DE4041429C2 - Verfahren zum Feststellen einer Bewegungsgröße eines zu erfassenden Körpers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feststellen einer Bewegungsgröße eines zu erfassenden Körpers nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiges Verfahren zum Feststellen einer Bewegungsgröße eines zu erfassenden Körpers ist aus der JP 63-47 616 bekannt. Gemäß diesem bekannten Verfahren wird ein Körper mit von einer Lichtquelle imitiertem divergentem Licht über ein Beugungsgitter bestrahlt oder der Körper kann selbst das Beugungsgitter tragen oder eine Beugungsgitterstruktur aufweisen, wobei das von dem Beugungsgitter oder der Beugungsgitterstruktur reflektierte Licht oder das von dieser Beugungsgitterstruktur durchgelassene Licht mittels eines Photodetektors erfaßt wird. Dabei wird ein Schattenbild- Beugungsinterferenzmuster durch den divergenten durchgelassenen oder reflektierten Lichtstrahl erzeugt und es kann eine Bewegungsgröße des Schattenbild-Beugungsinterferenzmusters erfaßt werden, welches durch eine Bewegung des Körpers in einer den Lichtstrahl kreuzenden Richtung hervorgerufen wird, um mehrere letztendlich die Bewegungsgröße des Körpers zu detektieren.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zum Feststellen einer Bewegungsgröße eines zu erfassenden Körpers der angegebenen Gattung zu schaffen, bei welchem eine einfache Lichtquelle verwendet werden kann und trotzdem die Bewegungsgröße eines in Bewegung befindlichen Körpers mit hoher Genauigkeit gemessen werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Darstellung, anhand welcher das Prinzip eines Verfahrens zum Feststellen einer Bewegungsgröße mit Merkmalen nach der Erfindung erläutert wird;

Fig. 2a bis 2c Darstellungen von drei Arten von lichtunter­ brechenden Platten;

Fig. 3 eine Darstellung, anhand welcher Wirkungen einer lichtunterbrechenden Platte erläutert werden, und in welcher die Beziehung zwischen einem Kontrast und einer Ortsfrequenz einer Beugungsgitter- Struktur eines erfaßten Körpers dargestellt ist;

Fig. 4 eine Darstellung, anhand welcher ein Verfahren zum Feststellen einer Bewegungsgröße in einer ersten Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfindung erläutert wird;

Fig. 5 eine Darstellung, in welcher nur ein Hauptteil eines Verfahrens zum Feststellen einer Bewegungs­ größe in einer zweiten Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfin­ dung dargestellt ist;

Fig. 6 eine Darstellung, in welcher ebenfalls nur ein Hauptteil eines Verfahrens zum Feststellen einer Bewegungsgröße einer dritten Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfindung dargestellt ist; und

Fig. 7 eine Darstellung nur eines Hauptteils eines Ver­ fahrens zum Feststellen einer Bewegungsgröße in einer vierten Ausführungsform mit Merkmalen nach der Erfindung.

Anhand der Zeichnungen werden nunmehr bevorzugte Ausführungs­ formen eines Verfahrens zum Feststellen einer Bewegungsgröße mit Merkmalen nach der Erfindung im einzelnen beschrieben. In einem er­ findungsgemäßen Verfahren zum Feststellen einer Bewegungs­ größe wird die Bewegungsgröße eines erfaßten Körpers dadurch festgestellt, daß der erfaßte Körper mit von einer Lichtquelle emittiertem Licht bestrahlt wird und von dem erfaßten Körper reflektiertes Licht oder durchgelassenes Licht mittels eines Photodetektors erfaßt wird. Das Verfahren zum Feststellen einer Bewegungsgröße weist die folgenden Merkmale auf.

Es wird inkohärentes Licht von der Lichtquelle abgegeben und durch eine kleine Öffnung einer lichtunterbrechenden Platte durchgelassen. Mit dem inkohärenten Licht wird der erfaßte Körper, der eine Beugungsgitter-Struktur hat, bestrahlt, um einen divergenten durchgehenden oder reflektierten Lichtstrahl zu erhalten. Ein Schattenbild-Beugungs-Interferenzmuster wird durch den divergenten durchgehenden oder reflektierten Licht­ strahl erzeugt. Eine Bewegungsgröße des Schattenbild-Beugungs- Interferenzmusters, welche durch eine Bewegung des erfaßten Körpers in einer den Lichtstrahl kreuzenden Richtung hervor­ gerufen worden ist, wird durch den Photodetektor erfaßt, um die Bewegungsgröße des zu erfassenden Körpers festzustellen.

Um das Schattenbild-Beugungs-Interferenzmuster zu erzeugen, ist es notwendig, daß der von dem erfaßten Körper durchge­ lassene Lichtstrahl oder der an ihm reflektierte Lichtstrahl divergent ist. Um dieser Bedingung zu genügen, reicht es im allgemeinen aus, mit dem inkohärenten Lichtstrahl, welcher durch die schmale Öffnung der lichtunterbrechenden Platte durchgelassen worden ist, als einem divergenten Lichtstrahl den zu erfassenden Körper zu bestrahlen. Wenn der zu erfassende Körper eine Projektionsfläche hat, kann der diver­ gente reflektierte Lichtstrahl sogar erhalten werden, wenn der Körper mit einem parallelen Lichtstrahl bestrahlt wird. Wenn der erfaßte Körper eine Projektionsfläche hat, reicht es aus, den inkohärenten Lichtstrahl, welcher durch die schmale Öffnung der lichtunterbrechenden Platte durchge­ lassen worden ist, durch eine Kollimatorlinse in einen para­ lellen Lichtstrahl zu verändern und mit diesem parallelen Lichtstrahl den Körper zu bestrahlen.

Die schmale Öffnung der lichtunterbrechenden Platte kann in einer rechteckigen, elliptischen, kreisförmigen Form usw. ausgebildet sein. Die Beugungsgitter-Struktur bedeutet, daß eine periodische Struktur einer Gitterkonstante hat. Die Lichtquelle, welche das inkohärente Licht abgibt, kann durch eine lichtemittierende Diode (LED) oder eine Lichtquelle ge­ bildet sein, welche weißes Licht emittiert.

Wie in der japanischen Patentanmeldung Nr. 63-1 27 916 beschrieben ist, kann, wenn der zu erfassende Körper, welcher eine Beugungsgitter-Struktur hat, mit einem Lichtstrahl von einer linearen Lichtquelle beleuchtet wird, ein Schattenbildmuster geschaffen werden, das der Beugungsgitter-Struktur des zu erfassenden Körpers entspricht.

Bei Untersuchungen der Anmelderin hat sich ergeben, daß ein Schattenbild-Beugungs-Interferenzmuster, welches der Beugungsgitter- Struktur des Körpers entspricht, auch dadurch gebildet werden kann, daß mit inkohärentem Licht, das von einer Lichtquelle emittiert wird, der Körper durch eine schmale Öffnung der unterbrechenden Platte be­ strahlt wird. Dieses Schattenbild-Beugungs-Interferenz­ muster wird als ein Schattenbild entsprechend einer Bewegung des Körpers bewegt.

In Fig. 1, in welcher das Prinzip eines Verfahrens zum Fest­ stellen einer Bewegungsgröße dargestellt ist, gibt eine Licht­ quelle 1 inkohärentes Licht ab. Ferner sind in Fig. 1 eine lichtunterbrechende Platte 1A ein Beugungsgitter 9 und ein (Projektions-)Schirm 10 vorgesehen. Das Beugungsgitter 9 ist ein durchlässiges Gitter und als ein eindimensionales line­ ares Gitter ausgebildet, so daß das lineare Gitter in Fig. 1 in vertikaler Richtung angeordnet ist.

Wie in Fig. 2a dargestellt, ist eine rechteckige Öffnung in der lichtunterbrechenden Platte 1A ausgebildet. Eine Längs­ richtung dieser Öffnung ist bezüglich Fig. 1 in der vertikalen Richtung eingestellt. Die Länge der Öffnung der lichtunter­ brechenden Platte 1a in deren Längsrichtung ist mit d bemes­ sen, und die Gitterkonstante des Beugungsgitters 9 ist ξ. Ein Schlitz ist als ein lichtdurchlassender Teil in dem Beugungsgitter 9 angeordnet.

Wie in Fig. 1 dargestellt, beträgt der Abstand zwischen der lichtunterbrechenden Platte 1A und dem Beugungsgitter 9 b1 während der Abstand zwischen dem Beugungsgitter 9 und dem Schirm 10 auf b2 eingestellt ist.

Wenn ein Lichtstrahl von der Lichtquelle 1 abgegeben wird, wird eine Lichtstärke-Verteilung auf dem Schirm 10 ausgebil­ det, wie in Fig. 1 dargestellt ist, und sie weist bezüglich der Lichtintensität starke und schwache Muster bzw. Bilder auf. Von einer Mitte der Öffnung ist in deren Längsrichtung eine senkrechte Linie durch das Beugungsgitter 9 auf den Schirm 10 gezogen. Diese senkrechte Linie ist in der folgenden Be­ schreibung als optische Achse AX bezeichnet. Die Lage jedes Scheitenwerts der Lichtstärkeverteilung auf dem Schirm 10 ist in Übereinstimmung mit einer Position, in welcher Licht, das von einem mittleren Teil der Öffnung in deren Längsrich­ tung abgegeben worden ist, als ein Strahl zu betrachten und jeder Strahl erreicht den Schirm 10 durch den Schlitz des Beugungsgitters 9.

Folglich entspricht die Lichtstärkeverteilung auf dem Schirm 10 einem Muster, welches durch Projizieren eines Schlitzes des Beugungsgitters 9 als ein Schattenbild auf dem Schirm 10 von einer Punktquelle erzeugt worden ist, welche in der Mitte der Öffnung angeordnet ist. Folglich wird ein Muster dieser Lichtstärkeverteilung als ein Schattenbild-Beugungs-Inter­ ferenzmuster bezeichnet. Dieses Muster ist als Ergebnis einer Beugungs-Interferenzerscheinung ausgebildet und ist folglich nicht durch eine einfache Erscheinung des Schattenbildes erzeugt. Bezüglich dieses Musters ist selbstverständlich die Lichtstärke in der Nähe der optischen Achse stark und in einer von der optischen Achse AX abliegenden Stelle schwach. Folglich wird dieses Muster insbesondere als das Schattenbild- Beugungs-Interferenzmuster bezeichnet.

Dieses Schattenbild-Beugungs-Interferenzmuster hat die fol­ genden Merkmale:
Bezüglich der Gitterkonstanten ξ und der Länge d kann kein Schatten­ bildmuster mit einem ausreichenden Kontrast zwischen Licht und Schatten erhalten werden, wenn das Verhältnis d/ξ größer als 4 ist, d. h. wenn die Länge d der Öffnung in deren Längsrichtung größer als ein Vierfaches des Werts der Gitterkonstanten ξ des Beugungsgitters ist. Wenn dagegen das Verhältnis d/ξ verringert und null angenähert wird, ist das Schatten­ bild-Beugungs-Interferenzmuster entsprechend einer Bedingung zum Erzeugen eines Schattenbild-Beugungsmusters ausgebildet, das in der offengelegten japanischen Patentanmeldung (KOKAI) Nr. 63-47 616 beschrieben ist. Wenn nämlich das Verhältnis d/ξ kleiner als 1/10 ist, erscheinen die Eigenheiten einer Punktquelle, und das Schattenbild-Beugungs-Interferenzmuster wird bezüglich der Abstandsänderung b1 und b2 unstabil.

Die Beziehung zwischen der Größe des Schattenbild-Beugungs- Interferenzmusters und der Gitterkonstanten ξ des Beugungsgit­ ters 9 wird als nächstes beschrieben. Der Abstand zwischen Scheitelwerten des Schattenbild-Beugungs-Interferenzmusters ist als ξ (b2/(b1+b2)) gegeben. Diese Beziehung ξ (b2/(b1+b2)) ist in beachtlich großen Bereichen der Abstände b1 und b2 ge­ geben. Die Bildung dieser Beziehung bezüglich des Schatten­ bildes ist durch einen Versuch bestätigt. Folglich ist das Schattenbild-Beugungs-Interferenzmuster sehr stabil ausgebil­ det, und dessen Größe kann in einem beträchtlichen Bereich durch die Gitterkonstante ξ und das Verhältnis (b2/(b1+b2)) entspre­ chend eingestellt werden.

Wie vorstehend erwähnt, ist das Schattenbild-Beugungs-Inter­ ferenzmuster durch Beugung und Interferenz gebildet und ent­ spricht als Schattenbild dem durchgelassenen oder reflektier­ ten Lichtteil in dem Beugungsmuster. Das Schattenbild-Beu­ gungs-Interferenzmuster wird entsprechend einer Bewegung des Beugungsgitters bewegt. Wenn folglich eine Beugungsgitter- Struktur des erfaßten Körpers als das Beugungsgitter verwen­ det ist und die Bewegung des erzeugten Schattenbild-Beugungs- Interferenzmuster durch einen Photodetektor als eine periodi­ sche Größenänderung von empfangenen Licht festgestellt wird, kann eine Bewegungsgröße des zu erfassenden Körpers durch eine ent­ sprechende Beziehung zwischen dem Schattenbild-Beugungs-In­ terferenzmuster und der Beugungsgitter-Struktur erkannt werden.

Die lichtunterbrechende Platte 1A hat in der vorstehend be­ schriebenen Ausführungsform eine rechteckige Öffnung. Jedoch kann, wie in Fig. 2b dargestellt, die lichtunterbrechende Platte 1B auch eine mit einer elliptischen Öffnung sein. Fer­ ner kann, wie in Fig. 2c dargestellt, die lichtunterbrechende Platte 1C eine kreisförmige Öffnung aufweisen. Im Falle einer elliptischen Öffnung reicht es aus, eine Länge der ellipti­ schen Öffnung in deren Hauptachse so einzustellen, daß der vorstehenden Bedingung bezüglich der Gitterkonstanten ξ genügt ist. Im Falle der kreisförmigen Öffnung genügt es, einen Durchmes­ ser d der kreisförmigen Öffnung so einzustellen, daß der vor­ stehenden Bedingung bezüglich der Gitterkonstanten ξ genügt ist.

In Fig. 3 ist mit einer ausgezogenen Linie ein Fall darge­ stellt, bei welchem die lichtunterbrechende Platte mit einer kleinen bzw. schmalen Öffnung angeordnet ist, während durch eine gestrichelte Linie ein Fall dargestellt ist, bei wel­ chem keine lichtunterbrechende Platte vorgesehen ist. Wenn eine Ortsfrequenz der Beugungsgitter-Struktur des Körpers klein ist, kann das Schattenbild-Beugungs-Interfe­ renzmuster selbst dann noch erhalten werden, wenn ein Licht­ strahl von einer LED direkt auf den zu erfassenden Körper gerich­ tet ist. Jedoch nimmt der Kontrast zwischen Licht und Schat­ ten in dem Schattenbild-Beugungs-Interferenzmuster schnell ab, wenn die Ortsfrequenz zunimmt, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Wenn im Unterschied hierzu der Körper wie bei der Erfindung mit Licht bestrahlt wird, welches durch die kleine Öffnung der lichtunterbrechenden Platte durchgelassen worden ist, kann ein Schattenbild-Beugungs-Interferenzmuster mit einem hohen Kontrast zwischen Licht und Schatten mit ei­ ner sehr hohen Ortsfrequenz erhalten werden, wie in Fig. 3 dargestellt ist.

Ein Verfahren zum Feststellen einer Bewegungsgröße in jeder der vier Ausführungsformen wird als nächstes beschrieben. In Fig. 4 ist ein Verfahren zum Feststel­ len einer Bewegungsgröße in der ersten Ausführungsform dargestellt. In dieser ersten Ausführungsform wird das Verfahren zum Feststellen einer Bewegungsgröße beim Erfassen einer Bewegungsgröße eines linearen Codierers 2 an­ gewendet. In Fig. 4 gibt eine Lichtquelle 1, welche durch eine LED gebildet ist, inkohärentes Licht ab. Ein linearer Codie­ rer 2 wird als ein zu erfassender Körper verwendet und ist mit kleinen Schlitzen in einem konstanten Abstand gemäß Gitterkonstanten ξ versehen. Ein Schattenbild-Beugungs-Interferenzmuster, welches durch diese Schlitzanordnung erzeugt wird, wird entsprechend einer Bewe­ gung des linearen Codierers 2 in der Richtung eines Pfeils in Fig. 4 bewegt. Wenn folglich eine Bewegungsgröße des Schat­ tenbild-Beugungs-Interferenzmusters als eine periodische Größenänderung von Licht festgestellt wird, das mittels eines Photodetektors 3 empfangen worden ist, der in einer konstan­ ten Position angeordnet ist, kann die Bewegungsgröße des linearen Codierers 2 mit hoher Genauigkeit durch eine Ver­ größerungsbeziehung festgestellt werden (welche durch das vor­ stehend angeführte Verhältnis b2/(b1+b2) zwischen dem line­ aren Codierer und dem Schattenbild-Beugungs-Interferenzmuster gebildet worden ist).

In Fig. 5 ist in einer zweiten Ausführungsform mit Merkmalen nach der Er­ findung ein Verfahren zum Feststellen einer Bewegungsgröße dargestellt. In Fig. 5 wird dieses Verfahren zum Messen einer Bewegungsgröße eines scheibenförmigen Beugungsgitters 2A angewendet, wenn dieses Beugungsgitter gedreht wird.

In Fig. 6 ist in einer dritten Ausführungsform mit Merkmalen nach der Er­ findung ein Verfahren zum Feststellen einer Bewegungsgröße dargestellt. In Fig. 6 wird dieses Verfahren zum Feststellen einer Bewegungsgröße eines zylindrischen Beugungsmusters 2B verwendet, das auf einer Welle 7 eines Lagerteils 6 ausgebil­ det ist, wenn dieses Beugungsgitter gedreht wird.

In diesen Ausführungsformen ist der Photodetektor 3 auf einer optischen Achse AX angeordnet. In diesem Fall ist es daher notwendig, eine Bedingung 1/10 d/ξ 4 einzustellen. Eine Position, welche in jeder der Fig. 4 und 5 durch eine strichpunktierte Linie dargestellt ist, ist eine Position, welche von der optischen Achse AX getrennt ist, in welcher der Kontrast zwischen Licht und Schatten des Schattenbild- Beugungs-Interferenzmusters stabil ist. Wenn der Photodetek­ tor 3 in einer solchen Position angeordnet ist, kann die Be­ wegungsgröße vorzugsweise gemessen werden, selbst wenn das Verhältnis d/ξ annähernd auf 4 eingestellt ist.

Wenn, wie in Fig. 7 dargestellt ist, der zu erfassende Körper durch einen reflektierenden, zylindrischen Codierer 2B gebildet ist, wird ein Lichtstrahl, welcher durch eine kleine Öffnung einer lichtunterbrechenden Platte 1A durchgelassen worden ist, durch eine Kollimatorlinse 11 in einen parallelen Lichtstrahl geändert und mit diesem kann dann der zu erfassende Körper 2B be­ strahlt werden.

In den vorerwähnten Ausführungsformen können statt der licht­ unterbrechenden Platte 1A die in Fig. 2b bzw. 2c dargestellten lichtunterbrechenden Platten 1B und 1C auch verwendet werden.

Wie vorstehend ausgeführt, kann mit dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren zum Feststellen einer Bewegungsgröße ein sehr stabi­ les Schattenbild-Beugungs-Interferenzmuster mit Hilfe einer Lichtquelle erzeugt werden, die inkohärentes Licht abgibt. Daher kann die Bewegungsgröße eines erfaßten Körpers mit ho­ her Genauigkeit festgestellt werden.

Gemäß der Erfindung wird die Größe einer Beugungsgitter- Struktur des zu erfassenden Körpers in der Form eines Schatten­ bildes größer. Folglich kann die Bewegungsgröße des Körpers selbst dann noch festgestellt werden, wenn ein Ab­ stand der Beugungsgitter-Struktur des Körpers stark reduziert ist. Die Beugungsgitter-Struktur, die eine kleine Gitterkonstante aufweist, kann mittels allgemein üblicher Verfahren realisiert werden, wie beispielsweise einem photolithographischen Verfahren, einem Verfahren, bei welchem eine Interferenz eines Laserstrahls ausgenutzt wird, usw. Die Beugungsgitter-Struktur kann auch durch ein Verfahren realisiert werden, das in der japa­ nischen Patentanmeldung Nr. 63-2 10 126 vorgeschlagen worden ist, bei welcher dieselben Erfinder wie bei der vorliegenden Patentanmeldung angeführt sind. Bei diesem Verfahren wird ein Beugungsmuster mit Hilfe eines Magnetkopfes auf ein magneti­ sches Aufzeichnungsmedium geschrieben und durch ein magne­ tisches Kolloidalfluid entwickelt. Eine dünne transparente Harzschicht oder eine aufgedampfte dünne Metallschicht wird an dem entwickelten Muster erzeugt, und das durch das Kolloi­ dalfluid entwickelte Muster wird auf dieser Lage oder dünnen Schicht fixiert.

Claims (5)

1. Verfahren zum Feststellen einer Bewegungsgröße eines zu erfassenden Körpers, indem der ein Beugungsgitter tragende oder eine Beugungsgitterstruktur aufweisende Körper mit von einer Lichtquelle emittiertem Licht bestrahlt wird und von dem Beugungsgitter oder der Beugungsgitterstruktur reflektiertes Licht oder von diesem durchgelassenes Licht mittels eines Photodetektors erfaßt wird, da­ durch gekennzeichnet, daß eine inkohärente Lichtquelle verwendet wird, die ihr divergentes Licht durch eine kleine Öffnung in einer lichtunterbrechenden Platte abgibt, wobei die Öffnung rechteckig, elliptisch oder rund ausgebildet ist, wobei die lichtunterbrechende Platte bezüglich dem Beugungsgitter oder der Beugungsgitterstruktur so angeordnet ist, daß im Falle der rechteckigen oder elliptischen Öffnung die lange Seite bzw. die lange Halbachse senkrecht zu den Gitterteilungen bzw. parallel zur Bewegungsrichtung des Beugungsgitters oder der Beugungsgitterstruktur ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verhältnis (d/ξ) einer Längsgröße (d) der rechteckigen Öffnung der lichtunterbrechenden Platte zu der Gitterkonstanten (ξ) des Beugungsgitters, das nach der lichtunterbrechenden Platte mit der rechteckigen Öffnung angeordnet ist, von 1/10 bis 4 reicht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verhältnis (d/ξ) einer Hauptachsenlänge (d) der elliptischen Öffnung der lichtunterbrechenden Platte zu der Gitterkonstanten (ξ) des Beugungsgitters, das nach der lichtunterbrechenden Platte mit der elliptischen Öffnung angeordnet ist, von 1/10 bis 4 reicht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verhältnis (d/ξ) eines Durchmessers (d) der kreisförmigen Öffnung der lichtunterbrechenden Platte zu der Gitterkonstanten (ξ) des Beugungsgitters, das nach der lichtunterbrechenden Platte mit der kreisförmigen Öffnung angeordnet ist, von 1/10 bis 4 reicht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, zum Feststellen einer Bewegungsgröße eines zylindrischen Körpers, dadurch gekennzeichnet, daß das die kleine Öffnung verlassende Licht über eine Kollimatorlinse auf den zylindrischen Körper gerichtet wird, der eine Beugungsgitterstruktur hat, um einen divergenten reflektierten Lichtstrahl zu erhalten.