DE3844705C2

DE3844705C2 -

Info

Publication number: DE3844705C2
Application number: DE3844705A
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: 1992-06-17
Anticipated expiration: 2008-09-30
Also published as: US4956553A; DE3833115C2; US4950891A; DE3833115A1; GB2210525A; US4948968A; DE3844704C2; GB2210525B; GB8823120D0

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Codierer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, der z. B. zur Positionsmessung bei Werkzeugmaschinen, z. B. Drehmaschinen, Walzanlagen, aber auch bei Anlagen zum Herstellen von Halbleiterbauelementen 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 zur Messung dienendes Licht La aussendet, eine Kollimatorlinse 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 natürliche 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 transparenten Abschnitte 13A hindurchgelassenes Licht passieren 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 bekannten optischen Codierers verwendete erste Skala 13 ist mit einem Binärcode (Gray-Code) ausgestattet, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Die Gitterkonstanten 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 jeweiligen Spuren t₁, t₂ . . . t_n der ersten Skala 13 hindurchgelangten 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 entsprechenden Durchlaßfenstern 14A₁ . . . 14A_n entsprechenden fotoelektrischen Wandlerelemente 15-1, 15-2 . . . 15-n und die Intensitäten der Lichtstrahlen ändern sich periodisch, da sich die erste Skala 13 in Längsrichtung (in Richtung des Pfeils m) bewegt. Ansprechend auf die Änderungen der Lichtintensitäten ändern sich die durch die fotoelektrischen Wandlerelemente 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 S₂ . . . 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 Binärcodes darstellen, von einem Decoder 30 in Absolut-Positionsdaten 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 Lagerveränderungen erfassen und Absolutwerte für Stellungen innerhalb eines großen Hubbereichs 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 insgesamt 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 Größe des Codierers ebenfalls zunähme, und man müßte eine größere Anzahl von Bauteilen, beispielsweise fotoelektrischen Wandlern und Vergleichern, vorsehen.

Auf dem Gebiet der Fertigungsmeßtechnik gibt es bereits Positionsmessungen mit Hilfe von Phasengittern. Dazu wird an einem Meßobjekt ein Phasengitter bzw. eine Lichtquelle angeordnet, und diese Teile werden relativ zueinander bewegt. Durch das Phasengitter entstehen Lichtbündel verschiedener Beugungsordnungen. Wird das Phasengitter relativ zu der Lichtquelle bewegt, so ändert sich die an einer bestimmten Stelle empfangene Lichtintensität gemäß einer Sinusfunktion. Bei dem bekannten Phasengitter ist eine einheitliche Gitterkonstante vorgesehen.

Außerdem ist es bekannt (DE 37 00 901 A1), die mittels eines Beugungsgitters bei einem linearen oder Drehcodierer die durch die Relativbewegung zwischen Lichtquelle und Beugungsgitter entstehenden Lichtschwankungen an einer bestimmten Stelle wie Impulse zu zählen. Damit ist aber keine Messung einer Absolutposition, sondern nur die Messung einer Relativ-Position möglich.

Aus der US-PS 37 26 595 ist es bekannt, die Vertikalverschiebung eines Beugungsgitters dadurch festzustellen, daß man die Änderungen von Interferenzmustern erfaßt, die durch die Interferenz der Lichtbündel der Beugungsordnungen mit Referenzlichtbündeln entstehen. Auch hier ist das Beugungsgitter mit konstanter Gitterkonstante ausgebildet, und es ist nicht möglich, über einen längeren Bewegungshub eine Messung durchzuführen, ohne spezielle Maßnahmen zu treffen.

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 angegeben, wobei vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung in den abhängigen Patentansprüchen angegeben sind.

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

Fig. 5 und 6 Skizzen, die ein Grundprinzip einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen,

Fig. 7 eine Ansicht einer Ausführung einer Optik der Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Codierers;

Fig. 8 eine Ausführungsform einer Bewegungsgitterspur des Codierers,

Fig. 9 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer Detektorschaltung des Codierers, und

Fig. 10 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausgestaltung einer Beugungsgitterspur.

Wie Fig. 5 zeigt, gelangt von einer Lichtquelle kommendes kohärentes Licht L, z. B. ein Laserstrahl in eine Skala 1, auf der eine im folgenden als Gitterspur bezeichnete Beugungsgitterspur T ausgebildet ist, die transparente und opake Abschnitte enthält, die mit einer vorbestimmten Gitterkonstanten abwechseln. Das durch die transparenten Abschnitte hindurchgelangende kohärente Licht L wird zu mehreren Beugungslichtstrahlen L₀, L_±1 . . . L_±n (im folgenden als Beugungslichtstrahl n-ter Ordnung bezeichnet; n ist eine natürliche Zahl) gebeugt. Winkel ±R_n (als Beugungswinkel bezeichnet) werden definiert durch positive und negative Beugungslichtstrahlen n-ter Ordnung, L_+n, L_-n. Das kohärente Licht L läßt sich durch folgende Gleichung (3) beschreiben, wobei λ die Wellenlänge des kohärenten Lichts L und P die Gitterkonstante der Gitterspur T ist.

Ein Abstand d_n zwischen positiven und negativen Beugungslichtstrahlen L_+n und L_-n, die auf einen Schirm projiziert werden, der sich in einem Abstand S gegenüber der Skala 1 befindet, läßt sich durch folgende Formel (4) beschreiben:

Fig. 6 zeigt anhand einer graphischen Darstellung die Beziehung des Abstands d₁ zwischen positivem und negativem Beugungslichtstrahl erster Ordnung, L₊₁ bzw. L_-1, und der Gitterkonstanten P, wenn die Wellenlänge λ des kohärenten Lichts L auf 1 µm und der Abstand S zwischen der Skala 1 und dem Schirm 2 auf 10 mm eingestellt ist. Wie aus der graphischen Darstellung ersichtlich, schwankt der Abstand d₁ mit sich ändernder Gitterkonstante P. Wenn das kohärente Licht L in eine Skala eintritt, deren Gitterspur unterschiedliche Gitterkonstante P abhängig von der Lage aufweist, um gezielt positive und negative Beugungslichtstrahlen L_+n, L_-n gleicher Ordnung zu erhalten, läßt sich die Lagemessung der Skala unter Zugrundelegung des Abstands d_n zwischen zwei Beugungslichtstrahlen oder -streifen durchführen.

Im folgenden wird das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Fig. 7 ist eine Prinzip-Darstellung einer Ausführungsform einer Optik eines optischen Absolutwert-Codierers nach der Erfindung. Eine Lichtquelle 201, z. B. eine Laserdiode LD, gibt kohärentes Licht LD ab, eine Kollimatorlinse 202 kollimiert das kohärente Licht LD und liefert paralleles Licht LE, ein Schlitz 203 läßt das parallele Licht LE als Lichtstrahl LF vorbestimmter Breite durch, eine gestreckte Skala 204 besitzt auf ihrer Oberfläche eine Gitterspur T_B mit Abschnitten, die den Lichtstrahl LF durchlassen, und damit abwechselnden Abschnitten, die das Licht nicht durchlassen, wobei das Verhältnis dieser Abschnitte gleich ist, jedoch verschiedene Gitterkonstanten vorliegen, eine Fokussierlinse 205 fokussiert mehrere Beugungslichtstrahlen LG nach Beugung durch die Gitterspur T_B, und ein Lichtfleckpositions-Detektorelement 206, z. B. ein Bildsensor, erfaßt die Lage von Lichtflecken der zugehörigen Beugungslichtstrahlen LH₀, LH_±1 . . . LH_±n, die von der Fokussierlinse 205 kommen, und wandelt sie in elektrische Signale um. Die Lichtquelle 201, die Kollimatorlinse 202, der Schlitz 203 und die Fokussierlinse 205 sind auf einer Linie angeordnet und können relativ zu der Skala 204 bewegt werden. Nach der Figur ist die Skala in Längsrichtung C oder D linear bewegbar.

Die in Verbindung mit der Optik 200 des optischen Codierers verwendete Skala 204 besitzt eine Gitterspur T_B, bei der sich die Gitterkonstanten glatt und allmählich innerhalb eines Abstands L_ab ändern, wie es in Fig. 8 gezeigt ist (z. B. beträgt an einem Punkt s die Gitterkonstante P_b, an einem Punkt g beträgt sie P_c, an einem Punkt h beträgt sie P_d, an einem Punkt i beträgt sie P_c, und an einem Punkt j beträgt sie P_b. Die Beugungswinkel der einzelnen Beugungslichtstrahlen LH_±1 . . . LH_±n, die auf das Lichtfleckpositions- Detektorelement 206 fallen, ändern sich periodisch, wenn sich die Skala 204 in Längsrichtung bewegt und sich dabei die maßgeblichen Gitterkonstanten ändern. Die Lichtfleckpositionen der jeweiligen Beugungslichtstrahlen LH_±1 . . . LH_±n, die auf den Detektor 206 fokussiert werden, ändern sich ansprechend auf die oben genannten periodischen Änderungen. Genauer gesagt: je kleiner die Gitterkonstante, desto größer der Beugungswinkel zur Aufweitung des Abstands zwischen positivem und negativem Beugungslichtstrahl gleicher Ordnung. Andererseits: je größer die Gitterkonstante, desto kleiner wird der Beugungswinkel unter Verkleinerung des Abstands zwischen positivem und negativem Beugungslichtstrahl gleicher Ordnung.

Es wird also einfach die Gitterkonstante dazu herangezogen, den Beugungswinkel zu variieren, und somit ist es möglich, die Gitterkonstanten in dem Abschnitt L_ab nach Belieben zu ändern, um dadurch elektrische Signale zu erhalten, die mit einer gewissen Geschwindigkeit stärker werden, wenn sich die Skala 204 bewegt, oder die sich als Sinuswellen oder Dreieckwellen ausformen. Die Lage der Skala läßt sich deshalb ermitteln anhand des Abstands zwischen willkürlich gewählten positiven und negativen Beugungslichtstrahlen gleicher Ordnung.

Fig. 9 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer Leseeinrichtung, mit deren Hilfe Positionsdaten aus den von dem Lichtfleckpositons-Detektorelement 206 erhaltenen elektrischen Signalen ermittelt werden können. Positive und negative Beugungslichtstrahlen gleicher Ordnung werden willkürlich ausgewählt, um den genannten Zweck zu erreichen. Beispielsweise werden die Positionen der beiden Lichtflecken der Beugungslichtstrahlen erster Ordnung LH_±1 von dem Lichtfleckpositions- Detektorelement 206 umgesetzt in elektrische Signale S+c bzw. S-c. Die elektrischen Signale S±c werden von einem Subtrahierer 211 umgesetzt in ein Signal S_cc, welches den Abstand zwischen den Beugungslichtstrahlen LH_±1 erster Ordnung darstellt, das elektrische Signal S_cc wird von einer Abtast- und Halteschaltung 212 und einem ADU 213 umgesetzt in einen digitalen Datenwert d_cc, und dieser Wert wird auf einen Vergleicher 214 gegeben. In einem Speicher 215 wurden vorab die Abstände zwischen den positiven und negativen Beugungslichtstrahlen erster Ordnung entsprechend den Gitterspurmustern ebenso wie die diesen Abständen entsprechenden Positiondaten gespeichert. Der Abstand dm zwischen jedem Satz von Beugungslichtstrahlen wird aus dem Speicher 215 ausgelesen und in Beziehung gesetzt zu dem digitalisierten Abstandswert d_cc des jeweils anstehenden Satzes von Beugungslichtstrahlen, und es wird ein dazugehöriger Positionsdatenwert D_cc für die Skala ausgegeben.

Während bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel das von der Lichtquelle ausgegebene Licht durch die Skala durchtritt, um Beugungslichtstrahlen zu erzeugen, kann das Licht auch von der Skala reflektiert werden, da sich reflektiertes Licht und Durchlaßlicht gleich verhalten. Wird das Licht reflektiert, so befinden sich die Lichtquelle, die Kollimatorlinse, der Schlitz, die Fokussierlinse und das Lichtpositions-Detektorelement auf der gleichen Seite der Skala, und die Skala umfaßt Abschnitte, die Licht reflektieren, und Abschnitte, die kein Licht reflektieren.

Bildet man die Skala als Scheibe 207 aus, wie sie in Fig. 10 gezeigt ist, hat die Gitterspur T_B Ringform, und die Drehung der Scheibe 207 um deren Mitte liefert Daten über die Winkel in Absolutbeträgen. Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel sind Lichtquelle und Lichtfleckpositions-Detektorelement festgelegt, während sich die Skala bewegt, jedoch kann auch umgekehrt die Skala festliegen, während sich Lichtquelle und Detektorelement bewegen, um eine ähnliche Messung zu erreichen.

Bei der zweiten Ausführungsform besitzt die Gitterspur unterschiedliche Gitterkonstanten bei den lichtsperrenden und den lichtdurchlässigen Abschnitten, jedoch über die gesamte Länge gleiche Gitterkonstante und Gitterlinienrichtung. Die Positionen werden erfaßt aufgrund der Abstände zwischen mehreren Beugungslichtstrahlen gleicher Ordnung.

Claims

1. Optischer Codierer umfassend:
eine Lichtquelle (201), die kohärentes, paralleles Licht aussendet, eine Skala (204) mit einer Spur aus lichtsperrenden und nicht-sperrenden Abschnitten, und einer Lichtdetektoreinheit, die Lichtstrahlen von der Skala empfängt und in elektrische Signale umsetzt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

- die Spur ist als Beugungsgitterspur (T_B) ausgebildet,
- deren Abschnitte gleiches Öffnungsverhältnis, jedoch unterschiedliche Gitterkonstante aufweisen, und die das kohärente parallele Licht aus der Lichtquelle beugt, und
- die Lichtdetektoreinheit ist eine Lichtfleckpositions- Detektoreinheit (206), die von den durch die Skala (204) gebeugten Lichtstrahlen positive und negative Beugungslichtstrahlen gleicher Ordnung empfängt, die Lichtfleckpositionen der positiven und negativen Beugungslichtstrahlen gleicher Ordnung erfaßt und die Lichtfleckpositionen in elektrische Signale umsetzt.

2. Codierer nach Anspruch 1, bei dem die Lichtquelle eine kohärentes Licht abgebende Lichtquelle (201), eine Kollimatorlinse (202), die das von der Lichtquelle (201) ausgesandte Licht zu parallelem Licht kollimiert, und eine Schlitzblende (203), die das von der Kollimatorlinse kollimierte, parallele Licht zu einem Lichtstrahl vorbestimmter Breite eingrenzt, aufweist.

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

4. Codierer nach Anspruch 1, bei dem die Lichtquelle (201, 202, 203) einerseits und die Lichtfleckpositions- Detektoreinheit (206) auf entgegengesetzten Seiten der Skala (204) angeordnet sind, und daß die nicht-lichtblockierenden Abschnitte der Skala das von der Lichtquelle kommende parallele Licht durchlassen, um es zu beugen.

5. Codierer nach Anspruch 1, bei dem die Lichtquelle und die Lichtfleckpositions-Detektoreinrichtung auf der gleichen Seite der Skala (204) angeordnet sind, und daß die nicht- lichtblockierenden Abschnitte der Skala das von der Lichtquelle kommende parallele Licht reflektieren, um es zu beugen.

6. Codierer nach Anspruch 1, bei dem eine Relativbewegung der Skala gegenüber der Lichtquelle und der Detektoreinheit durch Bewegen der Skala (204) erfolgt.

7. Codierer nach Anspruch 1, bei dem eine Relativbewegung der Skala gegenüber der Lichtquelle und der Detektoreinheit durch Bewegen von Detektoreinheit und Lichtquelleneinheit erfolgt.

8. Codierer nach Anspruch 1, bei dem die Skala eine gestreckte Platte mit einer Beugungsgitterspur (T_B) ist, und daß die Relativbewegung eine lineare Bewegung ist.

9. Codierer nach Anspruch 1, bei dem die Skala eine mit einer ringförmigen Spur versehene Scheibe (206) ist, und daß die Relativbewegung eine Drehbewegung ist.

10. Codierer nach Anspruch 1, bei dem die Lichtfleckpositions- Detektoreinheit aufweist: eine Fokussierlinse (205), die von der Skala durch Beugung gebildete Lichtstrahlen fokussiert, und ein Lichtfleckpositions-Detektorelement (206), das Lichtfleckpositionen von durch die Fokussierlinse fokussierten Lichtstrahlen erfaßt und die Lichtfleckposition in elektrische Signale umsetzt.

11. Codierer nach Anspruch 10, bei dem das Lichtfleckpositions- Detektorelement ein Bildsensor ist, der Lichtfleckpositionen in elektrische Signale umsetzt.

12. Codierer nach einem der Ansprüche 1-11, gekennzeichnet durch: eine Leseeinrichtung (211, 212, 213, 214, 215), die einen Abstand zwischen einem positiven Beugungslichtfleck und einem negativen Beugungslichtfleck gleicher Ordnung aus den von der Detektoreinheit ausgegebenen elektrischen Signalen, die mit der Relativbewegung der Skala gegenüber Lichtquelle und Detektoreinheit variieren, berechnet und den Abstand durch eine Umsetzeinrichtung (201, 215) in Positionsdaten der Skala (204) umsetzt.

13. Codierer nach Anspruch 12, bei dem die Leseeinrichtung aufweist: einen Substrahierer (211), der eine Differenz berechnet zwischen elektrischen Signalen, die Positionen von positiven und negativen Beugungslichtstrahlen gleicher Ordnung, welche von der Detektoreinheit (206) ausgegeben werden, repräsentieren, und der den Abstand in Form eines elektrischen Signals ausgibt, und eine Halteschaltung (212), die das von dem Subtrahierer (211) kommende Signal hält, sowie einen Analog/Digital-Umsetzer (213), der das von der Halteschaltung kommende Analogsignal in ein digitales Signal umsetzt, und eine Umsetzeinrichtung (214, 215), die das von dem Analog/Digital-Umsetzer gelieferte Signal in einen Positionsdatenwert der Skala umsetzt.

14. Codierer nach Anspruch 13, bei dem die Umsetzeinrichtung aufweist: einen Speicher (215), in welchem vorab Werte für Abstände zwischen den positiven Beugungslichtstrahlen und den negativen Beugungslichtstrahlen gleicher Ordnung entsprechend den Mustern der Beugungsgitterspur, die mit der Relativbewegung der Skala gegenüber Lichtquelle und Detektoreinheit variieren, gespeichert sind, und einen Vergleicher, der den von dem Analog/Digital-Umsetzer ermittelten Abstand in Beziehung setzt zu dem im Speicher abgespeicherten Abstandswert, und der entsprechende Positionsdaten der Skala ausgibt.

15. Codierer nach Anspruch 13, bei dem die Umsetzeinrichtung einen Arbeitsabschnitt aufweist, der den von dem Analog/ Digital-Umsetzer ermittelten Abstandswert eingibt, eine voreingestellte Formel berechnet, um den Abstandswert in Positionsdaten der Skala umzusetzen, und der die Positionsdaten ausgibt.