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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Geber zum Detektieren des absoluten Drehwinkels einer optischen Skala.
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Hintergrund
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Für gewöhnlich weist ein Drehgeber zum Detektieren des Drehwinkels eines zu messenden Objekts folgendes auf: Eine optische Skala mit hellen und dunklen optischen Mustern, ein Detektionselement zum Detektieren der optischen Muster auf der optischen Skala und einen Rechner, der in einer nachfolgenden Stufe des Detektionselements angeordnet ist, wobei der Rechner den Drehwinkel der optischen Skala detektiert, die mit einer rotierenden Achse eines Motors oder dergleichen verbunden ist.
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Es sind folgende Arten dieses Typs von Drehgeber bekannt: Ein Inkrementsystem, bei welchem der Rechner den Drehwinkel detektiert, indem er von dem Detektionselement ausgegebene Pulssignale akkumuliert, und ein Absolutsystem, bei welchem der Rechner den absoluten Winkel der optischen Skala gemäß auf den Winkel bezogen eindeutigen optischen Mustern auf der optischen Skala detektiert.
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Da der Drehwinkel bei dem Inkrementsystem als Inkrement von einem Ausgangspunkt detektiert wird, ist es folglich nötig, eine Rückkehr zum Ausgangspunkt durchzuführen, wenn der optische Geber eingeschaltet wird. Andererseits ist bei dem Absolutsystem ein Akkumulieren von Pulssignalen nicht erforderlich, und es ist somit unnötig, eine Rückkehr zum Ausgangspunkt durchzuführen, wenn der optische Geber eingeschaltet wird. Dies erlaubt eine schnelle Neuaufnahme des Betriebs nach einem Notstoppvorgang oder einem Ausfall der Versorgungsspannung.
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Als Technik zum Detektieren eines absoluten Winkels oder einer absoluten Position ist außerdem ein System bekannt, bei welchem optische Muster auf einer optischen Skala moduliert werden. Beispielsweise weist eine Linearskala-Messvorrichtung gemäß Patentdokument 1 folgendes auf: eine optische Skala mit transparenten Bereichen und undurchlässigen Bereichen, einen Projektor zum Bestrahlen der optischen Skala mit Licht und einen Lichtempfänger zum Empfangen von Licht von der optischen Skala, wobei die Streifenbreiten der undurchlässigen Bereiche auf der optischen Skala stufenweise von dünneren zu dickeren Streifen verändert werden, so dass die Menge des durchgelassenen Lichts, das von dem Lichtempfänger detektiert wird, sinusförmig verändert wird.
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Eine Positions-Detektionsvorrichtung gemäß Patentdokument 2 weist folgendes auf: eine optische Skala mit Licht-Abschirmbereichen und Licht-Durchlassbereichen, einen Projektor zum Bestrahlen der optischen Skala mit Licht und einen Lichtempfänger zum Empfangen von Licht von der optischen Skala, wobei die Längen der Licht-Abschirmbereiche auf der optischen Skala moduliert werden, so dass die absolute Menge des Lichts, das durch die optische Skala hindurchgeht, monoton verringert oder erhöht wird.
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Dokumente des Standes der Technik
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Patentdokument
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- Patendokument 1: JP 61-182 522 A (6)
- Patentdokument 2: JP 2007-248 359 A (1 und 2)
- Patentdokument 3: JP 2003-177 036 A
- Patendokument 4: JP 2003-075 200 A
- Patentdokument 5: JP 2005-164 533 A
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Zusammenfassung der Erfindung
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Mit der Erfindung zu lösendes Problem
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Gemäß Patentdokument 1 werden die optischen Muster auf der optischen Skala moduliert, um ein Sinuswellen-Ausgangssignal zu erhalten, und des Weiteren ist ein Licht-Empfangselement an einer Position angeordnet, die um eine Viertelperiode versetzt ist, um ein Cosinuswellen-Ausgangssignal zu erhalten. Der absolute Winkel kann detektiert werden, indem der Arkustangens unter Verwendung der Sinus- und der Cosinuswellen-Ausgangssignale berechnet wird.
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Wenn jedoch ein Positionsfehler in dem optischen System auftritt und der Tiefpunkt der ausgegebenen Sinuswelle angehoben wird, so ergibt sich ein Offset-Fehler (Versatzfehler) a. Wenn der Offset (Versatz) und die Amplitude der Sinuswellen-Ausgabe mit a bzw. b bezeichnet werden, so wird das Ergebnis der Berechnung des Arkustangens durch den folgenden Ausdruck beschrieben. Folglich ergibt sich ein Fehler ε. Ausdruck 1
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Genauer gesagt: Der Winkelfehler ε wird durch einen Bruch aus dem Offset-Fehler a in Bezug auf die Amplitude b ausgedrückt. Dementsprechend wird der Wert a/b vermindert, indem die Amplitude b vergrößert wird, um den Einfluss des Offset-Fehlers a zu verringern. Um jedoch im Fall der optischen Skala gemäß Patentdokument 1 die Amplitude zu vergrößern, so dass sich die Differenz zwischen der maximalen Lichtmenge und der minimalen Lichtmenge vergrößert, muss die Breite des transparenten Bereichs an einer dem Tiefpunkt der Sinuswelle entsprechenden Position so klein wie möglich sein, während die Breite des undurchsichtigen Bereichs an einer dem Spitzenwert der Sinuswelle entsprechenden Position so klein wie möglich sein muss. Wenn die Amplitude vergrößert wird, ergibt sich eine Produktionsbeschränkung.
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Während ein Lineargeber ein Dreieckswellen-Ausgangssignal oder ein Sinuswellen-Ausgangssignal erfassen kann, muss gemäß Patentdokument 2 ein Drehgeber optische Muster in Form von Kreisbögen aufweisen, um ein Sinuswellen-Ausgangssignal zu erzeugen, so dass ein komplizierter Aufbau nötig ist. Des Weiteren benötigen der Lineargeber und der Drehgeber verschiedene Techniken zum Ausgestalten der optischen Skalen, was den Aufbau weiter verkompliziert.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Geber anzugeben, der im Vergleich mit einem herkömmlichen optischen Geber eine größere Genauigkeit und eine höhere Auflösung aufweist.
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Wege zum Lösen des Problems
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Um die oben Beschriebene Aufgabe zu erfüllen, weist ein optischer Geber gemäß der vorliegenden Erfindung folgendes auf:
eine optische Skala, die periodische optische Muster aufweist und relativ sowie winkelbezogen verlagert werden kann;
einen Projektor zum Bestrahlen der optischen Skala mit Licht;
einen Lichtempfänger zum Empfangen von Licht von der optischen Skala;
und
einen Rechner zum Berechnen eines absoluten Drehwinkels θ der optischen Skala gemäß einem Signal aus dem Lichtempfänger;
wobei die optischen Muster eine Mehrzahl von Licht-Abschirmbereichen und eine Mehrzahl von Licht-Durchlassbereichen aufweisen, wobei die Bereiche abwechselnd zueinander angeordnet sind, und
wobei dann, wenn der Abstand eines n-ten Licht-Abschirmbereichs in einer festgelegten Umfangsrichtung mit Pn bezeichnet wird und die Breite des n-ten Licht-Abschirmbereichs mit Wn bezeichnet wird, die Transmissivität T(θn) korrespondierend zu einem Winkel θn des n-ten Licht-Abschirmbereichs und der Abstand Pn des Licht-Abschirmbereichs den nachfolgenden Ausdruck erfüllen, und wobei sich die Breite Wn des Licht-Abschirmbereichs in den optischen Mustern gemäß einer Funktion des Abstands Pn des Licht-Abschirmbereichs ändert. Ausdruck 2
θn = θn–1 + P ...(A2) -
Wirkung der Erfindung
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Gemäß der vorliegenden Erfindung verändern sich sowohl der Abstand Pn des Licht-Abschirmbereichs, als auch die Breite Wn des Licht-Abschirmbereichs in Umfangsrichtung der optischen Skala, so dass jedwede gewünschte Transmissivität (Durchlässigkeit) während der Rotation der optischen Skala erzielt werden kann. Im Vergleich dazu, dass nur entweder der Abstand oder die Breite verändert wird, ist es daher möglich, die Differenz zwischen der maximalen Lichtmenge und der minimalen Lichtmenge zu vergrößern. Im Ergebnis ist es möglich, den absoluten Drehwinkel θ der optischen Skala mit größerer Genauigkeit und höherer Auflösung zu messen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht, die einen Aufbau gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 eine Schnittansicht, die ein Beispiel einer optischen Skala zeigt;
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3 eine Schnittansicht, die ein weiteres Beispiel einer optischen Skala zeigt;
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4 einen Graphen, der Ausgangssignale eines Lichtempfängers angibt;
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5 einen Graphen, der die Ergebnisse anzeigt, die sich ergeben, wenn ein Offset von den Ausgangssignalen des Lichtempfängers abgezogen wird;
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6 einen Graphen, der einen Offset-Fehler anzeigt, der sich infolge der Veränderung der Lichtmenge ergibt;
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7 eine erläuternde Ansicht, die die Dimensionen der optischen Skala zeigt;
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8 eine erläuternde Ansicht, die Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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Ausführungsform 1
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1 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Aufbau gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt. Ein optischer Geber 1 besitzt einen Projektor 2, eine optische Skala 3, einen Lichtempfänger 4 und einen Rechner 5.
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Der Projektor 2 dient als Lichtquelle zum Bestrahlen der optischen Skala 3 mit Licht. Beispielsweise wird vorzugsweise, angesichts der Lebensdauer und der Kosten, eine Leuchtdiode (LED) verwendet. Die LED kann mit einer Linse versehen sein, oder sie kann zur Kostensenkung auch nur als Chip ausgestaltet sein. Es kann ein optisches System, wie beispielsweise eine Linse oder ein Spiegel, zwischen dem Projektor 2 und der optischen Skala 3 vorgesehen sein.
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Die optische Skala 3 ist derart abgestützt, dass sie relativ zu dem Projektor 2 und dem Lichtempfänger 4 winkelbezogen verlagert wird, und sie hat periodische optische Muster 6, die aus einer Mehrzahl von Licht-Abschirmbereichen 6a und einer Mehrzahl von Licht-Durchlassbereichen 6b gebildet sind, wobei alle Bereiche in Umfangsrichtung abwechselnd zueinander angeordnet sind. Die optischen Muster 6 dienen als Modulator der Lichtintensität, um die Intensität des von dem Projektor 2 abgestrahlten Lichts zu modulieren.
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Die vorliegende Ausführungsform stellt ein Beispiel eines Gebers (Codierers) vom Durchlasstyp dar, bei welchem die optische Skala 3 zwischen dem Projektor 2 und dem Lichtempfänger 4 positioniert ist. Alternativ ist es auch möglich, einen Geber vom Reflexionstyp zu verwenden, bei welchem der Projektor 2 und der Lichtempfänger 4 auf derselben Seite der optischen Skala 3 angeordnet sind. Sowohl beim Durchlasstyp als auch beim Reflexionstyp ist die optische Skala 3 insbesondere nicht in ihrer Ausgestaltung beschränkt, solange nur die optische Skala 3 mit einer periodischen Struktur versehen ist, die Licht-Durchlassbereiche und Licht-Abschirmbereiche bzw. reflektierende Bereiche und nicht-reflektierende Bereiche aufweist.
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Die optische Skala 3 kann beispielsweise gebildet werden, indem ein Metall wie z. B. Chrom auf ein Glassubstrat aufgebracht wird und die Metallschicht unter Verwendung von Fotolitographie als Muster gestaltet wird. Wie in 2 gezeigt, wird alternativ ein transparentes Harz, wie beispielsweise Polycarbonat, als Basismaterial verwendet, das so geformt werden kann, dass es die ebenen Licht-Durchlassbereiche 6b und die hervorstehenden Licht-Abschirmbereiche 6a mit V-förmigem Querschnitt aufweist.
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Falls in diesem Fall jeder der Vorsprünge einen Winkel hat, der nicht kleiner ist als der Grenzwinkel des benutzten Lichts, kann das auf die V-förmigen Vorsprünge auftreffende Licht infolge von Totalreflexion dort nicht hindurchtreten, so dass die Vorsprünge als Licht-Abschirmbereiche 6a dienen können.
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Wie in 3 gezeigt, können alternativ die Licht-Abschirmbereiche 6a aus Einkerbungen gebildet sein, die jeweils einen V-förmigen Querschnitt haben und eine ähnliche Licht-Abschirmfunktion erfüllen können. Folglich kann durch Verwendung eines derart integral geformten Produkts die optische Skala 3 mit geringeren Kosten hergestellt werden.
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Die optische Skala 3 ist mit mindestens zwei konzentrischen Bahnen versehen, welche die periodischen optischen Muster 6 aufweisen. Beispielsweise können die optischen Muster 6, die auf einer ersten Bahn T1 vorgesehen sind, die Lichtintensität modulieren, und zwar gemäß einer Sinuswellen-Funktion mit einer Periode pro Umdrehung der optischen Skala 3. Andererseits können die optischen Muster 6, die auf einer zweiten Bahn T2 vorgesehen sind, die Lichtintensität modulieren, und zwar gemäß einer Cosinuswellen-Funktion mit einer Periode pro Umdrehung der optischen Skala 3.
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Demzufolge haben die optischen Muster 6 auf den Bahnen T1 und T2, die Licht-Abschirmbereiche 6a und die Licht-Durchlassbereiche 6b das gleiche Verteilungsprofil in Umfangsrichtung, deren Phasen sind jedoch um 90° zueinander verschoben.
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Der Lichtempfänger 4 dient als Lichtdetektor zum Empfangen von Licht von der optischen Skala 3, wie beispielsweise durchgelassenes Licht oder reflektiertes Licht, und zum Ausgeben eines Signals, das proportional zur Intensität des empfangenen Lichts ist. Der Lichtempfänger 4 kann aus einem Licht-Empfangselement gebildet sein, wie beispielsweise einer Fotodiode (PD). Ein optisches System, wie beispielsweise eine Linse oder ein Spiegel, kann zwischen dem Lichtempfänger 4 und der optischen Skala 3 vorgesehen sein.
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Der Lichtempfänger 4 hat zwei Licht-Empfangselemente 41 und 42, die jeweils den Bahnen T1 und T2 der optischen Skala 3 zugeordnet sind. Während die optische Skala 3 eine vollständige Umdrehung ausführt, gibt das Licht-Empfangselement 41 ein Signal S1 ab, das in Sinus-Wellenform variiert, und das Licht-Empfangselement 42 gibt ein Signal S2 ab, das in Cosinus-Wellenform variiert.
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Der Rechner 5, der aus einem A/D-Umsetzer, einem Mikroprozessor und dergleichen aufgebaut ist, kann einen absoluten Drehwinkel θ der optischen Skala 3 gemäß den Signalen S1 und S2 aus dem Lichtempfänger 4 berechnen. Später wird noch genauer beschrieben, wie der absolute Drehwinkel θ berechnet werden kann.
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Im folgenden wird der Betrieb beschrieben. Die optische Skala 3 ist mit einer rotierenden Achse eines rotierenden Körpers, beispielsweise einem Motor oder Rotor, verbunden, und sie moduliert die Intensität des von dem Projektor 2 emittierten Lichts gemäß deren Drehwinkel. Das mittels der optischen Muster 6 modulierte Licht auf jeden der Bahnen T1 und T2 wird von den Licht-Empfangselementen 41 bzw. 42 des Lichtempfängers 4 detektiert.
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Wie in 4 gezeigt, kann das Licht-Empfangselement 41 gemäß dem Drehwinkel θ der rotierenden optischen Skala 3 ein Sinuswellen-Ausgangssignal S1 = (a + b × sinθ) erzeugen, das einen Offset a und eine Amplitude b aufweist.
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Auf ähnliche Weise kann das Licht-Empfangselement 42 ein Cosinuswellen-Ausgangssignal S2 = (a + b × cosθ) erzeugen, das den Offset a und die Amplitude b aufweist.
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Der Rechner
5 speichert den im Vorfeld gemessenen Offset-Wert a als einen Korrekturwert. Folglich zieht der Rechner
5 den Offset-Wert a jeweils von dem Sinuswellen-Ausgangssignal S1 und dem Cosinuswellen-Ausgangssignal S2 aus dem Lichtempfänger
4 ab, um ein Sinuswellen-Ausgangssignal S3 = b × sinθ ohne jeglichen Offset und ein Cosinuswellen-Ausgangssignal S4 = b × cosθ ohne jeglichen Offset zu erhalten, wie es in
5 gezeigt ist. Anschließend führt der Rechner
5 eine Berechnung des Arkustangens gemäß der nachfolgenden Gleichung (2) (Ausdruck 3) durch, um den absoluten Drehwinkel θ der optischen Skala
3 zu erhalten. Ausdruck 3
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Für den Fall, dass die Lichtmenge verändert wird, wird als nächstes der Winkelfehler beschrieben. Es sei angenommen, dass die Lichtmenge aus irgendeinem Grund verändert wird. Wie in
6 gezeigt, wird in diesem Fall das ursprüngliche Ausgangssignal S1 in ein Ausgangssignal S1α geändert, indem ein Offset-Fehler α addiert wird. Falls der Rechner
5 den Offset-Wert a in diesem Zustand subtrahiert, bleibt der Offset-Fehler α bestehen. Falls der Rechner
5 des Weiteren die Berechnung des Arkustangens durchführt, wird ein Winkelfehler ε erzeugt, der durch die nachfolgende Gleichung (3) (Ausdruck 4) angegeben ist. Ausdruck 4
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Wie aus Gleichung (3) ersichtlich ist, ist es notwendig, die Amplitude b zu vergrößern, um den Einfluss des Offset-Fehlers α zu verringern.
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Im folgenden wird nun beschrieben, wie man die Amplitude b vergrößert. Wie in 7 gezeigt, ist untenstehend in beispielhafter Weise die optische Skala 3 beschrieben, die ein Harz-Basismaterial verwendet und für die Licht-Abschirmbereiche 6a mit Vorsprüngen versehen ist, die jeweils einen V-förmigen Querschnitt aufweisen. Die optische Skala 3, die nicht auf den obigen Aufbau beschränkt ist, kann mit einer periodischen Struktur versehen sein, die aus Licht-Durchlassbereichen und Licht-Abschirmbereichen oder aus reflektierenden Bereichen und nicht-reflektierenden Bereichen gebildet ist.
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Für die optische Skala 3, die eine Sinuswelle mit einer Periode pro Umdrehung ausgibt, kann eine zu einem Winkel korrespondierende Transmissivität (Durchlässigkeit) T(θ) der optischen Skala 3 mittels der folgenden Gleichung (4) (Ausdruck 5) ausgedrückt werden, die eine Gleichstromkomponente DC und eine Wechselstromkomponente AC aufweist. In dieser Gleichung bezeichnet θn den Winkel des n-ten Licht-Abschirmbereichs, ausgehend von einem Referenzwinkel θ0 in festgelegter Umfangsrichtung.
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Ausdruck 5
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T(θn) = DC + ACsinθn ...(4)
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Die zum Winkel θn korrespondierende Transmissivität T(θn) des n-ten Licht-Abschirmbereichs kann auch ausgedrückt werden durch die nachfolgende Gleichung (5) (Ausdruck 6) mit Pn, das einen Abstand des n-ten Licht-Abschirmbereichs 6a bezeichnet, und Wn, das eine Breite des n-ten Licht-Abschirmbereichs 6a bezeichnet.
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Der Winkel θn des n-ten Licht-Abschirmbereichs kann durch die nachfolgende Gleichung (6) (Ausdruck 7) mit einem Abstand Pm eines m-ten Licht-Abschirmbereichs
6a definiert werden. Ausdruck 7
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Der Abstand Pn und die Breite Wn des n-ten Licht-Abschirmbereichs
6a werden durch die folgenden Gleichungen (7) und (7a) (Ausdruck 8) mit einer Konstanten A definiert. Ausdruck 8
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Dadurch, dass Abstand und Breite derart definiert werden, dass sie umgekehrt proportional zueinander sind, ist es folglich möglich, die Breite Wn des Licht-Abschirmbereichs 6a zu verringern, wenn der Abstand Pn des Licht-Abschirmbereichs 6a größer ist, und es ist möglich, die Breite Wn des Licht-Abschirmbereichs 6a zu vergrößern, wenn der Abstand Pn des Licht-Abschirmbereichs 6a kleiner ist. Infolgedessen kann die Differenz zwischen maximaler Lichtmenge und minimaler Lichtmenge größer sein, so dass der Lichtempfänger 4 eine Lichtintensität detektieren kann, die eine größere Amplitude aufweist.
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Die Transmissivität TH(θ) am Spitzenwert der Sinuswelle und die Transmissivität TL(θ) am Tiefpunkt der Sinuswelle können durch die folgenden Gleichungen (8) und (9) (Ausdruck 9) ausgedrückt werden, die den Abstand PH des Licht-Abschirmbereichs
6a und die Breite WH des Licht-Abschirmbereichs
6a am Spitzenwert der Sinuswelle sowie den Abstand PL des Licht-Abschirmbereichs
6a und die Breite WL des Licht-Abschirmbereichs
6a am Tiefpunkt der Sinuswelle beinhalten. Ausdruck 9
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Die Gleichstromkomponente DC und die Wechselstromkomponente AC der Sinuswelle können durch die nachfolgenden Gleichungen (10) und (11) (Ausdruck 10) ausgedrückt werden, die die maximale Transmissivität TH und die minimale Transmissivität TL beinhalten. Ausdruck 10
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Der Abstand Pn des Licht-Abschirmbereichs
6a kann durch die nachfolgende Gleichung (12) (Ausdruck 11) ausgedrückt werden, und zwar gemäß den Gleichungen (4) und (5). Ausdruck 11
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Die nachfolgende Gleichung (13) (Ausdruck 12) kann erhalten werden, indem die Gleichung (7) in diese Gleichung (12) eingesetzt wird. Ausdruck 12
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Angenommen, dass beispielsweise die Breite WH des Licht-Abschirmbereichs
6a beim Spitzenwert der Sinuswelle
10 beträgt und der Abstand PH des Licht-Abschirmbereichs
6a beim Spitzenwert der Sinuswelle 10° beträgt, dann ist die Transmissivität TH = 90%, und die Konstante ist A = 10. Sei des Weiteren angenommen, dass die Transmissivität TL beim Tiefpunkt der Sinuswelle 5% beträgt, so sind der zu dem Winkel des n-ten Licht-Abschirmbereichs
6a korrespondierende Abstand Pn sowie der Winkel θn des n-ten Licht-Abschirmbereichs
6a in der untenstehenden Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1
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Angenommen, n = 0 wird als Ausgangspunkt gesetzt, so ist es notwendig, die Werte zu korrigieren, um den Winkel des letzten Licht-Abschirmbereichs
6a mit dem Ausgangspunkt zur Deckung zu bringen. Ein zu der Position des n-ten Licht-Abschirmbereichs
6a nach der Korrektur korrespondierender Winkel θn' wird gemäß der nachfolgenden Gleichung (14) (Ausdruck 13) mit dem Winkel θ des letzten Licht-Abschirmbereichs
6a beschrieben. Ausdruck 13
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In diesem Fall sind der zu dem Winkel des n-ten Licht-Abschirmbereichs
6a korrespondierende Abstand Pn sowie der Winkel θn' des n-ten Licht-Abschirmbereichs
6a in der untenstehenden Tabelle 2 angegeben. Tabelle 2
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Angenommen, der Licht-Abschirmbereich
6a hat eine konstante Breite W, und eine Modulation wird nur mit dem Abstand Pn des Licht-Abschirmbereichs
6a durchgeführt. Ähnlich wie bei der Definition durch Gleichung (7) sei angenommen, dass die Breite W einen Wert von 10 besitzt, und dass der Abstand PH des Licht-Abschirmbereichs
6a bei dem Spitzenwert der Sinuswelle 10° beträgt. Dann ist die Transmissivität TH = 90%, und die Transmissivität beim Tiefpunkt der Sinuswelle ist 5%. Die Transmissivität T(θn) des n-ten Licht-Abschirmbereichs kann durch die nachfolgende Gleichung (15) (Ausdruck 14) ausgedrückt werden, ähnlich zu Gleichung (5). Ausdruck 14
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Indem in Gleichung (15) W = 1° und TL = 5% gesetzt werden, wird für PL = 1,05 erhalten. Demzufolge ist die Lücke zwischen aneinander angrenzenden Licht-Abschirmbereichen 6a am Tiefpunkt der Sinuswelle 0,05°. Solch eine Lücke entspricht in etwa 8,7 μm für den Fall, dass die optische Skala 3 einen Radius von 10 mm bei den optischen Mustern 6 hat.
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Indessen wird die nachfolgende Gleichung (16) (Ausdruck 15) erhalten, indem Gleichung (7) in Gleichung (9) eingesetzt wird. Ausdruck 15
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Indem in den Gleichungen (16) und (7) TL = 5% und A = 10 gesetzt werden, so werden für WL = 3,08° und für PL = 3,24° erhalten. Demzufolge ist die Lücke zwischen aneinander angrenzenden Licht-Abschirmbereichen 6a am Tiefpunkt der Sinuswelle 0.16°. Solch eine Lücke entspricht in etwa 27,9 μm für den Fall, dass die optische Skala 3 einen Radius von 10 mm bei den optischen Mustern 6 hat. Dies gilt auch für den Fall, dass nur eine Modulation der Breite Wn des Licht-Abschirmbereichs 6a durchgeführt wird.
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Genauer gesagt: Für den Fall, dass die oben genannten Werte angenommen werden, kann eine Definition gemäß Gleichung (7) ungefähr die Wahrscheinlichkeit der kleinsten Lücke zwischen den aneinander angrenzenden Licht-Abschirmbereichen 6a verdreifachen, so dass sich eine Vereinfachung der Herstellung der optischen Skala 3 ergibt.
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Für den Fall, dass die Breite W des Licht-Abschirmbereichs 6a konstant ist und nur eine Modulation des Abstandes Pn des Licht-Abschirmbereichs 6a durchgeführt wird, und angenommen, dass die kleinste Lücke zwischen den aneinander angrenzenden Licht-Abschirmbereichen 6a wie in Gleichung (7) 0,16° beträgt, so wird PL = 1,16° erhalten, und die Transmissivität ist ungefähr 14% am Tiefpunkt der Sinuswelle. In diesem Fall ist die Amplitude lediglich ungefähr ein Drittel, verglichen mit dem Fall, der durch Gleichung (7) definiert ist.
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Wie oben beschrieben, kann gemäß dieser Ausführungsform die Differenz zwischen maximaler Lichtmenge und minimaler Lichtmenge größer sein, um die Amplitude des empfangenen Lichts zu vergrößern, so dass der Einfluss eines Winkelfehlers infolge eines Offset-Fehlers verringert wird. Im Ergebnis ist es möglich, den absoluten Drehwinkel θ der optischen Skala mit größerer Genauigkeit und höherer Auflösung zu messen. Es ist des Weiteren möglich, die kleinste Lücke zwischen aneinander angrenzenden Licht-Abschirmbereichen zu vergrößern, so dass die Herstellung der optischen Skala 3 vereinfacht wird.
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Ausführungsform 2
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8 ist eine erläuternde Ansicht, die die Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt. Ein optischer Geber gemäß dieser Ausführungsform ist ähnlich wie der optische Geber
1 gemäß Ausführungsform 1 aufgebaut, mit der Ausnahme, dass die Breite W'n des Licht-Abschirmbereichs
6a für die optischen Muster
6 anstelle von Gleichung (7) durch die folgenden Gleichungen (17) und (17a) (Ausdruck 16) ausgedrückt wird. Bei diesen Gleichungen ist ein Koeffizient m eine reelle Zahl größer Null. Ausdruck 16
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Der übrige Aufbau und das Detektionsprinzip sind ähnlich zu denen der Ausführungsform 1. In der nachfolgenden Beschreibung wird nur auf die Unterschiede eingegangen, d. h. ähnliche Teile werden nicht noch einmal wiederholt.
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Unten ist ein Beispiel für die optische Skala 3 angegeben, die ein Harz-Basismaterial verwendet und für die Licht-Abschirmbereiche 6a mit Vorsprüngen versehen ist, die jeweils einen V-förmigen Querschnitt aufweisen. Die optische Skala 3, die nicht auf den obigen Aufbau beschränkt ist, kann mit einer periodischen Struktur versehen sein, die aus Licht-Durchlassbereichen und Licht-Abschirmbereichen oder aus reflektierenden Bereichen und nicht-reflektierenden Bereichen gebildet ist.
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Dadurch, dass das Verhältnis zwischen Abstand Pn und Breite W'n des n-ten Licht-Abschirmbereichs 6a derart definiert wird, wie es in Gleichung (17) ausgedrückt ist, ist es folglich möglich, die Breite W'n des Licht-Abschirmbereichs 6a zu verringern, wenn der Abstand Pn des Licht-Abschirmbereich 6a größer ist, und es ist möglich, die Breite W'n des Licht-Abschirmbereichs 6a zu vergrößern, wenn der Abstand Pn der Licht-Abschirmbereiche 6a kleiner ist.
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Infolgedessen kann die Differenz zwischen maximaler Lichtmenge und minimaler Lichtmenge größer sein, so dass der Lichtempfänger 4 eine Lichtintensität detektieren kann, die eine größere Amplitude aufweist.
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Indem W'n in Gleichung (17) durch Wn aus Gleichung (12) ersetzt wird, kann der Abstand Pn des Licht-Durchlassbereichs
6a durch die nachfolgende Gleichung (18) (Ausdruck 17) ausgedrückt werden. Ausdruck 17
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Angenommen, dass beispielsweise die Breite WH des Licht-Abschirmbereichs
6a beim Spitzenwert der Sinuswelle 1° beträgt, der Abstand PH des Licht-Abschirmbereichs
6a beim Spitzenwert der Sinuswelle 10° beträgt und der Koeffizient m = 2 ist, dann ist die Transmissivität TH = 90%, und die Konstante ist A = 10. Sei des Weiteren angenommen, dass die Transmissivität TL beim Tiefpunkt der Sinuswelle 5% beträgt, so sind der zu dem Winkel des n-ten Licht-Abschirmbereichs
6a korrespondierende Abstand Pn sowie der Winkel θn des n-ten Licht-Abschirmbereichs
6a in der untenstehenden Tabelle 3 angegeben. Tabelle 3
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Ähnlich wie bei der Ausführungsform 1 ist es notwendig, die Werte zu korrigieren, um den Winkel des letzten Licht-Abschirmbereichs 6a mit dem Ausgangspunkt zur Deckung zu bringen. Der zu der Position des n-ten Licht-Abschirmbereichs 6a nach der Korrektur korrespondierende Winkel θn' wird gemäß der Gleichung (14) korrigiert, die den Winkel θ des letzten Licht-Abschirmbereichs 6a beinhaltet.
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In diesem Fall sind der zu dem Winkel des n-ten Licht-Abschirmbereichs
6a korrespondierende Abstand Pn sowie der Winkel θn' des n-ten Licht-Abschirmbereichs
6a in der untenstehenden Tabelle 4 angegeben. Tabelle 4
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Aus den Gleichungen (16) und (17) werden die Breite W'L des Licht-Abschirmbereichs 6a und der Abstand PL des Licht-Abschirmbereichs 6a bei der kleinsten Lücke der Sinuswelle als W'L = 2,12° bzw. PL = 2,23° erhalten. Die Lücke zwischen den aneinander angrenzenden Licht-Abschirmbereichen 6a am Tiefpunkt der Sinuswelle beträgt 0,11°, was ein wenig kleiner ist als die Lücke in dem in Ausführungsform 1 beschriebenen Fall, in welchem m = 1 ist.
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Die Anzahl von Abstufungen, die die Sinuswelle mit einer Periode pro Umdrehung ergeben, wird jedoch erhöht, wie es in Tabelle 3 angegeben ist, und der Winkel vor der Winkelkorrektur gemäß Gleichung (14) deckt sich in etwa mit dem Ausgangspunkt. Dies verringert einen Fehler in Bezug auf eine ideale Sinuswelle, so dass eine Detektion mit größerer Genauigkeit durchgeführt werden kann.
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Wie oben beschrieben, kann gemäß dieser Ausführungsform die Differenz zwischen maximaler Lichtmenge und minimaler Lichtmenge größer sein, um die Amplitude des empfangenen Lichts zu vergrößern, so dass der Einfluss eines Winkelfehlers infolge eines Offset-Fehlers verringert wird. Im Ergebnis ist es möglich, den absoluten Drehwinkel θ der optischen Skala mit größerer Genauigkeit und höherer Auflösung zu messen.
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Es ist des Weiteren möglich, die kleinste Lücke zwischen aneinander angrenzenden Licht-Abschirmbereichen 6a zu vergrößern, so dass die Herstellung der optischen Skala 3 vereinfacht wird. Die Anzahl von Abstufungen, die die Sinuswelle mit einer Periode pro Umdrehung ergeben, wird außerdem erhöht. Dies verringert einen Fehler in Bezug auf die ideale Sinuswelle, so dass eine Detektion mit größerer Genauigkeit durchgeführt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- optischer Geber
- 2
- Projektor
- 3
- optische Skala
- 4
- Lichtempfänger
- 5
- Rechner
- 6
- optisches Muster
- 6a
- Licht-Abschirmbereich
- 6b
- Licht-Durchlassbereich
- 41, 42
- Licht-Empfangselement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 61-182522 A [0006]
- JP 2007-248359 A [0006]
- JP 2003-177036 A [0006]
- JP 2003-075200 A [0006]
- JP 2005-164533 A [0006]
