DE19512258A1 - Optischer Codierer mit einem Photodiodenfeld, das sowohl als Lichtdetektor als auch als Indexskala dient - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen optischen Codierer zur Verwendung als Linearcodierer und als Drehcodierer, insbesondere auf einen optischen Codierer mit einem Photodiodenfeld, das als Lichtdetek­ tor und als Indexskala dient.

Ein optischer Codierer, wie er in Fig. 10 dargestellt ist, ist bekannt. Eine LED 81 sendet einen Lichtstrahl an einen Konkavspiegel 82. Der Konkavspiegel 82 reflektiert einen kollimierten Lichtstrahl 83 auf eine Hauptskala 84. Die Hauptskala 84 hat eine Skalierung, die aus einem optischen Gitter besteht. Das optische Gitter weist Schlitze auf, die in vorbestimmten Teilungsabständen gebildet sind. Parallel zur Hauptskala 84 ist eine Indexskala 85 mit einem optischen Gitter angeordnet, das das gleiche ist wie das optische Gitter der Hauptskala 84. Hinter der Indexskala 85 ist ein Lichtdetektor angeordnet.

Wenn die Hauptskala 84 relativ in den Richtungen der Fig. 10 gegen die Indexskala 85 bewegt wird, kann der Lichtdetektor 85 ein helles/dunkles Muster erfassen, das aufgrund einer Überdeckung bzw. Über­ lappung der optischen Gitter der Hauptskala 84 und der Indexskala 85 entsteht. Durch Verarbeiten des Ausgangsstromes des Lichtdetektors 86 kann die Verschiebung der Hauptskala gemessen werden.

Bei dem optischen Codierer, wie er in Fig. 11 dargestellt ist, sind zur Erzielung eines Nullpunktsignals Nullpunkt-Erfassungsmuster P1 und P2 auf der Hauptskala 84 und der Indexskala 85 gebildet, wie dies jeweils entsprechend in Fig. 11 dargestellt ist. Die Nullpunkt-Erfassungsmuster P1 und P2 sind durch eine Vielzahl von Schlitzen gebildet, die unregel­ mäßig ausgerichtet sind. Um die Überlappung der Nullpunkt-Erfassungs­ muster P1 und P2 zu erfassen, ist zusätzlich zu dem in Fig. 10 darge­ stellten Lichtdetektor 86 ein Nullpunkt-Lichtdetektor 86b angeordnet. Wenn sich die beiden Nullpunkt-Erfassungsmuster P1 und P2 vollständig überlappen wird, weil der Nullpunkt-Erfassungslichtdetektor 86b einen Spitzenstrom erfaßt, die Position, an der der Spitzenstrom erfaßt wird, als eine Nullpunktposition definiert (Meßbezugspunkt).

Die Vorteile der Nullpunkt-Erfassungsmuster, welche von einer Vielzahl von unregelmäßig ausgerichteten Schlitzen gebildet werden, sind in US-Patent Nr. 4,451,731 beschrieben.

Die Nullpunkt-Erfassungsschaltung ist in der in Fig. 12 dargestellten Weise aufgebaut. Bezugnehmend auf Fig. 12 wird der Ausgangsstrom des Nullpunkt-Erfassungslichtdetektors 86b an einem Strom/Spannungs-Umsetzer 101 geliefert, der einen Operationsverstärker OP31 aufweist. Der Strom/Spannungs-Umsetzer 101 wandelt den Ausgangsstrom des Nullpunkt-Erfassungslichtdetektors 86b in einen Spannungswert um. Der Spannungswert wird an eine Vergleichsschaltung 102 geliefert, die einen Operationsverstärker OP32 aufweist. Die Vergleichsschaltung 102 ver­ gleicht den Spannungswert mit einer vorbestimmten Bezugsspannung VREF und gibt ein Nullpunktsignal Z aus.

Fig. 13 ist ein Diagramm, das eine Ausgabe FZ-AUS des Strom/Span­ nungs-Umsetzers 101 der in Fig. 12 dargestellten Erfassungsschaltung sowie die Wellenform des Nullpunktsignals z darstellt. Im Diagramm stellt die waagerechte Achse die Verschiebung X dar. Da eine Spitzen­ spannung P, wie in Fig. 13 gezeigt, an einer Position erhalten wird, an der das Nullpunkt-Erfassungsmuster P1 der Hauptskala 84 mit dem Nullpunkt-Erfassungsmuster P2 der Indexskala 85 zusammenfällt, wird die Spitzenspannung P mit einer Vergleichsspannung VC verglichen, so daß das Nullpunktsignal Z erhalten wird.

Bei der Druckschrift des Standes der Technik wird, wie in Fig. 13 dargestellt, als Ausgabe FZ-AUS des Strom/Spannungs-Umsetzers eine spitzenfreie Spannung NP2, mit der gleichen Polarität wie der Spit­ zenspannung P vor und nach der Nullpunktposition hervorgerufen. Dies rührt daher, daß selbst wenn die Position des Nullpunkt-Erfassungsmu­ sters P1 auf der Hauptskala 84 und die Position des Nullpunkt-Erfass­ sungsmusters P2 auf der Indexskala 85 von der vollständigen Überlap­ pungsposition abweichen, sich ein Teil der Schlitze überlappen. Da die spitzenfreie Spannung NP beim Erhalten der Spitzenspannung P zu einer Störung wird, sollte die Vergleichsspannung VC der Vergleichsschaltung 102 in dem in Fig. 13 dargestellten Bereich von V2 eingestellt werden, um zu vermeiden, daß die spitzenfreie Spannung NP fälschlicherweise als das Nullpunktsignal Z ausgegeben wird.

Bei der Druckschrift des in Betracht gezogenen Standes der Technik wird der Aufbau der Nullpunkt-Erfassungsschaltung kompliziert, um das Nullpunktsignal sicher auszugeben. Wenn die Lichtstärke der Lichtquelle, die Empfindlichkeit des Lichtdetektors, usw., fluktuieren, werden die in Fig. 13 gezeigten Absolutwerte der Spitzenspannung P und der spitzen­ freien Spannung NP2 nicht bestimmt. Um zu verhindern, daß die spitzenfreie Spannung als das Nullpunktsignal erfaßt wird, sollten also der Pegel der Erfassungsschaltung und die Lichtstärke genau eingestellt werden. Speziell wird gemäß Fig. 12 der Pegel der spitzenfreien Span­ nung durch einen veränderlichen Widerstand VR1 des Strom/Spannungs- Umsetzers 101 abgestimmt. Die Vergleichsspannung VC wird durch einen veränderlichen Widerstand VR2 der Vergleichsschaltung 102 abge­ stimmt.

Methoden zur Verhinderung einer gestörten Nullpunkt-Erfassung aufgrund eines Ausgangssignals, das in einer Position erhalten wird, in der zwei Nullpunkt-Erfassungsmuster von der vollständigen Überlappungsposition abweichen, sind beispielsweise in den US-Patenten Nr. 4,451,731 und 4,691,101 offenbart. Beispielsweise besitzt eine Index-Impulserzeugungs­ vorrichtung gemäß dem US-Patent Nr. 4,691,101 eine Doppelkammstruk­ tur, bei der Lichtdetektoren an Plätzen einer Vielzahl von Lichtpunkt- Erfassungslichtdetektoren entsprechend einer Vielzahl von Schlitzmustern angeordnet sind, um den Nullpunkt auf einem Codierrad zu erfassen. Durch Erhalten des Unterschiedes zwischen Gegentaktausgaben I und , die von den Doppelkamm-Lichtdetektoren erzeugt werden, kann der Indeximpuls (nämlich das Nullpunktsignal) erzeugt werden.

Da aber die Lichtdetektoren zusätzlich nur an den Plätzen der Null­ punkt-Erfassungslichtdektoren angeordnet sind, kann bei den Doppel­ kamm-Lichtdetektoren des US-Patentes Nr. 4,691,101 die Störkomponente nicht vollständig unterdrückt werden. Um die Störkomponente zu unter­ drücken ist bei den US-Patenten Nr. 4,691,101 und 4,451,731 in der gesamten Skala ein Dummy-Übertragungsabschnitt gebildet, so daß der Strom I der Gegentaktausgaben I und stets einen vorbestimmten Pegel in einer anderen Position als der Nullpunktposition überschreitet.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines optischen Codierers, der den Nullpunkt sicher erfaßt, ohne die Abstim­ mung der Lichtstärke und der Nullpunkt-Erfassungsschaltung zu benöti­ gen.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines optischen Codierers, der das Auftreten einer spitzenfreien Spannung mit der gleichen Polarität wie derjenigen der Spitzenspannung in der Nähe des Nullpunktes verhindert, so daß der Nullpunkt mit Sicherheit erfaßt wird.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Codierer mit einem Photodiodenfeld, das als Lichtdetektor und als Indexskala dient, aufwei­ send: Lichtemissonsvorrichtungen zum Aussenden eines kollimierten Lichtstrahls; ein Photodiodenfeld mit einer Vielzahl von Photodioden, die gegenüber der Lichtemissionsvorrichtung in vorbestimmten Teilungsabstän­ den angeordnet und zum Empfangen des von der Lichtemissionsvorrich­ tung kommenden kollimierten Lichtes angepaßt ist und als Indexskala dient; eine Hauptskala, die zwischen dem Photodiodenfeld und der Lichtemissionsvorrichtung angeordnet ist, wobei die Skala relativ in den Richtungen einer Anordnung von Photodioden bewegbar ist und Schlitze in vorbestimmten Teilungsabständen aufweist; und eine Signalverarbei­ tungsvorrichtung zum Verarbeiten eines Ausgangssignals des Photodioden­ feldes, um den Betrag der Verschiebung zu erhalten; wobei die Haupt­ skala ein erstes Nullpunkt-Erfassungsmuster aufweist, bei dem eine Vielzahl von Übertragungsabschnitten unregelmäßig ausgebildet ist; das Photodiodenfeld eine Vielzahl von Photodioden einer ersten Gruppe aufweist, die ein zweites Nullpunkt-Erfassungsmuster aufbaut, das im wesentlichen das gleiche wie das erste Nullpunkt-Erfassungsmuster ist; das Photodiodenfeld weiter eine Vielzahl von Photodioden einer zweiten Gruppe aufweist, die innerhalb von Plätzen und außerhalb der beiden Ränder der Photodioden der ersten Gruppe angeordnet ist; und die Signalverarbeitungsvorrichtung Nullpunkt-Erfassungsvorrichtungen zum Ermitteln des Unterschiedes zwischen allen Ausgaben der Photodioden der ersten Gruppe und allen Ausgaben der Photodioden der zweiten Gruppe zum Erzeugen eines Nullpunktsignals in einem Skalenabschnitt aufweist, in welchem das erste Nullpunkt-Erfassungsmuster das zweite Nullpunkt-Erfassungsmuster überlappt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird in der Position, in der das erste Nullpunkt-Erfassungsmuster der Hauptskala das zweite Nullpunkt-Erfas­ sungsmuster des Photodiodenfeldes, welches auch als Indexskala dient, überlappt, das Nullpunktsignal erhalten. Bei der vorliegenden Erfindung sind die Photodioden der zweiten Gruppe nicht nur an Plätzen angeord­ net, die den Photodioden der ersten Gruppe benachbart sind, sondern auch an der Außenseite der beiden Ränder der Anordnung der Photo­ dioden der ersten Gruppe.

Vorzugsweise wird die Breite der den Nullpunkt nicht erfassenden Photo­ dioden der zweiten Gruppe größer als die Breite jeder der Photodioden der ersten Gruppe bemessen. Die Polarität der Spitzenspannung (Strom), die in der Skalenposition erhalten wird, in der das erste Null­ punkt-Erfassungsmuster der Hauptskala das zweite Nullpunkt-Erfassungs­ muster der Indexskala vollständig überlappt, kann also umgekehrt wie die Polarität der spitzenfreien Spannung (Strom) sein, die in einer über­ lappungsfreien Position erhalten wird. Mit anderen Worten werden also in der Nullpunkt-Position nur die Ausgaben der Photodioden der ersten Gruppe erhalten. Wenn der Unterschied zwischen der Gesamtausgabe der Photodioden der ersten Gruppe und der Gesamtausgabe der Photo­ dioden der zweiten Gruppe erhalten wird, ist also im Falle, daß die Spitzenspannung des Nullpunktsignals negativ ist, die spitzenfreie Span­ nung in anderen Positionen als der Nullpunktposition stets positiv.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es nicht nötig, die Vergleichs­ spannung der Vergleichsschaltung zu justieren, welche das Nullpunktsignal entsprechend der Fluktuation der Lichtstärke der Lichtquelle und der Empfindlichkeit der Lichtdetektoren empfängt. Mit anderen Worten kann die Vergleichsspannung fest eingestellt werden. Infolgedessen können die veränderlichen Widerstände zum Abstimmen der Lichtstärke und des Pegels der Vergleichsschaltung fortgelassen werden. Darüber hinaus können die Photodioden der ersten und der zweiten Gruppe integral auf dem Halbleiterchip angeordnet werden, das das Photodioden­ feld aufbaut, welches als Indexskala dient. Die Gesamtgröße des Codie­ rers kann verkleinert werden.

Diese und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung treten deutlicher anhand der nachfolgenden detaillierten Be­ schreibung der besten Ausführungsformen der Erfindung hervor, wie sie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung, die einen Aufbau des optischen Systems eines optischen Codierers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 2A und 2B schematische Darstellungen, die ein Nullpunkt-Erfassungsmuster einer Hauptskala gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen;

Fig. 3A und 3B schematische Darstellungen, die ein Nullpunkt-Erfassungsmuster eines Indexes gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen;

Fig. 4 ein Schaltbild, das einen Aufbau der Nullpunkt-Erfassungsschal­ tung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 5 ein Diagramm, das eine Ausgangsspannungswellenform der Null­ punkt-Erfassungsschaltung gemäß der Ausführungsform der vor­ liegenden Erfindung zeigt;

Fig. 6A, 6B und 6C schematische Darstellungen, die Überlappungen der Nullpunkt- Erfassungsmuster der Hauptskala und der Nullpunkt-Erfasssungs­ muster des Indexes gemäß der Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung zeigen;

Fig. 7 eine Darstellung, die die Überlappung des Nullpunkt-Erfassungs­ musters der Hauptskala und des Nullpunkt-Erfassungsmusters des Indexes gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 8 ein Diagramm, das den Unterschied zwischen spitzenfreien Spannungswellenformen bei einem den Nullpunkt nicht erfassen­ den Muster zeigt;

Fig. 9 ein Schaltbild, das den Aufbau einer Nullpunkt-Erfassungsschal­ tung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 10 eine Darstellung, die den Aufbau des optischen Systems eines optischen Codierers in einer Bezugsdruckschrift des in Betracht gezogenen Standes der Technik zeigt;

Fig. 11 eine Darstellung, die ein Nullpunkt-Erfassungsmuster der Bezugs­ druckschrift des in Betracht gezogenen Standes der Technik zeigt;

Fig. 12 ein Schaltbild, das den Aufbau einer Nullpunkt-Erfassungsschal­ tung der Bezugsdruckschrift des in Betracht gezogenen Standes der Technik zeigt; und

Fig. 13 ein Diagramm, das eine Betriebswellenform der Nullpunkt-Erfas­ sungsschaltung der Bezugsdruckschrift des in Betracht gezogenen Standes der Technik zeigt.

Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines optischen Systems eines optischen Codie­ rers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß Fig. 1 besteht eine lichtemittierende Vorrichtung aus einer LED 11 und einem Konkavspiegel 12. Die LED 11 sendet einen Lichtstrahl auf den Konkavspiegel 12. Der Konkavspiegel 12 liefert einen kollimierten Lichtstrahl 13. Der kollimierte Lichtstrahl 13 wird auf eine Hauptskala 14 gestrahlt. Die Hauptskala 14 weist eine Skala bestehend aus einem optischen Gitter auf, das aus Schlitzen mit vorbestimmten Teilungsabstän­ den gebildet ist. Der Lichtstrahl, der die Hauptskala 14 durchquert, wird auf ein Photodiodenfeld 15 übertragen. Das Photodiodenfeld 15 besteht aus einem Siliziumsubstrat und einer Vielzahl von Photodioden, die integral auf dem Substrat entsprechend der Schlitzanordnung der Hauptskala 14 angeordnet sind. Das Photodiodenfeld 15 wirkt als Indexskala. Die Ausgabe des Photodiodenfeldes 15 wird an eine Signal­ verarbeitungsschaltung 16 geliefert. Die Signalverarbeitungsschaltung 16 berechnet die Größe der Verschiebung bzw. Versetzung entsprechend dem ausgegebenen Strom, der sich mit der Bewegung der Skala ändert.

Die Fig. 2A und 2B stellen jeweils entsprechend eine Seitenansicht und eine Draufsicht auf ein erstes Nullpunkt-Erfassungsmuster dar, das in einer vorbestimmten Position der Hauptskala 14 gebildet wird. Bei dieser Ausführungsform sind vier Schlitze S1 bis S4, wie Fig. 2B zeigt, unregelmäßig als Übertragungsbereiche ausgerichtet. Die Breite jedes der Schlitze S1 bis S4 beträgt 45 µm.

Die Fig. 3A und 3B stellen jeweils entsprechend eine Seitenansicht und eine Draufsicht dar, die ein zweites Nullpunkt-Erfassungsmuster (im folgenden als Z-Phasenmuster angesprochen) und ein den Nullpunkt nicht erfassendes Muster (im folgenden als ZB-Phasenmuster angesprochen) zeigen, das auf dem Photodiodenfeld 15 entsprechend dem ersten Null­ punkt-Erfassungsmuster der in Fig. 2 dargestellten Hauptskala gebildet wird. Die Photodioden ZPD1, ZPD2, ZPD3 und ZPD4 einer ersten Gruppe bilden das Z-Phasenmuster. Die Anordnung der Photodioden ZPD1, ZPD2, ZPD3 und ZPD4 stimmt mit der Anordnung der Schlitze S1, S2, S3 und S4 entsprechend überein, die das Nullpunkt-Erfassungs­ muster der Hauptskala bilden. In den weiten Plätzen neben den Photo­ dioden ZPD1 bis ZPD4 der ersten Gruppe sind die Photodioden ZBPD1, ZBPD2, ZBPD3 und ZBPD4 der zweiten Gruppe, die das ZB-Muster aufbauen, angeordnet. Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Photodioden ZBPD1 und ZBPD4 nicht nur in den Plätzen der ersten Gruppe angeordnet sind, sondern auch an beiden Rändern der Anordnung derselben. Die Ausgangsströme der Photodioden ZPD1 bis ZPD4 der ersten Gruppe werden addiert und bilden einen Z-Phasenausgangsstrom. In gleicher Weise werden die Ausgangsströme der Photodioden ZBPD1 bis ZBPD4 der zweiten Gruppe addiert und bilden einen ZB-Phasenausgangsstrom.

Im einzelnen besitzt bei dieser Ausführungsform jede der Photodioden ZPD1 bis ZPD4, die das Z-Phasenmuster bilden, wie in Fig. 3B darge­ stellt, eine Lichterfassungsoberfläche mit einer Breite von 45 µm, was die gleiche Breite wie die Breite jedes Schlitzes des Nullpunkt-Erfassungs­ musters auf der Hauptskala ist. In den den Photodioden ZPD1 bis ZPD4 benachbarten Plätzen, die größer als 45 µm sind und sich au­ ßerhalb der beiden Ränder der Anordnung befinden, sind die Photodio­ den ZBPD1 bis ZBPD4 so angeordnet, daß keine Plätze mit einer größeren Breite als 45 µm bestehen bleiben.

Die Breite jeder Photodiode, mindestens der Photodioden ZBPD1 und ZBPD4, die an beiden Rändern in der Zeile der Photodioden ZBPD1 bis ZBPD4 plaziert sind, welche das ZB-Phasenmuster bilden, ist breiter als die Breite der Photodioden ZPD1 bis ZPD4, die das Z-Phasenmuster bilden. Im einzelnen ist ein Teilungsabstand a1 der Photodiode ZBPD1 am linken Rand der zweiten Gruppe, wie in Fig. 3B dargestellt größer als ein Teilungsabstand a2 der Photodiode ZPD4 am rechten Rand der ersten Gruppe. Ein Teilungsabstand b1 der Photodiode ZBPD4 am rechten Rand der zweiten Gruppe ist breiter als ein Teilungsabstand b2 der Photodiode ZBPD1 am linken Rand der ersten Gruppe. Wie später beschrieben wird, wird also eine spitzenfreie Spannung, die sich in einer von der Nullpunktposition beabstandeten Position ergibt, daran gehindert, die gleiche Polarität anzunehmen wie eine Spitzenspannung, die in der Nullpunktposition entsteht.

Fig. 4 zeigt den Aufbau einer Nullpunkt-Erfassungsschaltung der Signal­ verarbeitungsschaltung 16. Die Nullpunkt-Erfassungsschaltung besitzt den Z-Phasenausgang sowie den ZB-Phasenausgang der Photodiodengruppen, welche jeweils entsprechend das Z-Phasenmuster und das ZB-Phasenmu­ ster aufbauen, so daß der Nullpunkt erfaßt wird. Die Nullpunkt-Erfas­ sungsschaltung umfaßt zwei Strom/Spannungs-Umsetzer 41 und 42, einen Differenzialverstärker 43 und eine Vergleichsschaltung 44. Der Differen­ zialverstärker 43 bildet den Unterschied zwischen den Ausgaben der Strom/Spannungs-Umsetzer 41 und 42. Die Vergleichsschaltung 44 ver­ gleicht die Ausgabe des Differenzialverstärkers 43 mit einer vorbestimm­ ten Vergleichsspannung und gibt das Nullpunktsignal Z aus.

Die durch Lichterfassung erzeugten Ströme der Photodioden ZPD1 bis ZPD4, welche das Z-Phasenmuster bilden, werden als die Z-Phasen­ ausgabe erhalten. Die Z-Phasenausgabe wird an den Strom/Spannungs-Umsetzer 42 geliefert, der einen Operationsverstärker OP2 aufweist. Die durch Lichterfassung erzeugten Ströme der Photodioden ZBPD1 bis ZBPD4, welche das ZB-Phasenmuster bilden, werden als die ZB-Phasen­ ausgabe erhalten. Die ZB-Phasenausgabe wird an den Strom/Spannungs-Umsetzer 41 geliefert, der einen Operationsverstärker OP1 aufweist. Der Strom/Spannungs-Umsetzer 41 wandelt die ZB-Ausgabe in einen Span­ nungswert um. Die Ausgaben der beiden Strom/Spannungs-Umsetzer 41 und 42 werden an den Differenzialverstärker 43 geliefert. Der Differen­ zialverstärker 43 umfaßt einen Operationsverstärker OP3 und Widerstände R3, R4, R5 und R6. Der Differenzialverstärker 43 ermittelt den Unter­ schied zwischen den Ausgängen der beiden Strom/Spannungs-Umsetzer 41 und 42 und liefert eine Differenzausgabe FZ-AUS. Das Differenzausga­ besignal FZ-AUS ändert sich im Vergleich zur Bezugsspannung der Erfassungsschaltung von positiv nach negativ; wie in Fig. 5 gezeigt ist, entsprechend der Bewegung der Hauptskala. Wie später beschrieben, wird allerdings nur die Polarität der Spitzenspannung P die die Null­ punktposition darstellt, negativ.

Das Differenzausgabesignal FZ-AUS wird an die Vergleichsschaltung 44 geliefert. Die Vergleichsschaltung 44 umfaßt einen Operationsverstärker OP4 und Widerstände R7, R8 und R9. Die Vergleichsschaltung 44 vergleicht das Differenzausgangssignal FZ-AUS mit einer vorbestimmten, festen Vergleichsspannung VC entsprechend dem Verhältnis der Wider­ stände R7 und R8 zueinander; sie erfaßt nur die Spitzenspannung P, wie in Fig. 5 dargestellt; und sie gibt die Spitzenspannung P als das Null­ punktsignal Z aus.

Die Fig. 6A, 6B und 6C zeigen Überlappungen der Nullpunkt-Erfassungs­ muster der Hauptskala 14 und des Z-Phasenmusters sowie des ZB-Pha­ senmusters des Photodiodenfeldes 15 im Falle, daß die Hauptskala 14 des Codierers gemäß der vorliegenden Ausführungsform relativ zum Photodiodenfeld 15 bewegt wird. In den Fig. 6A, 6B und 6C stellen die schraffierten Abschnitte Lichtmuster dar, welche die Schlitze S1 bis S4 übertragen, die das Nullpunkt-Erfassungsmuster der Hauptskala bilden und die auf dem Photodiodenfeld 15 erzeugt werden.

Fig. 6A zeigt eine totale Überlappung der Schlitze S1 bis S4 und der Photodioden ZPD1 bis ZPD4, die das Z-Phasenmuster auf dem Photo­ diodenfeld 15 in der Nullpunktposition erzeugen. In diesem Falle fließen durch Lichterfassung erzeugte Ströme in allen Photodioden ZPD1 bis ZPD4. Diese Ströme werden addiert, und eine große Z-Phasenausgabe wird erhalten. Da kein Lichtstrahl auf die Photodioden ZBPD1 bis ZBPD4 gerichtet wird, welche das ZB-Phasenmuster bilden, ist in diesem Punkte die ZB-Phasenausgabe Null.

Fig. 6B zeigt eine Überlappung des Schlitzes S2 und der Photodiode ZBPD1 der Z-Phase im Falle, daß sich die Hauptskala 14 etwas nach links gegen die in Fig. 6A dargestellte Position bewegt. Obwohl ein durch Lichterfassung erzeugter Strom von der Photodiode ZBPD1 gelie­ fert wird, wird in diesem Falle eine ZB-Phasenausgabe erhalten, die größer als die Z-Phasenausgabe ist, weil die Schlitze S1, S3 und S4 die Photodioden ZBPD1, ZBPD2 und ZBPD3 der ZB-Phase überlappen.

Fig. 6C zeigt eine Überlappung des Schlitzes S4 und der Photodiode ZPD3 der Z-Phase im Falle, daß sich die Hauptskala 14 weiter nach links bewegt. In diesem Falle ist die ZB-Phasenausgabe größer als die Z-Phasenausgabe, wie aus Fig. 6C klar hervorgeht.

Die Fig. 6B und 6C zeigen zwei Überlappungsfälle, bei denen sich die Hauptskala von der Nullpunktposition entfernt. Die Photodioden ZBPD1 bis ZBPD4, die das ZB-Phasenmuster bilden und die Photodioden ZPD1 bis ZPD4, die das Z-Phasenmuster bilden, sind durch Simulation so ausgelegt, daß die ZB-Phasenausgabe stets größer als die Z-Phasenausga­ be in einer anderen Position als der in Fig. 6A dargestellten Nullpunkt­ position ist.

Wenn die Ausgabe des in Fig. 4 dargestellten Strom/Spannungs-Umset­ zers 41 der Z-Phase mit der Ausgabe des Strom/Spannungs-Umsetzers der ZB-Phase verglichen wird, ist die erstere Ausgabe stets größer als die letztere Ausgabe in einer anderen Position als der Nullpunktposition. Wie in Fig. 5 dargestellt ist also die Ausgabe FZ-AUS des Differenzial­ verstärkers 43 eine negative große Spitzenspannung P einzig in der Nullpunktposition. Die spitzenfreie Spannung NP1, die sich in einer anderen Position als der Nullpunktposition herausbildet, ist stets positiv.

Im Falle der in Fig. 13 dargestellten Situation des Bezugsdokumentes des in Betracht gezogenen Standes der Technik weist der selektive Bereich der Vergleichsspannung VC den Wert V2 zwischen der Spitzenspannung P und der spitzenfreien Spannung NP2 auf, die die gleiche Polarität besitzt. Andererseits kann bei dieser Ausführungsform, wie aus Fig. 5 hervorgeht, die Vergleichsspannung VC in einem weiten Bereich der Spannung V1 zwischen der Bezugsspannung VREF und dem Spitzenwert der Spitzenspannung P gewählt werden. Die Vergleichsspannung VC kann also fest eingestellt werden, und das Nullpunktsignal Z kann sicher erhalten werden. Infolgedessen kann die Justierung der Lichtstärke entfallen. Darüber hinaus können veränderliche Widerstände zum Ein­ stellen des Pegels und dergleichen fortgelassen werden.

Speziell ist bei dieser Ausführungsform, wie in Fig. 3B dargestellt, die Polarität der spitzenfreien Spannung NP1 stets der Polarität der Spitzen­ spannung P entgegengesetzt, weil die Photodioden ZBPD1 und ZBPD4, welche die ZB-Phasenausgabe erhalten, außerhalb der Photodioden PD1 bis PD4 angeordnet sind, welche die Z-Phasenausgabe erhalten.

Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die Fig. 7 und 8 die umgekehr­ te Beziehung der Polaritäten der spitzenfreien Spannung NP1 und der Spitzenspannung P näher im einzelnen beschrieben.

Die Fig. 6A, 6B und 6C zeigen die Beziehung zwischen der Hauptskala 14 und dem Photodiodenfeld 15 in einer Position, die dicht an der Nullpunktposition liegt. Fig. 7 zeigt die Beziehung zwischen der Haupt­ skala 14 und dem Photodiodenfeld 15 in einer Position, die im Abstand zur Nullpunktposition liegt. Mit anderen Worten zeigt Fig. 7 den Fall, daß sich die Hauptskala 14 in X-Richtung nach rechts bewegt, und daß der Schlitz S4 am rechten Rand der Hauptskala die Photodiode ZBPD1 am linken Rand des Nullpunkt-Erfassungsmusters auf dem Photodioden­ feld 15 überlappt. Ehe diese Situation eintritt, überlappt der Schlitz S3 in der zweiten rechten Position der Hauptskala 14 die den Nullpunkt nicht erfassende Diode ZBPD1 links von der Photodiode ZPD1. Wie Fig. 8 zeigt wird also die positive spitzenfreie Spannung NP1 erhalten, wenn die beiden Nullpunkt-Erfassungsmuster beginnen, sich zu über­ lappen.

Wenn keine den Nicht-Nullpunkt erfassende Photodiode ZBPD1 vor­ gesehen ist, wird in der in Fig. 7 dargestellten Situation nur die Z-Phasenausgabe erhalten. Wenn sich die Skala weiterbewegt, überlappt der Schlitz S2 die zweite Photodiode ZPD2, wodurch die nächste Z-Phasenausgabe erzeugt wird. Wie durch eine punktierte Linie in Fig. 8 dargestellt ist, entsteht also eine negative spitzenfreie Spannung NP3. Wie bei der Bezugsdruckschrift des in Betracht gezogenen Standes der Technik wird die negative spitzenfreie Spannung NP3 zu einer Störkom­ ponente, die der Erfassung der negativen Spitzenspannung P entgegen­ wirkt.

Im Gegensatz zu dem in Fig. 7 dargestellten Fall ergibt sich die gleiche Situation, wenn sich die Hauptskala 14 nach links zum Photodiodenfeld 15 bewegt und sich beide Nullpunkt-Erfassungsmuster derselben über­ lappen. In diesem Falle kann das Entstehen einer negativen spitzen­ freien Spannung verhindert werden, da die den Nullpunkt nicht erfassen­ de Photodiode ZBPD4 rechts von der Photodiode ZPD4 angeordnet ist.

Die Bedingung dafür, daß die spitzenfreie Spannung gehindert wird, die gleiche Polarität wie die Spitzenspannung anzunehmen, besteht darin, daß die Anordnung der Teilungsabstände a1, a2, b1 und b2 an beiden Rän­ dern aller Photodioden des Z-Phasenmusters und des ZB-Phasenmusters die Beziehungen a1 < a2 und b1 < b2 erfüllen.

Fig. 9 zeigt den Aufbau einer Nullpunkt-Erfassungsschaltung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Aufbau des optischen Systems der zweiten Ausführungsform ist der gleiche wie der der ersten Ausführungsform. Bei der ersten Ausführungsform werden der Z-Phasenausgangsstrom und der ZB-Phasenausgangsstrom individuell in Spannungswerte umgewandelt, und der Unterschied derselben wird er­ mittelt. Andererseits wird bei der zweiten Ausführungsform der Unter­ schied der Strompegel ermittelt. Mit anderen Worten werden eine Parallelschaltung der Photodioden ZPD1 bis ZPD4 der Z-Phase und eine Parallelschaltung der Photodioden ZBPD1 bis ZBPD4 in Reihe geschal­ tet.

Wenn die Photodioden ZPD1 bis ZPD4 der Z-Phase an die Photodioden ZBPD1 bis ZBPD4 der ZB-Phase angeschlossen sind, wird der Unter­ schied zwischen dem Z-Phasenausgangsstrom und dem ZB-Phasenaus­ gangsstrom am Verbindungsknoten erhalten. Der Stromunterschied wird durch einen Strom/Spannungs-Umsetzer 45, der einen Operationsver­ stärker OP5 aufweist, in einen Spannungswert umgewandelt. Der Strom/Spannungs-Umsetzer 45 gibt ein Signal FZ-AUS aus, das der Ausgabe FZ-AUS der ersten Ausführungsform äquivalent ist. Durch eine Vergleichsschaltung 44 ähnlich derjenigen der ersten Ausführungsform kann also das Nullpunktsignal Z erhalten werden.

Es sei darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Bei dem oben beschriebenen Ausführungsformen wird ein Konkavspiegel als Kollimier­ vorrichtung benutzt. Die vorliegende Erfindung kann aber auch bei einem optischen Codierer angewandt werden, der eine Konvexlinse benutzt, die einen Lichtstrahl kollimiert.

Wie oben beschrieben ist eine Vielzahl von Photodioden, die ein ZB- Phasenmuster bilden, in Plätzen neben einer Vielzahl von Photodioden angeordnet, die ein Z-Phasenmuster eines Photodiodenfeldes aufbauen. Durch den Unterschied zwischen der Z-Phasenausgabe und der B-Phasen­ ausgabe wird der Nullpunkt erfaßt. Bis der Nullpunkt erfaßt ist, kann also ein Nullpunkt-Erfassungssignal, das die Bezugsspannung einer Null­ punkt-Erfassungsschaltung überschreitet, an seiner Erzeugung gehindert werden. Infolgedessen kann die Vergleichsspannung einer Vergleichs­ schaltung, die das Nullpunktsignal ermittelt, fest eingestellt werden, und variable Widerstände zum Einstellen der Lichtstärke und des Pegels können fortgelassen werden. Darüber hinaus können die Photodioden der Z-Phase sowie die Photodioden der ZB-Phase integral auf einem Halbleiterchip gebildet werden, das ein Photodiodenfeld bildet, welches auch als Indexskala dient. Infolgedessen kann die Gesamtgröße des Codierers verringert werden.

Wenngleich die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf beste Ausführungsformen derselben beschrieben und dargestellt worden ist, ist für Fachleute klar, daß die oben beschriebenen sowie weitere Änderungen, Auslassungen und Hinzufügungen nach Form und Detail derselben durchgeführt werden können, ohne von der Konzeption und dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims (5)

1. Optischer Codierer mit einem Photodiodenfeld, das als Lichtdetektor und als Indexskala dient, aufweisend:
Lichtemissonsvorrichtungen zum Aussenden eines kollimierten Licht­ strahls;
ein Photodiodenfeld mit einer Vielzahl von Photodioden, die gegen­ über der Lichtemissionsvorrichtung in vorbestimmten Teilungsabstän­ den angeordnet und zum Empfang des von der Lichtemissionsvor­ richtung kommenden kollimierten Lichtes angepaßt ist und als Index­ skala dient;
eine Hauptskala, die zwischen dem Photodiodenfeld und der Licht­ emissionsvorrichtung angeordnet ist, wobei die Skala relativ in den Richtungen einer Anordnung von Photodioden bewegbar ist und Schlitze in vorbestimmten Teilungsabständen aufweist; und
eine Signalverarbeitungsvorrichtung zum Verarbeiten eines Ausgangs­ signals des Photodiodenfeldes, um den Betrag der Verschiebung zu erhalten;
wobei:
die Hauptskala ein erstes Nullpunkt-Erfassungsmuster aufweist, bei dem eine Vielzahl von Übertragungsabschnitten unregelmäßig ausge­ bildet sind;
das Photodiodenfeld eine Vielzahl von Photodioden einer ersten Gruppe aufweist, die ein zweites Nullpunkt-Erfassungsmuster aufbaut, das im wesentlichen das gleiche wie das erste Nullpunkt-Erfassungs­ muster ist;
das Photodiodenfeld weiter eine Vielzahl von Photodioden einer zweiten Gruppe aufweist, die innerhalb von Plätzen und außerhalb der beiden Ränder der Photodioden der ersten Gruppe angeordnet sind; und
die Signalverarbeitungsvorrichtung Nullpunkt-Erfassungsvorrichtungen zum Ermitteln des Unterschiedes zwischen allen Ausgaben der Photodioden der ersten Gruppe und allen Ausgaben der Photodioden der zweiten Gruppe zum Erzeugen eines Nullpunktsignals in einem Skalenabschnitt aufweist, in welchem das erste Nullpunkt-Erfassungs­ muster das zweite Nullpunkt-Erfassungsmuster überlappt.

2. Optischer Codierer nach Anspruch. 1, bei dem:
die Breite jedes der Übertragungsabschnitte, die das erste Nullpunkt-Erfassungsmuster aufbauen, konstant ist;
die Breite jeder der Photodioden der ersten Gruppe, die das zweite Nullpunkt-Erfassungsmuster aufbauen, im wesentlichen die gleiche Breite wie diejenige der Übertragungsabschnitte ist; und
die Breite mindestens zweier Photodioden der zweiten Gruppe, von denen jede an der Außenseite jedes Randes der Photodioden der ersten Gruppe plaziert ist, breiter als die Breite jeder der Photodio­ den der ersten Gruppe ist.

3. Optischer Codierer nach Anspruch 1, bei dem:
ein Teilungsabstand a1 der Photodiode am linken Rand der zweiten Gruppe größer als ein Teilungsabstand a2 der Photodiode am rech­ ten Rand der ersten Gruppe ist; und
ein Teilungsabstand b1 der Photodiode am rechten Rand der zwei­ ten Gruppe größer als ein Teilungsabstand b2 der Photodiode am linken Rand der ersten Gruppe ist.

4. Optischer Codierer nach Anspruch 1, bei dem die Nullpunkt-Erfas­ sungsvorrichtung aufweist:
eine erste Strom/Spannungs-Umsetzungsvorrichtung zum Eingeben von Ausgangsströmen der Photodioden der ersten Gruppe und zum Umwandeln der Ströme in einen Spannungswert;
eine zweite Strom/Spannungs-Umsetzungsvorrichtung zum Eingeben von Ausgangsströmen der Photodiode der zweiten Gruppe und zum Umwandeln der Ströme in einen Spannungswert;
eine Differenzschaltungsvorrichtung zum Ermitteln des Unterschiedes zwischen Ausgaben der ersten Strom/Spannungs-Umsetzungsvorrich­ tung und der zweiten Strom/Spannungs-Umsetzungsvorrichtung; und
eine Vergleichsschaltungsvorrichtung zum Vergleichen der Ausgabe der Differenzschaltungsvorrichtung mit einer vorbestimmten Ver­ gleichsspannung sowie zum Ausgeben des Nullpunktsignals.

5. Optischer Codierer nach Anspruch 1, bei dem die Nullpunkt-Erfas­ sungsvorrichtung aufweist:
eine erste Parallelschaltung, die Photodioden der ersten Gruppe aufweist, welche parallelgeschaltet sind;
eine zweite Parallelschaltung, die Photodioden der zweiten Gruppe aufweist, die parallelgeschaltet sind, wobei die zweite Parallelschal­ tung in Reihe an die erste Parallelschaltung angeschlossen ist;
eine Strom/Spannungs-Umsetzungsvorrichtung, die an den Verbin­ dungsknoten zwischen der ersten Parallelschaltung und der zweiten Parallelschaltung angeschlossen ist und zum Umsetzen des Unter­ schiedes der Ausgangsströme der ersten Parallelschaltung und der zweiten Parallelschaltung in einen Spannungswert angepaßt ist; und
eine Vergleichsschaltungsvorrichtung zum Vergleichen der Ausgabe der Strom/Spannungs-Umsetzungsvorrichtung mit einer vorbestimmten Vergleichsspannung, zwecks Ausgabe des Nullpunktsignals.