DE3927846C2 - Meßverfahren und Meßeinrichtung zum Messen einer Drehgröße eines Gegenstandes - Google Patents
Meßverfahren und Meßeinrichtung zum Messen einer Drehgröße eines GegenstandesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Meßverfahren zum Messen einer Drehgröße eines Gegen
standes, der sich zusammen mit einem zylindrischen Körper dreht, sowie eine
Meßeinrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Aus der DE 35 28 053 A1 ist eine Meßeinrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels
bekannt, bei der auf dem Umfang einer um eine Achse drehbar gelagerten Masse
eine Hell-/Dunkel-Markierung angebracht ist, die durch ein photoelektrisches
Reflexionssystem abgetastet wird. Bei einer Verdrehung des Meßobjektes zählt der
Detektor dabei die vorbeistreichenden Hell-/Dunkel-Markierungen, wobei die
Anzahl der so erhaltenen Impulse ein Maß für die Winkelverdrehung des Meß
objektes ist. Die Genauigkeit dieser bekannten Meßeinrichtung hängt somit weitge
hend davon ab, wie genau die Hell-/Dunkel-Markierungen erkannt werden. So
können beispielsweise Verschmutzungen auf der Oberfläche der Hell-/Dunkel-
Markierungen unmittelbar Auswirkungen auf die Meßergebnisse haben und es kann
deren Genauigkeit wesentlich herabgesetzt werden.
Aus der JP-OS 63-47616 ist es bekannt, ein Schattenbildmuster mit Hilfe eines
durchstrahlten Beugungsgittermusters zu erzeugen und aus der mit einem ortsfesten
Detektor erfaßten Verschiebung des Schattenbildmusters die Bewegung des Beu
gungsgittermusters zu bestimmen. Bei diesem bekannten Prinzip bildet sich das
Schattenbildmuster nur dann aus, wenn sich die Lichtquelle, das Beugungsgittermu
ster und der Detektor zur Erfassung des Schattenbildmusters in präzise definierten
Abständen voneinander befinden. Das Einhalten dieser Bedingungen wird insbeson
dere durch die Bewegung des Beugungsgittermusters oder durch Vibrationen und
dergleichen erschwert, so daß hier wesentliche Einbußen in der Qualität des Schat
tenbildmusters in Kauf genommen werden müssen.
Aus der DE-OS 23 16 248 ist ein photoelektrischer Schrittgeber zur Längen- oder
Winkelmessung mit mindestens zwei nacheinander durchstrahlten, in geringem
Abstand angeordneten Gittern bekannt, deren jeweilige Relativlage mindestens ein
photoelektrischer Empfänger abtastet. Das wesentliche dieses bekannten photoelek
trischen Schrittgebers besteht darin, daß eine Beleuchtungseinrichtung vorgesehen
ist, deren Beleuchtungsapertur kleiner als der halbe Beugungswinkel derjenigen am
ersten Gitter gebeugten Beugungsordnungen ist, deren Intensitäten den wesentlichen
Anteil zum Signallichtfluß liefern und daß zumindest das zweite Gitter als Phasen
gitter ausgebildet ist, welches für einen vorgegebenen Lichtwellenlängenbereich mit
einem Wellenlängenverhältnis kleiner 1 : 2 die störenden Strahlungsanteile der 0-ten
Beugungsordnung weitgehend unterdrückt und daß für die nach dem zweiten Gitter
durchgang in ihrer Intensität gegenphasigen und in unterschiedliche diskrete Rich
tungen abgestrahlten Teilstrahlbündel mindestens ein photoelektrischer Empfänger
vorgesehen ist.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Meßverfahren zum
Messen einer Drehgröße eines Gegenstandes, der sich zusammen mit einem zylin
drischen Körper dreht, sowie eine Meßeinrichtung zur Durchführung dieses Ver
fahrens dahingehend zu verbessern, daß hochgenaue Messungen zur Erfassung eines
Drehwinkels zuverlässig durchgeführt werden können, wobei gleichzeitig unkritische
Montagetoleranzen, geringes Gewicht bei günstigen Abmessungen und die Her
stellung bei vertretbaren Kosten gewährleistet werden.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Meßverfahren durch die im Kenn
zeichnungsteil des Anspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen
Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 9.
Eine Meßeinrichtung zum Messen einer Drehgröße eines Gegenstandes enthält zur
Lösung der genannten Aufgabe die im Kennzeichnungsteil des Anspruches 10
aufgeführten Merkmale.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Meßeinrichtung
ergeben sich aus den Unteransprüchen 11 bis 18.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter
Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Gegenstandes, anhand welchem
eine erste Ausführungsform einer Meßeinrichtung zum Messen einer
Drehgröße mit Merkmalen nach der Erfindung erläutert wird;
Fig. 2 eine Seitenansicht des in Fig. 1 dargestellten
Gegenstandes;
Fig. 3 ein Diagramm zum Erläutern der Ausbildung eines
Schattenbildmusters;
Fig. 4 und 5 Diagramme, anhand welchen ein Verfahren zum
Ausbilden eines magnetischen Musters auf einem
zylindrischen Körper erläutert wird;
Fig. 6 und 7 Diagramme, anhand welcher ein weiteres Ver
fahren zum Ausbilden eines Magnetmusters auf
einem zylindrischen Körper erläutert wird;
Fig. 8 eine Seitenansicht eines Gegenstandes, anhand
welcher eine zweite Ausführungsform einer Dreh
größen-Meßeinrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung erläu
tert wird; und
Fig. 9 eine perspektivische Darstellung des Gegenstandes,
anhand welcher eine dritte Ausführungsform der
Drehgrößen-Meßeinrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung er
läutert wird.
Zuerst wird das Prinzip des Drehgrößen-Meßverfahrens mit Merkmalen nach
der Erfindung beschrieben. Es wird ein zy
lindrischer Körper, welcher koaxial an einem Gegenstand vor
gesehen ist und mit diesem eine Einheit bildet, mit Licht
bestrahlt, das von einer Lichtquelle abgegeben wird. Das
Licht, welches von dem zylindrischen Körper reflektiert
wird, wird mittels eines Photosensors (Detektoreinrichtung), festgestellt, und die
Dreh- und Rotationsgröße des Gegenstandes wird unter Zugrun
delegung des mittels des Photosensors festgestellten Lichts
gemessen.
Ein Beugungsgittermuster wird auf einem Umfangsflächenteil
des zylindrischen Körpers ausgebildet. Dieses Beugungsgitter
muster wird dadurch erhalten, daß ein magnetisches Muster
auf einer magnetischen Aufzeichnungsschicht mit Hilfe eines
Magnetkopfes geschrieben wird und das magnetische Muster
mittels eines magnetischen Kolloidfluids entwickelt wird.
Ein Schattenbildmuster (periodisches Interferenzmuster) wird mittels des reflektierten Lichts
von dem zylindrischen Körper aus unter Zugrundelegung einer
durch das Beugungsgittermuster hervorgerufenen Beugung erzeugt
und der Photosensor stellt die Bewegung des Schattenbild
musters fest, wenn sich der Gegenstand dreht.
Folglich wird bei dem Drehgrößen-Meßver
fahren das Beugungsgittermuster auf dem Umfangsflächenteil
des zylindrischen Körpers als ein Codiermuster erzeugt und
der zylindrische Körper ist mit dem Gegenstand starr verbun
den, so daß er mit diesem eine Einheit bildet. Mit anderen
Worten, eine Drehachse des zylindrischen Körpers fällt mit
einer Drehachse des Gegenstandes zusammen. Natürlich kann
auch der Gegenstand selbst als der zylindrische Körper ver
wendet werden. Beispielsweise kann dann, wenn der Gegenstand
eine Drehwelle eines Motors ist, die Drehwelle selbst als
der zylindrische Körper betrachtet werden. Der Gegenstand
kann mechanisch mit einer Drehwelle verbunden sein, und in
diesem Fall wird dann die Drehwelle als der zylindrische
Körper betrachtet.
Das Beugungsgittermuster, welches auf dem Umfangsflächenteil
des zylindrischen Körpers ausgebildet wird, kann mittels ver
schiedener Methoden erzeugt werden. Beispielsweise kann das
Beugungsgittermuster unmittelbar auf dem zylindrischen Körper
selbst ausgebildet werden. Oder es kann beispielsweise ein
Streifenbeugungsgittermuster im voraus auf einem bandförmigen
Teil ausgebildet werden, und das Beugungsgittermuster kann
auf dem zylindrischen Körper dadurch ausgebildet werden, daß
das bandförmige Teil um den Umfangsflächenteil des zylindri
schen Körpers gewickelt wird. Natürlich kann auch ein Hohlzy
linder als der zylindrische Körper verwendet werden. In die
sem Fall ist der Hohlzylinder fest an der Drehwelle angebracht.
Das Beugungsgittermuster wird erzeugt, indem ein magneti
sches Muster auf einer magnetischen Aufzeichnungsschicht
mittels eines Magnetkopfes geschrieben wird und das ma
gnetische Muster mit Hilfe eines magnetischen Kolloidfluids
entwickelt wird. Das magnetische Kolloidfluid weist ein
Eisenoxidpulver auf, das in einem Netzmittel feinst verteilt
ist. Das Eisenoxidpulver hat im Vergleich zu dem Abstand des
magnetischen Musters eine hinreichend kleine Korngröße, da
der Korndurchmesser beispielsweise 100 Å bis 200 Å ist.
Der zylindrische Körper wird mit dem von der Lichtquelle ab
gegebenen Licht bestrahlt und das Schattenbildmuster (Interferenzmuster), wird
aufgrund der durch die Beugung an dem Beugungsgittermuster
hervorgerufenen Beugung durch das von dem zylindrischen
Körper reflektierte Licht erzeugt. Da das Schattenbildmu
ster infolge der Beugungserscheinung erzeugt wird, muß die
Lichtquelle kohärentes Licht abgeben. Beispielsweise kön
nen verschiedene Gaslaser, Festkörperlaser, Halbleiterlaser
und lichtemittierende Dioden (LED's), welche ein kohärentes
Licht abgeben, als Lichtquelle verwendet werden.
Das Schattenbildmuster (Interferenzmuster) ist ein Beugungsmuster, welches auf
grund der Beugung erzeugt wird, welche durch das Beugungs
gittermuster hervorgerufen wird, und entspricht dem Beu
gungsgittermuster. Das Schattenbildmuster ist ein
Muster, welches durch Licht von einer punktförmigen
Lichtquelle erzeugt wird.
Mit dem Ausdruck punktförmige Lichtquelle ist eine Licht
quelle bezeichnet, deren Größe im Vergleich zu dem Abstand
des Beugungsgittermusters vernachlässigbar ist, während mit
dem Ausdruck Lichtquelle eine Lichtquelle
gemeint ist, deren Größe im Vergleich zu dem Abstand des
Beugungsgittermusters nicht vernachlässigbar ist. Beispiels
weise kann die punktförmige Lichtquelle eine bekannte Pin-
hole-Laserdiode sein, welche eine auf einer lichtemittieren
den Endfläche eines Halbleiterlasers vorgesehene Stopp
schicht und ein in der Stoppschicht vorgesehenes Pin-hole
hat. Ferner kann beispielsweise die punktförmige Licht
quelle ein Halbleiterlaser sein, welcher eine kurze Seite
eines lichtemittierenden Teils aufweist, der parallel zu
der Richtung angeordnet ist, in welcher die Gitter des Beu
gungsgittermusters ausgerichtet sind. Als ein Beispiel für
eine Lichtquelle endlicher Größe kann ein Halbleiter-Laser
angeführt werden, welcher eine längere Seite eines licht
emittierenden Teils hat, welcher parallel zu der Richtung
angeordnet ist, in welcher die Gitter des Beugungsgitter
musters ausgerichtet sind.
Die vorliegende Erfindung ist folglich durch die folgenden
beiden Merkmale gekennzeichnet. Erstens ist die Erfindung
durch die Eigenart des Beugungsgittermusters gekennzeich
net, welches auf dem Umfangsflächenteil des zylindrischen
Körpers ausgebildet ist. Zweitens ist die Erfindung durch
die Verwendung des Schattenbildmusters gekennzeichnet.
Wie vorstehend bereits beschrieben, wird das Beugungsgitter
muster dadurch erhalten, daß das magnetische Muster auf der
magnetischen Aufzeichnungsschicht mittels des Magnetkopfs
geschrieben wird und das magnetische Muster mit Hilfe des
magnetischen Kolloidfluids entwickelt wird. Das magnetische
Muster wird durch die Ausrichtung der Domänen erzeugt. Aus
diesem Grund werden, wenn das Magnetmuster durch das magne
tische Kolloidfluid entwickelt wird und die Korngröße der
Eisenoxidpartikel im Vergleich zu dem Abstand der Ausrich
tung des magnetischen Musters hinreichend klein ist, die
Eisenoxidpartikel an den Randteilen der Domänen konzentriert
und bilden ein Muster mit einem Abstand, welcher identisch
demjenigen des magnetischen Musters ist. Dieses Muster aus
den Eisenoxidpartikeln wird als das Beugungsgittermuster
verwendet. Wenn das Beugungsgittermuster nach dem vorstehend
beschriebenen Verfahren erzeugt wird, kann ein Beugungsgit
termuster mit extrem feinen Abständen gebildet werden.
Wie oben beschrieben ist das Schattenbildmuster eine Art
Beugungsmuster. Das Schattenbildmuster, welches mit Hilfe
des Lichts von der punktförmigen Lichtquelle erzeugt worden
ist, ist in einer offengelegten japanischen Patentanmeldung
63-47 616 vorgeschlagen. Wenn das Schattenbildmuster mit
Hilfe des von der punktförmigen Lichtquelle ausgehender
Lichts erzeugt wird, müssen ein Abstand A zwischen der
Lichtquelle und dem Beugungsgittermuster und ein Abstand B
zwischen dem Beugungsgittermuster und einer Stelle, an wel
cher das Schattenbildmuster erzeugt wird, einer vorherbe
stimmten Beziehung genügen, wie sie in der offengelegten ja
panischen Patentanmeldung 63-47 616 beschrieben ist.
Wenn dagegen das Schattenbildmuster mit Hilfe der Licht
quelle erzeugt wird, welche eine endliche Größe hat, ent
spricht das erzeugte Schattenbildmuster vollkommen dem Beu
gungsgittermuster. Mit anderen Worten, wenn der Abstand
zwischen der Lichtquelle und dem Beugungsgittermuster mit
A bezeichnet ist und der Abstand zwischen dem Beugungsgitter
muster und der Stelle des Schattenbildmusters mit B be
zeichnet wird, wird das Schattenbildmuster unabhängig von
den Abständen A und B erzeugt, und die folgende Beziehung
(1) gilt, wenn mit PG der Abstand des Beugungsgittermusters
und mit P der Abstand des Schattenbildmusters bezeichnet
ist:
P/PG = (A + B)/A (1).
Wenn das Schattenbildmuster verwendet wird, wird das Beu
gungsgittermuster im allgemeinen größer und von dem Photo
sensor festgestellt. Aus diesem Grund kann eine genaue Mes
sung durchgeführt werden, selbst wenn der Abstand des Beu
gungsgitters auf einen extrem kleinen Wert eingestellt wird,
und es ist eine hochgenaue Messung der Dreh- oder Rotations
größe möglich.
Wenn sich das Beugungsgittermuster bewegt, macht das Schat
tenbildmuster eine ähnliche Bewegung, welche bezüglich der
Bewegung des Beugungsgittermusters vergrößert ist. Wenn folg
lich die Bewegung des Schattenbildmusters mittels des Photo
sensors festgestellt wird, kann die Drehgröße des zylindri
schen Körpers und folglich die Drehgröße des Gegenstands ge
nau festgestellt werden.
Um ein scharfes Schattenbildmuster mit Hilfe der Licht
quelle zu erzeugen, welche eine endliche Größe hat, muß der
folgenden Beziehung (2) zwischen dem Abstand PG des Beugungs
gittermusters und einer Größe der Lichtquelle entlang einer
Richtung parallel zu der Richtung, in welcher die Gitter der
Beugungsgittermuster angeordnet sind, genügt sein:
(1/10) (d/PG) 2 (2)
Nunmehr wird eine erste Ausführungsform der Drehgrößen-Meß
einrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung unter Bezugnahme auf Fig.
1 bis 3 beschrieben. In Fig. 1 ist eine erste Ausführungs
form einer Drehgrößen-Meßeinrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung
dargestellt, bei welcher die erste Ausführungsform des Dreh
größen-Meßverfahrens benutzt ist. In dieser Ausführungsform
wird die Erfindung für einen Fall angewendet, bei welchem
eine Dreh- oder Rotationsgröße einer Drehwelle 2 eines Mo
tors 1 zu messen ist. Mit anderen Worten, die Drehwelle 2
ist der Gegenstandskörper. Da die Drehwelle 2 selbst eine
zylindrische Form hat, wird die Drehwelle 2 selbst als ein
zylindrischer Körper verwendet, und ein Beugungsgittermuster
3 wird direkt auf einem Umfangsflächenteil der Drehwelle 2
ausgebildet. Gitter des Beugungsgittermusters 3 sind in
einer Drehrichtung A1 der Drehwelle 2 ausrichtet.
In Fig. 1 ist ein Halbleiterlaser als Lichtquelle verwendet,
und das Beugungsgittermuster wird mit einem von dem Halb
leiterlaser 4 abgegebenen Laserstrahl bestrahlt. Der Laser
strahl wird durch das Beugungsgittermuster 3 reflektiert
und von einem Photosensor 5 empfangen. In dieser Ausfüh
rungsform ist der Halbleiterlaser 4 so angeordnet, daß eine
längere Seite eines lichtemittierenden Teils des Halbleiter
lasers 4 parallel zu einer Richtung verläuft, in welcher die
Gitter des Beugungsgittermusters 3 ausgebildet sind. Außer
dem hat der Halbleiterlaser 4 eine endliche Größe bezüglich
des Abstandes des Beugungsgittermusters 3. Folglich gilt die
vorstehend angeführte Beziehung (2) zwischen dem Beugungs
gittermuster 3 und dem Halbleiterlaser 4.
In Fig. 2 ist die in Fig. 1 dargestellte Drehwelle 2 in einer
Vorderansicht dargestellt. Ein von dem Halbleiterlaser 4 ab
gegebenes, divergierendes Licht bestrahlt den Teil der Dreh
welle 2, welcher mit dem Beugungsgittermuster 3 versehen
ist. Das Beugungsgittermuster 3 weist "Amplitudengitter"
auf, und das Reflexionsvermögen wech
selt zwischen hohen und niedrigen Werten. Ein Strahlen
bündel, das durch die Reflexion an dem Beugungsgittermuster
3 der Drehwelle 2 erhalten worden ist, breitet sich infolge
der konkav-konvexen Reflexionsoberfläche mit zunehmender
Divergenz aus. Der Photosensor 5 ist in einem Bereich ange
ordnet, in welchem das reflektierte Licht abgefangen wird,
das von dem Beugungsgittermuster 3 der Drehwelle 2 aufgenom
men worden ist. In dieser Ausführungsform ist der Photosen
sor 5 an einer Stelle angeordnet, welche eine optische Achse
7 des reflektierten Lichts nicht trifft, welches von dem
Beugungsgittermuster 3 der Drehwelle 2 empfangen wird. Die
optische Achse 7 entspricht einem Lichtweg eines reflektier
ten Lichts, welches von einem Punkt ausgeht, welcher mit
einer optischen Achse des Halbleiterlasers 4 zusammenfällt.
In Fig. 3 ist ein Schattenbildmuster 6 dargestellt, welches
mittels des Beugungsgittermusters 3 erzeugt wird. Eine
Lichtintensitätsaufteilung des Schattenbildmusters 6 entspricht
dem Beugungsgittermuster 3. Das Schattenbildmuster 6 ist im
Vergleich zu dem Beugungsgittermuster 3 vergrößert, wie aus
der vorstehend beschriebenen Beziehung (1) verständlich
wird; jedoch ist das Schattenbildmuster 6 in dieser Ausfüh
rungsform im Vergleich zu dem Beugungsgittermuster 3 infolge
der konkav-konvexen reflektierenden Oberfläche des Beugungs
gittermusters 3 noch weiter vergrößert.
In der Lichtintensitäts-Verteilung des Schattenbildmusters 6
nehmen die Lichtintensitätswiederholungen entsprechend dem
Abstand des Beugungsgittermusters 3 zu und ab. In der Nähe
der optischen Achse 7 ist die Lichtintensität des Schatten
bildmusters 6 selbst in einem Bereich, in welchen die Licht
intensität schwach ist, beachtlich groß. Andererseits ist in
einem Bereich, welcher von der optischen Achse 7 entfernt
liegt, die Lichtintensität des Schattenbildmusters 6 in
einem Bereich, in welchem die Lichtintensität schwach ist,
annähernd null. Folglich ist der Kontrast des Schattenbild
musters 6 in dem Bereich höher, welcher von der optischen
Achse 7 entfernt liegt. In dieser Ausführungsform ist der
Photosensor 5 an einer Stelle angeordnet, an welcher der
Kontrast des Schattenbildmusters 6 hoch ist, so daß die
Bewegung des Schattenbildmusters 6 bequem festgestellt wer
den kann. Natürlich kann auch die Bewegung des Schatten
bildmusters 6 festgestellt werden, wenn der Photosensor 5
an einer Stelle auf der optischen Achse 7 oder in der Nähe
der optischen Achse 7 angeordnet ist, und es ist nicht we
sentlich, daß der Photosensor 5 an einer Stelle angeordnet
ist, welche von der optischen Achse 7 entfernt liegt.
Wenn die Drehwelle 2 sich in der Richtung A1 in Fig. 3
dreht, führt das Schattenbildmuster 6 eine entsprechende
Bewegung in einer Richtung B1 aus. Diese Bewegung des
Schattenbildmusters 6 wird mittels des Photosensors 5 fest
gestellt, um so ein Codiersignal zu erhalten, welches von
einem Drehwinkel der Drehwelle 2 abhängt.
Als nächstes werden Verfahren zur Ausbildung des Beugungs
gittermusters 3 auf der Drehwelle 2 beschrieben. In Fig. 4
ist eine magnetische Aufzeichnungsschicht 8 auf einer Um
fangsfläche der Drehwelle 2 ausgebildet, welche aus einem
Metall, wie Aluminium (Al), Eisen (Fe) und Nickel (Ni) her
gestellt ist. Die magnetische Aufzeichnungsschicht 8 ist aus
einem magnetischen Material, wie Eisen(III)-Oxid (Fe2O3)
hergestellt. Die magnetische Aufzeichnungsschicht 8 ist in
einer Dicke in der Größenordnung von einigen 1000 Å durch
ein Aufdampfen, ein Sputtern, eine galvanische Metallabschei
dung u. ä. ausgebildet.
Ein Magnetkopf 6 liegt an der magnetischen Aufzeichnungs
schicht 8 an, und ein Signal 10 mit einer konstanten Fre
quenz wird an den Magnetkopf 9 angelegt, während sich die
Drehwelle 2 mit einer konstanten Drehzahl mit hoher Genauig
keit dreht. Folglich wird dann ein magnetisches Muster durch
die Ausrichtung der Domänen ausgebildet, in welchen die in
der gleichen Ebene liegende, magnetische Richtung, wie dar
gestellt, abwechselnd umgekehrt ist. Nachdem das magneti
sche Muster auf der ganzen Umfangsfläche eines vorgesehenen
Teils der Drehwelle 2 ausgebildet ist, wird die Drehwelle 2
in ein magnetisches Kolloidfluid getaucht. Das magnetische
Kolloidfluid weist Eisen(III)-Oxid-Partikel 11 mit einem
Korndurchmesser in der Größenordnung von 100 Å bis 200 Å
auf. Wie in Fig. 5 dargestellt, konzentrieren sich die Ei
sen(III)-Oxid-Partikel 11 an den Randteilen der Domänen
in dem magnetischen Muster und bilden ein Muster mit Ab
ständen, welche mit denjenigen des magnetischen Musters
identisch sind. Mit anderen Worten, das magnetische Muster
ist durch das magnetische Kolloidfluid gebildet.
Folglich kann das erforderliche Beugungsgittermuster 3
durch Festlegen des magnetischen Musters auf der Umfangs
fläche der Drehwelle 2 mit einem entsprechenden Verfahren
erzeugt werden. Beispielsweise kann das magnetische Muster
auf der Drehwelle 3 durch Ausbilden einer (nicht dargestell
ten) Kunstharzschicht auf dem magnetischen Muster festgelegt
werden. In diesem Fall wirkt die Kunstharzschicht auch als
eine Schutzschicht zum Schutz des Beugungsgittermusters 3.
In Fig. 6 ist eine senkrechte magnetische Aufzeichnungs
schicht 12 auf der Umfangsfläche der Drehwelle 2 ausgebil
det. Die senkrechte magnetische Aufzeichnungsschicht 2 ist
aus Kobalt (Co), Barium (Ba), Ferrit, einer Tb-Fe Legie
rung u. ä. hergestellt.
Ein senkrechter Magnetkopf 13 liegt an der senkrechten ma
gnetischen Aufzeichnungsschicht 12 an, und ein Signal 30
mit einer konstanten Frequenz wird an den senkrechten Ma
gnetkopf 13 angelegt, während sich die Drehwelle 2 mit einer
konstanten Drehzahl mit hoher Genauigkeit dreht. Folglich
wird ein Magnetmuster durch die Ausrichtung der Domänen
erzeugt, in welchen die magnetische Richtung entlang einer
Richtung senkrecht zu der Oberfläche der senkrechten magne
tischen Aufzeichnungsschicht 12, wie dargestellt, abwech
selnd umgekehrt ist. Nachdem das magnetische Muster auf der
ganzen Umfangsfläche eines bestimmten Teils der Drehwelle 2
ausgebildet ist, wird die Drehwelle 2 in ein magnetisches
Kolloidfluid getaucht, welches dem vorstehend beschriebenen
Kolloidfluid ähnlich ist. Wie in Fig. 7 dargestellt, konzen
trieren sich die Eisen(III)-Oxid-Partikel 11 an den Rand
teilen der Domäne in der magnetischen Schicht und bilden ein
Muster mit einem Abstand, welches mit demjenigen des magne
tischen Musters identisch ist. Mit anderen Worten, das ma
gnetische Muster wird durch das magnetische Kolloidfluid ent
wickelt.
Das erforderliche Beugungsgittermuster 3 kann durch Festlegen
des magnetischen Musters auf der Umfangsfläche der Drehwelle
2 durch ein entsprechendes Verfahren erzeugt werden. Ent
sprechend dem zuletzt beschriebenen Verfahren kann das Beu
gungsgittermuster 3 im Vergleich zu dem Verfahren, bei wel
chem die in der Ebene liegende magnetische Aufzeichnung ver
wendet ist, mit einer hohen Auflösung erzeugt werden, da bei
dem zuletzt beschriebenen Verfahren die senkrechte magneti
sche Aufzeichnung angewendet ist. Beispielsweise kann der
Abstand der Gitter des Beugungsgittermusters 3 bei dem zu
letzt beschriebenen Verfahren 0,1 Mikron betragen.
Es kann auch eine leichte magnetische Schicht zwischen der
senkrechten magnetischen Aufzeichnungsschicht 12 und der
Drehwelle 2 vorgesehen sein. Die weiche magnetische Schicht
kann aus Permalloy, einer Ni-Zn-Legierung, Ferrit u. ä. her
gestellt sein. Durch das Vorsehen einer derartigen weichen
magnetischen Schicht wird das Schreiben des magnetischen
Musters mittels des Magnetkopfs 13 erleichtert, und das ma
gnetische Muster kann mit einer hohen Dichte ausgebildet wer
den.
Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform einer Dreh
größen-Meßeinrichtung anhand von Fig. 8 beschrieben, wobei
eine zweite Ausführungsform des Drehgrößen-Meßverfahrens
mit Merkmalen nach der Erfindung angewendet ist. In Fig. 8 sind die
Teile, welche im wesentlichen die gleichen wie die entspre
chenden Teile in Fig. 1 bis 3 sind, mit denselben Bezugszei
chen bezeichnet, und werden nicht noch einmal beschrieben.
In dieser Ausführungsform ist der von dem Halbleiterlaser 4
abgegebene Laserstrahl durch eine Kollimatorlinse in Form
von parallelen Strahlen ausgebildet, so daß durch die
parallelen Strahlen das Beugungsgittermuster 3 auf der
Drehwelle 2 bestrahlt wird. Der Photosensor 5 ist an einer
entsprechenden Stelle angeordnet, um von dem Beugungsgitter
muster 3 der Drehwelle empfangenes Licht aufzunehmen und ein
Codiersignal abzugeben. Obwohl die beleuchtenden Strahlen
parallele Strahlen sind, divergiert das reflektierte Licht
15 infolge der konkav-konvexen Reflexionsoberfläche des
Beugungsgittermusters. Aus diesem Grund bildet die Licht
intensitätsverteilung des reflektierten Lichts 15 das
Schattenbildmuster. Folglich kann die Dreh- oder Rotations
größe der Drehwelle 2 ähnlich wie bei der ersten Ausfüh
rungsform gemessen werden.
Als nächstes wird eine dritte Ausführungsform einer Dreh
größen-Meßeinrichtung anhand von Fig. 9 beschrieben, wobei
eine dritte Ausführungsform des Drehgrößen-Meßverfahrens mit Merkmalen nach
der Erfindung angewendet ist. In Fig. 9 sind die Teile,
welche im wesentlichen die gleichen wie die entsprechenden
Teile in Fig. 1 bis 3 sind, mit denselben Bezugszeichen be
zeichnet, und werden nicht noch einmal beschrieben.
In der bisher beschriebenen Ausführungsform ist die Erfindung
bei einem Inkrementalcodierer angewendet. Bei der dritten
Ausführungsform ist die Erfindung jedoch bei einem Absolut
codierer angewendet.
Eine Anzahl codierter Beugungsgittermuster 3-1 bis 3-4 sind
auf dem Umfangsflächenteil der Drehwelle 2 ausgebildet, um
so eine absolute Drehposition der Drehwelle 2 festzustellen.
Eine Anzahl Lichtquellen 4-1 bis 4-4 sind entsprechend den
codierten Beugungsgittermustern 3-1 bis 3-4 vorgesehen.
Beispielsweise werden Halbleiterlaser als Lichtquellen 4-1
bis 4-4 verwendet. Die entsprechenden codierten Beugungs
gittermuster 3-1 bis 3-4 werden mit Lichtstrahlen bestrahlt,
welche von den Lichtquellen 4-1 bis 4-4 abgegeben worden
sind. Bewegungen von Schattenbildermustern, welche durch
reflektiertes Licht erzeugt werden, das von den codierten
Beugungsgittermustern 3-1 bis 3-4 empfangen worden ist,
werden durch entsprechende Photosensoren 5-1 bis 5-5 fest
gestellt. Mit dieser Ausführungsform kann ein Absolutcodie
rer, welcher die absolute Drehstellung des Gegenstands des
Körpers feststellen kann, durch eine kompakte Meßeinrichtung
realisiert werden. Obwohl der Gegenstand in den beschriebenen
Ausführungsformen die Drehwelle 2 ist, ist der Gegenstands
körper nicht auf eine derartige Welle beschränkt, sondern
kann irgendein Drehkörper sein, welcher sich dreht.
Claims (18)
1. Meßverfahren zum Messen einer Drehgröße eines Gegenstandes, der sich
zusammen mit einem zylindrischen Körper (2) dreht, dadurch gekennzeichnet,
- - daß auf einer äußeren Umfangsfläche des zylindrischen Körpers (2) in dessen Drehrichtung zumindest ein Beugungsgittermuster (3, 3-1 bis 3-4) ausgebildet ist,
- - daß mit kohärentem Licht von einer Lichtquelle (4, 4-1 bis 4-4) das zumin
dest eine Beugungsgittermuster (3, 3-1, 3-4) bestrahlt wird,
wobei in radialem Abstand von dem zumindest einen Beugungsgittermuster ein periodisches Interferenzmuster durch die Interferenz des Lichts entsteht, das an dem Beugungsgittermuster gebeugt wird und dessen Periodenlänge größer ist als die Gitterkonstante des Beugungsgitters und das einer Drehbe wegung des Beugungsgitters folgt, - - und daß die Drehgröße des Gegenstandes aufgrund der Drehbewegung des zumindest einen Interferenzmusters mit einer Detektoreinrichtung erfaßt wird.
2. Meßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zylin
drische Körper (2) koaxial zu dem Gegenstand vorgesehen und mit diesem eine
Einheit bildet.
3. Meßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zylin
drische Körper (2) ein Teil des Gegenstands selbst ist.
4. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das Beugungsgittermuster (3, 3-1 bis 3-4) aus mehreren in einem vorherbe
stimmten Abstand nebeneinander angeordneten Beugungsgittermustern gebildet wird.
5. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß beim Bestrahlen kohärentes Licht von der Lichtquelle (4, 4-1 bis 4-4) unmittel
bar auf das zumindest eine Beugungsgittermuster (3, 3-1 bis 3-4) gerichtet wird.
6. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß das zumindest eine Beugungsgittermuster (3, 3-1 bis 3-4) mit parallelen Strahlen
bestrahlt wird, welche aus einem von der Lichtquelle (4) abgegebenen Licht gebildet
sind.
7. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der zylindrische Körper (2) eine Anzahl von auf ihm ausgebildeter, codierter
Beugungsgittermuster (3-1 bis 3-4) hat, und daß beim Bestrahlen eines der codierten
Beugungsgittermuster mit einer Anzahl Lichtstrahlen bestrahlt wird, welche von
einer Anzahl Lichtquellen (4-1 bis 4-4) abgegeben worden sind.
8. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß das reflektierte Licht an einer Stelle detektiert wird, die außerhalb einer opti
schen Achse (7) des reflektierten Lichts liegt.
9. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß eine magnetische Aufzeichnungsschicht (8, 12) auf einem Umfangsflächenteil
des zylindrischen Körpers (2) vorgesehen wird, daß ein magnetisches Muster auf die
magnetische Aufzeichnungsschicht geschrieben wird, und daß das magnetische
Muster durch ein magnetisches Kolloidfluid entwickelt wird, um das Beugungs
gittermuster (3, 3-1 bis 3-4) auszubilden.
10. Meßeinrichtung zum Messen einer Drehgröße eines Gegenstandes, der sich
zusammen mit einem zylindrischen Körper (2) dreht, gekennzeichnet
- - durch zumindest ein Beugungsgitter (3, 3-1 bis 3-4), das auf einer äußeren Umfangsfläche des zylindrischen Körpers in dessen Drehrichtung ausgebildet ist,
- - durch eine kohärente Lichtquelle (4, 4-1 bis 4-4), um das zumindest eine Beugungsgitter (3, 3-1, 3-4) zu bestrahlen,
- - und durch eine Detektoreinrichtung (5, 5-1 bis 5-4) zum Erfassen eines Interferenzmusters, das durch Beugung des kohärenten Lichts an dem zu mindest einen Beugungsgitter in radialem Abstand entsteht und dessen Peri odenlänge größer ist als die Gitterkonstante des zumindest einen Beugungs gittermusters und das dessen Drehbewegung folgt.
11. Meßeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zylin
drische Körper (2) koaxial mit dem Gegenstand verbunden und mit diesem eine
Einheit bildet.
12. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß der zylindrische Körper (2) ein Teil des Gegenstandskörpers selbst ist.
13. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeich
net, daß das Beugungsgittermuster (3, 3-1 bis 3-4) aus mehreren in einem vorherbe
stimmten Abstand nebeneinander angeordneten Beugungsgittermustern besteht.
14. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeich
net, daß eine Lichtquellenanordnung (4, 4-1 bis 4-4) kohärentes Licht direkt auf das
eine Beugungsgittermuster (3, 3-1 bis 3-4) abgibt.
15. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeich
net, daß eine Einrichtung (16) zum Bestrahlen des Beugungsgittermusters (3) mit
parallelen Strahlen vorgesehen ist, welche aus dem von der Lichtquellenanordnung
(4) abgegebenen Licht gebildet sind.
16. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeich
net, daß der zylindrische Körper (2) eine Anzahl darauf ausgebildeter, codierter
Beugungsgittermuster (3-1 bis 3-4) trägt, und daß die Lichtquellenanordnung (4-1
bis 4-4) ein entsprechendes der codierten Beugungsgittermuster mit einer Anzahl
Lichtstrahlen bestrahlt.
17. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeich
net, daß die Detektoreinrichtung (5) das reflektierte Licht an einer Stelle detektiert,
welche nicht auf einer optischen Achse (7) des reflektierten Lichts gelegen ist.
18. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeich
net, daß das Beugungsgittermuster (3, 3-1 bis 3-4) dadurch erzeugt ist, daß eine
magnetische Aufzeichnungsschicht (8, 12) auf der Umfangsfläche des zylindrischen
Körpers (2) vorgesehen wird, daß ein magnetisches Muster auf die magnetische
Aufzeichnungsschicht geschrieben ist, und die magnetische Schicht durch ein Kol
loidfluid in das Beugungsgittermuster entwickelt ist.
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