DE3306790C2

DE3306790C2 -

Info

Publication number: DE3306790C2
Application number: DE3306790A
Authority: DE
Inventors: James R. Palo Alto Calif. Us Casciani
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1982-03-05
Filing date: 1983-02-26
Publication date: 1992-04-30
Also published as: DE3306790A1; JPS58165384A; US4508965A

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Drehgeber gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges optisches System ist in der - nicht vorveröffentlichten - älteren Patentanmeldung DE-OS 31 45 098 beschrieben.

Bei dem optischen System nach der DE-OS 31 45 098 ist zwischen dem Emitter und der Kodierscheibe eine Objektivlinse zum Fokussieren des Lichtes auf dem Kodierträger angeordnet. Bei einer solchen fokussierenden Anordnung muß der Abstand der einzelnen Bauteile zueinander und insbesondere der Kodierscheibe und der Lichtquelle zum Emitter sehr exakt bemessen sein.

Die Qualität einer elektrischen Wellenform, die von einem optischen Drehgeber ohne Fokussiereinrichtung gemäß der US-PS 42 66 125, deren Inhalt hier mit einbezogen ist, erzeugt wird, ist vom Grad der Kollimation der zum Erfassen der Wellenrotation verwendeten Lichtstrahlen abhängig. Der Grad der Kollimation ist selbst wieder sowohl von der physikalischen Größe der zum Erzeugen der Lichtstromes verwendeten Emitter als auch von der Brennweite der zum Erzeugen kollimierter Lichtstrahlen aus dem Lichtstrom verwendeten Kollimationslinsen abhängig. Somit ist für eine optimale Leistung eine punktförmige Quelle als kollimierte Lichtquelle ideal. Jedoch ist das von einem eine punktförmige Quelle bildenden Emitter ausgestrahlte Licht im allgemeinen zur Verwendung unzureichend und muß der Emitter vergrößert werden. Wenn der Emitter vergrößert wird, um die Gesamtleistung des ausgestrahlten Lichtes zu erhöhen, werden die von einer optischen Codiereinrichtung, beispielsweise von den Speichen einer sich drehenden Codierscheibe, geworfenen Schatten immer mehr verschwommen und undeutlich. Ein nachteiliges Ergebnis der Verwendung verschwommener Schatten besteht darin, daß sich die von der optischen Codiereinrichtung erzeugte elektrische Wellenform von einer optimalen reinen dreieckigen Wellenform auf eine abgerundete dreieckige Wellenform mit einem geringeren Signal/Rausch-Verhältnis verschlechtert. Der Schattenverwischungseffekt eines vergrößerten Emitters ist bei an sich bekannten optischen Drehgebern durch Verkleinern der Codierscheibe und der Phasenplatte etwas verringert worden. Dieser Versuch einer Lösung hat die großen Nachteile, daß der mechanische Aufbau des optischen Drehgebers komplizierter wird, während gleichzeitig das Risiko einer infolge der notwendigen Nähe der Phasenplatte und der sich drehenden Codierscheibe entstehenden mechanischen Störung erhöht wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Ausbildung des gattungsgemäßen optischen Drehgebers derart, daß die Wirkung einer einachsigen punktförmigen Lichtquelle angenähert ist.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch Patentanspruch 1 gelöst.

Zwar ist aus der US-A-38 08 442 eine Kodierscheibe mit einem Längen/Breitenverhältnis der Emitterschlitze von 3 : 1 bekannt, jedoch geht es dort nicht um einen Drehgeber zur Erfassung der Drehung einer Welle, sondern um einen Balkencode-Leser, bei dem Licht von einer kodierten Oberfläche reflektiert wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat ein optischer Drehgeber Schlitzemitter, die so angeordnet sind, daß sie mit den Kollimationslinsen, den Codierscheibenspeichen und den Phasenplattenöffnungen fluchten. Die Schlitzemitter sind so geformt, daß ihre Breitenrichtung senkrecht zu der Radialachse der Codierscheibe verläuft und ihre Längsrichtung mit der Radialachse der Codierscheibe zusammenfällt. Der Grad der Lichtkollimation in der zur Radialachse der Codierscheibe senkrechten Richtung ist somit von der Breite der Schlitzemitter abhängig. Demzufolge sind der Grad der Lichtkollimation in dieser Richtung, d. h. auf einer zur Längsrichtung senkrechten Achse, die Schattendeutlichkeit und die Wellenformklarheit bei einer vorgegebenen Spaltgröße und einer vorgegebenen Kollimationslinsenbrennweite durch Verringern der Breite der Schlitzemitter für eine einachsige angenäherte Lichtemission von einer punktförmigen Quelle auf einen Höchstwert gebracht. Gleichzeitig kann die Gesamtstärke des von den Schlitzemittern erzeugten Lichtes je nach Bedarf dadurch erhöht werden, daß lediglich die Länge der Schlitzemitter vergrößert wird, ohne daß die Verwendung erhöhter Emitterstromdichten oder Vergrößerung der punktförmigen Quelle wie beim Stand der Technik erforderlich sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung in auseinandergezogener Anordnung eines optischen Drehgebers in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine Rückansicht des in Fig. 1 gezeigten Emittermoduls,

Fig. 3 eine Draufsicht des in Fig. 1 gezeigten Emittermoduls,

Fig. 4 eine Vorderansicht des in Fig. 1 gezeigten Emittermoduls und

Fig. 5 eine detaillierte Darstellung eines in Fig. 2 gezeigten Schlitzemitters.

In Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung in auseinandergezogener Anordnung eines optischen Drehgebers gezeigt in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Drei kollimierte Lichtstrahlen werden von einem Emittermodul 10 erzeugt, das eine Emitterschalttafel 15 enthält, und werden von den Schlitzen und Streben, die an einer Codiereinrichtung, im vorliegenen Fall an einer sich drehenden Codierscheibe 20, angeordnet sind, und von den Blendenöffnungen, die an einer festen Phasenplatte 30 angeordnet sind, moduliert. Die modulierten Lichtstrahlen werden von einem Detektormodul 40 gespalten und fokussiert und werden von Fotodetektoren, die an einer Schalttafel 45 angeordnet sind, erfaßt. Die Betriebsweise des in Fig. 1 dargestellten optischen Drehgebers wird durch Bezugnahme auf die US-PS 42 66 125 besser verständlich, deren Inhalt hier mit einbezogen ist.

Fig. 2 bis 4 zeigen jeweils eine Rück-, Drauf- und Vorderansicht des in Fig. 1 gezeigten Emittermoduls 10. Kollimationslinsen 100, 110 und 120 sind an der Vorderseite des Emittermoduls 10 zum Aufnehmen und Kollimieren des von Schlitzemittern 70, 80 und 90 erzeugten Lichtstromes und zum Richten der drei kollimierten Lichtstrahlen auf die Codierscheibe 20 angeordnet. Die drei Schlitzemitter 70, 80 und 90 sind auf herkömmliche Weise an der Emitterschalttafel 15 befestigt. Die Emitterschalttafel 15 ist an der Rückseite des Emittermoduls 10 angebracht. Die genauen Befestigungsstellen der Schlitzemitter 70, 80 und 90 an der Emitterschalttafel 15 müssen in bezug auf die optischen Achsen der Kollimationslinsen 100, 110 und 120 und in bezug auf die Schlitze in der Codierscheibe 20 und die Blendenöffnungen in der Phasenplatte 30 bestimmt werden. Die Schlitzemitter 70, 80 und 90 sind so ausgerichtet, daß ihre Zentren und folglich der ausgesandte Lichtstrom mit den optischen Achsen der Kollimationslinsen 100, 110 und 120 fluchten und daß sie auf denselben radialen Achsen wie die Schlitze in der Codierscheibe 20 und die Blendenöffnungen in der Phasenplatte 30 liegen, wenn die kollimierten Lichtstrahlen moduliert und abgetastet werden. In der zu den Radialachsen senkrechten Richtung nähern sich die Schlitzemitter der Kollimation von Licht aus einzelnen punktförmigen Quellen an, und wegen ihrer Länge werden die Emitter nicht durch einen niedrigen Lichtstromausstoß verschlechtert.

In Fig. 5 ist eine genaue Darstellung des Schlitzemitters 70 gezeigt. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die hier beschrieben wird, sind die Schlitzemitter 70, 80 und 90 untereinander identisch, obgleich dies bei anderen Anwendungen nicht unbedingt erforderlich ist. Die Fachleute werden in der Lage sein, Schlitzemitter gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zu entwerfen und zu bauen. Bei anderen Ausführungsformen können die verwendeten Schlitzemitter sehr wohl Abmessungen und Leistungsmerkmale haben, die sich von denen der hier für den Schlitzemitter 70 angegebenen unterscheiden.

Der Schlitzemitter 70, der bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird und in Fig. 5 dargestellt ist, wurde epitaktisch auf bekannte Art und Weise auf einem 0,2289 mm dicken GaAS-Substrat aufgebaut. Eine Aluminiumfläche 140 stellt die Plätze für Haftunterlagen, Sondenunterlagen und Fluchtmarken bereit. Eine epitaktische GaASP-Sperrschichtfläche 150 umgibt die Lichtemissionsfläche 160, die 0,3175 mm mal 0,0635 mm mißt. Während der Scheibchen (wafer)- Prüfung strahlte der Schlitzemitter 70 Licht bei einer Nennwellenlänge von 700 Nanometer mit einer minimalen Leistungsdichte von 8,0 Mikrowatt/Steradiant aus, wobei er mit I_F=10 Mikroamperes gespeist wurde.

In der zu der Radialachse der Codierscheibe 20 senkrechten Richtung wird der Grad der Kollimation der aus den Kollimationslinsen 100, 110 und 120 herauskommenden Lichtstrahlen auf einen Höchstwert gebracht, wenn die Breite der Lichtemissionsfläche 160 auf einem Minimum gehalten wird. Die untere Grenze der Breite der Lichtemissionsfläche 160 ist sowohl von den bei der Herstellung des Schlitzemitters 70 verwendeten Metallätzverfahren als auch von der Höhe der Stromdichte, die toleriert werden kann, abhängig. Um eine ausreichende Gesamtleistung zu erzeugen, um die auf der Schalttafel 45 angeordneten Fotodetektoren zu aktivieren, ist es nicht notwendig, den Treibpegel des Schlitzemitters 70 zu erhöhen. Statt dessen wird die Länge der Lichtemissionsfläche 160 vergrößert, um die ausgestrahlte Lichtleistung zu erhöhen.

Claims

1. Optischer Drehgeber, der elektrische Signale zum Erfassen der Drehung einer Welle erzeugt, mit mindestens einem länglichen Emitter (70, 80, 90) zum Abgeben eines im Querschnitt länglichen Lichtstrahls, der ein Zentrum, eine Längenausdehnung und eine Breitenausdehnung hat, einer Kollimatoreinrichtung (100, 110, 120) zum Kollimieren des Lichtstrahls, einer Detektoreinrichtung (20) zum Erzeugen der elektrischen Signale als Antwort auf die Erfassung des kollimierten Lichtstrahles und einer zwischen dem Emitter und der Detektoreinrichtung angeordneten, rotierenden Codierscheibe (20) mit lichtdurchlässigen Bereichen, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die schlitzförmig ausgebildeten Emitter (70, 80, 90) mit ihrer Längenausdehnung ebenso wie in der Codierscheibe (20) angeordnete lichtdurchlässige Schlitze radial bezüglich der Welle ausgerichtet sind und die Breitenausdehnung der Schlitzemitter (70, 80, 90) minimiert ist, so daß sie in Umfangsrichtung gesehen eine Kollimierwirkung angenähert derjenigen von punktförmigen Lichtquellen haben, und daß die Detektoreinrichtung (40, 45) den Lichtstrahl im wesentlichen entlang einer zur Längenausdehnung des Lichtstrahls (radiale Richtung) senkrechten Richtung (Umfangsrichtung) empfängt und abtastet.

2. Drehgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrum des Lichtstrahles mit einer optischen Achse der Codierscheibe (20) fluchtet.

3. Drehgeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrum des Lichtstrahles mit einer optischen Achse der Kollimatoreinrichtung (100, 110, 120) fluchtet.

4. Drehgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Längenausdehnung des länglichen Lichtstrahles mindestens fünfmal so groß wie seine Breitenausdehnung ist.

5. Drehgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Codierscheibe (20) und der Detektoreinrichtung (40, 45) eine Phasenplatte (30) mit lichtdurchlässigen Öffnungen angeordnet ist, die zu den Schlitzen bzw. Speichen der Codierscheibe und den Schlitzen der Schlitzemitter fluchten.

6. Drehgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Längenausdehnung der Schlitzemitter (70, 80, 90) entsprechend der gewünschten Gesamtstärke des von den Lichtemittern ausgestrahlten Lichtes gewählt ist.