanzahl geringer als die vorbestimmte Wellenanzahl von der Haupt-Schlitzspur ist, enthält, und anhand einer Differenz eines elektrischen Winkels zwischen den zuvor genannten zwei Spuren ein langes Periodensignal erzeugt (siehe beispielsweise Patentdokument 3).
DOKUMENTE AUS DEM STAND DER TECHNIK
PATENT-DOKUMENTE

Patentdokument 1: ungeprüfte japanische Patentanmeldungs-Veröffentlichung No. S61-182522 ,
Patentdokument 2: ungeprüfte japanische Patentanmeldungs-Veröffentlichung No. H08-184466 , und
Patentdokument 3: ungeprüfte japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift No. H08-304113 .

US 7 291 832 B2 offenbart ein System und ein Verfahren zum Bereitstellen von Positionsmessinformationen. Dabei ist beschrieben, dass eine Rasterung mit zwei nebeneinander angeordneten Signalspuren dazu geeignet ist, einen Laserstrahl zu empfangen und einen Laserstrahl mit codierten Positionsinformationen zu reflektieren.
US 2007/0187581 A1 offenbart einen optischen Codierer mit einer Quelle inkohärenten Lichts sowie mit drei Gittern, die als Amplitudengitter mit einer ersten Gitterperiode, Phasengitter mit einer zweiten Gitterperiode und Amplitudengitter mit einer dritten Gitterperiode ausgebildet sind. Zudem ist ein Lichtempfangselement vorgesehen, um das Licht von dem dritten Gitter zu empfangen. Der Codierer ist dabei ausgebildet, eine relative Verlagerung zwischen den jeweiligen Gittern zu detektieren.
DE 11 2004 002 244 T5 beschreibt eine optische Codiereinrichtung mit einer optischen Skala, auf der ein lichtdurchlässiger Abschnitt und ein lichtundurchlässiger Abschnitt angeordnet sind. Der lichtdurchlässige Abschnitt ist dabei aus einer ebenen Oberfläche gebildet und der lichtundurchlässige Abschnitt besteht aus mindestens einem Paar geneigter Oberflächen, die so eingestellt sind, dass der Einfallswinkel der optischen Achse des einfallenden Lichts von der Lichtquelle nicht kleiner ist als der kritische Einfallswinkel. Diese Anordnung ermöglicht, dass ein emittiertes Licht als optischer Code gemäß verwendet werden kann. DE 11 2004 002 244 T5 macht hierzu spezifische Annahmen über die Geometrie und Reflektivität verschiedener lichtdurchlässiger und lichtundurchlässiger Abschnitte.
DE 694 18 819 T2 offenbart ein Gerät zur Erfassung relativer Rotationsinformationen mit einem zu messenden Objekt mit einem radialen Beugungsgitter, mit: einer Lichtquelle zum emittieren eines Messlichtstrahls, einem Zerlegungsbeugungsgitter zur Zerlegung des Messlichtstrahls in eine Vielzahl von Lichtstrahlen, einem Mischbeugungsgitter zum Mischen zumindest eines Satzes von Beugungslichtern aus einer Vielzahl von Beugungslichtern, die erzeugt werden, wenn die Vielzahl von Lichtstrahlen von dem radialen Gitter gebeugt wird, wodurch zumindest ein Interferenzlichtstrahl ausgebildet wird, und einem Erfassungsabschnitt.
DE 198 10 282 A1 offenbart eine optische Codiereinrichtung zur Erfassung einer Position eines zu erfassenden Objekts. Hierzu soll das zu erfassende Objekt einer Intensitätsmodulation unter Verwendung einer sinusförmigen Welle unterzogen werden. Anschließend wird in einer Verzweigungseinrichtung das intensitätsmodulierten Lichts in eine Vielzahl von ersten verzweigten intensitätsmodulierten Lichtzweigen verzweigt. Die Vielzahl von ersten verzweigten intensitätsmodulierten Lichtzweigen werden phasenmoduliert und dann intensitätsmoduliert, wodurch eine Vielzahl von zweiten intensitätsmodulierten Lichtzweigen erhalten wird. Hierbei kommen sinusförmige Wellen zum Einsatz, deren Phasen um 1/4 Periode voneinander verschoben sind. Schließlich erfasst eine Phasenerfassungseinrichtung einen Phasenunterschied zwischen den zusammengefügten zweiten intensitätsmodulierten Lichtzweigen und den ersten intensitätsmodulierten Lichtzweigen. US 5 537 210 A offenbart eine Rotationserfassungsvorrichtung mit einem Gitterabschnitt, der auf einem ersten von zwei Objekten angeordnet ist, deren Relativrotation zu erfassen ist, einen Lichtabstrahlabschnitt, der auf einem der zwei Objekte angeordnet ist, einen Lichtaufnahmeabschnitt und eine Einrichtung zum Erfassen der Daten zur Relativrotation des ersten und des zweiten Objekts auf der Grundlage des Lichts, das durch den Lichtaufnahmeabschnitt aufgenommen wird.
UMRISS DER ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDES PROBLEM
Bei dem optischen Encoder wird bei einer Erfassung unter Verwendung einer Sinuswellenwinkel-Interpolation eine Genauigkeit der Interpolation durch eine Schaltung beschränkt, welche einen Wert von der Sinuswelle erfasst. In einem Fall, bei welchem eine Absolutwert-Erfassung, welche eine hohe Auflösung erfordert, durchzuführen ist, müssen somit mehrere Signalspuren an einem Messobjekt angeordnet werden, und müssen Winkelpositionen von der Interpolation als sequenziell verbunden konfiguriert werden. Es gibt somit ein Problem hinsichtlich dessen, dass ein Bereich von der Skala zum Anordnen der Signalspuren groß wird.
Ferner, obwohl der Vorschlag zum Ändern des Musterintervalls, wie zuvor angegeben, umgesetzt wurde, gibt es beim Versuch, die Auflösung von der Sinuswellenwinkel-Interpolation zu erhöhen, herkömmlicherweise keine Technik, welche in Betracht kommt, sogar hinsichtlich einer Positionierung von den Lichtempfangselementen, als auch einer Technik zum Bearbeiten des Ausgangssignals.
Die vorliegende Erfindung dient dazu, um die zuvor genannten Probleme zu lösen, und hilft dabei, einen optischen Encoder bereitzustellen, welcher dazu in der Lage ist, die Genauigkeit des Interpolationswinkels bei einer einzelnen Signalspur zu verbessern.
MITTEL ZUM LÖSEN DES PROBLEMS
Um die obige Aufgabe zu lösen, ist die vorliegende Erfindung wie folgt aufgebaut.
Das heißt, dass ein optischer Encoder gemäß einem ersten Aspekt von der vorliegenden Erfindung eine Lichtquelle; eine einzelne Signalspur, welche an einem Messobjekt angeordnet ist, und dazu ausgelegt ist, einen Lichtfluss von der Lichtquelle gemäß einer Bewegung des Messobjektes zu modulieren, ein optisches Erfassungselement, welches dazu ausgelegt ist, den Lichtfluss von der Signalspur zu empfangen und den Lichtfluss in ein elektrisches Signal umzuwandeln und das elektrische Signal auszugeben; und eine Betriebseinheit, welche dazu ausgelegt ist, das Ausgangssignal von dem optischen Erfasser zu bearbeiten, enthält. Ferner ist der optische Encoder dadurch gekennzeichnet, dass: die Signalspur einen Aufbau enthält, welcher dazu ausgelegt ist, eine Intensität des Lichtes von der Lichtquelle sinusförmig zu modulieren und der Sinuswelle eine Phasenmodulation zu geben, welche sich alle mλ = Λ wiederholt (m ist eine natürliche Zahl), wobei λ eine Grundperiode ist; das optische Erfassungselement dazu ausgelegt ist, ein Sinussignal und ein Kosinussignal von dem sinusförmig modulierten Lichtfluss durch die Signalspur, welche die Phasenmodulation gibt, zu extrahieren; und wobei durch die Betriebseinheit Signale mit zwei Perioden von der einzelnen Signalspur erlangt werden, wobei eines ein Grundperiodensignal mit der Grundperiode λ ist, und das weitere Signal ein phasenmoduliertes Signal mit der Periode Λ ist.
Bei dem ersten Aspekt kann das optische Erfassungselement dazu ausgelegt sein, ein erstes optisches Erfassungspaar, welches ein Paar von optischen Erfassern enthält, welche dazu ausgelegt sind, ein Sinussignal und ein Kosinussignal von dem Lichtfluss zu extrahieren, welches durch die Signalspur sinusförmig moduliert ist, und ein zweites optisches Erfassungspaar, welches ein Paar von optischen Erfassern enthält, welche dazu ausgelegt sind, das Sinussignal und das Kosinussignal von dem Lichtfluss, welches durch die Signalspur sinusförmig moduliert ist, zu extrahieren, an jeweiligen Positionen zu positionieren, welche um eine Periode von {(2n + 1)Λ/2} mit Bezug auf die Periode Λ von der Phasenmodulation entfernt sind. Die Betriebseinheit kann dazu ausgelegt sein, um: einen elektrischen Winkel bei einer Position von sowohl dem ersten optischen Erfassungspaar als auch dem zweiten optischen Erfassungspaar von den Sinussignalen und den Kosinussignalen, welche von dem ersten optischen Erfassungspaar und dem zweiten optischen Erfassungspaar ausgegeben sind, zu bearbeiten; einen elektrischen Winkel in der Grundperiode λ durch ein Hinzufügen von jedem der erlangten elektrischen Winkel zu bearbeiten; und ein erstes phasenmoduliertes Signal zu bearbeiten, indem eine Differenz zwischen den erlangten elektrischen Winkeln bestimmt wird.
Bei dem ersten Aspekt kann das optische Erfassungselement ferner ein drittes optisches Erfassungspaar und ein viertes optisches Erfassungspaar enthalten, welche bei jeweiligen Positionen positioniert sind, welche um eine Periode von {(2n + 1)Λ/4} jeweils von dem ersten optischen Erfassungspaar und dem zweiten optischen Erfassungspaar entfernt sind, und den gleichen Aufbau wie das erste optische Erfassungspaar und das zweite optische Erfassungspaar haben. Die Betriebseinheit kann dazu ausgelegt sein, einen elektrischen Winkel des phasenmodulierten Signals von dem ersten phasenmodulierten Signal, welches von dem ersten optischen Erfassungspaar und dem zweiten optischen Erfassungspaar erlangt ist, und dem zweiten phasenmodulierten Signal, welches von dem dritten optischen Erfassungspaar und dem vierten optischen Erfassungspaar erlangt ist, zu bearbeiten.
Bei dem ersten Aspekt kann das optische Erfassungselement ein erstes optisches Erfassungspaar, welches ein Paar von optischen Erfassern enthält, welche dazu ausgelegt sind, das Sinussignal und das Kosinussignal von dem Lichtfluss, welches sinusförmig durch die Signalspur moduliert ist, zu extrahieren, und ein zweites optisches Erfassungspaar, welches ein Paar von optischen Erfassern enthält, welche dazu ausgelegt sind, das Sinussignal und das Kosinussignal von dem Lichtfluss, welches sinusförmig durch die Signalspur moduliert ist, zu extrahieren, an jeweiligen Positionen positionieren, welche um eine Periode von Λ/2 in der Periode Λ von der Phasenmodulation entfernt ist, und kann ferner ein drittes optisches Erfassungspaar und ein viertes optisches Erfassungspaar enthalten, welche an jeweiligen Positionen positioniert sind, welche um eine Periode von Λ/4 von jeweils dem ersten optischen Erfassungspaar und dem zweiten optischen Erfassungspaar entfernt sind, und den gleichen Aufbau wie das erste optische Erfassungspaar und das zweite optische Erfassungspaar haben. Die Betriebseinheit kann dazu ausgelegt sein, einen elektrischen Winkel von einer Position von jedem optischen Erfassungspaar von dem Sinussignal und dem Kosinussignal, welche jeweils von dem ersten optischen Erfassungspaar und dem zweiten optischen Erfassungspaar, als auch dem dritten optischen Erfassungspaar und dem vierten optischen Erfassungspaar ausgegeben werden, zu bearbeiten, einen elektrischen Winkel von der Grundperiode λ durch ein Hinzufügen von jedem der erlangten elektrischen Winkel zu bearbeiten, und ein erstes phasenmoduliertes Signal zu bearbeiten, indem Differenzen zwischen den jeweils erlangten elektrischen Winkeln bestimmt werden.
Bei dem ersten Aspekt kann die Betriebseinheit ferner dazu ausgelegt sein, einen elektrischen Winkel von einem phasenmodulierten Signal, basierend auf einer Differenz zwischen dem ersten phasenmodulierten Signal und dem zweiten phasenmodulierten Signal, zu bearbeiten, wobei das erste phasenmodulierte Signal von dem ersten optischen Erfassungspaar und dem zweiten optischen Erfassungspaar als auch dem dritten optischen Erfassungspaar und dem vierten optischen Erfassungspaar bearbeitet wird, und wobei das zweite phasenmodulierte Signal von dem zweiten optischen Erfassungspaar und dem dritten optischen Erfassungspaar als auch dem vierten optischen Erfassungspaar und dem ersten optischen Erfassungspaar bearbeitet wird.
Bei dem ersten Aspekt kann das Messobjekt zusätzlich zu einer ersten Signalspur, welche die zuvor genannte Signalspur ist, eine zweite Signalspur enthalten, welche sich von der ersten Signalspur unterscheidet. Das optische Erfassungselement kann derart angeordnet sein, dass es jeder der Signalspuren entspricht. Die erste Signalspur kann eine Signalspur sein, welche eine phasenmodulierte Sinuswelle erzeugt. Die zweite Signalspur kann eine Signalspur sein, welche die sinusförmige Lichtintensitäts-Modulation von einer einzelnen Periode durchführt, welche eine höhere Frequenz als eine Auflosung hat, welche durch die erste Signalspur verarbeitet werden kann.
Bei dem ersten Aspekt kann das Messobjekt zusätzlich zu einer ersten Signalspur, welche die Signalspur ist, eine zweite Signalspur enthalten, welche sich von der ersten Signalspur unterscheidet. Das optische Erfassungselement kann derart angeordnet sein, dass es jeder Signalspur entspricht. Die erste Signalspur kann eine Signalspur sein, welche die phasenmodulierte Sinuswelle erzeugt. Die zweite Signalspur kann eine Signalspur sein, welche die sinusformige Lichtintensitats-Modulation von einer einzelnen Periode durchführt, welche eine geringere Frequenz als eine Auflösung hat, welche durch die erste Signalspur verarbeitet werden kann.
Bei dem ersten Aspekt kann die zweite Signalspur eine Signalspur sein, welche die sinusförmige Lichtintensitäts-Modulation von einer einzelnen Periode durchführt, wobei sich eine Wellenanzahl n von der zweiten Signalspur von einer Anzahl j von einer Wellenanzahl L von der ersten Signalspur unterscheidet.
Bei dem ersten Aspekt kann ein Spurradius von der ersten Signalspur gleich R(L/n) sein, wobei ein Spurradius von der zweiten Signalspur gleich R beträgt.
Ein optischer Encoder gemäß einem zweiten Aspekt von der vorliegenden Erfindung enthält eine Lichtquelle; eine Skala, welche eine erste Spur und eine zweite Spur enthält, welche an einem Messobjekt angeordnet sind, welche jeweils dazu ausgelegt sind, einen Lichtfluss von der Lichtquelle gemäß einer Bewegung des Messobjektes zu modulieren; ein optisches Erfassungselement, welches dazu ausgelegt ist, den modulierten Lichtfluss von der Skala zu empfangen, den Lichtfluss in ein elektrisches Signal umzuwandeln und das elektrische Signal auszugeben; und eine Betriebseinheit, welche dazu ausgelegt ist, eine Position des Messobjektes durch ein Bearbeiten des Ausgangssignals von dem optischen Erfasser zu bearbeiten. Ferner ist der optische Encoder dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spur durch ein festgelegtes periodisches Muster mit einer Wellenanzahl n mit Bezug auf eine Periode Λ aufgebaut ist, welche die gesamte erste Spur in k Segmente unterteilt; die zweite Spur dazu ausgelegt ist, eine Wellenanzahl zu haben, welche sich um eine Anzahl m von der Wellenanzahl n von der ersten Spur unterscheidet, und durch eine Funktion phasenmoduliert ist, welche sich mit der Periode Λ andert; der optische Erfasser ist dazu ausgelegt, einen ersten optischen Erfasser, welcher entsprechend der ersten Spur angeordnet ist, und eine Mehrzahl von optischen Erfassern, welche entsprechend der zweiten Spur angeordnet sind und um eine Λ/4-Periode voneinander versetzt sind, zu enthalten; und die Betriebseinheit ist dazu ausgelegt, ein langes Periodensignal zu bestimmen, indem eine Differenz in bearbeiteten Ausgaben von elektrischen Winkeln bearbeitet wird, welche von einem Ausgangssignal von dem ersten optischen Erfasser und einem Ausgangssignal von dem zweiten optischen Erfasser bestimmt sind, eine Absolutposition innerhalb der Periode Λ zu bestimmen, indem eine Differenz in bearbeiteten Ausgaben von elektrischen Winkeln bearbeitet wird, welche von Ausgangssignalen von dem zweiten optischen Erfasser bestimmt sind, und eine Vernier-Ausgabe zu bestimmen, welche sich innerhalb der Periode Λ gleich m-Mal wiederholt, indem eine Summe von den bearbeiteten Ausgaben von elektrischen Winkeln bearbeitet wird.
Der zweite Aspekt kann ferner ein festgelegtes Gitter enthalten, welches fest zwischen der Lichtquelle und der ersten und zweiten Spur von der Skala angeordnet ist. Das optische Erfassungselement kann dazu ausgelegt sein, ein Gitterbild zu erfassen, welches durch das festgelegte Gitter und die Skala erzeugt ist.
Bei dem zweiten Aspekt können sowohl die erste Spur als auch die zweite Spur von der Skala ein Phasengitter haben, welches die Phase des Lichts moduliert.
VORTEILE DER ERFINDUNG
Der optische Encoder gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält den optischen Erfasser, welcher der einzelnen Signalspur und der Betriebseinheit gegenüberliegt, wobei von diesem optischen Erfasser Sinussignale und Kosinussignale, welche eine Mehrzahl von unterschiedlichen Perioden haben, erlangt werden können. Das heißt, dass zwei periodische Signale mit unterschiedlichen Perioden von der einzelnen Signalspur erlangt werden können. Somit wird eine Wirkung zum Reduzieren der Größe von der Skala, welche die Signalspur hat, erzielt, und kann der elektrische Winkel, welcher in der einzelnen Signalspur interpoliert werden kann, anhand der zuvor erwähnten zwei periodischen Signale bestimmt werden, wodurch eine Verbesserung der Interpolationsauflösung, verglichen mit der herkömmlichen, erzielt werden kann. Genauer gesagt kann der elektrische Winkel, welcher interpoliert werden kann, anhand der Summe von den jeweiligen elektrischen Winkeln von dem ersten optischen Erfasser-Paar und dem zweiten optischen Erfasser-Paar von dem optischen Erfasser bestimmt werden.
Gemäß dem optischen Encoder von dem zweiten Aspekt, können, indem er die zweite Spur, den zweiten optischen Erfasser und die Betriebseinheit enthält, Sinuswellenausgaben, welche eine Mehrzahl von Perioden haben, von der zweiten Spur erlangt werden. Bei der einzelnen Spur wird somit der elektrische Winkel, welcher interpoliert werden kann, durch die Summe von interpolierten elektrischen Winkeln von der zuvor genannten Mehrzahl von Perioden erlangt, und kann somit die Auflösung von der Interpolation verbessert werden.
Darüber hinaus, wie oben beschrieben, da die Sinuswellenausgaben von der Mehrzahl von Perioden von der einzelnen Spur erlangt werden konnen, gibt es keine Notwendigkeit, eine Mehrzahl von Spuren bereitzustellen, wodurch die Größenreduktion von der Skala ebenso erzielt werden kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine Perspektivansicht eines Aufbaus von einem optischen Encoder einer ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Draufsicht von einer Signalspur von dem in 1 gezeigten optischen Encoder.
3 ist eine vergrößerte Ansicht von der in 2 gezeigten Signalspur.
4 ist eine lineare Explosionsansicht von der in 2 gezeigten Signalspur.
5 ist eine Ansicht, welche einen Aufbau eines optischen Erfassers erläutert, welcher in dem in 1 gezeigten optischen Encoder enthalten ist, und ist eine lineare Explosionsansicht des optischen Erfassers.
6 ist eine Ansicht, welche einen Aufbau eines optischen Erfassers erläutert, welcher in einem optischen Encoder von einer zweiten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung enthalten ist, und ist eine lineare Explosionsansicht von dem optischen Erfasser.
7 ist eine vergrößerte Ansicht von einer Signalspur eines optischen Encoders einer vierten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine vergrößerte Ansicht von einer Signalspur von einem optischen Encoder einer sechsten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine vergrößerte Ansicht von einer Signalspur von einem optischen Encoder einer siebten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
10 ist ein Aufbaudiagramm von einem optischen Encoder einer achten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
11 ist eine Draufsicht von einer Signalspur des optischen Encoders der achten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
12 ist eine Draufsicht von einer Signalspur von einem optischen Encoder einer neunten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
13 ist eine lineare Explosionsansicht, welche einen Vernier-Typ von einer Signalspur von einem optischen Encoder einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
14 ist eine lineare Explosionsansicht von der Signalspur von dem optischen Encoder in der zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
15 ist eine lineare Explosionsansicht von Erfassungsschlitzen von dem optischen Encoder in der zehnten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
16 ist eine lineare Explosionsansicht, welche eine Leistung des Erfassungsschlitzes von dem optischen Encoder in der zehnten Ausführungsform gemaß der vorliegenden Erfindung zeigt.
17 ist ein Aufbaudiagramm von einem optischen Encoder in einer elften Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
BESTER MODUS ZUR DURCHFUHRUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden werden optische Encoder von Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnung erläutert. Es ist zu erwähnen, dass in jeder von den Figuren gleiche Bezugszeichen für Bauteile gegeben sind, welche identisch oder ähnlich sind.
1. Ausführungsform
1 ist ein Aufbaudiagramm eines optischen Encoders 100 von der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Der optische Encoder 100 enthält eine Lichtquelle 101, eine Skala 102, ein optisches Erfassungselement 104 und eine Betriebseinheit 106, welche mit dem optischen Erfassungselement 104 verbunden ist.
Als Lichtquelle 101 kann beispielsweise eine LED, LD, usw. verwendet werden. Die Skala 102 ist zwischen der Lichtquelle 101 und dem optischen Erfassungselement 104 angeordnet, ist eine Scheibe, welche an einer Drehwelle 105 befestigt ist, welche in dieser ersten Ausführungsform ein Messobjekt ist, und enthält eine einzelne Signalspur 103, welche entlang eines Umfangs davon angeordnet ist, um einen Lichtfluss von der Lichtquelle 101 zu modulieren. Die Signalspur 103 ist derart gemustert, dass sie einem Drehwinkel von der Drehwelle 105 entspricht.
Das optische Erfassungselement 104 empfängt den Lichtfluss von der Signalspur 103, wandelt diesen in ein elektrisches Signal um, und gibt das elektrische Signal der Betriebseinheit 106 aus. Obwohl Details hiervon später beschrieben werden, enthält die Betriebseinheit 106 funktionell ein elektrisches Winkelbetriebselement 106a, ein Summierungselement 106b und ein Subtraktionselement 106c, und bearbeitet den Drehwinkel oder eine Drehposition von der Skala 102, das heißt die Drehwelle 105, und gibt diesen aus.
In der ersten Ausfuhrungsform, wie in den Zeichnungen gezeigt und oben angegeben, verwendet der optische Encoder 100 ein Beispiel eines Dreh-Encoders, ist jedoch nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Die vorliegende Erfindung kann ebenso bei einer Ausführungsform eines linearen Encoders angewendet werden. In der ersten Ausfuhrungsform erfasst das optische Erfassungselement 104 ferner den Lichtfluss von der Lichtquelle 101, welcher durch die Signalspur 103 durchdrungen ist, jedoch ist das optische Erfassungselement 104 nicht auf dieses Beispiel beschränkt, und kann somit dazu ausgelegt sein, das reflektierte Licht zu erfassen.
2 zeigt ferner einen Aufbau von der Signalspur 103 von der Skala 102; und 3 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Bereiches „A”, welcher durch eine gestrichelte Linie in 2 angezeigt ist. Ferner ist 4 eine lineare Explosionsansicht von einem Muster von der Signalspur 103 von 3 zum Zwecke eines einfacheren Verständnisses.
Das Muster in der Signalspur 103 gibt eine sinusförmige Modulation auf das Licht von der Lichtquelle 101. Ein dunkler Abschnitt (schraffierter Bereich) 115 und ein heller Abschnitt 116 sind fur die Modulation abwechselnd als Muster auf der Signalspur 103 ausgebildet, und das Muster ergibt eine Phasenmodulation, welche zu jeder Periode von Λ = mλ („m” ist eine natürliche Zahl) mit einer Grundperiode von λ wiederholt wird. Darüber hinaus ist die Periode von Λ von der Phasenmodulation ein Winkel, welcher einen Umfang von der Signalspur 103 in k gleiche Segmente unterteilt. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird angenommen, dass gilt k = 16 und m = 8.
Wie in 2 und 3 gezeigt, enthält das optische Erfassungselement 104 optische Erfasser 107 bis 114. Die optischen Erfasser 107 bis 114 sind derart angeordnet, dass sie der einzelnen Signalspur 103 gegenüberliegen. Ferner sind die optischen Erfasser 107, 109, 111 und 113 entlang einer Umfangsrichtung von der Skala auf dem gleichen Radius an einer äußeren Umfangsseite von der Skala 102 angeordnet, und geben Sinuswellen mit einer phasenmodulierten Wellenform aus, wie später detailliert beschrieben wird. Die optischen Erfasser 108, 110, 112 und 114 sind entlang der Umfangsrichtung auf dem gleichen Radius an einer inneren Umfangsseite von der Skala 102 mit Bezug auf die optischen Erfasser 107, 109, 111 und 113 angeordnet, und geben Kosinuswellen mit einer phasenmodulierten Wellenform aus, wie später detailliert beschrieben wird. Darüber hinaus ist jedes der Paare des optischen Erfassers 107 und des optischen Erfassers 108, des optischen Erfassers 109 und des optischen Erfassers 110, des optischen Erfassers 111 und des optischen Erfassers 112, und des optischen Erfassers 113 und des optischen Erfassers 114 entlang eines Durchmessers von der Skala 102 angeordnet, welcher sich von Durchmessern von anderen Paaren unterscheidet. Ferner bilden der optische Erfasser 107 und der optische Erfasser 108 ein erstes optisches Erfasser-Paar, bilden der optische Erfasser 109 und der optische Erfasser 110 ein zweites optisches Erfasser-Paar, bilden der optische Erfasser 111 und der optische Erfasser 112 ein drittes optisches Erfasser-Paar, und bilden der optische Erfasser 113 und der optische Erfasser 114 ein viertes optisches Erfasser-Paar.
Mit Bezug auf das wie oben ausgebildete Muster von der Signalspur 103, wie in 3 gezeigt, sind gemäß der vorliegenden Ausfuhrungsform das erste optische Erfasser-Paar, welches den optischen Erfasser 107 und den optischen Erfasser 108 enthält, und das zweite optische Erfasser-Paar, welches den optischen Erfasser 109 und den optischen Erfasser 110 enthält, an jeweiligen Positionen angeordnet, welche um eine Periode von Λ/2 (im Allgemeinen eine Periode von {(2n + 1)Λ/2}, wobei n eine Ganzzahl ist, welche gleich oder größer als 0 ist) voneinander entfernt sind. Ähnlich sind das dritte optische Erfasser-Paar, welches den optischen Erfasser 111 und den optischen Erfasser 112 enthält, und das vierte optische Erfasser-Paar, welches den optischen Erfasser 113 und den optischen Erfasser 114 enthält, an jeweiligen Positionen angeordnet, welche um die Periode von Λ/2 (im Allgemeinen die Periode von {(2n + 1)Λ/2}) voneinander entfernt sind. Ferner sind das erste optische Erfasser-Paar und das dritte optische Erfasser-Paar, das dritte optische Erfasser-Paar und das zweite optische Erfasser-Paar, als auch das zweite optische Erfasser-Paar und das vierte optische Erfasser-Paar jeweils an Positionen angeordnet, welche um eine Periode von Λ/4 (im Allgemeinen eine Periode von {(2n + 1)Λ/4}) voneinander entfernt sind.
Darüber hinaus sind die optischen Erfasser 107 bis 114 wie in 5 gezeigt aufgebaut. Es ist zu erwähnen, dass 5, welche der schematischen Darstellung in 4 entspricht, jeden der in 3 gezeigten optischen Erfasser zeigt, und zwar in einem Zustand, bei welchem die optischen Erfasser linear angeordnet sind. Der optische Erfasser 107 und der optische Erfasser 108, welche das erste optische Erfasser-Paar ausbilden, werden im Folgenden als ein Beispiel beschrieben. Der optische Erfasser 107 enthält Teil-Erfasser 107a, 107b und 107c, und der optische Erfasser 108 enthält Teil-Erfasser 108a und 108b. Die Teil-Erfasser 107b und 107c sind jeweils derart ausgebildet, dass sie den halben Bereich des Teil-Erfassers 107a haben, und sind, wobei der Teil-Erfasser 107a zwischen ihnen zwischengesetzt ist, bei Positionen angeordnet, welche um die Hälfte der Grundperiode λ mit Bezug auf den Teil-Erfasser 107a versetzt sind. Der Teil-Erfasser 108a und der Teil-Erfasser 108b haben die gleiche Bereichsgröße und sind bei Positionen angeordnet, welche um die halbe Grundperiode λ versetzt sind. Ferner sind der Teil-Erfasser 107a und die Teil-Erfasser 108a und 108b mit einem Versatz von einem Viertel der Grundperiode λ, welche ihnen gegeben ist, angeordnet. Weitere optische Erfasser, das heißt der optische Erfasser 109 und der optische Erfasser 110, welche das zweite optische Erfasser-Paar bilden, der optische Erfasser 111 und der optische Erfasser 112, welche das dritte optische Erfasser-Paar bilden, und der optische Erfasser 113 und der optische Erfasser 114, welche das vierte optische Erfasser-Paar bilden, ebenso mit einem Aufbau ausgebildet, welcher ähnlich jenem von dem ersten optischen Erfasser-Paar ist.
Die Leistung des optischen Encoders 100 von der ersten Ausführungsform, welcher den zuvor erwähnten Aufbau hat, wird im Folgenden beschrieben.
Wie zuvor erwähnt, wird bei dem Signalmuster von der Signalspur 103, welchem die Phasenmodulation gegeben ist, welche zu jeder Periode von Λ = mλ mit der Grundperiode λ wiederholt wird, ein elektrischer Winkelursprung 117 (4) des phasenmodulierten Musters um δ(θ) mit Bezug auf einen elektrischen Winkelursprung 117a von der Grundperiode λ, wie durch eine gestrichelte Linie angezeigt, gemäß der Phasenmodulation versetzt. Beispielsweise kann eine Wellenform f[θ] und eine Wellenform δ[θ] des phasenmodulierten Musters durch eine Intensitätsmodulation wie folgt gegeben werden: [Formel 1]
[Formel 2]
Ferner, wie zuvor mit Bezug auf 5 erwähnt, in jenem Zustand, bei welchem beispielsweise die Teil-Erfasser 107a, 107b, 107c, welche den optischen Erfasser 107 aufbauen, bei vorbestimmten Positionen angeordnet sind, und die Teil-Erfasser 108a, 108b, welche den optischen Erfasser 108 aufbauen, bei vorbestimmten Positionen angeordnet sind, wobei der Mittelpunkt von dem Teil-Erfasser 107a gleich einem Referenzpunkt ist, wird eine Ausgabe f7a[θ] des Teil-Erfassers 107a gegeben durch: [Formel 3]
In diesem Fall kann eine Ausgabe f7b[θ] des Teil-Erfassers 107b und eine Ausgabe f7c[θ] des Teil-Erfassers 107c jeweils ausgedrückt werden durch: [Formel 4]
[Formel 5]
In einem Fall, bei welchem β klein ist und m groß ist, kann f7a[θ] – (f7b[θ] + f7c[θ]) angenähert werden, wie in der folgenden Formel: [Formel 6]
Es ist zu erwähnen, dass β eine Phasenamplitude von der phasenmodulierten Welle darstellt, welche nach freiem Ermessen innerhalb von 0 < β < π eingestellt werden kann, wobei m eine natürliche Zahl ist.
Ferner können eine Ausgabe f8a[θ] des Teil-Erfassers 108a und eine Ausgabe f8b[θ] des Teil-Erfassers 108b jeweils ausgedrückt werden durch: [Formel 7]
[Formel 8]
In einem Fall, bei welchem β klein ist und m groß ist, kann hier f8a[θ] – f8b[θ] zu der folgenden Formel angenähert werden: [Formel 9]
An einer identischen Position θ gibt der optische Erfasser 107 somit ein Sinussignal aus und gibt der optische Erfasser 108 ein Kosinussignal aus.
Auf das Sinussignal von dem optischen Erfasser 107 und das Kosinussignal von dem optischen Erfasser 108 wird in dem elektrischen Winkelbetriebselement 106a von der Betriebseinheit 106 eine Division durchgeführt, das heißt, dass der elektrische Winkel, welcher durch eine Formel (10) wie unten angegeben durch eine Arcustangensoperation erlangt wird. [Formel 10]
Darüber hinaus sind der optische Erfasser 109 und der optische Erfasser 110, welche das zweite optische Erfasser-Paar aufbauen, an Positionen angeordnet, welche um eine halbe Periode von der phasenmodulierten Periode, das heißt Λ/2 mit Bezug auf den optischen Erfasser 107 und den optischen Erfasser 108, welche das erste optische Erfasser-Paar aufbauen, versetzt sind. Bei der Ausgabe von der Arcustangensoperation, welche von dem optischen Erfasser 109 und dem optischen Erfasser 110 erlangt wird, wird somit, wie in einer Formel (11) unten angezeigt, das Vorzeichen von dem phasenmodulierten Vorzeichen im Vergleich zu jenem in der Formel (10) invertiert. [Formel 11]
Bei dem Summierungselement 106b von der Betriebseinheit 106 werden ferner ein Betriebsergebnis von dem elektrischen Winkel, wie in der Formel (10) angezeigt, durch den optischen Erfasser 107 und den optischen Erfasser 108, welche das erste optische Erfasser-Paar aufbauen, und ein Betriebsergebnis des elektrischen Winkels, wie in der Formel (11) angezeigt, durch den optischen Erfasser 109 und den optischen Erfasser 110, welche das zweite optische Erfasser-Paar aufbauen, summiert. Anhand dieses Summierbetriebes wird ein elektrischer Winkel von der Grundperiode, wie in der folgenden Formel (12) angezeigt, erlangt. [Formel 12]
In dem Subtraktionselement 106c von der Betriebseinheit 106 wird ferner durch Bearbeiten einer Subtraktion von dem Betriebsergebnis des elektrischen Winkels, wie in der Formel (10) angezeigt, und des Betriebsergebnisses des elektrischen Winkels, wie in der Formel (11) angezeigt, eine phasenmodulierte Komponente extrahiert, wie in einer Formel (13) angezeigt. [Formel 13]
Von einem Signal von einer phasenmodulierten Periode Λ, wie durch die Formel (13) erlangt, kann ein Interpolationswinkel erfasst werden. Um die Genauigkeit des Interpolationswinkels zu erhöhen, werden jedoch vorzugsweise folgende Techniken verwendet.
Das heißt, dass das Signal von der phasenmodulierten Periode Λ ein Sinussignal ist, wie in der Formel (13) angezeigt, und dass eine Positionsabhängigkeit in einer Auflösung des elektrischen Winkels vorliegt.
Andererseits sind die optischen Erfasser 111, 112, welche das dritte optische Erfasser-Paar aufbauen, und die optischen Erfasser 113, 114, welche das vierte optische Erfasser-Paar aufbauen, an jeweiligen Positionen angeordnet, welche um eine viertel Periode von der phasenmodulierten Periode (Λ/4) voneinander mit Bezug auf die optischen Erfasser 107, 108, welche das erste optische Erfasser-Paar aufbauen, und die optischen Erfasser 109, 110, welche das zweite optische Erfasser-Paar aufbauen, versetzt sind. In Bezugnahme auf die optischen Erfasser 111, 112 von dem dritten optischen Erfasser-Paar und die optischen Erfasser 113, 114 von dem vierten optischen Erfasser-Paar, wird somit, ähnlich des Falles des zuvor genannten ersten optischen Erfasser-Paars und des zweiten optischen Erfasser-Paars, eine Differenz von den Betriebsergebnissen von den elektrischen Winkeln in der Betriebseinheit 106 bearbeitet. Wie in einer folgenden Formel (14) angezeigt, kann somit ein phasenmoduliertes Signal mit einer Kosinuswellenform, welche um eine 90-Grad-Phase von dem elektrischen Winkel in Relation zu der Formel (13) verschoben ist, erlangt werden. [Formel 14]
Darüber hinaus wird in dem Betriebselement 106a des elektrischen Winkels von der Betriebseinheit 106 ein Arcustangensbetrieb von dem phasenmodulierten Signal, wie in der Formel (13) angezeigt, welches von dem ersten optischen Erfasser-Paar und dem zweiten optischen Erfasser-Paar erlangt wird, und dem phasenmodulierten Signal, wie in der Formel (14) angezeigt, welches von dem dritten optischen Erfasser-Paar und dem vierten optischen Erfasser-Paar erlangt ist, durchgeführt. Aus dem Ergebnis dieses Betriebes kann ein elektrischer Winkel von 2πθ/Λ von der Periode Λ, welcher in der Auflösung des elektrischen Winkels keine Positionsabhängigkeit hat, erlangt werden.
Wie zuvor erwähnt, kann gemäß des optischen Encoders von der vorliegenden ersten Ausführungsform, der elektrische Winkel von dem phasenmodulierten Signal mit einer höheren Genauigkeit bestimmt werden. Aufgrund dessen kann der optische Encoder, welcher verglichen mit herkömmlichen Encodern, eine höhere Auflösung hat, bereitgestellt werden.
2. Ausführungsform
Wie oben angegeben, ist jeweils bei dem optischen Encoder gemäß der ersten Ausführungsform das erste optische Erfasser-Paar durch den optischen Erfasser 107 und den optischen Erfasser 108 ausgebildet, ist das zweite optische Erfasser-Paar durch den optischen Erfasser 109 und den optischen Erfasser 110 ausgebildet, ist das dritte optische Erfasser-Paar durch den optischen Erfasser 111 und den optischen Erfasser 112 ausgebildet, und ist das vierte optische Erfasser-Paar durch den optischen Erfasser 113 und den optischen Erfasser 114 ausgebildet.
Verglichen mit der ersten Ausführungsform, ist jeweils in der vorliegenden Ausführungsform ein erstes optisches Erfasser-Paar durch den optischen Erfasser 107 und den optischen Erfasser 111 als auch den optischen Erfasser 108 und den optischen Erfasser 112 ausgebildet, ist ein zweites optisches Erfasser-Paar durch den optischen Erfasser 109 und den optischen Erfasser 113 als auch den optischen Erfasser 110 und den optischen Erfasser 114 ausgebildet, ist ein drittes optisches Erfasser-Paar durch den optischen Erfasser 111 und den optischen Erfasser 109 als auch den optischen Erfasser 112 und den optischen Erfasser 110 ausgebildet, und ist ein viertes optisches Erfasser-Paar durch den optischen Erfasser 113 und den optischen Erfasser 107 als auch den optischen Erfasser 114 und den optischen Erfasser 108 ausgebildet. Weitere Aufbauten sind identisch zu jenen des optischen Encoders gemäß der ersten Ausführungsform.
Ferner wird eine genaue Erläuterung mit dem ersten optischen Erfasser-Paar als ein Beispiel gegeben. Es ist zu erwähnen, dass die gleiche Erläuterung wie im Folgenden, ähnlich auf die weiteren optischen Erfasser-Paare anwendbar ist.
Wie bei der ersten Ausführungsform erläutert, wird eine Sinuswellenausgabe von dem optischen Erfasser 107 und dem optischen Erfasser 111 erlangt, welche an dem gleichen Umfang an der Außenumfangsseite angeordnet sind, und wird eine Kosinuswellenausgabe von dem optischen Erfasser 108 und dem optischen Erfasser 112 erlangt, welche an der Innenumfangsseite angeordnet sind. Bei dem Betriebselement 106a des elektrischen Winkels von der Betriebseinheit 106 wird eine Teilung der Sinuswellenausgabe und der Kosinuswellenausgabe durchgeführt, das heißt, dass eine Arcustangensoperation durchgeführt wird, und kann daher ein elektrischer Winkel, welcher ähnlich zu jenem ist, welcher in der Formel (10) angezeigt ist, erlangt werden.
Das erste optische Erfasser-Paar und das zweite optische Erfasser-Paar als auch das dritte optische Erfasser-Paar und das vierte optische Erfasser-Paar von der zweiten Ausführungsform haben, ähnlich dem Fall von der ersten Ausführungsform, eine Phasenbeziehung, welche um eine halbe Periode von der phasenmodulierten Periode, das heißt um Λ/2, versetzt ist. Darüber hinaus haben das erste optische Erfasser-Paar und das dritte optische Erfasser-Paar als auch das zweite optische Erfasser-Paar und das vierte optische Erfasser-Paar von der vorliegenden zweiten Ausführungsform eine Phasenbeziehung, welche um ein Viertel von der Periode von der phasenmodulierten Periode, das heißt um Λ/4, versetzt ist. Wie bei der ersten Ausführungsform erläutert, wird daher ein elektrischer Winkel von der Grundperiode durch den Betrieb von der obigen Formel (12) bestimmt, und wird eine phasenmodulierte Komponente durch den Betrieb von der obigen Formel (13) extrahiert.
Wie bei dem optischen Encoder gemäß der zweiten Ausführungsform, das heißt durch ein gemeinsames Nutzen der Ausgabe von dem optischen Erfasser 107 und dem optischen Erfasser 108 zwischen den zwei optischen Erfassern, das heißt das erste optische Erfasser-Paar und das vierte optische Erfasser-Paar, kann die Ausgabe des Signals, welches der Betriebseinheit 106 eingegeben wird, verglichen mit dem Fall der ersten Ausfuhrungsform, verdoppelt werden. Gemäß dem optischen Encoder von der zweiten Ausführungsform, zusatzlich zum Erzielen der Wirkung wie in der obigen ersten Ausführungsform, hat der optische Encoder daher einen Vorteil, dass der elektrische Winkel von dem phasenmodulierten Signal mit einer höheren Genauigkeit bestimmt werden kann, und zwar sogar in einem Fall, bei welchem lediglich ein undeutliches Signal erfasst werden kann.
3. Ausführungsform
6 zeigt ein schematisches Diagramm von einer Anordnung von jeweiligen optischen Erfassern, welche ein optisches Erfassungselement 104-3 aufbauen, welches in einem optischen Encoder von der dritten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt ist. Es ist zu erwähnen, dass in 6 die jeweiligen optischen Erfasser auf Art und Weise einer linearen Explosionsansicht ähnlich zu dem Fall in 5 gezeigt sind.
Der grundlegende Aufbau des optischen Encoders von der vorliegenden dritten Ausführungsform ist ähnlich zu jenem von der ersten und zweiten Ausführungsform, jedoch unterscheidet sich der Aufbau von dem optischen Erfassungselement hiervon. Das heißt, dass das optische Erfassungselement 104-3, welches in dem optischen Encoder von der vorliegenden dritten Ausführungsform bereitgestellt ist, ferner einen optischen Erfasser 125 und einen optischen Erfasser 126 an Positionen enthalt, welche Λ/4 zur rechten Seite von dem zuvor erwähnten optischen Erfasser 113 und dem optischen Erfasser 114 gerichtet sind. Der optische Erfasser 125 enthält Teil-Erfasser 125a, 125b, 125c, und der optische Erfasser 126 enthält Teil-Erfasser 126a, 126b. Die Teil-Erfasser 125a, 125b, 125c haben identische Aufbauten zu den zuvor erwähnten Teil-Erfassern 107a, 107b, 107c. Ferner haben die Teil-Erfasser 126a, 126b identische Aufbauten zu den zuvor erwähnten Teil-Erfassern 108a, 108b.
Da hier das Muster von der Signalspur 103 durch die Periode Λ moduliert ist, können Signale mit einer identischen Phase von dem optischen Erfasser 125 und dem optischen Erfasser 107 und von dem optischen Erfasser 126 und dem optischen Erfasser 108 erlangt werden.
Ferner ist bei dem optischen Encoder jeweils gemäß der vorliegenden dritten Ausführungsform ein erstes optisches Erfasser-Paar durch den optischen Erfasser 107 und den optischen Erfasser 111 als auch durch den optischen Erfasser 108 und den optischen Erfasser 112 ausgebildet, ist ein zweites optisches Erfasser-Paar durch den optischen Erfasser 109 und den optischen Erfasser 113 als auch durch den optischen Erfasser 110 und den optischen Erfasser 114 ausgebildet, ist ein drittes optisches Erfasser-Paar durch den optischen Erfasser 111 und den optischen Erfasser 109 als auch durch den optischen Erfasser 112 und den optischen Erfasser 110 ausgebildet, und ist ein viertes optisches Erfasser-Paar durch den optischen Erfasser 113 und den optischen Erfasser 125 als auch durch den optischen Erfasser 114 und den optischen Erfasser 126 ausgebildet.
Bei dem optischen Encoder gemäß der vorliegenden dritten Ausführungsform, wie oben aufgebaut, haben das erste optische Erfasser-Paar und das zweite optische Erfasser-Paar als auch das dritte optische Erfasser-Paar und das vierte optische Erfasser-Paar, ähnlich zu dem Fall gemäß der zweiten Ausführungsform, jene Phasenbeziehung, welche um eine halbe Periode von der phasenmodulierten Periode, das heißt um Λ/2, versetzt ist. Ferner haben das erste optische Erfasser-Paar und das dritte optische Erfasser-Paar als auch das zweite optische Erfasser-Paar und das vierte optische Erfasser-Paar jene Phasenbeziehung, welche um ein Viertel von der Periode von der phasenmodulierten Periode, das heißt um Λ/4, versetzt ist. In der Betriebseinheit 106, welche in dem optischen Encoder von der vorliegenden dritten Ausführungsform bereitgestellt ist, ist daher, wie in der ersten Ausführungsform erläutert, ein elektrischer Winkel von der Grundperiode durch den Betrieb von der obigen Formel (12) bestimmt, und wird die phasenmodulierte Komponente durch den Betrieb von der obigen Formel (13) extrahiert.
In der zweiten Ausführungsform erlangt jedes von dem ersten optischen Erfasser-Paar, dem zweiten optischen Erfasser-Paar und dem dritten optischen Erfasser-Paar die Ausgaben von den optischen Erfassern, welche bei dem Intervall von Λ/4 angeordnet sind, wohingegen das vierte optische Erfasser-Paar die Ausgaben von den optischen Erfassern erlangt, welche bei einem Intervall von 3Λ/4 angeordnet sind. Da das Muster von der Signalspur 103 durch die Periode von Λ moduliert ist, sind der optische Erfasser 113 und der optische Erfasser 107 als auch der optische Erfasser 114 und der optische Erfasser 108 von dem vierten optischen Erfasser-Paar hinsichtlich ihrer ausgegebenen Phase ähnlich zu den weiteren optischen Erfassern, wobei sie in der Positionsbeziehung die Phase von Λ/4 haben. Jedoch unterscheiden sich die optischen Erfasser 113, 107, 114, 108 indem vierten optischen Erfasser-Paar von den weiteren optischen Erfassern in ihren mechanischen Winkelpositionen innerhalb aktuell von einer Umdrehung von der Skala 102. In einem Fall, bei welchem beispielsweise die Skala 102 an die Drehwelle 105 mit einem gewissen Versatzgrad befestigt wird, gibt es somit hinsichtlich des Aufbaus gemäß der zweiten Ausführungsform ein Problem, das lediglich das vierte optische Erfasser-Paar ein Signalverhalten darlegt, welches sich von jenen von den weiteren optischen Erfassern unterscheidet.
Im Gegensatz hierzu haben bei dem Aufbau gemäß der vorliegenden dritten Ausführungsform alle vom ersten bis vierten optischen Erfasser-Paar eine identische Phase, als auch eine identische mechanische Winkelposition innerhalb von einer Umdrehung von der Skala 102. Daher kann sogar in einem Fall, bei welchem beispielsweise die Skala 102 mit einem bestimmten Versatzgrad an der Drehwelle 105 befestigt ist, gemäß dem optischen Encoder von der dritten Ausführungsform ein Effekt erzielt werden, dass ein stabiles Signal erlangt werden kann. Es ist überflüssig zu erwähnen, dass der optische Encoder gemäß der vorliegenden dritten Ausführungsform ebenso jenen Effekt erzielen kann, welcher durch den optischen Encoder gemäß der obigen ersten Ausführungsform erzielt wird.
4. Ausfuhrungsform
7 zeigt ein schematisches Diagramm von einer Anordnung eines optischen Erfassungselements 104-4, welches in einem optischen Encoder von der vierten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt ist. Es ist zu erwähnen, dass in der 7 jeweilige optische Erfasser auf eine Art und Weise einer linearen Explosionsansicht ähnlich zu den Fällen in 5 und in 6 gezeigt sind.
Der Grundaufbau des optischen Encoders von der vorliegenden vierten Ausführungsform ist ähnlich jenem der ersten und zweiten Ausführungsform, jedoch unterscheidet sich der Aufbau von dem optischen Erfassungselement hierzu.
Das heißt, dass das optische Erfassungselement 104-4, welches in 7 gezeigt ist, welches in dem optischen Encoder von der vorliegenden vierten Ausführungsform bereitgestellt ist, optische Erfasser 131 bis 134 enthält. Die optischen Erfasser 131 bis 134 haben identische Aufbauten. Mit dem optischen Erfasser 131 als ein Beispiel herangezogen, enthält der optische Erfasser 131 Teil-Erfasser 117a, 117b, 117c, 117d, 118a, 118b, 118c und 118d. Obwohl sich die Anzahl davon unterscheidet, entsprechen die Teil-Erfasser 117a, 117b, 117c und 117d den Teil-Erfassern 107a bis 107c des optischen Erfassers 107 von der ersten Ausführungsform, und entsprechen die Teil-Erfasser 118a, 118b, 118c und 118d den Teil-Erfassern 108a, 108b von dem optischen Erfasser 108 gemäß der ersten Ausführungsform.
Die Teil-Erfasser 117a bis 117d und die Teil-Erfasser 118a bis 118d sind alle bei einer identischen Bereichsgröße konfiguriert. Der Teil-Erfasser 118a ist an einer Position angeordnet, welche um ein Viertel der Grundperiode λ vom Teil-Erfasser 117a versetzt ist. In Bezug auf den Teil-Erfasser 117b und den Teil-Erfasser 118b, den Teil-Erfasser 117c und den Teil-Erfasser 118c, und den Teil-Erfasser 117d und den Teil-Erfasser 118d, sind sie an jeweiligen Positionen angeordnet, welche um ein Viertel von der Grundperiode λ versetzt sind. Der Teil-Erfasser 117a und der Teil-Erfasser 117c, als auch der Teil-Erfasser 117b und der Teil-Erfasser 117d sind an Positionen angeordnet, welche jeweils voneinander um die halbe Grundperiode λ versetzt sind. Ähnlich sind der Teil-Erfasser 118a und der Teil-Erfasser 118c, als auch der Teil-Erfasser 118b und der Teil-Erfasser 118d an Positionen angeordnet, welche jeweils voneinander um die Hälfte der Grundperiode λ versetzt sind.
Ferner sind die Teil-Erfasser 117a, 117b, und die Teil-Erfasser 118a, 118b entlang eines identischen Durchmessers von der Skala 102 angeordnet, sind die Teil-Erfasser 117c, 117d und die Teil-Erfasser 118c, 118d entlang eines identischen Durchmessers von der Skala 102 angeordnet, und sind die Teil-Erfasser 117a, 117b, 118a, 118b und die Teil-Erfasser 117c, 117d, 118c, 118d entlang der jeweiligen Durchmesser von der Skala 102 angeordnet, welche voneinander unterschiedlich sind.
Ferner sind der optische Erfasser 131 und der optische Erfasser 132, welche dem ersten optischen Erfasser-Paar und dem zweiten optischen Erfasser-Paar, wie in der ersten Ausführungsform erläutert, ähnlich der ersten Ausführungsform, an Positionen angeordnet, welche um die Periode Λ/2 voneinander entfernt sind (welche im Allgemeinen die Periode von {(2n + 1)Λ/2} ist). Ähnlich sind der optische Erfasser 133 und der optische Erfasser 134, welche dem dritten optischen Erfasser-Paar und dem vierten optischen Erfasser-Paar entsprechen, an Positionen angeordnet, welche um die Periode von Λ/2 voneinander entfernt sind (welche im Allgemeinen die Periode von {(2n + 1)Λ/2} ist). Darüber hinaus sind der optische Erfasser 131 und der optische Erfasser 133, der optische Erfasser 133 und der optische Erfasser 132, und der optische Erfasser 132 und der optische Erfasser 134 an Positionen angeordnet, welche um die Periode von Λ/4 voneinander entfernt sind (welche im Allgemeinen die Periode von {(2n + 1)Λ/4} ist).
Der optische Encoder von der vorliegenden vierten Ausführungsform, welcher das optische Erfassungselement 104-4 enthält, welches wie oben angegeben aufgebaut ist, arbeitet, wie im Folgenden beschrieben.
Bezogen auf den Betrieb, ist die vorliegende Ausführungsform nahezu gleich jener von der ersten Ausführungsform. Das heißt, unter der Annahme einer Ausgabe von dem Teil-Erfasser 117a von f7a[θ], einer Ausgabe von dem Teil-Erfasser 117b als f7b[θ], einer Ausgabe von dem Teil-Erfasser 107c als f7c[θ], und einer Ausgabe von dem Teil-Erfasser 117d als f7d[θ], dann eine Ausgabe von (f7a[θ] + f7c[θ]) – (f7b[θ] + f7d[θ]) als eine Ausgabe gebildet wird, welche ähnlich der Sinusausgabe f7a[θ] – (f7b[θ] + f7c[θ]) von der Formel (6) ist, wie in der ersten Ausführungsform erläutert. Ähnlich, bezogen auf die optischen Erfasser 118a bis 118d, ebenfalls jeweils unter der Annahme von Ausgaben davon als f8a[θ], f8b[θ], f8c[θ], f8d[θ], wird dann (f8a[θ] + f8c[θ]) – (f8b[θ] + f8d[θ]) als eine Ausgabe gebildet, welche ahnlich der Kosinusausgabe f8a[θ] – f8b[θ] von der Formel (9), wie in der ersten Ausführungsform erläutert, ist. Bei der Durchführung eines Betriebes bei dem Betriebselement 106a des elektrischen Winkels von der Betriebseinheit 106 kann der optische Encoder von der vorliegenden vierten Ausführungsform im Folgenden ähnlich die gleiche Wirkung erzielen, wie in der ersten Ausführungsform beschrieben.
In der ersten Ausführungsform kann, durch ein Anordnen der Teil-Erfasser 107b und 107c derart, dass der Teil-Erfasser 107a dazwischengesetzt ist, eine Wirkung einer wesentlichen Übereinstimmung der jeweiligen Phasen von der Sinusausgabe f7a[θ] – (f7b[θ] + f7c[θ]) von der Formel (6) und der Kosinusausgabe f8a[θ] – f8b[θ] von der Formel (9) mit Bezug auf den Drehwinkel von der Skala 102 erzielt werden. Jedoch folgt bei der ersten Ausführungsform, dass der Teil-Erfasser 107 Signale von einem weiteren Winkelbereich als der Teil-Erfasser 108 ausgibt. Somit, in einem Fall, bei welchem die Skala 102 mit einem Versatz mit Bezug auf eine Drehmitte zusammengebaut wird, können Fälle auftreten, bei welchen ein Phasenversatz zwischen den Ausgaben auftritt, welche unter Verwendung von der Formel (6) und der Formel (9) bearbeitet werden, und dass ein Fehler in der Winkelerfassung bei dem elektrischen Winkel auftritt, welcher unter Verwendung von der Formel (10) bearbeitet wird.
Mit Bezug auf das Obige, bei dem optischen Encoder von der vorliegenden vierten Ausführungsform, beispielsweise bei dem optischen Erfasser 131, sind die Teil-Erfasser 117a bis 117d und die Teil-Erfasser 118a bis 118d gleichförmig entlang der Außenumfangsseite und der Innenumfangsseite von der Skala 102 angeordnet. Daher kann vorgesehen werden, dass die Phasen von der Sinusausgabe und der Kosinusausgabe mit Bezug auf den Drehwinkel von der Skala 102 im Wesentlichen ubereinstimmen, und kann ebenfalls vorgesehen werden, dass der Winkelbereich von der Signalerfassung für die Sinusausgabe und die Kosinusausgabe ebenso im Wesentlichen übereinstimmen. Somit, den Fall eingeschlossen, bei welchem die Skala 102 mit einem Versatz mit Bezug auf die Drehmitte zusammengebaut ist, ist der optische Encoder von der vierten Ausführungsform dazu in der Lage, einen noch stabileren Winkelerfassungswert als der optische Encoder von der ersten Ausführungsform zu erlangen. Es erübrigt sich, zu erwähnen, dass ebenso bei dem optischen Encoder von der vierten Ausführungsform, aufgrund dessen, dass die einzelne Signalspur 103 enthalten ist, eine Größenreduktion von der Skala 102 ähnlich wie bei dem optischen Encoder von der ersten Ausführungsform erzielt werden kann.
5. Ausführungsform
Ein optischer Encoder gemäß der vorliegenden fünften Ausführungsform verwendet ein ähnliches Signalverarbeitungsverfahren wie bei der obigen zweiten Ausführungsform für das optische Erfassungselement 104-4 von dem optischen Encoder der obigen vierten Ausführungsform. Somit ist der vorliegende optische Encoder derart aufgebaut, dass er die Signalintensität in dem optischen Erfassungselement 104-4 mit einer größeren Amplitude erfasst.
Im Folgenden wird eine spezifische Erläuterung gegeben. Bei der vierten Ausführungsform bilden die optischen Erfasser 131 bis 134 jeweils einen unabhangigen Erfasser. Im Gegensatz dazu wird bei dem optischen Encoder von der vierten Ausführungsform jeweils ein erstes optisches Erfasser-Paar durch den optischen Erfasser 131 und den optischen Erfasser 133 ausgebildet, wird ein zweites optisches Erfasser-Paar durch den optischen Erfasser 132 und den optischen Erfasser 134 ausgebildet, wird ein drittes optisches Erfasser-Paar durch den optischen Erfasser 133 und den optischen Erfasser 132 ausgebildet, und wird ein viertes optisches Erfasser-Paar durch den optischen Erfasser 134 und den optischen Erfasser 131 ausgebildet.
Aufgrund des obigen Aufbaus kann ebenso bei der vorliegenden fünften Ausführungsform beispielsweise die Ausgabe von dem optischen Erfasser 133 gemeinsam durch das erste optische Erfasser-Paar und das vierte optische Erfasser-Paar benutzt werden, ähnlich der zweiten Ausführungsform. Daraus folgend ist die Ausgabe von den Signalen, welche der Betriebseinheit 106 eingegeben werden, im Falle der vorliegenden fünften Ausführungsform, dazu in der Lage, eine doppelte Ausgabe zu sein, und zwar verglichen mit dem Fall der vierten Ausführungsform. Ähnlich dem Fall der zweiten Ausführungsform hat der optische Encoder von der vorliegenden fünften Ausführungsform somit einen Vorteil darin, dass der elektrische Winkel von dem phasenmodulierten Signal mit einer noch höheren Genauigkeit bestimmt werden kann, und zwar sogar in dem Fall, bei welchem lediglich ein schwaches Signal erfasst werden kann. Ferner kann der optische Encoder von der vorliegenden fünften Ausführungsform mit einer Genauigkeit jene Wirkung erzielen, welche durch den optischen Encoder von der ersten Ausfuhrungsform erzielt werden kann.
6. Ausführungsform
8 zeigt ein schematisches Diagramm von einer Anordnung von optischen Erfassern, welche ein optisches Erfassungselement 104-6 aufbauen, welches in einem optischen Encoder von der sechsten Ausführungsform von der vorliegenden Erfindung bereitgestellt ist. Es ist zu erwähnen, dass ebenso in 8 die jeweiligen optischen Erfasser in einer linearen Explosionsansicht ähnlich dem Fall in 5, usw., angezeigt sind.
Der Grundaufbau von dem optischen Encoder von der vorliegenden sechsten Ausführungsform ist ähnlich jenem von der ersten und zweiten Ausführungsform, jedoch unterscheidet sich der Aufbau von dem optischen Erfassungselement hierzu. Wie in 8 gezeigt, enthält das optische Erfassungselement 104-6, welches in dem optischen Encoder von der vorliegenden sechsten Ausführungsform bereitgestellt ist, die optischen Erfasser 131 bis 134, welche ähnlich den Fällen in der vierten Ausführungsform und fünften Ausführungsform sind, wie zuvor erwähnt, und enthalten ferner einen optischen Erfasser 135 an einer Position, welche um Λ/4 zur rechten Seite von dem zuvor erwähnten optischen Erfasser 134 verschoben ist. Bei jedem der optischen Erfasser 131 bis 135 ist der Aufbau von Teil-Erfassern, welche in den optischen Erfassern bereitgestellt sind, identisch zu dem Aufbau, welcher in der vierten Ausführungsform beschrieben ist.
Ferner ist der vorliegenden sechsten Ausführungsform ein erstes optisches Erfasser-Paar durch den optischen Erfasser 131 und den optischen Erfasser 133 ausgebildet, ist ein zweites optisches Erfasser-Paar durch den optischen Erfasser 132 und den optischen Erfasser 134 ausgebildet, ist ein drittes optisches Erfasser-Paar durch den optischen Erfasser 133 und den optischen Erfasser 132 ausgebildet, und ist ein viertes optisches Erfasser-Paar durch den optischen Erfasser 134 und den optischen Erfasser 135 ausgebildet.
Bei dem optischen Encoder von der vorliegenden sechsten Ausfuhrungsform, wie oben beschrieben aufgebaut, kann die Wirkung, welche durch den optischen Encoder von der ersten Ausführungsform erzielt werden kann, mit Genauigkeit erzielt werden, und kann ferner eine Wirkung, welche kollektiv die Wirkung von dem optischen Encoder von der dritten Ausführungsform als auch die Wirkungen von den optischen Encodern von der vierten und fünften Ausführungsform genießt, erzielt werden.
7. Ausführungsform
Bei den optischen Encodern von der ersten bis sechsten Ausführungsform hat die Skala 102 jenen Aufbau, bei welchem sie die einzelne Signalspur 103 enthält. Indem sie die einzelne Signalspur 103 hat, erzielen die optischen Encoder von der ersten bis sechsten Ausführungsform jene Wirkung, dass die Größe von der Skala 102 reduziert wird.
Andererseits können in einer Skala 102-1, wie in 9 gezeigt, mehrere Signalspuren 103, 151 angeordnet werden. Ein optischer Encoder von der vorliegenden siebten Ausführungsform hat einen Aufbau, bei welchem die zuvor erwähnte Skala 102-1 als Ersatz für die Skala 102 bereitgestellt ist, welche bei dem optischen Encoder von der ersten Ausführungsform bereitgestellt ist. Die zweite Signalspur 151 in der Skala 102-1 ist durch eine Signalspur mit einem gleichformigen Abstand aufgebaut, wobei der Abstand feiner als die Grundperiode von der ersten Signalspur 103 ist.
Ferner sind bei dem optischen Encoder von der vorliegenden siebten Ausführungsform zwei optische Erfassungselemente 104, 104, wie in der ersten Ausführungsform beschrieben, derart angeordnet, dass sie jeweils den Signalspuren 103, 151 gegenüberliegen. Es ist zu erwähnen, dass die Lichtquelle 101 und die Betriebseinheit 106 derart angeordnet sein können, dass sie jeder der Signalspuren 103, 151 entsprechen, wobei sie alternativ derart aufgebaut sein können, dass sie gemeinsam durch die Signalspuren 103, 151 benutzt werden.
Darüber hinaus ist bei dem optischen Encoder von der vorliegenden siebten Ausführungsform der Abstand von der zweiten Signalspur 151 derart eingestellt, dass eine weitere Verbesserung hinsichtlich der Genauigkeit von der Interpolation von dem elektrischen Winkel von der Grundperiode erzielt wird, welche durch die Betriebseinheit 106 gemäß dem Muster von der ersten Signalspur 103 bestimmt wird. Aufgrund dessen kann eine Wellennummerposition von der zweiten Signalspur 151 basierend auf der ersten Signalspur 103 spezifiziert werden.
Ferner kann die zweite Signalspur 151 bei dem optischen Encoder von der vorliegenden siebten Ausführungsform ein Signalmuster enthalten, welches eine Periode hat, welche einer Umdrehung von der Skala 102-1 entspricht, und kann die Erfassungsgenauigkeit davon derart eingestellt sein, dass sie höher als die phasenmodulierte Periode ist, welche durch die erste Signalspur 103 erlangt werden kann. Aufgrund dessen kann eine Wellennummerposition von der phasenmodulierten Periode in der zweiten Signalspur 151 spezifiziert werden, und kann darüber hinaus eine Wellennummerposition von der Grundperiode von der ersten Signalspur 103 durch den elektrischen Winkel von dem phasenmodulierten Signal spezifiziert werden, welches von der ersten Signalspur 103 erlangt wird. Eine absolute Winkelposition von einer Umdrehung kann spezifiziert werden.
Ferner kann eine dritte Signalspur, welche einen feineren Abstand als die Grundperiode von der ersten Signalspur 103 hat, hinzugefügt werden. In diesem Fall wird eine Erfassung von einem Absolutwert von der einen Umdrehung, welcher die Auflösung bestimmt, durch die dritte Signalspur möglich.
Wie zuvor beschrieben, gemäß dem optischen Encoder von der vorliegenden siebten Ausführungsform, obwohl der optische Encoder von der siebten Ausführungsform den Aufbauten in der ersten bis sechsten Ausführungsform hinsichtlich der Größenreduktion aufgrund der Anordnung von zwei Signalspuren etwas überlegen ist, ist es möglich, eine höhere Auflösung zu erzielen, als bei den optischen Encodern von der ersten bis sechsten Ausführungsform.
8. Ausführungsform
Im Folgenden wird ein optischer Encoder von der achten Ausführungsform beschrieben.
Bei dem herkömmlichen optischen Encoder gibt es ein Problem dahin gehend, dass die Spalten in dem optischen System, das heißt jeweilige Räume zwischen der Lichtquelle und den optischen Encodern, mit Bezug auf die Signalspur von der Skala verbessert werden sollten. Als eine wirksame Weise, dieses Problem zu lösen, kann ein optisches System angewendet werden, welches drei Gitter verwendet. Bei diesem Dreigittersystem sind die zuvor erwähnten Spalten durch einen Abstand von Schlitzen bestimmt, welche eine Signalspur auf einer Skala aufbauen. In einem Fall, bei welchem Schlitze mit einer langen Periode und Schlitze mit einer kurzen Periode auf der Skala anzuordnen sind, um somit eine Absolutwerterfassung von einem Drehwinkel von der Skala durchzuführen, wird somit eine Differenz in den erforderlichen Spalten von dem optischen System zu groß, und gibt es ein Problem dahin gehend, dass der Aufbau des optischen Encoders dadurch schwierig wird.
Es wird eine spezifische Erläuterung gegeben. Wie in der siebten Ausführungsform beschrieben, wird, um den absoluten Drehwinkel von einer Umdrehung von der Skala zu erfassen, eine zweite Signalspur verwendet, welche Schlitze hat, welche mit einem einzelnen Abstand angeordnet sind, welcher feiner als ein Abstand ist, welcher eine Grundperiode von der zweiten Signalspur ausbildet. Es wird ein optisches System mit drei Gittern, welche die zweite Signalspur verwenden, als ein Beispiel herangezogen. Bei diesem Aufbau unterscheidet sich der Signalabstand von den Schlitzen, welche die Spur aufbauen, zwischen der ersten Signalspur und der zweiten Signalspur. Die Position mit Bezug auf die Skala von den jeweiligen optischen Erfassungselementen, an welchen ein Bild von den Schlitzen mit Bezug auf jede der Signalspuren am besten erzeugt werden kann, weicht daher ab. Mit anderen Worten unterscheidet sich ein optimaler Spalt zwischen jeden von den optischen Erfassungselementen und der Skala zwischen der ersten Signalspur und der zweiten Signalspur. Daher gibt es ein Problem dahin gehend, dass der Aufbau des optischen Systems, welches solche jeweiligen optischen Erfassungselemente hat, schwierig wird.
Daher, bei dem optischen Encoder von der vorliegenden achten Ausführungsform, enthält die Skala eine Haupt-Schlitz-Signalspur, welche einen Vernier aufbaut, und eine Teil-Schlitz-Signalspur, welche um eine vorbestimmte Wellennummer eine unterschiedliche Wellennummer zur Haupt-Schlitz-Signalspur hat. Ferner ist der optische Encoder von der achten Ausführungsform derart aufgebaut, dass eine Wellenform, welche von dem Teilschlitz erlangt wird, eine Wellenform annimmt, bei welcher die phasenmodulierte Welle in einer vorbestimmten Periode über die Sinuswelle von der Grundperiode überlagert ist.
Durch den obigen Aufbau konnen die Signalabstände von den jeweiligen Schlitzen, welche die zwei Signalspuren aufbauen, zueinander ähnlich erstellt werden. Somit werden die zuvor erwähnten Spalten in dem optischen System von dem optischen Encoder nicht zu groß und zueinander zu unterschiedlich. Daher wird die Anwendung des optischen Systems unter Verwendung von drei Gittern möglich. Mit Bezug auf 10 werden weitere Details im Folgenden erläutert.
10 ist ein Aufbaudiagramm von einem optischen Encoder 200 von der vorliegenden achten Ausfuhrungsform. Der optische Encoder 200 enthält Lichtquellen 101, 201, eine Skala 102-2, optische Erfassungselemente 104, 204, und eine Betriebseinheit 206, welche mit dem optischen Erfassungselement 104 verbunden ist.
Die Lichtquelle 101, die erste Signalspur 103 und das optische Erfassungselement 104 sind ähnlich dem Aufbau, welcher in der ersten Ausführungsform beschrieben ist.
Die Skala 102-2, welche sich mit der Drehwelle 105 an ihrer Mitte umdreht, und die erste Signalspur 103 enthält, enthält ferner eine zweite Signalspur 203, angrenzend zur ersten Signalspur 103, an einer Außenumfangsseite, als die erste Signalspur 103. Die Lichtquelle 201 und das optische Erfassungselement 204 sind derart angeordnet, dass sie der zweiten Signalspur 203 gegenüberliegen. Die Betriebseinheit 206 ist ein Betriebselement, welches Signale bearbeitet, welche von den optischen Erfassungselementen 104, 204 erlangt sind, um somit eine Drehwinkelposition von der Skala 102-2 auszugeben. Es ist zu erwähnen, dass die Betriebseinheit 206 eine Einheit ist, welche einen ahnlichen Betrieb wie die Betriebseinheit 106 durchführt, wie in der ersten Ausführungsform beschrieben, und wobei die Funktionalität das zuvor erwahnte elektrische Winkelbetriebselement 106a, das Summierelement 106b und das Subtraktionselement 106c enthält.
Bei der vorliegenden Ausführungsform sind die Lichtquellen 101, 201 als eine für jede der Spuren 103, 203 angeordnet, jedoch kann ein Aufbau, bei welchem eine einzelne Lichtquelle auf die zwei Signalspuren 103, 203 imitiert wird, und die durchdringenden Lichter davon durch die optischen Erfassungselemente 104, 204 erfasst werden, verwendet werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform, wie in der Zeichnung gezeigt, wird ferner eine festgelegte Skala 207 zwischen den optischen Erfassungselementen 104, 204 und der Skala 102-2 angeordnet. Die festgelegte Skala 207 enthält Erfassungsschlitze 208, welche derart angeordnet sind, dass sie der ersten Signalspur 103 gegenüberliegen, und Erfassungsschlitze 209, welche derart angeordnet sind, dass sie der zweiten Signalspur 203 gegenüberliegen. Jedoch ist ein Aufbau davon nicht auf den obigen beschränkt, und kann alternativ derart aufgebaut sein, dass die durchdringenden Lichter von den Signalspuren 103, 203 direkt durch die optischen Erfassungselemente 104, 204 erfasst werden, wie dies bei der ersten Ausführungsform der Fall ist.
11 zeigt eine Anordnung von der ersten Signalspur 103 und der zweiten Signalspur 203 der Skala 102-2 und der optischen Erfassungselemente 104, 204. Die zweite Signalspur 203 ist mit Schlitzen bei einer Periode von ξ bereitgestellt, welche den gesamten Umfang von der ersten Signalspur 103 in „n” gleiche Segmente unterteilt. Obwohl in der Figur nicht detailliert gezeigt, ist ein optisches Erfassungselement durch das optische Erfassungselement 204, welches eine Sinuswelle und eine Kosinuswelle entsprechend der Periode ξ ausgibt, oder durch eine Kombination von dem optischen Erfassungselement 204 mit den Erfassungsschlitzen 209 aufgebaut.
Es ist zu erwähnen, dass ein Aufbau, welcher ahnlich zu jenem von der ersten bis sechsten Ausführungsform ist, mit Bezug auf die erste Signalspur 103 für das optische Erfassungselement 104 verwendet werden kann. Obwohl das optische Erfassungselement 104 in 11 identisch zu dem in 3 gezeigten Aufbau ist, sind aus Gründen der Vereinfachung der Zeichnung der optische Erfasser 107 und der optische Erfasser 108, welche in 3 gezeigt sind, durch einen Block als ein optisches Erfasser-Paar 104a angezeigt; sind der optische Erfasser 111 und der optische Erfasser 112 durch einen Block als ein optisches Erfasser-Paar 104b angezeigt; sind der optische Erfasser 109 und der optische Erfasser 110 als ein Block als ein optisches Erfasser-Paar 104c angezeigt; und sind der optische Erfasser 113 und der optische Erfasser 114 als ein Block als ein optisches Erfasser-Paar 104d angezeigt.
Darüber hinaus zeigt das optische Erfassungselement 204 zwei optische Erfasser durch einen Block als ein optisches Erfasser-Paar 204a an.
Die zweite Signalspur 203 enthält die Schlitze, welche bei der Periode ξ angeordnet sind, welche den einen Umfang von der ersten Signalspur 203 in n gleiche Segmente unterteilt, und die erste Signalspur 103 ist durch die Phasenmodulation angegeben, welche sich zu jeder Periode von Λ = mλ (m ist eine natürliche Zahl) von der Grundperiode Λ wiederholt. Ferner ist die Periode Λ von der Phasenmodulation ein Winkel, welcher den einen Umfang von der ersten Signalspur 103 in „k” gleiche Segmente unterteilt. In der vorliegenden achten Ausführungsform wird angenommen, dass gilt: n = 2048, k = 16 und m = 112. Das heißt, dass, unter der Annahme, dass die Periode von der zweiten Signalspur 203 als ξ = 360/n gilt, und die Grundperiode λ von der ersten Signalspur 103 als λ = 360/L gilt, dann eine Differenz in der Frequenz „j” gilt als j = n – L = 256. Der Vernier wird durch die Differenz in der Frequenz j = n – L von der ersten Signalspur 103 und der zweiten Signalspur 203 gebildet. Das heißt, dass bei der vorliegenden achten Ausführungsform drei Frequenzsignale, nämlich 2048 Wellen, 256 Wellen und 16 Wellen aus den zwei Signalspuren 103 und 203 erlangt werden können.
Ferner, unter der Annahme, dass eine Radiusposition von der zweiten Signalspur 203 (welche die Haupt-Signalspur ist) auf der Skala 102-2 als R gilt, und die erste Signalspur 103 (welche die Teil-Signalspur ist) an der Innenumfangsseite als die zweite Signalspur 204 angeordnet wird, die Signalabstände von den jeweiligen Schlitzen von der zweiten Signalspur 203 und der ersten Signalspur 103 identisch erstellt werden können. Genauer gesagt, wenn eine Radiusposition von der ersten Signalspur 103 an einer Position von R × (L/n) eingestellt wird, mit Bezug auf den Abstand von den Schlitzen, welche die zweite Signalspur 203 bilden, welche zwei πR/n ist, wird der Abstand von den Schlitzen, welche die erste Signalspur 103 bilden, zu 2π(R × L/n)/L = 2πR/n; wobei der Abstand von den Schlitzen, welche die erste Signalspur 103 bilden, und der Abstand von den Schlitzen, welche die zweite Signalspur 203 bilden, zueinander übereinstimmend erstellt werden konnen.
Durch den obigen Aufbau kann der Abstand von den Schlitzen in der zweiten Signalspur 203 und der Abstand von den Schlitzen in der ersten Signalspur 103 zueinander übereinstimmend oder im Wesentlichen übereinstimmend erstellt werden. Somit werden die zuvor erwahnten Spalten in dem optischen System von dem optischen Encoder nicht zu groß, und sie unterscheiden sich nicht. Genauer gesagt kann ein Raum zwischen der zweiten Signalspur 203 und dem optischen Erfassungselement 204 und ein Raum zwischen der ersten Signalspur 103 und dem optischen Erfassungselement 104 zueinander übereinstimmend oder im Wesentlichen übereinstimmend erstellt werden. Somit wird die Verwendung des optischen Systems, welches drei Gitter verwendet, möglich.
Ferner, wie in den Fällen bei den optischen Encodern von der ersten bis siebten Ausführungsform, ist es überflussig zu erwähnen, dass der optische Encoder von der vorliegenden achten Ausführungsform dazu in der Lage ist, die Wirkung der hohen Auflösung zu erzielen.
Bei der vorliegenden achten Ausführungsform, wie in der Zeichnung gezeigt und zuvor angegeben, ist der optische Encoder 200 in dem Beispiel eines Dreh-Encoders gezeigt, jedoch ist er nicht auf diesen Aspekt beschrankt. Die vorliegende Erfindung kann alternativ auf Ausführungsformen von linearen Encodern angewendet werden. Bei der vorliegenden achten Ausführungsform erfassen die optischen Erfassungselemente 104, 204 ferner die Lichtflüsse von der Lichtquelle 101, 201, welche durch die Signalspuren 103, 203 durchdrungen sind. Jedoch ist der Aufbau nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Alternativ kann ein reflektiertes Licht erfasst werden.
9. Ausführungsform
Bei der achten Ausführungsform wird die Wellennummer L von den Teilschlitzen, welche die erste Signalspur 103 aufbauen, derart bestimmt, dass sie kleiner als die Wellennummer n von den Hauptschlitzen ist, welche die zweite Signalspur 203 aufbauen, so dass die Differenz j in den Frequenzen von der ersten Signalspur 103 und der zweiten Signalspur 203 gleich j = n – L wird. Im Gegensatz hierzu kann eine Wellennummer h von den Teilschlitzen größer als die Wellennummer n von den Hauptschlitzen um die Anzahl j erstellt werden, das heißt, dass die Wellennummer h derart eingestellt werden kann, dass gilt j = h – n. Ein optischer Encoder gemäß der neunten Ausführungsform hat einen Aufbau, bei welchem die Wellennummer h von den Teilschlitzen größer als die Wellennummer n von den Hauptschlitzen ist, und zwar um die Anzahl j. Es ist zu erwähnen, dass bei dem optischen Encoder gemäß der neunten Ausfuhrungsform weitere Aufbauten identisch zu jenen von der achten Ausführungsform sind.
Bei dem optischen Encoder gemäß der neunten Ausführungsform, wie in 12 gezeigt, wenn angenommen wird, dass eine Radiusposition von einer zweiten Signalspur 203-2 die Hauptschlitze auf der Skala als R hat, wird die erste Signalspur 103-2, welche die Teilschlitze hat, mehr zur Außenumfangsseite als die zweite Signalspur 203-2 angeordnet. Aufgrund dessen können die Signalabstände von den jeweiligen Schlitzen von der zweiten Signalspur 203-2 und der ersten Signalspur 103-2 identisch erstellt werden. Genauer gesagt, wenn die Radiusposition von der ersten Signalspur 103-2 mit Bezug auf den Abstand von den zweiten Schlitzen, welche die zweite Signalspur 203-2 bilden, welcher 2πR/n beträgt, auf eine Position von R × (h/n) eingestellt wird, wird der Abstand von den ersten Schlitzen, welche die erste Signalspur 103-2 bilden, zu 2π(R × h/n)/h = 2πR/n. Wie bereits beschrieben, können der Abstand von den ersten Schlitzen, welche die erste Signalspur 103-2 bilden, und den zweiten Schlitzen, welche die zweite Signalspur 203-2 bilden, derart erstellt werden, dass sie übereinstimmen.
Gemäß dem optischen Encoder von der neunten Ausführungsform ist es, ähnlich den Fällen bei den optischen Encodern von der ersten Ausführungsform, usw., unnötig zu erwähnen, dass der optische Encoder von der vorliegenden Ausführungsform dazu in der Lage ist, die Wirkung der hohen Auflösung zu erzielen; zusatzlich hierzu können ferner folgende Wirkungen erzielt werden. Das heißt, dass in einem Fall, bei welchem ein Winkelbereich, welcher durch das optische Erfassungselement mit Bezug auf die Skala belegt ist, als ein vorbestimmter Wert bestimmt wird, aufgrund dessen, dass eine Krümmung von der Skala an der Außenumfangsseite kleiner erstellt wird als jene von der Innenumfangsseite, ein größerer Bereich als ein aktueller Bereich für das optische Erfassungselement an der Außenumfangsseite von der Skala verwendet werden kann. Somit wird es physikalisch einfacher, das optische Erfassungselement aufzubauen, indem das optische Erfassungselement, bei welchem eine Anzahl von optischen Erfassern groß wird, um somit Signale von den phasenmodulierten Wellen zu extrahieren, an der Außenumfangsseite von der Skala angeordnet wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die erste Signalspur 103-2, welche die Teilschlitze hat, an der Außenumfangsseite auf der Skala als die zweite Signalspur 203-2 angeordnet, wobei dadurch der Aufbau von dem optischen Erfassungselement einfacher gestaltet werden kann.
10. Ausführungsform
Es wird ein Aufbau eines optischen Encoders von der zehnten Ausführungsform beschrieben. Der grundlegende Gesamtaufbau dieses optischen Encoders gemäß der zehnten Ausführungsform ist gleich den in 10 und 11 gezeigten Aufbauten, jedoch unterscheidet er sich von den Aufbauten in 10 und in 11 hinsichtlich der Anordnung von Schlitzen, welche die zwei Signalspuren auf der Skala bilden. Ferner, hinsichtlich der Erfassungsschlitze 208, 209, wie in 10 gezeigt, ist der Aufbau von der vorliegenden zehnten Ausführungsform unterschiedlich zum Aufbau in 10.
Zunächst wird ein detaillierter Aufbau von den zwei Signalspuren mit Bezug auf 13 bis 16 beschrieben.
13 ist eine lineare Explosionsansicht zum Erläutern von Schlitzmustern, welche auf Signalspuren 233, 243 gemustert sind, welche auf einer Skala von dem optischen Encoder gemäß der zehnten Ausführungsform bereitgestellt sind, bei welchem Winkelpositionen innerhalb des Umfangs davon in linearen Positionen entfaltet sind. Es ist zu erwähnen, dass die Signalspur 233 der ersten Signalspur 103 entspricht, welche in
10, 11 gezeigt ist, und die Signalspur 243 der zweiten Signalspur 203 entspricht.
Jedes der Schlitzmuster in den Signalspuren 233, 243 gibt dem Licht eine periodische Sinuswellenmodulation, und eine dunkle Sektion 211 und eine helle Sektion 212 für die Modulation sind abwechselnd angeordnet. Die Schlitze, welche die Signalspur 243 aufbauen, sind bei einer regulären Periode ξ angeordnet, und bei der Signalspur 233 sind die Schlitze bei einer modulierten Periode λ angeordnet. Jedes der Schlitzmuster von den Signalspuren 233, 243 hat die Periode Λ, welche durch ein Teilen eines Umfangs von der Skala in k gleiche Segmente ausgebildet wird: Λ = 2π/k. Die Schlitze von der Periode λ von der Signalspur 233 erzielen eine periodisch wiederholte Phasenmodulation, welche m-Zeilen von Schlitzzeilen innerhalb der Periode Λ ausbildet.
Andererseits hat die Periode ξ von der Signalspur 243 eine Grundperiode mit einer Wellennummer, welche geringer als eine Wellennummer L in der Periode Λ von der Periode λ von der Signalspur 233 um eine Nummer j ist, und hat eine Phasenmodulation δ(θ), welche unabhängig von einer Position θ ist, wird ihr hinzugegeben.
Eine Wellenform f[θ] von dem phasenmodulierten Muster von der Signalspur 233 kann durch eine Intensitätsmodulation von folgenden Formeln (15) und (16) gegeben werden, indem beispielsweise ihre Amplitude als α (0 < α < 1) angenommen wird als: [Formel 15]
[Formel 16]
Andererseits kann eine Wellenform g[θ] des Musters von der Signalspur 243 durch folgende Formel (17) gegeben werden, indem beispielsweise ihre Amplitude als γ (0 < γ < 1) angenommen wird: [Formel 17]
In der Formel (16), in einem Fall, bei welchem β = 0 gilt, bei dem Aufbau von der Vernier-Spur, wie in 13 gezeigt, haben die Signalspur 243 und die Signalspur 233 periodische Muster, bei welchen die Phasen davon zu jeder Periode von λ0 übereinstimmen. Bei diesen Mustern wird, durch ein Extrahieren von einer Phase von der Wellenform f[θ] und einer Phase von der Wellenform g[θ] und durch Berechnen einer Differenz dazwischen, ein Signal mit einer langen Periode, wie in der folgenden Formel (18) angezeigt, erlangt. Es ist zu erwähnen, dass der obige Betrieb, welcher die folgenden Betriebe enthält, durch die Betriebseinheit 206 durchgeführt wird. [Formel 18]
Ferner, wie oben angegeben, wird ein Encoder, welcher die Signalspur 243, welche der Hauptspur entspricht, und die Signalspur 233, welche der Teilspur entspricht, hat, und welcher das Signal mit langer Periode aus der Differenz in den elektrischen Winkeln von der Signalspur 243 und der Signalspur 233 extrahiert, ein Vernier-Typ-Encoder genannt.
Die zuvor genannte Extraktion von den Phasen kann durch die Erfassungsschlitze 209 von der festgelegten Skala 207, welche mit Bezug auf 10 beschrieben ist, unter Verwendung eines Erfassungsschlitzmusters 209-1, wie beispielsweise in 15 gezeigt, realisiert werden. Das Erfassungsschlitzmuster 209-1 hat die identische Periode ξ wie die Signalspur 243, und wird mit Bezug auf die Schlitze von der Signalspur 243 steigend ausgebildet. Jene Bereiche 210a bis 210d, welche in den Figuren durch gestrichelte Linien umgeben sind, zeigen unterteilte Bereiche von dem optischen Erfassungselement 204 an; und der optische Erfasser 204a von dem optischen Erfassungselement 204 (11) ist dazu ausgelegt, einen integrierten Wert von dem einfallenden Licht von den unterteilten Regionen 210a bis 210d auszugeben. Die Zunahme von jedem Schlitz in dem Erfassungsschlitzmuster 209 ist durch ein Verschieben von einer viertel Periode eines Mittelwerts zwischen den angrenzend unterteilten Bereichen bestimmt. Bei diesem Aufbau betragen die Ausgaben von den jeweils unterteilten Bereichen 210a bis 210d von dem optischen Erfasser 204a, wie in 16 gezeigt, gleich einer Größe eines durchdringenden Lichtes durch eine Überlappung mit der Signalspur 243, wobei sie zu Sinuswellen werden, deren Phase um π/2 versetzt ist, wie in den folgenden Formeln (19) bis (22) angezeigt: [Formel 19]
[Formel 20]
[Formel 21]
[Formel 22]
Jede der obigen Formeln (19) bis (22) wird ferner, wie durch eine folgende Formel (23) gezeigt, bearbeitet, und es wird ein Tangens berechnet; und die Phase kann durch den Arcustangens-Betrieb entnommen, das heißt extrahiert werden. Jedoch ist θ1 in den Formeln (19) bis (22) eine festgelegte Anfangsphase, und ist ein Positionsversatz von dem optischen Erfasser 204a mit Bezug auf einen mechanischen Winkelursprung. [Formel 23]
Bei der Signalspur 233 der vorliegenden zehnten Ausführungsform beträgt β = β ≠ 0, und in diesem Fall ist das Schlitzmuster in der Signalspur 233 wie das in 14 gezeigte schraffierte Muster. In 14 ist das Muster im Falle von β = 0, wie in 13 gezeigt, überlappend angezeigt. Das Muster von β ≠ 0 ist ein Schlitzmuster, welches einen Phasenversatz in Relation zu dem zuvor erwähnten Fall von β = 0 hat.
Mit Bezug auf das zuvor erwähnte Schlitzmuster von der Signalspur 233 kann ein Erfassungs-Schlitzmuster, welches ähnlich dem Erfassungs-Schlitzmuster 209-1 ist, angeordnet werden, und kann das von der Lichtquelle 101 durchdringende Licht durch die optischen Erfasser-Paare 104a–104d empfangen werden (11), welche das optische Erfassungselement 104 aufbauen. Basierend auf den Signalen von den jeweiligen optischen Erfasser-Paaren 104a–104d werden die jeweiligen Phasenwinkel (elektrische Winkel) dann durch den Betriebsprozess durch die Betriebseinheit 206 ausgegeben. Jedes der optischen Erfasser-Paare 104a–104d ist derart angeordnet, dass der Positionsversatz gleich Λ/4 beträgt. Wenn die ausgegebenen Phasen von den optischen Erfasser-Paaren 104a–104d jeweils als ψ1, ψ2, ψ3, ψ4 angenommen werden, werden sie durch die folgenden Formeln (24) bis (27) ausgedrückt: [Formel 24]
[Formel 25]
[Formel 26]
[Formel 27]
Ähnlich der obigen Formel (23), in Bezug auf die Formeln (24) bis (27), welche die erfassten Phasen des Lichtes sind, welches durch die Signalspur (233) und das Erfassungs-Schlitzmuster durchlaufen ist, werden Phasendifferenzen φ1, φ2, φ3, φ4 mit Bezug auf die Signalspur 243 bearbeitet, wobei Winkelausgaben wie bei den folgenden Formeln (28) bis (31) erlangt werden: [Formel 28]
[Formel 29]
[Formel 30]
[Formel 31]
Eine Differenz zwischen φ1[θ] und φ3[δ], welche jeweils Winkelausgaben von dem optischen Erfasser-Paar 104a und dem optischen Erfasser-Paar 104c sind, welche in ihrer Position um Λ/2 versetzt sind, wird durch die Betriebseinheit 206 bearbeitet, wodurch folgende Formel (32) erlangt wird: [Formel 32]
Ähnlich wird eine Differenz zwischen φ2[θ] und φ4[θ], welche jeweils die Winkelausgaben von dem optischen Erfasser-Element 104a und dem optischen Erfasser-Element 104c sind, welche in ihrer Position um Λ/2 versetzt sind, bearbeitet, wobei die folgende Formel (33) erlangt wird: [Formel 33]
Anhand der obigen Formel (32) und Formel (33) werden die phasenmodulierten Komponenten, welche in der Signalspur 233 überlagert sind, extrahiert. In der Betriebseinheit 206 kann ferner durch Entfernen von einer festgelegten Phase, ein Durchführen von einer Teilung, und ebenso einem Durchführen eines Arcustangens-Betriebes, der elektrische Winkel in einer überlagerten Wellenform, welche in der Signalspur 233 uberlagert ist, erlangt werden.
Andererseits, durch ein jeweiliges Bearbeiten von einer Summe von der Winkelausgabe φ1[θ] von dem optischen Erfasser-Paar 104a und der Winkelausgabe φ3[θ] von dem optischen Erfasser-Paar 104c, und einer Summe von der Winkelausgabe φ2[θ] von dem optischen Erfasser-Paar 104b und der Winkelausgabe φ4[θ] von dem optischen Erfasser-Paar 104d, werden folgende Formel (35) und Formel (36) erlangt: [Formel 34]
[Formel 35]
Die Betriebsausgaben von den Formeln (34) und (35) sind Betriebsausgaben von der Vernier-Erfassung von der Formel (18), und sind Ausgaben, welche zu j-Zeitpunkten innerhalb der Periode Λ wiederholt werden. Andererseits sind die phasenmodulierten Wellen, welche durch die Formeln (32) und (33) angezeigt sind, Wellenformen, welche lediglich ein Mal innerhalb der Periode Λ ausgegeben werden. Durch ein Verwenden der Ausgaben von den elektrischen Winkeln von den phasenmodulierten Wellen, wie durch die Formeln (32) und (33) angezeigt, können somit Positionen zur Wiederholung von j-Zeitpunkten in der Vernier-Erfassung, wie durch die Formeln (34) und (35) angezeigt, spezifiziert werden. Gemäß den elektrischen Winkeln von der Vernier-Erfassung, wie durch die Formeln (34) und (35) angezeigt, können ferner Positionen von der n-fach wiederholten Wellenform in der Signalspur 243 spezifiziert werden. Somit wird eine absolute Positionserfassung mit hoher Genauigkeit ermöglicht.
Das heißt, dass bei dem optischen Encoder zur Interpolation des Sinuswellenwinkels der vorliegenden zehnten Ausführungsform, bei einer einzelnen Periode von einer Sinuswelle, die Interpolations-Winkelgenauigkeit von einer einzelnen Signalspur jenseits einer Beschränkung von der Interpolationsgenauigkeit verbessert werden kann, welche durch die Signalerfassungsschaltung hervorgerufen wird.
Bei der vorliegenden zehnten Ausführungsform kann ferner, wie im Falle eines Dreh-Encoders, welcher als ein Beispiel herangezogen ist, wie klar anhand von 13 und 14 zu erkennen, die vorliegende Erfindung ähnlich bei dem Aufbau von einem Linear-Encoder angewendet werden.
Bei der vorliegenden zehnten Ausführungsform wird ferner die phasenmodulierte Welle δ(θ) als die Sinuswelle angenommen, jedoch, solange eine Funktion δ(θ + Λ/2) = –δ(θ) erfüllt, können die phasenmodulierte Welle und die Grundwelle separiert werden.
Ferner ist bei der vorliegenden zehnten Ausführungsform die Erläuterung basierend auf einem Durchdringungstyp-Optiksystem gegeben, bei welchem die Skala zwischen der Lichtquelle und dem optischen Erfassungselement zwischengesetzt ist, es ist jedoch offensichtlich, dass ein identischer Betrieb bei einem Reflexionstyp-Optiksystem durchgeführt werden kann, bei welchem die Lichtquelle und das optische Erfassungselement an einer gleichen Seite mit Bezug auf die Skala angeordnet werden können, wobei die Skala als eine Reflexionsplatte verwendet wird.
Bei der vorliegenden zehnten Ausführungsform hat die Periode λ von der Signalspur 233 ferner die Grundperiode, welche die Wellennummer L hat, welche um die Nummer j kleiner als die Wellennummer n von der Signalspur 243 ist, wobei die Phasenmodulation δ(θ), welche von der Position θ abhängt, hier hinzu gegeben wird. Jedoch ist die vorliegende Ausführungsform nicht hierauf beschränkt, und kann die Periode von der Signalspur 233, wie bei der neunten Ausführungsform, eine Grundperiode mit einer Wellennummer h haben, welche um die Nummer j größer als die Wellennummer n von der Signalspur 243 ist. Die Wirkung, welche in einem solchen Fall erzielt werden kann, ist gleich jener von der neunten Ausführungsform.
11. Ausführungsform
Bei dem optischen Encoder der zehnten Ausführungsform ist ein Aufbau beispielhaft dargestellt, bei welchem die Muster von den Signalspuren 243 und 233, welche auf der Skala 102-1 ausgebildet sind, zu den Erfassungsschlitzen 209-1, 209-1 von der festgelegten Skala 207 vorragen. Jedoch kann ein Aufbau als optischer Encoder 250 der vorliegenden elften Ausführungsform, wie in 17 gezeigt, alternativ angewendet werden.
Das heißt, dass auf einer Seite von Lichtquellen 101, 201, das heißt zwischen Lichtquellen 101, 201 und einer Skala 102-3, erste Gitter 221, 222 fixiert angeordnet sind. Es kann ein derartiger Aufbau vorliegen, dass ein Licht von jeder der Lichtquellen 101, 201 durch die ersten Gitter 221, 222, durch die Signalspuren 243, 233, dann durch die Erfassungsschlitzmuster 209-1, 209-1 durchlaufen, und schließlich die optischen Erfassungselemente 204, 104 erreicht. Dieser Aufbau kann ferner derart ausgelegt sein, dass Gitterbilder von den ersten Gittern 221, 222 durch die Schlitzmuster von den Signalspuren 243, 233 auf den Erfassungsschlitzmustern 209-1, 209-1 ausgebildet sind, welche die dritten Gitter sind. Ein solcher Aufbau wird als Drei-Gitter-System oder ein Gitterabbildungsverfahren bezeichnet. Sogar bei einem Fall, bei welchem dieser optische Aufbau verwendet wird, können der Betrieb und die Wirkung des optischen Encoders von der zehnten Ausführungsform ebenso realisiert werden.
Bei dem optischen Encoder 250 der vorliegenden elften Ausführungsform werden jeweilige Gitterabstände von den ersten Gittern 221, 222 und die Erfassungsschlitzmuster 209-1, 209-1, basierend auf einer Abbildungsbeziehung, ausgewählt, welche durch einen Spalt zwischen der Skala 102-3 und den ersten Gittern 221, 222 einen Spalt zwischen der Skala 102-3 und den Erfassungsschlitzmustern 209-1, 209-1 erlangt wird. Gemaß dem optischen Encoder 250 von der vorliegenden elften Ausführungsform kann somit, indem die Abstände von den jeweiligen Gittern im Wesentlichen identisch erstellt werden, die Größe in den Spalten verbessert werden, ohne dass die Empfindlichkeit des Versatzes erhöht werden muss. Mit anderen Worten wird somit eine Erfassung mit größeren Spalten und einer höheren Auflösung ermöglicht.
Bei den Schlitzmustern von den Signalspuren 243, 233 in diesem System kann ferner ein Phasengitter, welches dem Licht eine periodische Phasenmodulation gibt, verwendet werden. Indem die Skala, mit dem Phasengitter aufgebaut wird, kann, verglichen mit einem Amplitudengitter, die Wirksamkeit bei der Verwendung des Lichts verbessert werden.
Ferner, ähnlich der zehnten Ausführungsform, ist ebenso die Verwendung eines linearen Encoders und eines Reflexionstyps-Aufbaus ebenso bei der vorliegenden elften Ausführungsform möglich.
Es ist zu erwähnen, dass durch ein freiwilliges Kombinieren der Ausführungsformen unter den verschiedenen Ausführungsformen, wie oben angegeben, ebenso Wirkungen erzielt werden können, welche den kombinierten Ausführungsformen innewohnen.
Die vorliegende Erfindung wurde detailliert mit Bezug auf die anliegende Zeichnung in Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben, und es sind dem Fachmann verschiedene Änderungen und Modifikationen offensichtlich. Es ist zu verstehen, dass solche Änderungen und Modifikationen, solange sie nicht jenseits des Umfangs der vorliegenden Erfindung, wie in den hier anliegenden Ansprüchen bestimmt, gehen, innerhalb des Umfangs davon enthalten sind.
Ferner sind die Angaben, wie in der Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen von einer japanischen Patentanmeldung No. 2008-148063 , eingereicht am 5. Juni 2008, und einer japanischen Patentanmeldung No. 2008-294189 , eingereicht am 18. November 2008, in ihrem vollen Umfang hier durch Inbezugnahme in die vorliegende Beschreibung einbezogen.
Bezugszeichenliste

100: optischer Encoder,
101: Lichtquelle
102, 102-2, 102-3: Skala,
103: Signalspur,
104: optisches Erfassungselement,
105: Drehwelle,
106: Betriebseinheit,
107 bis 114: optischer Erfasser,
200: optischer Encoder,
201: Lichtquelle,
203: Signalspur,
204: optisches Erfassungselement,
206: Betriebseinheit,
233: Signalspur,
243: Signalspur,
250: optischer Encoder.

Claims

Optischer Encoder, welcher enthält: eine Lichtquelle (101); eine einzelne Signalspur (103), welche an einem Messobjekt angeordnet ist und dazu ausgelegt ist, einen Lichtfluss von der Lichtquelle gemäß einer Bewegung des Messobjektes zu modulieren; ein optisches Erfassungselement (104), welches dazu ausgelegt ist, den Lichtfluss von der Signalspur zu empfangen und den Lichtfluss in ein elektrisches Signal umzuwandeln, und das elektrische Signal auszugeben; eine Betriebseinheit (106), welche dazu ausgelegt ist, das Ausgangssignal des optischen Erfassers zu bearbeiten; wobei der optische Encoder ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass: die Signalspur einen Aufbau enthält, welcher dazu ausgelegt ist, eine Intensität des Lichts von der Lichtquelle sinusförmig zu modulieren, und der Sinuswelle eine Phasenmodulation zu geben, welche immer bei mλ = Λ wiederholt wird (wobei m eine natürliche Zahl ist), wobei λ eine Grundperiode ist, das optische Erfassungselement ein Sinussignal und ein Kosinussignal aus dem Lichtfluss extrahiert, welches sinusförmig durch die Signalspur moduliert ist, welchem die Phasenmodulation gegeben ist, und wobei durch die Betriebseinheit Signale mit zwei Perioden von der einzelnen Signalspur erlangt werden, wobei eine davon ein Grundperiodensignal mit der Grundperiode λ ist, und eine andere davon ein phasenmoduliertes Signal mit der Periode Λ ist.
Optischer Encoder nach Anspruch 1, bei welchem das optische Erfassungselement dazu ausgelegt ist, ein erstes optisches Erfasser-Paar und ein zweites optisches Erfasser-Paar an jeweiligen Positionen anzuordnen, welche um eine Periode von {(2n + 1)Λ/2} in der Periode Λ von der Phasenmodulation voneinander entfernt sind, wobei das erste optische Erfasser-Paar ein Paar von optischen Erfassern enthält, welche dazu ausgelegt sind, das Sinussignal und das Kosinussignal aus dem Lichtfluss zu extrahieren, welcher sinusförmig durch die Signalspur moduliert ist, und das zweite optische Erfasser-Paar ein Paar von optischen Erfassern enthält, welche dazu ausgelegt sind, das Sinussignal und das Kosinussignal aus dem Lichtfluss zu extrahieren, welcher sinusförmig durch die Signalspur moduliert ist, die Betriebseinheit dazu ausgelegt ist, einen elektrischen Winkel an einer Position von sowohl dem ersten optischen Erfasser-Paar als auch dem zweiten optischen Erfasser-Paar von den Sinussignalen und den Kosinussignalen zu bearbeiten, welche von dem ersten optischen Erfasser-Paar und dem zweiten optischen Erfasser-Paar ausgegeben sind, einen elektrischen Winkel in der Grundperiode λ durch ein Addieren von jedem von den erlangten elektrischen Winkeln zu bearbeiten, und ein erstes phasenmoduliertes Signal durch ein Bestimmen von einer Differenz zwischen den erlangten elektrischen Winkeln zu bearbeiten.
Optischer Encoder nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das optische Erfassungselement ferner ein drittes optisches Erfasser-Paar und ein viertes optisches Erfasser-Paar enthält, welche an jeweiligen Positionen positioniert sind, welche jeweils um eine Periode von {(2n + 1)Λ/4} von dem ersten optischen Erfasser-Paar und dem zweiten optischen Erfasser-Paar voneinander entfernt sind, und den gleichen Aufbau wie das erste optische Erfasser-Paar und das zweite optische Erfasser-Paar haben, die Betriebseinheit dazu ausgelegt ist, einen elektrischen Winkel von dem phasenmodulierten Signal aus dem ersten phasenmodulierten Signal, welches von dem ersten optischen Erfasser-Paar und dem zweiten optischen Erfasser-Paar erlangt ist, und aus einem zweiten phasenmodulierten Signal, welches von dem dritten optischen Erfasser-Paar und dem vierten optischen Erfasser-Paar erlangt ist, zu bearbeiten.
Optischer Encoder nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das optische Erfassungselement dazu ausgelegt ist, ein erstes optisches Erfasser-Paar und ein zweites optisches Erfasser-Paar an jeweiligen Positionen anzuordnen, welche um eine Periode von Λ/2 in der Periode Λ von der Phasenmodulation voneinander entfernt sind, wobei das erste optische Erfasser-Paar ein Paar von optischen Erfassern enthält, welche dazu ausgelegt sind, das Sinussignal und das Kosinussignal aus dem Lichtfluss zu extrahieren, welcher sinusförmig durch die Signalspur moduliert ist, und das zweite optische Erfasser-Paar ein Paar von optischen Erfassern enthält, welche dazu ausgelegt sind, das Sinussignal und das Kosinussignal aus dem Lichtfluss zu extrahieren, welcher sinusförmig durch die Signalspur moduliert ist, und das zweite optische Erfasser-Paar ein Paar von optischen Erfassern enthält, welche dazu ausgelegt sind, das Sinussignal und das Kosinussignal aus dem Lichtfluss zu extrahieren, welcher sinusförmig durch die Signalspur moduliert ist, und wobei das optische Erfassungselement ferner dazu ausgelegt ist, ein drittes optisches Erfasser-Paar und ein viertes optisches Erfasser-Paar zu enthalten, welche an jeweiligen Positionen positioniert sind, welche um eine Periode von Λ/4 jeweils von dem ersten optischen Erfasser-Paar und dem zweiten optischen Erfasser-Paar entfernt sind, und wobei sie den gleichen Aufbau wie das erste optische Erfasser-Paar und das zweite optische Erfasser-Paar haben, die Betriebseinheit dazu ausgelegt ist, einen elektrischen Winkel von einer Position von jedem optischen Erfasser-Paar aus dem Sinussignal und dem Kosinussignal zu bearbeiten, welche jeweils aus dem ersten optischen Erfasser-Paar und dem zweiten optischen Erfasser-Paar als auch aus dem dritten optischen Erfasser-Paar und dem vierten optischen Erfasser-Paar ausgegeben sind, einen elektrischen Winkel von der Grundperiode λ durch ein Addieren von jedem von den erlangten elektrischen Winkeln zu bearbeiten, und ein erstes phasenmoduliertes Signal durch ein Bestimmen von Differenzen zwischen den jeweiligen erlangten elektrischen Winkeln zu bearbeiten.
Optischer Encoder nach Anspruch 2 oder 4, bei welchem die Betriebseinheit dazu ausgelegt ist, einen elektrischen Winkel von einem phasenmodulierten Signal basierend auf einer Differenz zwischen dem ersten phasenmodulierten Signal und dem zweiten phasenmodulierten Signal zu bearbeiten, wobei das erste phasenmodulierte Signal von dem ersten optischen Erfasser-Paar und dem zweiten optischen Erfasser-Paar als auch von dem dritten optischen Erfasser-Paar und dem vierten optischen Erfasser-Paar bearbeitet wird, und wobei das zweite phasenmodulierte Signal von dem zweiten optischen Erfasser-Paar und dem dritten optischen Erfasser-Paar als auch von dem vierten optischen Erfasser-Paar und dem ersten optischen Erfasser-Paar bearbeitet wird.
Optischer Encoder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem das Messobjekt, zusätzlich zu einer ersten Signalspur, welche die Signalspur ist, eine zweite Signalspur enthält, welche sich von der ersten Signalspur unterscheidet, wobei das optische Erfassungselement derart ausgebildet ist, dass es jeder Signalspur entspricht, wobei die erste Signalspur eine Signalspur ist, welche die phasenmodulierte Sinuswelle erzeugt, die zweite Signalspur eine Signalspur ist, welche die sinusförmige Lichtintensitätsmodulation von einer einzelnen Periode durchführt, welche eine höhere Frequenz als eine Auflösung hat, welche durch die erste Signalspur verarbeitet werden kann.
Optischer Encoder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem das Messobjekt, zusätzlich zu einer ersten Signalspur, welche die Signalspur ist, eine zweite Signalspur enthält, welche sich von der ersten Signalspur unterscheidet, wobei das optische Erfassungselement derart ausgebildet ist, dass es jeder Signalspur entspricht, wobei die erste Signalspur eine Signalspur ist, welche die phasenmodulierte Sinuswelle erzeugt, die zweite Signalspur eine Signalspur ist, welche die sinusförmige Lichtintensitätsmodulation von einer einzelnen Periode durchführt, welche eine niedrigere Frequenz als eine Auflösung hat, welche durch die erste Signalspur verarbeitet werden kann.
Optischer Encoder nach Anspruch 6 oder 7, bei welchem die zweite Signalspur eine Signalspur ist, welche die sinusförmige Lichtintensitätsmodulation von einer einzelnen Periode durchführt, wobei sich eine Wellennummer n von der zweiten Signalspur um eine Nummer j von einer Wellennummer L von der ersten Signalspur unterscheidet.
Optischer Encoder nach Anspruch 8, bei welchem ein Spurradius von der ersten Signalspur gleich R(L/n) beträgt, wobei ein Spurradius von der zweiten Signalspur gleich R beträgt.
Optischer Encoder, welcher enthält: eine Lichtquelle (101, 201); eine Skala (102-2), welche eine erste Spur (103) und eine zweite Spur (203) enthält, welche an einem Messobjekt angeordnet sind, und welche jeweils dazu ausgelegt sind, einen Lichtfluss von der Lichtquelle gemäß einer Bewegung des Messobjektes zu modulieren; ein optisches Erfassungselement (104, 204), welches dazu ausgelegt ist, den modulierten Lichtfluss von der Skala zu empfangen, den Lichtfluss in ein elektrisches Signal umzuwandeln, und das elektrische Signal auszugeben; und eine Betriebseinheit (206), welche dazu ausgelegt ist, eine Position des Messobjektes durch ein Bearbeiten des Ausgangssignals von dem optischen Erfasser zu bearbeiten; wobei der optische Encoder ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass: die erste Spur durch ein festgelegtes periodisches Muster mit einer Wellennummer n mit Bezug auf eine Periode Λ aufgebaut ist, welche die gesamte erste Spur in k Segmente unterteilt, die zweite Spur derart aufgebaut ist, dass sie eine Wellennummer hat, welche sich um eine Anzahl m von der Wellennummer n von der ersten Spur unterscheidet, und durch eine Funktion phasenmoduliert ist, welche sich in der Periode Λ ändert, der optische Erfasser derart aufgebaut ist, dass er einen ersten optischen Erfasser, welcher entsprechend der ersten Spur angeordnet ist, und eine Mehrzahl von zweiten optischen Erfassern, welche entsprechend der zweiten Spur angeordnet sind, und welche um eine Λ/4-Periode voneinander versetzt sind, enthält, und die Betriebseinheit dazu ausgelegt ist, ein Signal einer langen Periode zu bestimmen, indem eine Differenz in bearbeiteten Ausgaben von elektrischen Winkeln bearbeitet wird, welche von einem Ausgangssignal von dem ersten optischen Erfasser und einem Ausgangssignal von dem zweiten optischen Erfasser bestimmt werden, eine absolute Position innerhalb der Periode Λ zu bestimmen, indem eine Differenz in bearbeiteten Ausgaben von elektrischen Winkeln bearbeitet wird, welche von Ausgangssignalen von dem zweiten optischen Erfasser bestimmt werden, und eine Vernier-Ausgabe zu bestimmen, welche m-fach innerhalb der Periode Λ wiederholt wird, indem eine Summe von den bearbeiteten Ausgaben von elektrischen Winkeln bearbeitet wird.
Optischer Encoder nach Anspruch 10, wobei der optische Encoder ferner ein festgelegtes Gitter enthält, welches festgelegt zwischen der Lichtquelle und der ersten und zweiten Spur von der Skala angeordnet ist, und wobei das optische Erfassungselement dazu ausgelegt ist, ein Gitterbild zu erfassen, welches durch das festgelegte Gitter und die Skala erzeugt ist.
Optischer Encoder nach Anspruch 11, bei welchem sowohl die erste Spur als auch die zweite Spur von der Skala ein Phasengitter haben, welches die Phase des Lichts moduliert.