DE3901869C2 - Optischer Codierer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Codierer vom Reflexionstyp gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Codierer ist bereits aus der DE-OS-22 07 134 bekannt. Auf diesen Stand der Technik wird weiter unten noch eingegangen.

Auf dem Gebiet der Messung eines Einlaufs oder dgl. bei einem Werkzeug in einer Werkzeugmaschine werden in großem Umfang optische Codierer verwendet, bei denen eine mit einem ersten Gitter versehene Hauptskala an einem von sich gegenüberliegenden Bauteilen befestigt ist, und eine mit einem zweiten Gitter versehene Indexskala, ein eine Lichtquelle enthaltendes Beleuchtungssystem und ein lichtempfangendes Element am anderen Bauteil befestigt sind. Ein periodisch sich änderndes Detektorsignal wird in Abhängigkeit von einer Relativverschiebung zwischen den sich gegenüberliegenden Bauteilen erzeugt.

In einem herkömmlichen optischen Codierer wird ein parallel ausgerichtetes Beleuchtungssystem verwendet.

Das erste und zweite Gitter können unterschiedliche Gitterteilungen aufweisen. Die Gitterteilung des zweiten Gitters ist 1/n (n ist eine natürliche Zahl) der Gitterteilung des ersten Gitters (japanische Patentanmeldung Nr. 61-191532).

Für den optischen Codierer sind ein Durchstrahlungstyp zur Erfassung von durch die Hauptskala 16 hindurchgetretenen Licht, sowie ein Reflexionstyp zur Erfassung von durch die Hauptskala reflektiertem Licht vorgesehen. Bei letzterem, d. h. beim Reflexionstyp, sind ein lichtaussendendes Element und ein lichtempfangendes Element an einer Seite der Hauptskala vorgesehen, so daß letzterer Typ sich dadurch auszeichnet, daß der Einbau in eine Werkzeugmaschine und dgl. erleichtert sein kann.

Die Fig. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen optischen Codierer vom Reflexionstyp unter Verwendung parallel ausgerichteter Beleuchtungsstrahlen mit der lichtemittierenden Diode 12 als Lichtquelle, der Kollimatorlinse 14, durch die das von der lichtemittierenden Diode 12 ausgesendete Licht in ein paralleles Lichtstrahlenbündel umgewandelt wird, der Hauptskala 16, welche mit dem ersten Gitter 18 versehen ist, der lichtdurchlässigen Indexskala 20, welche mit dem zweiten Gitter 22, das dem ersten Gitter 18 der Hauptskala 16 entspricht, versehen ist und welche gegenüber der Hauptskala 16 beweglich ist, und dem lichtempfangenden Element 24 zur photoelektrischen Umwandlung der vom parallel ausgerichteten Beleuchtungssystem reflektierten Strahlen R, wobei die reflektierten Strahlen R durch das erste Gitter 18 der Hauptskala 16 reflektiert sind und durch das zweite Gitter 22 der Indexskala 20 hindurchtreten, und ein periodisches Detektorsignal in Abhängigkeit einer Relativverschiebung zwischen der Hauptskala 16 und der Indexskala 20 erzeugt wird.

Die Verwendung parallel ausgerichteter Beleuchtungsstrahlen erfordert jedoch eine relativ große Kollimatorlinse 14 mit hoher Genauigkeit, so daß der Codierer in Richtung seiner Dicke (D) eine große Abmessung aufweist. Außerdem ergeben sich Schwierigkeiten bei der Fixierung und Positionierung der Einzelbestandteile.

Zur Lösung der genannten Probleme kann ein Codierer vom Reflexionstyp in der japanischen Patentanmeldung Nr. 61-194183 verwendet werden, in welchem eine diffuse Lichtquelle verwendet wird, wie es in Fig. 9 dargestellt ist.

Dieser Codierer vom Reflexionstyp enthält ein Beleuchtungssystem mit einer Laserdioden(LD)-Spitze 34, welche die diffuse bzw. streuende Lichtquelle (eine punktförmige Lichtquelle) darstellt, die Hauptskala 16, welche mit dem periodischen ersten Gitter 18 versehen ist, die lichtdurchlässige Indexskala 24, welche mit dem ersten Gitter 18 der Hauptskala 16 entsprechenden periodischen zweiten Gitter 22 versehen ist, und ein lichtempfangendes Element 24 zur photoelektrischen Umwandlung von vom Beleuchtungssystem kommenden Licht, das durch das erste Gitter 18 der Hauptskala 16 reflektiert ist und durch das zweite Gitter 22 der Indexskala 20 hindurchtritt, wobei ein periodisches Detektorsignal in Abhängigkeit von der Relativverschiebung in einer Richtung X zwischen der Hauptskala 16 und der Indexskala 20 erzeugt wird.

Die Laserdiodenspitze 34 ist in einem Gehäuse 32 untergebracht, welches beispielsweise mit einem Monitor-Lichtempfangselement ausgestattet ist.

Die Abstände zwischen der Laserdiodenspitze 34 und dem ersten Gitter 18 sowie zwischen dem zweiten Gitter 22 und dem ersten Gitter 18 betragen U bzw. V, und die Teilungen des ersten Gitters 18 und des zweiten Gitters 22 sind mit P bzw. Q festgelegt. Bei der am meisten in der Praxis zur Anwendung kommenden Anordnung U = V, wie es in der japanischen Patentanmeldung Nr. 61-194183 der Fall ist, läßt sich bei Q = 2P ein Detektorsignal erzielen mit ausreichendem Störabstand.

Ferner kann in einem kohärenten Fall, bei welchem die punktförmige Lichtquelle (Laserdiodenspitze 34) Kohärenz hat, bei Q = P ein Detektorsignal aufgrund der Beugungswirkung erzielt werden, wie es in der japanischen Patentanmeldung Nr. 61-194183 vorgeschlagen wird.

Ferner erhält man unter der Bedingung Q = 2P/m (m ist eine natürliche Zahl) ein Detektorsignal, wie das aus den japanischen Patentanmeldungen Nr. 61-208554 und 61-208555, welche ebenfalls vom Anmelder stammen, sich ergibt.

Wie oben erläutert, erreicht man beim Codierer vom Reflexionstyp, bei welchem die punktförmige Lichtquelle (34) verwendet wird, verringerte Dickenabmessungen (D).

Bei Verwendung der Laserdiode ist es jedoch erforderlich, einen relativ großen Behälter 32 für die Laserdiodenspitze 34 vorzusehen, obgleich die Laserdiodenspitze 34 selbst nur geringe Abmessungen aufweist. Dies hat seinen Grund in der entstehenden Strahlungswärme und dgl. Insbesondere bei einem Aufbau, bei welchem U = V gewährleistet ist, ist es schwierig, die Lichtquelle und das lichtempfangende Element 24 nahe beieinander anzuordnen. Es ist daher nicht möglich, den Codierer in einer Richtung parallel zu einer Ebene, in welcher die Teilung (des ersten Gitters 18) der Hauptskala 16. gebildet ist, klein zu bemessen.

Außerdem ist es erforderlich, die punktförmige Lichtquelle schräg anzuordnen, und normalerweise ist es notwendig, eine Mehrzahl von Paaren der zweiten Gitter 22 und der lichtempfangenden Elemente 24 in entsprechender Zuordnung zu Phasen von 0°, 90°, 180°, 270° usw. des Detektorsignals vorzusehen. Bei dem Codierer dieses Typs ergeben sich daher Schwierigkeiten bei der Montage und Lagerung der angesprochenen Bauteile.

Zur Vermeidung der geschilderten Nachteile besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen optischen Codierer zu schaffen, bei welchem die Abhängigkeit des Störabstands, also des Signal-Rauschverhältnisses des Detektorsignals vom Gitterspalt gering ist und bei welchem gleichzeitig die Codiererabmessungen nicht nur in Richtung der Dicke, sondern auch in Richtung parallel zu einer Ebene, in welcher die Teilung der Hauptskala gebildet ist, verringert sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen optischen Codierer entsprechend Anspruch 1 gelöst.

Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung können bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, welches ein Codierer vom Reflexionstyp ist, eine punktförmige Lichtquelle so, wie sie ist, verwendet werden, wobei die Beleuchtungsstrahlen nicht parallel gerichtet werden. Hierbei werden die von der primären punktförmigen Lichtquelle divergierend ausgesendeten Lichtstrahlen durch die Kondensorlinse fokussiert.

Dies wird bereits in DE-OS 22 07 134 und DE-GM 19 11 234 vorgeschlagen. Im Gegensatz zu diesen Dokumenten wird jedoch hier die Lichtquelle auf die Indexgitterebene abgebildet, wo sie eine sekundäre punktförmige Lichtquelle bildet.

Wenn ferner diese Abbildung in einer Öffnung der Indexgitterebene angeordnet ist, werden keine übermäßig gestreuten Strahlen auf die Gitter gerichtet, so daß das Detektorsignal mit einem ausreichenden Störabstand erhalten werden kann.

Da der Durchmesser der Kondensorlinse geringer ist als der einer Kollimatorlinse, lassen sich die Abmessungen des Codierers vom Reflexionstyp nicht nur in Richtung seiner Dicke, sondern auch in Richtung parallel zu einer Ebene, in welcher die Teilung der Hauptskala gebildet ist, verringern. Da ferner die Notwendigkeit der schrägen Anordnung der punktförmigen Lichtquelle und dgl. nicht mehr vorhanden ist, ergibt sich eine vereinfachte Anordnung und Lagerung der entsprechenden Bauteile.

Wenn ferner die Kondensorlinse säulenförmig ausgebildet ist, und einen ortsabhängigen Brechungsindex aufweist, wie es z. B. in DE 37 00 9065 A1 vorgeschlagen ist, läßt sich diese Linse mit äußerst geringen Abmessungen ausbilden. Man gewinnt dann einen Codierer mit kompakter Gestalt.

Wenn das zweite Gitter in vier Abschnitte, 22A bis 22D, die voneinander einen Phasenunterschied von 90° aufweisen, unterteilt ist und die Abbildung der Lichtquelle in der Mitte der vier Abschnitte des zweiten Gitters angeordnet ist, können die vier Abschnitte des zweiten Gitters im wesentlichen gleichförmig beleuchtet werden, und der Codierer kann mit kompakter Form hergestellt werden.

Anhand der Figuren, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, wird die Erfindung noch näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematische Darstellung zur Erläuterung eines optischen Codierers.

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung der allgemeinen Anordnung bei einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 3 eine schnittbildliche Darstellung entlang der Schnittlinie IV-IV in Fig. 2;

Fig. 4 eine schnittbildliche Darstellung entlang der Schnittlinie V-V in Fig. 3;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht der allgemeinen Anordnung bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 6 eine schnittbildliche Darstellung entlang der Schnittlinie VIII-VIII in Fig. 5;

Fig. 7 eine schnittbildliche Darstellung entlang der Schnittlinie IX-IX in Fig. 6;

Fig. 8 eine schnittbildliche Darstellung eines Codierers vom Reflexionstyp unter Verwendung parallelgerichteter Beleuchtungsstrahlen; und

Fig. 9 eine schnittbildliche Darstellung der Anordnung eines Codierers vom Reflexionstyp unter Verwendung einer diffusen Lichtquelle, so, wie sie ist, welche in der japanischen Patentanmeldung Nr. 61-194183 der Anmelderin beschrieben ist.

Ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen linearen Codierers vom Reflexionstyp enthält, wie in den Fig. 2 bis 4 dargestellt ist,

• - eine diffuse Lichtquelle 30 mit einer Laserdiodenspitze 34 (entsprechend Fig. 3), die in einem Behälter 32 angeordnet ist;
• - eine Hauptskala 16, an welcher ein erstes Gitter 18 mit einer Teilung P gebildet ist;
• - eine lichtdurchlässige Indexskala 20, welche mit entsprechenden vier zweiten Gittern 22A, 22B, 22C, 22D (wie es in Fig. 4 gezeigt ist) versehen ist; und
• - vier lichtempfangende Elemente 24 (wie es Fig. 3 zeigt) zur photoelektrischen Umwandlung von Licht, das von der diffusen Lichtquelle 30 ausgesendet, vom ersten Gitter 18 reflektiert und durch die entsprechenden zweiten Gitter 22A bis 22D hindurchgeleitet wird, wobei zwei Detektorsignale a und b erzeugt werden in Abhängigkeit von einer Relativverschiebung zwischen der Hauptskala 16 und der Indexskala 20;

Wie in Fig. 3 im einzelnen gezeigt ist, enthält die diffuse Lichtquelle 30 die Laserdiodenspitze 34 als primäre punktförmige Lichtquelle und als Kondensorlinse eine säulenförmige Linse 40 mit ortsabhängigen Brechungsindex zur Fokussierung der divergierend von der Laserdiodenspitze 34 ausgesendeten Strahlen zur Abbildung der Lichtquelle. Diese Abbildung bildet eine sekundäre punktförmige Lichtquelle und befindet sich in einer Ebene (Oberflächenschicht aus abgeschiedenem Chrom) 42, in welcher die zweiten Gitter 22A bis 22D auf der Indexskala 20 gebildet sind.

Die Hauptskala 16 ist aus einer Glasplatte gefertigt, und an einer Oberfläche (Außenfläche) derselben ist, wie die Fig. 2 zeigt, das erste Gitter 18 aus einer streifenförmigen periodischen Aufteilung mit einer Teilung P gebildet.

Wie die Fig. 4 im einzelnen darstellt, besitzen auf der Indexskala 20 die zweiten Gitter 22A, 22B, 22C und 22D zueinander gleiche Teilungen. Die zweiten Gitter sind in vier Abschnitten angeordnet, welche Phasen von 0°, 180°, 90° und 270° entsprechen. Eine mittlere Öffnung 52, an welcher die sekundäre Lichtquelle positioniert ist und durch welche das Licht hindurchtritt, wird in der Oberfläche 42, auf welcher Chrom abgeschieden ist, gebildet.

Die mittlere Öffnung 52 kann eine Höhe von beispielsweise 0,4 mm und eine Breite von beispielsweise 0,1 mm aufweisen. Durch eine säulenförmig sich erstreckende Sammellinse 40 vom Brechungsindextyp (beispielsweise eine mit Selfoclens bezeichnete Linse der Firma Nippon Sheet Glass Co., Ltd.) werden die von der Laserdiodenspitze 34 divergierend ausgesendeten Strahlen fokussiert, so daß eine sekundäre punktförmige Lichtquelle 54 gebildet wird (siehe Fig. 3).

Wie die Fig. 3 zeigt, sind die vier lichtempfangenden Einrichtungen 24, welche den zweiten Gittern 22A bis 22D entsprechenden, auf einer Lichtempfangstafel 56 angeordnet. Die lichtempfangenden Einrichtungen 24 befinden sich, wie durch strichlierte Linien in Fig. 4 gezeigt ist, in einem bestimmten Positionsbezug zu den zweiten Gittern 22A bis 22D. Jeweils zwei Gitter und die beiden jeweils zugeordneten lichtempfangenden Einrichtungen bilden Paare, von denen mit Hilfe von Differenzverstärkern 60 und 62 Detektorsignale a und b abgeleitet und erzeugt werden.

Die Kondensorlinse 40 wird vom verteilten Brechungsindextyp ist in die Mitte der Lichtempfangstafel 56 eingesetzt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Notwendigkeit einer erhöhten Anzahl an lichtempfangenden Elementen vermieden werden, so daß man einen Codierer mit vereinfachtem Aufbau erreicht.

Ferner wird bei diesem Ausführungsbeispiel die sekundäre punktförmige Lichtquelle 54 unter Verwendung einer Linse 40 vom verteilten Brechungsindextyp als Sammellinse gebildet, so daß man im wesentlichen ideal diffuse Strahlen erhalten kann.

Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im einzelnen wie folgt erläutert.

Wie die Fig. 5 zeigt, wird die Hauptskala 16 des zweiten Ausführungsbeispiels gebildet durch das erste Gitter 18, das dem beim ersten Ausführungsbeispiel gezeigten Gitter gleicht, eine Spur 43 für erste Absolutnullpunkt(ABS)-Markierungen, umfassend die ersten ABS-Markierungen 44 aus einem willkürlichen Muster und dazwischen angeordneten Abschnitten 45 aus abgeschiedenem Chrom sowie einer Fläche 46 mit abgeschiedenem Chrom zur Erzeugung eines Bezugssignals für ein ABS-Signal.

Wie die Fig. 7 im einzelnen zeigt, wird die Indexskala 18 des zweiten Ausführungsbeispiels gebildet durch die zweiten Gitter 22A, 22B, 22C und 22D, der Öffnung 52, welche ähnlich der beim ersten Ausführungsbeispiel gezeigten Öffnung ist, eine zweite Absolutnullpunkt(ABS)-Markierung 48, deren Muster durch Verdopplung der ersten ABS-Markierungen 44 gewonnen wird, und eine Bezugs-ABS-Markierung 50 in Streifenform in Richtung senkrecht zu den zweiten Gittern 22A, 22B, so daß der Wert des durchtretenden Lichts verringert ist zum Ausgleich mit dem Wert des Lichts, der durch die ABS- Markierungen 44 und 48 hindurchgetreten ist.

Wie die Fig. 6 zeigt, sind den vier zweiten Gittern 22A bis 22D entsprechende sechs lichtempfangende Elemente 22, die zweite ABS-Markierung 48 und die Bezugs-ABS-Markierung 50 auf der Lichtempfangstafel 56 vorgesehen. Aus der Fig. 7 ist durch die strichlierten Linien die positionelle Zuordnung ersichtlich. Zwei lichtempfangende Elemente bilden ein Paar. Ein durch die zweite ABS-Markierung 48 erzeugtes Signal wird mit einem durch die Bezugs-ABS-Markierung 50 erzeugtes Signal in einem Komparator 58 verglichen und in das ABS-Signal Z geformt. Die von den zweiten Gittern 22A, 22D erzeugten Signale werden in die zwei Detektorsignale a und b mit Hilfe der Differenzverstärker 60 und 62 geformt.

Der Spalt V zwischen der Ebene, in welcher das erste Gitter 18 gebildet ist, und der Ebene, in welcher das zweite Gitter gebildet ist (Oberfläche 42 mit dem abgeschiedenen Chrom), stimmt mit dem Spalt U überein zwischen der sekundären punktförmigen Lichtquelle 54 und der Ebene, in welcher das erste Gitter 18 gebildet ist. Bei der Bemessung von U (V) = 6 mm, P = 8 Mikron und Q = 8 Mikron waren die Teilungen der Detektorsignale a und b 4 Mikron, und der Störabstand war ausreichend in den Versuchen.

Die Linse 40 vom verteilten Brechungsindextyp ist bei diesem Ausführungsbeispiel als Kondensorlinse geeignet, so daß man den Detektor in einer kompakten Bauform herstellen kann. Der Aufbau der Kondensorlinse ist nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Es können auch herkömmliche Glaslinsen angewendet werden.

Wenn die Kondensorlinse auf diese Weise verwendet wird, könnte auf den ersten Blick der Eindruck entstehen, daß der Codierer in Richtung seiner Dicke eine relativ große Abmessung aufweist. Die Kondensorlinse kann jedoch mit geringer Abmessung hergestellt werden als dies der Fall ist bei parallel ausgerichteten Strahlen mit Hilfe herkömmlicher Kollimatorlinsen.

Da die sekundäre punktförmige Lichtquelle 54 in der Mitte der vier Abschnitte der zweiten Gitter 22A bis 22D bei diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen ist, können die zweiten Gitter im wesentlichen gleichförmig bestrahlt werden, und man erhält einen Codierer mit kompakten Aufbau. Die Anzahl der Abschnitte der zweiten Gitter und die Position, an welcher die sekundäre punktförmige Lichtquelle 54 angeordnet ist, sind nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt.

Da die sekundäre punktförmige Lichtquelle sich als Brennpunkt in einer kleinen quadratischen Öffnung 52 in der Ebene darstellt, in welcher das zweite Gitter beim Ausführungsbeispiel gebildet ist, sind keine übermäßig gestreuten Strahlen auf das Gitter 18 gerichtet, und man erhält Detektorsignale a und b mit ausreichenden Störabständen. Die Gestalt und Größe der Öffnung 52, durch welche die bestrahlenden Strahlen treten, ist nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt.

Da die Hauptskala 16 aus Glas besteht und das erste Gitter 16 und dgl. an der Außenfläche der Hauptskala 16 beim dargestellten Ausführungsbeispiel gebildet sind, läßt sich der Codierer im Hinblick auf die Dicke der Hauptskala 16 kompakt ausbilden. Die Anordnung der Hauptskala ist nicht auf die dargestellte Ausführungsform beschränkt. Es kann ebenfalls eine Skala vom metallischen Reflexionstyp verwendet werden.

Da beim dargestellten Ausführungsbeispiel die ABS-Markierungen 44 und 48 in Kombination verwendet werden, um das ABS-Signal Z zu erhalten, läßt sich eine Korrektur durch Erfassung eines Absolutnullpunktes erreichen. Die Anordnung zur Erzielung des ABS-Signals Z, beispielsweise die ABS-Markierungen, können auch fehlen.

Bei der Beschreibung obiger Ausführungsbeispiele der Erfindung werden bei den Codierern Skalen verwendet, die aus Glas bestehen, jedoch ist die Erfindung hierauf nicht beschränkt. Die Erfindung kann auch bei Codierern, welche eine metallische Skala enthalten, oder bei umlaufenden Codierern zur Anwendung kommen.

Claims (4)

1. Codierer vom Reflexionstyp mit

• - einem Beleuchtungssystem;
• - einer in einer Ebene angeordneten Hauptskala, an welcher ein periodisches erster Gitter gebildet ist;
• - einer in einer weiteren Ebene angeordneten lichtdurchlässigen Indexskala, an welcher entsprechende periodische zweite Gitter gebildet sind; und
• - einer lichtempfangenden Einrichtung zur photoelektrischen Umwandlung von Licht, das von dem Beleuchtungssystem ausgesendet, vom ersten Gitter reflektiert und durch die zweiten Gitter hindurchgeleitet wird, wobei das Beleuchtungssystem eine punktförmige Lichtquelle und eine Kondensorlinse zur Fokussierung der diffusen, von der punktförmigen Lichtquelle kommenden Strahlen aufweist und mit Hilfe der lichtempfangenden Einrichtung periodische Detektorsignale in Abhängigkeit von der Relativverschiebung der beiden Skalen innerhalb ihrer Ebenen erzeugbar sind,

dadurch gekennzeichnet, daß die punktförmige Lichtquelle (34) mittels der Kondensorlinse (40) in eine Öffnung (52) in der Indexskala (20) punktförmig abgebildet ist.

2. Codierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatorlinse (40) säulenförmig ist und einen ortsabhängigen Brechungsindex aufweist.

3. Codierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Gitter (22A, 22B, 22C und 22D) in vier Abschnitte mit jeweils 90° Phasenunterschied zueinander unterteilt sind und die Abbildung (54) der punktförmigen Lichtquelle (34) in der Mitte der vier Abschnitte der zweiten Gitter (22A, 22B, 22C und 22D) liegt.