DE3833115C2

DE3833115C2 -

Info

Publication number: DE3833115C2
Application number: DE3833115A
Authority: DE
Inventors: Keiji Aichi Jp Matsui
Original assignee: Okuma Tekkosho KK
Current assignee: Okuma Corp
Priority date: 1987-09-30
Filing date: 1988-09-29
Publication date: 1992-07-02
Also published as: GB8823120D0; US4950891A; DE3844704C2; GB2210525B; DE3833115A1; US4948968A; GB2210525A; DE3844705C2; US4956553A

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Codierer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er z. B. zur Positionsmessung bei Werkzeugmaschinen, z. B. Drehmaschinen, Walzanlagen, aber auch bei Anlagen zum Herstellen von Halb leiterbauelementen verwendet wird.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel für einen herkömmlichen optischen Absolutwert-Codierer (z. B. US-PS 46 33 224). Dieser Codierer besitzt eine Lichtquelle 11, z. B. eine Leuchtdiode, welche Licht La aussendet, eine Kolli matorlinse 12, die das von der Lichtquelle 11 kommende Licht in paralleles Licht Lb umsetzt, eine erste Skala 13 mit auf der Oberfläche der Skala angeordneten, n (n ist eine natür liche Zahl) Codierspuren t₁, t₂, . . . t_n, von denen jede Abschnitte 13A (hier als durchlässige oder transparente Abschnitte bezeichnet), die das parallele Licht Lb von der Kollimatorlinse 12 durchlassen, sowie Abschnitte 13B (hier als nicht-durchlässige Abschnitte oder opake Abschnitte bezeichnet), die das parallele Licht Lb nicht durchlassen, abwechselnd jeweils mit bestimmter Länge (hier auch als Gitterkonstante bezeichnet) enthält. Eine zweite Skala 14 enthält Durchlaßfenster 14A₁, 14A₂, . . . 14A_n, die durch transparente Abschnitte 13A hindurchgelassenes Licht pas sieren lassen. Die Fenster sind den einzelnen Codiererspuren t₁, t₂ . . . t_n der ersten Skala zugeordnet. Fotoelektrische Wandlerelemente 15-1, 15-2 . . . 15-n sind den jeweiligen Durchlaßfenstern 14A₁, 14A₂ . . . 14A_n derart zugeordnet, daß sie Lichtstrahlen L_C₁, L_C₂ . . . L_Cn, die die Durchlaßfenster 14A₁ . . . 14A_n in Signale umsetzen, die den Intensitäten der Lichtstrahlen entsprechen.

Die in der Optik 10 des Codierers ver wendete erste Skala 13 ist mit einem Binärcode (Gray-Code) ausgestattet, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Die Gitterkonstan ten P₁, P₂, P₃ . . . P_n-1, P_n zwischen benachbarten Spuren t₁ und t₂; t₂ und t₃ . . .; t_n _-1 und t_n stehen im Verhältnis von 1 : 2. Die durch die transparenten Abschnitte 13A der jewei ligen Spuren t₁, t₂ . . . t_n der ersten Skala 13 hindurchge langten Lichtstrahlen L_C₁, L_C₂ . . . L_Cn, die auch durch die Durchlaßfenster 14A₁, 14A₂ . . . 14A_n der zweiten Skala 14, die den Spuren t₁ . . . t_n der ersten Skala 13 zugeordnet sind, hindurchgetreten sind, fallen auf die den entsprechen den Durchlaßfenstern 14A₁ . . . 14A_n entsprechenden fotoelek trischen Wandlerelemente 15-1, 15-2 . . . 15-n und die Inten sitäten der Lichtstrahlen ändern sich periodisch, da sich die erste Skala 13 in Längsrichtung (in Richtung des Pfeils m) bewegt. Ansprechend auf die Änderungen der Lichtintensi täten ändern sich die durch die fotoelektrischen Wandlerele mente 15-1 . . . 15-n gebildeten elektrischen Signale.

Fig. 3 zeigt diese periodischen Änderungen der elektrischen Signale S₁, S₂ . . . S_n in einer graphischen Darstellung, wobei auf der horizontalen Achse eine Verschiebung ml der ersten Skala 13 aufgezeichnet ist, während auf der vertikalen Achse die von den fotoelektrischen Wandlerelementen 15-1 . . . 15-n erhaltenen Signale S₁ . . . S_n aufgetragen sind.

Fig. 4 ist ein Blockdiagramm des optischen Absolut-Codierers, bei dem die elektrischen Signale S₁, S₂ . . . S_n von jeweiligen Vergleichern 20 in digitale Signale d₁, d₂ . . . d_n umgesetzt werden, und diese digitalen Signale, die Binär codes darstellen, von einem Decoder 30 in Absolut-Positions daten D gewünschter Form, beispielsweise in einen BCD-Code umgesetzt werden.

Es gibt Bemühungen, das Auflösungsvermögen eines solchen optischen Absolut-Codierers zu erhöhen, um sehr feine Lage veränderungen erfassen und Absolutwerte für Stellungen innerhalb eines großen Hubbereiches feststellen zu können. Allerdings ist bei den herkömmlichen optischen Absolut- Codierern das Auflösungsvermögen dahingehend beschränkt, daß eine feinere Feststellung von Positionen, als sie der die kleinste Teilung aufweisende Gitterkonstante P_n der Spur t_n aufweist, unmöglich ist, während der für die Messung insge samt verfügbare Hub größenordnungsmäßig der Gitterkonstanten P₁ der Spur t₁ entspricht, wo die Unterteilung am gröbsten ist. Machte man den Versuch, das Auflösungsvermögen zu erhöhen und den Meßhub zu erweitern, so müßte unvermeidlich die Anzahl der Spuren zunehmen, so daß die Geräte des Codierers ebenfalls zunehme, und dann müßte eine größere Anzahl von Bauteilen, beispielsweise fotoelektrischen Wandlern und Vergleichern, vorsehen.

Auf dem Gebiet der Feinmeßtechnik ist es zur Positionsbestimmung bekannt, Phasengitter zu verwenden (Fertigungsmeßtechnik, H.-J. Warnecke et al, Springer Verlag; Berlin 1984, Seiten 181 bis 185). Gegenüber einem Beugungsspalt wird ein Phasengitter verschoben, und die Intensitäten der einzelnen Beugungsordnungen werden aus gewertet.

Aus der DE 37 00 906 A1 ist ein Linear- oder Drehverschlüßler bekannt, bei dem die Position eines Bauteils relativ zu einer Lichtquelle mit Hilfe eines Beugungsgitters ermittelt wird. Durch die Bewegung des Gitters relativ zu der Lichtquelle wandern die Beugungsstrahlen, und mit einem Detektor werden sich bewegende Beugungsstrahlen erfaßt und gezählt. Damit liefert diese Art von Meßeinrichtung als Meßergebnis eine Relativ-Position.

Aus der US-PS 37 26 595 ist bekannt, die Bewegung eines Beugungs musters dadurch zu erfassen, daß die Lichtstrahlen, die durch das Beugungsmuster erzeugt werden, mit einem Referenzstrahl zur Interferenz gebracht werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines optischen Codierers, der kompakt aufgebaut ist und ein im Vergleich zum Stand der Technik höheres Auflösungsvermögen sowie einen vergrößerten Meßhub bei der Absolut-Positionserfassung aufweist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Patentansprüchen ange geben, wobei vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung in den abhängigen Patentansprüchen angegeben sind.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 5 bis 7 Darstellungen, die eine erste Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen,

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Optik,

Fig. 9 eine Ansicht einer Ausführungsform einer Gitterspur eines erfindungsgemäßen Codierers,

Fig. 10 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer Detektorschaltung des erfindungsgemäßen Codierers,

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausgestaltung einer Gitterspur.

Zunächst soll das Grundprinzip der Ausführungsform der Erfindung erläutert werden:

Wie in Fig. 5 gezeigt ist, wird kohärentes Licht L, z. B. ein Laserstrahl, das auf eine Skala 1 auftrifft, auf deren Oberfläche eine im folgenden als Gitterspur bezeichnete Beugungsgitterspur T mit transparenten Abschnitten und mit opaken Abschnitten, die sich mit einer vorbestimmten "Gitterkonstante" abwechseln, ausgebildet ist, soweit es die transparenten Abschnitte passiert hat, gebeugt, so daß sich mehrere Beugungslichtstreifen L₀, L_±1, L_±2 . . . L_±n (im folgenden auch als Beugungslichtstreifen n-ter Ordnung bezeichnet; n ist eine natürliche Zahl) entstehen. Fig. 6 zeigt die Gitterspur T im Detail. P ist die Gitterkonstante des Gitters, ℓ_a ist die Länge eines transparenten Abschnitts 1A, und ℓ_b ist die Länge eines opaken Abschnitts 1B. Dann läßt sich das im folgenden als Öffnungsverhältnis bezeichnete Verhältnis Q durch folgende Gleichtung (1) angeben:

Ein Verhältnis I der Intensität des Beugungslichtstreifens n-ter Ordnung gegenüber dem Beugungslichtstreifen 0-ter Ordnung, L₀, wird durch folgende Formel (2) beschrieben:

Fig. 7 zeigt anhand einer graphischen Darstellung die Bezie hung zwischen dem Öffnungsverhältnis Q und den jeweiligen Intensitätsverhältnissen I des Beugungslichts erster Ordnung L_±1, zweiter Ordnung L_±2 und dritter Ordnung L_±3. Wie aus der Darstellung ersichtlich, ändert sich das Intensitätsver hältnis zwischen den Beugungslichtstreifen L_±1, L_±2 und L_±3, wenn sich das Öffnungsverhältnis Q ändert. Deshalb lassen sich Positionen der Skala dadurch erfassen, daß man das Intensitätsverhältnis I zweier willkürlich herausgegriffener Beugungslichtstreifen unterschiedlicher Ordnung erfaßt, wel che entstehen, indem kohärentes Licht L in die Skala ein tritt, die eine Gitterspur mit verschiedenen Öffnungsver hältnissen Q auf ihrer Oberfläche besitzt.

Im folgenden soll die Ausführungsform der Erfindung beschrieben werden. Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht wesentlicher Teile einer Ausführungsform einer Optik und eines optischen Absolutwert-Codierers gemäß der Erfindung. Eine Lichtquelle 101, z. B. eine Laserdiode (LD) gibt kohärentes Licht LA ab, eine Kollimatorlinse 102 kollimiert das kohärente Licht LA zu parallelem Licht LB, ein Schlitz 103 ermöglicht es dem parallelen LB, teilweise durch den Schlitz hindurchzutreten, um dabei zu einem Lichtstrahl vorbestimmter Breite (nicht näher dargestellt) zu werden, eine längliche Skala 104 besitzt auf ihrer Oberfläche eine Gitterspur T_A, bei der Abschnitte, die das Lichtbündel durchlassen (transparente Abschnitte) und nicht-durchlässige (opake) Abschnitte mit einer vorbestimmten Gitterkonstanten (Schrittweite) abwechselnd angeordnet sind, eine Fokussierlinse 105 fokussiert mehrere Beugungslichtstreifen oder -strahlen (nicht dargestellt) nach der Beugung durch die Gitterspur T_A und fotoelektrische Wandlerelemente PL₀, PL_±1 . . . PL_±n sind entsprechend den Beugungslichtstreifen LC₀, LC_±1 . . . LC_±n hinter der Fokussierlinse 105 angeordnet und wandeln die Beugungslichtstreifen LC₀ . . . LC_±n entsprechend deren Intensitäten in elektrische Signale um. Die Lichtquelle 101, die Linse 102, der Schlitz 103 und die Fokussierlinse 105 sind auf einer Linie angeordnet und relativ zu der Skala 104 beweglich. In der Figur ist zum Veranschaulichen dieser Relativbewegung jedoch die Skala 104 als in Pfeilrichtung A oder B beweglich dargestellt.

Die Skala 104 wird in Verbindung mit der Optik 100 des optischen Absolutwert-Codierers mit dem oben beschriebenen Aufbau mit einer Gitterspur T_A ausgestattet, in der die Gitterkonstante Pa (einige µm bis zu einigen zehn µm) über die gesamte Länge der Skala 104 konstant ist, jedoch das Öffnungsverhältnis Q in einem Abschnitt ℓ_ab gemäß Fig. 9 sich allmählich ändert (z. B. beträgt an einem Punkt a das Öffnungsverhältnis 0,5, an einem Punkt b beträgt es 0,75, an einem Punkt c 0,5, an einem Punkt d 0,25 und an einem Punkt e beträgt es 0,5). Die Intensitäten der Beugungslichtstreifen LC₀, LC_±1 . . . LC_±n, die auf die fotoelektrischen Wandler elemente PL₀, PL_±1 . . . PL_±n auftreffen, ändern sich periodisch, da sich das Öffnungsverhältnis Q ändert, wenn sich die Skala 104 in Längsrichtung A oder B bewegt. Ansprechend auf solche Änderungen ändern sich auch die entsprechenden elektrischen Signale periodisch, welche von den fotoelektrischen Wandlerelementen PL₀, PL_±1 . . . PL_±n erzeugt werden.

Da das Öffnungsverhältnis in einfacher Weise dazu herangezogen wird, das Intensitätsverhältnis der Beugungslichtstrahlen zu ermitteln, läßt sich das Öffnungsverhältnis in dem Abschnitt ℓ_ab willkürlich ändern, um so elektrische Signale zu erhalten, die mit einer gewissen Geschwindigkeit stärker werden, wenn sich die Skala 104 bewegt, oder die zu Sinus wellen oder Dreieckwellen werden. Durch Verwenden des Intensitäts verhältnisses zwei willkürlich herausgegriffener Beugungslicht strahlen unterschiedlicher Ordnung oder durch Heranziehen des Verhältnisses der entsprechenden elektrischen Signale läßt sich auf einfache Weise die Lage der Skala erfassen.

Fig. 10 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer Leseeinrichtung, die Positionsdaten aus den von den fotoelektrischen Wandlerelementen stammenden elektrischen Signalen ermittelt. Wie erwähnt, werden willkürlich zwei Beugungs lichtstrahlen verschiedener Ordnung herausgegriffen. Beispielsweise handelt es sich um elektrische Signale Sa und Sb von den fotoelektrischen Wandlerelementen PL₀ und PL₊₁, die die Beugungslichtstrahlen nullter Ordnung, LC₀, und erster Ordnung, LC₊₁ in elektrische Signale umsetzen, durch Abtast- und Halteschaltungen 111a und 111b sowie durch Analog/ Digital-Umsetzer (ADU) 112a und 112b in digitale Daten d_a und d_b umgesetzt. Die digitalen Datenwerte d_a und d_b werden von einem Teiler 113 geteilt, so daß man digitale Datenwerte d_ab erhält, die ein Verhältnis darstellen und auf einen Vergleicher 114 gegeben werden. In einem Speicher 115 werden vorab Verhältnisse von elektrischen Signalen bezüglich der Intensitäten zweier Beugungslichtstrahlen LC₀ und LC₊₁ verschiedener Ordnung entsprechend den Gitterspurmustern abgespeichert, wobei die Positionsdaten den Datenverhältnissen entsprechen. Das aus dem Speicher 115 ausgelesene Verhältnis dm der elektrischen Signale wird in Beziehung gesetzt zu dem Verhältnis d_ab der von dem Teiler 113 kommenden Signale, und es wird ein Positionsdatenwert d_ab für die Skala ausgegeben.

Bei der obigen Ausführungsform wird das von der Lichtquelle ausgesendete kohärente Licht durch die Skala geleitet, um die Beugungslichtstrahlen zu erhalten, man kann das Licht jedoch auch an der Skala reflektieren lassen, um auf diese Weise Beugungslichtstrahlen zu erhalten; denn Transmissionslicht und reflektiertes Licht haben die gleichen Eigenschaften. Wird das Licht reflektiert, so befinden sich Lichtquelle, Kollimatorlinse, Schlitz, Fokussierlinse und fotoelektrische Wandlerelemente auf der gleichen Seite der Skala, und die Skala umfaßt Abschnitte, die Licht reflektieren, und Abschnitte, die kein Licht reflektieren.

Wenn gemäß Fig. 11 die Skala aus einer Scheibe 106 besteht, wird auf der Scheibe die Gitterspur T_A ringförmig angeordnet, und die Scheibe 106 kann sich um ihren Mittelpunkt drehen, so daß die Winkelstellungen der Scheibe in Absolut wertdaten erfaßt werden können. Während bei dem oben be schriebenen Ausführungsbeispiel Lichtquelle und fotoelektri sche Wandlerelemente bezüglich der Skala feststehen und sich die Skala bewegt, kann die Skala feststehen, während Licht quelle und fotoelektrische Wandlerelemente bewegt werden. Auf diese Weise wird die gleiche Stellungsmessung durchgeführt.

Claims

1. Optischer Codierer, umfassend:

- eine Lichtquelle (101, 102, 103), die kohärentes, paralleles Licht aussendet,
- eine Skala (104) mit mindestens einer Spur, und
- eine photoelektrische Wandlereinrichtung, die Lichtstrahlen von der Skala empfängt und sie entsprechend ihrer Intensitäten in elektrische Signale umsetzt,

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

- die Spur ist als Beugungsgitterspur (T_A) einheitlicher Gitterkonstante, jedoch mit unterschiedlichen Verhältnissen von lichtsperrenden und nicht-lichtsperrenden Abschnitten ausgebildet, und
die Wandlereinrichtung (PLn) empfängt mehrere Beugungslicht strahlen verschiedener Ordnung der von der Skala (104) durch Beugung erzeugten Lichtstrahlen.

2. Codierer nach Anspruch 1, bei dem die Lichtquelle eine kohärentes Licht emittierende Lichtquelle, eine Kollimator linse (102), die das von der Lichtquelle kommende kohärente Licht zu parallelem Licht bündelt, und eine Schlitzblende (103), die das von der Kollimatorlinse (102) kollimierte, parallele Licht auf eine bestimmte Breite beschränkt, aufweist.

3. Codierer nach Anspruch 2, bei dem die Lichtquelle eine Laserstrahlquelle ist.

4. Codierer nach Anspruch 1, bei dem die Lichtquelle und die fotoelektrische Wandlereinheit auf entgegengesetzten Seiten der Skala (104) angeordnet sind und die nicht-licht blockierenden Abschnitte der Skala (104) von der Lichtquelle ausgesandtes paralleles Licht zur Beugung durchlassen.

5. Codierer nach Anspruch 1, bei dem die Lichtquelle (101) und die fotoelektrische Wandlereinrichtung auf der gleichen Skalenseite angeordnet ist und die nicht-lichtblockierenden Abschnitte der Skala (104) das von der Lichtquelle kommende parallele Licht zur Beugung reflektieren.

6. Codierer nach Anspruch 1, bei dem eine Relativbewegung der Skala gegenüber der Lichtquelle und der fotoelektrischen Wandlereinheit durch Bewegen der Skala erreicht wird.

7. Codierer nach Anspruch 1, bei dem die Relativbewegung der Skala gegenüber der Lichtquelle und der fotoelektrischen Wandlereinheit durch Bewegen der Lichtquelle und der Wandlereinheit erfolgt.

8. Codierer nach Anspruch 1, bei dem die Skala eine ge streckte Platte mit der Beugungsgitterspur (T_A) ist, und daß die Relativbewegung eine geradlinige Bewegung ist.

9. Codierer nach Anspruch 1, bei dem die Skala eine Scheibe (106) mit einer ringförmigen Beugungsgitterspur ist, wobei die Relativbewegung eine Drehbewegung ist.

10. Codierer nach Anspruch 1, bei dem die fotoelektrische Wandlereinrichtung ein Fokussierlinse (105) aufweist, die von der Skala (104) gebeugte Lichtstrahlen fokussiert, sowie fotoelektrische Wandlerelemente (PLn) enthält, die von der Fokussierlinse (105) fokussierte Lichtstrahlen nach Maßgabe deren Intensitäten in elektrische Signale umsetzt.

11. Codierer nach einem der Ansprüche 1-10, gekennzeichnet durch eine Leseeinrichtung, die die Verhältnisse der von der foto elektrischen Wandlereinheit ausgegebenen elektrischen Signale nach Maßgabe der Muster der Beugungsgitterspur, die sich mit der Relativbewegung zwischen Skala einerseits und Lichtquelle und fotoelektrischer Wandlereinheit andererseits ändern, ermittelt und die Verhältnisse mit Hilfe einer Umsetzein richtung (114) für die Ausgabe umsetzt in Positionsdaten für die Skala.

12. Codierer nach Anspruch 11, bei dem die Leseeinrichtung aufweist: eine Halteschaltung (111a, 111b), die die von der fotoelektrischen Wandlereinheit ausgegebenen elektrischen Signale hält, einen Analog/Digital-Umsetzer (112a, 112b), der die Analogsignale in digitale Signale umsetzt, einen Teiler (113), der ein Werteverhältnis der von dem Analog/ Digital-Wandler ausgegebenen digitalen Signale berechnet, und eine Umsetzeinrichtung (114), die ein Ausgangssignal des Teilers umsetzt in einen Positionsdatenwert auf der Skala.

13. Codierer nach Anspruch 12, bei dem die Umsetzeinrich tung aufweist: einen Speicher (115), in welchem vorab Inten sitäten mehrerer Beugungslichtstrahlen verschiedener Ordnung entsprechend den Mustern auf der Beugungsgitterspur, die sich mit der Relativbewegung zwischen Skala einerseits und Lichtquelle sowie fotoelektrischer Wandlereinheit andererseits ändern, gespeichert sind, und einen Vergleicher (114), der das von dem Teiler (113) ermittelte Verhältnis in Beziehung setzt zu dem im Speicher (115) abgespeicherten Verhältniswert, um Positionsdaten der Skala auszugeben.

14. Codierer nach Anspruch 12, bei dem die Umsetzeinrichtung einen Betriebsabschnitt besitzt, der das von dem Teiler erhaltene Verhältnis eingibt, eine voreingestellte Formel berechnet, um das Verhältnis in einen Positionsdatenwert auf der Skala umzusetzen, und den Positionsdatenwert ausgibt.