DE3586937T2

DE3586937T2 - Optischer rotierender enkodierer.

Info

Publication number: DE3586937T2
Application number: DE8585902119T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Uchida
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 1984-04-14
Filing date: 1985-04-15
Publication date: 1993-06-03
Anticipated expiration: 2005-04-16
Also published as: DE3586937D1; EP0179918A1; EP0179918A4; US4704523A; EP0179918B1; JPS60218028A; WO1985004710A1

Description

Technisches Gebiet:

Die Erfindung betrifft eine Kodiervorrichtung, insbesondere eine optische Drehkodiervorrichtung, bei der eine Kodiereinrichtung vom Inkrementaltyp durch optische Fasern gebildet wird, ein Ausgangssignal der Kodiervorrichtung in einem Absolut-Modus erzeugt wird und die Kodiervorrichtung eine Drehung sowie eine Drehrichtung einer Drehwelle in dem Absolut-Modus erzeugt.

Stand der Technik:

Optische Drehkodierer werden in großem Umfang zur exakten Erfassung einer Position einer sich bewegenden Industriemaschine, beispielsweise einer numerisch gesteuerten Vorrichtung (NC) verwendet. Der Kodierer ist häufig an Stellen mit schlechten Umweltbedingungen installiert, z. B. in Bereichen extremer Temperaturen und mit beträchtlichem Staubanfall und dergleichen.
Weiterhin ist der Kodierer häufig einige zehn Meter von einer Steuervorrichtung der NC entfernt, die ein Positionsdetektorsignal von dem Kodierer als Steuersignal verwendet. Bei einem herkömmlichen Kodierer wird von einer Leuchtdiode emittiertes Licht von einem Lichtempfangselement, beispielsweise einer Fotodiode, durch einen in einer drehenden Platte ausgebildeten Schlitz empfangen, und aus dem Signal von dem Lichtempfangselement wird mittels Signalverarbeitung ein Drehpositionssignal erzeugt. Aus diesem Grund besitzt der an der Erfassungsstelle montierte Kodierer eine Leuchtdiode, eine Fotodiode und eine Signalverarbeitungsschaltung. Bei dem herkömmlichen Kodierer dieser Art enthält die Signalverarbeitungsschaltung im allgemeinen ein Halbleiterbauelement, und wenn die Umgebungstemperatur des Kodierers hoch wird, arbeitet die Signalverarbeitungsschaltung möglicherweise nicht ordnungsgemäß.
Da ein Ausgangssignal von der Signalverarbeitungsschaltung ein Niedrigpegel-Signal von beispielsweise etwa 5 Gleichspannung ist, ist, wenn der Kodierer von der Steuervorrichtung weit entfernt ist, das Ausgangssignal der Signalverarbeitungsschaltung möglicherweise durch elektrisches Rauschen seitens eines Stromversorgungskabels beeinflußt. Um diesen Nachteil zu überwinden, werden verdrillte paarweise abgeschirmte Kabel verwendet, und der Kodierer wird getrennt von den Stromversorgungskabeln angeordnet. Dies führt aber zu erhöhten Kosten und zu Unbequemlichkeiten.
Kodierer werden in solche vom Inkremental-Typ und solche vom Absolutwert-Typ unterteilt. Bei dem ersteren Kodierer sind Lichtabschirmabschnitte und Lichtdurchlaßabschnitte (Schlitze) entlang einem Umfang einer Drehplatte vorgesehen, die an einer Drehwelle fixiert ist, um eine Bewegung einer Industriemaschine zu erfassen, wie oben ausgeführt ist. Eine Leuchtdiode sendet Licht von einer Seite der Drehplatte aus, und auf der anderen Seite der Drehplatte ist ein Fotodiode vorgesehen, um das von der Leuchtdiode ausgesendete Licht zu empfangen. Wenn die Drehplatte in Kormalrichtung gedreht wird, erzeugt der Kodierer ein Inkremental-Signal, ansonsten ein Dekremental-Signal. Bei dem letztgenannten Kodierer sind entlang dem Umfang der Drehplatte mehrere Lichtdurchlaßkanal- Felder angeordnet, die jeweils ein vorbestimmtes Muster in Radialrichtung der Drehplatte aufweisen, und an der einen Seite der Drehplatte sind Leuchtdioden vorgesehen, so daß von den Leuchtdioden abgestrahltes Licht von einem Fotodioden- Feld empfangen wird, welches den Lichtübertragungskanälen entspricht. Damit wird eine Position der Drehwelle eindeutig generiert durch eine Kombination der Lichtempfangssignale der Fotodioden, d. h. in einem Absolutwert-Modus.
Da bei dem Inkremental-Kodierer die Drehplatte einen einfachen Aufbau aufweist, läßt sich die Signalverarbeitungsschaltung vereinfachen. Da allerdings der Kodierer von der Steuervorrichtung mit Strom versorgt wird, geht ein Positionssignal von der Drehplatte beim Abschalten oder bei einem Versagen einer Stromversorgung der Steuervorrichtung verloren. Wenn daher die Spannungsquelle erneut eingeschaltet wird, kann, wenn nicht von einer Startposition aus ein Zähler neu gestartet wird, eine Stellung der Drehplatte nicht festgestellt werden.
Andererseits hat der Absolutwert-Kodierer den Vorteil, daß eine Stellung der Drehplatte rasch von einem Lichtempfangsmuster des Fotodiodenfeldes auch dann erfaßt werden kann, wenn nach dem Abschalten der Stromversorgung letztere wieder eingeschalten wird. Da allerdings die Drehplatte einen komplizierten Aufbau aufweist, und viele Lichtempfangselemente vorgesehen sind, wird die Signalverarbeitungsschaltung kompliziert. In jedem der Kodierer wird eine Leuchtdiode als lichtemittierendes Element verwendet, während als Lichtempfangselement eine Fotodiode eingesetzt wird. Auf Grund der starken Richtungsabhängigkeit jedoch muß die Leuchtdiode unter Beobachtung mittels eines Stroboskops oder dergleichen dreidimensional eingestellt werden, um gute Lichtempfangsverhältnisse an der Fotodiode zu erhalten, was die Montage und die Justage verkompliziert. Weiterhin ist eine Einstellung sowie eine Inspektion, beispielsweise eine mikroskopische Inspektion, notwendig, um festzustellen, ob die Drehplatte exzentrisch bezüglich ihrer Mittelachse ist oder nicht, und um eine Phase des ortsfesten Schlitzes auszurichten.
Weiterhin wird bei jedem Typ des herkömmlichen Kodierers eine Drehstellung der Drehplatte nur lediglich während einer Umdrehung erfaßt, und eine Drehung der Drehplatte selbst wird nicht als ein Ausgangssignal seitens des Kodierers hergenommen. Aus diesem Grund muß eine Berechnung zum Ermitteln des Gesamt-Bewegungshubs der Industriemaschine auf der Seite der Steuervorrichtung der NC durchgeführt werden, und man kann ein gewünschtes Stellungssignal nicht einfach aus dem Ausgangssignal des Kodierers erhalten. Hierdurch entsteht ein Problem im Hinblick auf die gesamte Signalverarbeitung.
Außerdem besitzt der herkömmliche Kodierer einen relativ hohen Stromverbrauch.
Die EP-0-067 858 beschreibt einen Impuls-Kodierer vom fotoelektrischen Wandlertyp, bei welchem optische Fasern dazu benutzt werden, Licht von einer Leuchtdiode auf eine an der Drehscheibe gelegene Einheit für einfallendes Licht zu lenken und Licht von einer Einheit für empfangenes Licht auf eine Fotodetektorschaltung zu übertragen. Im übrigen ist der Aufbau des Kodierers von üblicher Art, ähnlich, wie sie oben beschrieben wurde. Die Axialrichtung des Mechanismus des Kodierers und die Axialrichtung der optischen Fasern lassen sich leicht in Übereinstimmung bringen, und man kann den von den optischen Fasern erzeugten Lichtfleck sehr klein machen. Mithin beseitigt die Verwendung optischer Fasern die oben beschriebenen Probleme in Verbindung mit der Einstellung der Lage der Fotodioden.
Die US-A-3 906 194 beschreibt einen Prozessor zum Umwandeln von seitens eines Wellenkodierers erzeugter Signale in zwei getrennte Impulszüge. Speziell wird der Prozessor in Verbindung mit zwei Wellenkodierern zum Erzeugen von zwei Sätze zueinander orthogonaler Signale, innerhalb einer Display-orientierten Anzeigeeinrichtung verwendet, um die kartesischen Koordinaten der Bewegung der Anzeigeeinrichtung darzustellen.

Offenbarung der Erfindung:

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Kodiervorrichtung mit einer beträchtlich hohen Widerstandsfähigkeit gegenüber Umwelteinflüssen, z. B. Temperatur oder elektrischem Rauschen, anzugeben.
Es ist ein zweites Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Kodiervorrichtung anzugeben, die sich einfach zusammenbauen und justieren läßt.
Es ist ein drittes Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Kodiervorrichtung anzugeben, die einen einfachen Aufbau besitzt und mittels einer einfachen Schaltung im Absolut-Modus eine Position, eine Drehung und eine Drehrichtung einer Drehplatte generieren kann.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Kodierer mit geringer Leistungsaufnahme anzugeben.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Kodiereinrichtung anzugeben, die sich einfach warten läßt.
Um die obigen Ziele zu erreichen, beruht die vorliegende Erfindung auf folgenden technischen Konzepten.
Zunächst enthält ein Kodierer-Mechanikabschnitt einen einfachen Aufbau eines Inkremental-Typs, wie er oben beschrieben wurde, und man erhält ein Ausgangssignal praktisch im Absolut-Modus mittels Schaltungstechnik.
Zweitens werden im Gegensatz zu den herkömmlichen lichtemittierenden und lichtempfangenden Elementen, beispielsweise einer Leuchtdiode und einer Fotodiode, diese Elemente derart angeordnet, daß sie sich nicht direkt einander auf beiden Seiten einer Drehplatte gegenüberliegen, und es werden optische Faserkabel derart einander gegenüberliegend montiert, daß sie die Drehplatte des Kodierer-Mechanikabschnitts zwischen sich sandwichartig einschließen, damit die Abstrahlung und der Empfang von Licht über das optische Faserkabel erfolgt, um eine einfache Montage zu gestatten. Die lichtemittierenden und Lichtempfangs-Elemente sowie die Signalverarbeitungsschaltung sind unter Verwendung der optischen Faserkabel in beispielsweise einer Steuervorrichtung vorgesehen, die von einer Stelle getrennt ist, an der der Kodierer-Mechanikabschnitt plaziert ist.
Weiterhin werden die Drehung und die Drehrichtung der Drehplatte durch Schaltungstechnik erhalten, und die Leistungsaufnahme wird gesenkt. Wiederum wird hinsichtlich des gesamten Kodiersystems eine Systemkonfiguration geschaffen, die hohe Wirtschaftlichkeit, einfache Wartung und hohe Zuverlässigkeit aufweist.
Gemäß der grundlegenden Ausführung der vorliegenden Erfindung wird also eine Kodiervorrichtung geschaffen, wie sie im Anspruch 1 angegeben ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen:

Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die schematisch eine Kodiervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist eine Ansicht, welche die Lagebeziehung zwischen einer Drehplatte und einem optischen Faserkabel des in Fig. 1 gezeigten Kodierers veranschaulicht;
Fig. 3 ist eine Schaltungsskizze einer Signalverarbeitungsschaltung gemäß Fig. 1;
Fig. 4 ist eine Schaltungsskizze, die mehrere Signalverarbeitungsschaltungen zeigt;
Fig. 5 eine Ansicht eines weiteren Beispiels der in Fig. 1 gezeigten Signalverarbeitungsschaltung;
Fig. 6 ein Zeitdiagram der in Fig. 5 gezeigten Schaltung;
Fig. 7 eine Schaltungsskizze eines in Fig. 5 gezeigten Dekoders;
Fig. 8 eine Ansicht einer Modifizierung der Schaltung nach Fig. 5;
Fig. 9 ein Zeitdiagram für die Schaltung in Fig. 8; und
Fig. 10 eine Schaltungsskizze für den Fall, daß mehrere Signalverarbeitungsschaltungen verwendet werden.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung:

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben.
Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die schematisch eine Kodiervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Gemäß Fig. 1 ist die Kodiervorrichtung gebildet durch einen Mechanikabschnitt 1, einen Signalverarbeitungsabschnitt 30 und eine Spannungsquelle 20. Wie in Fig. 1 in Schnittansicht dargestellt ist, enthält der Mechanikabschnitt 1 eine Drehwelle 2, die sich bei Bewegung einer Industriemaschine wie z. B. einer NC, deren Position festzustellen ist, dreht, eine Drehplatte 6, die an der Drehwelle 2 fixiert ist, einen Flansch 3 mit einem Loch, welches von der Drehwelle 2 durchsetzt wird, einen ringförmigen, konzentrisch drehbar an dem Flansch montierten geschlitzten Trägertisch 4, einen ortsfesten Schlitz 4a, der in dem ortsfesten Schlitz- Tisch vorgesehen ist, und einen ringförmigen, konzentrisch drehbaren Tisch 5 zum Fixieren einer optischen Faser, wobei der Tisch dem ringförmigen ortsfesten Schlitzträgertisch 4 derart gegenüberliegt, daß die beiden Teile die Drehplatte 6 sandwichartig zwischen sich einschließen.
Fig. 2 ist eine Frontansicht der Drehplatte 6. In der Drehplatte 6 sind entlang der Umfangsfläche mit einem Radius R von der Mittelachse O Lichtdurchlaßabschnitte (Schlitze) 61 und lichtabschirmende Abschnitte 62 durchgehend ausgebildet.
In dem Tisch 5 zum Fixieren der optischen Faser sind kreisförmige Durchgangslöcher 11 derart ausgebildet, daß sie dem Umfang entsprechen, der durch die Lichtdurchlaß- und Lichtabschirm-Abschnitte 61 und 62 definiert wird, und die freien Endabschnitte 7 und 8 von optischen Faserkabeln sind in die Durchgangslöcher eingepaßt. In ähnlicher Weise sind kreisförmige Durchgangslöcher 13 und 14 in dem ortsfesten Schlitzträgertisch 4 derart ausgebildet, daß sie dem Umfang gegenüberliegen, welcher von den Durchgangslöchern 11 und 12 definiert wird. Freie Endabschnitte 9 und 10 der optischen Faserkabeln sind in die kreisförmigen Durchgangslöcher 13 und 14 eingepaßt. Angenommen, ein Paar von Lichtdurchgangs- und Lichtabschirm-Abschnitten 61 und 62 sei als eine Teilung oder ein Zyklus gegeben, wie in Fig. 2 zu sehen ist, so sind die kreisförmigen Durchgangslöcher 13 und 14 derart angeordnet, daß von der Seite der Durchgangslöcher 11 und 12 durch den Lichtdurchgangsabschnitt 61 über den ortsfesten Schlitz 4a emittiertes Licht von dem Durchgangsloch 14 empfangen wird, um gegenüber demjenigen Licht, das von dem Durchgangsloch 13 empfangen wird, um eine Phase von 90º verzögert zu sein, wenn sich die Drehplatte 6 in Pfeilrichtung A gemäß Fig. 2 dreht (was im folgenden als Normaldrehung bezeichnet werden soll).
Die ersten freien Endabschnitte 7 und 8 des optischen Faserkabels sind mit der Signalverarbeitungsschaltung 30 über optische Faserkabel 15 und 16 verbunden. Die zweiten und dritten freien Endabschnitte 9 und 10 der optischen Faserkabel sind ebenfalls mit der Signalverarbeitungsschaltung 30 über optische Faserkabel 16 und 17 verbunden. Eine Spannung von der Spannungsquelle 20 wird an die Signalverarbeitungsschaltung 30 gelegt. Fig. 1 zeigt aus Gründen der Vereinfachung die Kabel 15 bis 17 dünner als die freien Endabschnitte 7 bis 10 der optischen Faserkabel. Allerdings ist jedes von diesen ein einzelnes Faserkabel. Als optisches Faserkabel kann man ein herkömmliches optischen Faserkabel aus Quarz verwenden.
Fig. 3 ist ein Schaltungsdiagram der in Fig. 1 gezeigten Signalverarbeitungsschaltung 30 gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Schaltung wird dazu verwendet, den in Fig. 1 gezeigten Kodierer als Inkrementaltyp-Kodierer zu betreiben.
Die Signalverarbeitungsschaltung 30 enthält Leuchtdioden 33a und 33b zum Abstrahlen von Licht auf ein Ende der optischen Faserkabel 15 und 16 über eine (nicht gezeigte) Fokussierlinse, und enthält Fotodioden 34 und 36 zum fotoelektrischen Umsetzen von durch eine (nicht gezeigte) Fokussierlinse gelaufenem Licht, welches von den Leuchtdioden abgestrahlt wurde, über die optischen Faserkabel 15 und 16 übertragen und aus den freien Endabschnitten 7 und 8 dieser Kabel ausgetreten ist, um durch die Lichtübertragungsabschnitte der Drehplatte 6 zu laufen, sowie des von den freien Endabschnitten 9 und 10 der optischen Faserkabel 16 und 17 empfangenen Lichts, welches aus dem anderen Ende der optischen Faserkabel 16 und 17 ausgetreten ist. Ausgangssignale der Fotodioden 34 und 36 werden von Verstärkerschaltungen 35 und 37 verstärkt, die jeweils einen Widerstand und einen Transistor in der Verschaltung gemäß Fig. 3 aufweisen, und an eine Drehposition-Berechnungsschaltung 38 werden ein A-Phasen-Signal SA und eine B- Phasen-Signal SB mit einer Phasendifferenz von 90º bezüglich dem A-Phasen-Signal geliefert. Die Drehpositions-Berechnungsschaltung 38 besitzt die gleiche Ausgestaltung wie in einem herkömmlichen Inkremental-Kodierer, und sie erzeugt bei jeder Teilung eine Änderung in der Drehplatte 6 als Inkremental-Impulssignal im Fall einer Normaldrehung, und als Dekrement-Impulssignal im Fall einer Rückwärtsdrehung.
Im folgenden wird ein Montageverfahren des oben erläuterten Kodierers beschrieben. Die Bauteile 2, 3, 4, 5 und 6 des Mechanikabschnitts 1 nach Fig. 1 werden vorab gefertigt. Wie oben beschrieben wurde, werden die Durchgangslöcher 13 und 14 des ortsfesten Schlitzträgertisches 4 und die Durchgangslöcher 11 und 12 des Tisches 5 zum Fixieren der optischen Faser an dem Umfang mit einem Radius R von der Drehmittelachse O vorgesehen. Die Durchgangslöcher 11, 13 und 14 werden entlang einer Achse parallel zu der Drehmittelpunktachse O ausgebildet. Durchmesser der Durchgangslöcher 11 und 12 bis 14 werden derart eingestellt, daß die freien Endabschnitte 7 bis 10 der optischen Faserkabeln in ihnen fest aufgenommen werden. Die so hergestellten Komponenten werden folgendermaßen zusammengebaut:
Die Drehplatte wird bei mikroskopischer Beobachtung weitergeschaltet, und die Drehplatte 6 wird an der Drehwelle 2 montiert. Der ortsfeste Schlitz 4a wird an einer Durchgangslochstelle ausgerichtet und dann an dem ortsfesten Schlitzträgertisch fixiert. Als nächstes erfolgt die Phasenausrichtung zwischen dem Lichtdurchgangsbereich und dem ortsfesten Schlitz 4a, und der Trägertisch 4 für den ortsfesten Schlitz wird an dem Flansch 3 fixiert. In diesem Fall muß ein Bauelementfehler in dem den ortsfesten Schlitz tragenden Tisch 4 bezüglich des Flansches 3 ausreichend klein sein, muß jedoch einen beweglichen Bereich schaffen, der für die Phasenausrichtung ausreicht. Diese Vorgänge sind im wesentlichem die gleichen wie bei einer herkömmlichen Kodiervorrichtung, bei der eine Leuchtdiode direkt einem Lichtempfangselement gegenübersteht. Anschließend wird der die optische Faser fixierende Tisch 5 an dem den stationären Schlitz tragenden Tisch 4 angebracht, und es werden die optischen Faserkabel in die Durchgangslöcher 11 bis 14 eingesetzt. Der freie Endabschnitt 7 des optischen Faserkabels wird als lichtemittierende Seite, und der gegenüberliegende freie Endabschnitt 9 des optischen Faserkabels wird als Lichtempfangsseite verwendet. Der zum Fixieren der optischen Faser dienende Tisch 5 wird gedreht, so daß das Ausgangssignal beispielsweise der Verstärkerschaltung 35 bei Beobachtung durch ein Stroboskop maximal wird.
Wenn das Ausgangssignal der Verstärkerschaltung 35 maximal wird, wird der die optische Faser fixierende Tisch 5 an dem den stationären Schlitz tragenden Tisch 4 fixiert. Eine Anlagefläche zwischen dem die optische Faser fixierenden Tisch 5 und dem den stationären Schlitz tragenden Tisch 4 muß eine hohe Präzision innerhalb des Bereichs aufweisen, der es dem zum Fixieren der optischen Faser dienenden Tisch 5 ermöglicht, sich zu drehen.
Zu Vergleichszwecken sei angegeben, daß in dem Fall, daß eine Leuchtdiode und eine Fotodiode direkt einander auf zwei Seiten einer herkömmlichen Drehplatte gegenüberliegen, die letztgenannte Justierung sehr kompliziert wird, da die Leuchtdiode eine starke Richtungsabhängigkeit besitzt und die Lagejustierung dreidimensional erfolgen muß, damit ihr Ausgangssignal ein Maximum annimmt. Da bei der oben beschriebenen Ausführungsform der Erfindung der die optische Faser fixierende Tisch 5 nicht gedreht werden muß, d. h. die Lagejustierung nur in einer Richtung erforderlich ist, ist die Justierung sehr einfach. Da die Durchgangslöcher 11 bis 14 durch normale Bearbeitung sehr präzise ausgebildet werden, brauchen die freien Endabschnitte der optischen Faserkabel, welche in die Durchgangslöcher eingeführt werden, selbst nicht justiert zu werden.
Geht man von einer Kodiervorrichtung aus, bei der optische Fasern einander einfach auf zwei Seiten einer Drehplatte und einem stationären Schlitz gegenüberliegen, so läßt sich eine solche Kodiervorrichtung nur sehr schwierig zusammenbauen und justieren, und auch ist die dreidimensionale Lagejustierung der herkömmlichen Leuchtdiode und des Lichtempfangselements zum Erhalt von A- und B-Phasen-Signalen mit konstanter Genauigkeit sehr schwierig. Um diesen Nachteil zu beseitigen, werden Elemente, an denen die sich gegenüberstehenden optischen Fasern montiert sind, an einer einstückigen Struktur in einem Zustand fixiert, in welchem eine Drehplatte und ein ortsfester Schlitz von ihnen eingeschlossen werden. Durch diese Ausgestaltung läßt sich die Ausrichtgenauigkeit des optischen Faserpaars verbessern. In diesem Fall jedoch ergibt sich das Problem, daß die Schwierigkeit bei der Positionsausrichtung zwischen den optischen Fasern und dem ortsfesten Schlitz verbleibt. Die Ausrichtgenauigkeit des optischen Faserpaars hängt von der Bearbeitungsgenauigkeit der oben erläuterten einstückigen Struktur ab.
Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hingegen läßt sich in der im folgenden beschriebenen Weise eine einfache Positionsausrichtung erreichen.
Wenn der stationäre Schlitz 4a an dem den stationären Schlitz tragenden Tisch 4 fixiert wird, so daß er mit den Durchgangslöchern 13 und 14 ausgerichtet ist, fallen die Positionen des ortsfesten Schlitzes 4a und der optischen Faserenden 9 und 10 automatisch zusammen. Da der Eingriff zwischen dem Flansch 3 und dem den ortsfesten Schlitz tragenden Tisch 4 einen ausreichenden Bewegungshub aufweist, sind, wenn der ortsfeste Schlitz 4a mit dem Lichtdurchgangsabschnitt der Drehplatte 4 unter Verwendung eines Mikroskops wie bei der herkömmlichen Ausrichtung ausgerichtet wird, die Drehplatte 6, der ortsfeste Schlitz 4a und die optischen Faserenden 9 und 10 integral miteinander ausgerichtet. Wenn der die optische Faser fixierende Tisch 5 in einen Eingriffsabschnitt des Tisches 4 für den ortsfesten Schlitz eingepaßt wird, ist, da die in Eingriff gelangenden Abschnitte des die optische Faser fixierenden Tisches 5 und des Tisches 4 für den stationären Schlitz durch zylindrische Bearbeitung ausgebildet sind, deren Abmessungsgenauigkeit in radialer Richtung ausreichend groß. Deshalb können die Drehplatte 6, der stationäre Schlitz 4a und die gegenüberliegenden optischen Faserenden 9 und 10 präzise mit den optischen Faserenden 7 und 8 in radialer Richtung ausgerichtet werden. Wenn der die optische Faser fixierende Tisch 5 auf die Überwachung der Ausgangssignale der optischen Faserenden 9 und 10 hin gedreht wird, um in Umfangsrichtung ausgerichtet zu werden, sind die optischen Enden 7 und 8, die Drehplatte 6, der ortsfeste Schlitz 4a und die gegenüberliegenden optischen Faserenden 9 und 10 präzise ausgerichtet.
Bei der herkömmlichen Positionsjustierung wird ein Flansch als Bezug betrachtet, da jedoch bei der Ausführungsform nach der vorliegenden Erfindung die Tatsache berücksichtigt wird, daß die Mitte der Drehplatte 6 mit der Mittelachse O der Drehwelle 2 ausgerichtet sein muß, ist das optische System mit der Drehplatte 6 als Bezug ausgerichtet. Aus diesem Gesichtspunkt ist der stationäre Schlitz 4a an dem für den stationären Schlitz vorgesehenen Tisch 4 fixiert, und die Struktur wird mit der Drehplatte 6 ausgerichtet. Außerdem ist der Tisch zum Fixieren der optischen Faser 5, in den Tisch für den ortsfesten Schlitz 4 eingepaßt. Da die Abschnitte zur Erzielung hoher Abmessungsgenauigkeit durch zylindrische Bearbeitung gefertigt werden, läßt sich durch einfache Bearbeitung eine hohe Ausrichtgenauigkeit erzielen.
Auf diese Weise kann der Zusammenbau des Mechanik-Abschnitts des erfindungsgemäßen Kodierers einfacher erfolgen als bei einem herkömmlichen Inkrementaltyp-Kodierer, und schafft eine höhere Genauigkeit.
Da die Signalverarbeitungsschaltung nicht in einem Gehäuse des Kodierer-Mechanikabschnitts untergebracht werden muß, lassen sich die Prüfung der Signalverarbeitungsschaltung und die Wartung, beispielsweise der Austausch von Teilen einfach durchführen.
Weiterhin können der an einer Erfassungsstelle befindliche Mechanikabschnitt 1 sowie die Signalverarbeitungsschaltung 30 ebenso wie die damit verbundene Spannungsquelle 20, die mit ihm über die optischen Faserkabeln 15 bis 17 verbunden sind, voneinander um eine beträchtliche Entfernung getrennt sein, ohne daß ein Einfluß durch elektrisches Rauschen erfolgt, und ohne daß eine Dämpfung der elektrischen Signale stattfindet. Im Vergleich zu der herkömmlichen Ausrüstung läßt sich die Ausrüstung vereinfachen, und man kann hochqualitative Erfassungsdaten erhalten. Die Signalverarbeitungsschaltung 30 kann in guten Umgebungsbedingungen installiert werden, beispielsweise in der Steuervorrichtung, und kann stabil arbeiten. Da außerdem der Mechanikabschnitt 1 kein Bauteil enthält, welches eine nur geringe Widerstandsfähigkeit gegen Umwelteinflüsse aufweist, kann der Mechanikabschnitt 1 an einer Stelle mit beträchtlichen abträglichen Umwelteinflüssen angeordnet werden, so daß das Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Kodiervorrichtung vergrößert werden kann.
Es wurde ein Fall beschrieben, bei dem eine einzelne Kodiervorrichtung geschaffen wird. Wenn mehrere Kodierer gebraucht werden, sind beispielsweise mehrere Signalverarbeitungsschaltungen 30&sub1; bis 30n in einer Steuervorrichtung vorgesehen, wie in Fig. 4 gezeigt ist, und sie sind an eine gemeinsame Doppel-Spannungsquelle 20 mit Spannungsquellen 20&sub1; und 20&sub2; angeschlossen, um so die Zuverlässigkeit der Spannungsquellen in dem Kodiersystem billig zu verbessern. Insbesondere dann, wenn eine oder beide Spannungsquellen 20&sub1; und 20&sub2; eine Batterie verwenden, wird auch dann, wenn eine Stromversorgung der Steuervorrichtung ausfällt, eine Versorgungsspannung für das System ohne Unterbrechung erzeugt, und das Ausgangssignal des Inkremental-Kodierers läßt sich kontinuierlich halten, so daß tatsächlich das Ausgangssignal im Absolutwert-Modus geliefert wird.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 5 eine weitere Ausführungsform des Mechanikabschnitts 1 des in Fig. 1 gezeigten Inkremental-Kodierers beschrieben, welcher die Drehgeschwindigkeit, die Drehrichtung und die Drehposition der Drehplatte 6 erfassen kann, und in welchem die Leistungsaufnahme gesenkt ist. Fig. 5 ist ein Schaltungsdiagram einer Signalverarbeitungsschaltung 30' und einer Spannungsquelle 20. Der Mechanikabschnitt hat denselben Aufbau wie in Fig. 1.
Bezugnehmend auf Fig. 5, sind in der in Fig. 5 dargestellten Weise in der Signalverarbeitungsschaltung 30', zusätzlich zu einem Oszillator 31, einen monostabilen Multivibrator 32, den gleichen Leuchtdioden 33a und 33b, den Fotodioden 34 und 36 und Verstärkerschaltungen 35 und 37 wie in Fig. 3, ein Anstieg/Abfall-Detektor 42, ODER-Glieder 39 und 40 und einen Auf/Ab-Zähler 51 verschaltet. Eine Spannung von der Spannungsquelle 20 wird an diese Schaltungselemente angelegt. Der Anstiegs/Abfall-Detektor 42 enthält eine Serienschaltung aus D-Flipflops 421 und 422 zum Empfangen eines A-Phasen-Signals SA, in Reihe geschaltete D-Flipflops 423 und 424 zum Empfangen eines B-Phasen-Signals SB und einen Dekoder (DECDR) 425 zum Umsetzten von 4 Leitungen in 16 Leitungen bei Erhalt der gesetzten Ausgangssignale SA1, SA2, SB1 und SB2 von den Flipflops 421 bis 424. Ausgangssignale von dem Dekoder 225 werden an die ODER-Glieder 39 und 40 gegeben, um eine inkrementale oder dekrementale Zählung vorzunehmen.
Wie in Fig. 6(a) gezeigt ist, sind an dem Umfang der Drehplatte 6 beispielsweise 1000 Lichtdurchlaß- und Abschirmbereiche vorgesehen. Wenn die Drehplatte 6 mit einer maximalen Drehzahl von 1200 Upm gedreht wird, beträgt die Frequenz f des Dreh-Ausgangssignals 20 kHz, und eine Periode pro Teilung beträgt τ = 50 us (s. Fig. 6(a)). Im Gegensatz dazu besitzt ein Impuls CLK&sub0; des Oszillators 31 eine Impulsperiode von τ > t, wie in Fig. 6(b) gezeigt ist, in diesem Ausführungsbeispiel ist t = 12,5 us. Ferner wird die Einschaltzeit t&sub1; ausreichend groß eingestellt, um die Leuchtdioden 33a und 33b, die Fotodioden 34 und 36 und die Verstärkerschaltungen 35 und 36 und dergleichen betreiben zu können, beispielsweise auf t&sub1; = 2,5 us. Der monostabile Multivibrator 32 empfängt den Impuls CLK&sub0; und erzeugt ansprechend auf einer Rückflanke des Impulses gemäß Fig. 6(c) einen Strobe-Impuls, der als Taktimpuls der Schaltungselemente 421 bis 424, 425 und 41 dient.
Wenn der Impuls CLK&sub0; in der oben beschriebenen Weise eingestellt wird, läßt sich leicht Spannung an die Leuchtdioden und dergleichen während der Einschaltzeit t&sub1; anlegen, verglichen mit einem herkömmlichen Fall, bei dem dauernd Spannung angelegt wird, so daß die Leistungsaufnahme beträchtlich reduziert wird. Wenn die Leistungsaufnahme reduziert wird, läßt sich eine Zelle, beispielsweise eine Lithiumzelle, als Spannungsquelle 20 unabhängig von einer Steuerstromquelle über eine lange Zeitspanne hinweg verwenden, und Daten von der Signalverarbeitungsschaltung werden nicht von der Steuerstromquelle beeinflußt.
Es wird die Arbeitsweise der in Fig. 5 gezeigten Schaltung beschrieben.
Wenn der Impuls CLK&sub0; an die Leuchtdioden 33a und 33b gelegt wird, erhält man ansprechend auf den Impuls CLK&sub0; und die Drehung der Drehplatte 6 die A- und B-Phasen-Signale SA und SB (Fig. 6(d), (e)). Im Fall der Normaldrehung ist das B-Phasen- Signal SB gegenüber dem A-Phasen-Signal SA um 90º verzögert. Das A-Phasen-Signal SA wird an das Flipflop 421 gegeben, und das Flipflop 421 wird ansprechend auf den Taktimpuls CLK&sub1; gesetzt, und der Ausgang SA1 geht auf hohen Pegel. Ansprechend auf den nächsten Taktimpuls wird das Flipflop 422 von dem Ausgangssignal SA1 gesetzt und der Ausgang SA2 geht auf hohen Pegel, um gegenüber dem Ausgangssignal SA1 um einen Zyklus (CLK&sub1;) verzögert zu sein (Fig. 6(f), (g)). Was das B-Phasen- Signal SB angeht, so werden die Ausgangssignale SB1 und SB2 in ähnlicher Weise erhalten (Fig. 6(h), (i)). Wenn diese Signale hohen Pegel haben, werden sie gewichtet gemäß SA1 = 1, SA2 = 2, SB1 = 4 und SB2 = 8, und sie werden an die Anschlüsse A0, A1, A2 und A3 des Dekoders (DECDR) 425 gelegt, um als Auf/Ab-Signal SUD von 16 Leitungen (Fig. 6(j)) erzeugt zu werden.
Der Dekoder (DECDR) 425 wird gebildet durch Gatter G1 bis G14, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Da bei dieser Ausführungsform die Drehplatte in normaler Richtung gedreht wird und das A- Phasen-Signal SA gegenüber dem B-Phasen-Signal SB um 90º voreilt, werden die Auf/Ab-Signale SUD zu Aufwärts-Impulssignalen SU. Wie in Fig. 7 gezeigt ist, werden, wenn eine Summe der Signale: SA1 + SA2 + SB1 + SB2 das Ergebnis 1, 7, 8 und 14 liefert, die Aufwärts-Impulssignale SU von den Gattern G1, G7, G8 und G14 erzeugt. Wenn das B-Phasen-Signal SB gegenüber dem A-Phasen-Signal SA voreilt, d. h., wenn der Kodierer in Rückwärtsrichtung dreht, und eine Summe der Signale SA1 + SA2 + SB1 + SB2 die Ergebnisse 2, 4, 11 und 13 liefert, werden Abwärts-Impulssignale SD von den Gattern G2, G4, G11 und G13 erzeugt. Wenn sich der Kodierer sowohl in Vorwärts- als auch in Rückwärtsrichtung dreht, werden Aufwärts- und Abwärts-Impulssignale SU und SD erzeugt.
Bezugnehmend auf Fig. 7 sei angemerkt, daß, weil die Ausgangssignale des Dekoders 425 Daten mit Negativlogik sind, sie an den Eingängen der ODER-Glieder 39 und 40 invertiert werden, im Gegensatz zu Fig. 5.
Wenn die Drehplatte 6 in Normalrichtung gedreht wird, werden die Auf/Ab-Signale SUD an den Inkremental-Zählereingang UP des Auf/Ab-Zählers 41 über das ODER-Glied 39 gelegt, und werden anderenfalls über das ODER-Glied 40 an den Dekrement-Zählanschluß AB gelegt. Auf diese Weise kann der Auf/Ab-Zähler 41 ein Signal erzeugen, welches eine Drehposition der Drehplatte 6 anzeigt. Wie oben beschrieben, kann das Ausgangssignal des Auf/Ab-Zählers 41 tatsächlich als ein Ausgangssignal im Absolutwert-Modus betrachtet werden, da die Spannungsquelle 20 derart ausgebildet ist, daß sie nicht ausgeschaltet wird.
Zusätzlich zu dem oben erläuterten Zählvorgang erzeugt der Auf/Ab-Zähler ein Signal, welches eine Drehgeschwindigkeit entsprechend der Normal- oder Rückwärtsrichtung anzeigt, und zwar jedesmal dann, wenn der Zähler einen Wert erreicht, welcher der Anzahl von Lichtdurchgangsbereichen der Drehplatte entspricht. Damit läßt sich die Drehzahl zusammen mit der Drehrichtung ermitteln, und wenn mehrere Kodierer verwendet werden und sich eine Impulsperiode entsprechend einer Drehzahl der Drehplatte nicht ändert, wie in Fig. 10 gezeigt ist, werden der Oszillator 31, der monostabile Multivibrator 32 und eine Spannungsquelle 20' gemeinsam verwendet, und es sind mehrere Signalverarbeitungsschaltungen 30'&sub1; bis 30'n, welche die obigen Bauteile ausschließen, vorgesehen, was zu niedrigen Kosten führt. Wenn eine Zelle als die Spannungsquelle 20' verwendet wird und ein Doppelsystem eingesetzt wird, läßt sich ein interner Austausch sowie hohe Zuverlässigkeit erreichen.
Wie oben beschrieben wurde, läßt sich gemäß der Erfindung eine in hohem Maße zuverlässige Kodiervorrichtung angeben, die nicht ohne weiteres durch Umgebungsfaktoren beeinflußt wird, beispielsweise Temperatur und elektrisches Rauschen. Die Kodiervorrichtung gemäß der Erfindung ermöglicht einen einfachen Zusammenbau und eine einfache Justierung. Weiterhin kann die Kodiervorrichtung eine Drehstellung, eine Drehrichtung und eine Drehgeschwindigkeit der Drehplatte im Absolutwert-Modus bei geringem Leistungsverbrauch und einfacher Wartung ermitteln.
Man beachte, daß die Verbesserungen bei der Widerstandsfähigkeit gegenüber Rauschen und Umwelteinflüssen durch Verwendung optischer Faserkabeln nicht begrenzt ist auf die Inkremental-Kodiervorrichtung, sondern auch anwendbar ist auf eine Kodiervorrichtung mit einem Absolutwert-Mechanikabschnitt.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die obigen speziellen Ausführungsformen beschränkt, und es sind verschiedene Änderungen und Modifikationen für den Fachmann im Rahmen der Erfindung ersichtlich.

Industrielle Anwendbarkeit:

Eine erfindungsgemäße Kodiervorrichtung läßt sich einsetzen zur präzisen Erfassung von Positionen verschiedener sich bewegender Maschinen.
1 Kodierer - Mechanikabschnitt
2 Drehwelle
3 Flansch
4 Tisch für ortsfesten Schlitz
4a ortsfester Schlitz
5 Tisch zum Fixieren optischer Faser
6 Drehplatte
7 bis 11 Endabschnitt von optischen Faserkabel
11, 14 Durchgangsloch optischer Faser
15 bis 17 optisches Faserkabel
20 Spannungsquelle
30 Signalverarbeitungsschaltung
31 Taktgeber
32 monostabiler Multivibrator
33a, 33b Leuchtdiode
34, 36 Fotodiode
35, 37 Verstärkerschaltung
38 Drehpositions-Berechnungsschaltung
39, 40 ODER-Glied
41 Auf-/Ab-Zähler
42 Detektorschaltung für Vorder-/Rückflanke
43 Taktperioden-Einstellschaltung

Claims

1. Kodiervorrichtung, umfassend einen Mechanikabschnitt, der eine an einer Drehwelle (2) zur Drehung mit dieser fixierte Drehplatte (6) aufweist, welche mit mehreren Lichtdurchgangsbereichen (61) und Lichtabschirmbereichen (62) in gegebenen Intervallen entlang eines Umfangs von ihr versehen ist;

eine Signalverarbeitungsschaltung (30, 30', 30'') zum Erzeugen mindestens eines, die Drehposition der Drehplatte (6) repräsentierenden Signals in Abhängigkeit des Durchgangs von Licht durch die Lichtdurchgangsbereiche, wobei die Signalverarbeitungsschaltung ein Paar Leuchtdioden (33a, 33b) zum Erzeugen von Lichtimpulsen und ein Paar fotoelektrischer Wandlerelemente (34, 36) zum Erfassen der Lichtimpulse aufweist;

eine optische Faserkabelanordnung, welche die Signalverarbeitungsschaltung und den Mechanikabschnitt, die voneinander getrennt sind, miteinander verbindet, wobei die optische Faserkabelanordnung eine erste optische Kabeleinrichtung (7, 8) zum Leiten von Licht von den Leuchtdioden (33a, 33b) zu dem Mechanikabschnitt und eine zweite optische Faserkabelanordnung (9, 10) zum Leiten von durch die Drehplatte (6) gelangendem Licht von dem Mechanikabschnitt zu den fotoelektrischen Wandlerelementen (34, 36) der Signalverarbeitungsschaltung aufweist;

wobei die Signalverarbeitungsschaltung aufweist: eine Oszillatoreinrichtung zum Anlegen von Lichtsteuerimpulsen an die Leuchtdioden (33a, 33b) mit einer Einschaltzeit (t&sub1;) bei einer Wiederholungsperiode t > t&sub1;, wobei t&sub1; eine Zeitperiode ist, die wesentlich kürzer ist als die Zeitperiode, während der kontinuierlich Licht durch die Drehplatte (6) pro Teilung der Lichtdurchgangsbereiche (61) bei maximaler Drehzahl der Drehplatte (6) gelangen würde;

eine Zählerschaltung (42, 39, 40, 41) mit den fotoelektrischen Wandlerelementen (34, 36) zum Umsetzen eines von den Leuchtdioden (33a, 33b) über die zweite optische Faserkabelanordnung (91 10) empfangenen Lichtempfangssignals, um ein Umwandlungssignal zu erhalten und eine Drehposition und mindestens eine der Vorder- und Rückflanken des Umwandlungssignals in Abhängigkeit des Umwandlungssignals zu erhalten und Signale zu liefern, aus denen eine Drehrichtung und eine Drehgeschwindigkeit der Drehplatte (6) zu berechnen ist; und

wobei die Wiederholungsperiode t der Lichtsteuerimpulse von der Oszillatoreinrichtung in Abhängigkeit der Drehgeschwindigkeit der Drehplatte (6) geändert wird.

2. Kodiervorrichtung nach Anspruch 2, bei der eine Einschaltzeit des von der Oszillatoreinrichtung erzeugten Impulses eine minimale vorbestimmte Zeitspanne ist, die definiert wird durch eine Betriebszeit des lichtemittierenden Elements (33a, 33b), des fotoelektrischen Wandlerelements (34, 36), der Zählerschaltung und dergleichen.

3. Kodiervorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Zählerschaltung eine Schaltung (42) zum Erfassen mindestens einer von den Vorder- und Rückflanken des Signals von der zweiten optischen Fasereinrichtung und einen Zähler (41) mit Auf/Ab-Zählfunktion zum Berechnen der Drehrichtung und der Drehgeschwindigkeit der Drehplatte in Abhängigkeit eines von der Detektorschaltung kommenden Signals aufweist.

4. Kodierer nach Anspruch 2, bei dem die Signalverarbeitungsschaltung (30, 30', 30'') eine Mehrzahl von Zählerschaltungen, eine Oszillatorschaltung und eine Spannungsquelle aufweist, so daß die Mehrzahl von Zählerschaltungen durch die gemeinsame Oszillatorschaltung und Spannungsquelle betrieben werden.

5. Kodiervorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Signalverarbeitungsschaltung (30, 30', 30'') ein CMOS-Bauelement aufweist.