DE4209149A1

DE4209149A1 - Zweidimensionaler optischer kodierer

Info

Publication number: DE4209149A1
Application number: DE4209149A
Authority: DE
Inventors: Souji Ichikawa; Mikio Suzuki; Wataru Ishibashi; Shingo Kuroki
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1991-03-22
Filing date: 1992-03-20
Publication date: 1992-11-05
Anticipated expiration: 2012-03-21
Also published as: US5204524A; DE4209149C2; GB2254690A; GB9205410D0; GB2254690B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft optische Kodierer, und ins besondere einen optischen Kodierer, der eine zweidimensionale Verschiebung feststellen kann.

Gegenwärtig werden in Meßinstrumenten und Werkzeugmaschinen unterschiedliche Arten von Kodierern verwendet, und seit eini gen Jahren auch besonders bei Geräten der Informationstechnik, um die relative Verschiebung zwischen zwei Teilen festzustel len. Optische Kodierer werden insbesondere üblicherweise an Orten verwendet, an welchen eine berührungslose Verschiebungs feststellung erforderlich ist.

Die optischen Kodierer weisen einen Aufbau auf, bei welchem eine Hauptskala und eine Indexskala, die jeweils ein Gitter aufweisen, auf den jeweiligen Teilen vorgesehen sind, welche sich relativ zueinander bewegen. Es wird beispielsweise die Hauptskala mit Licht beleuchtet, welches durch das Gitter der Indexskala gelangt ist, und das von dem Gitter der Hauptskala reflektierte oder durch dieses hindurchgelassene Licht wird von einem Photodetektor ermittelt. Eine Relativverschiebung zwischen den beiden Teilen wird auf der Grundlage einer Pha senänderung und anderer Parameter des Nachweissignals ermit telt.

In dem US-Patent Nr. 50 26 146 ist ein eindimensionaler opti scher Kodierer mit drei Gittern beschrieben.

Konventionelle allgemeine optische Kodierer können jedoch nur eine eindimensionale Messung einer linearen Verschiebung oder einer Drehverschiebung messen. Daher kann ein einziger Kodie rer nicht die zweidimensionale Verschiebung zwischen zwei Teilen feststellen.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereit stellung einer Lösung für das voranstehend geschilderte, beim Stand der Technik auftretende Problem, und ein weiterer Vor teil liegt in der Bereitstellung eines optischen Kodierers, der einen einfachen Aufbau aufweist, einfach herzustellen ist, und der den zweidimensionalen Nachweis sowohl sehr kleiner als auch sehr großer Verschiebungen ermöglicht.

Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein zweidimensionaler optischer Kodierer mit einem ersten Teil und einem zweiten Teil, die eine Hauptskala und eine Indexskala einander gegen überliegend aufweisen, und der eine Relativverschiebung zwi schen dem ersten Teil und dem zweiten Teil in den Richtungen einer X-Achse und einer Y-Achse ermitteln kann, folgende Tei le auf.

Ein erstes, auf der Hauptskala ausgebildetes Gitter, welches zwei Untergitter aufweist, die mit Gitterlinien versehen sind, die in der Richtung der X- bzw. Y-Achse angeordnet sind;
ein zweites Gitter, welches in einem zentralen Bereich der Indexskala ausgebildet ist, und ein Untergitter aufweist, das sich entlang der X-Achse erstreckt und mit Gitterlinien ver sehen ist, die in der Richtung der X-Achse angeordnet sind, sowie ein Untergitter, welches sich entlang der Y-Achse er streckt und mit Gitterlinien versehen ist, die in der Rich tung der Y-Achse angeordnet sind;
ein drittes Gitter, welches auf der Indexskala ausgebildet ist, und welches zwei Untergitter aufweist, die außerhalb des entsprechenden Untergitters des zweiten Gitters vorgesehen sind und Gitterlinien aufweisen, die in der Richtung der X- Achse verlaufen, wobei eine Phasendifferenz zwischen den bei den Untergittern existiert, wobei zwei Untergitter außerhalb des entsprechenden Untergitters des zweiten Gitters vorgese hen sind, die Gitterlinien aufweisen, die in der Richtung der Y-Achse verlaufen, wobei eine Phasendifferenz zwischen den beiden Untergittern existiert;
eine an dem zweiten Teil befestigte Lichtquelle;
mehrere an dem zweiten Teil befestigte Photodetektoren, die entsprechend den jeweiligen Untergittern des dritten Gitters angeordnet sind, um Licht zu empfangen, welches von der Licht quelle ausgesandt wurde, durch das zweite Gitter hindurchge langt ist, von dem ersten Gitter reflektiert wurde, und durch das dritte Gitter hindurchgelassen wurde; und
eine Berechnungsschaltung zur Erzeugung von Signalen, welche die relativen Verschiebungen in der Richtung der X- und Y- Achse anzeigen, durch Bearbeitung von Ausgangssignalen der mehreren Photodetektoren.

Mit der voranstehenden Konstruktion wird ein Verschiebungs detektor mit drei Gittern sowohl in der X- als auch in der Y-Richtung ausgebildet, wodurch der einzige optische Kodie rer eine Relativverschiebung zwischen der Hauptskala und der Indexskala sowohl in der X- als auch in der Y-Richtung ermit teln kann.

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

Fig. 1 eine Schnittansicht mit einer Darstellung des all gemeinen Aufbaus eines optischen Kodierers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung;

Fig. 2 eine Aufsicht mit der Darstellung der Anordnung ei nes lichtemittierenden Elementes und von Photodetek toren bei der ersten Ausführungsform;

Fig. 3 eine Aufsicht, welche ein erstes Gitter zeigt, das auf einer Hauptskala bei der ersten Ausführungsform vorgesehen ist;

Fig. 4 eine Aufsicht, die ein erstes und ein zweites Gitter zeigt, welche auf einer Indexskala bei der ersten Ausführungsform vorgesehen sind;

Fig. 5 das Grundprinzip der Ermittlung der Relativverschie bung gemäß der Erfindung;

Fig. 6 eine Aufsicht, die ein bestimmtes Beispiel für das erste Gitter bei der ersten Ausführungsform zeigt; und

Fig. 7 eine Aufsicht, die ein erstes Gitter zeigt, welches auf einer Hauptskala bei einem optischen Kodierer gemäß einer zweiten Ausführungsform vorgesehen ist.

Fig. 1 ist eine vertikale Querschnittsansicht, die den grund sätzlichen Aufbau eines optischen Kodierers gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Fig. 2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie II-II in Fig. 1.

Wie aus diesen Figuren hervorgeht, sind bei einem optischen Kodierer 10 eine Hauptskala 12 und eine Indexskala 16 auf ei nem beweglichen Teil 14 bzw. 18 vorgesehen, um eine Relativ verschiebung zwischen den Teilen 14 und 18 zu ermitteln.

Bei dem beweglichen Teil 18 sind ein Licht emittierendes Ele ment 20 und acht Photodetektoren 22a-22h an der Bodenober fläche der Indexskala 16 befestigt (Fig. 1). Zuleitungsdrähte von dem Licht emittierenden Element 20 und den Photodetekto ren 22a-22h sind mit einer Platine 24 mit einer gedruckten Schaltung verbunden.

Bei dem beweglichen Teil 14 ist ein erstes Gitter 26 auf der Hauptskala 12 vorgesehen. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, nimmt das erste Gitter 26 eine kreuzartige Form an, wobei das Kreuz aus vier fünfeckigen Reflexionsgittern (oder Untergittern) 28a-28d besteht. Die Linien der Gitter 28a und 28b sind in der Y-Richtung angeordnet, und die Linien der Gitter 28c und 28d in der X-Richtung.

Andererseits weist, wie in Fig. 4 gezeigt ist, die Indexskala 16 ein zweites Gitter 30 und ein drittes Gitter 32 auf. Das zweite Gitter 30 ist ein quadratisches Transmissionsgitter, welches vier dreieckige Transmissionsgitter (oder Untergitter) 34a-34d aufweist, die gegenüberliegend dem voranstehend erwähnten Licht emittierenden Element 20 angeordnet sind. Git ter (oder Untergitter) 32a-32h des dritten Gitters 32 sind ebenfalls Transmissionsgitter, die gegenüberliegend den acht zugehörigen Photodetektoren 22a-22h angeordnet sind. Bei dieser Anordnung gelangt von dem Licht emittierenden Element 20 ausgesandtes Licht durch das zweite Gitter 30, wird durch das erste Gitter 26 reflektiert, gelangt durch das dritte Gitter 32, und wird schließlich von den Photodetektoren 22a-22h festgestellt.

Wie aus der voranstehenden Beschreibung deutlich wird, bilden bei dem optischen Kodierer gemäß der ersten Ausführungsform die Gitter 34a und 34b des zweiten Gitters 30, die Gitter 28a und 28b des ersten Gitters 26, und die Gitter 32a-32d des dritten Gitters 32 einen Verschiebungsdetektor mit drei Git tern zur Ermittlung der Relativbewegung in der X-Richtung. Entsprechend bilden die Gitter 34c und 34d des zweiten Git ters 30, die Gitter 28c und 28d des ersten Gitters 26, und die Gitter 32e-32h des dritten Gitters 32 einen weiteren Verschiebungsdetektor mit drei Gittern zur Ermittlung der Re lativbewegung in der Y-Richtung.

Dieser Verschiebungsdetektor mit drei Gittern ermittelt eine Verschiebung auf der Grundlage einer Änderung der Überlap pungsbeziehungen zwischen den drei Gittern. Diesbezügliche Einzelheiten sind in "Journal of the Optical Society of Ame rica", 1965, Band 55, Nr. 4, Seiten 373-381, beschrieben.

Bei der ersten Ausführungsform, wie in der Darstellung von Fig. 5 eindimensional und in Transmission gezeigt ist, umfaßt jeder Verschiebungsdetektor mit drei Gittern das zweite Git ter 30 (tatsächlich eines seiner Gitter 34a bis 34d), und das dritte Gitter 32, die parallel zueinander angeordnet sind, das erste Gitter 26, welches zwischen den Gittern 30 und 32 angeordnet ist und parallel zu diesen verläuft, so daß es re lativ zu diesen Gittern beweglich ist, das Licht emittieren de Element 20 (beispielsweise eine LED), welches als eine Flächenlichtquelle angesehen wird, und auf der linken Seite des zweiten Gitters 30 in Fig. 5 angeordnet ist, sowie den Photodetektor 22, der auf der rechten Seite des dritten Git ters 32 in der Zeichnung angeordnet ist.

Das von dem Licht emittierenden Element 20 ausgesandte Licht gelangt durch das zweite Gitter 30, das erste Gitter 26 und das dritte Gitter 32 (oder wird tatsächlich durch das erste Gitter 26 reflektiert), und erreicht den Photodetektor 22. Daher wandelt der Photodetektor 32 photoelektrisch das Licht um, welches infolge der Gitter 30, 26 und 32 eine verringerte Intensität aufweist, und ein Vorverstärker 52 verstärkt das Ausgangssignal des Photodetektors 22, um ein Nachweissignal S zu erzeugen.

Wenn sich das erste Gitter 26 in bezug auf das zweite und dritte Gitter 30 bzw. 32 mit konstanter Geschwindigkeit be wegt, beispielsweise in der X-Richtung, so ändert sich das von dem Photodetektor 22 empfangene Licht entsprechend einer Variation der Lichtintensitätsverringerung infolge der Ab schirmung durch die Gitter 30, 26 und 32, so daß das Nach weissignal S eine allgemein sinusartige Form annimmt.

Eine Periode P des Nachweissignals S entspricht einer Gitter teilung (Gitterabstand) P₁ des ersten Gitters 26. Eine Bewe gungsentfernung des ersten Gitters 26 wird durch eine (nicht gezeigte) Berechnungsschaltung ermittelt, auf der Grundlage der Periode P des Nachweissignals S und seiner Unterteilungs werte.

Da, wie voranstehend beschrieben, das erste Gitter 26 auf dem beweglichen Teil 14 angeordnet ist, und das zweite und dritte Gitter 30 und 32 auf dem beweglichen Teil 18 angeordnet sind, kann die Relativverschiebung zwischen den Teilen 14 und 18 auf zweidimensionale Weise wie voranstehend beschrieben ermit telt werden.

Bei der ersten Ausführungsform sind die Linien der Gitter 28a und 28b des ersten Gitters 26 parallel zur Y-Achse mit einer Gitterteilung P₁ ausgebildet, und Linien der Gitter 28c und 28d verlaufen parallel zu der X-Achse mit einer Gitterteilung P_1′. Weiterhin sind die Linien der Gitter 34a und 34b des zweiten Gitters 30 parallel zur Y-Achse angeordnet, mit einer Gitterteilung P₂, und Linien der Gitter 34c und 34d sind parallel zur X-Achse angeordnet mit einer Gitterteilung P_2′.

Die Gitter 32a bis 32d des dritten Gitters 32 dienen als Git ter für eine Ax-Phase, eine Ax′-Phase, eine Bx-Phase bzw. ei ne Bx′-Phase, und Linien dieser Gitter 32a-32d verlaufen parallel zu der Y-Achse mit einer Gitterteilung P₃. Entspre chend dienen die Gitter 32e-32h des dritten Gitters 32 als Gitter für eine Ay-Phase, eine Ay′-Phase, eine By-Phase bzw. eine By′-Phase, und Linien dieser Gitter 32e-32h verlaufen parallel zu der X-Achse mit einer Gitterteilung P_3′.

Im einzelnen sind die Gitter 32a-32h so ausgebildet, daß die Photodetektoren 22a-22d jeweils Signale der Ax-, Ax′-, Bx- und Bx′-Phase erzeugen, die jeweils voneinander eine Phasen differenz von π/2 aufweisen. Dies bedeutet, daß unter der An nahme einer Phase des Ax-Phasensignals von 0° das Gitter 32b so ausgebildet ist, daß es von dem Gitter 32a um eine Entfer nung P₃/2 abweicht, um das Ax′-Phasensignal zur Verfügung zu stellen, welches eine Phase von 180° hat. Das Gitter 32c ist so ausgebildet, daß es von dem Gitter 32a um eine Entfernung P₃/4 abweicht, um das Bx-Phasensignal zu erzeugen, welches eine Phase von 90° hat. Das Gitter 32d ist so ausgebildet, daß es von dem Gitter 32a um eine Entfernung von (3/4)P₃ ab weicht, um das Bx′-Phasensignal mit einer Phase von 270° zu erzeugen.

Auf entsprechende Weise sind die Gitter 32e-32h so ausge bildet, daß die Photodetektoren 22e-22h jeweils Signale der Ay-, Ay′-, By- und By′-Phase erzeugen, die gegeneinander eine Phasendifferenz von π/2 aufweisen. Unter der Annahme, daß die Phase des Ay-Phasensignals 0° beträgt, bedeutet dies, daß das Gitter 32f so ausgebildet ist, daß es von dem Gitter 32e um eine Entfernung von P₃/2 abweicht, um das Ay′-Phasen signal mit einer Phase von 180° zu erzeugen. Das Gitter 32g ist so ausgebildet, daß es von dem Gitter 32e um eine Entfer nung von P₃/4 abweicht, um das By-Phasensignal zu erzeugen, welches eine Phase von 90° aufweist. Das Gitter 32h ist so ausgebildet, daß es von dem Gitter 32e um eine Entfernung von (3/4)P₃ abweicht, um das By′-Phasensignal mit einer Phase von 270° zu erzeugen.

Ein Ax-Phasen-Ausgangssignal, welches einer differentiellen Amplitudenverstärkung unterworfen wurde, wird schließlich auf der Grundlage der Differenz zwischen den voranstehend beschriebenen Ax- und Ax′-Phasensignalen erhalten. Weiter hin wird schließlich ein Bx-Phasen-Ausgangssignal erhalten, welches einer differentiellen Amplitudenverstärkung unter worfen wurde, auf der Grundlage der Differenz zwischen den voranstehend beschriebenen Bx- und Bx′-Phasensignalen. Ob die Relativbewegung zwischen den Skalen 12 und 16 (also zwischen den beweglichen Teilen 14 und 18) in die positive oder negative Richtung der X-Achse gerichtet ist, wird aus der Richtung einer Phasenabweichung zwischen dem so erhalte nen Ax-Phasen-Ausgangssignal und dem Bx-Phasen-Ausgangssi gnal und anderen Faktoren ermittelt. Darüber hinaus kann die Bewegungsentfernung mit hoher Auflösung durch elektrisches Unterteilen der Nachweissignale festgestellt werden.

Die Phasendiskriminierung und die Entfernungsermittlung für die Relativbewegung zwischen den beweglichen Teilen 14 und 18 in der Y-Richtung werden auf entsprechende Weise durchge führt.

Wie voranstehend beschrieben wurde, kann der optische Kodie rer gemäß der ersten Ausführungsform die Bewegungsrichtung und die Bewegungsentfernung sowohl bezüglich der X-Achse als auch der Y-Achse feststellen.

Fig. 6 zeigt ein bestimmtes Beispiel für das erste Gitter 26 von Fig. 3. Das erste Gitter 26 besteht aus den Gittern 28a und 28b für die Feststellung der Bewegung in der X-Richtung, und aus den Gittern 28c und 28d für die Bestimmung der Bewe gung in der Y-Richtung. Die Gitter 28a und 28b weisen eine relativ große Gitterteilung P₁ auf, um eine schnelle Able sung der Bewegung in der X-Richtung zu ermöglichen. Dagegen weisen die Gitter 28c und 28d eine relativ kleine Gittertei lung P_1′ auf, um eine hochauflösende Ablesung der Bewegung in der Y-Richtung zu ermöglichen.

Auf die voranstehend beschriebene Weise können die Gittertei lungen der jeweiligen Gitter entsprechend Merkmalen der Bewe gung beweglicher Teile festgelegt werden, die ermittelt wer den soll. Die bestimmte Gitterteilungen aufweisenden Gitter können sehr exakt durch ein konventionelles Verfahren herge stellt werden.

Vorzugsweise weisen die jeweiligen Gitter die nachstehend an gegebenen Gitterteilungen auf:

P₁ = 40 µm (Breite Wl des hellen Abschnitts) =
(Breite Wd des dunklen Abschnitts) = 20 µm;
P₂ = 160 µm (Wl = 40 µm, Wd = 120 µm);
P₃ = 80 µm (Wl = Wd = 40 µm);
P_1′ = 20 µm (Wl = Wd = 10 µm);
P_2′ = 80 µm (Wl = 20 µm, Wd = 60 µm); und
P_3′ = 40 µm (Wl = Wd = 20 µm).

Wenn die Gitterteilung des zweiten Gitters 30 größer gewählt wird als die des ersten Gitters 26, und die Breite des hellen Abschnitts des zweiten Gitters 30 kleiner oder gleich der Git terteilung des ersten Gitters 26 gewählt wird, wie voranste hend angegeben ist, so wird die Inkohärenz zwischen den Licht strahlen verbessert, die durch den Durchgang des zweiten Git ters 30 erzeugt werden, um ein höheres Signal-Rauschverhältnis des Nachweissignals zur Verfügung zu stellen, und dies ermög licht eine einfachere Signalbearbeitung und eine genauere Be stimmung der Verschiebung.

Eine weitere vorteilhafte Auswahl für die Gitterteilungen ist wie folgt:

P₁ = 100 µm (Breite Wl des hellen Abschnitts) =
(Breite Wd des dunklen Abschnitts) = 50 µm;
P₂ = 400 µm (Wl = 100 µm, Wd = 300 µm);
P₃ = 200 µm (Wl = Wd = 100 µm);
P_1′ = 40 µm (Wl = Wd = 20 µm);
P_2′ = 160 µm (Wl = 40 µm, Wd = 120 µm); und
P_3′ = 80 µm (Wl = Wd = 40 µm).

Wie voranstehend beschrieben wurde, weist bei dem optischen Kodierer gemäß der ersten Ausführungsform sowohl die Haupt skala als auch die Indexskala orthogonale Gitter auf, die in Kreuzform angeordnet sind, so daß ein optischer Kodierer zur Verfügung gestellt werden kann, der einen einfachen Aufbau aufweist, einfach herzustellen ist, und der eine Relativver schiebung sowohl in der X- als auch in der Y-Richtung fest stellen kann.

Nachstehend wird ein optischer Kodierer gemäß einer zweiten Ausführungsform beschrieben, der denselben Aufbau wie die erste Ausführungsform aufweist, mit der Ausnahme des ersten Gitters. Daher wird hier eine Beschreibung der Bauteile abge sehen von dem ersten Gitter weggelassen. Darüber hinaus ist das erste Gitter bei der zweiten Ausführungsform auf dieselbe Weise angeordnet wie bei der ersten Ausführungsform, um einen Verschiebungsdetektor mit drei Gittern zur Verfügung zu stel len, der nach demselben Prinzip arbeitet.

Wie in Fig. 7 gezeigt ist, weist die Hauptskala 12 ein erstes Gitter 126 auf, welches als ein Reflexionsgitter ausgebildet ist, das rechteckige, inselartige Reflexionsabschnitte 128₁₁ 128₁₂, . . ., 128_ln, 128₂₁, 128₂₂, . . ., 128_2n, . . ., 128_ml, 128_m2, . . ., 128_mn aufweist, die in Matrixform an geordnet sind. Die Reihen der Reflexionsabschnitte 128 _ÿ, die sich parallel zur Y-Achse erstrecken und in X-Richtung angeordnet sind, bilden ein Gitter mit einer Gitterteilung P₁, und die Spalten der Reflexionsabschnitte 128 _ÿ, die sich parallel zur X-Achse erstrecken und in der Y-Richtung angeordnet sind, bilden ein Gitter mit einer Gitterteilung P_1′.

Bei dem optischen Kodierer gemäß der zweiten Ausführungs form wird ein Verschiebungsdetektor mit drei Gittern zur Be stimmung der Relativverschiebung in der X-Richtung gebildet durch die Gitter 34a und 34b des zweiten Gitters 30, die Zeilen der Reflexionsabschnitte 128 _ÿ des ersten Gitters 128, die Gitter 32a-32d des dritten Gitters 32, und die Photodetektoren 22a-22d. Entsprechend wird ein Verschie bungsdetektor mit drei Gittern zur Bestimmung der Relativbe wegung in der Y-Richtung gebildet durch die Gitter 34c und 34d des zweiten Gitters 30, die Spalten der Reflexionsab schnitte 128 _ÿ des ersten Gitters 128, die Gitter 32e-32h des dritten Gitters 32, und die Photodetektoren 22e-22h.

Bei dieser Ausführungsform sind die Zeilen der Reflexions abschnitte 128 _ÿ mit einer relativ großen Gitterteilung P₁ versehen, um eine schnelle Ablesung der Bewegung in der X- Richtung zu ermöglichen. Dagegen sind die Spalten der Refle xionsabschnitte 128 _ÿ mit einer relativ kleinen Gittertei lung P_1′ versehen, um eine hochauflösende Ablesung der Be wegung in der Y-Richtung zur Verfügung zu stellen. Auf die se Weise können die Gitterteilungen der jeweiligen Gitter entsprechend Merkmalen der Bewegung beweglicher Teile fest gelegt werden, die bestimmt werden sollen. Die bestimmte Gitterteilungen aufweisenden Gitter können sehr exakt durch ein konventionelles Verfahren hergestellt werden.

Die beiden spezifischen Beispiele für Gitterteilungen, die im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschrieben wurden, können ebenfalls bei der zweiten Ausführungsform eingesetzt werden.

Eine weitere vorteilhafte Auswahl für die Gitterteilungen ist wie folgt:

P₁ = 20 µm (Breite Wl des hellen Abschnitts) =
(Breite Wd des dunklen Abschnitts) = 10 µm;
P₂ = 20 µm (Wl = Wd = 10 µm);
P₃ = 20 µm (Wl = Wd = 10 µm);
P_1′ = 10 µm (Wl = Wd = 5 µm);
P_2′ = 10 µm (Wl = Wd = 5 µm); und
P_3′ = 10 µm (Wl = Wd = 5 µm).

Bei diesem Beispiel sind die Gitterteilungen des ersten bis dritten Gitters gleich. Bedenkt man, daß P₁= 20 µm ist, also größer als P_1′ = 10 µm, so kann, wenn ein Intervall d (vgl. Fig. 1) zwischen der Hauptskala 12 und der Indexskala 16 so gewählt wird, daß es die Beziehung d ≧ P₁ ²/2λ erfüllt (λ: Wellenlänge des von dem Licht emittierenden Element 20 ausgesandten Lichts), ein zweidimensionaler Kodierer reali siert werden, dessen Ausgangssignal kaum durch eine Variation des Intervalls d beeinflußt wird.

Diese Art der Wahl der Gitterteilung ermöglicht die Bereit stellung der folgenden vorteilhaften Merkmale.

1) Wenn die Hauptskala 12 um eine Entfernung P₁ in der X- Richtung bewegt wird, so nimmt das Ausgangssignal eine der artige Signalform an, wie sie erzeugt wird, wenn ein Bild auf dem dritten Gitter 32 um eine Entfernung von 2P₁ bewegt wird, um ein Signal zur Verfügung zu stellen, welches optisch in zwei Teile unterteilt wurde. Dies erleichtert die Ausle gung einer elektrischen Teilerschaltung.
2) Da sie tolerant gegenüber der Variation des Intervalls d ist, ist diese Art der Gitterteilungsauswahl für die Fälle kleiner Gitterteilungen geeignet, beispielsweise bei einem Kodierer, bei welchem P₁ oder P_1′ nicht mehr als 40 µm beträgt.

Nachstehend ist eine weitere vorteilhafte Auswahl der Gitter teilungen angegeben:

P₁ = 40 µm (Breite Wl des hellen Abschnitts) =
(Breite Wd des dunklen Abschnitts) = 20 µm;
P₂ = 80 µm (Wl = Wd = 40 µm);
P₃ = 80 µm (Wl = Wd = 40 µm);
P_1′ = 10 µm (Wl = Wd = 5 µm);
P_2′ = 10 µm (Wl = Wd = 5 µm); und
P_3′ = 10 µm (Wl = Wd = 5 µm).

In diesem Falle nimmt, wenn die Hauptskala 12 um eine Entfer nung P₁ in der X-Richtung bewegt wird, das Ausgangssignal eine derartige Signalform an, wie sie erzeugt wird, wenn ein Bild auf dem dritten Gitter 32 um eine Entfernung P₁ bewegt wird. Wenn andererseits die Hauptskala 12 um eine Entfernung P_1′ in der Y-Richtung bewegt wird, so nimmt das Ausgangs signal eine derartige Signalform an, wie sie erzeugt wird, wenn ein Bild auf dem dritten Gitter um eine Entfernung 2P_1′ bewegt wird. Daher ist das voranstehende Beispiel für einen solchen Fall geeignet, in welchem in der X-Richtung ein Nach weis mit niedriger Auflösung und hoher Geschwindigkeit erfor derlich ist, und in der Y-Richtung ein Nachweis mit hoher Auflösung und niedriger Geschwindigkeit.

Bei der zweiten Ausführungsform kann sich das erste Gitter 126 über eine große Fläche erstrecken, und dies ermöglicht einen Nachweis in einem weiten Bereich. Die Form des ersten Gitters 126 kann je nach Wunsch festgelegt werden, unter Be rücksichtigung der Entfernung für die Relativbewegung zwi schen der Hauptskala 12 und der Indexskala 16.

Das erste Gitter 128 kann auf entgegengesetzte Weise wie in Fig. 7 dargestellt erzeugt werden. Dies bedeutet, daß die inselartigen Abschnitte 128 _ÿ, die in Matrixform angeordnet sind, Transmissionsabschnitte sein können, und daß der ver bleibende Abschnitt 129 reflektierend ausgebildet ist.

Wie voranstehend beschrieben wurde, ist bei dem optischen Kodierer gemäß der zweiten Ausführungsform das erste Gitter auf der Hauptskala so ausgebildet, daß die inselartigen Abschnitte in Matrixform angeordnet sind, und das zweite und dritte Gitter sind auf der Indexskala so angeordnet, daß die se Gitter orthogonal zueinander liegen, um so eine kreuzarti ge Form anzunehmen. Dies führt dazu, daß ein Detektor für ei ne zweidimensionale Verschiebung zur Verfügung gestellt wer den kann, der einen einfachen Aufbau aufweist und einen Nach weis über einen weiten Bereich ermöglicht.

Claims

1. Zweidimensionaler optischer Kodierer, gekennzeichnet durch:
ein erstes Teil und ein zweites Teil, die mit einer Haupt skala bzw. einer Indexskala versehen sind, die einander gegenüberliegend angeordnet sind, um eine Relativverschie bung zwischen, dem ersten Teil und dem zweiten Teil in Richtungen einer X-Achse und einer Y-Achse festzustellen, wobei der optische Kodierer folgende Teile aufweist:
ein auf der Hauptskala ausgebildetes erstes Gitter, wel ches zwei Untergitter aufweist, die mit Gitterlinien ver sehen sind, die in der Richtung der X-Achse bzw. der Rich tung der Y-Achse angeordnet sind;
ein in einem zentralen Bereich der Indexskala ausgebilde tes zweites Gitter, welches ein Untergitter aufweist, das sich entlang der X-Achse erstreckt und Gitterlinien auf weist, die in der Richtung der X-Achse angeordnet sind, und ein Untergitter aufweist, das sich entlang der Y-Achse erstreckt und mit Gitterlinien versehen ist, die in der Richtung der Y-Achse angeordnet sind;
ein auf der Indexskala ausgebildetes drittes Gitter, wel ches zwei Untergitter aufweist, die außerhalb des entspre chenden Untergitters des zweiten Gitters vorgesehen sind und Gitterlinien aufweisen, die in der Richtung der X-Ach se verlaufen, mit einer Phasendifferenz zwischen den bei den Untergittern, und welches zwei Untergitter aufweist, die außerhalb des entsprechenden Untergitters des zweiten Gitters ausgebildet sind und Gitterlinien aufweisen, die in der Richtung der Y-Achse angeordnet sind, mit einer Phasendifferenz zwischen den beiden Untergittern;
eine an dem zweiten Teil befestigte Lichtquelle;
mehrere an dem zweiten Teil befestigte Photodetektoren, die entsprechend den jeweiligen Untergittern des dritten Gitters angeordnet sind, um von der Lichtquelle ausge sandtes Licht zu empfangen, welches durch das zweite Git ter hindurchgelassen wurde, von dem ersten Gitter reflek tiert wurde, und durch das dritte Gitter hindurchgelassen wurde; und
eine Berechnungsschaltung zur Erzeugung von Signalen, wel che die Relativverschiebungen in den Richtungen der X- und Y-Achse anzeigen, durch Bearbeitung von Ausgangssig nalen der mehreren Photodetektoren.

2. Optischer Kodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß jedes der Untergitter des dritten Gitters zwei Untergitter aufweist, die eine Phasendifferenz aufweisen.

3. Optischer Kodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß jedes der Untergitter des zweiten Gitters in ei nem Zentrum der Indexskala in zwei Untergitter unterteilt ist.

4. Optischer Kodierer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß die vier Untergitter des zweiten Gitters durch zwei gerade Linien unterteilt sind, die einander im Zen trum der Indexskala schneiden und Winkel von 45° mit der X- und Y-Achse bilden.

5. Optischer Kodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß sich die beiden Untergitter des ersten Gitters entlang der X- bzw. Y-Achse erstrecken, um eine kreuz artige Form anzunehmen.

6. Optischer Kodierer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß jedes der Untergitter in einem Zentrum der Hauptskala in zwei Untergitter aufgeteilt ist.

7. Optischer Kodierer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß die vier Untergitter des ersten Gitters in ei nem zentralen Bereich der Hauptskala dort, wo sie aufein ander treffen, durch zwei gerade Linien unterteilt sind, die einander im Zentrum der Hauptskala schneiden und Win kel von 45° mit der X- und Y-Achse bilden.

8. Optischer Kodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die beiden Untergitter des ersten Gitters durch Zeilen und Spalten rechteckiger Abschnitte gebildet wer den, die jeweils in einer Matrixform angeordnet sind.

9. Optischer Kodierer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich net, daß die rechteckigen Abschnitte Abschnitte zum Re flektieren des von dem zweiten Gitter hindurchgelassenen Lichtes darstellen.

10. Optischer Kodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die beiden Untergitter des ersten Gitters unter schiedliche Gitterteilungen aufweisen.

11. Optischer Kodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die in der Richtung der X-Achse angeordneten Gitterlinien des ersten, zweiten und dritten Gitters die selbe Gitterteilung aufweisen, und daß die in der Richtung der Y-Achse verlaufenden Gitterlinien des ersten, zwei ten und dritten Gitters dieselbe Gitterteilung aufweisen, wobei ein Intervall d zwischen der Hauptskala und der Indexskala so gewählt ist, daß die Beziehung d ≧ P₁ ²/2λ erfüllt ist, wobei P₁ die größere Gitterteilung der zweiten Untergitter des ersten Gitters ist, und λ die Wellenlänge des von der Lichtquelle ausgesandten Lichtes ist.