DE3904898A1

DE3904898A1 - Optischer kodierer

Info

Publication number: DE3904898A1
Application number: DE3904898A
Authority: DE
Inventors: Souji Ichikawa
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1988-02-22
Filing date: 1989-02-17
Publication date: 1989-08-31
Anticipated expiration: 2009-02-18
Also published as: JPH07888Y2; DE3904898C2; GB8903837D0; CN1036633A; GB2216256A; GB2216256B; US5026164A; JPH01180615U; CN1015407B; IN171487B; US5067816A

Description

Die Erfindung betrifft optische Kodierer. Insbesondere betrifft die Erfindung einen sogenannten Drei-Gitter optischen Kodierer, welcher drei (bei einem Transmissionskodierer) oder zwei (bei einem Reflexionskodierer) Skalen aufweist, von denen jede mit periodischen Gittern dreier Arten versehen ist, sowie eine Lichtquelle zur Beleuchtung der Gitter der drei Arten, und ein lichtempfangendes Element zum Nachweis von Beleuchtungslicht, welches durch die Gitter dieser drei Arten beschränkt wird, wobei periodisches Nachweissignal in Übereinstimmung mit einer Relativverschiebung zwischen zwei Teilen erzeugt wird.

Bei Werkzeugmaschinen und dergleichen ist als Einrichtung zur Messung einer Relativverschiebung zwischen einem stationären Teil und einem beweglichen Teil eine Verschiebungsmessungseinrichtung bekannt, die einen optischen Kodierer zur Erzeugung eines periodischen Nachweissignals in Übereinstimmung mit einer Relativverschiebung aufweist sowie einen Zähler zur Umwandlung der Nachweissignale und Impulse, und zum Zählen und Integrieren der Impulse.

Als optischer Kodierer ist zusätzlich zu einem konventionellen Kodierer, bei welchem die Änderungen in der Überlappung von Gittern zweier Arten verwendet wird, ein sogenanntes Drei-Gitter-System bekannt, bei welchem Änderungen in der Überlappung von Gittern dreier Arten 12, 14 und 16 genutzt werden, wie in Fig. 11 gezeigt ist. Das Grundprinzip dieses Drei-Gitter-Systems ist im Journal of the Optical Society of America, 1965, Band 55, Nr. 4, S. 373-381 gezeigt und, wenn auch in nicht perfekter Form, in der US-PS 38 12 352 und der englischen Patentanmeldung Nr. 44 522/74 beschrieben.

Fig. 11 stellt das System dar, das in Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE), Band 136, 1st European Congress on Optics Applied to Metrology (1977), S. 235-331 beschrieben ist.

Vereinfacht umfaßt dieses Drei-Gitter-System, wie in Fig. 11 gezeigt ist, ein erstes Gitter 12 mit einer Gitterteilung P 1, ein zweites Gitter 14 mit einer Gitterteilung P 2, welches um einen Abstand u von dem ersten Gitter 12 entfernt angeordnet ist, ein drittes Gitter 16 mit einer Gitterteilung P 3, welches um einen Abstand v von dem ersten Gitter 12 und dem zweiten Gitter 14 gegenüberliegend angeordnet ist, eine Lichtquelle 18 zur Aussendung diffusen Beleuchtungslichts in Richtungen des ersten und dritten Gitters 12, 16 durch das zweite Gitter 14, ein hinter dem dritten Gitter 16 angeordnetes lichtempfangendes Element 20 zum Nachweis des Beleuchtungslichts, welches durch das erste bis dritte Gitter 12, 14, 16 behindert wird, und zur photoelektrischen Wandlung des Lichts, sowie einen Vorverstärker 22 zur Verstärkung eines Signals von dem lichtempfangenden Element 20 und zur Wandlung des Signals in ein Nachweissignal a, wobei das Nachweissignal a periodisch im wesentlichen wie ein Sinussignal schwankt, wenn das erste Gitter 12 in eine Richtung x verschoben wird.

Die Beziehungen zwischen den Teilungen der voranstehend angegebenen Parameter P 1, P 2, P 3, u, v und dem Nachweissignal a können, wie in Tabelle 1 dargestellt ist, in zwei Gruppen aufgeteilt werden, nämlich ein geometrisches System und ein Beugungssystem. In Tabelle 1 ist l eine natürliche Zahl und λ eine effektive Wellenlänge des Beleuchtungslichts.

Tabelle 1

Bei dem voranstehend beschriebenen konventionellen Drei-Gitter-System ist beispielsweise im Falle des geometrischen Systems unter der Voraussetzung, daß die Länge eines dunklen Abschnitts des ersten Gitters 12 gleich einer Länge eines hellen Abschnitts = 10 µm ist, die Teilung P 1 = 20 µm ist, und der Abstand u der Gitter = v = 5 mm beträgt, bekannt, daß die Teilung P 2 des zweiten Gitters 14 sich ergibt zu ((u + v)/v) P 1 = 40 µm, und daß sich die Teilung P 3 des dritten Gitters 16 ergibt zu ((u + v)/u) P 1 = 40 µm.

Weiterhin ist im Falle des Beugungssystems mit den Annahmen, daß die Länge eines dunklen Abschnitts des ersten Gitters 12 = einer Länge eines hellen Abschnitts = 20 µm ist, die Teilung P 1 = 40 µm und der Abstand u = dem Abstand v = 5 mm, beispielsweise, bekannt, daß sich die Teilung P 2 des zweiten Gitters 14 ergibt zu ((u + v)/u) P 1/2 = 40 µm, und daß die Teilung P 3 des dritten Gitters sich ergibt zu ((u + v)/u) ( P 1/2) = 40 µm.

Allerdings ergibt sich bei dem konventionellen Drei-Gitter-System, wie in Fig. 12 gezeigt ist, zwar eine genügende Gleichstromkomponente DC des Nachweissignals a, jedoch nur eine niedrige Wechselstromkomponente PP des periodischen Signals, so daß kein genügendes Signal-Rauschverhältnis erhalten wird, wie es für nachgeordnete elektrische Schaltkreise erforderlich ist.

Der Erfinder hat in 11 Fällen bei dem konventionellen Verfahren Versuche durchgeführt, bei welchen jeweils mit dem voranstehend angegebenen geometrischen System die Gitterherstellung P 1 = 20 µm war, P 2 = 40 µm, P 3 = 40 µm, der Abstand der Gitter u = v = 5 mm, und sämtliche Gitter die gleiche Länge heller und dunkler Abschnitte aufwiesen, und es wurde festgestellt, daß die Signal-Rauschverhältnisse (SN-Verhältnisse) gemäß der nachstehenden Definition im niedrigsten Falle 12% betrugen, im höchsten Falle 17% und im Durchschnitt 14,7%, so daß kein zufriedenstellendes Signal-Rauschverhältnis erhalten wurde:

SN-Verhältnis = (PP/DC) × 100% (1)

Weiterhin ergab sich bei dem konventionellen Verfahren, bei welchem mit dem voranstehend angegebenen Beugungssystem die Gitterteilung P 1 = 40 µm, P 2 = 40 µm, P 3 = 40 µm betrug, der Abstand der Gitter u = v = 5 mm war, und sämtliche Gitter die gleiche Länge heller und dunkler Abschnitte aufwiesen, in deutlicher Weise, daß die derart erhaltenen Werte im wesentlichen die gleichen waren wie voranstehend beschrieben, so daß kein zufriedenstellendes Signal-Rauschverhältnis erhalten wurde.

Weiterhin ergibt sich, daß dann, wenn ein Reflexionskodierer mit dem Drei-Gitter-System realisiert werden soll, und wenn nur das erste Gitter 12 auf einer Hauptskala des reflektierenden Typs ausgebildet ist, und das zweite Gitter 14 und das dritte Gitter 16 auf der Indexskala in üblicher Weise verwendet werden, die Gitterkonstante P 2 = P 3 ist, und hieraus ergibt sich der Nachteil, daß P 2 und P 3 nicht so geändert werden können, daß sie eine unterschiedliche Teilung aufweisen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die voranstehend beschriebenen Schwierigkeiten zu beseitigen, die beim Stand der Technik auftreten, und einen optischen Kodierer bereitzustellen, mit welchem ein Nachweissignal mit einem genügend hohen Signal-Rauschverhältnis erhalten werden kann, so daß Messungen mit hoher Genauigkeit ausgeführt werden können.

Ein Vorteil der Erfindung liegt in der Bereitstellung eines optischen Kodierers des reflektierenden Typs, bei welchem die Teilungen P 2 und P 3 des zweiten beziehungsweise dritten Gitters, die bei dem optischen Kodierer des reflektierenden Typs auf der einen gleichen Skala (Indexskala) gebildet werden, voneinander unterschiedliche Werte aufweisen können, so daß sich eine größere konstruktive Freiheit ergibt.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt gemäß der vorliegenden Erfindung durch einen optischen Kodierer mit
einer ersten Skala, die an einem der relativ zueinander beweglichen Teile befestigt und mit einem ersten Gitter versehen ist;
einer Lichtquelle zur Aussendung eines nichtkollimierten Beleuchtungslichts; einer mit einem zweiten Gitter versehenen zweiten Skala zur teilweisen Abschirmung des Beleuchtungslichts von der Lichtquelle und zur Beleuchtung des ersten Gitters; einer mit einem dritten Gitter versehenen dritten Skala zur weiteren Behinderung des Beleuchtungslichts, welches durch das zweite und das erste Gitter behindert wurde; und mit einem lichtempfangenden Element zum Nachweis des Beleuchtungslichts, welches durch das erste bis dritte Gitter behindert wurde; wobei eine Befestigung an dem anderen der relativbeweglichen Teile erfolgt, und wobei eine Relativverschiebung zwischen den beiden Teilen mittels einer periodischen Änderung eines Nachweissignals von dem lichtempfangenden Element nachgewiesen wird, und
wobei eine Teilung P 2 des zweiten Gitters auf einen Wert gesetzt wird, die größer ist als eine Teilung P 1 des ersten Gitters, und eine Länge eines lichtdurchlässigen Abschnitts des zweiten Gitters auf einen Wert gesetzt wird, der kleiner ist als die Länge der Teilung P 1 des ersten Gitters.

Die weiteren Vorteile werden gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem optischen Kodierer des Reflexionstyps erzielt, welcher
eine erste Skala des Reflexionstyps aufweist, welche an einem der relativbeweglichen Teile befestigt und mit einem ersten Gitter versehen ist;
eine Lichtquelle zur Aussendung eines nichtkollinierten Beleuchtungslichts; eine mit einem zweiten Gitter versehene zweite Skala zur teilweisen Abschirmung des Beleuchtungslichts von der Lichtquelle und zur Beleuchtung des ersten Gitters, und mehrere dritte Gitter, die eine voneinander verschiedene Phase aufweisen und von dem zweiten Gitter getrennt sind, um das Beleuchtungslicht weiter einzuschränken, welches durch das zweite und erste Gitter eingeschränkt wurde, und mehrere lichtempfangende Elemente zum Nachweis des Beleuchtungslichts, welches durch das erste und die jeweiligen dritten Gitter behindert wurde, wobei eine Befestigung an dem anderen der relativbeweglichen Teile erfolgt, und
wobei eine Relativverschiebung zwischen den beiden Teilen mittels einer periodischen Änderung von Nachweissignalen von den lichtempfangenden Elementen nachgewiesen wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird bei dem optischen Kodierer des Drei-Gitter-Systems, wie er voranstehend beschrieben wurde, die Teilung P 2 des zweiten Gitters zur Beleuchtung des ersten Gitters auf einen Wert gesetzt, der größer ist als die Teilung P 1 des ersten Gitters, und die Länge des lichtdurchlässigen Abschnitts (hellen Abschnitts) wird auf einen Wert gesetzt, der kleiner ist als die Länge der Teilung P 1 des ersten Gitters, so daß die Inkohärenz zwischen dem Beleuchtungslicht, das durch das zweite Gitter hindurchgelassen wird, verbessert und das Signal-Rauschverhältnis des Nachweissignals erhöht wird. Demzufolge wird die Signalverarbeitung in einer späteren Stufe erleichtert, und es kann ein Nachweis der Verschiebung mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden.

Im Einzelnen ist es vorzuziehen, wie in Fig. 1 gezeigt ist, daß inkohärente sekundäre Lichtquellen, die so wenig Gemeinsamkeiten miteinander aufweisen wie möglich, auf hellen Abschnitten 14 B 1, 14 B 2, . . ., 14 Bn des zweiten Gitters 14 gebildet werden. Mit anderen Worten sind im Idealfall die sekundären Lichtquellen, die auf den voranstehend genannten hellen Abschnitten 14 B 1, 14 B 2, . . ., 14 Bn gebildet werden, die sekundären Lichtquellen, die nicht zueinander kohärent sind. Wenn jedoch das zweite Gitter 14 durch Verwendung einer lichtemittierenden Diode (LED) oder einer Lampe als Primärlichtquelle 18 beleuchtet wird, ist es schwierig, wenn die Intervalle zwischen den hellen Abschnitten 14 B klein sind, die sekundären Lichtquellen inkohärent voneinander auszugestalten, und wenn das erste Gitter 12 in eine Relativbewegung versetzt wird, wird das Signal-Rauschverhältnis des Nachweissignals des lichtempfangenden Elements 20 verschlechtert. Daher wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Teilung P 2 des zweiten Gitters auf einen Wert gesetzt, der größer ist als die Teilung P 1 des ersten Gitters 12, und die Länge des hellen Abschnitts 14 B des zweiten Gitters 14 wird auf einen Wert gesetzt, der kleiner ist als die Länge der Teilung P 1 des ersten Gitters 12, so daß die Intervalle zwischen den hellen Abschnitten 14 B vergrößert werden, wodurch die Inkohärenz zwischen den sekundären Lichtquellen verbessert wird.

Genauer gesagt werden, wenn die Teilung P 2 des zweiten Gitters 14 größer ist als die Teilung P 1 des ersten Gitters 12, die Beugungseigenschaften (der Grad der Schrägbeleuchtung) des das erste Gitter 12 beleuchtenden Lichtes vergrößert. Weiterhin gelangt, wenn der helle Abschnitt 14 B des zweiten Gitters 14 klein ist, der helle Abschnitt 14 B eng an die Punktlichtquelle, wodurch die Lichtquelle äußerst diffus wird. Dies führt dazu, daß es wünschenswert ist, daß die Teilung P 2 des zweiten Gitters 14 gleich der Länge der Teilung P 1 des ersten Gitters 12 oder kleiner als diese ist. Das erste Gitter 12 wird durch das derart stark diffuse Licht beleuchtet, wodurch die Signalkomponente PP im Vergleich zur Gleichstromkomponente DC groß wird, so daß insbesondere das Signal-Rauschverhältnis verbessert wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann, wenn diese Beziehungen durch nachstehend angegebene allgemeine Formeln dargestellt werden, ein Gitterbild entsprechend dem geometrischen System nachgewiesen werden.

P 2 ((u + v)/v) m 1 P 1 P 1 (1)

P 3 ((u + v)/u) n 1 P 1 (2)

Länge des hellen Abschnitts des zweiten Gitters = Länge der Teilung P 1 des ersten Gitters (3)

u = v = d (beim reflektierenden Typ) (4)

oder

v = luP 1²/(λ u-lP 1²) bei einem Transmissionstyp) (5)

Hier ist m 1 eine positive ganze Zahl größer als 1, und es wird bevorzugt, daß n 1 eine positive ganze Zahl größer als 1 ist, also eine natürliche Zahl, und l ist eine natürliche Zahl.

Weiterhin kann, wenn die voranstehenden Beziehungen durch die nachstehend angegebenen allgemeinen Formeln gegeben sind, ein Gitterbild entsprechend dem Beugungssystem nachgewiesen werden.

P 2 ((u + v)/v) m 2 P 1/2 P 1 (6)

P 3 ((u + v)/u) n 2 P 1/2 (7)

Länge des hellen Abschnitts des zweiten Gitters = Länge der Teilung P 1 des ersten Gitters (7)

u = v = d (beim reflektierenden Typ) (9)

oder

v = luP 1²/(λ u-lP 1²) bei einem Transmissionstyp) (10)

Hier ist m 2 eine positive ganze Zahl größer als 1, und vorzugsweise ist n 2 eine positive ungerade Zahl größer als 1.

Nach den vom Erfinder durchgeführten Versuchen lag der optimale Bereich des Verhältnisses zwischen der Länge eines lichtabschirmenden Abschnitts 14 A und der des lichtdurchlässigen Abschnitts 14 B des zweiten Gitters 14 bei 3 : 1 bis 7 : 1.

Weiterhin ergaben sich gemäß den von dem Erfinder durchgeführten Versuchen bei der Messung der Signal-Rauschverhältnisse, ebenso wie bei dem Beispiel nach dem Stand der Technik, bei 11 Proben mit dem in Fig. 1 dargestellten geometrischen System Werte der Gitterteilung P 1 des ersten Gitters 12 = 20 µm (wobei die Länge des hellen Abschnitts 12 B = der Länge des dunklen Abschnitts 12 A = 12 µm betrug), der Gitterteilung P 2 des zweiten Gitters 14 von 80 µm (dies war doppelt so groß wie bei dem konventionellen Verfahren, und die Länge des hellen Abschnitts 14 B betrug 20 µm und die Länge des dunklen Abschnitts 14 A betrug 60 µm), der Gitterteilung P 3 des dritten Gitters 16 von 40 µm (die Länge des hellen Abschnitts war = der Länge des dunklen Abschnitts = 20 µm), und des Abstands u zwischen den Gittern = v = 5 mm. Das Signal-Rauschverhältnis betrug 25% im niedrigsten, 35% im höchsten Fall und 30,4% im Durchschnitt, so daß bestätigt wurde, daß das Signal-Rauschverhältnis auf einen etwa doppelt so großen Wert, verglichen mit dem Beispiel nach dem Stand der Technik, erhöht wurde.

Bei dem Beugungssystem, welches in Fig. 2 dargestellt ist, wurden im wesentlichen dieselben Werte wie bei dem geometrischen System erhalten, wenn folgende Werte verwendet wurden:

Die Gitterteilung P 1 des ersten Gitters 12 betrug 40 µm (die Länge des hellen Abschnitts 12 B war = der Länge des dunklen Abschnitts 12 A = 20 µm), die Gitterteilung P 2 des zweiten Gitters 14 betrug 80 µm (dies war doppelt so groß wie bei dem konventionellen Verfahren, und die Länge des hellen Abschnitts 14 B betrug 20 µm und die Länge des dunklen Abschnitts 14 A 60 µm), die Gitterteilung P 3 des dritten Gitters 16 betrug 40 µm (die Länge des hellen Abschnitts war = der Länge des dunklen Abschnitts = 20 µm), und der Abstand der Gitter u war = v = 5 mm.

Tatsächlich müssen gemäß der vorliegenden Erfindung die Lichtquelle 18 und das zweite Gitter 14 nicht notwendigerweise voneinander entfernt sein, und es kann, wie in Fig. 3 gezeigt ist, eine feldförmige Lichtquelle 30 verwendet werden, bei welcher die Lichtquellen und das zweite Gitter miteinander integriert sind. In diesem Fall kann der Aufbau vereinfacht werden.

Weiterhin müssen das dritte Gitter 16 und die lichtaufnehmenden Elemente 20 nicht notwendigerweise voneinander getrennt sein, und es kann, wie aus Fig. 4 hervorgeht, ein feldförmiges lichtempfangendes Element 32 verwendet werden, in welchem das dritte Gitter und die lichtempfangenden Elemente miteinander vereinigt sind. Auch auf diese Weise läßt sich der Aufbau vereinfachen.

Weiterhin können sowohl die feldförmige Lichtquelle 30 und das feldförmige lichtempfangende Element 32 zur selben Zeit eingesetzt werden. In diesem Fall ergibt sich eine weitere Vereinfachung des Aufbaus.

Wenn weiterhin der Reflexions-Kodierer durch Verwendung des Drei-Gitter-Systems verwirklicht werden soll, wenn nur das erste Gitter 12 auf einer ersten Skala des Reflexionstyps erzeugt wird, und das zweite Gitter 14 und das dritte Gitter 16 auf der zweiten (der dritten) Skala gemeinsam verwendet werden, dann ist die Gitterteilung P 2 = P 3, so daß P 2 und P 3 in ihren Werten in Bezug aufeinander nicht geändert werden können. Demzufolge werden das zweite Gitter 14 und das dritte Gitter 16 getrennt voneinander auf der zweiten Skala in voneinander unterschiedlichen Lagen hergestellt, und weiterhin werden mehrere dritte Gitter 16 mit voneinander unterschiedlicher Phase hergestellt, so daß mehrere Lichtempfangssignale erhalten werden können, die sich in der Phase voneinander unterscheiden.

Mit der voranstehend beschriebenen Anordnung können selbst bei einem Kodierer des Reflexionstyps die Gitterteilungen P 2 und P 3 mit voneinander unterschiedlichen Werten gewählt werden, so daß sich eine höhere Freiheit beim Entwurf ergibt.

Weiterhin läßt sich ein Kodierer des Reflexionstyps eines gewünschten Drei-Gitter-Systems verwirklichen, der Kodierer kann eine geringe Größe aufweisen, verglichen mit dem Transmissionstyp, und kann einfach auf dem zu messenden Teil angebracht werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen sich weitere Vorteile und Merkmale ergeben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Beispiels, bei welchem die vorliegende Erfindung bei einem optischen Kodierer des geometrischen Systems eingesetzt wird;

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Beispiels, bei welchem die vorliegende Erfindung bei einem optischen Kodierer des Beugungssystems eingesetzt wird;

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Beispiels, bei welchem eine feldförmige Lichtquelle verwendet wird;

Fig. 4 eine schematische Ansicht eines Beispiels, bei welchem das feldförmige lichtempfangende Element verwendet wird;

Fig. 5 eine Schnittansicht mit einer Darstellung der Anordnung des wesentlichen Abschnitts einer Ausführungsform des optischen Kodierers gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 eine Schnittansicht entlang der Linie VI-VI in Fig. 5 mit einer Darstellung der Form des ersten Gitters der voranstehenden Ausführungsform;

Fig. 7 eine Schnittansicht entlang der Linie VII-VII in Fig. 5 mit einer Darstellung der Anordnung des zweiten und des dritten Gitters in der voranstehenden Ausführungsform;

Fig. 8 und 9 Schnittansichten ähnlich Fig. 7 mit einer weiteren Anordnung des zweiten und des dritten Gitters bei der voranstehenden Ausführungsform;

Fig. 10 ein Schaltungsdiagramm mit einer Darstellung der grundlegenden Anordnung einer Signalverarbeitungsschaltung der vorstehenden Ausführungsform;

Fig. 11 eine schematische Ansicht der Anordnung eines konventionellen optischen Kodierers des Drei-Gitter-Systems; und

Fig. 12 ein Diagramm mit einer Darstellung der Definition des Signal-Rauschverhältnisses eines Nachweissignals.

Nachstehend werden die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Die erste Ausführungsform macht deutlich, daß die vorliegende Erfindung bei dem optischen Kodierer des Reflexionstyps des geometrischen Systems eingesetzt wird. Wie aus Fig. 5 hervorgeht, weist der optische Kodierer des Reflexionstyps gemäß der ersten Ausführungsform folgende Teile auf:

Eine Hauptskala 40 aus Glas, die als erste Skala an der Unterseite des Glases in der Figur hergestellt wird, mit einem ersten Gitter 12 einer Teilung P 1, wobei die Hauptskala an einem der relativbeweglichen Teile befestigt ist;
eine aus einer LED oder einer Lampe bestehende Lichtquelle 42 zur Aussendung eines nichtkollimierten Beleuchtungslichts (Wellenlänge λ = 0,8 µm);
eine aus Glas bestehende Indexskala 44, welche eine zweite und eine dritte Skala darstellt, die zusammen verwendet werden, und die auf gegenüberliegenden Seiten der oberen Oberfläche des Glases hergestellt sind mit einem zweiten Gitter 14 einer Teilung P 2, zur teilweisen Abschirmung des Beleuchtungslichts von der Lichtquelle 42 und zur Beleuchtung des ersten Gitters 12 auf der Hauptskala 40, und mit einem dritten Gitter 16 einer Teilung P 3 zur weiteren Beschränkung des Beleuchtungslichts, welches durch das zweite und erste Gitter 14, 12 auf solche Weise behindert wurde, daß das dritte Gitter 16 vor dem zweiten Gitter 14 eingeschoben ist; und
lichtempfangende Elemente 48 zum Nachweis des Beleuchtungslichts, welches durch das erste bis dritte Gitter 12, 14 beziehungsweise 16 behindert wurde, wobei die lichtempfangenden Elemente gegenüberliegend dem dritten Gitter 16 unter Öffnungsteilen 46 befestigt sind, zwischen denen eine Öffnung 46 A zum Durchlassen des Beleuchtungslichts von der Lichtquelle 42 vorgesehen ist; wobei diese Teile sämtlich an dem anderen der relativbeweglichen Teile befestigt sind.

Wie aus Fig. 6 hervorgeht, besteht das erste Gitter 12 aus einer longitudinalen streifenförmigen Abstufung der Teilung P 1, welche auf der unteren Oberfläche der Hauptskala 40 vorgesehen ist.

Fig. 7 zeigt im Einzelnen, daß das zweite Gitter 14 und das dritte Gitter 16 so angeordnet sind, daß das zweite Gitter 14 der Teilung P 2 zur Bereitstellung mehrerer linearer Lichtquellen im Zentrum der Indexskala 44 vorgesehen ist, wobei die vier dritten Gitter 16 der Teilung P 3 jeweils eine Phase A, eine Phase B, eine Phase oder eine Phase aufweisen und gegeneinander um 90° phasenverschoben sind, und zwar zur Diskriminierung bezüglich der Richtung und zur elektrischen Aufteilung von Nachweissignalen, und auf beiden Seiten des Gitters 14 vorgesehen sind, und eine abgelagerte Chromoberfläche 50 umgibt die beiden Gitter, um eine Störung durch etwa Störlicht zu verhindern. Tatsächlich ist die Anordnung der Phase A, Phase B, Phase und Phase nicht auf das in Fig. 7 dargestellte Beispiel beschränkt, und es können die in den Fig. 8, 9 dargestellten sowie andere Anordnungen vorgesehen werden.

Weiterhin können zwei Phasen eingesetzt werden, wenn nur eine Diskriminierung bezüglich der Richtung erforderlich ist und keine Phasenunterteilung.

In Fig. 10 ist ein Schaltkreis zur Verarbeitung von Ausgangssignalen von den lichtempfindlichen Elementen 48 gezeigt, welcher zwei Phasennachweissignale a erzeugt, die eine Phase A beziehungsweise eine Phase B aufweisen und voneinander um 90° phasenverschoben sind. Dieser Schaltkreis umfaßt:

Widerstände 52 A, 52 , 52 B und 52 und Operationsverstärker 54 A, 54 , 54 B und 54 zum Verstärken der Ausgangssignale einer Phase A, einer Phase , einer Phase B und einer Phase von den lichtempfangenden Elementen 48; und Widerstände 58 A, 58 , 58 B, 58 , 60 A, 60 B, 62 A und 62 B und Operationsverstärker 64 A und 64 B zur differentiellen Verstärkung eines Ausgangssignals einer Phase A und eines Ausgangssignals einer Phase , oder eines Ausgangssignals einer Phase B und eines Ausgangssignals einer Phase , um ein Ausgangssignal einer Phase A oder ein Ausgangssignal einer Phase B zu erzeugen.

Wenn das geometrische System bei dieser Ausführungsform eingesetzt wird, so wird die Länge des dunklen Abschnitts 14 A des zweiten Gitters 14 zu 60 µm gewählt, die Länge des hellen Abschnitts 14 B des zweiten Gitters 14 zu 20 µm, und die Gitterteilung P 2 zu 80 µm. Die Länge des dunklen Abschnitts 12 A des ersten Gitters 12 wird zu 10 µm gewählt, die Länge des hellen Abschnitts 12 B des ersten Gitters 12 zu 10 µm, die Gitterteilung P 1 zu 20 µm, die Länge des dunklen Abschnitts des dritten Gitters 16 zu 20 µm, die Länge des hellen Abschnitts des dritten Gitters 16 zu 20 µm, und die Gitterteilung P 3 zu 40 µm. Der Abstand der Gitter u = v = d wird gewählt zu 0,7 bis 6 mm, wenn ein Brechungsindex von Glas korrigiert und in den Wert für Luft umgewandelt wird.

Wenn das bei dieser ersten Ausführungsform erhaltene Signal-Rauschverhältnis des Nachweissignals experimentell untersucht wurde, wie voranstehend beschrieben wurde, so ergab sich das Signal-Rauschverhältnis zu 30,4%, so daß bestätigt wurde, daß das Signal-Rauschverhältnis der ersten Ausführungsform verbessert wurde auf einen etwa doppelt so großen Wert wie bei dem Beispiel nach dem Stand der Technik, bei dem ansonsten eine Anordnung wie bei der ersten Ausführungsform verwendet wurde.

Nachstehend wird die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert, bei welcher die vorliegende Erfindung bei dem optischen Kodierer des Reflexionstyps des Beugungssystems eingesetzt wird.

Bei dieser zweiten Ausführungsform wird die Länge des dunklen Abschnitts 14 A des zweiten Gitters 14 zu 60 µm gewählt, die Länge des hellen Abschnitts 14 B des zweiten Gitters 14 zu 20 µm, die Gitterteilung P 2 zu 80 µm, die Länge des dunklen Abschnitts des ersten Gitters 12 zu 20 µm, die Länge des hellen Abschnitts des ersten Gitters 12 zu 20 µm, die Gitterteilung P 1 zu 40 µm, die Länge des dunklen Abschnitts des dritten Gitters 16 zu 20 µm, die Länge des hellen Abschnitts des dritten Gitters 16 zu 20 µm, und die Gitterteilung P 3 zu 40 µm. Der Abstand der Gitter u = v = d betrug 0,5 mm oder mehr.

Andere Einzelheiten dieser Anordnung sind ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform, so daß auf eine Beschreibung verzichtet wird.

Bei dieser zweiten Ausführungsform wurde, ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform, bestätigt, daß sich das Signal-Rauschverhältnis auf einen Wert verbesserte, der etwa doppelt so hoch lag wie bei dem korrespondierenden Beispiel nach dem Stand der Technik.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wurde die vorliegende Erfindung bei einem optischen Kodierer des Reflexionstyps mit einer aus Glas hergestellten Hauptskala 40 angewendet, allerdings ist der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht hierauf beschränkt, und es ist offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung bei einem optischen Kodierer des Reflexionstyps einsetzbar ist, bei welchem die reflektierende Hauptskala aus Metall hergestellt ist, und bei einem optischen Kodierer des Transmissionstyps, bei welchem die durchlässige Hauptskala aus Glas hergestellt ist, wobei das zweite Gitter 14 und das dritte Gitter 16 als zwei Skalen ausgebildet sind, die auf beiden Seiten der Hauptskala (des ersten Gitters 12) angeordnet sind, wie in den Fig. 1 bis 4 gezeigt ist.

Weiterhin wurde bei den voranstehend beschriebenen Ausführungsformen die vorliegende Erfindung bei einem linearen Kodierer angewendet, jedoch ist der Umfang der vorliegenden Erfindung auch hierauf nicht beschränkt, und es ist offensichtlich, daß die vorliegende Erfindung ebenso bei einem Drehkodierer verwendbar ist.

Claims

1. Optischer Kodierer mit:
einer mit einem ersten Gitter (12) versehenen ersten Skala, welche an einem von zwei relativbeweglichen Teilen befestigt ist;
einer Lichtquelle (18) zur Aussendung nicht kollimiertem Beleuchtungslichts; einer mit einem zweiten Gitter (14) versehenen zweiten Skala zur teilweisen Abschirmung des Beleuchtungslichts von der Lichtquelle und zur Beleuchtung des ersten Gitters; einer mit einem dritten Gitter (16) versehenen dritten Skala zur weiteren Behinderung des Beleuchtungslichts, welches durch das erste und zweite Gitter behindert wurde; und mit einem lichtempfangenden Element (20) zum Nachweis des Beleuchtungslichts, welches durch das erste bis dritte Gitter behindert wurde; wobei die letztgenannten Teile an den anderen der beiden relativbeweglichen Teile befestigt sind,
wobei eine Relativverschiebung zwischen den beiden Teilen aus einer periodischen Änderung eines Nachweissignals von dem lichtempfangenden Element bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Teilung (P 2) des zweiten Gitters (14) mit einem Wert gewählt wird, welcher größer als eine Teilung (P 1) des ersten Gitters (12) ist, und daß eine Länge eines lichtdurchlässigen Abschnitts des zweiten Gitters mit einem solchen Wert Gewählt ist, daß dieser geringer ist als die Länge der Teilung (P 1) des ersten Gitters (12).

2. Optischer Kodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (18) eine lichtemittierende Diode oder eine Lampe ist.

3. Optischer Kodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung (P 2) des zweiten Gitters (14), eine Teilung (P 3) des dritten Gitters (16), ein Abstand u der Gitter zwischen dem ersten Gitter (12) und dem zweiten Gitter sowie ein Abstand (v) der Gitter zwischen dem ersten Gitter und dem dritten Gitter (16) auf Werte gesetzt sind, welche weiterhin die nachstehend angegebenen Beziehungen erfüllen, wodurch ein Gitterbild entsprechend dem geometrischen System des Reflexionstyps nachgewiesen wird: P 2 ((u + v)/v) m 1 P 1 P 1
P 3 ((u + v)/u) n 1 P 1
u = vwobei m 1 und n 1 natürliche Zahlen mit m 1 < 1 und n 1 1 sind.

4. Optischer Kodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung (P 2) des zweiten Gitters (14), eine Teilung (P 3) des dritten Gitters (16), ein Abstand (u) der Gitter zwischen dem ersten Gitter (12) und dem zweiten Gitter, sowie ein Abstand (v) der Gitter zwischen dem ersten Gitter und dem dritten Gitter auf Werte gesetzt sind, welche weiterhin die nachstehenden Beziehungen erfüllen, wodurch ein Gitterbild gemäß dem geometrischen System des Transmissionstyps nachgewiesen wird, P 2 ((u + v)/v) m 1 P 1 P 1
P 3 ((u + v)/u) n 1 P 1
v = luP 1²/(λ u-lP 1²)wobei m 1, n 1 und 1natürliche Zahlen mit m 1 < 1, n 1 1 und l 1 sind und λ eine effektive Wellenlänge der Lichtquelle ist.

5. Optischer Kodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung (P 2) des zweiten Gitters (14), eine Teilung (P 3) des dritten Gitters (16), ein Abstand (u) der Gitter zwischen dem ersten Gitter (12) und dem zweiten Gitter sowie ein Abstand (v) der Gitter zwischen dem ersten Gitter und dem dritten Gitter auf Werte gesetzt sind, die weiterhin die nachstehend angegebenen Beziehungen erfüllen, wodurch ein Gitterbild entsprechend dem Beugungssystem des Reflexionstyps nachgewiesen wird: P 2 ((u + v)/v) m 2 P 1/2 P 1
P 3 ((u + v)/u) n 2 P 1/2
u = vwobei m 2 eine natürliche Zahl mit m 2 < 1 und n 2 eine positive ungerade Zahl mit n 2 1 ist.

6. Optischer Kodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung (P 2) des zweiten Gitters (14), eine Teilung (P 3) des dritten Gitters (16), ein Abstand (u) der Gitter zwischen dem ersten Gitter (12) und dem zweiten Gitter sowie ein Abstand (v) der Gitter zwischen dem ersten Gitter und dem dritten Gitter auf Werte gesetzt sind, die weiterhin die nachstehend angegebenen Beziehungen erfüllen, wodurch ein Gitterbild entsprechend dem Beugungssystem des Transmissionstyps nachgewiesen wird: P 2 ((u + v)/v) m 2 P 1/2 P 1
P 3 ((u + v)/u) n 2 P 1/2
v = luP 1²/(λ u-lP 1²)wobei m 2 eine natürliche Zahl ist mit m 2 < 1, n 2 eine positive ungerade Zahl mit n 2 1, l eine natürliche Zahl und λ eine effektive Wellenlänge der Lichtquelle.

7. Optischer Kodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle und das zweite Gitter einstückig miteinander zur Ausbildung einer feldförmigen Lichtquelle (30) ausgebildet sind.

8. Optischer Kodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Gitter und das lichtempfangende Element einstückig miteinander zur Erzeugung eines feldförmigen lichtempfangenden Elements (32) ausgebildet sind.

9. Optischer Kodierer des Reflexionstyps, gekennzeichnet durch:
eine reflektierende erste Skala (40), die an einem von relativbeweglichen Teilen befestigt und mit einem ersten Gitter (12) versehen ist;
eine Lichtquelle (42) zur Aussendung nichtkollimierten Beleuchtungslicht; eine mit einem zweiten Gitter (14) versehene zweite Skala (44) zur teilweisen Abschirmung des Beleuchtungslichts von der Lichtquelle und zur Beleuchtung des ersten Gitters und mehrere dritter Gitter (16), die eine voneinander unterschiedliche Phase aufweisen und getrennt von dem zweiten Gitter angeordnet sind, um das Beleuchtungslicht weiter zu behindern, welches durch das zweite und das erste Gitter behindert wurde; und mehrere lichtempfindliche Elemente zum Nachweis des Beleuchtungslichts, welches durch das erste bis dritte Gitter behindert wurde; wobei die voranstehend genannten Teile an dem anderen der relativbeweglichen Teile befestigt sind,
wobei eine Relativverschiebung zwischen den beiden Teilen aus einer periodischen Änderung von Nachweissignalen der lichtempfindlichen Elemente bestimmt wird.

10. Optischer Kodierer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Teilung (P 2) des zweiten Gitters (14) auf einen Wert gesetzt ist, welcher größer ist als eine Teilung (P 1) des ersten Gitters (12), und daß die Länge des lichtdurchlässigen Abschnitts des zweiten Gitters (14) auf einen Wert gesetzt ist, der geringer ist als die Teilung (P 1) des ersten Gitters (12).