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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Bewegungsaufnehmer
oder einen optischen Messgeber, der eine Geberplatte einsetzt, die
so angeordnet ist, dass sie eine Dreh- oder Linearbewegung vollführt, um
einfallendes Licht zu modulieren, so dass dessen Veränderung
auf der Basis einer Änderung
einer modellierten Lichtintensität
festgestellt wird.
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Der
herkömmliche
optische Messgeber setzt entweder ein geometrisches optisches System
oder ein wellenoptisches System ein. Der bekannte optische Messgeber
des wellenoptischen Typs benutzt eine Interferenz oder eine Diffraktion
kohärenten Lichtes
und umfasst eine kohärente
Lichtquelle wie z. B. einen Halbleiterlaser und eine Geberplatte,
die mit einem Diffraktionsgitter und einem Fotosensor gebildet ist.
Das Diffraktionsgitter hat eine Gitterkonstante, die mit einer Wellenlänge des
kohärenten
Lichtes vergleichbar ist, wodurch der optische Messgeber der wellenoptischen
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.
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Auf
der anderen Seite nutzt der bekannte optische Messgeber der geometrischen
Optiktype eine Linearität
oder Dirigierbarkeit des Lichtes aus und umfasst eine inkohärente Lichtquelle
wie z. eine Leuchtdiode (LED), eine bewegliche, geschlitzte Platte
und eine stehende geschlitzte Platte, die zusammen ein Plattenpaar
bilden, sowie einen Fotosensor. Die Kombination der beweglichen
und der stehenden geschlitzten Platte wird benutzt, um ein einfallendes
Licht intermittierend zu schalten, um so eine Bewegung festzustellen,
die auf einer Änderung der
Lichtintensität
basiert.
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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 Lichtquelle 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 geometrischen 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 infolge 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 normalerweise
einer unregelmäßigen Fluktuation
des Oberflächenniveaus
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 Verkleinerung eines Messgebers der geometrischen Optiktype
verhindert wird.
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Die
Druckschrift
DE 37
03 237 A1 beschreibt einen Meßgeber mit einem bewegbaren
optischen Maßstab.
Der Maßstab
weist ein Strichgitter auf. Eine Abbildung des Strichgitters wird
mittels einer entsprechenden Optik auf ein Fotodiodenarray projiziert,
so daß ein
Interferenzmuster entsteht. Eine entsprechende elektronische Schaltung
wertet die Phasenlage des Interferenzmusters mittels der Signale
der Fotodioden aus, um die relative Position des Strichgitters zum
Fotodiodenarray zu ermitteln.
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Die
DE 3150349 A1 offenbart
eine Winkelmessvorrichtung. Eine Skalentafel mit einer Skala ist drehbar
derart angeordnet, daß die
Skala über
eine Anordnung aus einer Lichtquelle und einer Linse auf einen Linearsensor
abgebildet wird. Eine elektronische Schaltung wertet das Signal
des Linearsensors mittels eines Mikroprozessors aus und bestimmt
so die Winkellage der Skalentafel.
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Eine
Vorrichtung zur Messung von linearen und winkeligen Verschiebungen
beschreibt die
DE 25 57 136 .
Die Vorrichtung weist eine Meßskala
auf, die sehr feinteilig, bevorzugt holographisch, gebildet und verschiebbar
gelagert ist. Eine Linsenanordnung bringt eine vergrößerte Abbildung
dieser Skala auf eine Streifenblende. Ein gegenüberliegend angeordneter Detektor
registriert die durch eine Verschiebung entstehenden Lichtimpulse
und zeigt die Verschiebung auf einem angeschlossenen Anzeiger an.
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Im
Hinblick auf die vorangehend genannten Nachteile eines Messgebers
der herkömmlichen
geometrischen Optiktype ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
einen deutlich vereinfachten Messgeber einer verbesserten geometrischen
Optiktype vorzusehen, die sich durch eine hohe Auflösung auszeichnet,
während
ein genügend
großer
Spalt zwischen einem verschiebbaren Glied mit Schlitzmuster und
einer Lichtempfangseinheit vorhanden ist. Gemäß der Erfindung umfasst der
optische Bewegungsaufnehmer 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 vorgesehen,
um ein sekundäres,
vergrößertes Streifenbild
zu bilden, dessen Hell-/Dunkel-Bereiche entlang einer zweiten Ebene
wechseln.
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Eine
Lichtempfangseinheit weist eine Einschichtstruktur auf, gebildet
aus einem fotosensiblen Element mit einem periodischen Maskenmuster,
gebildet aus einem periodischen Muster aus fotosensitiven Regionen
auf dem Element mit einer Periode gleich der des sekundären, vergrößerten Streifenbildes
und derart in der zweiten Ebene fixiert, so daß das fotosensible Element
ein elektrisches Signal erzeugt, welches der Auslenkung des verschiebbaren Glieds
entspricht, wobei die fotosensitiven Regionen auf dem Element kammförmig ausgebildet
sind und derart miteinander verknüpft sind, daß sie ein
Paar von komplementären
elektrischen Signalen erzeugen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind, werden nachfolgend
im einzelnen erläutert;
in der Zeichnung zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer Grundstruktur eines optischen Bewegungsaufnehmers,
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2 eine
schematische, auseinandergezogene, perspektivische Ansicht zur Verdeutlichung
eines optischen Bewegungsaufnehmers in Form eines rotierenden Messgebers,
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3 eine
schematische, teilweise geschnittene Ansicht des rotierenden Messgebers
gemäß der 2,
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4 ein
Diagramm zur Verdeutlichung des Verhältnisses zwischen einer Fluktuation
des Oberflächenniveaus
einer Geberplatte und eines Geberausgangs,
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5 eine
Draufsicht zur Verdeutlichung eines Musters einer Lichtempfangsfläche, die
in einem Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen rotierenden
Messgebers benutzt wird,
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6 ein
Schaltungsdiagramm zur Verdeutlichung eines Prozessschaltkreises
für die
Auswertung eines Detektorsignals, das von der Lichtempfangseinheit
der 5 geliefert wird, um ein inkrementales Signal
zu erhalten,
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7 ein
Wellenformdiagramm zur Verdeutlichung des Betriebes eines Prozessschaltkreises
für ein
inkrementales Signal gemäß der 6,
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8 ein
Schaltungsdiagramm zur Verdeutlichung eines weiteren Prozessschaltkreises
für die Verarbeitung
eines Detektorsignals von der Lichtempfangseinheit der 5,
um ein Indexsignal auszugeben,
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9 ein
Wellenformdiagramm zur Verdeutlichung des Betriebes des Prozessschaltkreises
für das
Indexsignal und
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10 eine
schematische, auseinandergezogene perspektivische Ansicht zur Verdeutli chung eines
weiteren Ausführungsbeispiels
der Erfindung.
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Anhand
der 10 wird das grundsätzliche Prinzip eines optischen
Bewegungsaufnehmers veranschaulicht. Der dargestellte optische Bewegungsaufnehmer
besteht aus einem Bewegungsglied 2, einer Lichtquelle 4,
einem Linsenglied 6 und einer Lichtempfangseinheit 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 abwechselt. 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.
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Vorzugsweise
besteht das Bewegungsglied 2 bzw. das Geberglied 2 aus
einem transparenten Substrat 21 mit einem Schlitzmuster 1,
das aus einer Anordnung von sich periodisch ändernden Transparentabschnitten 22 und
lichtundurchlässigen
Abschnitten 23 besteht. Die Lichtquelle 4 ist
so angeordnet, dass sie das transparente Substrat 21 von
der Rückseite
her anstrahlt, um das primäre
Streifenbild zu bilden. Die Lichtempfangseinheit 8 weist
eine Doppelschichtstruktur auf, die aus einer feststehenden Maskenplatte 83 und
einem fotosensiblen Element 85 besteht. Die feste Maskenplatte 83 hat
eine periodische Anordnung von offenen Abschnitten 81 und
Sperrabschnitten 82, die gemäß dem periodischen Maskenmuster
ausgebildet sind. Das fotosensible Element 85 hat eine
gleichmäßige Lichtempfangsfläche 84,
die hinter der feststehenden Maskenplatte 83 angeordnet
ist. Die Lichtempfangseinheit 8 ist jedoch nicht auf eine
derartige Doppelschichtstruktur festgelegt. Erfindungsgemäß kann die
Lichtempfangseinheit 8 eine Einschichtstruktur aufweisen,
die aus einem fotosensiblen Element besteht, das eine periodisch
wiederkehrende fotosensible Region aufweist, die gemäß dem periodischen Maskenmuster
gebildet ist. In einem solchen Fall ist ein Paar von periodisch
angeordneten fotosensiblen 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.
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Während des
Betriebes beleuchtet die zum Beispiel aus einer Leuchtdiode bestehende
Lichtquelle 4 das Schlitzmuster 1, um das primäre Streifenbild 3 hervorzubringen,
dessen Hell-/Dunkel-Bereiche sich entlang der ersten Ebene 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 auseinandergezogen projiziert, so dass
ein zweites sekundäres
Streifenbild 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.
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Wie
durch die Pfeile in der Figur angezeigt ist, bewegt sich das sekundäre Streifenbild 5 proportional
der Bewegung des primären
Streifenbildes 3, während
die Bewegungsrichtungen gegenläufig
zueinander ausgerichtet sind. Spitzen des sich bewegenden zweiten
Streifenbildes 5 werden intermittierend durch die feststehende
Maskenplatte 83 durch das fotosensible Element 85 empfangen,
um ein elektrisches Wechselstromsignal 7 gemäß der periodischen Änderung
der empfangenen Lichtintensität auszugeben.
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.
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Gemäß einer
solchen Konstruktion kann ein Messgeber erhalten 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 Vergrößerung wird
auf die Relation zwischen den Perioden des Schlitzmusters und des
Maskenmusters angewendet.
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2 ist
eine schematische, auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines
Bewegungsaufnehmers in der Form eines inkrementalen 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 Geberplatte 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. Teilung
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
Schlitzmusters 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.
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Eine
fokussierende Vergrößerungslinse
ist vor der Geberplatte 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 eliminieren. Es wird nämlich ein
asphärischer
Faktor in geeigneter Weise festgelegt, um ein klares und scharfes
vergrößertes Bild
zu werfen. Eine stationäre
Maskenplatte 83 ist in einer vorderen Fokalebene der Linse 6 fixiert.
Die fixierte Maskenplatte 83 ist durch ein erstes Schlitzgitter 83A,
ein zweites Schlitzgitter 83B und ein Fenster 83Z gebildet.
Jedes Schlitzgitter hat eine Abstandperiode, die der Hell-/Dunkel-Bandteilung
des vergrößerten Streifenbildes
entspricht. Das erste Schlitzgitter 83A und das zweite
Schlitzgitter 83B haben eine Phasendifferenz von 90 DEG
zueinander, um eine Drehrichtung der Geberscheibenplatte 2 feststellen zu
können.
Darüber
hinaus ist das einzige Fenster 83Z so angeordnet, dass
es selektiv ein vergrößertes Bild
des Indexschlitzes 1Z durchlässt. Ein fotosensibles Element 85 besteht
aus einer Fotodiode mit einer gleichmäßigen fotosensiblen Fläche und
ist hinter der feststehenden Maskenplatte 83 angeordnet.
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3 ist
eine schematische, teilweise geschnittene Ansicht des Winkelgebers
der 2. Die LED 4 der strahlenden Lichtquelle
befindet sich auf einer unteren Schaltungsplatte 41. Auf
der anderen Seite befindet sich das fotosensible Element 85 auf einer
oberen Schaltungsplatte 86. Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist die stationäre
Maskenplatte 83 auf der Oberfläche des fotosensiblen Elementes 85 angeordnet.
Die aspärische
Linse 6 befindet sich zwischen den im Abstand zueinander
angeordneten 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 Schaltungsplatte 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 Geberstruktur
ausgleichen zu können,
also ein klares und scharfes Sekundärbild zu erhalten. Die Winkelgeberplatte 2 ist
drehbar zwischen der Linse 6 und der Leuchtdiode 4 angeordnet. 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 dargestellt) festgemacht, das gemessen oder überwacht
werden soll.
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Die 4 ist
ein Diagramm, das die Ausgangscharakteristiken des Gebers wiedergibt,
der in den 2 und 3 gezeigt
ist. Wie im oberen Teil des Diagramms aufgezeigt ist, liefert das
fotosensible Element ein elektrisches Wechselstromsignal 7 in Abhängigkeit
zur Änderung
der empfangenen Lichtintensität
des sich bewegenden Sekundärstreifenbildes.
Dieses elektrische Signal 7 enthält eine Gleichstrom-Versatzkomponente
VB und eine Wechselstrom-Signalkomponente (VP-VB). In dem Diagramm
in der 4 bezeichnet die horizontale Achse eine Fluktuation
des Oberflächenniveaus
der Geberscheibenplatte, und die vertikale Achse bezeichnet die
normalisierte Größe der Wechselstrom-Signalkomponente.
Die numerische Apertur NA der vergrößernden fokussierenden 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 Messergebnisse des Diagramms
der 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.
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Wie
aus dem Diagramm zu erkennen ist, kann keine erkennbare Verschlechterung
der Wechselstrom-Signalkomponente ohne Berücksichtigung des NA-Wertes
beobachtet werden, solange die Fluktuation des Oberflächenniveaus
innerhalb des absoluten Bereiches von 5 um liegt, so dass der erfindungsgemäße Geber
ein stabiles Ausgangs-Messsignal
hervorrufen kann. Der Geber läßt nämlich eine
große
Fluktuation des Oberflächenniveaus
der Geberscheibenplatte 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 unterdrückt.
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.
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In
Verbindung mit 5 wird nun ein Ausführungsbeispiel
für einen
optischen Bewegungsaufnehmer gemäß der Erfindung
erläutert.
Das in der 5 dargestellte Ausführungsbeispiel
zeigt eine Lichtempfangseinheit einer Einschicht-Struktur statt
einer Zweischicht-Struktur, die bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 2 und 3 benutzt
wird. Wie in der 5 gezeigt ist, besteht die Lichtempfangseinheit 8 einzig
und allein aus einem fotosensiblen Element 85 mit einem
Lichtempfangsbereich, dessen tatsächliche fotosensible Regionen
gemäß vorgegebenen
periodischen Mustern gebildet sind. Ein Paar von kammförmigen,
wirksamen fotosensiblen Regionen RA1 und RA2 sind ineinandergeschachtelt
und im rechten Abschnitt des Lichtempfangsbereiches angeordnet.
Die eine kammförmige
fotosensible Region RA1 hat eine Abstandsperiode, die der der Spitzen
des vergrößerten Sekundärstreifenbildes 5 identisch
ist, das schematisch auf der rechten Seite der fotosensiblen Region
A1 wiedergegeben ist. Die andere kammförmige fotosensible Region RA2
hat dieselbe Abstandsperiode, ist jedoch gegenüber der Region RA1 um 180 DEG
phasenverschoben. Durch eine derartige 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
fotosensiblen Regionen RA1 und RA2 ein Paar von komplementären Detektorsignalen
mit einer relativen Phasenverschiebung von 180 DEG zueinander abgeben.
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Ein
weiteres Paar von kammförmigen
fotosensiblen Regionen RB1 und RB2 sind ineinandergeschachtelt und
in einem mittleren Abschnitt des Lichtempfangsbereichs angeordnet.
Dieses Paar von kammförmigen
fotosensiblen Regionen RB1 und RB2 ist um 90 DEG phasenverschoben
gegenüber dem
vorangehend erwähnten
Paar von kammförmigen
fotosensiblen 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 fotosensiblen
Regionen RA1 und RA2 die Detektorsignale hervor, die den Detektorsignalen,
die von dem anderen Paar von fotosensiblen Regionen RB1 und RB2
hervorgerufen werden, um eine Phase von 90 DEG vorauseilen. Andererseits
kommt es zu einer relativen Phasenverzögerung von 90 DEG, wenn das
sekundäre
Streifenbild 5 abwärts
verschoben wird.
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Schließlich sind
zwei in gleiche Teile aufgeteilte fotosensible Regionen RZ1 und
RZ2 im linken Abschnitt des Lichtempfangsbereichs gebildet. Diese in
gleiche Teile geteilten fotosensiblen Bereiche sind so angeordnet,
dass sie wahlweise ein vergrößertes Bild 5Z des
Paares von Indexschlitzen 1Z empfangen, die in der 2 gezeigt
sind. Das vergrößerte Indexbild 5Z enthält ein Paar
von ersten Spitzen 51Z und zweiten Spitzen 52Z gemäß dem Paar
der Indexschlitze 1Z. Das Paar von Spitzen hat ein Zeitintervall dazwischen,
das dem Spitzenabstandsintervall des vergrößerten Bildes 5Z entspricht.
Wie in 5 gezeigt ist, empfängt im Fall einer Aufwärtsbewegung 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.
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Als
nächstes
wird anhand der 6 ein Prozessschaltkreis für die Verarbeitung
der Detektorsignale beschrieben, die von den kammförmigen fotosensiblen
Regionen RA1, RA2, RB1 und RB2 abgegeben werden, um ein inkrementales
Signal hervorzubringen. Ein von der kammähnlichen fotosensiblen Region
RA1 erzeugter Photostrom wird durch einen entsprechenden Verstärker AMP
verstärkt,
um ein Detektorsignal A1 zu bilden. In gleicher Weise wird ein von
der fotosensiblen Region RA2 erzeugter Photostrom verstärkt, um
ein weiteres Detektorsignal A2 zu bilden. Ein Detektorsignal B1
wird außerdem
von der fotosensiblen Region RB1 erhalten, und ein Detektorsignal
B2 wird von der fotosensiblen Region RB2 erhalten. Das Paar von
Detektorsignalen 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.
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7 zeigt
ein Wellenformdiagramm zur Verdeutlichung des Betriebes des Verarbeitungsschaltkreises
für die
inkrementalen Signale, der in der 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 Sinusschwingungsform, die um
180 DEG phasenverschoben relativ zu dem Detektorsignal 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 Einschaltdauer von 50% besteht.
Eine Anzahl von Impulsen ist ein Maß für einen inkrementalen Verschiebebetrag,
und eine Rate von Impulsen zeigt eine Verschiebungsgeschwindigkeit
an. In gleicher Weise hat das andere Paar von Detektorsignalen B1
und B2 jeweils Sinusschwingungsform mit einer relativen Phasendifferenz
von 180 DEG. Diese Sinusschwingungsformen von B1 und B2 haben eine Vorlauf-
bzw. Nachlaufphasendifferenz von 90 DEG in Bezug zu denen der Detektorsignale
A1 und A2 entsprechend der Verschieberichtung. Diese Detektorsignale
B1 und B2 werden durch den Komparator durch Vergleich miteinander
verarbeitet, um ein B-phasiges Inkrementalsignal B zu bilden, das
ebenfalls aus einer Abfolge von Impulsen besteht, die um + 90 DEG
oder –90
DEG relativ zu dem A-phasigen Inkrementalsignal A phasenverschoben
sind. Die Polarität
des Phasenunterschiedes wird elektrisch festgestellt, um die Verschieberichtung
der Geberplatte zu erfassen.
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Die 8 zeigt
einen Prozessschaltkreis zur Verarbeitung von Signalausgängen von
den in gleiche Teile geteilten fotosensiblen Regionen RZ1 und RZ2,
die in 5 gezeigt sind, um ein Z-phasiges Indexsignal
Z hervorzurufen, das ein Maß für eine Referenzposition
der Geberscheibenplatte ist. Wie in der 8 gezeigt
ist, wird ein Photostrom, der von der einen der beiden geteilten
fotosensiblen Regionen RZ1 ausgeht, durch einen Verstärker AMP
verstärkt,
um ein verstärktes
Detektorsignal Z1 zu bilden. In gleicher Weise wird ein weiterer
Photostrom, der von der anderen geteilten fotosensiblen Region RZ2
ausgeht, durch einen entsprechenden Verstärker AMP verstärkt, um
ein weiteres verstärktes
Detektorsignal Z2 hervorzubringen. Diese Detektorsignale Z1 und
Z2 werden einer Additions- und Divisionsoperation durch einen Operator
OP unterworfen, um ein Referenzsignal (Z1 + Z2)/4 hervorzubringen. Außerdem wird
das eine Detektorsignal Z1 und das Referenzsignal miteinander Hilfe
eines Komparators CMP verglichen, um ein fallendes Signal Z1C hervorzurufen.
In gleicher Weise wird das andere Detektorsignal Z2 mit dem Referenzsignal
durch einen entsprechenden Komparator CMP verglichen, um ein steigendes
Signal Z2C hervorzubringen. Das Referenzsignal (Z1 + Z2)/4 wird
mit einem vorgegebenen Spannungsschwellensignal Vr verglichen, um
ein Fenstersignal Z0 zu bilden. Dieses Spannungsschwellensignal
Vr 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 Fenstersignal
Z0 durch ein UND-Glied Schaltkreis UND verarbeitet, um das Z-phasige
Indexsignal Z zu bilden.
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Die 9 gibt
ein Wellenformdiagramm wieder, das den Betrieb des Indexsignalprozessschaltkreises
der 8 veranschaulicht. Das eine Detektorsignal Z1
steigt eine Stufe nach dem Empfang der ersten Spitze 51Z des
in der 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 geteilten fotosensiblen 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 Referenzsignal
wird durch das Spannungsschwellensignal Vr verarbeitet, um das Fenstersignal
Z0 hervorzubringen. Weiterhin wird das Detektorsignal Z1 mit dem Referenzsignal
verglichen, um das fallende Signal Z1C zu bilden. Das Detektorsignal
Z2 wird außerdem mit
demselben Referenzsignal 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. Dieses Z-phasige Indexsignal besteht aus einem
einzigen Einschaltimpuls mit einer Länge, die exakt mit einer Periode
des Inkrementalsignals zusammenfällt.
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Die 10 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Dieser optische Winkelgeber gehört der absoluten
Type an, während das
Ausführungsbeispiel
der 2 der inkrementalen Type angehört. Die inkrementale Type arbeitet
so, dass sie optisch eine Anzahl von radialen Schlitzen mit Bezug
auf einen vorgegebenen Indexpunkt zählt. Die absolute Type arbeitet
hingegen so, dass sie optisch ein kodiertes Muster aufnimmt, das
auf einer drehbaren Scheibe eingeformt ist, um direkt eine absolute
Position zu lesen. Wie in 10 gezeigt
ist, wird bei der absoluten Gebertype eine rotierende Scheibe 100 eingesetzt,
auf der eine Vielzahl von Spuren 101 bis 108 konzentrisch
zueinander angeordnet 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 jeweils
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 110 in Gegenüberlage mit der LED 109 angeordnet,
um das beleuchtete Schlitzmuster der Spuren 101 bis 108 mit einer
vorgegebenen Vergrößerung zu
projizieren. Eine Fotodetektorreihe 111 ist so angeordnet,
dass sie das projizierte und vergrößerte 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, wiederkehrendem
Abstand angeordnet sind, um das projizierte Licht für jede Spur
zu trennen. Die hervorgebrachten Detektorsignale werden verarbeitet,
um das Schlitzmuster zu entziffern und so die absolute Position
oder Adresse der drehbar gelagerten Scheibe 100 festzustellen.
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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 entspricht. 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 vergrößert wird,
so dass die Fotodetektorreihe 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 Schlitzmuster auf der Scheibe
gebildet werden, um die Auflösung
zu verbessern und Scheibenfläche
zu sparen, während
die Fotodetektorreihe eine genügende
Lichtempfangsfläche
haben kann, um die praktische S/N-Rate sicherzustellen und eine
Lichttrennung zwischen benachbarten Spuren sicherzustellen.
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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 Geberplatte festzustellen. Durch eine derartige Konstruktion
kann das Schlitzmuster fein gemacht werden im Vergleich 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 Schwankungsbreite der Fluktuationen des Geberplattenniveaus
zu vergrößern und
die mechanische Robustheit und Stabilität der Geberstruktur gegen Schlag
und Schwingungen zu verbessern, die von außen aufgebracht werden.