DE4340417C2 - Optischer Drehstellungscodierer - Google Patents
Optischer DrehstellungscodiererInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Lagedetektor mit einem
Halbleiter, ein Verfahren zu einer Lageerfassung mit dem
Detektor und einen optischen Drehstellungscodierer für das
Erfassen der Stelle des Einfallens eines Lichtpunktes, der
sich auf einer kreisförmigen Bahn bewegt.
Fig. 3 ist eine Schnittansicht eines herkömmlichen
Lagedetektors. Diese Figur zeigt eine Fotodiode 1 in Form
einer flachen Platte und jeweils eine P-Schicht 2, eine I-
Schicht 3 und eine N-Schicht 4 der Fotodiode. An den beiden
Enden der P-Schicht 2, die eine Oberflächenschicht ist, sind
Elektroden 5a und 5b angebracht, von denen weg sich
Ausgangsanschlüsse 6a und 6b erstrecken. An der N-Schicht 4,
die die Rückseite der Fotodiode bildet, ist eine
Vorspannungselektrode 7 angebracht. Auf die Fotodiode 1
fällt mit 8 bezeichnetes Licht, durch das Fotoströme 9a und
9b erzeugt werden.
Es wird nun die Funktion eines solchen herkömmlichen
Lagedetektors beschrieben. Durch das Einfallen des Lichtes 8
an einer bestimmten Stelle auf die flache plattenförmige
Fotodiode 1 wird an der Einfallstelle eine elektrische
Ladung erzeugt, die zu der Energie des Lichtes 8
proportional ist. Die auf diese Weise erzeugte elektrische
Ladung durchläuft die P-Schicht 2 als Fotoströme 9a und 9b,
die jeweils aus den Elektroden 5a und 5b ausgegeben werden.
Die elektrische Ladung an der Einfallstelle des Lichtes 8
wird in die elektrischen Ströme zu den beiden Elektroden 5a
und 5b umgekehrt proportional zu den Widerstandswerten der
jeweiligen Abschnitte der P-Schicht 2 bis zu den Elektroden
5a und 5b aufgeteilt. Da die P-Schicht 2 derart gebildet
wird, daß ihr Widerstandswert über ihre ganze Oberfläche
hinweg gleichförmig ist, ist die Stromaufteilung umgekehrt
proportional zu der Strecke von der Einfallstelle des
Lichtes 8 bis zu den jeweiligen Elektroden 5a und 5b. Daher
kann dann, wenn die aus den Elektroden 5a und 5b an die
Ausgangsanschlüsse 6a und 6b abgegebenen Ströme jeweils Ia
und Ib sind, der Abstand zwischen den Elektroden 5a und 5b L
ist und die Einfallstelle des Lichtes 8 in bezug auf den als
Nullpunkt angenommenen mittleren Punkt zwischen den beiden
Elektroden X ist, die Einfallstelle des Lichtes 8 nach
folgender Gleichung ermittelt werden:
(Ia - Ib)/(Ia + Ib) = 2X/L (1)
Ein derartiger herkömmlicher Lagedetektor ist beispielsweise auch
aus der DE-37 09 614 A1 bekannt.
Fig. 4 zeigt den Aufbau eines anderen herkömmlichen
Lagedetektors, der auf Seite 125 einer Sammlung von
Konzepten für das "The Third Robot Sensor Symposium" (1992)
beschrieben ist. In dieser Figur ist mit 11 eine flache
plattenförmige Fotodiode bezeichnet, die der Fotodiode 1
nach Fig. 1 entspricht. Parallel zu der Fotodiode 11 ist ein
Widerstand 12 ausgebildet, der als Teilerwiderstand dient.
Mit 13 ist eine elektrisch leitende Schicht bezeichnet, die
in gleichen Abständen wie die Zähne eines Kamms auf die
Fotodiode 11 vorsteht, und von dem Widerstand 12 sind
Ausgangselektroden 14 in einer Vielzahl herausgeführt.
Die Funktion dieses Lagedetektors ist grundlegend die
gleiche wie diejenige des in Fig. 3 dargestellten
Lagedetektors mit einem Unterschied hinsichtlich des
folgenden Gesichtspunkts: Ein durch das Einfällen eines
Lichtpunktes erzeugter Fotostrom wird durch die auf die
Fotodiode 11 ragende leitende Schicht 13 zu dem Widerstand
12 geleitet, wodurch Änderungen hinsichtlich des
Widerstandswertes der Fotodiode 11 unterdrückt werden. Gemäß
den an den an beiden Enden liegenden Ausgangselektroden 14
erfaßten Stromwerten wird ein der Einfallstelle des
Lichtpunktes entsprechender Teilbereich gewählt und die
Einfallstelle des Lichtpunktes wird aufgrund der Stromwerte
in den Ausgangselektroden 14 bestimmt, die an den beiden
Enden des gewählten Teilbereichs angeordnet sind.
Im folgenden wird nun ein optischer Drehmelder bzw.
Drehstellungscodierer beschrieben. Fig. 5 veranschaulicht
die Gestaltung eines herkömmlichen optischen
Drehstellungscodierer, der beispielsweise in "Optical
Application Technique, 1991, III-1" gezeigt ist (Shadan
Hojin: Optomechatronics Association, veröffentlicht am 30.
April 1991). Ein derartiger herkömmlicher Drehstellungskodierer ist beispielsweise
auch in der US-A-4,423,958 offenbart. Diese Figur zeigt ein Leuchtelement 21, ein dem
Leuchtelement 21 gegenübergesetztes Lichtempfangselement 22
und eine an einer drehbaren Achse in einer Lage zwischen dem
Leuchtelement 21 und dem Lichtempfangselement 22 befestigte
drehende Schlitzscheibe 23. Zwischen dem Leuchtelement 21
und dem Lichtempfangselement 22 ist zusammen mit der
drehende Schlitzscheibe 23 eine feststehende Schlitzplatte
24 angeordnet. Mit 25 ist ein Verstärker zum Verstärken
eines Signals bezeichnet, welches durch das Aufnehmen und
Umsetzen von Licht in dem Lichtaufnahmeelement 22 nach dem
Hindurchtreten durch die drehende Schlitzscheibe 23 und die
feststehende Schlitzplatte 24 erhalten wird.
Es wird nun die Funktion eines solchen herkömmlichen
optischen Drehstellungscodierers beschrieben. In der
drehenden Schlitzscheibe 23 sind n konzentrische Spuren aus
Schlitzen ausgebildet, die den Bits eines binären Codes
entsprechen, der Absolutwinkeladressen darstellt. Allgemein
entspricht die Anzahl n der Spuren der Längen des binären
Codes und ist durch die Winkelauflösung des Codierers
bestimmt. Bei dem dargestellten Beispiel ist n gleich "4".
Die feststehende Schlitzplatte 24 ist auf dem optischen Weg
zwischen dem Leuchtelement 21 und dem Lichtempfangselement
22 angeordnet. Ein Drehwinkel der drehbaren Achse wird durch
das Vorliegen oder Fehlen von durchgelassenem Licht aus der
drehenden Schlitzscheibe 23 und der feststehenden
Schlitzplatte 24 codiert. Durch das Lichtempfangselement 22
wird dieser Code in ein elektrisches Signal umgesetzt,
welches dann durch den Verstärker 25 verstärkt und
ausgegeben wird.
Aus dem Stand der Technik ist weiterhin aus der DE 39 39 905 A1
ein Winkelgeber zur Bestimmung der Stellung eines drehba
ren Bauteils gegenüber einer festen Anordnung bekannt.
Ferner offenbart die DE 33 21 482 A1 eine Abtastvorrichtung
mit einer holographischen Ablenkvorrichtung.
Weiterhin sind aus der JP-A-57-203905 (Zusammenfassung) sowie
aus der DE 40 04 835 A1 ein optischer Positionsdetektor bzw.
eine Positionsmeßeinrichtung bekannt.
In der DE 39 26 799 A1 und der DE 33 07 639 A1 sind ein in
krementaler Drehgeber bzw. eine Winkelanzeigeeinrichtung of
fenbart.
Bei der mit bezug auf Fig. 5 vorangehend beschriebenen Gestaltung des
herkömmlichen Lagedetektors sind die Elektroden 5a und 5b an
den beiden Enden der flachen plattenförmigen Fotodiode 1
angeordnet. Wenn die Fotodiode ringförmig gestaltet wird, um
eine Einfallstelle eines Lichtpunktes auf einer Ringbahn zu
erfassen, ist es daher erforderlich, zwei Ausgangselektroden
5a und 5b an irgendwelchen Stellen auf der ringförmigen
Fotodiode 1 anzuordnen. Wenn bei dieser Gestaltung der
Lichtpunkt auf die beiden Elektroden 5a und 5b oder auf die
Lücken zwischen den beiden Elektroden auftrifft, entsteht
ein Problem dadurch, daß ein Ausgangssignal bei der
Lageerfassung nicht eindeutig ist.
Da der herkömmliche optische Drehstellungscodierer den
vorangehend beschriebenen Aufbau hat, müssen zum klaren
Erfassen der durch die Öffnungen der drehenden
Schlitzscheibe 23 und der feststehenden Schlitzplatte 24
durchgelassenen Lichtmenge die Schlitzscheibe 23 und die
Schlitzplatte 24 eng aneinander angeordnet werden.
Insbesondere im Falle eines Codierers mit hoher Auflösung
ist wegen einer schmäleren Schlitzbreite die Streuung des
Lichtes ausgeprägt, so daß eine Änderung des Abstands
zwischen der drehenden Schlitzscheibe 23 und der
feststehenden Schlitzplatte 24 eine starke Änderung der
Erfassungseigenschaften verursacht. Es ist daher
erforderlich, diesen Abstand genau einzuhalten. Ferner
besteht auch ein Problem darin, daß eine Exzentrizität, die
durch einen zufällig bei der Herstellung der drehenden
Schlitzscheibe 23 oder deren Befestigung an der drehbaren
Achse entstehenden Fehler verursacht ist, direkt einen
Winkelmeßfehler ergibt.
Zum Ausschalten der vorstehend genannten Probleme in
Verbindung mit dem Erfassen der Lage eines Lichtpunktes, der
eine ringförmige Bahn beschreibt, liegt der Erfindung die
Aufgabe zugrunde, einen Lagedetektor zu schaffen, der dazu
geeignet ist, eine Einfallstelle eines solchen Lichtpunktes
auf der Kreislinie mit hoher Genauigkeit und ohne
irgendeinen unbestimmten Bereich zu erfassen.
Ferner soll mit der Erfindung ein wirkungsvolles Verfahren
zur Lageerfassung mit einem solchen Lagedetektor geschaffen
werden.
Weiterhin soll mit der Erfindung ein optischer
Drehstellungscodierer geschaffen werden, bei dem keine
feststehende Schlitzplatte erforderlich ist und der es
ermöglicht, die Auswirkung einer Exzentrizität
auszuschalten.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Lagedetektor gemäß dem
Patentanspruch 1, ein Verfahren zur Lageerfassung mit einem
derartigen Lagedetektor gemäß den Patentansprüchen 2 bzw. 3, und
durch einen optischen Drehstellungscodierer gemäß den
Patentansprüchen 4, bzw. 5, bzw. 9 bis 14.
In dem Lagedetektor ist konzentrisch längs
des Außenumfangs einer in Form eines Ringes gebildeten
flachen plattenförmigen Fotodiode ein Widerstand angeordnet,
an dem eine Vielzahl von Ausgangselektroden angebracht ist
und von dem weg auf die Fotodiode radial in gleichen
Winkelabständen elektrisch leitende Schichten ähnlich wie
feine Drähte ragen, um den Winkelabstand zwischen
benachbarten Ausgangselektroden zu unterteilen.
In diesem Lagedetektor wird ein durch das Einfallen eines
Lichtpunktes erzeugter Fotostrom durch den als
konzentrischer Kreis an dem Außenumfang der ringförmigen
Fotodiode angeordneten Widerstand geteilt und über ein Paar
bestimmter Ausgangselektroden werden die auf diese Weise
geteilten Ströme entnommen, wodurch die Lage eines auf einer
Kreisbahn bewegten Lichtpunktes erfaßt werden kann, ohne daß
irgendein nicht eindeutiger Bereich entsteht.
Ein Verfahren zur Lageerfassung besteht
darin, daß die Anzahl von Ausgangselektroden im Lagedetektor
zu einem Vielfachen von "4" gewählt wird, ein Paar von
einander gegenüberliegenden Ausgangselektroden und ein Paar
von hierzu unter einem Winkel von 90° einander
gegenüberliegenden Ausgangselektroden gewählt werden, die an
den Ausgangselektroden durch das Einfallen eines
Lichtpunktes erzeugten Stromwerte gemessen werden, eine
Differenz zwischen den an den Ausgangselektroden eines jeden
Paars gemessenen Stromwerten durch deren Summe dividiert
wird und aufgrund der beiden erhaltenen Divisonsergebnisse
die Einfallstelle des Lichtpunktes erfaßt wird.
Somit wird gemäß diesem Lageerfassungsverfahren von den
Ausgangselektroden, die in gleichen Winkelabständen in 4n
Teilen angeordnet sind, wobei n eine ganze Zahl ist, ein
Paar von einander gegenüberliegenden Ausgangselektroden und
ein Paar von hierzu unter einem Winkel von 90° einander
gegenüberliegenden Ausgangselektroden gewählt und es wird
eine Differenz zwischen den an den Ausgangsanschlüssen eines
jeweiligen Paars gemessenen Stromwerten durch deren Summe
geteilt, wodurch auf eindeutige Weise die Lage des auf den
Lagedetektor fallenden Lichtpunktes bestimmt wird.
Ein anderes Verfahren zur Lageerfassung
besteht darin, daß die Anzahl der Ausgangselektroden in dem
vorangehend beschriebenen Lagedetektor zu einem Vielfachen
von "4" und mindestens "8" gewählt wird, die nach dem
vorangehend beschriebenen Verfahren erfaßte Lage als
annähernde Lage betracht wird, ein Paar von
Ausgangselektroden gewählt wird, die beiderseits einer
Ausgangselektrode liegen, die der annähernden Lage am
nächsten kommt, eine Differenz zwischen Stromwerten, die an
den gewählten Ausgangselektroden durch das Einfallen eines
Lichtpunktes entstehen, durch deren Summe dividiert wird und
aufgrund des erhaltenen Divisionsergebnisses die
Einfallstelle des Lichtpunktes erfaßt wird.
Somit wird nach diesem Lageerfassungsverfahren die Anzahl
der Ausgangselektroden zu 4m gewählt, wobei m eine ganze
Zahl gleich "2" oder darüber ist, dann ein Paar von
Ausgangselektroden gewählt, die beiderseits einer
Ausgangselektrode angeordnet sind, welche der nach dem
vorangehend beschriebenen Verfahren erfaßten Lage am
nächsten kommt, und eine Differenz zwischen den an den
gewählten Ausgangselektroden gemessenen Stromwerten durch
deren Summe geteilt, wodurch die Einfallstelle des
Lichtpunktes mit höherer Genauigkeit erfaßt werden kann.
Ein optischer Drehstellungscodierer gemäß
Patentanspruch 4 enthält den vorangehend genannten
Lagedetektor mit einer ringförmigen Fotodiode, ein Drehteil
für das Ablenken von Licht aus einer Lichtquelle und das
Bewegen eines Lichtpunktes auf der Fotodiode des
Lagedetektors entsprechend einem Drehwinkel des Drehteils
und eine Lageerfassungseinrichtung zum Erfassen der
Einfallstelle des Lichtpunktes auf dem Lagedetektor nach
einem der vorangehend beschriebenen Lageerfassungsverfahren.
Somit wird in diesem optischen Drehstellungscodierer durch
das drehende Teil das Licht aus der Lichtquelle abgelenkt
und entsprechend dem Drehwinkel des drehenden Teils ein
Lichtpunkt auf einer Ringbahn bewegt, wobei der Lichtpunkt
auf der ringförmigen Fotodiode des Lagedetektors erzeugt
wird und die Einfallstelle des Lichtpunktes nach einem der
vorangehend beschriebenen Verfahren erfaßt wird, wodurch
sich eine feststehende Schlitzplatte erübrigt und eine
Exzentrizität keine Auswirkung hat.
Bei einem optischen Drehstellungscodierer in einer anderen
Ausführungsform wird ein Drehscheiben-Muster
verwendet, in welchem das Innere eines jeden von n
Bereichen, die durch Unterteilen durch in gleichen
Winkelabständen in bezug auf die Drehachse der Scheibe
angeordnete Trennlinien erhalten werden, durch ein lineares
Beugungsgitter gebildet ist, welches unter einem
vorbestimmten Winkel in bezug auf eine Winkelhalbierende der
Trennlinien ausgebildet ist; das durch Aufstrahlen von
monochromatischem Licht auf das lineare Beugungsgitter
erhaltene Beugungslicht wird zu einem Lichtpunkt einer
bestimmten Größe konvergiert, aus dessen Lage ein Drehwinkel
der Drehscheibe bestimmt wird.
Auf diese Weise wird in diesem optischen
Drehstellungscodierer ein Drehwinkel der Drehscheibe
aufgrund der Richtung des durch ein lineares Beugungsgitter
in dem auf der Drehscheibe gebildeten Muster gebeugten
Lichtes erfaßt, wodurch die Erfordernis entfällt, eine
Indexskala zu verwenden, und wodurch ein durch Exzentrizität
verursachter Winkelmeßfehler verringert wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform dieses
optischen Drehstellungscodierers ist das lineare
Beugungsgitter in einem jeden Bereich parallel zu der
Winkelhalbierenden der Trennlinien gebildet und konvergiert
in der zur Richtung der Winkelhalbierenden senkrechten
Richtung, wobei die Drehscheibe mit einem Lichtstrahl derart
bestrahlt wird, daß an der Scheibe in der Richtung der
Winkelhalbierenden ein linearer monochromatischer Lichtfleck
gebildet wird.
Somit ist in diesem Drehstellungscodierer ein Lichtpunkt an
der Drehscheibe als in der Umfangsrichtung konvergierter
linearer Flecken gebildet, wodurch der Teilbereich des
linearen Beugungsgitters klein bemessen werden kann, um die
Anzahl n der Teilbereiche in dem Muster zu erhöhen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird in dem
Drehstellungscodierer ein lineares
Beugungsgitter mit mindestens zwei monochromatischen
Lichtpunkten bestrahlt, die hinsichtlich des Winkels in
bezug auf die Drehachse der Drehscheibe um ungefähr (2m + 1)
π/n (rad) versetzt sind, wobei m eine ganze Zahl ist, wonach
dann die gebeugten Lichtstrahlen jeweils zu einem
Lichtflecken einer bestimmten Größe konvergiert werden und
ein Drehwinkel der Drehscheibe aus den Lagen der
Lichtflecken ermittelt wird.
Wenn bei diesem Drehstellungscodierer auf der Drehscheibe
ein Lichtflecken auf einer Bereichtrennlinie des linearen
Beugungsgitters liegt, wird der andere Lichtflecken nahezu
mittig auf den Bereich des linearen Beugungsgitters
aufgestrahlt, wodurch es möglich wird, einen durch eine
Grenzlinie verursachten Bereich auszuscheiden, in dem eine
Erfassung nicht ausführbar ist.
In einem optischen Drehstellungscodierer
in einer weiteren Ausführungsform wird von einem linearen
Beugungsgitter gebeugtes Licht reflektiert und wieder auf
das gleiche lineare Beugungsgitter gerichtet, wonach dann
der durch das Beugungsgitter wieder gebeugte Lichtstrahl in
seiner Richtung geändert und geteilt wird und dann zu einem
Lichtflecken einer bestimmten Größe konvergiert wird, aus
dessen Lage der Drehwinkel der Drehscheibe ermittelt wird.
Somit wird in diesem Drehstellungscodierer zur Winkelmessung
ein Lichtfleck aus zweimalig gebeugtem Licht verwendet,
wodurch die Bewegung des Lichtfleckens an dem Lagedetektor
bezüglich eines Drehwinkels verdoppelt ist, um die
Erfassungsempfindlichkeit zu verbessern.
Gemäß einem Beispiel
eines optischen Drehstellungscodierers ist auf der Drehscheibe
ein Muster durch einen Schlitz gebildet, dessen
Öffnungsbreite in radialer Richtung sich linear entsprechend
einem Drehwinkel der Drehscheibe ändert, und der Drehwinkel
der Scheibe wird aus der Intensität von durchgelassenem
Licht ermittelt, welches erhalten wird, wenn ein Teil des
Schlitzes bestrahlt wird. Ein Beispiel eines derartiger Drehstellungscodierers ist beispielsweise
in der US 1,563,200 beschreiben.
Da auf diese Weise in diesem Drehstellungscodierer das Licht
direkt auf die drehende Scheibe gestrahlt wird und die
Intensität des durchgelassenen Lichtes erfaßt wird, ist es
nicht mehr erforderlich, eine Indexskala zu benutzen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel für den
optischen Drehstellungscodierer sind als
Muster an der Drehscheibe zweierlei Arten von Mustern
vorgesehen, von denen eines das vorangehend genannte lineare
Beugungsmuster ist und als zweites Muster der genannte
Schlitz dient, wobei ein Drehwinkel der drehenden Scheibe
aus der Lage des Lichtfleckens und der Intensität des
durchgelassenen Lichtes bestimmt wird, die mittels der
Muster erfaßt werden.
In diesen Drehstellungscodierer wird als Muster zur genauen
Messung ein durch n Bereiche gebildetes Muster von linearen
Beugungsgittern verwendet, während als Muster zu einer
groben Messung ein Muster verwendet wird, das derart
gestaltet ist, daß sich die durchgelassene Lichtmenge von
Beleuchtungslicht linear entsprechend dem Drehwinkel der
drehenden Scheibe ändert, wodurch die Auflösung bei der
Absolutwinkelmessung weiter verbessert ist.
Gemäß einem weiteren Beispiel wird bei
einem optischen Drehstellungscodierer als Muster auf einer
drehenden Scheibe ein Beugungsgitter benutzt, in welchem
sich entsprechend einem Drehwinkel des Beugungsgitters die
Menge des gebeugten Lichtes aus dem Beleuchtungslicht linear
ändert, und es wird aus der Intensität des durch die
Bestahlung eines Teils des Musters gebeugten Lichtes der
Drehwinkel der drehenden Scheibe bestimmt. Beispielsweise ist derartiger Drehstellungscodierer in der
US 4,928,008 offenbart.
Da bei diesem Drehstellungscodierer das Licht direkt auf die
drehende Scheibe aufgestrahlt wird und die Intensität des
daran gebeugten Lichtes erfaßt wird, muß keine Indexskala
verwendet werden.
Weiterhin sind in einem optischen
Drehstellungscodierer gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel als Muster an der drehenden Scheibe
zweierlei Arten von Mustern vorgesehen, von denen bei einem
das vorangehend beschriebene lineare Beugungsmuster benutzt
wird und bei dem anderen eine Änderung des Ausmaßes an
Beugungslicht herangezogen wird, wobei ein Drehwinkel der
drehenden Scheibe aus der Lage eines Lichtpunktes und aus
der Intensität des Beugungslichtes ermittelt wird, die
mittels der Muster erfaßt werden.
Bei diesem Drehstellungscodierer ist es durch die Nutzung
von Beugungsmustern als zweierlei Arten von Mustern an der
drehenden Scheibe ermöglicht, bei dem Erzeugen der Muster
auf der Drehscheibe alle Muster gleichzeitig zu bilden,
wodurch der Herstellungsprozeß für diese Muster vereinfacht
ist.
Bei einem optischen Drehstellungscodierer gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel sind als Muster
auf der drehenden Scheibe ein erstes Muster mit einem
linearen Beugungsgitter und ein zweites Muster mit einem
Schlitz vorgesehen, wobei das erste Muster mit mindestens
zwei monochromatischen Lichtpunkten bestrahlt wird, die
hinsichtlich des Winkels um ungefähr (2m + 1)π/n (rad) in
bezug auf die Drehachse der Drehscheibe versetzt sind, die
jeweiligen Beugungslichtstrahlen zu Lichtflecken einer
bestimmten Größe konvergiert werden und die Lagen dieser
Lichtflecken erfaßt werden, während auf einen Teil des
zweiten Musters Licht aufgestrahlt wird und die Intensität
des durchgelassenen Lichtes gemessen wird, wonach dann der
Drehwinkel der Drehscheibe aus derjenigen Lage des
Lichtfleckens bestimmt wird, der gemäß der
Durchlaßlichtintensität gewählt wird.
In diesem optischen Drehstellungscodierer wird entsprechend
einem Ausgangssignal aus dem zweiten Muster, welches derart
gebildet ist, daß sich die Durchlaßlichtmenge des
Beleuchtungslichtes linear entsprechend einem Drehwinkel der
drehenden Scheibe ändert, derjenige Teil des linearen
Beugungsgitters in dem ersten Muster bestimmt, der mit dem
Beleuchtungslichtpunkt beleuchtet wird, wodurch der
Drehwinkel der Drehscheibe immer unter Nutzung eines
Lichtpunktes, der nahezu mittig auf dem Bereich des linearen
Beugungsgitters aufgestrahlt wird, von mehreren auf das
lineare Beugungsgitter aufgestrahlten Lichtpunkten erfaßt
wird, wodurch es ermöglicht ist, einen absoluten Winkel ohne
einen durch eine Grenze verursachten Bereich zu messen, in
welchem die Erfassung nicht ausführbar ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird
in einem optischen Drehstellungscodierer als vorstehend
genanntes zweites Muster ein Beugungsgitter verwendet, das
eine lineare Änderung entsprechend einem Drehwinkel der
Drehscheibe zeigt, und es wird entsprechend der Intensität
des durch die Bestrahlung eines Teils des zweiten Musters
erhaltenen Beugungslichtes ein in dem ersten Muster
gebeugter Lichtflecken gewählt, aus dessen Lage dann der
Drehwinkel der Drehscheibe bestimmt wird.
Da bei diesem Drehstellungscodierer als zweites Muster für
das Wählen des Lichtpunktes in dem ersten Muster ein
Beugungsmuster benutzt wird, das eine dem Drehwinkel der
Drehscheibe entsprechende lineare Änderung der
Beugungslichtmenge aus dem Beleuchtungslicht zeigt, kann der
Prozeß zur Herstellung der Drehscheibe vereinfacht werden.
Bei einem optischen Drehstellungscodierer gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel sind an der
Drehscheibe eine Spur, die einmalig für eine jede Umdrehung
der Drehscheibe eine Sägezahnwelle abgibt, und zwei Spuren
ausgebildet, die für eine jede Umdrehung der Drehscheibe m-
fach Sägezahnwellen abgeben, welche jeweils eine
Phasendifferenz von einem halben Zyklus haben, wobei der
Drehwinkel der Drehscheibe aus den Ausgangssignalen für
diese Spuren ermittelt wird.
Da somit in diesem Drehstellungscodierer der Drehwinkel der
Drehscheibe aus den phasenverschobenen Kurvenformen
ermittelt wird, ist es möglich, einen absoluten Winkel ohne
einen Bereich zu messen, in welchem die Messung nicht
ausführbar ist.
Bei einem optischen Drehstellungscodierer gemäß einer
anderen Ausführungsform sind als Muster auf
der Drehscheibe zweierlei Muster vorgesehen, nämlich ein
erstes Muster, bei dem das vorangehend genannte lineare
Beugungsgitter benutzt wird, und ein zweites Muster, welches
Licht in einer vorbestimmten Richtung ablenkt und einen
Lichtpunkt bildet, der sich entsprechend einem Drehwinkel
der Drehscheibe auf einer ringförmigen Bahn bewegt, wobei
der Drehwinkel der Drehscheibe aus den mittels der Muster
erfaßten Lagen des Lichtpunktes ermittelt wird.
Da bei diesem Drehstellungscodierer alle Muster auf der
Drehscheibe Beugungsgitter sind, können sie bei der
Herstellung der Muster auf der Scheibe gleichzeitig gebildet
werden, so daß auf diese Weise der Prozeß der Ausbildung der
Muster vereinfacht ist.
Der vorangehend beschriebene Lagedetektor wird bei einem
weiteren Ausführungsbeispiel in einem
optischen Drehstellungscodierer als zweite
Lageerfassungseinrichtung benutzt.
Da auf diese Weise in diesem Drehstellungscodierer als
Lagedetektor einer zweiten Lageerfassungseinrichtung der
verbesserte Lagedetektor benutzt wird, ist es möglich, bei
einer Grobmessung die Lage eines Lichtpunktes zu bestimmen,
ohne daß irgendein nicht eindeutiger Bereich entsteht.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von
Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung
näher erläutert.
Fig. 1 ist eine Draufsicht auf ein erstes
Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 2 ist eine vergrößerte Draufsicht, die
einen Hauptteil des ersten Ausführungsbeispiels in einem
größeren Maßstab zeigt.
Fig. 3 ist eine Schnittansicht eines
herkömmlichen Lagedetektors.
Fig. 4 ist eine Draufsicht auf einen anderen
herkömmlichen Lagedetektor.
Fig. 5 ist eine Darstellung der Gestaltung eines
herkömmlichen optischen Drehstellungscodierers.
Fig. 6 ist eine Blockdarstellung eines zweiten
Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Fig. 7 ist ein Kurvenformdiagramm zum Erläutern
der Funktion des zweiten Ausführungsbeispiels. .
Fig. 8 ist eine Blockdarstellung eines dritten
Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Fig. 9 ist ein Kurvenformdiagramm zum Erläutern
der Funktion des dritten Ausführungsbeispiels.
Fig. 10 zeigt die Gestaltung eines vierten
Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Fig. 11 zeigt die Gestaltung eines fünften
Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Fig. 12 ist eine erläuternde Darstellung, die
eine Gestaltung einer Drehscheibe zeigt.
Fig. 13 ist eine erläuternde Darstellung, die
einen Zustand von Beugungslicht bezüglich einer Drehung
eines linearen Beugungsgitters zeigt.
Fig. 14 zeigt die Gestaltung eines sechsten
Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Fig. 15 zeigt die Gestaltung eines siebenten
Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Fig. 16 ist eine erläuternde Darstellung, die
einen Zustand von zwei linearen Lichtflecken zeigt, die auf
einer Drehscheibe bei dem siebenten Ausführungsbeispiel
konvergiert sind.
Fig. 17 zeigt die Gestaltung eines achten
Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Fig. 18 ist eine erläuternde Darstellung, die
einen Zustand von Beugungslicht an einem linearen
Beugungsgitter und einem Reflexionsspiegel zeigt, die beide
bei dem achten Ausführungsbeispiel benutzt werden.
Fig. 19 ist eine erläuternde Darstellung, die
einen Zustand von Beugungslicht in bezug auf die Drehung
eines linearen Beugungsgitters bei dem achten
Ausführungsbeispiel zeigt.
Fig. 20 zeigt die Gestaltung eines
Beispiels eines optischen Drehstellungscodierers.
Fig. 21 ist eine Draufsicht, die ein auf einer
Drehscheibe bei dem obigen Beispiel
ausgebildetes Spurmuster zeigt.
Fig. 22 zeigt die Gestaltung eines neunten
Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Fig. 23 zeigt die Gestaltung eines weiteren
Beispiels für einen optischen Drehstellungscodierer.
Fig. 24 ist eine Draufsicht, die ein auf einer
Drehscheibe bei dem obigen weiteren Beispiel ausgebildetes
Spurmuster zeigt.
Fig. 25 zeigt die Gestaltung eines zehnten
Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Fig. 26 zeigt die Gestaltung eines elften
Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Fig. 27 ist eine erläuternde Darstellung, die
der Drehung einer Drehscheibe bei dem elften
Ausführungsbeispiel entsprechende Spurausgangssignale zeigt.
Fig. 28 zeigt die Gestaltung eines zwölften
Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Fig. 29 zeigt die Gestaltung eines dreizehnten
Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Fig. 30 ist ein erläuterndes Diagramm, das der
Drehung einer Drehscheibe bei dem dreizehnten
Ausführungsbeispiel entsprechende Spurausgangssignale zeigt.
Fig. 31 zeigt die Gestaltung eines vierzehnten
Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung wird nun das erste
Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Die Fig. 1
ist eine Draufsicht auf einen Lagedetektor 31 und die Fig. 2
ist eine vergrößerte Draufsicht, die einen Teil des
Lagedetektors in einem größeren Maßstab zeigt. In diesen
Figuren ist mit 32 eine flache plattenförmige Fotodiode
bezeichnet, die zu einem Ring geformt ist und in dieser
Hinsicht von der in Fig. 4 mit 11 bezeichneten Fotodiode
verschieden ist. Längs des Außenumfangs der ringförmigen
Fotodiode 32 ist konzentrisch zu dieser ein Widerstand 33
angeordnet. Mit 34 sind in einer Vielzahl vorgesehene
elektrisch leitende Schichten bezeichnet, die von dem
Widerstand 33 weg auf die Fotodiode 32 bis zu dem
Innenumfangsabschnitt der Fotodiode radial in gleichen
Winkelabständen vorstehen. An dem Widerstand 33 sind in
gleichen Winkelabständen in einer Vielzahl
Ausgangselektroden 35 angebracht. Bei diesem
Ausführungsbeispiel sind in Abständen von 45° acht
Ausgangselektroden 35 angeordnet, die von T0 bis T7
numeriert sind. Die Anzahl der leitenden Schichten 34 ist
größer als diejenige der Ausgangselektroden 35, um die
Winkelabstände zwischen benachbarten Ausgangselektroden 35
zu unterteilen.
Es wird nun die Funktion dieses Ausführungsbeispiels
beschrieben. Auf das Auftreffen eines Lichtpunktes auf die
ringförmige Fotodiode 32 hin wird an der Einfallstelle eine
zu der auftreffenden Lichtenergie proportionale, optisch
angeregte elektrische Ladung erzeugt. Wenn eine der
Ausgangselektroden 35 in bezug auf das Substrat in Sperr-
Richtung vorgespannt ist, wird aus dieser Ausgangselektrode
35 die erzeugte elektrische Ladung als Strom entnommen.
Falls der Widerstandswert des ringförmigen Widerstands 33
ausreichend niedriger ist als der Oberflächenwiderstand der
Fotodiode 32, fließt der Strom über die leitenden Schichten
34 zu dem Widerstand 33 und gelangt über diesen Widerstand
zu der in Sperr-Richtung vorgespannten Ausgangselektrode 35.
Wenn für die Ausgabe eines Stroms zwei Ausgangselektroden
gewählt und jeweils in Gegenrichtung vorgespannt werden,
gilt dann, wenn der spezifische Widerstand des Widerstands
33 in der Umfangsrichtung ρ ist, die Abstände der
Einfallstelle des Lichtpunktes bis zu den beiden
Ausgangselektroden 35 jeweils X und Y sind und die aus
diesen Elektroden entnommenen Ströme Ix und Iy sind, die
folgende Gleichung:
ρX × Ix = ρY × Iy (2)
Daher kann zum Bestimmen der Lage des Lichtpunktes zwischen
den gewählten Ausgangselektroden 35 aus den Stromwerten Ix
und Iy die folgende Gleichung aufgestellt werden:
(Ix - Iy)/(Ix + Iy) = (Y - X)/(X + Y) (3)
Da die Lagen der gewählten Ausgangselektroden 35 bekannt
sind, wird es damit möglich, die Lage des Lichtpunktes auf
dem Lagedetektor 31 zu bestimmen.
Somit ist bei der Gestaltung dieses Ausführungsbeispiels
konzentrisch entlang des Außenumfangs der als
Lichtempfangsfläche dienenden ringförmigen Fotodiode 32 der
ringförmige Widerstand 33 für das Erfassen der Lage
angeordnet und von dem Widerstand 33 weg stehen in gleichen
Abständen die Ausgangselektroden 35 vor, so daß es nicht
mehr erforderlich ist, Elektroden an der Lichtempfangsfläche
anzuordnen, wodurch keinerlei durch die Elektroden
verursachte tote Zone vorliegt. Ferner hat der Widerstand 33
für das Erfassen der Lage keine Unstetigkeit, wodurch das
Bestimmen der Einfallstelle eines Lichtpunktes an dem Umfang
zuverlässiger wird.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung wird nun das zweite
Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Die Fig. 6
ist eine Blockdarstellung, die einen Aufbau für das
Ausführen eines Verfahrens zur
Lageerfassung zeigt. In dieser Figur ist mit 42 ein Wähler
bezeichnet, der aus den im Lagedetektor 31 verwendeten
Ausgangselektroden 35 bestimmte Ausgangselektroden wählt und
diese mit einer nachfolgend beschriebenen Meß- und
Recheneinheit 43 verbindet. Mit 44 ist eine
Funktionssteuereinheit bezeichnet, die entsprechend dem von
der Meß- und Recheneinheit 43 abgegebenen Rechenergebnis den
Wähler 42 steuert und die Lage des auf den Lagedetektor 31
auftreffenden Lichtpunktes bestimmt.
Es wird nun die Funktion dieses zweiten Ausführungsbeispiels
beschrieben. Die Fig. 7 ist ein Kurvenformdiagramm, das
Ausgangssignale der Meß- und Recheneinheit 43 bezüglich
einer Winkellage eines Lichtpunktes auf dem Umfang des
Lagedetektors 31 zeigt. Zum Erfassen der Lage eines
Lichtpunktes wird von der Funktionssteuereinheit 44 zuerst
ein Paar von Ausgangselektroden 35 gewählt, die an dem
Umfang des Lagedetektors 31 einander gegenüberliegen, z. B.
die Elektroden T0 und T4 nach Fig. 1, und der Wähler 42
angesteuert, wodurch die Ausgangssignale der beiden
Ausgangselektroden 35 (T0 und T4) der Meß- und Recheneinheit
43 zugeführt werden, welche ihrerseits Werte der aus den
beiden Ausgangselektroden 35 ausgegebenen Ströme mißt und
eine Differenz zwischen diesen durch deren Summe dividiert.
Falls beispielsweise der aus T0 abgegebene Strom I0 ist und
derjenige aus T4 I4 ist, wird ein Ausgangssignal OUT1 nach
folgender Gleichung berechnet und der Funktionssteuereinheit
44 zugeführt:
OUT1 = (I4 - I0)/(I4 + I0) (4)
Als nächstes wird ein Paar von Ausgangselektroden 35, die
einander unter einem Winkel von 90° in bezug auf die beiden
Ausgangselektroden 35 gegenüberliegen, z. B. die Elektroden
T2 und T6 gewählt und auf die vorstehend beschriebene Weise
wird dann, wenn der aus der Elektrode T2 abgegebene Strom I2
ist und derjenige aus T6 I6 ist, ein Ausgangssignal OUT2 in
der Meß- und Recheneinheit 43 nach der folgenden Gleichung
berechnet und dann der Funktionssteuereinheit 44 zugeführt:
OUT2 = (I2 - I6)/(I2 + I6) (5)
Der Zusammenhang zwischen Einfallstellen eines Lichtpunktes
auf dem Umfang des Lagedetektors 31 und dem Ausgangssignal
OUT1 und der Zusammenhang zwischen diesen Einfallstellen und
dem Ausgangssignal OUT2 ergeben jeweils eine Dreieckwelle
mit den Orten der Ausgangselektroden als Spitzenwerte.
Zwischen den Ausgangssignalen OUT1 und OUT2 besteht eine
Phasendifferenz von 90°. Mit einem Ausgangssignal, z. B. OUT1
sind zwei Lagen des Lichtpunktes an Drehstellungen P1 und P2
denkbar und es ist daher nicht möglich, die Lage des
Lichtpunktes genau zu bestimmen. Wenn aber das
Ausgangssignal OUT2 hinzugenommen wird und erfaßte
Drehstellungen P3 und P4 erhalten werden, ist die wahre
Einfallstelle des Lichtpunktes die erfaßte Drehstellung P1
oder P4, die miteinander übereinstimmen, und es ist damit
die Lage an dem Umfang des Lagedetektors 31 eindeutig
bestimmt.
Falls ein Lichtpunkt nahe an der Spitze einer jeweiligen
Dreieckwelle liegt, nämlich nahe an einer der
Ausgangselektroden 35, erhält man eine Dreieckwelle, die
bezüglich einer idealen Dreieckwelle etwas gerundet ist. Es
ist daher besser, als Ausgangssignal zur Lageermittlung ein
näher an der Mitte zwischen benachbarten Ausgangselektroden
35 erfaßtes Ausgangssignal heranzuziehen, um die Messung mit
höherer Genauigkeit auszuführen.
Auf diese Weise wird die Lage des Lichtpunktes auf den
Umfang des Lagedetektors 31 eindeutig aus den Werten der
Ströme bestimmt, die gemäß der vorstehenden Beschreibung aus
den beiden zueinander senkrecht stehenden Paaren der
Ausgangselektroden 35 abgegeben werden. Dabei ist eine
Meßgenauigkeit sowohl durch das Nutzsignal/Störsignal-
Verhältnis der Ströme in dem Elektrodenzwischenraum eines
Halbkreises als auch durch die Auflösung der Meß- und
Recheneinheit 43 bestimmt. Die Auflösung γ des Lagedetektors
ist allgemein durch die folgende Gleichung bestimmt:
γ = L × (4 kTB/R + 2 qBI)1/2 (6)
wobei L der Abstand der Ausgangselektroden 35 ist, k die
Boltzmann-Konstante ist, T die absolute Temperatur ist, B
die Bandbreite ist, R der Widerstand zwischen den
Ausgangselektroden 35 ist, q die elektrische Ladungseinheit
ist und I der Strom ist. Da der Widerstand R zwischen
Ausgangselektroden zu dem Abstand L zwischen den
Ausgangselektroden 35 proportional ist, ist die Auflösung
umso höher, je kleiner der Abstand L ist. Andererseits ist
es nicht erwünscht, die Auflösung der Meß- und Recheneinheit
43 hoch zu wählen, da dies eine Erhöhung der Kosten der
Verarbeitungsschaltung verursacht. Dieser Gesichtspunkt
wurde bei dem nachstehend beschriebenen dritten
Ausführungsbeispiel berücksichtigt.
Die Fig. 8 ist eine Blockdarstellung, die einen Aufbau für
die praktische Ausführung des Lageerfassungsverfahrens gemäß
dem dritten Ausführungsbeispiel zeigt. In dieser Figur ist
mit 45 eine Funktionssteuereinheit bezeichnet, in welcher
als Grob-Lage eine Lage eingestellt wird, die durch eine
Verarbeitung ähnlich der durch die in Fig. 6 gezeigte
Funktionssteuereinheit 44 erfaßt wird. Die
Funktionssteuereinheit 45 steuert den Wähler 42 zu einem
erneuten Wählen eines Paares von Ausgangselektroden 35,
welche beiderseits derjenigen Ausgangselektrode 35 liegen,
die der Grob-Lage am nächsten kommt. Dabei bestimmt die
Funktionssteuereinheit 45 aufgrund des Rechenergebnisses aus
der Meß- und Recheneinheit 43 die genaue Einfallstelle des
Lichtpunktes. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es
erforderlich, daß der Lagedetektor 31 mit 4m
Ausgangselektroden 35 versehen ist, wobei m eine ganze Zahl
von mindestens "2" ist, und es werden gemäß Fig. 1 acht
Ausgangselektroden 35 verwendet (m = 2).
Es wird nun die Funktion dieses Ausführungsbeispiels
beschrieben. Die Fig. 9 ist ein Kurvenformdiagramm von
Ausgangssignalen der Meß- und Recheneinheit 43 in bezug auf
Winkelstellungen des Lichtpunktes auf dem Umfang des
Lagedetektors 31. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist m zu "2" gewählt und auf der Abszissenachse sind
Drehstellungen sowie Stellen der Ausgangselektroden 35 mit
den Nummern T0 bis T7 aufgetragen. Zuerst befiehlt die
Funktionssteuereinheit 45 wie bei dem zweiten
Ausführungsbeispiel an dem Wähler 42 das Wählen von zwei
zueinander senkrecht stehenden Paaren von Ausgangselektroden
35 und bestimmt aufgrund der Ausgangssignale OUT1 und OUT2
als Rechenergebnisse aus der Meß- und Recheneinheit 43 grob
auf eindeutige Weise eine Stelle auf dem Umfang des
Lagedetektors 31.
Als nächstes wählt die Funktionssteuereinheit 45 zwei
Ausgangselektroden 35, die beiderseits derjenigen
Ausgangselektrode 35 liegen, die der auf diese Weise grob
bestimmten Stelle am nächsten sind, und gibt diese beiden
Elektroden an den Wähler 42 weiter. Die Ströme aus den
beiden Ausgangselektroden 35 werden der Meß- und
Recheneinheit 43 zugeführt, welche ihrerseits der
Funktionssteuereinheit 45 ein Rechenergebnis zuführt. Dieses
Rechenergebnis ist ein Ausgangssignal OUT3. Die Fig. 9 zeigt
ein Beispiel, bei dem aufgrund der Ausgangssignale OUT1 und
OUT2 die Ausgangselektroden T2 und T4 gewählt wurden. Da der
Gradient des Ausgangssignals OUT3 m-mal so groß ist wie
derjenige der Ausgangssignale OUT1 und OUT2, kann eine
Stelle des Lichtpunktes zwischen den Ausgangselektroden T2
und T4 mit einer Auflösung erfaßt werden, die m-mal höher
ist. Da ferner die Lage einer jeden Ausgangselektrode 35
bekannt ist, kann die Stelle eines Lichtpunktes auf dem
Umfang des Lagedetektors 31 bestimmt werden.
Darüberhinaus kann dadurch, daß von dem Wähler 42
gleichzeitig vier Ausgangselektroden 35 gewählt werden, dann
ein Paar von diesen als den Ausgangssignalen OUT1 und OUT2
entsprechende Ausgangselektroden mit der Meß- und
Recheneinheit 43 verbunden wird, während das andere Paar von
Ausgangselektroden als auf einem Halbkreis liegend
angenommen wird, der dem bei der Erfassung benutzten
Halbkreis gegenüberliegt, und als zu den bei der Erfassung
benutzten Elektroden benachbarte Elektroden angesetzt wird
und dann diese Elektroden gegen eine Vorspannung
kurzgeschlossen werden, die gleich der Spannung der beiden
bei der Erfassung benutzten Elektroden ist, das Nutzsignal/
Störsignal-Verhältnis verbessert, weil sich ein äquivalent
kurzgeschlossener Elektrodenzwischenabstand ergibt, wodurch
es möglich wird, die Auflösung weiter zu verbessern.
Bei einem optischen Drehstellungscodierer für das Erfassen
eines Drehwinkels einer drehenden Maschine sind der als
erstes Ausführungsbeispiel beschriebene Lagedetektor und das
als zweites oder drittes Ausführungsbeispiel erläuterte
Verfahren zur Lageerfassung anwendbar. Nachstehend wird ein
derartiger optischer Drehstellungscodierer beschrieben.
Die Fig. 10 zeigt den Aufbau eines optischen
Drehstellungscodierers als viertes Ausführungsbeispiel der
Erfindung. Die Figur zeigt eine Lichtquelle 52 zur Abgabe
von Lichtstrahlen, eine Kondensorlinse 53 zum Sammeln der
von der Lichtquelle abgegebenen Lichtstrahlen, einen
Halbspiegel 54 zum Umlenken des optischen Weges der
konvergierten Lichtstrahlen, ein Ablenkelement 55 wie ein
drehendes Element, das das von dem Halbspiegel 54
reflektierte Licht umlenkt, und eine Drehachse 56 zum Drehen
des Ablenkelements 55. Mit 51 ist der bei dem ersten
Ausführungsbeispiel beschriebene Lagedetektor bezeichnet und
mit 57 ist eine Lagemeßeinrichtung zum Ermitteln der
Einfallstelle eines Lichtpunktes aus den von
Ausgangselektroden 35 abgegebenen Strömen bezeichnet.
Es wird nun die Funktion dieses Ausführungsbeispiels
beschrieben. Die von der Lichtquelle 52 abgegebenen
Lichtstrahlen werden durch die Kondensorlinse 53 konvergiert
und treffen auf den Halbspiegel 54, der die Lichtstrahlen
reflektiert. Die auf diese Weise reflektierten Lichtstrahlen
treffen auf das Ablenkelement 55. Von dem Ablenkelement 55
werden die Strahlen unter Ablenkung in einer bestimmten
Richtung in bezug auf das Ablenkelement reflektiert. Dann
gelangen die Lichtstrahlen wieder zu dem Halbspiegel 54. Das
von dem Halbspiegel 54 durchgelassene Licht trifft auf den
Lagedetektor 31 und bildet auf der ringförmigen Fotodiode 32
des Lagedetektors einen Lichtflecken. Das Ablenkelement 55
ist an der Drehachse 56 befestigt und dreht zusammen mit
dieser, so daß der Laufweg des reflektierten Lichtes einen
Konus bildet, dessen Spitzenwinkel ein Winkel ist, der
doppelt so groß wie der Ablenkwinkel des Ablenkelements 55
ist. Der Lagedetektor 31 ist senkrecht zu der Drehachse des
Reflexionslichtes, nämlich zur optischen Achse des
Reflexionslichtes im Falle eines Ablenkwinkels von 0°
angeordnet, wobei die Mitte der ringförmigen Fotodiode 32
mit der optischen Achse übereinstimmt. Zwischen dem
Ablenkelement 55 und der Fotodiode 32 ist ein geeigneter
Abstand derart eingestellt, daß der Lichtpunkt auf die
Fotodiode 32 gestrahlt wird. Die Kondensorlinse 53 ist
derart gewählt, daß das konvergierte Licht zu einem
Lichtpunkt auf der Fotodiode 32 fokussiert wird. Somit
entspricht die Lage des auf der ringförmigen Fotodiode
erzeugten Lichtpunktes dem Drehwinkel der Drehachse 56.
Diese Lage des Lichtpunktes wird mittels der
Lagemesseinrichtung 57 gemäß dem vorangehend beschriebenen
zweiten oder dritten Ausführungsbeispiel für das
Lagemeßverfahren erfaßt und als Drehwinkel ausgegeben.
Wenn als Ablenkelement 55 beispielsweise ein Element wie ein
Beugungsgitter verwendet wird, bei dem keine Abhängigkeit
von der Einfallstelle besteht, ergibt sich keine Änderung
der Lage des Lichtpunktes an dem Lagedetektor 31 selbst
dann, wenn sich die Einfallstelle des Lichtstrahles auf das
Ablenkelement 55 durch eine Exzentrizität oder dergleichen
ändert, so daß es damit möglich wird, einen optischen
Drehstellungscodierer zu erhalten, der nicht durch
Exzentrizität beeinflußt ist.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung wird nun das fünfte
Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Die Fig. 11
zeigt die Gestaltung eines optischen Drehstellungscodierers
gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel. Die Figur zeigt eine
monochromatische Lichtquelle, z. B. eine Laserdiode 101,
Kondensorlinsen 102 und 104 und eine zwischen den
Kondensorlinsen 102 und 104 angeordnete Drehscheibe 103. Mit
105 ist ein Lagedetektor als Lageermittlungsvorrichtung
bezeichnet, welche die Lage eines durch die Kondensorlinse
104 gebildeten Lichtpunktes erfaßt. Der Lagedetektor 105
kann beispielsweise ein Halbleiter-Detektor sein. Mit 107
ist eine Recheneinrichtung bezeichnet, die aufgrund der
mittels des Lagedetektors erfaßten Lage des Lichtpunktes
einen Drehwinkel der Drehscheibe 103 berechnet und ausgibt.
Mit 108 ist eine Beleuchtungsvorrichtung bezeichnet, welche
die monochromatische Lichtquelle 101 und die Kondensorlinse
102 enthält.
Die Fig. 12 ist eine erläuternde Darstellung, die die
Gestaltung der Drehscheibe 103 ausführlich zeigt. In dieser
Figur ist mit 106 ein nachstehend als "Gittersektor"
bezeichneter Bereich bezeichnet, der durch Unterteilen des
Umfangs in n gleiche Teile gebildet ist. In dem Gittersektor
106 ist ein lineares Beugungsgitter mit einer Teilung P
ausgebildet. Der Winkel zwischen Trennlinien 202a und 202b
für den Gittersektor 106 beträgt 2π/n rad. Das lineare
Beugungsgitter in einem jeden Bereich ist derart
ausgebildet, daß es in einem vorbestimmten Winkel in bezug
auf eine Winkelhalbierende 203 der Trennlinien 202a und 202b
steht. Daher ist das auf der Drehscheibe 103 ausgebildete
Muster ein periodisches Muster, dessen Form sich bei jeder
Umdrehung um 2π/n rad wiederholt.
Die Fig. 13 ist eine erläuternde Darstellung, die einen
Zustand von Beugungslicht im Verhältnis zu einer Drehung
eines linearen Beugungsgitters zeigt. In dieser Figur ist
mit 301 jeweils ein in jedem Gittersektor 106 ausgebildetes
lineares Beugungsgitter bezeichnet, während mit 302
parallele Lichtstrahlen bezeichnet sind. Mit 303a und 303b
ist jeweiliges Beugungslicht bezeichnet, welches durch das
Auftreffen der parallelen Lichtstrahlen 302 auf das lineare
Beugungsgitter 301 erzeugt wird. Die Beugungslichter 303a
und 303b werden auf einer Beobachtungsfläche 304
wahrgenommen, wobei mit 305 ein Kreis bezeichnet ist, der
eine Bahn von Punkten der sich auf der Beobachtungsfläche
304 bewegenden Beugungslichter 303a und 303b darstellt.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 11 und 13 wird nun die
Funktion des optischen Drehstellungscodierers gemäß diesem
fünften Ausführungsbeispiel beschrieben. Durch das
Auftreffen der parallelen Lichtstrahlen 302 auf das lineare
Beugungsgitter 301 werden in einer zu dem Gitter senkrechten
Ebene durch die Beugung durch dasselbe Beugungslichtstrahlen
303a und 303b erzeugt. Sobald das lineare Beugungsgitter 301
dreht, werden auch die Beugungslichtstrahlen 303a und 303b
geschwenkt, so daß sich Beugungslichtpunkte auf der
Beobachtungsfläche 304 auf dem Kreis 305 bewegen. Ein
Drehwinkel eines jeden Punktes auf der Beobachtungsfläche
304 ist bei einem Drehwinkel Θ des linearen Beugungsgitters
301 gleichfalls Θ, und wenn der Radius des Kreises 305r
ist, ist eine lineare Bewegungsstrecke L eines jeweiligen
Punktes bei der Drehung um Θ durch folgende Gleichung
gegeben:
L = 2rsin(Θ/2) (7)
Wenn der Drehwinkel Θ ausreichend klein ist, wird die
vorstehende Gleichung (7) auf die folgende Weise angenähert
und es wird möglich, den Winkel direkt aus der
Bewegungsstrecke zu erfassen:
L = rΘ (8)
Gemäß Fig. 11 treffen die von der monochromatischen
Lichtquelle 101 abgegebenen Lichtstrahlen auf einen der
Gittersektoren 106 auf der Drehscheibe, nachdem sie durch
die Kondensorlinse 102 zu einem Strahl mit einem derartigen
Format gebündelt sind, welches in dem Gittersektor 106
aufgenommen wird. Das von dem linearen Beugungsgitter in dem
Gittersektor 106 gebeugte Licht trifft auf den Lagedetektor
105, nachdem es durch die Kondensorlinse 104 zu einem Punkt
in einer für den Lagedetektor 105 geeigneten Form gebündelt
ist. Wenn die Wellenlänge des einfallenden Lichtes λ ist
und die Beugungsgitterteilung P ist, kann ein Beugungswinkel
ϕ von primär gebeugtem Licht folgendermaßen ausgedrückt
werden:
ϕ = sin-1(λ/P) (9)
Der Lagedetektor 105 wird derart angeordnet, daß dessen
Lageerfassungsrichtung mit der Richtung der durch die
Drehung der Drehscheibe verursachten Bewegung des
Lichtpunktes auf dem Lagedetektor übereinstimmt. Wenn die
Brennweite der Kondensorlinse 104f ist, ist die dem
Drehwinkel Θ des linearen Beugungsgitters entsprechende
Bewegungsstrecke L des Lichtpunktes die folgende:
L = 2ftanϕsin(Θ/2) (10)
Wenn in diesem Fall der Drehwinkel Θ ausreichend gering ist,
wird die Gleichung (10) auf folgende Weise angenähert und
somit die Bewegungsstrecke zu dem Drehwinkel proportional:
L = fΘtanΘ (11)
Gemäß einer Gitterdrehung, die dem Drehwinkel 2π/n eines der
Gittersektoren 106 entspricht, wird der Lagemeßbereich des
Lagedetektors 105 derart gewählt, daß er einen Lichtpunkt
enthält, welcher sich im Bereich von 2πftanϕ/n bewegt.
Wenn sich die Drehscheibe 103 um eine Umdrehung dreht,
wiederholt der Lichtpunkt auf dem Lagedetektor 105 seine
Bewegung n-malig, da das Muster an der Drehscheibe
periodische Struktur hat, wobei sich die gleiche Form bei
jeder Drehung um 2π/n rad wiederholt. Daher ist es durch das
Zählen von Lageerfassungssignalen möglich, einen Schritt-
Codierer zu bilden, bei dem die Auflösung des Lagedetektors
105 eine Winkelauflösung ist. Da ferner ein Lagemeßsignal
bei dem Gittersektor 106 einen absoluten Winkel in dem
Bereich dieses Gittersektors darstellt, kann ein
Absolutwert-Codierer für eine einzelne Umdrehung dadurch
gebildet werden, daß für den Gittersektor 106 eine
Erkennungsvorrichtung vorgesehen wird.
Falls infolge einer Auslenkung der Drehachse der Drehscheibe
103 eine Exzentrizität in dem Winkelmeßsystem mit einem
solchen linearen Beugungsgitter auftritt, tritt deren
Einwirkung als eine Parallelverschiebung in der gleichen
Ebene wie die Drehscheibe in Erscheinung und verursacht
keine Änderung des Drehwinkels des Beugungsgitters. Daher
wird ein Winkelmeßausgangssignal durch eine solche
Exzentrizität überhaupt nicht beeinflußt, falls die durch
die Exzentrizität verursachte Parallelverschiebung innerhalb
des Gittersektors 106 erfolgt.
Anhand der Zeichnung wird nun das sechste
Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Die Fig. 14
zeigt die Gestaltung eines optischen Drehstellungscodierers
gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel, wobei gleiche Teile
wie gemäß Fig. 11 und 12 zur Vermeidung der Erläuterung
derselben mit den gleichen Bezugszeichen wie in diesen
Figuren bezeichnet sind. In Fig. 14 ist mit 403 eine
Drehscheibe bezeichnet, die nahezu gleich wie die bei den
fünften Ausführungsbeispiel verwendete Drehscheibe 103
gestaltet ist. Mit 406 ist ein Gittersektor bezeichnet, in
welchem die Gitterrichtung des linearen Beugungsgitters zu
der Winkelhalbierenden 203 im Gittersektor parallel ist, so
daß in dieser Hinsicht der Gittersektor 406 von dem bei dem
fünften Ausführungsbeispiel verwendeten Gittersektor 106
verschieden ist. Zylindrische Linsen 407 und 408 sind derart
angeordnet, daß sie das Licht in der radialen Richtung der
Drehscheibe 403 bündeln und der Brennpunkt auf der
Drehscheibe liegt. Mit 409 ist eine
Lichtkonvergiervorrichtung aus der Kondensorlinse 104 und
der zylindrischen Linse 408 bezeichnet. Mit 410 ist eine
Beleuchtungsvorrichtung aus der monochromatischen
Lichtquelle 101, der Kondensorlinse 102 und der
zylindrischen Linse 407 bezeichnet.
Es wird nun die Funktion dieses Ausführungsbeispiels
beschrieben. Die von der monochromatischen Lichtquelle 101
abgegebenen Lichtstrahlen werden durch die Kondensorlinse
102 und die zylindrische Linse 407 zu einem linearen Flecken
bzw. einer Linie in dem Gittersektor 406 konvergiert. Diese
Linie wird derart eingestellt, daß gemäß den vorstehenden
Ausführungen die Richtung der Konzentration des Lichtes die
radiale Richtung der Drehscheibe 403 ist und daß deren Länge
innerhalb der radialen Breite des Gittersektors 406 liegt.
Das von dem linearen Beugungsgitter in dem Gittersektor 406
gebeugte Licht wird durch die Kondensorlinse 104 und die
zylindrische Linse 408 in die Form eines für den
Lagedetektor 105 geeigneten Lichtpunktes konvergiert, der
auf den Lagedetektor 105 fällt. In der
Beleuchtungsvorrichtung 410 kann entweder die Kondensorlinse
104 oder die zylindrische Linse 408 weggelassen werden,
sofern es möglich ist, einen für den Lagedetektor 105
geeigneten Lichtpunkt zu formen.
Da bei dieser Gestaltung die Lichtlinie auf dem Lagedetektor
105 fokussiert wird, hat eine Winkelabweichung des gebeugten
Lichtes in bezug auf die Richtung des Konvergierens der
Linie keinen Einfluß auf den Lichtpunkt an dem Lagedetektor.
Da ferner das lineare Beugungsgitter derart geformt ist, daß
die Gitterrichtung zu der Winkelhalbierenden in dem
Gittersektor 406 parallel ist, ändert sich durch Drehung die
Richtung des gebeugten Lichtes senkrecht zu der Richtung der
Konvergenz der Lichtlinie. Somit ist es ohne irgendeine
Auswirkung auf die Messung des Drehwinkels möglich, wie bei
dem fünften Ausführungsbeispiel die Lage des Lichtpunktes an
dem Lagedetektor 105 zu erfassen und den Winkel zu messen.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung wird nun das siebente
Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Die Fig. 15
zeigt den Aufbau eines optischen Drehstellungscodierers
gemäß dem siebenten Ausführungsbeispiel, wobei die gleichen
Teile wie die vorangehend erläuterten mit den gleichen
Bezugszeichen bezeichnet sind, wodurch sich die Erläuterung
erübrigt. Die grundlegende Gestaltung dieses siebenten
Ausführungsbeispiels ist die gleiche wie bei dem sechsten
Ausführungsbeispiel. Zwischen die monochromatische
Lichtquelle 101 und die Drehscheibe 403 ist ein Gitter-
Strahlenteiler 508 eingefügt, und zwar gemäß Fig. 15
beispielsweise zwischen die Kondensorlinse 102 und die
zylindrische Linse 407, und es sind parallel zueinander zwei
Lagedetektoren 509a und 509b angeordnet. Mit 509 ist eine
durch die beiden Lagedetektoren 509a und 509b gebildete
Lagedetektorvorrichtung bezeichnet. Mit 510 ist eine
Beleuchtungsvorrichtung bezeichnet, die die monochromatische
Lichtquelle 101, die Kondensorlinse 102, die zylindrische
Linse 407 und den vorstehend genannten Gitter-Strahlenteiler
508 enthält.
Es wird nun die Funktion dieses siebenten
Ausführungsbeispiels beschrieben. Durch die monochromatische
Lichtquelle 101, die Kondensorlinse 102 und die zylindrische
Linse 407 wird wie bei dem sechsten Ausführungsbeispiel auf
der Drehscheibe 403 eine Lichtlinie gebildet. In diesem Fall
wird durch den dazwischen angeordneten Gitter-Strahlenteiler
508 der Lichtstrahl in mindestens zwei Richtungen
aufgezweigt, so daß auf der Drehscheibe 403 mindestens zwei
Linien gebildet werden. Der Verzweigungswinkel des Gitter-
Strahlenteilers 508 wird derart eingestellt, daß der Abstand
zwischen den mindestens zwei Linien (2m + 1)/2-mal so groß
ist wie die Breite des Gittersektors 406 in der
Umfangsrichtung bzw. in bezug auf einen Drehwinkel der
Drehscheibe (2πm + 1)/n rad beträgt, wobei m eine ganze Zahl
ist. Die beiden Lagedetektoren 509a und 509b werden derart
angeordnet, daß die Lagen der beiden Lichtpunkte erfaßt
werden, welche durch die zylindrische Linse 408 und die
Kondensorlinse 104 aus den durch das lineare Beugungsgitter
erhaltenen Beugungslichtstrahlen der beiden Linien an der
Drehscheibe 403 gebildet werden.
Die Fig. 16 ist eine erläuternde Darstellung, die die durch
die beiden Lichtlinien bestrahlten Stellen an der
Drehscheibe 403 im Falle von m = 0 zeigt. Die Drehscheibe
403 dreht gemäß (a), (b) und (c) in dieser Figur, aus der
ersichtlich ist, daß dann, wenn eine Linie auf einer Grenze
des Gittersektors 406 liegt, die andere Linie mit Sicherheit
den mittigen Teil des Gittersektors 406 beleuchtet, so daß
daher eine der beiden Linien mit Sicherheit in dem
Gittersektor 406 liegt. Daher ist eine hierbei eingesetzte
Recheneinrichtung 107 derart gestaltet, daß dann, wenn eine
der Linien auf der Grenze des Gittersektors 406 liegt und
durch Verzerrung der Punktform an einem der Lagedetektoren,
z. B. dem Lagedetektor 509a die Fähigkeit zum Messen
unzureichend ist, ein Drehwinkel aus dem
Erfassungsausgangssignal des anderen Lagedetektors 509b
berechnet wird. Daher entsteht durch die Grenze des
Gittersektors 406 kein Bereich, in dem die Erfassung nicht
möglich ist.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung wird nun das achte
Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Die Fig. 17
zeigt die Gestaltung eines optischen Drehstellungscodierers
gemäß dem achten Ausführungsbeispiel, wobei gleiche Teile
wie die zuvor beschriebenen mit den gleichen Bezugszeichen
bezeichnet sind und die Erläuterung weggelassen ist. In
dieser Figur ist mit 710 eine Trennvorrichtung zum Trennen
von Beleuchtungslichtstrahlen und Reflexionslichtstrahlen
bezeichnet. Die Trennvorrichtung 710 ist zwischen der
monochromatischen Lichtquelle 101 und der Drehscheibe 103
angeordnet. Mit 711 ist ein Reflektor bezeichnet, der einen
durch das lineare Beugungsgitter an der Drehscheibe 103
durchgelassenen Lichtstrahl reflektiert und den
reflektierten Lichtstrahl wieder auf das gleiche
Beugungsgitter richtet. Als Trennvorrichtung kann
beispielsweise ein Halbspiegel oder ein
Polarisationsstrahlenteiler verwendet werden. Wenn ein
Halbspiegel verwendet wird, wird als hinter der Drehscheibe
103 angeordneter Reflektor 711 ein Spiegel verwendet,
während im Falle eines Polarisationsstrahlenteilers als
Reflektor 711 eine λ/4-Platte und ein Spiegel in
Kombination verwendet werden müssen. Bei der Gestaltung
dieses achten Ausführungsbeispiels ist der Reflektor 711
parallel zu der Drehscheibe 103 angeordnet, so daß in diesem
Fall das Licht auf dem gleichen optischen Weg reflektiert
wird und es erforderlich ist, den Winkel des Auftreffens des
Lichtes aus der monochromatischen Lichtquelle 101 auf die
Drehscheibe 103 auf den Winkel des Beugens des linearen
Beugungsgitters einzustellen. Falls dagegen das Lieht
senkrecht auftrifft, verläuft das gebeugte und
durchgelassene Licht schräg, so daß es erforderlich ist, den
Reflektor 711 in bezug auf die Drehscheibe 103 schräg zu
stellen.
Es wird nun die Funktion dieses Ausführungsbeispiels
beschrieben. Die Fig. 18 ist eine erläuternde Darstellung,
die einen Zustand von gebeugtem Licht sowohl an dem linearen
Beugungsgitter als auch an dem Reflektor dieses
Ausführungsbeispiels zeigt, und die Fig. 19 ist eine
erläuternde Darstellung, die einen Zustand des gebeugten
Lichtes im Zusammenhang mit einer Drehung des linearen
Beugungsgitters zeigt. Die von der monochromatischen
Lichtquelle 101 abgegebenen Lichtstrahlen werden durch die
Kondensorlinse 102 auf ein in dem jeweiligen Gittersensor
106 aufgenommenes Format gebündelt und treffen dann auf
einen Gittersektor 106 an der Drehscheibe 103. Gemäß den
vorangehenden Ausführungen ist der Reflektor 711 parallel zu
der Drehscheibe 103 angeordnet, so daß es gemäß Fig. 18
erforderlich ist, daß das gebeugte und durchgelassene Licht,
nämlich das in +1-ter Ordnung gebeugte Licht in der Figur
senkrecht austritt, damit das auf den Reflektor auftreffende
Licht und das von diesem reflektierte Licht den gleichen
optischen Weg haben. Daher wird der Einfallwinkel des auf
das Beugungsgitter auftreffenden Lichtes auf den gleichen
Winkel wie das in +1-ter Ordnung gebeugte reflektierte Licht
eingestellt. Die Fig. 19 veranschaulicht, wie sich das
gebeugte Licht mit einer Drehung der Drehscheibe 103 ändert.
Wie daraus ersichtlich ist, dreht sich bei einer Drehung der
Drehscheibe 103 um einen Winkel Θ auch das lineare
Beugungsgitter um den gleichen Winkel, so daß das gebeugte
und durchgelassene Licht von der Senkrechten um einen Winkel
β abweicht. Wie schon im Zusammenhang mit Fig. 13 usw.
erläutert wurde, entspricht dieser Winkel β einer Änderung
der Beugungsrichtung des gebeugten Lichtes bei einer Drehung
des Beugungsgitters um den Winkel Θ, d. h., einer Bewegung
des Lichtpunktes an dem Lagedetektor 105. Das reflektierte
Licht trifft dann wieder auf die Drehscheibe 103 auf, an der
es zum zweiten mal gebeugt wird, wonach es zu der
Beleuchtungsvorrichtung 108 hin zurückkehrt. Dabei erfährt
das Licht eine weitere Winkeländerung β, so daß das
reflektierte Licht mit einem insgesamt um 2β geänderten
Winkel zu dem Lagedetektor 105 gelangt. Somit kann eine
Winkelauflösung erzielt werden, die zweimal so groß ist wie
die Winkelauflösung bei einer einzigen Beugung.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung wird nun ein Beispiel
eines optischen Drehstellungscodierers beschrieben. Die Fig. 20
zeigt den Aufbau eines derartigen optischen Drehstellungscodierers.
Diese Figur zeigt
eine Drehscheibe 1001, eine auf der Drehscheibe 1001
ausgebildete Spur 1002, eine Lichtquelle 1003 als
Beleuchtungsvorrichtung für das Bestrahlen eines Teils der
Drehscheibe 1001, Kondensorlinsen 1004 und 1005 und einen
Lichtstärkedetektor 1006 zum Messen der Intensität des
Lichtes, das durch die Drehscheibe 1001 hindurchgetreten
ist, wobei der Lichtstärkedetektor 1006 beispielsweise eine
Fotodiode ist. Mit 1001 ist eine Recheneinrichtung
bezeichnet, die aus der mittels des Lichtstärkedetektors
1006 erfaßten Intensität des durchgelassenen Lichtes einen
Drehwinkel der Drehscheibe 1001 berechnet und ausgibt.
Die Fig. 21 ist eine Draufsicht auf ein Muster der auf der
Drehscheibe 1001 gebildeten Spur 1002. In dieser Figur ist
mit 1101 ein Lichtdurchlaßschlitz bezeichnet, während der
andere Teil der Spur undurchlässig ist. Wenn die Strecken
von der mit O dargestellten Mitte bis zu dem äußeren bzw.
inneren Umfang der Öffnung des Schlitzes 1101 jeweils r1
bzw. r2 sind, deren Winkel in bezug auf eine gestrichelte
Linie 1102 nach Fig. 21 jeweils Θ1 und Θ2 sind und bei Θ2 =
0 r2 gleich r0 ist, während bei Θ1 = Θ2 = 0 (r1 - r2) gleich
rG ist, dann hat die Öffnung des Schlitzes 1101 eine Form,
die den folgenden Gleichungen genügt:
r1 = r0 + rG - ((1 - a) × rG)/2π × Θ1 (12)
r2 = r0 + (a × rG)/2π × Θ2 (13)
0 ≦ a ≦ 1
Es wird nun die Funktion dieses Beispiels
beschrieben. Die von der Lichtquelle 1003 abgegebenen
Lichtstrahlen treffen durch die Kondensorlinse 1004 hindurch
auf die Spur 1002. In diesem Fall werden einfallende
Lichtstrahlen in der radialen Richtung der Drehscheibe 1001
nicht in der Öffnung des Schlitzes 1101 der Spur 1002
aufgenommen. Das durch den Schlitz 1101 hindurch gelangende
Licht wird durch die Kondensorlinse 1005 auf dem
Lichtstärkedetektor 1006 gebündelt, durch den die Intensität
des durchgelassenen Lichtes gemessen wird. Wenn die
Drehscheibe 1001 dreht, ändert sich die mittels des
Lichtstärkedetektors 1006 erfaßte Intensität des
durchgelassenen Lichtes linear mit dem Drehwinkel der
Drehscheibe und stellt damit einen absoluten Winkel einer
Drehung der Drehscheibe dar. Auf diese Weise ist es durch
das Messen der Intensität des durch den Schlitz 1101
durchgelassenen Lichtes ermöglicht, einen Absolutwert-
Codierer für eine Umdrehung bzw. Absolutwert-Drehmelder zu
bilden.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung wird nun das neunte
Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Die Fig. 22
zeigt den Aufbau eines optischen Drehstellungscodierers
gemäß dem neunten Ausführungsbeispiel, wobei die schon
vorangehend erläuterten Teile mit den gleichen Bezugszeichen
bezeichnet sind und deren Beschreibung weggelassen ist. In
dieser Figur ist mit 1201 eine Drehscheibe bezeichnet und
mit 1202 ist eine Spur mit einem ersten Muster bezeichnet,
welches durch n Gittersektoren 1006 gebildet ist, deren
Innenfläche jeweils aus einem linearen Beugungsgitter
besteht. Die Spur 1202 ist derart angeordnet, daß sie nicht
eine Spur 1002 stört, welche ein durch einen Schlitz 1101
gebildetes zweites Muster hat. Mit 1207 ist eine
Recheneinrichtung bezeichnet, die aus den Ausgangssignalen
des Lagedetektors 1005 und des Lichtstärkedetektors 1006
einen Drehwinkel der Drehscheibe 1201 berechnet und ausgibt.
Es wird nun die Funktion dieses neunten Ausführungsbeispiels
beschrieben. Die aus der monochromatischen Lichtquelle 101
abgegebenen Lichtstrahlen werden durch die Kondensorlinse
1002 auf ein in einem jeweiligen Gittersektor 1006
aufgenommenes Format gebündelt und treffen dann auf einen
der Gittersektoren 1006 auf der Spur 1202 der Drehscheibe
1201 auf. Von dem linearen Beugungsgitter in dem
Gittersektor 1006 gebeugte Licht wird durch die
Kondensorlinse 1004 zu einem für den Lagedetektor 1005
geeigneten Lichtpunkt konvergiert und trifft dann auf
diesen. Wie bei dem fünften Ausführungsbeispiel stellt das
Signal des Lagedetektors einen absoluten Winkel in dem
Bereich des Gittersektors 106 dar.
Andererseits treffen die von der Lichtquelle 1003
abgegebenen Lichtstrahlen durch die Kondensorlinse 1004
hindurch auf die Spur 1002 an der Drehscheibe 1201. In
diesem Fall ist die Einstellung derart, daß die einfallenden
Lichtstrahlen nicht innerhalb der Öffnung des Schlitzes 1101
der Spur 1002 in der radialen Richtung der Drehscheibe 1201
aufgenommen werden. Das von dem Schlitz 1101 durchgelassene
Licht wird durch die Kondensorlinse 1005 auf dem
Lichtstärkedetektor 1006 konzentriert, durch den dessen
Intensität gemessen wird. Wenn die Drehscheibe 1201 dreht,
stellt wie bei dem zuvor beschriebenen Beispiel die durch den
Lichtstärkedetektor 1006 gemessene Lichtintensität einen
absoluten Winkel einer Umdrehung der Drehscheibe dar.
Die Unterscheidung eines jeweiligen Gittersektors 106 in der
Spur 1202 kann dadurch erfolgen, daß der absolute Winkel
einer Umdrehung der Drehscheibe 1201 mit einer
Winkelauflösung von nicht mehr als 2π/n rad erfaßt wird.
Daher ist es durch das Messen eines absoluten Winkels einer
Umdrehung der Drehscheibe 1201 mit einer Winkelauflösung von
nicht mehr als 2π/n rad mittels des Lichtstärkedetektors
1006 und damit durch das Erkennen eines Gittersektors 106
ermöglicht, einen Absolutwert-Codierer für eine Umdrehung
mit der Auflösung des Lagedetektors 105 als Winkelauflösung
zu erhalten.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung wird nun ein weiteres
Beispiel eines optischen Drehstellungscodierers beschrieben. Die Fig. 23
zeigt den Aufbau eines optischen Drehstellungscodierers
gemäß diesem weiteren Beispiel. Diese Figur zeigt eine
Drehscheibe 1301, eine auf der Drehscheibe 1301 gebildete
Spur 1302, eine monochromatische Lichtquelle 1303 als
Beleuchtungsvorrichtung zum Aufstrahlen von
monochromatischem Licht auf einen Teil der Drehscheibe 1301,
Kondensorlinsen 1304 und 1305 und einen Lichtstärkedetektor
1306. Mit 1307 ist eine Recheneinrichtung bezeichnet, die
aus der durch den Lichtstärkedetektor 1306 gemessenen
Intensität von Beugungslicht einen Drehwinkel der
Drehscheibe 1301 berechnet.
Die Fig. 24 ist eine Draufsicht, die ein Muster der auf der
Drehscheibe 1301 gebildeten Spur 1302 zeigt. In dieser Figur
ist mit 1401 ein Durchlaß-Beugungsgitter bezeichnet, welches
beispielsweise ein Phasenmodulations-Beugungsgitter mit
einem unebenen Muster ist. Der übrige Teil der Drehscheibe
1301 außerhalb des Beugungsgitters 1401 kann wahlweise
durchlässig oder undurchlässig sein. Die Form des
Beugungsgitters 1401 ist die gleiche wie diejenige des
Schlitzes 1101 bei dem zuvor beschriebenen Beispiel und das
Beugungsgitters 1401 hat ein mit der Drehscheibe 1301
konzentrisches Kreisbogengitter.
Es wird nun die Funktion dieses weiteren Beispiels
beschrieben. Die von der Lichtquelle 1303 abgegebenen
Lichtstrahlen treffen durch die Kondensorlinse 1304 hindurch
auf die Spur 1302. In diesem Fall ist die Einstellung
derart, daß die einfallenden Lichtstrahlen nicht alle
innerhalb des Beugungsgitters 1401 der Spur 1302 in der
radialen Richtung der Drehscheibe 1301 aufgenommen werden.
Das durch das Beugungsgitter 1401 in erster Ordnung gebeugte
Licht wird durch die Kondensorlinse 1305 auf dem
Lichtstärkedetektor 1306 konzentriert, durch den dessen
Intensität gemessen wird. Wenn die Drehscheibe 1301 dreht,
ist die durch den Lichtstärkedetektor 1306 erfaßte
Beugungslichtstärke in bezug auf den Drehwinkel der
Drehscheibe 1301 linear und stellt einen absoluten Winkel
einer Umdrehung der Drehscheibe dar. Daher ist es durch das
Messen der Intensität des aus dem Beugungsgitter 1401
erhaltenen Beugungslichtes möglich, einen Absolutwert-
Codierer für eine Umdrehung zu erhalten.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung wird nun das zehnte
Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Die Fig. 25
zeigt den Aufbau eines optischen Drehstellungscodierers
gemäß dem zehnten Ausführungsbeispiel, wobei die gleichen
Teile wie die schon vorangehend beschriebenen mit den
gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, wodurch sich die
Erläuterung erübrigt. In dieser Figur ist mit 1501 eine Spur
mit einem ersten Muster bezeichnet, das durch n
Gittersektoren 106 gebildet ist, in denen innen jeweils ein
lineares Beugungsgitter ausgebildet ist. Die Spur 1502 ist
derart gelegt, daß sie nicht eine Spur 1302 mit einem
zweiten Muster stört, welches durch das Beugungsgitter 1401
gebildet ist. Mit 1507 ist eine Recheneinrichtung
bezeichnet, die aus dem Ausgangssignal des Lagedetektors 105
und dem Ausgangssignal des Lichtstärkedetektors 1306 einen
Drehwinkel der Drehscheibe 1501 berechnet und ausgibt.
Es wird nun die Funktion dieses Ausführungsbeispiels
beschrieben. Die von der monochromatischen Lichtquelle 101
abgegebenen Lichtstrahlen werden durch die Kondensorlinse
102 auf ein innerhalb eines jeweiligen Gittersektors 106
aufgenommenes Format gebündelt und treffen dann auf einen
Gittersektor 106 an der Drehscheibe 1501. Das durch das
lineare Beugungsgitter in dem Gittersektor 1006 gebeugte
Licht wird durch die Kondensorlinse 104 zu einem für den
Lagedetektor 105 geeigneten Lichtpunkt konvergiert und
trifft dann auf den Lagedetektor. Wie bei dem fünften
Ausführungsbeispiel stellt das Lageerfassungssignal für den
Gittersektor 106 einen absoluten Winkel in dem Bereich des
Gittersektors dar.
Andererseits treffen die von der monochromatischen
Lichtquelle 1303 abgegebenen Lichtstrahlen durch die
Kondensorlinse 1304 hindurch auf die Spur 1302 an der
Drehscheibe 1501 auf. In diesem Fall ist die Einstellung
derart, daß in der radialen Richtung der Drehscheibe 1501
nicht alle einfallenden Lichtstrahlen innerhalb des
Beugungsgitters 1401 der Spur 1302 aufgenommen werden. Das
durch das Beugungsgitter 1401 gebeugte Licht wird durch die
Kondensorlinse 1505 auf dem Lichtstärkedetektor 1306
konzentriert, durch den dessen Intensität gemessen wird.
Wenn die Drehscheibe 1501 dreht, stellt die mittels des
Lichtstärkedetektors 1306 erfaßte Lichtstärke wie bei dem
zuvor beschriebenen weiteren Beispiel einen absoluten Winkel einer
Umdrehung der Drehscheibe 1501 dar.
Die Unterscheidung eines jeweiligen Gittersektors 106 in der
Spur 1502 kann dadurch erfolgen, daß der absolute Winkel
einer Umdrehung der Drehscheibe 1501 mit einer
Winkelauflösung von nicht mehr als 2π/n rad erfaßt wird.
Daher ist es durch das Messen des absoluten Winkels einer
Umdrehung der Drehscheibe 1501 mit einer Winkelauflösung von
nicht mehr als 2π/n rad mittels des Lichtstärkedetektors
1306 und damit durch das Erkennen eines Gi 18175 00070 552 001000280000000200012000285911806400040 0002004340417 00004 18056ttersektors 106
ermöglicht, einen Absolutwert-Codierer für eine Umdrehung
mit dem Auflösungsvermögen des Lagedetektors 105 als
Winkelauflösung zu bilden.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung wird nun das elfte
Ausführungsbeispiel beschrieben. Die Fig. 26 zeigt den
Aufbau eines optischen Drehstellungscodierers gemäß dem
elften Ausführungsbeispiel, wobei gleiche Teile wie die
schon beschriebenen mit den gleichen Bezugszeichen
bezeichnet sind und deren Erläuterung weggelassen ist. In
dieser Figur ist mit 1601 eine Drehscheibe bezeichnet und
mit 1602 ist eine Spur mit einem ersten Muster bezeichnet,
welches durch Gittersektoren 406 gebildet ist, innerhalb
deren jeweils ein lineares Beugungsgitter ausgebildet ist,
dessen Gitterlinien sich in einer zu einer
Winkelhalbierenden des Gittersektors parallelen Richtung
erstrecken. Die Spur 1602 ist derart angeordnet, daß sie
nicht eine Spur 1002 mit einem durch einen Schlitz 1101
gebildeten zweiten Muster stört. Mit 1607 ist eine
Recheneinrichtung bezeichnet, welche aufgrund der Intensität
von durchgelassenem Licht einen Lichtpunkt wählt und dann
aus der Lage des auf diese Weise gewählten Lichtpunktes
einen Drehwinkel der Drehscheibe 1601 berechnet und ausgibt.
Es wird nun die Funktion dieses Ausführungsbeispiels
beschrieben. Wie bei dem siebenten Ausführungsbeispiel
werden durch die Beleuchtungsvorrichtung 510, die die
monochromatische Lichtquelle 101, die Kondensorlinse 102,
den Gitter-Strahlenteiler 508 und die zylindrische Linse 407
enthält, an einem der Gittersektoren 406 der Drehscheibe
1601 mindestens zwei Lichtlinien gebildet. Der
Verzweigungswinkel des Gitter-Strahlenteilers 508 wird
derart eingestellt, daß der Abstand zwischen den beiden
Linien das (2m + 1)/2-fache der Breite des Gittersektors 406
in der Umfangsrichtung ist bzw. hinsichtlich eines
Drehwinkels der Drehscheibe (2πm + 1)/n rad beträgt, wobei m
eine ganze Zahl ist. Zwei Lagedetektoren 509a und 509b einer
Lagedetektorvorrichtung 509 erfassen die Lagen zweier
Lichtpunkte, die durch eine zylindrische Linse 408 und eine
Kondensorlinse 104 als Bestandteile einer
Lichtsammelvorrichtung 409 aus den durch das lineare
Beugungsgitter erhaltenen Beugungslichtstrahlen der beiden
Lichtlinien auf dem Gittersektor 406 gebildet werden.
Andererseits treffen die von der Lichtquelle 1003
abgegebenen Lichtstrahlen durch die Kondensorlinse 1004
hindurch auf die Spur 1002. In diesem Fall ist die
Einstellung derart, daß die einfallenden Lichtstrahlen nicht
alle in dem Schlitz 1101 der Spur 1002 in der radialen
Richtung der Drehscheibe 1601 aufgenommen werden. Das von
dem Schlitz 1101 durchgelassene Licht wird durch die
Kondensorlinse 1005 auf dem Lichtstärkedetektor 1006
konzentriert, durch den dessen Intensität gemessen wird.
Wenn die Drehscheibe 1601 dreht, stellt die mittels des
Lichtstärkedetektors 1006 erfaßte Lichtstärke wie bei dem
zuvor beschriebenen Beispiel einen absoluten Winkel einer
Umdrehung der Drehscheibe 1601 dar.
Die Fig. 27 veranschaulicht einen Zustand des Codierers bzw.
Drehmelders bei einem Drehwinkel der Drehscheibe 1601
innerhalb eines bestimmten Bereichs, wobei die Abszisse den
Drehwinkel der Drehscheibe 1601 darstellt. Diese Figur zeigt
ein Ausgangssignal 1701 des Lichtstärkedetektors 1006, einen
aufgrund dieses Ausgangssignals 1701 gewählten Lagedetektor
1702, ein Ausgangssignal 1703 des Lagedetektors 509a, bei
1104 die Nummer i des Gittersektors, der mit dem von dem
Lagedetektor 509a erfaßten Lichtpunkt bestrahlt wird (0 ≦ i
≦ n - 1), ein Ausgangssignal 1705 des Lagedetektors 509b und
bei 1706 die Nummer i1 des Gittersektors, der mit dem durch
den Lagedetektor 509b erfaßten Lichtpunkt bestrahlt wird (0
≦ i1 ≦ n - 1).
Die Ausgangssignale 1703 und 1705 der Lagedetektoren 509a
und 509b haben Sägezahn-Kurvenform mit einer Periode von
2π/n rad und einer gegenseitigen Phasendifferenz von π/n rad
bzw. einer halben Periode. Die durch ausgezogene Linien
dargestellten Abschnitte dieser Ausgangssignale 1703 und
1705 zeigen an, daß mit einem Lichtpunkt der mittlere Teil
des Beugungsgitters 406 bestrahlt wird und daß die
Erfassungsfähigkeit der Lagedetektoren 509a und 509b
ausreichend ist. Der Lichtpunkt wird derart eingestellt, daß
dieser Abschnitt zumindest π/n rad einer jeden Periode
einnimmt. Andererseits zeigt ein durch eine gestrichelte
Linie dargestellter Abschnitt jeweils an, daß mit einem
Lichtpunkt ein Grenzteil des Gittersektors 406 oder dessen
Umgebung bestrahlt wird und daß die Erfassungsfähigkeit der
Lagedetektoren 509a und 509b jeweils unzureichend ist. Zum
Unterdrücken eines Bereichs, in dem die Erfassung nicht
möglich ist, ist es erforderlich, die bei 1702 dargestellten
Lagedetektoren 509a und 509b derart zu wählen, daß immer die
Erfassung in dem Abschnitt der ausgezogenen Linie ermöglicht
ist. Daher ist durch die Berechnung aus dem Ausgangssignal
1701 des Lichtstärkedetektors 1006 das Wählen der
Lagedetektoren 509a und 509b und das Ausschalten eines für
die Erfassung ungeeigneten Bereichs ermöglicht. Da ferner
aus dem Ausgangssignal 1701 des Lichtstärkedetektors 1006
die Nummern 1704 und 1706 der mit den Lichtpunkten
bestrahlten Gittersektoren 406 erkannt werden können, ist es
möglich, einen Absolutwert-Codierer bzw. -Drehmelder für
eine Umdrehung zu bilden, bei dem die Winkelauflösung das
Auflösungsvermögen der Lagedetektoren 509a und 509b ist.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung wird nun das zwölfte
Ausführungsbeispiel beschrieben. Die Fig. 28 zeigt den
Aufbau eines optischen Drehstellungscodierers gemäß dem
zwölften Ausführungsbeispiel. Dieses Ausführungsbeispiel
unterscheidet sich von dem elften Ausführungsbeispiel
darin, daß anstelle der Spur 1002 mit dem durch den Schlitz
1101 gebildeten ersten Muster eine Spur 1302 mit einem
ersten Muster verwendet ist, welches durch das
Beugungsgitter 1401 gebildet ist. Zugleich wird anstelle der
Lichtquelle 1003 eine monochromatische Lichtquelle 1303
verwendet und ferner sind die Kondensorlinsen durch die mit
1304 und 1305 bezeichneten Linsen ersetzt, während der
Lichtstärkedetektor durch den mit 1306 bezeichneten ersetzt
ist. In Fig. 28 ist mit 1801 eine Drehscheibe bezeichnet und
mit 1807 ist eine Recheneinrichtung bezeichnet, welche
aufgrund der Intensität des Beugungslichtes einen Lichtpunkt
wählt und dann aus der Lage des gewählten Lichtpunktes einen
Drehwinkel der Drehscheibe 1801 berechnet und ausgibt. Die
Funktion dieses Ausführungsbeispiels ist grundlegend die
gleiche wie die bei dem elften Ausführungsbeispiel, so
daß sich die Erläuterung erübrigt.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung wird nun das dreizehnte
Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Die Fig. 29
zeigt den Aufbau eines optischen Drehstellungscodierers
gemäß dem dreizehnten Ausführungsbeispiel. Diese Figur zeigt
eine Drehscheine 1901, eine erste Spur 1902, die je
Umdrehung der Drehscheibe 1901 eine Sägezahnwelle abgibt,
eine zweite Spur 1903, die je Umdrehung der Drehscheibe 1901
n-malig eine Sägezahnwelle abgibt, und eine dritte Spur
1904, die je Umdrehung der Drehscheibe 1901 n-malig eine
Sägezahnwelle abgibt, welche gegenüber der von der zweiten
Spur 1903 abgegebenen Sägezahnwelle eine Phasendifferenz um
eine halbe Periode hat. Mit 1905 ist ein Leuchtelement
bezeichnet, welches die Spuren 1902, 1903 und 1904
bestrahlt. Mit 1906 ist eine Detektorvorrichtung zum
Erfassen der Ausgangssignale der Spuren 1902, 1093 und 1904
gemäß den von diesen Spuren durchgelassenen Lichtmengen
bezeichnet. Mit 1907 ist eine Recheneinrichtung bezeichnet,
die aus den mittels der Detektorvorrichtung 1906 erfaßten
Ausgangssignalen der Spuren 1902, 1903 und 1904 einen
Drehwinkel der Drehscheibe 1901 berechnet und ausgibt.
Es wird nun die Funktion dieses Ausführungsbeispiels
beschrieben. Die mit dem aus dem Leuchtelement 1905
abgegebenen Licht bestrahlte Drehscheibe 1901 gibt aus den
Spuren 1902, 1903 und 1904 Ausgangssignale mit den in Fig.
30 dargestellten drei Kurvenformen ab. Diese Figur zeigt
eine Sägezahnkurve 2001, die für eine Umdrehung der
Drehscheibe 1901 in einem Zyklus von der ersten Spur 1902
abgegeben wird, eine Sägezahnkurve 2002, die für eine
Umdrehung der Drehscheibe 1901 in n Zyklen aus der zweiten
Spur 1903 abgegeben wird und die hinsichtlich der Phase der
Sägezahnkurve 2001 um ein Viertel der eigenen Periode
voreilt, und eine Sägezahnkurve 2003, die für eine Umdrehung
der Drehscheibe 1901 in n Zyklen aus der dritten Spur 1904
abgegeben wird und die hinsichtlich der Phase gegenüber der
Sägezahnkurve 2001 um ein Viertel der eigenen Periode
zurückbleibt. Als Beispiel bei diesem Ausführungsbeispiel
ist der Fall dargestellt, daß die Phasendifferenz der
Sägezahnkurven 2002 und 2003 gegenüber der Sägezahnkurve
2001 ein Viertel einer Periode beträgt. Die Phasendifferenz
einer jeden Sägezahnkurve 2002 und 2003 gegenüber der
Sägezahnkurve 2001 ist jedoch beliebig wählbar, sofern sie
nur die Hälfte eines Zyklus derselben beträgt.
Es sei hier angenommen, daß bei den Kurvenformen der
Sägezahnkurven 2002 und 2003 die Abschnitte in einer
Viertelperiode zu Beginn und am Ende einer jeden Periode
gemäß der Darstellung durch punktierte Linien in bezug auf
einen Winkel nichtlinear sind und nicht meßbar sind. Da
jedoch die Sägezahnkurven 2002 und 2003 in bezug zueinander
um eine halbe Periode phasenverschoben sind, ergibt eine der
Sägezahnkurven 2002 oder 2003 einen linearen Bereich in
bezug auf einen Drehwinkel der Drehscheibe 1901. Daher wird
für das Messen eines absoluten Winkels bei einer Umdrehung
der Drehscheibe 1901 entweder die Sägezahnkurve 2002 oder
2003 gewählt, so daß die Messung in einem Bereich
vorgenommen werden kann, der in bezug auf einen Winkel linear
ist, nämlich in dem Bereich des mittleren Teils bzw. im
Halbperiodenbereich, und die Recheneinrichtung 1907
berechnet einen absoluten Winkel gemäß dem Ergebnis dieser
Wahl. Da bei den Sägezahnkurven 2002 und 2003 der in bezug
auf einen Winkel lineare Bereich der Kurve mit dem Winkel
übereinstimmt, wird eine dieser Sägezahnkurven 2002 und 2003
entsprechend einem Wert S1 der Sägezahnkurve 2001 gewählt.
Im folgenden wird die Berechnung von absoluten Winkeln
beschrieben. Im Zusammenhang mit den Sägezahnkurven 2002 und
2003 werden entsprechend Ausgangssignalen S2 und S3 aus der
Detektorvorrichtung 1906 an einem Winkelauflösungspunkt k in
einer Sägezahnkurvenperiode absolute Winkel j und j1
berechnet (0 ≦ j ≦ k - 1, 0 ≦ j1 ≦ k - 1). Der gerade
genannte Wert k ist ein Vielfaches von "4" und damit nicht
kleiner als "4". Bei diesen Sägezahnwellen werden
darüberhinaus in bezug auf einen Winkel Sägezahnwellen von
einer nullten bis zu einer (n - 1)-ten abgegeben und deren
Aufeinanderfolge wird aus dem Ausgangssignal S1 gemäß der
Sägezahnkurve 2001 berechnet. Wenn bei der i-ten Welle (0 ≦
i ≦ n - 1) der Sägezahnkurve 2002 der absolute Winkel in deren
Periode j ist, wird ein absoluter Winkel α bei einer
Umdrehung des Codierers folgendermaßen bestimmt:
α = i × k + j - k/4 (14)
Wenn bei der i1-ten Welle (0 ≦ i1 ≦ n - 1) der Sägezahnkurve
2003 der absolute Winkel in der Periode derselben j1 ist,
wird ein absoluter Winkel α1 bei einer Umdrehung des
Codierers folgendermaßen bestimmt:
α1 = i1 × k + j1 - k/2 (15)
α1 = i1 × k + j1 - k/2 (15)
Durch diese Berechnungen ist es möglich, bei beiden
Sägezahnkurven 2002 und 2003 den gleichen absoluten Winkel
zu erhalten.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung wird nun das vierzehnte
Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Die Fig. 31
zeigt einen Aufbau eines optischen Drehstellungscodierers
gemäß dem vierzehnten Ausführungsbeispiel, wobei die
gleichen Teile wie die schon erläuterten mit den gleichen
Bezugszeichen bezeichnet sind und die Erläuterung
weggelassen ist. In dieser Figur ist mit 1501 eine
Drehscheibe bezeichnet und mit 1502 ist eine Spur mit einem
ersten Muster bezeichnet, welches durch n Gittersektoren 106
gebildet ist, von denen in einem jeden ein lineares
Beugungsmuster ausgebildet ist. An der Innenumfangsseite der
Spur 1502 ist ein zweites Muster ausgebildet, welches eine
Ablenkvorrichtung 55 bildet. Die Ablenkvorrichtung 55 lenkt
aufgestrahltes Licht in einer vorbestimmten Richtung ab, um
entsprechend der Drehung der Drehscheibe auf eine zu der
Drehscheibe 1501 parallelen Ebene einen Lichtkreis zu
bilden. Mit 52 ist eine Lichtquelle als zweite
Beleuchtungsvorrichtung für das Bestrahlen der
Ablenkvorrichtung 55 als zweites Muster bezeichnet, mit 53
ist eine Kondensorlinse bezeichnet, mit 54 ist ein
Halbspiegel bezeichnet, mit 56 ist eine Drehachse bezeichnet
und mit 31 ist ein Lagedetektor als zweite
Lagedetektorvorrichtung bezeichnet. Diese Komponenten sind
auf gleiche Weise wie bei dem vierten Ausführungsbeispiel
gestaltet. Mit 101 ist eine monochromatische Lichtquelle als
erste Beleuchtungsvorrichtung bezeichnet, mit 102 und 104
sind jeweils eine Kondensorlinse als Lichtsammelvorrichtung
bezeichnet und mit 105 ist ein Lagedetektor mit einem
Halbleiter bezeichnet. Diese Komponenten sind auf die
gleiche Weise wie bei dem fünften Ausführungsbeispiel
gestaltet. Ferner ist mit 2107 eine Recheneinrichtung
bezeichnet, welche aufgrund der Signale aus den
Lagedetektoren 105 und 31 einen Drehwinkel der Drehscheibe
1501 berechnet.
Es wird nun die Funktion dieses Ausführungsbeispiels
beschrieben. Die von der monochromatischen Lichtquelle 101
abgegebenen Lichtstrahlen werden durch die Kondensorlinse
102 zu einem innerhalb eines jeden Gittersektors 106
aufgenommenen Format gebündelt und treffen dann auf einen
der Gittersektoren 106 an der Drehscheibe 1501 auf. Das
durch das lineare Beugungsgitter in dem Gittersektor 106
gebeugte Licht wird durch die Kondensorlinse 104 zu einem
für den Lagedetektor 105 geeigneten Lichtpunkt gebündelt und
trifft dann auf den Lagedetektor 105 auf. Wie bei dem
fünften Ausführungsbeispiel stellt in dem Gittersektor 106
das Lageerfassungssignal einen absoluten Winkel im Bereich
dieses Sektors dar.
Andererseits werden die von der Lichtquelle 52 abgegebenen
Lichtstrahlen durch die Kondensorlinse 53 gebündelt und
treffen auf den Halbspiegel 54 auf. Die von dem Halbspiegel
54 reflektierten Lichtstrahlen fallen auf die
Ablenkvorrichtung 55, durch die sie abgelenkt und in einer
bestimmten Richtung in bezug auf die Ablenkvorrichtung
reflektiert werden. Die auf diese Weise reflektierten
Lichtstrahlen fallen wieder in den Halbspiegel 54 ein und
das durchgelassene Licht gelangt zu dem Lagedetektor 31. Wie
gemäß den Ausführungen zu dem vierten Ausführungsbeispiel
entspricht die Lage des an dem Lagedetektor 31 erzeugten
Lichtpunktes einem Drehwinkel der Drehachse 56, so daß
dieser gemäß dem als zweites oder drittes
Ausführungsbeispiel beschriebenen Verfahren zur
Lageermittlung erfaßt und als absoluter Drehwinkel
ausgegeben wird.
Eine Erkennung eines bestimmten Gittersektors 106 in der
Spur 1502 kann dadurch erfolgen, daß ein absoluter Winkel
für, eine Umdrehung der Drehscheibe 1501 mit einer
Winkelauflösung von nicht mehr als 2π/n rad gemessen wird.
Somit ermöglicht es eine solche Unterscheidung, einen
Absolutwert-Codierer für eine Umdrehung zu bilden, bei dem
die Winkelauflösung das Auflösungsvermögen des Lagedetektors
105 ist.
Claims (15)
1. Lagedetektor, gekennzeichnet durch eine in Form eines
Ringes gestaltete flache plattenförmige Fotodiode (32),
einen längs des Außenumfangs der Fotodiode konzentrisch zu
dieser angeordneten Widerstand (33), mindestens zwei an dem
Widerstand in gleichen Winkelabständen angebrachte
Ausgangselektroden (35) und feine drahtförmige elektrisch
leitende Schichten (34), die von dem Widerstand weg radial
in gleichen Winkelabständen auf die Fotodiode ragen, um den
Winkelabstand zwischen benachbarten Ausgangselektroden zu
unterteilen, wobei die leitenden Schichten in einer
größeren Anzahl als die Ausgangselektroden vorgesehen sind.
2. Verfahren zum Erfassen der Lage eines Lichtpunktes, der
auf eine ringförmige flache plattenförmige Fotodiode eines
Lagedetektors fällt, welcher die Fotodiode, einen längs des
Außenumfangs der Fotodiode konzentrisch zu dieser
angeordneten Widerstand, an dem Widerstand in gleichen
Winkelabständen angebrachte Ausgangselektroden in einer
Anzahl, die ein Vielfaches von "4" ist, und eine Vielzahl
von feinen drahtförmigen elektrisch leitenden Schichten
aufweist, die von dem Widerstand weg radial in gleichen
Winkelabständen auf die Fotodiode ragen, wobei
von den Ausgangselektroden des Lagedetektors ein Paar von einander gegenüberliegenden Ausgangselektroden und ein Paar von gegen die beiden Ausgangselektroden in einem Winkel von 90° versetzten Ausgangselektroden gewählt werden,
die durch das Einfallen des Lichtpunktes an den gewählten Ausgangselektroden hervorgerufenen elektrischen Ströme gemessen werden,
eine Differenz zwischen den gemessenen Stromwerten an dem jeweiligen Paar der Ausgangselektroden durch die Summe der beiden Stromwerte dividiert wird und
aus den sich ergebenden beiden Quotienten die Einfallstelle des Lichtpunktes ermittelt wird.
von den Ausgangselektroden des Lagedetektors ein Paar von einander gegenüberliegenden Ausgangselektroden und ein Paar von gegen die beiden Ausgangselektroden in einem Winkel von 90° versetzten Ausgangselektroden gewählt werden,
die durch das Einfallen des Lichtpunktes an den gewählten Ausgangselektroden hervorgerufenen elektrischen Ströme gemessen werden,
eine Differenz zwischen den gemessenen Stromwerten an dem jeweiligen Paar der Ausgangselektroden durch die Summe der beiden Stromwerte dividiert wird und
aus den sich ergebenden beiden Quotienten die Einfallstelle des Lichtpunktes ermittelt wird.
3. Ein Verfahren zum Erfassen der Lage eines Lichtpunktes,
der auf eine ringförmige flache plattenförmige Fotodiode
eines Lagedetektors fällt, welcher die Fotodiode, einen
längs des Außenumfangs der Fotodiode konzentrisch
angeordneten Widerstand, an dem Widerstand in gleichen
Winkelabständen angebrachte Ausgangselektroden in einer
Anzahl, die einem Vielfachen von "4" und mindestens "8"
entspricht, und eine Vielzahl von feinen drahtförmigen
elektrisch leitenden Schichten aufweist, die von dem
Widerstand weg radial in gleichen Winkelabständen auf die
Fotodiode ragen, wobei
von den Ausgangselektroden des Lagedetektors ein Paar von einander gegenüberliegenden Ausgangselektroden und ein Paar von gegenüber den Ausgangselektroden in einem Winkel von 90° versetzten Ausgangselektroden gewählt werden,
die durch das Einfallen des Lichtpunktes an den jeweiligen gewählten Ausgangselektroden entstehenden Ströme gemessen werden,
eine Differenz zwischen den gemessenen Stromwerten an dem jeweiligen Paar der Ausgangselektroden durch die Summe der beiden Stromwerte dividiert wird,
aufgrund der sich ergebenden beiden Quotienten die Einfallstelle des Lichtpunktes grob bestimmt wird, ein Paar von Ausgangselektroden gewählt wird, die an den beiden Seiten derjenigen Ausgangselektrode angeordnet sind, welche der grob bestimmten Einfallstelle am nächsten liegt,
die durch das Einfallen des Lichtpunktes an diesen gewählten Ausgangselektroden entstehenden Ströme gemessen werden,
eine Differenz zwischen den gemessenen Stromwerten an diesen gewählten Ausgangselektroden durch die Summe der beiden Stromwerte dividiert wird und
aufgrund des sich ergebenden Quotienten die Einfallsteile des Lichtpunktes ermittelt wird.
von den Ausgangselektroden des Lagedetektors ein Paar von einander gegenüberliegenden Ausgangselektroden und ein Paar von gegenüber den Ausgangselektroden in einem Winkel von 90° versetzten Ausgangselektroden gewählt werden,
die durch das Einfallen des Lichtpunktes an den jeweiligen gewählten Ausgangselektroden entstehenden Ströme gemessen werden,
eine Differenz zwischen den gemessenen Stromwerten an dem jeweiligen Paar der Ausgangselektroden durch die Summe der beiden Stromwerte dividiert wird,
aufgrund der sich ergebenden beiden Quotienten die Einfallstelle des Lichtpunktes grob bestimmt wird, ein Paar von Ausgangselektroden gewählt wird, die an den beiden Seiten derjenigen Ausgangselektrode angeordnet sind, welche der grob bestimmten Einfallstelle am nächsten liegt,
die durch das Einfallen des Lichtpunktes an diesen gewählten Ausgangselektroden entstehenden Ströme gemessen werden,
eine Differenz zwischen den gemessenen Stromwerten an diesen gewählten Ausgangselektroden durch die Summe der beiden Stromwerte dividiert wird und
aufgrund des sich ergebenden Quotienten die Einfallsteile des Lichtpunktes ermittelt wird.
4. Optischer Drehstellungscodierer, mit:
einem Drehteil (55), das das von einer Lichtquelle (52) abgegebene Licht ablenkt und einen Lichtpunkt bildet, der sich entsprechend einem Drehwinkel des Drehteils auf einer kreisförmigen Bahn bewegt, und
einem Lagedetektor (31),
dadurch gekennzeichnet, daß
der Lagedetektor (31) eine ringförmige flache plattenförmige Fotodiode (32), einen längs des Außenumfangs der Fotodiode konzentrisch angeordneten Widerstand (33), an dem Widerstand in gleichen Winkelabständen angebrachte Ausgangselektroden (35) in einer Anzahl, die einem Vielfachen von "4" entspricht, und
eine Vielzahl von feinen drahtförmigen elektrisch leitenden Schichten (34) aufweist, die von dem Widerstand weg radial in gleichen Winkelabständen auf die Fotodiode ragen, und der Lagedetektor derart angeordnet ist, daß der durch das Drehteil gebildete Lichtpunkt sich auf der Fotodiode bewegt, und
eine Lagemeßeinrichtung (57) vorgesehen ist, die von den Ausgangselektroden des Lagedetektors zwei Paare von Ausgangselektroden wählt, die einander gegenüberliegen und gegeneinander in einem Winkel von 90° versetzt sind, die an den gewählten Ausgangselektroden durch das Einfallen des Lichtpunktes auf die Fotodiode erzeugten Ströme mißt und aus den Werten der gemessenen Ströme die Einfallsstelle des Lichtpunktes ermittelt.
einem Drehteil (55), das das von einer Lichtquelle (52) abgegebene Licht ablenkt und einen Lichtpunkt bildet, der sich entsprechend einem Drehwinkel des Drehteils auf einer kreisförmigen Bahn bewegt, und
einem Lagedetektor (31),
dadurch gekennzeichnet, daß
der Lagedetektor (31) eine ringförmige flache plattenförmige Fotodiode (32), einen längs des Außenumfangs der Fotodiode konzentrisch angeordneten Widerstand (33), an dem Widerstand in gleichen Winkelabständen angebrachte Ausgangselektroden (35) in einer Anzahl, die einem Vielfachen von "4" entspricht, und
eine Vielzahl von feinen drahtförmigen elektrisch leitenden Schichten (34) aufweist, die von dem Widerstand weg radial in gleichen Winkelabständen auf die Fotodiode ragen, und der Lagedetektor derart angeordnet ist, daß der durch das Drehteil gebildete Lichtpunkt sich auf der Fotodiode bewegt, und
eine Lagemeßeinrichtung (57) vorgesehen ist, die von den Ausgangselektroden des Lagedetektors zwei Paare von Ausgangselektroden wählt, die einander gegenüberliegen und gegeneinander in einem Winkel von 90° versetzt sind, die an den gewählten Ausgangselektroden durch das Einfallen des Lichtpunktes auf die Fotodiode erzeugten Ströme mißt und aus den Werten der gemessenen Ströme die Einfallsstelle des Lichtpunktes ermittelt.
5. Optischer Drehstellungscodierer, gekennzeichnet durch
eine Drehscheibe (103), die an einer drehenden Achse
angebracht ist und die durch in gleichen Winkelabständen in
Bezug auf die drehende Achse angeordnete Teilungslinien in
n Bereiche (106) unterteilt ist, in denen jeweils ein
lineares Beugungsgitter ausgebildet ist,
eine Beleuchtungsvorrichtung (101, 102, 108) zum Beleuchten des linearen Beugungsgitters in dem jeweiligen Teilbereich der Drehscheibe,
eine Sammelvorrichtung (104) zum Konvergieren von Beugungslicht aus dem Beugungsgitter zu einem Lichtpunkt einer bestimmten Größe,
eine Lagedetektorvorrichtung (105) zum Ermitteln der Lage des durch die Sammelvorrichtung gebildeten Lichtpunktes und eine Recheneinrichtung (107) zum Berechnen eines Drehwinkels der Drehscheibe aus der ermittelten Lage des Lichtpunktes, wobei das in dem jeweiligen Teilbereich (106) der Drehscheibe (103) ausgebildete lineare Beugungsgitter unter einem vorbestimmten Winkel in bezug auf eine Winkelhalbierende der Teilungslinien gebildet ist.
eine Beleuchtungsvorrichtung (101, 102, 108) zum Beleuchten des linearen Beugungsgitters in dem jeweiligen Teilbereich der Drehscheibe,
eine Sammelvorrichtung (104) zum Konvergieren von Beugungslicht aus dem Beugungsgitter zu einem Lichtpunkt einer bestimmten Größe,
eine Lagedetektorvorrichtung (105) zum Ermitteln der Lage des durch die Sammelvorrichtung gebildeten Lichtpunktes und eine Recheneinrichtung (107) zum Berechnen eines Drehwinkels der Drehscheibe aus der ermittelten Lage des Lichtpunktes, wobei das in dem jeweiligen Teilbereich (106) der Drehscheibe (103) ausgebildete lineare Beugungsgitter unter einem vorbestimmten Winkel in bezug auf eine Winkelhalbierende der Teilungslinien gebildet ist.
6. Drehstellungscodierer nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß das in dem jeweiligen Teilbereich (406)
der Drehscheibe (403) ausgebildete lineare Beugungsgitter
zu einer Winkelhalbierenden (203) der Teilungslinien (202)
parallel gebildet ist und daß die Beleuchtungsvorrichtung
(410) einen auf das Beugungsgitter gerichteten Lichtstrahl
in einer zu der Winkelhalbierenden senkrechten Richtung
konvergiert, um in der Richtung der Winkelhalbierenden eine
Linie aus monochromatischem Licht zu bilden.
7. Drehstellungscodierer nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß das in dem jeweiligen Teilbereich (406)
der Drehscheibe (403) ausgebildete lineare Beugungsgitter
unter einem vorbestimmten Winkel in bezug auf eine
Winkelhalbierende der Teilungslinien gebildet ist, daß die
Beleuchtungsvorrichtung (510) irgendeines der
Beugungsgitter der Drehscheibe mit mindestens zwei
monochromatischen Lichtpunkten bestrahlt, die voneinander
in bezug auf die drehende Achse der Drehscheibe um einen
Winkel beabstandet sind, der annähernd einem
ungeradzahligen Vielfachen von π/n rad entspricht, daß die
Sammelvorrichtung (409) das Beugungslicht eines jeden auf
das Beugungsgitter aufgestrahlten Lichtpunktes zu einem
bestimmten Lichtpunkt konvergiert, daß die
Lagedetektorvorrichtung (509) die Lage eines jeden der
durch die Sammelvorrichtung gebildeten Lichtpunkte
ermittelt und daß die Recheneinrichtung (107) aus der
ermittelten Lage eines jeweiligen Lichtpunktes einen
Drehwinkel der Drehscheibe berechnet.
8. Drehstellungscodierer nach Anspruch 5, gekennzeichnet
durch eine Spiegelvorrichtung (711), die das Beugungslicht
aus dem linearen Beugungsgitter auf im wesentlichen dem
gleichen optischen Weg wie das aufgestrahlte Licht in
Gegenrichtung zu der Richtung des Bestrahlens des
Beugungsgitters mit dem Lichtpunkt reflektiert, wodurch das
Beugungslicht wieder auf das gleiche Beugungsgitter
auftrifft, und eine Trennvorrichtung (710), die den zu der
Beleuchtungsvorrichtung (108) hin nach der erneuten Beugung
durch das Beugungsgitter zurücklaufenden Lichtstrahl in
eine andere Richtung leitet, wobei das in einem jeden
Teilbereich der Drehscheibe ausgebildete Beugungsgitter ein
lineares Durchlaß-Beugungsgitter ist, das unter einem
vorbestimmten Winkel in bezug auf die Winkelhalbierende der
Teilungslinien gebildet ist, die Beleuchtungsvorrichtung
das Beugungsgitter mit monochromatischem Licht bestrahlt
und die Sammelvorrichtung den von der Trennvorrichtung
abgelenkten Lichtstrahl zu einem Lichtpunkt einer
bestimmten Größe konvergiert.
9. Gotischer Drehstellungscodierer, gekennzeichnet durch
eine Drehscheibe, die an einer Drehachse angebracht ist und
die durch in gleichen Winkelabständen in bezug auf die
Drehachse angeordneten Teilungslinien in n Bereiche
unterteilt ist, wobei die Drehscheibe ein erstes Muster,
das durch jeweils in einem jeweiligen Teilbereich unter
einem vorbestimmten Winkel in bezug auf die
Winkelhalbierende der Teilungslinien gebildete lineare
Beugungsgitter gebildet ist, und ein zu dem ersten Muster
konzentrisches zweites Muster hat, das durch einen Schlitz
gebildet ist, dessen Öffnungsbreite in radialer Richtung
sich linear entsprechend einem Drehwinkel der Drehscheibe
ändert, eine Beleuchtungsvorrichtung (108) zum Bestrahlen
des ersten Musters der Drehscheibe mit monochromatischem
Licht, eine Konvergiervorrichtung (104) zum Konvergieren
des Beugungslichtes aus einem jeweiligen Beugungsgitter zu
einem Lichtpunkt einer bestimmten Größe, eine
Lagedetektorvorrichtung (105) zum Ermitteln der Lage des
durch die Konvergiervorrichtung gebildeten Lichtpunktes,
eine Beleuchtungsvorrichtung (1003, 1004) zum Bestrahlen
eines Teils des zweiten Musters der Drehscheibe, einen
Lichtstärkedetektor (1006) zum Messen der Intensität des
von dem zweiten Muster durchgelassenen Lichtes und eine
Recheneinrichtung (1207) zum Berechnen eines Drehwinkels
der Drehscheibe aus sowohl der ermittelten Lage des
Lichtpunktes als auch der gemessenen Intensität des
durchgelassenen Lichtes.
10. Optischer Drehstellungscodierer, gekennzeichnet durch
eine Drehscheibe (1501), die an einer Drehachse angebracht
ist und die durch in gleichen Winkelabständen in bezug auf
die Drehachse angeordnete Teilungslinien in n Bereiche
unterteilt ist, wobei die Drehscheibe ein erstes Muster aus
linearen Beugungsgittern, die jeweils in einem jeweiligen
Teilbereich (106) unter einem vorbestimmten Winkel in bezug
auf die Winkelhalbierende der Teilungslinien ausgebildet
ist, und ein zu dem ersten Muster konzentrisches zweites
Muster (1302) hat, welches derart ausgebildet ist, daß sich
die Beugungslichtmenge aus Bestrahlungslicht Linear
entsprechend einem Drehwinkel des zweiten Musters ändert,
eine Beleuchtungsvorrichtung (108) zum Bestrahlen des
ersten Musters der Drehscheibe mit monochromatischem Licht,
eine Konvergiervorrichtung (104) zum Konvergieren von
Beugungslicht aus dem jeweiligen Beugungsgitter zu einem
Lichtpunkt einer bestimmten Größe, eine
Lagedetektorvorrichtung (105) zum Ermitteln der Lage des
durch die Konvergiervorrichtung gebildeten Lichtpunktes,
eine Beleuchtungsvorrichtung (1303, 1304) zum Aufstrahlen
von monochromatischem Licht auf einen Teil des zweiten
Musters der Drehscheibe, einen Lichtstärkedetektor (1306)
zum Messen der Intensität des Beugungslichtes aus dem
zweiten Muster und eine Recheneinrichtung (1507), die
sowohl aus der ermittelten Lage des Lichtpunktes als auch
aus der gemessenen Intensität dieses Beugungslichtes einen
Drehwinkel der Drehscheibe errechnet.
11. Optischer Drehstellungscodierer, gekennzeichnet durch
eine Drehscheibe (1601), die an einer Drehachse angebracht
ist und die durch in gleichen Winkelabständen in bezug auf
die Drehachse angeordnete Teilungslinien in n Bereiche
unterteilt ist, wobei die Drehscheibe ein erstes Muster
(1602) aus linearen Beugungsgittern, die jeweils in einem
jeweiligen Teilbereich unter einem vorbestimmten Winkel in
bezug auf die Winkelhalbierende der Teilungslinien gebildet
sind, und ein zu dem ersten Muster konzentrisches zweites
Muster (1002) hat, das durch einen Schlitz gebildet ist,
dessen Öffnungsbreite sich linear entsprechend einem
Drehwinkel der Drehscheibe ändert, eine
Beleuchtungsvorrichtung (510) zum Aufstrahlen von
mindestens zwei monochromatischen Lichtpunkten auf eines
der Beugungsgitter des ersten Musters in der Weise, daß die
Lichtpunkte in bezug auf die Drehachse der Drehscheibe
voneinander um einen Winkel beabstandet sind, der ungefähr
einem ungeradzahligen Vielfachen von π/n rad entspricht,
eine Konvergiervorrichtung (409) zum Konvergieren von
Beugungslicht von jedem der auf das Beugungsgitter
aufgestrahlten Lichtpunkte zu einem bestimmten Lichtpunkt,
eine Lagedetektorvorrichtung (509) zum Ermitteln der Lage
eines jeden der durch die Konvergiervorrichtung gebildeten
Lichtpunkte, eine Beleuchtungsvorrichtung (1003, 1004) zum
Beleuchten eines Teils des zweiten Musters der Drehscheibe,
einen Lichtstärkedetektor (1006) zum Messen der Intensität
des von dem zweiten Muster durchgelassenen Lichtes und eine
Recheneinrichtung (1607), die entsprechend der gemessenen
Intensität des durchgelassenen Lichtes einen der
Lichtpunkte wählt und aus der Lage des gewählten
Lichtpunktes den Drehwinkel der Drehscheibe errechnet.
12. Optischer Drehstellungscodierer, gekennzeichnet durch
eine Drehscheibe (1801), die an einer Drehachse angebracht
ist und die durch in gleichen Winkelabständen in bezug auf
die Drehachse angeordnete Teilungslinien in n Bereiche
(406) unterteilt ist, wobei die Drehscheibe ein erstes
Muster aus linearen Beugungsgittern, die jeweils in einem
jeweiligen Teilbereich unter einem vorbestimmten Winkel in
bezug auf die Winkelhalbierende der Teilungslinien gebildet
sind, und ein mit dem Muster konzentrisches zweites Muster
hat, das durch ein Beugungsgitter gebildet ist, welches
derart gestaltet ist, daß sich die Beugungslichtmenge von
aufgestrahltem Licht linear entsprechend einem Drehwinkel
der Drehscheibe ändert, eine Beleuchtungsvorrichtung (510)
zum Aufstrahlen von mindestens zwei monochromatischen
Lichtpunkten auf eines der linearen Beugungsgitter des
ersten Musters in der Weise, daß die Lichtpunkte
voneinander in bezug auf die Drehachse der Drehscheibe um
einen Winkel beabstandet sind, der ungefähr einem
ungeradzahligen Vielfachen von π/n rad entspricht, eine
Konvergiervorrichtung (409) zum Konvergieren von
Beugungslicht des auf das lineare Beugungsgitter jeweils
aufgestrahlten Lichtpunktes zu einem bestimmten
Lichtpunkt, eine Lagedetektorvorrichtung (509) zum
Ermitteln der Lage eines jeden durch die
Konvergiervorrichtung gebildeten Lichtpunktes, eine
Beleuchtungsvorrichtung (1303, 1304) zum Aufstrahlen von
monochromatischem Licht auf einen Teil des
zweiten Musters der Drehscheibe, einen Lichtstärkedetektor
(1306) zum Messen der Intensität des Beugungslichtes aus
dem zweiten Muster und eine Recheneinrichtung (1807), die
entsprechend der gemessenen Intensität des Beugungslichtes
einen der Lichtpunkte wählt und aus der Lage des gewählten
Lichtpunktes einen Drehwinkel der Drehscheibe errechnet.
13. Optischer Drehstellungscodierer, gekennzeichnet durch
eine Drehscheibe (1901), die an einer Drehachse angebracht
ist und die eine erste, eine zweite und eine dritte Spur
aufweist, wobei Licht von einer Beleuchtungseinrichtung
(1905) durch die erste, die zweite und die dritte Spur
moduliert wird, so daß die erste Spur einmalig je Umdrehung
eine Sägezahnwelle abgibt, die zweite Spur n-malig je
Umdrehung eine Sägezahnwelle abgibt, und die dritte Spur
n-malig je Umdrehung eine Sägezahnwelle abgibt, welche
gegenüber der Sägezahnwelle der zweiten Spur um eine halbe
Periode phasenverschoben ist, eine Detektorvorrichtung
(1906) zum Erfassen der Ausgangssignale der jeweiligen
Spuren der Drehscheibe und eine Recheneinrichtung (1907)
die aus den erfaßten Ausgangssignalen der Spuren einen
Drehwinkel der Drehscheibe errechnet.
14. Optischer Drehstellungscodierer, gekennzeichnet durch
eine Drehscheibe (1501), die an einer Drehachse angebracht
ist und die durch in gleichen Winkelabständen in bezug auf
die Drehachse angeordnete Teilungslinien in n Bereiche
(106) unterteilt ist, wobei die Drehscheibe ein erstes
Muster aus linearen Beugungsgittern, die jeweils in dem
jeweiligen Teilbereich unter einem vorbestimmten Winkel in
bezug auf die Winkelhalbierende der Teilungslinien gebildet
sind, und ein mit dem ersten Muster konzentrisches zweites
Muster hat, welches aufgestrahltes Licht in eine
vorbestimmte Richtung ablenkt und einen Lichtpunkt bildet,
der sich entsprechend einem Drehwinkel der Drehscheibe
längs einer Kreisbahn bewegt, eine erste
Beleuchtungsvorrichtung (101, 102) zum Bestrahlen des
ersten Musters der Drehscheibe mit monochromatischem Licht,
eine Konvergiervorrichtung (104) zum Konvergieren von
Beugungslicht aus irgendeinem der das erste Muster
bildenden linearen Beugungsgitter zu einem
Lichtpunkt einer bestimmten Größe, eine erste
Lagedetektorvorrichtung (105) zum Ermitteln der Lage des
durch die Konvergiervorrichtung gebildeten Lichtpunktes,
eine zweite Beleuchtungsvorrichtung (52, 53) zum Bestrahlen
des zweiten Musters der Drehscheibe mit monochromatischem
Licht, eine zweite Lagedetektorvorrichtung (31) zum
Ermitteln der Lage des durch die Ablenkung durch das zweite
Muster gebildeten Lichtpunktes und eine Recheneinrichtung
(2107), die aus den Ermittlungsergebnissen der ersten und
der zweiten Lagedetektorvorrichtung einen Drehwinkel der
Drehscheibe errechnet.
15. Optischer Drehstellungscodierer nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite
Lagedetektorvorrichtung (31) einen Lagedetektor aufweist,
der eine zu einem Ring geformte flache plattenförmige
Fotodiode (32), einen längs des Außenumfangs der Fotodiode
konzentrisch zu dieser angeordneten Widerstand (33),
mindestens zwei Ausgangselektroden (35), die in gleichen
Winkelabständen an den Widerstand angebracht sind, und
feine drahtförmige elektrisch leitende Schichten (34)
enthält die von dem Widerstand weg radial in gleichen
Winkelabständen auf die Fotodiode ragen, um den
Winkelabstand zwischen benachbarten Ausgangselektroden zu
unterteilen, wobei die leitenden Schichten in einer
größeren Anzahl als die Ausgangselektroden vorgesehen sind.
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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