DE3621564A1

DE3621564A1 - Optischer codierer

Info

Publication number: DE3621564A1
Application number: DE19863621564
Authority: DE
Inventors: Masahiko Igaki; Masahiro Rachi; Tomohiro Maekawa
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1985-06-28
Filing date: 1986-06-27
Publication date: 1987-01-08
Also published as: US4820918A; GB2178529B; GB8909264D0; GB2178529A; FR2584182B1; DE3621564C2; GB2215457B; GB2215457A; FR2584182A1; GB8615464D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Codierer und insbesondere auf einen optischen Codierer, der ein op tisches Gitter als optische Teilung verwendet.

Bei Informationsverarbeitungsgeräten, wie z. B. einer elek tronischen Schreibmaschine, werden optische Codierer ge wöhnlich dazu verwendet, die Position und Geschwindigkeit von sich bewegenden Teilen, wie z. B. Schlitten, zu erfas sen. Derartige optische Codierer sind gewöhnlich an den sich bewegenden Teilen befestigt und so aufgebaut, daß Licht auf eine optische Teilung bzw. Skala, auf der opti sche Codes aufgezeichnet sind, projizierbar ist und das dadurch modulierte Licht über eine feststehende Teilung von einem Fotodetektor fotoelektrisch umsetzbar ist, so daß die Information über die Position des sich bewegenden Teils als codiertes bzw. verschlüsseltes elektrisches Sig nal erhalten wird.

Die optische Teilung kann hergestellt werden mittels (I) einer Metallplatte, in der Schlitze eingeätzt werden, oder mittes (II) eines transparenten Substrats, wie z. B. Glas oder Plastik, auf das eine Metallschicht, beispielsweise aus Silber, Kupfer, Chrom oder Aluminium, mittels Auf dampfung aufgebracht wird, welche anschließend zur Bildung von Schlitzen geätzt wird.

Derartige herkömmliche optische Teilungen sind jedoch zur Aufzeichnung sehr feiner Codemuster nicht geeignet, da die durch Ätzen erzielbare (minimale) Schlitzbreite auf unge fähr das Doppelte der Dicke der Matallschicht begrenzt ist. Darüber hinaus sind sie relativ teuer, da sie ein aufwendiges Herstellungsverfahren erfordern und da kost spieliger fotoempfindlicher Lack zum Ätzen benötigt wird.

Demgegenüber wurden z. B. in den US-PS 35 98 493 und 45 36 650 optische Teilungen, denen die genannten Nachteile nicht anhaften, sowie optische Codierer vorgeschlagen, die diese Teilungen verwenden. Diese werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 näher erläutert, wobei Fig. 1 eine Draufsicht auf die aus den US-PS bekannte op tische Teilung und Fig. 2 einen schematischen Teilquer schnitt derselben zeigt.

Eine optische Teilung 50 besteht aus einem transparenten Teil mit zueinander parallelen Flächen 51 und 52, wobei auf die Fläche 51 abwechselnd flache lichtdurchlässige Be reiche 55 und lichtundurchlässige, aus V-förmigen Vertie fungen bestehende Bereiche 54 ausgebildet sind. Von aus ei ner nicht gezeigten Quelle kommendem Licht wird ein auf einen lichtundurchlässigen Bereich 54 auftreffender Licht anteil L 2 von den abgeschrägten Flächen totalreflektiert und kehrt in seine Einfallsrichtung zurück. Ein auf einen lichtdurchlässigen Bereich 55 auftreffender Lichtanteil L 1 durchdringt hingegen die optische Teilung 50 und wird von einem Fotoempfänger 56 fotoelektrisch umgesetzt. Eine Re lativverschiebung bzw. -bewegung zwischen dem Fotoempfän ger 56 und der optischen Teilung 50 bewirkt daher, daß der Fotoempfänger 56 dem Betrag der Verschiebung entsprechende Impulssignale erzeugt. Gemäß Fig. 1 dient eine auf die gleiche Weise wie die lichtundurchlässigen Bereiche ge formte Markierung 53 zur Erfassung einer Ausgangsposition.

Bei diesem bekannten optischen Codierer ist es jedoch schwierig, die optische Teilung mit zufriedenstellender Genauigkeit herzustellen. Die in Fig. 1 gezeigte optische Teilung kann z. B. hergestellt werden, indem zunächst eine Schablone derselben Form hergestellt, anschließend ein Ne gativabdruck der Schablone gefertigt und schließlich ein transparentes Material mittels des Negativabdrucks geformt wird. Die Schablone wird gewöhnlich hergestellt, indem mittels eines V-förmigen Stempelwerkszeugs auf einer Me tallplatte Vertiefungen gebildet werden. Die endgültige Form der Schablone weicht infoge der während ihrer Her stellung auftretenden mechanischen Belastung jedoch oft mals von der in Fig. 2 gezeigten ab. Ein solcher Herstel lungsfehler kann zu einer Abweichung im Verhalten des ein fallenden Lichts führen, so daß die Güte des von dem Foto empfänger erhaltenen Signals entsprechend verschlechtert wird. Selbst wenn die optische Teilung in idealer Form, d. h. ohne Abweichung hergestellt ist, bewirkt die an den Rändern der Vertiefung auftretende Beugung des Lichts eine Streuung des von der optischen Teilung durchgelass enen Lichts, wodurch sich der Störabstand der Erfassungs signals verschlechtert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Codierer zu schaffen, mit dem ein Signal mit besserem Störabstand erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem optischen Co dierer, der eine Lichtprojektionseinrichtung zur Beleuch tung einer optischen Teilung und eine fotoelektrische Um setzungseinrichtung zur Umsetzung des von der optischen Teilung modulierten Lichts in ein elektrisches Signal auf weist, dadurch gelöst, daß die optische Teilung abwech selnd lichtdurchlässige Bereiche und lichtundurchlässige Bereiche aufweist, die aus abgeschrägten Flächen bestehen, welche für das ankommende Licht einen Einfallswinkel ha ben, der größer als der kritsche Winkel ist, wobei beide Bereiche auf einer auf einem Teil eines lichtdurchlässigen Teils ausgebildeten Markierungsfläche ausgebildet sind.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird diese Aufgabe mit einem optischen Codierer, der eine Lichtprojektionseinrichtung zur Beleuchtung einer opti schen Teilung und eine fotoelektrische Umsetzungseinrich tung zur Umsetzung des von der optischen Teilung modulier ten Lichts in ein elektrisches Signal aufweist, dadurch gelöst, daß die optische Teilung abwechselnd lichtdurch lässige, aus lichtbrechenden Flächen zur Bündelung des einfallenden Lichts bestehende Bereiche und lichtundurch lässige Bereiche aufweist, die aus abgeschrägten Flächen bestehen, welche für das einfallende Licht einen Einfalls winkel haben, der größer als der kritische Winkel ist, wo bei beide Bereiche auf der Oberfläche eines lichtdurch lässigen Teils ausgebildet sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 eine Draufsicht auf bzw. einen schema tischen Teilquerschnitt eines herkömmlichen opti schen Codierers,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen opti schen Codierers,

Fig. 4A und 4B eine Draufsicht und einen Querschnitt einer optischen Teilung des Codierers gemäß Fig. 3,

Fig. 5, 6A und 6B schematische Teilquerschnitte ei ner optischen Teilung zur Erläuterung des Prinzips der Signalerfassung beim ersten Ausführungsbei spiel,

Fig. 7A und 7B eine Draufsicht und einen Querschnitt einer abgewandelten Ausführungsform der optischen Teilung des Codierers gemäß Fig. 3,

Fig. 8A und 8B schematisch Lichtschattenmuster, die bei herkömmlichen bzw. bei der in Fig. 7 gezeig ten optischen Teilung erhalten werden,

Fig. 9A und 9B eine Draufsicht und einen Querschnitt einer weiteren abgewandelten Ausführungsform der optischen Teilung der Codierers gemäß Fig. 3,

Fig. 10, 11A, 11B und 12 schematische Querschnitte eines zweiten Ausführungsbeispiels,

Fig. 13 einen schematischen Querschnitt einer abge wandelten Ausführungsform der beim zweiten Ausfüh rungsbeispiel verwendeten optischen Teilung,

Fig. 14A bis 14D Kurvenverläufe von Signalen, die bei der optischen Teilung gemäß Fig. 13 erhalten werden,

Fig. 15 einen schematischen Querschnitt einer weite ren abgewandelten Ausführungsform der beim zweiten Ausführungsbeispiel verwendeten optischen Teilung,

Fig. 16 und 17 eine perspektivische Ansicht bzw. ei ne Draufsicht eines dritten Ausführungsbeispiels des optischen Codierers,

Fig. 18 einen schematischen Querschnitt zur Verdeut lichung des Prinzips der Erfassung der Ausgangspo sition beim dritten Ausführungsbeispiel,

Fig. 19 einen Kurvenverlauf eines Ausgangsposition- Erfassungssignals beim dritten Ausführungsbeispiel,

Fig. 20A bis 20D schematische Querschnitte zur Er läuterung des Herstellungsverfahrens der verwende ten optischen Teilungen,

Fig. 21 einen Querschnitt zur Erläuterung der Bezie hung zwischen dem Brechungsindex des Materials, aus dem die verwendeten optischen Teilungen bestehen, und dem Strahlenverlauf des einfallenden Lichts, und

Fig. 22A und 22B eine Draufsicht bzw. einen Quer schnitt einer weiteren Ausführungsform der opti schen Teilung.

Gemäß Fig. 3 weist ein optischer Codierer eine Lichtquelle 1, eine Kollimatorlinse 2, eine rotierende optische Skala bzw. Teilung 3, die an einer Welle 7 befestigt ist und von dieser gedreht wird, eine stationäre oder feststehende Teilung bzw. Skala 4 aus einem transparenten Material, ei nen Fotoempfänger bzw. -sensor 5 zur Umsetzung des von der feststehenden Teilung 4 hindurchgelassenen Lichts in ein elektrisches Signal sowie eine Wellenformerschaltung 6 auf, die das Ausgangssignal des Fotoempfängers 5 in ein Signal S mit der rechts dargestellten Form umformt.

Die Fig. 4A und 4B zeigen den Aufbau der optischen Teilung 3, wobei Fig. 4A eine Ansicht von oben und Fig. 4B einen schematischen Querschnitt entlang einer Linie A-A′ der Fig. 4A zeigt. Die optische Teilung 3 besteht aus einem transparenten Teil, wie z. B. Glas oder Plastik, und weist entlang ihres Umfangs an der Unterseite eine vorspringende Markierungsfläche 8 auf. Auf der Markierungsfläche 8 sind zur Modulation des gemäß Fig. 3 einfallenden Lichts ab wechselnd lichtdurchlässige Bereiche 9 und lichtundurch lässige Bereiche 10 ausgebildet.

Fig. 5 zeigt einen Teilquerschnitt der optischen Teilung 3 entlang einer Linie B-B′ der Fig. 4A. Der lichtdurch lässige Bereich 9 besteht z. B. aus einer ebenen Fläche 9 a, deren Einfallswinkel für das ankommende Licht kleiner als der kritische Winkel ist. Demgegenüber besteht der licht undurchlässige Bereich 10 aus schrägen Flächen 10 a und 10 b, deren Einfallswinkel für ankommendes Licht L 2 größer als der kritische Winkel gewählt ist. Die schrägen Flächen 10 a und 10b bilden beispielsweise einen Winkel von 90°, während eine horizontale Breite W 1 der schrägen Flächen 10 a und 10 b, d. h. die Breite der Projektion der schrägen Flächen auf die zur optischen Achse der einfallenden Lichtstrahlen senkrechte Ebene, gleich groß gewählt ist wie eine Breite W 2 der ebenen Fläche 9 a. Wie zu erkennen ist, wird das auf die schräge Fläche 10 a unter einem Ein fallswinkel von 45° auftreffende Licht in einer hierzu senkrechten Richtung totalreflektiert, trifft auf die an dere schräge Fläche 10 b ebenfalls unter einem Einfallswin kel von 45° auf und wird wiederum in einer hierzu senk rechten Richtung totalreflektiert, so daß es in diejenige Richtung zurückläuft, aus der es gekommen ist. Auf gleiche Weise kehrt das auf die schräge Fläche 10 b einfallende Licht ebenfalls in seine Ausgangsrichtung zurück. Das auf die ebene Fläche 9 a auftreffende Licht wird hingegen durchgelassen. Daher haben alleine die ebenen Flächen die Wirkung von Schlitzen. Die optische Teilung 3 ist daher mit einer Schlitzscheibe gleichzusetzen, bei der die Schlitze und die lichtundurchlässigen Bereiche die gleiche Breite haben. Die feststehende Teilung 4 hat den gleichen Aufbau wie die optische Teilung 3.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 3, 6A und 6B das Funktionsprinzip des optischen Codierers näher erläu tert. Die Fig. 6A und 6B zeigen schematische Querschnitte durch die optische Teilung 3, die feststehende Teilung 4 und den Fotoempfänger 5, wobei Fig. 6A einen Zustand zeigt, bei dem die a,f der optischen Teilung 3 und der festste henden Teilung 4 ausgebildeten Markierungen in ihrer Pha senlage übereinstimmen bzw. übereinanderliegen, während Fig. 6B einen Zustand zeigt, bei dem die Markierungen in ihrer Phase um einen halben Zyklus vesetzt sind. Gemäß Fig. 3 wird das von der Lichtquelle 1 ausgestrahlte Licht von der Linse 2 in ein paralleles Bündel umgeformt und trifft von oben her auf die optische Teilung. Dieses Lichtbündel wird in den ebenen Flächen der optischen Tei lung von dieser hindurchgelassen, in den schrägen Flächen infolge der zweimaligen Totalreflexion hingegen nicht. Das von der optischen Teilung 3 hindurchgelassene Licht bildet daher eine regelmäßige Licht/Schatten- bzw. Hell/Dunkel- Verteilung. Da die optische Teilung 3 von der Welle 7 in der mit einem Pfeil bezeichneten Richtung gedreht wird, rotiert die Hell/Dunkel-Verteilung in der gleichen Rich tung. Da die feststehende Teilung 4 und die optische Tei lung 3 Markierungen mit dem gleichen Teilungsabstand auf weisen, wird das von der optischen Teilung 3 hindurchge lassene Licht von der feststehenden Teilung 4 ebenfalls durchgelassen, wenn beide Markierungen gemäß Fig. 6A gegen seitig in Phase sind. Die von dem Fotoempfänger 5 aufge nommene Lichtmenge nimmt daher zu diesem Zeitpunkt ihr Maximum an. Wenn die beiden Markierungen hingegen gemäß Fig. 6B um einen halben Zyklus zueinander versetzt sind, liegt die ebene Fläche der einen Teilung über der schrägen Fläche der anderen Teilung, wodurch das von der optischen Teilung 3 durchgelassene Licht zweimal von den betreffen den schrägen Flächen der feststehenden Teilung 4 reflek tiert wird und in seine Ausgangsrichtung zurückkehrt. Die von dem Fotoempfänger 5 aufgenommene Lichtmenge nimmt da her zu diesem Zeitpunkt ihr Minimum an.

Zwischen diesen beiden Stadien der maximalen und minimalen Lichtmenge fällt die ebene Fläche der optischen Teilung 3 teilweise mit der der feststehenden Teilung 4 zusammen, so daß die von dem Fotoempfänger 5 aufgenommene Lichtmenge proportional zu dem Betrag der Übereinstimmung der ebenen Flächen ist. Der Fotoempfänger 5 erzeugt daher ein sinus förmiges Ausgangssignal, das von der Wellenformerschaltung 6 in Impulse bzw. ein Rechtecksignal S gemäß Fig. 3 umge formt wird.

Die beschriebenen lichtundurchlässigen Bereiche können ge bildet werden, indem V-förmige oder trapezförmige Vertie fungen mit gewünschter Breite und Tiefe in der Markierungs fläche des durchsichtigen Teils geformt werden. Da die Markierungsfläche gemäß Fig. 4B erfindungsgemäß eine vor stehende Fläche ist, können die schrägen Flächen aus schließlich in der Markierungsfläche sehr leicht dadurch gebildet werden, daß mit mechanischen Mitteln, wie z. B. einer Feile, auf der Oberfläche der Markierungsfläche Ver tiefungen angebracht werden. Wenn die optische Teilung in einem Spritz- oder Druckgußverfahren hergestellt wird, kann eine Schablone für den Guß sehr leicht mit einem der artigen mechanischen Werkzeug gefertigt werden. In diesem Fall kann die optische Teilung hergestellt werden, indem eine der optischen Teilung 3 gemäß Fig. 4 entsprechende Schablone vorbereitet, von dieser eine Negativform, bei spielsweise durch Nickel-Elektroplattierung gefertigt und schließlich mittels dieser Nickelform ein Plastikgußteil gebildet wird.

Die Fig. 7A und 7B zeigen eine abgewandelte Ausführungsform der optischen Teilung 3, wobei Fig. 7A eine Draufsicht und Fig. 7B einen Querschnitt entlang einer Linie C-C′ der Fig. 7A zeigt und Teile, die denen der Fig. 4A und 4B ent sprechen, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind und nicht mehr erläutert werden. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen dahin gehend, daß seitliche Flächen 8 a und 8 b der Markierungs fläche 8 so geformt sind, daß sie dem einfallenden Licht einen Einfallswinkel bieten, der größer als der kritische Winkel ist. Wenn die seitlichen Flächen 8 a und 8 b zusammen einen Winkel von beispielsweise 90° bilden, wird einfal lendes Licht L 3 an den seitlichen Flächen 8 a und 8 b total reflektiert und kehrt in seine Ausgangsrichtung zurück. Fig. 8A zeigt durch Schraffierung das Muster bzw. die Ver teilung der lichtundurchlässigen Bereiche im Stand der Technik gemäß Fig. 1, während Fig. 8B diese Verteilung bei der beschriebenen Ausführungsform zeigt, bei der aus dem hindurchgelassenen Licht ein Signal mit größerem Störab stand erzielbar ist, da Streulicht, das aus anderen Be reichen als der Markierungsfläche kommt, verringert wird.

Die Fig. 9A und 9B zeigen eine weiter abgewandelte Aus führungsform der optischen Teilung gemäß dem ersten Aus führungsbeispiel, wobei Fig. 9A eine Draufsicht und Fig. 9B einen Querschnitt entlang einer Linie D-D′ der Fig. 9A zeigt. Eine optische Teilung 13 weist in doppelter Ringan ordnung zwei vorspringende Markierungsflächen 18 a und 18 b auf, die lichtdurchlässige Bereiche 19 a und lichtundurch lässige Bereiche 20 a bzw. lichtdurchlässige Bereiche 19 b und lichtundurchlässige Bereiche 20 b mit unterschiedlichem Teilungsabstand besitzen. Diese Ausführungsform ist ebenso leicht herstellbar wie die vorstehend beschriebene und er laubt zusätzlich die Erfassung verschiedener Signale mit tels einer einzigen optischen Teilung.

Fig. 10 zeigt in einem schematischen Querschnitt eine bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung zu verwen dende optische Teilung 23, wobei die Lichtquelle und der Fotoempfänger identisch mit denen des ersten Ausführungs beispiels gemäß Fig. 3 sind.

Ein lichtdurchlässiger Bereich 9 der optischen Teilung 23 besteht aus einer kovexen bzw. nach außen gewölbten Fläche 9 b, die dem auftreffenden Licht einen Einfallswin kel bietet, der kleiner als der kritische Winkel ist, so daß sie das auftreffende Licht unter gleichzeitiger Kon vergierung durchläßt. Ein lichtundurchlässiger Bereich 10 besteht demgegenüber aus schrägen Flächen 10 a und 10 b, de ren Einfallswinkel für eintreffendes Licht L 2 größer als der kritische Winkel ist. Wenn die schrägen Flächen 10 a und 10 b z. B. einen Winkel von 90° bilden, wird das auf die schräge Fläche 10 a unter einem Einfallswinkel von 45° auf treffende Licht in einer hierzu senkrechten Richtung to talreflektiert, trifft auf die andere schräge Fläche 10 b ebenfalls unter einem Einfallswinkel von 45° auf und wird wiederum in einer hierzu senkrechten Richtung totalreflekt tiert, so daß es in diejenige Richtung zurückläuft, aus der es gekommen ist. Auf gleiche Weise kehrt das auf die schräge Fläche 10 b einfallende Licht ebenfalls in seine Ausgangsrichtung zurück.

Alleine die beugende bzw. konvexe Fläche 9 b wirkt daher als Schlitz. Die optische Teilung 23 kann daher in glei cher Weise wie eine herkömmliche optische Teilung, bei der Schlitze und lichtundurchlässige Bereiche in regelmäßiger Folge abwechselnd angeordnet sind, verwendet werden. Bei der herkömmlichen optischen Teilung kann das einfallende Licht jedoch an den Kanten der lichtundurchlässigen Be reiche gestreut werden, so daß die von dem hindurchtreten den Licht beleuchtete Fläche größer als erwünscht werden kann. Demgegenüber ist die optische Teilung dieses Ausfüh rungsbeispiels, bei der die lichtdurchlässsigen Bereiche als Konvexlinse ausgebildet sind, in der Lage, die genann te Streuung des hindurchtretenden Lichts zu begrenzen und dadurch die Wirksamkeit der Verwendung von Licht zu ver besseren. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß man ein Lichtsignal mit erhöhtem Kontrast erhält, da das Licht auf die Bereiche hoher Intensität des modulierten Lichts kon zentriert wird.

Gemäß dem in Fig. 12 gezeigten Ausführungsbeispiel kann ei ne optische Teilung mit lichtdurchlässigen Bereichen mit konvergierender Wirkung anstelle für eine sich mit dem zu überwachenden Teil drehende optische Teilung 24 auch für eine feststehende Teilung 25 verwendet werden.

Fig. 13 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Abwand lung des zweiten Ausführungsbeispiels, bei der der licht durchlässige Bereich 9 einer optischen Teilung 26 aus ei ner konvex lichtbrechenden Fläche 9 b besteht, die ein treffendem Licht L 1 einen Einfallswinkel bietet, der klei ner als der kritische Winkel ist, und dadurch dieses Licht konvergiert. Ein lichtundurchlässiger Bereich 10 besteht demgegenüber aus schrägen Flächen 10 a und 10 b, deren Ein fallswinkel für eintreffendes Licht L 2 größer als der kri tische Winkel ist. Auch die feststehende Teilung 27 be steht aus einem durchsichtigen Teil mit lichtdurchlässigen Bereichen 28 aus ebenen Flächen 28 b sowie mit aus schrägen Flächen 29 a und 29 b bestehenden lichtundurchlässigen Be reichen 29, deren Einfallswinkel für das ankommende Licht größer als der kritische Winkel ist, wobei beide Bereiche abwechselnd ausgebildet sind.

Fig. 4 zeigt den Verlauf des erfaßten Lichtsignals bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 13. Eine gewünschte Kurven form kann dadurch erhalten werden, daß das Verhältnis der Breiten der lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Be reiche der optischen Teilung 26 und der feststehenden Tei lung 27 gemäß Fig. 13 geändert wird. Indem z. B. eine Breite l 1 des lichtdurchlässigen Bereichs 9 der optischen Teilung 26 größer als eine Breite l 2 des lichtundurchlässigen Be reichs 10 gewählt wird, können Breiten l ′3 und l ′4 von Licht- und Schattenmustern, die von den mittels der beu genden Flächen 9 b konvergierten Lichtstrahlen auf der feststehenden Teilung 27 geformt werden, jeweils gleich groß gemacht werden. Der das von der feststehenden Teilung 27 hindurchgelassene Licht erfassende Fotoempfänger gibt daher scheinbar ein in Fig. 14 gezeigtes Sinussignal ab, so daß die Impulse auf die Wellenformung hin einen idealen Verlauf erhalten, bei dem eine Dauer t 2 eines hohen Pegles H gleich einer Dauer t 1 eines niedrigen Pegels L ist, wie in Fig. 14B gezeigt ist. In diesem Fall ist eine Länge l eines Zyklus aus lichtdurchlässigen und lichtundurchläs sigen Bereichen in der optischen Teilung 26 und in der feststehenden Teilung 27 jeweils gleich, während die Brei te des lichtdurchlässigen Bereichs 28 der feststehenden Teilung 27 gleich l 3 (=l ′3) und die des lichtundurchläs sigen Bereiche 29 gleich l 4 (=l ′4) ist.

Wenn hingegen die Beziehung l 1=l 2=l 3=l 4 gilt, ge horcht das von der optischen Teilung 26 auf der feststeh enden Teilung 27 geformte Licht- und Schattenmuster der Beziehung l ′3<l ′4. Das Ausgangssignal des Fotoempfängers weicht daher deutlich von der Sinusform ab, wie aus Fig. 14C zu erkennen ist. Die Impulse haben nach ihrer Um formung gemäß Fig. 14D folglich längere Zeit hohen Pegel H als niedrigen Pegel L und sind daher nicht als Steuerim pulse zu gebrauchen.

Fig. 15 zeigt eine weitere Abwandlung des zweiten Ausfüh rungsbeispiels, bei der die konvexen lichtdurchlässigen Bereiche auf einer feststehenden Teilung 34, anstelle auf einer sich mit dem zu überwachenden Teil drehenden opti schen Teilung 33 angebracht sind. Derartige konvexe licht durchlässige Bereiche können auch auf beiden Teilungen vorgesehen werden.

Fig. 16 zeigt in einer perspektivischen Ansicht ein drittes Ausführungsbeispiel des optischen Codierers mit einer Lichtquelle 1, einer Kollimatorlinse 2, einer rotierenden optischen Teilung 37, die an einer Welle 7 befestigt ist und von dieser angetrieben wird, einer aus einem durch sichtigen Teil bestehenden feststehenden Teilung 4, einem ersten Fotoempfänger 5 zum Umsetzen des von der festste henden Teilung 4 hindurchgelassenen Lichts in ein elektri sches Signal, einer Wellenformerschaltung 6 zur Umformung des Ausgangssignals des ersten Fotoempfängers 5 in eine rechts dargestellte Kurvenform S, einem zweiten Fotodetek tor 35 zum Empfang eines Lichtsignals einer auf der opti schen Teilung 37 ausgebildeten Ausgangsposition-Erfas sungsmarkierung sowie mit einer Blende 34 zur Begrenzung des auf den zweiten Fotoempfänger 35 einfallenden Lichts.

Fig. 17 ist eine schematische Draufsicht der optischen Tei lung 37, die aus einem durchscheinenden Material, wie z. B. Glas oder Plastik, besteht und an der Peripherie ihrer Un terseite eine vorstehende Markierungsfläche 8 aufweist, auf der zur Modulation des gemäß Fig. 16 einfallenden Lichts abwechselnd lichtdurchlässige Bereiche 9 und licht undurchlässige Bereiche 10 ausgebildet sind. Außerhalb der Markierungsfläche 8 befindet sich eine Markierung 38 zur Erfassung der Ausgangsposition bzw. Grundstellung der optischen Teilung.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das Signal S nach dem gleichen Prinzip erhalten, wie dies beim ersten Ausfüh rungsbeispiel anhand der Fig. 6A und 6B erläutert wurde.

Das Prinzip der Erfassung der Grundstellung wird nachfol gend unter Bezugnahme auf die Fig. 18 und 19 näher be schrieben.

Fig. 18 zeigt in einem Querschnitt die Markie rung 38 der optischen Teilung 37 zur Erfassung der Grund stellung, die Blende 34 und den zweiten Fotoempfänger 35. Die Markierung 38 ist auf einem Teil einer ebenen Fläche 42 ausgebildet, deren Winkel bezüglich des einfallenden Lichts kleiner als der kritische Winkel ist, und besteht aus schrägen Flächen 41 a und 41 b, die unter einem Winkel zu dem einfallenden Licht geneigt sind, der größer als der kritische Winkel ist.

In dem in Fig. 18 gezeigten Zustand wird Licht L 3 der Lichtquelle 1 von den die Markierung zur Erfassung der Grundstellung darstellenden schrägen Flächen 41 a und 41 b totalreflekiert, und erreicht daher den zweiten Fotoem pfänger 35 nicht. Wenn die optische Teilung anschließend in einer Richtung A versetzt wird, kommt die ebene Fläche 42 zwischen der Lichtquelle 1 und dem zweiten Fotoempfän ger 35 zu liegen, so daß das einfallende Licht von der op tischen Teilung 37 und einer Öffnung 43 der Blende 34 hin durchgelassen und von dem zweiten Fotoempfäner 35 foto elektrisch umgesetzt wird. Dessen Ausgangssignal ent spricht folglich nur dann dem Dunkelzustand, wenn gemäß Fig. 19 die Markierung 38 über die Öffnung 43 hinwegglei tet, so daß ein an einem in Fig. 16 gezeigten Anschluß 36 anliegendes elektrisches Signal die Erfassung der Grund stellung der optischen Teilung 37 ermöglicht.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Markierung zu Er fassung der Grundstellung zwar innerhalb der Markierungs fläche angeordnet, doch kann sie auch außerhalb derselben plaziert werden. Auch können mehrere Markierungen zur Er fassung der Grundstellung anstelle einer einzigen vorge sehen werden. Weiterhin ist es möglich, anstelle der Er fassung der Grundstellung mittels eines einen Dunkelzu stand repräsentierenden negativen Impulses diese mittels eines positiven Impulses durchzuführen, der durch umge kehrte Aufteilung der lichtdurchlässigen und lichtundurch lässigen Bereiche erzielbar ist.

In sämtlichen Ausführungsbeispielen kann das die optische Teilung bildende durchsichtige Teil zweckmäßig aus Poly methylmethacrylat (PMMA) oder Polycarbonat (PC) geformt werden, wobei sich PMMA durch hohe Lichtdurchlässigkeit, thermische Stabilität und hervorragende Formbarkeit aus zeichnet, so daß die erforderlichen feinen Strukturen ge mäß nachfolgender Beschreibung präzise geformt bzw. ge gossen werden können.

Die Fig. 20A bis 20D zeigen in schematischen Querschnitten ein Herstellungsverfahren für die optische Teilung. Zu nächst wird gemäß Fig. 20A eine mit der optischen Teilung identische Formschablone 61 beispielsweise aus einer Me tallplatte gefertigt, mittels der anschließend durch Ni ckel-Elektroplattierung eine Negativschablone 62 gemäß Fig. 20B hergestellt wird. Die Formschablone 61 wird da raufhin gemäß Fig. 20C entfernt und die dadurch erhaltene Negativschablone 62 als Gußform dazu verwendet, ihr Muster gemäß Fig. 20D auf ein Plastikmaterial 3 zu übertragen, welches anschließend zur Fertigstellung der optischen Tei lung von der Negativschablone entfernt wird. Wenn das ver wendete Plastikmaterial eine unzureichende Formbarkeit hat, ist die mittels dieses Verfahrens erhaltene optische Teilung aufgrund von Deformation, die beispielsweise an den Grenzflächen der ebenen und der schrägen Flächen auf treten können, mit der Formschablone nicht identisch. Bei Verwendung von PMMA sind die feinen Strukturen hingegen gut und ohne Verformung reproduzierbar.

Demgegenüber zeichnet sich Polycarbonat durch eine hohe Lichtdurchlässigkeit, gute thermische Stabilität und einen relativ hohen Brechungsindex (n=1,58) aus und hat den Vorteil einer geringen Lichtstreuung, wie nachfolgend nä her erläutert wird.

Fig. 21 zeigt einen vergrößerten Teilquerschnitt der opti schen Teilung 3. Senkrecht auf die optische Teilung 3 ein fallendes Licht verhält sich so, wie anhand der Fig. 5 ge zeigt wurde, während beispielsweise in der Lichtquelle zu fällig reflektiertes Licht schräg in die optische Teilung eindringen kann. Wenn z. B. Licht L 3 unter einem Einfalls winkel R auf die schräge Fläche 10 b auftrifft, kann der Winkel R kleiner als der kritische Winkel R 2 werden, wenn die optische Teilung 3 aus einem Material mit niedrigem Brechnungsindex, wie z. B. ABS-Harz, besteht so daß ein Teil des Lichts L 3 durchgelassen wird und Streulicht L 5 darstellt. Eine aus Polycarbonat hergestellte optische Teilung hat hingegen einen kritischen Winkel R 1, der klei ner als der Winkel R ist, so daß das Licht L 3 von der schrägen Fläche 10 b totalreflekiert wird und die optische Teilung nicht durchdringt. Die Verwendung von Polycarbonat gewährleistet daher einen breiten Bereich des Einfallswin kels, innerhalb dessen eine Totalreflexion stattfindet, so daß die Entstehung von Streulicht vermeidbar und, z. B. bei Verwendung in einem optischen Codierer, ein Signal mit ho hem Störabstand erzielbar ist. Darüber hinaus werden auf grund der verringerten Einschränkung bezüglich des Ein fallswinkels geringere Anforderungen an den Aufbau der Lichtquelle gestellt.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungs beispiele beschränkt, sondern auch für andere Zwecke ver wendbar. So kann eine optische Teilung 63 gemäß den Fig. 22A und 22B beispielsweise nicht nur eine vorstehende Markierungsfäche 68, sondern auch einen integrierten Be festigungsbereich 64 zur Befestigung an der Antriebswelle 7 oder dergleichen aufweisen. Weiterhin kann der Fotoem pfänger dazu eingerichtet sein, anstelle des hindurchge lassenen Lichts reflektiertes Licht zu erfassen. Schließ lich ist die Erfindung nicht nur für rotierende, sondern auch für lineare optische Codierer verwendbar.

Obgleich gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen zwischen der optischen Teilung und dem Fotoempfänger eine feststehende Teilung angeordnet ist, ist sie gleichwohl entbehrlich, wenn der Fotoempfänger eine lichtaufnehmende Fläche hat, deren Größe mit der der lichtdurchlässigen Be reiche der optischen Teilung übereinstimmt.

Claims

1. Optischer Codierer, gekennzeichnet durch eine optische Teilung (3) mit lichtdurchlässigen Bereichen (9) und lichtundurchlässigen Bereichen (10), wobei die lichtun durchlässigen Bereiche aus schrägen Flächen (10 a, 10 b) be stehen, auf die ankommendes Licht (L 2) unter einem Ein fallswinkel auftrifft, der größer als der kritische Winkel eingestellt ist, und wobei beide Bereiche (9, 10) abwech selnd auf einer auf einem Teilbereich eines durchsichtigen Teils ausgebildeten überstehenden Markierungsfläche (8) ausgebildet sind, durch eine Lichtprojektionseinrichtung (1, 2) zur Beleuchtung der optischen Teilung sowie durch eine fotoelektrische Umsetzungseinrichtung (5) zur Umset zung des von der optischen Teilung modulierten Lichts in ein elektrisches Signal.

2. Optischer Codierer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine feststehende Teilung (4), die zwischen der Lichtprojektionseinrichtung (1, 2) und der fotoelektri schen Umsetzungseinrichtung (5) angeordnet und bezüglich der fotoelektrischen Umsetzungseinrichtung stationär ist.

3. Optischer Codierer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die optische Teilung (37) eine Grund stellung-Erfassungsmarkierung (38) aufweist, die in einem Teilbereich des durchsichtigen Teils ausgebildet ist und aus schrägen Flächen (41 a, 41 b) besteht, auf die ankom mendes Licht (L 3) unter einem Einfallswinkel auftrifft, der größer als der kritische Winkel eingestellt ist. 4. Optischer Codierer nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Teilung (63) einen integral mit der Markierungsfläche (68 ) geform ten Verbindungsbereich (64) zur Befestigung der Teilung an einem zu überwachenden Objekt (7) aufweist. 5. Optischer Codierer nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das durchsichtige Teil aus Polymethylmethacrylat besteht.6. Optischer Codierer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das durchsichtige Teil aus Po lycarbonat besteht.7. Optischer Codierer, gekennzeichnet durch eine optische Teilung (23) mit lichtdurchlässigen Bereichen (9) aus lichtbrechenden Flächen (9b) zur Konvergierung ankommenden Lichts (L 1) und mit lichtundurchlässigen Bereichen (10), die aus schrägen Flächen (10 a, 10 b) bestehen, auf die an kommendes Licht (L 2) unter einem Einfallswinkel auftrifft, der größer als der kritische Winkel eingestellt ist, wobei beide Bereiche (9, 10) abwechselnd auf einer Oberfläche (8) eines durchsichtigen Teils ausgebildet sind, durch ei ne Lichtprojektionseinrichtung (1, 2) zur Beleuchtung der optischen Teilung sowie durch eine fotoelektrische Umset zungseinrichtung (5) zur Umsetzung des von der optischen Teilung modulierten Lichts in ein elektrischen Signal.

8. Optischer Codierer nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine feststehende Teilung (4), die zwischen der Lichtprojektionseinrichtung (1, 2) und der fotoelektri schen Umsetzungseinrichtung (5) angeordnet und bezüglich der fotoelektrischen Umsetzungseinrichtung stationär ist.

9. Optischer Codierer nach Anspruch 7 und 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die optische Teilung (37) eine Grund stellung-Erfassungsmarkierung (38) aufweist, die in einem Teilbereich des durchsichtigen Teils ausgebildet ist und aus schrägen Flächen (41 a, 41 b) besteht, auf die ankom mendes Licht (L 3) unter einem Einfallswinkel auftrifft, der größer als der kritische Winkel eingestellt ist.

10. Optischer Codierer nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Teilung (63) ei nen intgral mit der Markierungsfläche (68) geformten Ver bindungsbereich (64) zur Befestigung der Teilung an einem zu überwachenden Objekt (7) aufweist.

11. Optischer Codierer nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das durchsichtige Teil aus Po lymethylmethacrylat besteht.

12. Optischer Codierer nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das durchsichtige Teil aus Po lycarbonat besteht.

13. Optischer Codierer, gekennzeichnet durch eine erste optische Teilung (26) mit lichtdurchlässigen Bereichen (9) aus lichtbrechenden Flächen (9 b) zur Konvergierung ankom menden Lichts (L 1) und mit lichtundurchlässigen Bereichen (10), die aus schrägen Flächen (10 a, 10 b) bestehen, auf die ankommendes Licht (L 2) unter einem Einfallswinkel auf trifft, der größer als der kritische Winkel eingestellt ist, wobei beide Bereiche abwechselnd auf einer Oberfläche eines durchsichtigen Teils ausgebildet sind, durch eine bezüglich der ersten relativ bewegbare zweite optische Teilung (27) mit abwechselnd angeordneten lichtdurch lässigen (28) und lichtundurchlässigen (29) Bereichen, wo bei das Verhältnis der Breite der lichtdurchlässigen Be reiche zu der der lichtundurchlässigen Bereiche der zwei ten optischen Teilung (27) unterschiedlich zu dem der er sten optischen Teilung (26) ist, durch eine Lichtprojek tionseinrichtung (1, 2) zur Beleuchtung der ersten und zweiten optischen Teilung sowie durch eine fotoelektrische Umsetzungseinrichtung (5) zur Umsetzung des von der ersten und zweiten optischen Teilung modulierten Lichts in ein elektrisches Signal.

14. Optischer Codierer nach Anspruch 13, dadurch gekenn zeichnet, daß die lichtdurchlässigen und lichtundurch lässigen Bereiche der zweiten optischen Teilung ( 27) ab wechselnd auf dem durchsichtigen Teil ausgebildet sind und das die lichtundurchlässigen Bereiche aus schrägen Flächen (29 a, 29 b) bestehen, auf die ankommendes Licht unter einem Einfallswinkel auftrifft, der größer als der kritische Winkel eingestellt ist.

15. Optischer Codierer nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtdurchlässigen Bereiche der zweiten optischen Teilung (27) aus lichtbrechenden Flächen zur Konvergierung ankommenden Lichts bestehen.

16. Optischer Codierer nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die erste optische Teilung (26) eine Grundstellung-Erfassungsmarkierung aufweist, die in einem Teilbereich des durchsichtigen Teils ausgebildet ist und aus schrägen Flächen (41 a , 41 b) besteht, auf die ankommendes Licht unter einem Einfallswinkel auftrifft, der größer als der kritische Winkel eingestellt ist.

17. Optischer Codierer nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die erste optische Teilung ei nen integral mit der Markierungsfläche (68) geformten Ver bindungsbereich (64) zur Befestigung der Teilung an einem zu überwachenden Objekt (7) aufweist.

18. Optischer Codierer nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das durchsichtige Teil aus Po lymethylmethacrylat besteht.

19. Optischer Codierer nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das durchsichtige Teil aus Po lycarbonat besteht.