DE4226683A1

DE4226683A1 - Optischer bewegungsaufnehmer

Info

Publication number: DE4226683A1
Application number: DE4226683A
Authority: DE
Inventors: Masaaki Takagi; Takumi Fukuda
Original assignee: Nidec Copal Corp
Current assignee: Nidec Precision Corp
Priority date: 1991-08-14
Filing date: 1992-08-12
Publication date: 1993-02-18
Anticipated expiration: 2012-08-13
Also published as: JP3089055B2; JPH05133772A; US5539519A; DE4226683B9; DE4226683B4

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Bewe gungsaufnehmer oder einen optischen Meßgeber, der eine Geberplatte einsetzt, die so angeordnet ist, daß sie eine Dreh- oder Linearbewegung vollführt, um einfallendes Licht zu modellieren, so daß dessen Veränderung auf der Basis einer Änderung einer modellierten Lichtintensität fest gestellt wird.

Der herkömmliche optische Meßgeber setzt entweder ein geometrisches optisches System oder ein wellenoptisches System ein. Der bekannte optische Meßgeber des wellen optischen Typs benutzt eine Interferenz oder eine Diffrak tion kohärenten Lichtes und umfaßt eine kohärente Licht quelle wie z. B. einen Halbleiterlaser und eine Geberplatte, die mit einem Diffraktionsgitter und einem Photosensor gebildet ist. Das Diffraktionsgitter hat eine Gitterkon stante, die mit einer Wellenlänge des kohärenten Lichtes vergleichbar ist, wodurch der optische Meßgeber der wel lenoptischen Type durch eine hohe Auflösung und eine geringe Baugröße ausgezeichnet ist. Der Halbleiterlaser, der im allgemeinen als kohärente Lichtquelle eingesetzt wird, leidet jedoch an einer von der Temperatur abhängigen Schwingcharakteristik, die einen Meßfehler nach sich ziehen kann. Zusätzlich hat der Halbleiterlaser nur eine relativ geringe Lebensdauer.

Auf der anderen Seite nutzt der bekannte optische Meßgeber der geometrischen Optiktype eine Linearität oder Dirigier barkeit des Lichtes aus und umfaßt eine inkohärente Licht quelle wie z. B. eine Leuchtdiode (LED), eine bewegliche, geschlitzte Platte und eine stehende geschlitzte Platte, die zusammen ein Plattenpaar bilden, sowie einen Photosensor. Die Kombination der beweglichen und der stehenden geschlitz ten Platte wird benutzt, um ein einfallendes Licht inter mittierend zu schalten, um so eine Bewegung festzustellen, die auf einer Änderung der Lichtintensität basiert.

Der Meßgeber des geometrischen optischen Systems benutzt in der Regel eine inkohärente Lichtquelle, die aus einer Leuchtdiode (LED) besteht, deren Lebensdauer größer ist als die eines Halbleiterlasers, der als kohärente Licht quelle in dem wellenoptischen System eingesetzt wird. Darüber hinaus spielt die Temperaturabhängigkeit keine Rolle, da die LED als eine inkohärente Lichtquelle benutzt wird. Um jedoch die Auflösung in dem Meßgeber des geome trischen optischen Systems zu verbessern, muß eine Teilung von Schlitzen, die auf der beweglichen Platte und der stehenden Platte gebildet sind, reduziert werden, wodurch eine Verschlechterung der Dirigierbarkeit des Lichtes in folge optischer Diffraktion hervorgerufen wird, das durch die Schlitze hindurchfällt. Zusätzlich ist die LED keine ideale Punktlichtquelle, sondern hat tatsächlich eine gewisse lichtaussendende Fläche, was zu einer Divergenz des Lichtes führt, das durch die Schlitze fällt. Die sich bewegende geschlitzte Platte und die stehende geschlitzte Platte müssen so dicht es geht aneinanderliegen, um die Verschlechterung der Dirigierbarkeit des Lichtes und eine Lichtdivergenz zu vermeiden. Die sich bewegende geschlitzte Platte stellt jedoch eine Geberplatte dar, die normaler weise einer unregelmäßigen Fluktuation des Oberflächen niveaus im Verlauf einer gleichmäßigen Bewegung unterliegt. Eine derartige Fluktuation des Oberflächenniveaus wird durch mechanische Schwingung oder durch Stoß vermehrt, die von außen aufgebracht werden. Deshalb muß der Abstand zwischen der sich bewegenden geschlitzten Platte und der stehenden geschlitzten Platte unter Berücksichtigung einer gewissen Toleranz für die Fluktuation des Oberflächenniveaus eingestellt werden. Es ist deshalb in praktischer Hinsicht schwierig, die Verschlechterung der Lichtdirigierbarkeit zu unterdrücken, wodurch eine feine Auflösung und eine Ver kleinerung eines Meßgebers der geometrischen Optiktype verhindert wird.

Im Hinblick auf die vorangehend genannten Nachteile eines Meßgebers der herkömmlichen geometrischen Optiktype ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Meßgeber einer verbesserten geometrischen Optiktype vorzusehen, die sich durch eine hohe Auflösung auszeichnet, während er einen genügend großen Spalt zwischen einer sich bewegenden geschlitzten Platte und einer stehenden geschlitzten Platte einhält. Gemäß der Erfindung umfaßt der optische Bewe gungsaufnehmer ein Bewegungsglied mit einem periodischen Schlitzmuster, das bewegbar in einer ersten Ebene angeordnet ist. Eine Lichtquelle ist zur Beleuchtung des Schlitzmusters so angeordnet, daß es ein primäres Streifenbild bildet, dessen Hell-/Dunkel-Bereiche entlang der ersten Ebene wechseln. Zum Projizieren des primären Streifenbildes ist ein Linsenglied mit einer vorgegebenen Vergrößerung vorge sehen, um ein sekundäres, vergrößertes Streifenbild zu bilden, dessen Hell-/Dunkel-Bereiche entlang einer zweiten Ebene wechseln. In der zweiten Ebene ist eine Licht empfangseinheit zum Empfang des wechselnden sekundären, vergrößerten Streifenbildes durch ein periodisches Masken muster hindurch fest angeordnet, um ein elektrisches Signal hervorzubringen, das ein Maß für eine Bewegung des Bewe gungsgliedes ist.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind, werden nachfolgend im einzelnen erläutert; in der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Grundstruktur des erfindungsgemäßen optischen Bewegungsaufnehmers,

Fig. 2 eine schematische, auseinandergezogene, per spektivische Ansicht zur Verdeutlichung eines Aus führungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen Bewegungsaufnehmers in Form eines rotierenden Meß gebers,

Fig. 3 eine schematische, teilweise geschnitte An sicht des rotierenden Meßgebers gemäß der Fig. 2,

Fig. 4 ein Diagramm zur Verdeutlichung des Verhält nisses zwischen einer Fluktuation des Oberflächen niveaus einer Geberplatte und eines Geberausgangs,

Fig. 5 eine Draufsicht zur Verdeutlichung eines Musters einer Lichtempfangsfläche, die in einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen rotierenden Meßgebers benutzt wird,

Fig. 6 ein Schaltungsdiagramm zur Verdeutlichung eines Prozeßschaltkreises für die Auswertung eines Detek torsignals, das von der Lichtempfangseinheit der Fig. 5 geliefert wird, um ein inkrementales Signal zu erhalten,

Fig. 7 ein Wellenformdiagramm zur Verdeutlichung des Betriebes eines Prozeßschaltkreises für ein inkrementales Signal gemäß der Fig. 6,

Fig. 8 ein Schaltungsdiagramm zur Verdeutlichung eines weiteren Prozeßschaltkreises für die Verarbeitung eines Detektorsignals von der Lichtempfangseinheit der Fig. 5, um ein Indexsignal auszugeben,

Fig. 9 ein Wellenformdiagramm zur Verdeutlichung des Betriebes des Prozeßschaltkreises für das Index signal und

Fig. 10 eine schematische, auseinandergezogene per spektivische Ansicht zur Verdeutlichung eines wei teren Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Anhand der Fig. 1 wird das grundsätzliche Prinzip der Erfindung veranschaulicht. Der dargestellte optische Bewegungsaufnehmer besteht aus einem Bewegungsglied 2, einer Lichtquelle 4, einem Linsenglied 6 und einer Licht empfangseinheit 8. Das Bewegungsglied 2 ist mit einem periodischen Schlitzmuster 1 versehen und so angeordnet, daß es einer Bewegung entlang einer ersten Ebene unterworfen ist. Die Lichtquelle 4 beleuchtet das Schlitzmuster 1, um ein primäres Streifenbild 3 zu bilden, das hinsichtlich der Hell-/Dunkel-Bereiche entlang der ersten Ebene abwech selt. Das Linsenglied 6 projiziert das primäre Streifenbild mit einer vorgegebenen Vergrößerung, um ein vergrößertes Sekundärstreifenbild 5 zu bilden, dessen Hell-/Dunkel- Bereiche sich entlang einer zweiten Ebene abwechseln. Die Lichtempfangseinheit 8 ist in der zweiten Ebene festgelegt, so daß sie das sich bewegende Sekundärstreifenbild 5 durch ein Maskenmuster empfängt und ein elektrisches Signal ausgibt, das ein Maß für die Bewegung des Gebergliedes 2 ist.

Vorzugsweise besteht das Bewegungsglied 2 bzw. das Geber glied 2 aus einem transparenten Substrat 21 mit einem Schlitzmuster 1, das aus einer Anordnung von sich perio disch ändernden Transparentabschnitten 22 und lichtun durchlässigen Abschnitten 23 besteht. Die Lichtquelle 4 ist so angeordnet, daß sie das transparente Substrat 21 von der Rückseite her anstrahlt, um das primäre Strei fenbild zu bilden. Die Lichtempfangseinheit 8 weist eine Doppelschichtstruktur auf, die aus einer feststehenden Maskenplatte 83 und einem photosensiblen Element 85 be steht. Die feste Maskenplatte 83 hat eine periodische Anordnung von offenen Abschnitten 81 und Sperrabschnitten 82, die gemäß dem periodischen Maskenmuster ausgebildet sind. Das photosensible Element 85 hat eine gleichmäßige Lichtempfangsfläche 84, die hinter der feststehenden Maskenplatte 83 angeordnet ist. Die Lichtempfangseinheit 8 ist jedoch nicht auf eine derartige Doppelschicht struktur festgelegt. Die Lichtempfangseinheit 8 kann zum Beispiel eine Einschichtstruktur aufweisen, die aus einem photosensiblen Element besteht, das eine periodisch wiederkehrende photosensible Region aufweist, die gemäß dem periodischen Maskenmuster gebildet ist. In einem sol chen Fall ist ein Paar von periodisch angeordneten photosensiblen Regionen in Kammform miteinander verknüpft, um ein Paar von komplementären elektrischen Signalen hervorzubringen. Darüber hinaus kann das Linsenglied 6 aus einer asphärischen Linse bestehen, die eine Aberration aus dem sekundären Streifenbild 5 wirksam eliminiert.

Während des Betriebes beleuchtet die zum Beispiel aus einer Leuchtdiode bestehende Lichtquelle 4 das Schlitz muster 1, um das primäre Streifenbild 3 hervorzubringen, dessen Hell-/Dunkel-Bereiche sich entlang der ersten Ebe ne abwechseln. Die erste Ebene befindet sich in einem Abstand L in Richtung einer optischen Achse von dem Linsenglied 6. Das primäre Streifenbild 3 hat eine Spitzenteilung, die der Periode des Schlitzmusters 1 entspricht. Das primäre Streifenbild 3 wird auseinander gezogen projiziert, so daß ein zweites sekundäres Strei fenbild 5 auf der zweiten Ebene fokussiert wird. Die zweite Ebene befindet sich in einem Abstand M von dem Linsenglied 6 in Richtung der optischen Achse. Diese Abstände L und M werden gemäß der Linsenformel (1/M) + (1/L) = 1/F festgelegt, wobei F eine Fokallänge des Linsengliedes 6 bezeichnet. Wie dieser Linsenformel entnommen werden kann, ist die Vergrößerung festgelegt durch den Ausdruck M/L für das sekundäre Streifenbild 5 gegenüber dem primären Streifenbild 3.

Wie durch die Pfeile in der Figur angezeigt ist, bewegt sich das sekundäre Streifenbild 5 proportional der Bewe gung des primären Streifenbildes 3, während die Bewegungs richtungen gegenläufig zueinander ausgerichtet sind. Spitzen des sich bewegenden zweiten Streifenbildes 5 werden intermittierend durch die feststehende Masken platte 83 durch das photosensible Element 85 empfangen, um ein elektrisches Wechselstromsignal 7 gemäß der perio dischen Änderung der empfangenen Lichtintensität auszuge ben. Das elektrische Wechselstromsignal 7 hat eine Frequenz, die ein Maß für eine Geschwindigkeit des Bewegungsgliedes 2 ist, und eine Anzahl von Amplitudenspitzen, die ein Maß für einen inkrementalen Bewegungsbetrag ist.

Gemäß einer solchen Konstruktion kann ein Meßgeber erhal ten werden, der sich durch eine hohe Auflösung auszeichnet unter Benutzung der Dirigierbarkeit oder Linearität des Lichtstrahles, während die Lichtempfangseinheit 8 in ausreichendem Abstand von dem Bewegungsglied 2 angeordnet sein kann. Das Schlitzmuster auf der ersten Ebene kann für eine höhere Auflösung fein ausgebildet werden, während es nicht notwendig ist, das Maskenmuster auf der Seite der zweiten Ebene fein zu machen. Die oben erläuterte Ver größerung wird auf die Relation zwischen den Perioden des Schlitzmusters und des Maskenmusters angewendet.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung im einzelnen beschrieben. Fig. 2 ist eine schematische, auseinandergezogene perspektivische An sicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen Bewegungsaufnehmers in der Form eines inkre mentalen Drehmeßgebers. Die vorliegende Erfindung kann nicht nur auf einen Drehmeßgeber angewendet werden, sondern ebenfalls auf einen linearen Meßgeber. Der dargestellte Drehmeßgeber benutzt als beleuchtende Lichtquelle eine Leuchtdiode 4, die sich durch eine lange Lebensdauer und einen geringen Preis auszeichnet. Eine rotierende Geber platte 2 ist drehbar vor der Leuchtdiode 4 angeordnet. Die Geberplatte 2 besteht aus einem transparenten Substrat wie zum Beispiel einer Glasplatte, die auf ihrer Unterseite mit einem Schlitzmuster 1 versehen ist. Das Schlitzmuster 1 ist in Umfangsrichtung der rotierenden Geberplatte 2 mit einer vorgegebenen Periode bzw. Tei lung angeordnet. Ein Paar von Indexschlitzen 1Z ist radial einwärts von dem periodischen oder inkrementaler, Schlitzmuster 1 gebildet. Die Indexschlitze 1Z des Paares von Indexschlitzen sind mit einem Abstand zueinander angeordnet, der einer Teilung des inkrementalen Schlitz musters 1 entspricht, so daß sie eine Referenzposition auf der Geberplatte 2 angeben. Das Schlitzmuster 1 und die Indexschlitze 1Z sind in sehr feiner Form durch Photolithographie und Ätzen aufgebracht.

Eine fokussierende Vergrößerungslinse ist vor der Geber platte 2 angeordnet. Dieses Linsenglied besteht aus einer asphärischen Linse 6, die in der Lage ist, eine Aberration aus einem vergrößerten Bild des Schlitzmusters 1 zu elimi nieren. Es wird nämlich ein asphärischer Faktor in geeig neter Weise festgelegt, um ein klares und scharfes ver größertes Bild zu werfen. Eine stationäre Maskenplatte 83 ist in einer vorderen Fokalebene der Linse 6 fixiert. Die fixierte Maskenplatte 83 ist durch ein erstes Schlitz gitter 83A, ein zweites Schlitzgitter 83B und ein Fenster 83Z gebildet. Jedes Schlitzgitter hat eine Abstandperiode, die der Hell-/Dunkel-Bandteilung des vergrößerten Strei fenbildes entspricht. Das erste Schlitzgitter 83A und das zweite Schlitzgitter 83B haben eine Phasendifferenz von 90° zueinander, um eine Drehrichtung der Geberscheiben platte 2 feststellen zu können. Darüber hinaus ist das einzige Fenster 83Z so angeordnet, daß es selektiv ein vergrößertes Bild des Indexschlitzes 1Z durchläßt. Ein photosensibles Element 85 besteht aus einer Photodiode mit einer gleichmäßigen photosensiblen Fläche und ist hinter der feststehenden Maskenplatte 83 angeordnet.

Fig. 3 ist eine schematische, teilweise geschnittene Ansicht des Winkelgebers der Fig. 2. Die LED 4 der strah lenden Lichtquelle befindet sich auf einer unteren Schal tungsplatte 41. Auf der anderen Seite befindet sich das photosensible Element 85 auf einer oberen Schaltungs platte 86. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die stati onäre Maskenplatte 83 auf der Oberfläche des photosen siblen Elementes 85 angeordnet. Die aspärische Linse 6 be findet sich zwischen den im Abstand zueinander angeord neten Schaltungsplatten 41 und 86. Diese Linse 6 wird von einem Halter 61 mit Hilfe eines vertikalen Stabs 62 gehalten, dessen eines Ende an der oberen Schaltungs platte 86 angebracht ist. Der Linsenhalter 61 ist in Auf und Abwärtsrichtung entlang des vertikalen Stabes 62 verschiebbar gehalten, um eine Position der Linse in Richtung der optischen Achse einstellen zu können und so einen Montagefehler und einen Abmessungsfehler der Geber struktur ausgleichen zu können, also ein klares und scharfes Sekundärbild zu erhalten. Die Winkelgeberplatte 2 ist drehbar zwischen der Linse 6 und der Leuchtdiode 4 ange ordnet. Die Geberplatte 2 trägt auf ihrer Unterseite das Schlitzmuster 1. Die Drehgeberplatte 2 ist an dem einen Ende einer rotierenden Welle 24 befestigt. Das andere Ende der rotierenden Welle 24 ist an einem Objekt (nicht dar gestellt) festgemacht, das gemessen oder überwacht werden soll.

Die Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Ausgangscharakte ristiken des Gebers wiedergibt, der in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist. Wie im oberen Teil des Diagramms aufgezeigt ist, liefert das photosensible Element ein elektrisches Wechselstromsignal 7 in Abhängigkeit zur Änderung der empfangenen Lichtintensität des sich be wegenden Sekundärstreifenbildes. Dieses elektrische Signal 7 enthält eine Gleichstrom-Versatzkomponente VB und eine Wechselstrom-Signalkomponente (VP-VB). In dem Diagramm in der Fig. 4 bezeichnet die horizontale Achse eine Fluktuation des Oberflächenniveaus der Geber scheibenplatte, und die vertikale Achse bezeichnet die normalisierte Größe der Wechselstrom-Signalkomponente. Die numerische Apertur NA der vergrößernden fokussieren den Linse 6 wird als Parameter angenommen, der auf 0,25, 0,3 und 0,35 veränderbar ist. Je größer die numerische Apertur, desto heller ist das vergrößerte Bild, wodurch der Effekt der optischen Diffraktion vermindert wird, so daß die Wechselstrom-Signalkomponente größer wird, wenn die Fluktuation des Oberflächenniveaus Null ist, während die Fokaltiefe flacher wird. Um die Meßergeb nisse des Diagramms der Fig. 4 zu erhalten, wird eine Teilung des Schlitzmusters 1 auf 5,5 um festgelegt, und die Verteilung der Hell- und Dunkelzonen beträgt 50%. Die asphärische Linse hat ferner eine Fokallänge von 3,2 mm und eine Vergrößerung von 15.

Wie aus dem Diagramm zu erkennen ist, kann keine erkenn bare Verschlechterung der Wechselstrom-Signalkomponente ohne Berücksichtigung des NA-Wertes beobachtet werden, so lange die Fluktuation des Oberflächenniveaus innerhalb des absoluten Bereiches von 5 um liegt, so daß der erfin dungsgemäße Geber ein stabiles Ausgangs-Meßsignal hervor rufen kann. Der erfindungsgemäße Geber läßt nämlich eine große Fluktuation des Oberflächenniveaus der Geberschei benplatte zu und ist deshalb sehr unempfindlich gegen eine Schwingung und einen Stoß von außen. Insbesondere bei der Verwendung einer Linse mit NA = 0,25 mit einer relativ großen Fokaltiefe wird die Schwankung in der Wechselstrom Signalkomponente selbst in dem breiteren, absoluten Bereich von 10 um der Fluktuation des Geberscheibenniveaus unter drückt. Die Größe der Wechselstrom-Signalkomponente wird mit dem Gebrauch der Projektionslinse mit einem relativ kleinen NA nicht so verschlechtert, obwohl die Helligkeit des projizierten Bildes verringert wird.

In Verbindung mit Fig. 5 wird nun ein weiteres Ausfüh rungsbeispiel für einen optischen Bewegungsaufnehmer ge mäß der Erfindung erläutert. Das in der Fig. 5 darge stellte Ausführungsbeispiel zeigt eine Lichtempfangs einheit einer Einschicht-Struktur statt einer Zweischicht Struktur, die bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 2 und 3 benutzt wird. Wie in der Fig. 5 gezeigt ist, besteht die Lichtempfangseinheit 8 einzig und al lein aus einem photosensiblen Element 85 mit einem Licht empfangsbereich, dessen tatsächliche photosensible Regio nen gemäß vorgegebenen periodischen Mustern gebildet sind. Ein Paar von kammförmigen, wirksamen photosensiblen Regionen RA1 und RA2 sind ineinandergeschachtelt und im rechten Abschnitt des Lichtempfangsbereiches angeordnet. Die eine kammförmige photosensible Region RA1 hat eine Abstandsperiode, die der der Spitzen des vergrößerten Sekundärstreifenbildes 5 identisch ist, das schematisch auf der rechten Seite der photosensiblen Region A1 wider gegeben ist. Die andere kammförmige photosensible Region RA2 hat dieselbe Abstandsperiode, ist jedoch gegenüber der Region RA1 um 180° phasenverschoben. Durch eine der artige Anordnung empfängt zu einem bestimmten Zeitpunkt, zu dem die Region RA1 helle Bänder des vergrößerten Streifenbildes 5 empfängt, die andere Region RA2 dunkle Bänder des vergrößerten Streifenbildes 5. Zu einem anderen Zeitpunkt, wenn die Region RA1 die dunklen Bänder empfängt, liegen auf der anderen Region RA2 die hellen Bänder. In dieser Weise kann ein Paar von kammförmigen photosensiblen Regionen RA1 und RA2 ein Paar von komplementären Detektor signalen mit einer relativen Phasenverschiebung von 180° zueinander abgeben.

Ein weiteres Paar von kammförmigen photosensiblen Regionen RB1 und RB2 sind ineinandergeschachtelt und in einem mitt leren Abschnitt des Lichtempfangsbereichs angeordnet. Dieses Paar von kammförmigen photosensiblen Regionen RB1 und RB2 ist um 90° phasenverschoben gegenüber dem voran gehend erwähnten Paar von kammförmigen photosensiblen Regionen RA1 und RA2. Deshalb ruft für den Fall, daß das vergrößerte Bild 5 aufwärts gemäß dem in der Figur wiedergegebenen Pfeil verschoben wird, das Paar von photo sensiblen Regionen RA1 und RA2 die Detektorsignale hervor, die den Detektorsignalen, die von dem anderen Paar von photosensiblen Regionen RB1 und RB2 hervorgerufen werden, um eine Phase von 90° vorauseilen. Andererseits kommt es zu einer relativen Phasenverzögerung von 90°, wenn das sekundäre Streifenbild 5 abwärts verschoben wird.

Schließlich sind zwei in gleiche Teile aufgeteilte photo sensible Regionen RZ1 und RZ2 im linken Abschnitt des Lichtempfangsbereichs gebildet. Diese in gleiche Teile geteilten photosensiblen Bereiche sind so angeordnet, daß sie wahlweise ein vergrößertes Bild 5Z des Paares von Indexschlitzen 1Z empfangen, die in der Fig. 2 ge zeigt sind. Das vergrößerte Indexbild 5Z enthält ein Paar von ersten Spitzen 51Z und zweiten Spitzen 52Z ge mäß dem Paar der Indexschlitze 1Z. Das Paar von Spitzen hat ein Zeitintervall dazwischen, das dem Spitzenabstands intervall des vergrößerten Bildes 5Z entspricht. Wie in Fig. 5 gezeigt ist, empfängt im Fall einer Aufwärts bewegung des vergrößerten Indexbildes 5Z zunächst die eine Teilregion RZ1 die eine Spitze 51Z und danach die andere Spitze 52Z. Danach empfängt die andere Teilregion RZ2 die erste Spitze 51Z und anschließend die zweite Spitze 52Z.

Als nächstes wird anhand der Fig. 6 ein Prozeßschaltkreis für die Verarbeitung der Detektorsignale beschrieben, die von den kammförmigen photosensiblen Regionen RA1, RA2, RB1 und RB2 abgegeben werden, um ein inkrementales Signal hervorzubringen. Ein von der kammähnlichen photo sensiblen Region RA1 erzeugter Photostrom wird durch einen entsprechenden Verstärker AMP verstärkt, um ein Detektor signal A1 zu bilden. In gleicher Weise wird ein von der photosensiblen Region RA2 erzeugter Photostrom verstärkt, um ein weiteres Detektorsignal A2 zu bilden. Ein Detektor signal B1 wird außerdem von der photosensiblen Region RB1 erhalten, und ein Detektorsignal B2 wird von der photosensiblen Region RB2 erhalten. Das Paar von Detektor signalen A1 und A2 wird mit Hilfe eines Komparators CMP miteinander verglichen, um ein A-phasiges inkrementales Signal A hervorzubringen. In gleicher Weise wird das andere Paar von Detektorsignalen B1 und B2 durch einen weiteren entsprechenden Komparator CMP untereinander verglichen, um ein B-phasiges inkrementales Signal B zu bilden.

Fig. 7 zeigt ein Wellenformdiagramm zur Verdeutlichung des Betriebes des Verarbeitungsschaltkreises für die inkrementalen Signale, der in der Fig. 6 gezeigt ist. Das Detektorsignal A1 hat eine Sinusschwingungsform gemäß der intermittierenden empfangenen Spitzen des sich verschiebenden, vergrößerten Streifenbildes. In gleicher Weise hat das Detektorsignal A2 eine Sinusschwingungs form, die um 180° phasenverschoben relativ zu dem De tektorsignal A1 ist. Dieses Paar von Detektorsignalen A1 und A2 wird durch den Komparator verarbeitet, um ein A-phasiges inkrementales Signal A hervorzubringen, das aus einer Abfolge von Rechteckimpulsen mit einer Ein schaltdauer von 50% besteht. Eine Anzahl von Impulsen ist ein Maß für einen inkrementalen Verschiebebetrag, und eine Rate von Impulsen zeigt eine Verschiebungs geschwindigkeit an. In gleicher Weise hat das andere Paar von Detektorsignalen B1 und B2 jeweils Sinus schwingungsform mit einer relativen Phasendifferenz von 180°. Diese Sinusschwingungsformen von B1 und B2 haben eine Vorlauf- bzw. Nachlaufphasendifferenz von 90° in Bezug zu denen der Detektorsignale A1 und A2 entsprechend der Verschieberichtung. Diese Detektorsignale B1 und B2 werden durch den Komparator durch Vergleich mitein ander verarbeitet, um ein B-phasiges Inkrementalsignal B zu bilden, das ebenfalls aus einer Abfolge von Impul sen besteht, die um + 90° oder -90° relativ zu dem A phasigen Inkrementalsignal A phasenverschoben sind. Die Polarität des Phasenunterschiedes wird elektrisch fest gestellt, um die Verschieberichtung der Geberplatte zu erfassen.

Die Fig. 8 zeigt einen Prozeßschaltkreis zur Verarbei tung von Signalausgängen von den in gleiche Teile ge teilten photosensiblen Regionen RZ1 und RZ2, die in Fig. 5 gezeigt sind, um ein Z-phasiges Indexsignal Z hervor zurufen, das ein Maß für eine Referenzposition der Ge berscheibenplatte ist. Wie in der Fig. 8 gezeigt ist, wird ein Photostrom, der von der einen der beiden ge teilten photosensiblen Regionen RZ1 ausgeht, durch einen Verstärker AMP verstärkt, um ein verstärktes Detektor signal Z1 zu bilden. In gleicher Weise wird ein weite rer Photostrom, der von der anderen geteilten photo sensiblen Region RZ2 ausgeht, durch einen entsprechen den Verstärker AMP verstärkt, um ein weiteres ver stärktes Detektorsignal Z2 hervorzubringen. Diese De tektorsignale Z1 und Z2 werden einer Additions- und Divisionsoperation durch einen Operator OP unterworfen, um ein Referenzsignal (Z1 + Z2)/4 hervorzubringen. Außer dem wird das eine Detektorsignal Z1 und das Referenz signal miteinander mit Hilfe eines Komparators CMP ver glichen, um ein fallendes Signal Z1C hervorzurufen. In gleicher Weise wird das andere Detektorsignal Z2 mit dem Referenzsignal durch einen entsprechenden Kompara tor CMP verglichen, um ein steigendes Signal Z2C her vorzubringen. Das Referenzsignal (Z1 + Z2)/4 wird mit einem vorgegebenen Spannungsschwellensignal Vr vergli chen, um ein Fenstersignal Z0 zu bilden. Dieses Span nungsschwellensignal Vr ist auf ein vorgegebenes Niveau eingestellt, das identisch mit 3/4 des maximalen Niveaus des Referenzsignals ist. Schließlich werden das fallende Signal Z1C, das steigende Signal Z2C und das Fenstersig nal Z0 durch ein UND-Glied Schaltkreis UND verarbeitet, um das Z-phasige Indexsignal Z zu bilden.

Die Fig. 9 gibt ein Wellenformdiagramm wieder, das den Betrieb des Indexsignalprozeßschaltkreises der Fig. 8 veranschaulicht. Das eine Detektorsignal Z1 steigt eine Stufe nach dem Empfang der ersten Spitze 51Z des in der Fig. 5 gezeigten vergrößerten Indexbildes und steigt nachfolgend um eine weitere Stufe nach dem Empfang der zweiten Spitze 52Z. Danach fällt das Detektorsignal Z1 um eine Stufe, wenn die erste Spitze 51Z aus der einen ge teilten photosensiblen Region RZ1 herausläuft, und dann fällt es um eine weitere Stufe auf das Niveau Null, wenn die zweite Spitze 52Z die Region verläßt. In gleicher Weise hat das andere Detektorsignal Z2 einen zweistufigen ansteigenden Teil und einen zweistufigen abfallenden Teil. Der ansteigende Teil des zweiten Detektorsignals Z2 fällt zusammen mit dem abfallenden Teil des ersten Detektorsignales Z1. Das Referenzsignal (Z1 + Z2)/4 wird durch Addieren des ersten und zweiten Detektorsignales Z1 und Z2 hervorgerufen, und das Spannungsniveau des addierten Ergebnisses wird um 1/4 reduziert. Dieses Re ferenzsignal wird durch das Spannungsschwellensignal Vr verarbeitet, um das Fenstersignal Z0 hervorzubringen. Weiterhin wird das Detektorsignal Z1 mit dem Referenz signal verglichen, um das fallende Signal Z1C zu bilden. Das Detektorsignal Z2 wird außerdem mit demselben Refe renzsignal verglichen, um das steigende Signal Z2C zu bilden. Schließlich werden diese drei Signale Z0, Z1C und Z2C einem logischen Produktprozeß unterzogen, um so das Z-phasige Indexsignal Z hervorzubringen, das ein Maß für die Referenzposition der Geberplatte ist. Die ses Z-phasige Indexsignal besteht aus einem einzigen Einschaltimpuls mit einer Länge, die exakt mit einer Periode des Inkrementalsignals zusammenfällt.

Die Fig. 10 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dieser optische Winkelgeber ge hört der absoluten Type an, während das Ausführungs beispiel der Fig. 2 der inkrementalen Type angehört. Die inkrementale Type arbeitet so, daß sie optisch eine Anzahl von radialen Schlitzen mit Bezug auf einen vor gegebenen Indexpunkt zählt. Die absolute Type arbeitet hingegen so, daß sie optisch ein kodiertes Muster auf nimmt, das auf einer drehbaren Scheibe eingeformt ist, um direkt eine absolute Position zu lesen. Wie in Fig. 10 gezeigt ist, wird bei der absoluten Gebertype eine rotierende Scheibe 100 eingesetzt, auf der eine Viel zahl von Spuren 101 bis 108 konzentrisch zueinander an geordnet ist. Diese Spuren 101 bis 108 definieren ein Schlitzmuster, das bit-kodiert ist, um die absolute Winkelposition der Scheibe zu repräsentieren. Diese Spuren 101 bis 108 verändern sich sequenziell von je weils höherer Bitordnung zu niedrigerer Bitordnung in einer Richtung, die radial nach außen weist. Eine Lichtquelle wie z. B. eine Leuchtdiode 109 ist auf der einen Seite der Scheibe 100 angeordnet, um die Spuren 101 bis 108 zu beleuchten. Eine Projektionslinse 110 ist auf der anderen Seite der Scheibe 100 in Gegenüberlage mit der LED 109 angeordnet, um das beleuchtete Schlitz muster der Spuren 101 bis 108 mit einer vorgegebenen Vergrößerung zu projizieren. Eine Photodetektorreihe 111 ist so angeordnet, daß sie das projizierte und ver größerte Muster durch eine feststehende Maskenplatte 112 empfängt und so für jede Spur ein Detektorsignal erzeugt. Die Maskenplatte 112 hat nämlich eine Mehrzahl von Fenstern, die radial mit vorgegebenem, wiederkeh rendem Abstand angeordnet sind, um das projizierte Licht für jede Spur zu trennen. Die hervorgebrachten Detektor signale werden verarbeitet, um das Schlitzmuster zu ent ziffern und so die absolute Position oder Adresse der drehbar gelagerten Scheibe 100 festzustellen.

Aus Gründen der Anschauung sind acht Spuren 101 bis 108 auf der Scheibe angeordnet, so daß acht Spuren 8-bit Paralleldaten enthalten können, die 2⁸ Winkelstellungen der Scheibe anzeigen können. Wie allgemein klar sein dürfte, ist die Auflösung der absoluten Winkelposition Feststellung um so höher, je mehr Spuren vorhanden sind. Typischerweise wird die Scheibe mit 12 konzentrischen Spuren versehen. In einem solchen Fall wird die radiale Teilung der Spurenanordnung sehr klein gemacht, um eine Vergrößerung der Scheibe zu vermeiden. Außerdem hat die äußerste Spur, die der niedrigsten Bitordnung entspricht, eine extrem feine Umfangsteilung des Schlitzmusters, weil die Umfangsteilung 1/2¹² verglichen mit der der innersten Spur beträgt, die der höchsten Bitordnung ent spricht. Bei einer solchen Type eines kompakten, absoluten Gebers mit hoher Auflösung ist die vorliegende Erfindung höchst vorteilhaft, weil das sehr feine Schlitzmuster durch die Anwendung der zwischengeschalteten Projektionslinse ver größert wird, so daß die Photodetektorreihe das projizierte Licht mit einer guten S/N-Rate erfassen kann bei einer praktikablen Abmessung der Lichtempfangsfläche. Anders ausgedrückt kann bei der Erfindung ein sehr feines Schlitz muster auf der Scheibe gebildet werden, um die Auflösung zu verbessern und Scheibenfläche zu sparen, während die Photodetektorreihe eine genügende Lichtempfangsfläche haben kann, um die praktische S/N-Rate sicherzustellen und eine Lichttrennung zwischen benachbarten Spuren sicherzustellen.

Wie vorangehend beschrieben, wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Geberplatte, die mit einem Schlitzmuster versehen ist, durch eine Lichtquelle angestrahlt, um ein primäres Streifenbild zu erzeugen. Dieses primäre Bild wird durch eine Linse vergrößert projiziert, um ein vergrößertes Sekundärstreifenbild zu bilden. Das vergrößerte Streifenbild wird durch ein Maskenmuster optisch abgetastet, um eine Verschiebung der Geber platte festzustellen. Durch eine derartige Konstruk tion kann das Schlitzmuster fein gemacht werden im Ver gleich zum Stand der Technik, um so in vorteilhafter Weise die Auflösung des Geberausgangs zu verbessern. Weiterhin ist es nicht notwendig, das Maskenmuster nahe an das Schlitzmuster im Gegensatz zum Stand der Technik heranzurücken, um so vorteilhafterweise die Schwankungs breite der Fluktuationen des Geberplattenniveaus zu ver größern und die mechanische Robustheit und Stabilität der Geberstruktur gegen Schlag und Schwingungen zu ver bessern, die von außen aufgebracht werden.

Claims

1. Ein optischer Bewegungsaufnehmer mit einem verschieb baren Glied, das ein periodisches Schlitzmuster auf weist und verschieblich innerhalb einer ersten Ebene gehalten ist, einer Lichtquelle, die zur Anstrahlung des Schlitzmusters angeordnet ist und ein primäres Streifenbild bildet, dessen Hell-/Dunkel-Bereiche entlang der ersten Ebene wechseln, einem Linsenglied zur Projizierung des primären Streifenbildes mit einer vorgegebenen Vergrößerung, um ein sekundäres, vergrößer tes Streifenbild zu bilden, dessen Hell-/Dunkel-Bereiche entlang einer zweiten Ebene wechseln, und einer Licht empfangseinheit, die in der zweiten Ebene fest angeordnet ist und zum Empfang des wechselnden, sekundären, ver größerten Streifenbildes durch eine periodische Masken platte hindurch dient, um ein elektrisches Signal hervor zubringen, das ein Maß für eine Verschiebung des Ver schiebungsgliedes ist.

2. Ein optischer Bewegungsaufnehmer nach Anspruch 1, bei dem das Bewegungsglied aus einem transparenten Substrat besteht, auf dem in periodischer Anordnung ein transparentes Segment und ein lichtundurchlässi ges Segment als Schlitzmuster angeordnet ist und die Lichtquelle die Rückseite des transparenten Substrates zur Bildung des primären Streifenbildes beleuchtet.

3. Ein optischer Bewegungsaufnehmer nach Anspruch 1, bei dem die Lichtempfangseinheit eine Doppelschicht einer stationären Maskenplatte einschließt, die eine Anordnung von einem durchlässigen Abschnitt und einem geschlossenen Abschnitt aufweist und gemäß dem perio dischen Maskenmuster gebildet ist, und bei dem ein photosensibles Element hinter der Maskenplatte ange ordnet ist, das eine gleichmäßige photosensible Region aufweist.

4. Ein optischer Bewegungsaufnehmer nach Anspruch 1, bei dem die Lichtempfangseinheit eine einschichtige Struktur aufweist, die aus einem photosensiblen Ele ment besteht, das eine periodisch wirksame photosen sible Region enthält, die gemäß dem periodischen Mas kenmuster gebildet ist.

5. Ein optischer Bewegungsaufnehmer nach Anspruch 4, bei dem das photosensible Element ein Paar von perio disch wirksamen, kammförmigen, photosensiblen Regionen aufweist, die miteinander so verknüpft sind, daß sie ein Paar von komplementären elektrischen Signalen hervorrufen.

6. Ein optischer Bewegungsaufnehmer nach Anspruch 1, bei dem das Linsenglied eine asphärische Linse um faßt, die im wesentlichen jegliche Aberration aus dem sekundären, vergrößerten Streifenbild eliminiert.

7. Ein optischer Meßgeber mit einem bewegbaren Glied, auf dem ein Schlitzmuster zur Anzeige von dessen Posi tion gebildet ist und das beweglich innerhalb einer ersten Ebene gelagert ist, einer Lichtquelle zur Be leuchtung des Schlitzmusters zur Bildung eines pri mären Bildes, dessen Hell-/Dunkel-Bereich entlang der ersten Ebene wechseln, einem Linsenglied zur Proji zierung des Primärbildes mit einer vorgegebenen Ver größerung zur Bildung eines sekundären Bildes, dessen Hell-/Dunkel-Bereiche entlang einer zweiten Ebene wechseln, und mit einer Lichtempfangseinheit, die in der zweiten Ebene zum Empfang des wechselnden Sekundär bildes durch ein vorgegebenes Maskenmuster hindurch fixiert ist, um ein elektrisches Signal hervorzubringen, das ein Maß für eine Position des bewegbaren Gliedes ist.

8. Ein optischer Meßgeber nach Anspruch 7, bei dem das bewegbare Glied ein bit-kodiertes Schlitzmuster hat, das eine absolute Position des bewegbaren Gliedes an zeigt.

9. Ein optischer Meßgeber nach Anspruch 7, bei dem das bewegbare Glied ein periodisches Schlitzmuster hat, das eine inkrementale Position des bewegbaren Gliedes anzeigt.