DE69205813T2

DE69205813T2 - Einrichtung zur Messung einer Verschiebung.

Info

Publication number: DE69205813T2
Application number: DE69205813T
Authority: DE
Inventors: Koh Ishizuka; Yasushi Kaneda; Tetsuharu Nishimura
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1991-12-20
Filing date: 1992-12-18
Publication date: 1996-04-11
Anticipated expiration: 2012-12-19
Also published as: EP0548848A1; US5283434A; DE69205813D1; EP0548848B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optische Verschiebungserfassungsvorrichtung wie zum Beispiel eine Kodiereinrichtung, einen Geschwindigkeitssensor oder Beschleunigungssensor zur Messung der Verschiebung oder Geschwindigkeit eines Objekts unter Anwendung der Tatsache, daß ein durch ein verschobendes Objekt gebeugter oder gestreuter Lichtstrahl entsprechend der Verschiebung oder der Geschwindigkeit des Objekts einer Phasenmodulation unterzogen wird.

Verwandter Stand der Technik

Herkömmlicherweise befinden optische Verschiebungssensoren zur präzisen Bestimmung der physischen Beträge wie zum Beispiel der Verschiebung eines Objekts durch Bestrahlung des Objekts mit Licht, zum Beispiel eine optische Kodiereinrichtung, ein Laser-Doppler-Velocimeter oder ein Laser- Interferometer hauptsächlich auf den Gebieten der NC- Maschinen, OA-Ausstattung, Robotern o. dgl. in breiter Anwendung. Als herkömmliches Beispiel eines derartige Verschiebungssensors ist zum Beispiel in der japanischen offengelegten Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 1-180 615 und in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 62-121314 (EP-A-0 223 009) eine optische Kodiereinrichtung offenbart. Außerdem ist in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 2-262064 ein Laser-Doppler-Velocimeter offenbart.
Für die breitere Anwendung derartiger Verschiebungssensoren, sind ferner eine verbesserte Kompaktheit (hin zur Größenordnung von Millimetern) und eine höhere Genauigkeit und eine höhere Auflösung (in der Größenordnung von 0,1 um) erwünscht. Eine Größe in der Größenordnung von Millimetern eröffnet ein breites Feld der Anwendung, da eine solche Vorrichtung bei kleineren Objekten zum Beispiel durch direkte Verbundwirkung an diesen verwendet werden kann.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine optische Verschiebungserfassungsvorrichtung zu schaffen, die durch Fixierung der Hauptteile der optischen Komponenten, um den Fehlerfaktor zu reduzieren, dazu geeignet ist, miniaturisiert zu werden und die Messung mit Genauigkeit auszuführen.
Andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung und deren Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele vollständig deutlich.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1A bis 1C sind Ansichten, die den Aufbau einer Kodiereinrichtung zeigen, die ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bildet,
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau von Hauptteilen des ersten Ausführungsbeispiels zeigt,
Fig. 3 ist eine ähnliche Ansicht, die den Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels zeigt,
Fig. 4A bis 4C sind Ansichten, die den Aufbau eines dritten Ausführungsbeispiels zeigen,
Fig. 5A bis 5C sind Ansichten, die den Aufbau eines vierten Ausführungsbeispiels zeigen,
Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau von Hauptteilen des vierten Ausführungsbeispiels zeigt,
Fig. 7 ist eine ähnliche Ansicht, die den Aufbau eines fünften Ausführungsbeispiels zeigt,
Fig. 8A bis 8C sind Ansichten, die den Aufbau eines sechsten Ausführungsbeispiels zeigen,
Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau von Hauptteilen des sechsten Ausführungsbeispiels zeigt,
Fig. 10A bis 10C sind Ansichten, die den Aufbau von Hauptteilen eines siebten Ausführungsbeispiels zeigen,
Fig. 11 ist ein Blockdiagramm eines Antriebssystems mit einer Kodiereinrichtung, die ein achtes Ausführungsbeispiel bildet.
Fig. 12A bis 12C sind Ansichten, die den Aufbau eines Laser-Doppler-Verschiebungssensors zeigen, der ein neuntes Ausführungsbeispiel bildet.
Fig. 13A bis 13C sind Ansichten, die den Aufbau eines zehnten Ausführungsbeispiels zeigen, und
Fig. 14 ist ein Blockdiagramm eines Antriebssystems mit einem Doppler-Verschiebungssensor, der ein elftes Ausführungsbeispiel bildet.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Der optische Verschiebungssensor ist in den folgenden Ausführungsbeispiel mit einem Gehäuse, das ein optisches Fenster hat, einem Licht-emittierenden Element und einem Licht-empfangenden Element, die in das Gehäuse eingebaut sind, einem transparenten Plattenelement' das in der Nähe des Fensters geschaffen ist, einem ersten optischen Funktionselement, das auf dem transparenten Plattenelement geschaffen ist und zum Teilen des mittels des Licht-emittierenden Elements erzeugten Lichts in mehrere von diesem emittierte Lichtstrahlen dient, und einem zweiten optischen Funktionselement versehen, das auf dem transparenten Plattenelement geschaffen ist und zum Leiten der Strahlen zu dem Licht-empfangenden Element dient, wobei die Strahlen moduliert werden, wenn die emittierten Lichtstrahlen auf ein relativ verschobenes Objekt gestrahlt werden.

[Erstes Ausführungsbeispiel]

Fig. 1A bis 1C sind jeweils eine Seitenansicht, eine Draufsicht und eine Vorderansicht einer optischen Kodiereinrichtung, die ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bildet, und Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht der Hauptteile von dieser.
Ein Licht-emittierendes Element (Halbleiterlaserelement) 1 zur Erzeugung von Licht hat eine Größe in der Größenordnung von mehreren hundert Mikron. Der Halbleiterlaser kann durch eine Licht-emittierende Diode ersetzt werden. Das von dem horizontal positionierten Licht-emittierenden Element 1 emittierte Licht wird mittels eines Spiegels 2, der eine um 45º geneigte Spiegelfläche hat, in eine vertikale Richtung ausgerichtet. Der Spiegel kann auch durch ein Prisma ersetzt werden. In der Ausrichtungsrichtung des Lichts ist eine transparente Glasplatte 3 geschaffen. Auf einer Fläche (der Innenfläche) der Glasplatte 3 sind drei Repliklinsen 31A, 31B, 31C geschaffen, und auf der anderen Fläche (Außenfläche) sind jeweils gegenüber den drei Linsen 31A, 31B, 31C drei Reflexoinsbeugungsgitter 32A, 32B, 32C mit gleichem Gitterabstand geschaffen. Der Abstand P der Beugungsgitter ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als 1,6 um gewählt. Außerdem sind sie zum Zweck der fotoelektrischen Umwandlung des empfangenen Lichts mit drei Licht-empfangenden Elementen 4A, 4B, 4C versehen, die jeweils eine Größe in der Größenordnung von mehreren hundert Mikrometern haben. Das Licht-empfangende Element ist zum Beispiel eine Fotodiode, eine Avalanche-Diode, eine PIN- Fotodiode, eine CCD, und ein Fotosensor IC, der eines der vorhergehend genannten Licht-empfangenden Elemente aufweist, und ein Kreis zur Verstärkung oder Verarbeitung des von einem derartigen Fotosensorelement erzielten Fotostroms. Das von der Rückseite des Halbleiterlaserelements 1 emittierte Licht wird zu dem Licht-empfangenden Element 4A geleitet, um dessen Lichtmenge zu überwachen, welche für die Regelung wie zum Beispiel die automatische Phasenregelung bzw. APC (auto power control) angewandt wird. Die Licht-empfangenden Elemente 4B, 4C erfassen Signale, die jeweils eine Phasendifferenz aufweisen, und die Linsen 31B, 31C sind geschaffen, um die nötigen Lichtstrahlen nur in die kleinen Licht-empfangenden Elemente 4B, 4C einzuleiten.
Das Licht-emittierende Element 1 und die Licht-empfangenden Elemente 4A, 4B, 4C sind in einem lichtundurchlässigen Keramikgehäuse 5 eingeschlossen, und die Glasplatte 3 ist auf dem optischen Fenster in dem oberen Abschnitt des Gehäuses 5 befestigt, um dessen Inneres hermetisch abzudichten. Zwischen dem Licht-emittierenden Element und den Licht-empfangenden Elementen sind zwei Abschirmplatten 6 geschaffen, um die direkte Mischung des Lichts von dem Licht-emittierenden Element zu den Licht-empfangenden Elementen zu vermeiden. Das Licht-emittierende Element 1 und die Licht-empfangenden Elemente 4A, 4B, 4C sind jeweils mit aufgedruckten Elektroden bzw. Elektroden-Leiterbildern verbunden, deren Enden jeweils auf der Außenseite des Gehäuses 5 freiliegen. Für den Fall, daß in dem Gehäuse ein Signalverarbeitungskreis eingebaut ist, wird das Ausgangssignal des Kreises zu den freiliegenden Elektroden-Leiterbildern ausgegeben. Das Gehäuse 5 hat eine Größe in der Größenordnung von mehreren Millimetern, wodurch folglich ein sehr kompakte Sensoreinheit gebildet wird.
In einer der Sensoreinheit gegenüberliegenden Position ist eine transparente Skala 20 an einem Objekt befestigt, welche sich relativ zu der Sensoreinheit bewegt, und auf der Skala 20 ist ein reflektierendes Beugungsgitter 21 ausgebildet, dessen Abstand P genau wie bei den Beugungsgittern 1,6 um ist.
Ein von dem Licht-emittierenden Element 1, das in dem Gehäuse der Sensoreinheit horizontal positioniert ist, emittierter divergierender Lichtstrahl wird mittels des Spiegels 2 in eine vertikale Richtung reflektiert, und wird mittels der Kollimatorlinse 31A, die an der Innenfläche der auf den Fenster befestigten Glasplatte 3 ausgebildet ist, in einen im wesentlichen parallelen Lichtstrahl umgewandelt. Der Lichtstrahl wird zur Beugung durch das Beugungsgitter 32A, das an der Außenfläche der Glasplatte 3 ausgebildet ist, übertragen, und tritt folglich aus diesem als mehrfach geteilte Lichtstrahlen aus, die ein Beugungslicht 0-ter Ordnung R&sub0;, ein Beugungslicht +1-ter Ordnung R&sbplus;&sub1; und ein Beugungslicht -1-ter Ordnung R&submin;&sub1; enthalten.
Von diesen Lichtstrahlen wird der gerade durch das Beugungsgitter 32A verlaufende Lichtstrahl R&sub0; reflektiert und auf dem Beugungsgitter 21, das auf der Skala 20 ausgebildet ist, an einem Punkt P1 gebeugt, und wird in ein Beugungslicht +1-ter Ordnung R&sub0;&spplus;¹ bzw. ein Beugungslicht -1-ter Ordnung R&sub0;&supmin;¹ geteilt, um Phasen-moduliert zu sein. Auf die Relativbewegung der Skala 20 hin wird die Phase des Beugungslichts +1-ter Ordnung R&sub0;&spplus;¹ um +2πx/p verschoben, während die Phase des Beugungslichts -1-ter Ordnung R&sub0;&supmin;¹ um -2πx/P verschoben wird, wobei x der Betrag der Verschiebung des Beugungsgitters 21 ist, während P der Gitterabstand des Beugungsgitters 21 ist.
Das Beugungslicht +1-ter Ordnung R&sub0;&spplus;¹ wird durch das Beugungsgitter 32B, das auf der Oberfläche der Glasplatte 3 ausgebildet ist, übertragen und gebeugt, und wird dadurch in Lichtstrahlen geteilt, die ein Beugungslicht -1-ter Ordnung R&sub0;&spplus;¹&submin;&sub1; und die anderen Lichtstrahlen aufweist. Das Beugungslicht -1-ter Ordnung R&sub0;&spplus;¹&submin;&sub1; tritt senkrecht zur Fläche des Beugungsgitters aus und hat eine Wellenfront-Phase von +2πx/P. Außerdem wird das Beugungslicht -1-ter Ordnung R&sub0;&supmin;¹ durch das Beugungsgitter 32C, das auf der Oberfläche der Glasplatte 3 ausgebildet ist, übertragen und gebeugt, und wird dadurch in Lichtstrahlen geteilt, die ein Beugungslicht 0-ter Ordnung R&sub0;&supmin;¹&sub0;, ein Beugungslicht +1-ter Ordnung R&sub0;&supmin;¹&sbplus;&sub1; und die anderen Lichtstrahlen aufweist. Das Beugungslicht +1-ter Ordnung R&sub0;&supmin;¹&sbplus;&sub1; tritt senkrecht zur Fläche des Beugungsgitters aus und hat eine Wellenfront-Phase von -2πx/P.
Wenn das Beugungsgitter 32B in der Gitterphasenanordnung mit Bezug auf das Beugungsgitter 32C um P/4 verschoben wird, wird die Wellenfrontphase des Beugungslichts +1-ter Ordnung R&sub0;&supmin;¹&sbplus;&sub1; um -2π(P/4)/P = -π/2 verschoben, um -2πx/P -π/2 zu werden.
Andererseits wird der mittels des Beugungsgitters 32A auf der Oberfläche der Glasplatte 3 der Beugung +1-ter Ordnung unterzogene Lichtstrahl R&sbplus;&sub1; an einem Punkt P2 des Beugungsgitters 21 der Skala 20 reflektiert und gebeugt, und wird folglich in Lichtstrahlen geteilt, die ein Beugungslicht -1-ter Ordnung R&sbplus;&sub1;&supmin;¹, ein Beugungslicht 0-ter Ordnung R&sbplus;&sub1;&sup0; bzw. den anderen Lichtstrahl aufweisen, um Phasen-moduliert zu sein. Von diesem Lichtstrahlen erreicht das Beugungslicht -1-ter Ordnung R&sbplus;&sub1;&supmin;¹ das Beugungsgitter 32B mit einer Phasenverschiebung von -2πx/P, und ein Beugungslicht 0-ter Ordnung R&sbplus;&sub1;&supmin;¹, das linear durch das Gitter übertragen wird, hat eine Wellenfrontphase von -2πx/P.
Ferner wird der mittels des Beugungsgitters 32A, das auf der Oberfläche der Glasplatte 3 ausgebildet ist, der Beugung +1-ter Ordnung unterzogene Lichtstrahl R&submin;&sub1; an einem Punkt P3 des Beugungsgitters 21 der Skala 20 reflektiert und gebeugt, und wird folglich in mehrere Lichtstrahlen geteilt, die ein Beugungslicht +1-ter Ordnung R&submin;&sub1;&spplus;¹, ein Beugungslicht 0-ter Ordnung R&submin;&sub1;&sup0; bzw. den anderen Lichtstrahl aufweisen, um Phasen-moduliert zu sein. Von diesem erreicht das Beugungslicht +1-ter Ordnung R&submin;&sub1;&spplus;¹ das Beugungsgitter 32C mit einer Phasenverschiebung von +2πx/P, und ein Beugungslicht 0-ter Ordnung R&submin;&sub1;&spplus;¹, das linear durch das Gitter übertragen wird, hat eine Wellenfrontphase von +2πx/P.
Die an dem Beugungsgitter 32B überlagerten Lichtstrahlen R&sbplus;&sub1;&supmin;¹&sub0; und R&sub0;&spplus;¹&submin;&sub1; ergeben ein Interferenzlicht, welches das Licht-empfangende Element 4B nach dem Konzentrieren mittels einer Linse 2B erreicht. Die Interferenzphase kann durch:
[+2πx/P] - [-2πx/P] = 4πx/P
repräsentiert werden, so daß das Hell-Dunkel-Signal eines Zyklus jedesmal erzeugt wird, wenn das Beugungsgitter 21 auf der Skala 20 um 1/2 des Abstands verschoben wird.
Auch die an dem Beugungsgitter 32C überlagerten Lichtstrahlen R&submin;&sub1;&spplus;¹&sub0; und R&sub0;&supmin;¹&sbplus;&sub1; ergeben ein Interferenzlicht, welches das Licht-empfangende Element 4C nach dem Konzentrieren mittels einer Linse 2C erreicht. Die Interferenzphase in diesem Zustand kann durch:
[+2πx/P - π/2] - [+2πx/P] = -4πx/P - π/2
repräsentiert werden, so daß das Hell-Dunkel-Signal eines Zyklus jedesmal erzeugt wird, wenn das Beugungsgitter 21 auf der Skala 20 um 1/2 des Abstands verschoben wird. Die zeitliche Hell-Dunkel-Abstimmung weicht um 1/4 eines Zyklus von dem des Licht-empfangenden Element 4B ab.
Folglich können in Antwort auf die Verschiebung der Skala von den Licht-empfangenden Elementen 4B, 4C zyklische Signale A, B erzielt werden, deren Phasen voneinander um 1/4 der zyklischen Periode (90º) verschoben sind. Die relative Verschiebung zwischen der Sensoreinheit und der Skala kann auf der Basis der Signale und unter Anwendung bekannter Signalverarbeitungskreise wie zum Beispiel einem Verstärker, eines Interpolationskreises, eines Digitalisierungskreises, eines Richtungsbeurteilungskreises erfaßt werden. Diese Kreise oder ein Teil von diesen sind vorzugsweise in die Sensoreinheit eingebaut, um ein höheres Niveau der Integration zu erzielen.
Mit Hilfe des vorliegenden Ausführungsbeispiels kann eine sehr einfache, kompakte und nicht teure Kodiereinrichtung geschaffen werden, die zur hochgenauen und unveränderlichen Erfassung der Verschiebung geeignet ist, da das optische Interferenzsystem aus Linsen und Beugungsgittern, die auf beiden Flächen einer Glasplatte mittels Replikherstellung ausgebildet werden, und einem auf einer Skala ausgebildeten Beugungsgitter aufgebaut ist. Außerdem sind die folgenden Merkmale geschaffen:
(1) Das optische Interferenzsystem ist derart konstruiert, daß jeweils die Beugung +1-ter Ordnung, die Beugung -1-ter Ordnung und die Beugung 0-ter Ordnung mittels dreier Beugungsgitter (32A, 21 und 32B oder 32C) bewirkt wird. Demgemäß kann eine Abweichung im Beugungswinkel, die aus einer Variation in der Wellenlänge der Lichtquelle resultiert, durch die wiederholte Beugung kompensiert werden, so daß der Austrittswinkel (0º) aus dem Beugungsgitter 32B oder 32C konstant aufrechterhalten wird. Folglich werden die Überlagerungsbedingung und die Differenz der weiterführenden Richtungen in zwei Lichtstrahlen konstant aufrechterhalten, deshalb kann der Halbleiterlaser, bei welchem die Schwankung der Wellenlänge unvermeidlich ist, ohne die Temperaturkompensationsfunktion angewandt werden. Eine derartige Temperaturkompensationsfunktion kann hinzugefügt werden, wenn bei dem Sensor eine höhere Stabilität erforderlich ist.
(2) Selbst wenn die Skala 20 und die Glasplatte 3 nicht völlig parallel sind, weichen die optische Wege der jeweiligen zwei Interferenzstrahlen in die gleiche Richtung ab. Folglich ist es einfach, die Überlagerungsbedingung oder die Differenz der weiterführenden Richtungen beizubehalten. Infolgedessen kann eine hochgenaue Kodiereinrichtung erzielt werden, deren Ausgangssignal nicht durch die Genauigkeit der Montage der Skala beeinflußt wird. In anderen Worten gesagt, es wird bei der Montage der Skala 20 eine relativ grobe Genauigkeit toleriert, oder der Sensor kann unter harten Bedingungen verwendet werden, welche die Genauigkeit der Montage verschlechtern. In Kombination mit der Tatsache, daß die Sensoreinheit in einer Ein-Chip- Struktur ausgebildet ist, wird der Widerstand gegen harte Bedingungen wie zum Beispiel Temperaturschwankungen oder mechanische Schwingungen signifikant verbessert.
(3) Das Mischen der Lichtstrahlen auf den Beugungsgitter wird an voneinander getrennten zwei Punkten (32B, 32C) ausgeführt. Folglich können durch eine im voraus in den Beugungsgittern 32B, 32C, ohne spezielle optische Teilersystems anzuwenden, ausgebildete Phasendifferenz die Signale mit der gewünschten Phasendifferenz erzielt werden, deshalb kann die Gestaltung des optischen Systems möglich gemacht werden. Außerdem hängt die Phasendifferenz nicht von geringfügigen Unterschieden im Querschnitt der Beugungsgitter ab, und es können für diesen Zweck Amplitudengitter angewandt werden.
(4) Die Teilung und Mischung von Lichtstrahlen werden an verschiedenen Stellen des Beugungsgitters ausgeführt, um die Lichtwege zu trennen&sub1; deshalb erreicht das Licht, wenn dieses, das jeweils auf den Flächen reflektiert wird, zurückkehrt, niemals das Licht-empfangende Element. Außerdem werden durch das Vorhandensein der Abschirmplatten 6 die abgehenden Lichtwege in dem Gehäuse völlig von den zurückkehrenden Lichtwegen getrennt, wodurch der Einfluß des nicht notwendigen Lichts eliminiert wird.
(5) Da die abgehenden und zurückkehrenden Lichtwege getrennt sind, kann der Abstand zwischen dem Licht-emittierenden Element und der Linse durch den Gebrauch von kleinen Mikrolinsen einer kurzen Brennweite reduziert werden, wodurch einfacher ein kleinerer und dünnerer Aufbau erreicht werden kann.
(6) Da der optische Weg des Lichtstrahls von dem Licht- emittierenden Element mittels eines reflektierenden Elements gekrümmt wird, kann der Abstand zwischen der Linse und dem Licht-emittierenden Element um eine gewünschte Brennweite geteilt werden, selbst wenn die Glasplatte und das Licht-emittierende Element tatsächlich nahe positioniert sind, so daß ein dünnerer Aufbau einfach erzielt werden kann.
(7) Ein feinerer Abstand bei dem Beugungsgitter auf der Skala erhöht den Beugungswinkel, folglich können die gebeugten Lichtstrahlen, selbst wenn der Abstand zu der Skala gering ist, ausreichend räumlich getrennt werden, wodurch die Miniaturisierung realisiert wird. Und zwar können die Miniaturisierung und die höhere Genauigkeit und Auflösung gleichzeitig erzielt werden, welche im allgemeinen zueinander im Gegensatz stehen.
(8) Da die Vorrichtung durch Abdichtung des Fensters des Gehäuses mittels des plattenförmigen optischen Bauteils ausgebildet wird, sind die Verbindungsvorgänge für das Licht-emittierende Element, die Licht-empfangenden Elemente, den elektronischen Ein-Chip-Kreis, die Herstellungsvorgänge für das plattenförmige optische Funktionsbauteil und der Kopplungsvorgang von sowohl dem optischen Element als auch den anderen Elementen unabhängig voneinander. Infolgedessen kann die Leistungsfähigkeit der Baugruppe zufriedenstellend hoch sein.

[Zweites Ausführungsbeispiel]

In Fig. 3 ist eine Kodiereinrichtung gezeigt, die ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bildet und bei welcher durch die Modifizierung des vorangehenden ersten Ausführungsbeispiels eine weiter verbesserte Stabilität erzielt wird, und die Bauteile durch die gleichen Symbole repräsentiert werden, die denen des ersten Ausführungsbeispiels gleich oder äquivalent sind. Da das vorliegend Ausführungsbeispiel im wesentlichen ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel ist, ist es nur in einer perspektivischen Ansicht gezeigt, und wird mit Hilfe des Unterschieds zu dem ersten Ausführungsbeispiel erklärt. Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, daß 4- Phasen-Signale erzeugt werden, die jeweils um 1/4 eines Zyklus (90º) abweichen, und aus diesen zwei-Phasen-Signale ausgebildet werden.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind auf der Glasplatte zusammengesetzte Linsen 31B, 31C ausgebildet. Vier Beugungsgitter 32B&sub1;, 32B&sub2;, 32C&sub1;, 32C&sub2; sind derart angeordnet, daß die Phasen abweichen, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Folglich wird von jedem der Beugungsgitter (32B&sub1; und 32B&sub2;, 32C&sub1; und 32C&sub2;) Beugungslicht von verschiedenen Phasen emittiert, und werden jeweils mit Hilfe der Linsenelemente der zusammengesetzten Linsen verdichtet. Wenn das Beugungsgitter 32B&sub1; als Bezug genommen wird und dessen Phase 0º ist, sind die Phasen der Beugungsgitter 32C&sub1;, 32B&sub2; und 32C&sub2; bei 90º, 180º bzw. 270º angeordnet, jeweils mit einer Phasendifferenz von 1/4 eines Zyklus. Außerdem sind vier Licht-empfangende Elemente 4B&sub1;, 4B&sub2;, 4C&sub1;, 4C&sub2; angeordnet, wie in Fig. 3 gezeigt ist, um die jeweiligen Beträge der Lichtstrahlen zu erfassen, die durch die Beugungsgitter übertragen werden bzw. mittels der Linsenelemente verdichtet werden. Die Licht-empfangenden Elemente schaffen 4- Phasen-Signale mit einer jeweiligen Phasendifferenz von 1/4 eines Zyklus. Die 4-Phasen-Signale werden im Gegentakt verbunden, wie in der Zeichnung gezeigt ist, um die Signale mit der Phasendifferenz von 180º differentiell zu verstärken, wodurch die zwei-Phasen-Signale A, B erzeugt werden.
Bei einem solchen Aufbau wird die Schwankung des Gleichstromanteils des periodischen Signals eliminiert, die aus der Phase der Skala resultiert. Folglich kann der Einfluß von Defekten der Skala (wie zum Beispiel die Neigung der Skala beim Einbau, Staub auf der Skala, oder ein uneinheitliches Reflexionsvermögen der Skala wegen einem Fehler bei der Herstellung) oder der Lichtquelle (wie zum Beispiel der Schwankung der Lichtmenge, Abweichung in der Wellenlänge oder Beimischung von nicht notwendigem Licht) aufgehoben werden, und es wird eine Kodiereinrichtung erzielt, die selbst unter ungünstigen Bedingungen zur Schaffung eines stabilen Signals geeignet ist.
Außerdem kann, da die Interferenzsignale von jeder unterschiedlichen Phase räumlich getrennt sind und mittels der zusammengesetzten Linsen verschiedenen Licht-empfangenden Elementen zugeführt werden, die Phasenabweichung und der Verlust beim S/N-Verhältnis reduziert werden. Die zusammengesetzten Linsen können mit Hilfe des Replik-Verfahrens einfach erzielt werden.

[Drittes Ausführungsbeispiel]

Fig. 4A bis 4C veranschaulichen eine Kodiereinrichtung, die ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bildet. Die sehr kleinen Bauteile in der Größenordnung von Millimetern, die bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel angewandt werden, erfordern eine extrem hohe Genauigkeit der Montage, da eine Positionsabweichung in der Größenordnung von einigen zehn Mikron in einer siguifikanten Abweichung des optischen Wegs resultiert, und die Genauigkeit der Erfassung verschlechtert. Folglich ist das vorliegende Ausführungsbeispiel mit einem Justiermechanismus versehen, um die Justierung des optischen Systems zu ermöglichen. Das Erfassungs-Prinzip der Kodiereinrichtung ist das gleiche wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel, oder kann gleich dem zweiten Ausführungsbeispiel realisiert werden.
Wie in Fig. 4A bis 4C gezeigt ist, sind optische Elemente wie zum Beispiel ein Licht-emittierendes Element1, ein Spiegel 2 und Fotosensorelemente 4A, 4B, 4C in einem Gehäuse 5 befestigt, und ist eine transparente Glasplatte 11 zur hermetischen Abdichtung auf eine Öffnung in der oberen Fläche des Gehäuses geklebt. Rund um das Gehäuse 5 herum ist ein Befestigungsrahmen 12 positioniert. Auf der oberen Fläche des Rahmens 12 ist eine Glasplatte 3 befestigt, in welcher optische Funktionselemente ausgebildet sind. Die in dem Gehäuse 5 befestigten optischen Elemente können durch die Justierung der relativen Positionsbeziehung zwischen dem Befestigungsrahmen 12 und dem Gehäuse 5 mit den auf der Glasplatte 3 ausgebildeten optischen Funktionselementen wie zum Beispiel Linsen und Beugungsgittern ausgerichtet werden. Nach der Justierung wird das Gehäuse mittels Schrauben 13 fixiert, die in den vier Seiten des Befestigungsrahmens 12 geschaffen sind, und die Stabilität wird durch Ausfüllung des Zwischenraums dazwischen mit einem Klebematerial erhöht. Folglich kann durch das vorliegende Ausführungsbeispiel eine Kodiereinrichtung mit einer hohen Genauigkeit geschaffen werden, bei welcher eine einfache Justierung an der Baugruppe ermöglicht ist, da die Bauteile der Kodiereinrichtung in zwei Einheiten ausgebildet sind, welche zueinander justierbar sind.
Das Gehäuse, welches das Licht-emittierende Element beinhaltet, erzeugt beträchtlich Wärme. Für die optischen Funktionselemente auf der Glasplatte wie zum Beispiel Replik- Linsen und Beugungsgitter sind keine hohen Temperaturen erwünscht, und können die Erfassungsgenauigkeit der Kodiereinrichtung direkt beeinflussen, da insbesondere die Beugungsgitter durch thermische Ausdehnung eine Abweichung im Abstand zeigen. In Hinsicht darauf werden das Gehäuse 5 und die Glasplatte 5 als unabhängige Einheit getrennt, wodurch bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Wärmeleitung von dem Gehäuse 5 zur Glasplatte 3 beträchtlich unterdrückt werden kann. Außerdem weist die Glasplatte 11 einen thermisch isolierenden Effekt auf.
Auch kann die Verringerung in der Zuverlässigkeit, die daraus resultiert, daß das Halbleiterlaserelement im Verlauf der Montage der Luft ausgesetzt ist, dadurch minimiert werden, daß die transparente Glasplatte 1 zur hermetischen Abdichtung unmittelbar nach der Montage der elektronischen Komponenten wie zum Beispiel des Licht-emittierenden Element und der Fotosensorelemente auf das Fenster des Gehäuses 5 geklebt wird. Außerdem wird ein Vorteil derart geschaffen, daß die Gestaltung in Hinsicht auf die Hermitezität des Gehäuses und die Gaserzeugung ermöglicht wird.

[Viertes Ausführungsbeispiel]

Im folgenden wird ein viertes Ausführungsbeispiel erklärt, bei dem die Anordnung von Bauteilen der vorhergehend genannten Kodiereinrichtung modifiziert ist. Fig. 5A bis 5C sind Ansichten des vorliegenden Ausführungsbeispiels in drei Richtungen gesehen, und Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht des Hauptteils. In diesen Zeichnungen werden die Komponenten, die denen der vorangehenden Ausführungsbeispiele gleichen oder ihnen äquivalent sind, durch die gleichen Symbole repräsentiert.
Die Licht-empfangenden Elemente 4A, 4B, 4C sind parallel auf dem gleichen Substrat angeordnet. Der Spiegel 2 ist größer als bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen, und dient dazu, das Licht von dem Licht-emittierenden Element 1 zur Abgabe nach außen zu reflektieren, und das durch die Skala 20 reflektierte ankommende Licht zu reflektieren und es zu den Licht-empfangenden Elementen 4B, 4C zu leiten. Ein prismatischer Spiegel 10 reflektiert das von der Rückseite des Licht-emittierenden Elements 1 in Richtung auf das Licht-empfangende Element 4A emittierte Überwachungslicht, und reflektiert außerdem das Licht, das von der Skala 20 ankommt und durch den Spiegel 2 reflektiert wird, in Richtung auf die Licht-empfangenden Elemente 4B, 4C.
Im Vergleich zu den vorangehenden Ausführungsbeispielen hat das vorliegende Ausführungsbeispiel den Vorteil einer verbesserten Montageeffizienz, da die Licht-empfangenden Element parallel auf einem Substrat angeordnet sind und die Spiegel 2, 10 im Vergleich zu dem Gehäuse relativ groß sind.
Da außerdem die Licht-empfangenden Elemente linear angeordnet sind, werden die Signal-Lichtstrahlen zwischen den Spiegeln 2 und 10 verdichtet, und die Signallichter mit zufriedenstellendem S/N-Verhältnis können zum Beispiel durch Einfügung einer durchlöcherten Abschirmplatte in der Verdichtungsposition zu den Licht-empfangenden Elementen geleitet werden. Da der prismatische Spiegel 10 an den linear angeordneten Licht-empfangenden Elementen befestigt ist, ist es außerdem möglich, das Störlicht in andere Richtungen als die Einfallsrichtung des Signallichts durch Abdecken der anderen Flächen als der Einfallsfläche des prismatischen Spiegels zum Beispiel mit einem lichtundurchlässigen Anstrich abzufangen. Es ist auch möglich, das mit einem Einfallswinkel, der größer als der des Signallichts ist, eintretende Störlicht durch Beschichtung der Einfallsfläche für das Signallicht mit einem dünnen Film abzufangen, der das Licht reflektiert, das mit einem Einfallswinkel eintritt, der größer als der des Signallichts ist. Mittels dieser Einrichtung können Signale mit einem zufriedenstellend hohen S/N-Verhältnis erzielt werden.

[Fünftes Ausführungsbeispiel]

Ein fünftes Ausführungsbeispiel, bei welchem das technische Konzept des vorangehenden vierten Ausführungsbeispiels bei dem in Fig. 3 gezeigten Aufbau angewandt ist, ist in Fig. 7 gezeigt, in welcher Bauteile, die denen der vorhergehenden Ausführungsbeispiele gleichen oder diesen äquivalent sind, durch die gleichen Symbole dargestellt sind. Außerdem kann mit Hilfe des vorliegenden Ausführungsbeispiels, ebenso wie bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel, eine Kodiereinrichtung mit sehr hohem Widerstand gegen Umweltbedingungen geschaffen werden. Insbesondere sind die Linsen 31B, 31C wie in dem Fall von Fig. 3 als zusammengesetzte Linsen konstruiert.

[Sechstes Ausführungsbeispiel]

Fig. 8A bis 8C sind aus drei Richtungen gesehene Ansichten einer optischen Kodiereinrichtung, die ein sechstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bildet, und Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht von deren Hauptteil.
Bei den vorhergehend genannten Ausführungsbeispielen sind die in das Beugungsgitter 21 der Skala 20 eintretenden Lichtstrahlen und die mittels des Beugungsgitters in reflektierender Weise gebeugten Lichtstrahlen in der gleichen Ebene enthalten. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Lichtstrahl mit einem Winkel, der von der vertikalen Richtung abweicht, zu dem Beugungsgitter 21 geleitet, wodurch sich die Ebene der zu dem Beugungsgitter 21 einfallenden Lichtstrahlen von der Ebene der reflektierten Lichtstrahlen unterscheidet. Zu diesem Zweck ist der Winkel des Spiegels 2 größer als 45º (zum Beispiel 55º) mit Bezug auf die Richtung des von dem Licht-emittierenden Element 1 emittierten Lichtstrahls gewählt, wodurch der mittels des Spiegels 2 reflektierte Lichtstrahl von der vertikalen Richtung aus geneigt ist. Die mittels des Beugungsgitters 21 der reflektierenden Beugung unterzogenen Lichtstrahlen werden über die optischen Funktionselemente der Glasplatte 3 zu den Licht-empfangenden Elementen 4B, 4C geleitet. Außerdem wird das von der Rückseite des Licht-emittierenden Elements 1 emittierte Überwachungslicht mittels des Prismas 10 reflektiert und zu dem Licht-empfangenden Element 4A geleitet. Diese Licht-empfangenden Elemente 4A, 4B, 4C sind auf einem Substrat linear angeordnet.
Wie im vorhergehenden beschrieben ist, erreicht bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das nicht notwendige Licht kaum die Licht-empfangenden Elemente, da die Lichtstrahlen vor und nach dem Beugungsgitter 21 getrennt werden, und deshalb kann ein Signallicht von hohem S/N-Verhältnis erzielt werden. Außerdem kann, da der Lichtstrahl-Durchmesser größer gemacht werden kann, der Einfluß von auf der Skala vorhandenen Stäuben o. dgl. reduziert werden. Außerdem können die optischen Komponenten wie zum Beispiel Linsen in größerer Größe verwendet werden, wodurch die Bearbeitung und Montage der Komponenten einfacher gemacht wird. Außerdem ist es möglich, die Anzahl der Bauteile zu reduzieren.

[Siebtes Ausführungsbeispiel]

Fig. 10A bis 10C veranschaulichen ein siebtes Ausführungsbeispiel auf der Basis des gleichen technischen Konzepts, wie das des vorhergehend erklärten sechsten Ausführungsbeispiels. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist, um den Lichtstrahl in einem Winkel, der von der vertikalen Richtung abweicht, zu dem Beugungsgitter 21 zu leiten, die optische Achse der Linse 31a von der Achse des Lichtstrahls verschoben, der von dem Licht-emittierenden Element 1 emittiert wird und durch den Spiegel 2 in die vertikale Richtung reflektiert wird, wodurch der die Linse 31A passierende Lichtstrahl gebrochen wird. Auf diese Weise sind, wie bei dem sechsten Ausführungsbeispiel, die zu dem Gitter 21 einfallenden Lichtstrahlen und die von diesem reflektierten Lichtstrahlen in verschiedenen Ebenen enthalten und können voneinander getrennt werden. Eine Lichtabschirmplatte 16 ist eingefügt, wie veranschaulicht ist, um den Einfall von unerwünschtem Licht in die Licht-empfangenden Elemente 4B, 4C zu verhindern. Die Abschirmplatte 16 kann dadurch vermieden werden, daß der Spiegel 2 in der gleichen Größe wie die Abschirmplatte 16 ausgebildet wird und eine Lichtabschirmbehandlung wie zum Beispiel eine Beschichtung mit einem lichtundurchlässigen Anstrich auf eine Fläche des Spiegels 2 auf der Seite der Licht-empfangenden Elemente 4B, 4C aufgebracht wird, um die gleiche Funktion wie die der Abschirmplatte 16 zu erzielen.

[Achtes Ausführungsbeispiel]

Fig. 11 ist ein Blockdiagramm eines Antriebssystems, bei dem die vorhergehend genannte Kodiereinrichtung angewandt wird, als ein Ausführungsbeispiel, das eine Anwendung von dieser zeigt. Eine Kodiereinrichtung 101 gemäß einem des vorangehenden ersten bis sechsten Ausführungsbeispiels ist an einem Ausgangsteil der Antriebseinrichtung 100, die eine Antriebsquelle wie zum Beispiel einen Motor aufweist, einer Betätigungseinrichtung oder einem Mechanismus, oder einem bewegbaren Teil eines angetriebenen Objekts befestigt, um die Verschiebungsbedingungen wie zum Beispiel den Betrag oder die Geschwindigkeit der Verschiebung zu erfassen. Der Erfassungsausgang der Kodiereinrichtung 101 ist zu der Steuereinrichtung 102 rückgekoppelt, welche ein Antriebssignal zu der Antriebseinrichtung 100 sendet, um eine mittels der Einstelleinrichtung 103 eingestellte Bedingung zu realisieren. Eine mittels der Einstelleinrichtung 103 eingestellte Antriebsbedingung kann durch ein derartiges Rückkopplungssystem erzielt werden. Ein solches Antriebssystem kann bei Büroausstattungen wie zum Beispiel Schreibmaschinen, Druckern, Kopiergeräten oder Faxgeräten, abbildender Ausstattung wie zum Beispiel Kameras oder Videoausrüstungen, Informations-Aufzeichnungs/Wiedergabeausstattungen, Robotern, Bearbeitungsvorrichtungen, Herstellungsvorrichtungen, Transportausrüstungen oder anderen mit Antriebseinrichtungen versehenen Vorrichtungen angewendet werden.

[Neuntes Ausführungsbeispiel]

Obgleich die vorangehenden Ausführungsbeispiele auf Kodiereinrichtungen eingeschränkt worden sind, ist der optische Verschiebungssensor der vorliegenden Erfindung auch bei einem Doppler-Verschiebungssensor anwendbar, wie im folgenden erklärt wird. Fig. 12A bis 12C sind jeweils eine Seitenansicht, eine Draufsicht und eine Vorderansicht eines Doppler-Verschiebungssensors.
Ein Licht-emittierendes Element (Halbleiterlaserelement) 1 hat eine Größe in der Größenordnung von mehreren hundert Mikron. Das von dem horizontal positionierten Licht- emittierenden Element 1 emittierte Licht wird mittels des Spiegels 2 reflektiert, der eine Spiegelfläche mit einem Winkel von größer als 45º (zum Beispiel 55º) hat, um in eine Richtung ausgerichtet zu werden, die von der vertikalen Richtung abweicht. Der Spiegel kann durch ein Prisma ersetzt werden. In der Ausbreitungsrichtung des Lichts sind zwei transparente Glasplatten 7, 8 mit einem Abstandhalter dazwischen geschaffen. Auf der Innenfläche der Glasplatte 7 ist eine Repliklinse 35 ausgebildet, und auf der äußeren Fläche ist ein Beugungsgitter 36 ausgebildet. Auf der Außenfläche der Glasplatte 8 sind zwei Replik-Beugungsgitter 37A, 37B und eine Repliklinse 38 ausgebildet Bei einem derartigen Aufbau schneiden sich die austretenden zwei Lichtstrahlen an einem Kondensorpunkt. Außerdem ist ein Licht-empfangendes Element 4 mit einer Größe in der Größenordnung von mehreren hundert Mikran geschaffen, um die Lichtstrahlen zu empfangen und die fotoelektrische Umwandlung zu bewirken. Das Licht-empfangende Element ist zum Beispiel eine Fotodiode, eine Avalanche-Diode, eine PIN- Fotodiode, eine CCD und ein Fotosensor IC, der ein solches Fotosensorelement aufweist, und ein Kreis zur Verstärkung oder Verarbeitung des von diesem erzielten Fotostroms.
Das Licht-emittierende Element 1 und das Fotosensorelement 4 sind in einem lichtundurchlässigen Keramikgehäuse 5 eingeschlossen, und die Glasplatte 3 ist auf einem optischen Fenster in dem oberen Abschnitt des Gehäuses 5 befestigt, wodurch dessen Inneres hermetisch abgedichtet wird Das Licht-emittierende Element 1 und das Fotosensorelement 4 sind jeweils mit Elektroden-Leiterbildern verbunden, deren Enden jeweils auf der Außenseite des Gehäuses 5 freiliegen. Für den Fall, daß in dem Gehäuse ein Signalverarbeitungskreis eingebaut ist, wird das Ausgangssignal des Kreises zu den freiliegenden Elektroden-Leiterbildern ausgegeben. Das Gehäuse, das eine Größe in der Größenordnung von mehreren Millimetern hat, bildet eine sehr kompakte Sensoreinheit.
Die Sensoreinheit emittiert zwei Laserstrahlen, und ein sich relativ bewegendes Objekt mit streuender-reflektierender Beschaffenheit (zum Beispiel kleinen Partikeln oder einer streuenden reflektierenden Fläche) ist an dem Schnittpunkt 22 der Laserstrahlen positioniert.
Ein von dem Licht-emittierenden Element 1 emittierter divergierender Lichtstrahl wird durch den Spiegel 2 reflektiert, dann mittels der an der Innenfläche der Glasplatte 7 ausgebildeten Linse 35 in einen konvergierenden Lichtstrahl R umgewandelt, und mittels des an der Innenfläche der Glasplatte 8 ausgebildeten Beugungsgitters 36 übertragen und gebeugt, und wird folglich in gebeugte Lichtstrahlen +1-ter Ordnung und -1-ter Ordnung, die durch die Beugung um einen Winkel θA gekrümmt sind, und in ein linear verlaufendes Licht 0-ter Ordnung mit einem kleineren Betrag geteilt. Da das linear das Gitter 36 passierende gebeugte Licht 0-ter Ordnung nicht zu dem Erfassungssignal beiträgt, ist der Querschnitt des Beugungsgitters 32A vorzugsweise derart gestaltet, daß das erforderliche gebeugte Licht ±1-ter Ordnung stark wird und das gebeugte Licht 0-ter Ordnung schwach wird.
Die an dem Beugungsgitter 36 der Beugung ±1-ter Ordnung unterzogenen Lichtstrahlen R&submin;&sub1;, R&sbplus;&sub1; werden mittels der Beugungsgitter 37A, 37B gebeugt und konvergieren mit Einfallswinkeln θB, θC an einem Zielpunkt 22 in der Nähe des Objekts 23. Diese Beziehungen werden durch die folgenden Gleichungen repräsentiert:
wobei PA der Abstand des Beugungsgitters 36 ist, PB der Abstand des Beugungsgitters 37A ist, PC der Abstand des Beugungsgitters 37C ist und λ die Wellenlänge des Lichtstrahls ist (PA > PB).
Wegen des Kreuzens der zwei Lichtstrahlen in der Nähe des Zielpunkts 22 werden in dem Raum Interferenz streifen ausgebildet, und der Abstand P&sub0; der Streifen wird durch:
P&sub0; = λ/(sin θB + sin θC)
= λ/{λ/(PA - PB) + λ/(PA - PC)}
= (PA - PB) + (PA - PC)
= (PA - P&sub3;)/2
dargestellt.
Wenn sich kleine Partikel, die das zu erfassende Objekt bilden, in dem Raum mit einer Geschwindigkeit v in eine die Interferenz streifen kreuzende Richtung bewegen, wird das gestreute Licht entsprechend den Hell-Dunkel-Positionen im Raum Hell-Dunkel, und die Frequenz f der Streuung beträgt:
f = v/P&sub0;
= 2 v(PA - PB),
welche von λ unabhängig ist.
Diese Doppler(Hell-Dunkel)-Signalkomponente wird mittels einer Linse 38 auf das Licht-empfangende Element 4 fokussiert, und die Bewegungsgeschwindigkeit des Objekts kann durch die Erzeugung von Impulssignalen mit einer Frequenz proportional zur Bewegungsgeschwindigkeit v mittels eines bekannten Signalverarbeitungskreises erfaßt werden, der zum Beispiel aus einem Verstärker, einem Filter, einem Digitalisierungskreis usw. aufgebaut ist. Bevorzugterweise ist der Signalverarbeitungskreis oder ein Teil von diesem in die Sensoreinheit eingebaut, wodurch das Niveau der Integration erhöht wird.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel schafft einen sehr einfachen, kompakten und billigen Laser-Doppler-Verschiebungssensor, der zur höchst präzisen und stabilen Geschwindigkeitserfassung geeignet ist, da das optische Interferenzsystem aus optischen Elementen wie zum Beispiel Linsen und Beugungsgittern aufgebaut ist, die mittels des Replikverfahrens hergestellt werden und wie bei den vorangehenden Ausführungsbeispielen auf beide Seiten einer Glasplatte geschichtet werden. Außerdem weist das vorliegende Ausführungsbeispiel die folgenden zusätzlichen Merkmale auf:
(1) Da der Trennungswinkel θA und der Einfallswinkel θB der Lichtstrahlen durch zwei Sätze von Beugungsgittern (36, 37A oder 37B) festgelegt werden, wird die Dopplerfrequenz f nicht durch eine Veränderung im Einfallswinkel θB in das Objekt aufgrund einer Schwankung der Wellenlänge λ der Lichtquelle beeinflußt, so daß der Halbleiterlaser, bei welchem die Schwankung der Wellenlänge unvermeidlich ist, ohne Temperaturkompensationsfunktion angewandt werden kann. Eine derartige Temperaturkompensationsfunktion kann hinzugefügt werden, wenn bei dem Sensor eine höhere Stabilität erforderlich ist. In Kombination mit den Tatsache, daß das Erfassungssignal nicht durch eine Temperaturschwankung beeinflußt wird, und daß die Sensoreinheit als eine Ein-Chip- Komponente ausgebildet ist, kann ein sehr hoher Widerstand gegenüber harten Bedingungen wie zum Beispiel Temperaturschwankungen oder mechanische Schwingungen erzielt werden.
(2) Um das von dem Objekt in einen breiten Bereich gestreute Licht aufzufangen, ist eine Kondensorlinse mit einer großen numerischen Apertur (NA) erforderlich. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Kondensor-Lichtweg zu dem Objekt geneigt, um die NA zu reduzieren, das Objekts wird durch kleine Beugungsgitter 36, 37A, 37B und die Linse 35 bestrahlt, ein zurückkehrender Lichtweg verläuft in abgelenkter Weise, um das gestreute Licht von dem Objekt einzufangen, und das Licht wird mittels einer Linse mit einer großen Apertur verdichtet. Folglich kann ein Doppler- Signal von zufriedenstellender Qualität erzielt werden, und die austretenden und zurückkehrenden Lichtwege können einfach getrennt werden. Deshalb kann das gestreute Licht ohne ein spezielles optisches System wie zum Beispiel einen Halbspiegel zum Teilen der Lichtwege durch das Licht-empfangende Element 4 empfangen werden, das von der Lichtquelle getrennt positioniert ist, um das Doppler-Signal zu erzielen, so daß die Anzahl der Komponenten des optischen Systems reduziert werden kann.
(3) Da die austretenden und zurückkehrenden optischen Wege voneinander getrennt sind, erreicht das auf den Flächen von mehreren optischen Elementen auf der Glasplatte reflektierte Licht niemals das Licht-empfangende Element.
(4) Da die austretenden und zurückkehrenden optischen Wege voneinander getrennt sind, kann der Abstand zwischen dem Licht-emittierenden Element und der Linse durch den Gebrauch einer kleinen Mikrolinse mit einer kurzen Brennweite reduziert werden, wodurch die Realisierung eines kompakten Aufbaus ermöglicht wird.
(5) Da der optische Weg des Lichtstrahls von dem Licht- emittierenden Element mittels eines reflektierenden Elements gekrümmt wird, kann eine gewünschte Brennweite zwischen dem Licht-emittierenden Element und der Linse erzielt werden, selbst wenn die Glasplatte und das Licht-emittierende Element nahe positioniert sind, wodurch auf einfache Weise ein dünner Aufbau erzielt werden kann.
(6) Ein feinerer Abstand bei dem Beugungsgitter 36 erhöht durch Beugung den Trennwinkel θA, so daß das gebeugte Licht ausreichend räumlich getrennt werden kann, selbst wenn der Abstand zu den Beugungsgittern 37A, 37B gering ist (und zwar selbst wenn die Glasplatte 8 dünn ist). Infolgedessen kann ein ausreichender Arbeitsabstand erzielt werden, und es kann eine Doppler-Einrichtung hergestellt werden, die selbst in einer dünnen, kompakten Bauform bequem zu handhaben ist. Durch die Auswahl eines feineren Abstands für die Beugungsgitter 37A, 37B unter derartigen Bedingungen steigt der Einfallswinkel θB zu dem Objekt, um eine größere Doppler-Verschiebung zu erzielen, wodurch ein Doppler-Verschiebungssensor mit einer höheren Empfindlichkeit und einer höheren Auflösung realisiert wird. Es ist somit möglich, all die Bedingungen wie hohe Empfindlichkeit, hohe Auflösung, kompakter und dünner Aufbau und Einfachheit der Handhabung zu erfüllen.

[Zehntes Ausführungsbeispiel]

Im folgenden wird mit Bezug auf Fig. 13A bis 13C ein Doppler-Verschiebungssensor erklärt, der ein zehntes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bildet. Die kleinen Bauteile mit einer Größe in der Größenordnung von Millimetern, die bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel angewandt werden, erfordern eine extrem hohe Genauigkeit der Montage, da selbst eine Positionsabweichung in der Größenordnung von einigen zehn Mikron in einer großen Abweichung der optischen Wege resultiert, und folglich die Genauigkeit der Erfassung verschlechtert wird. Aus diesem Grund ist das vorliegende Ausführungsbeispiel mit einem Justiermechanismus zur Ermöglichung der Justierung des optischen Systems versehen. Das Erfassungsprinzip des Doppler-Verschiebungssensors ist das gleiche wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel.
Wie in Fig. 13A bis 13C gezeigt ist, ist rund um das Gehäuse 5 herum, welches die optischen Elemente wie zum Beispiel das Licht-emittierende Element 1 und den Spiegel 2 enthält, ein Befestigungsrahmen 12 geschaffen. Auf der oberen Fläche des Befestigungsrahmens 12 ist eine Glasplatte 7 befestigt, auf welcher optische Funktionselemente ähnlich denen in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel ausgebildet sind. Rund um den Befestigungsrahmen 12 herum ist ein Befestigungsrahmen 15 vorgesehen. Auf der oberen Fläche des Befestigungsrahmens 15 ist eine Glasplatte 8 befestigt, auf welcher optische Funktionselemente ähnlich denen in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel ausgebildet sind. Die in dem Gehäuse 5 befestigten optischen Elemente können durch die Justierung der relativen Positionsbeziehung zwischen dem Gehäuse 5, dem Befestigungsrahmen 12 und dem Befestigungsrahmen 15 mit den auf den Glasplatten 7, 8 ausgebildeten optischen Funktionselementen wie zum Beispiel Linsen und Beugungsgittern ausgerichtet werden. Nach der Justierung werden diese Komponenten mittels Schranbmechanismen 13, 14 fixiert, die an vier Seiten der Befestigungsrahmen 12, 15 geschaffen sind, und die Stabilität wird durch Ausfüllung der Zwischenräume mit einem Klebematerial erhöht. Folglich kann durch das vorliegende Ausführungsbeispiel ein höchst genauer Doppler-Verschiebungssensor geschaffen werden, bei welchem eine einfache Justierung an der Baugruppe möglich ist, da die Bauteile des Sensors in drei Einheiten ausgebildet sind, zwischen welchen die relative Justierung ausgeführt werden kann.

[Elftes Ausführungsbeispiel]

Fig. 14 ist ein Blockdiagramm eines Antriebssystems, das hauptsächlich für den Gebrauch in einer Bildaufzeichnungsvorrichtung oder einer Bildleseeinrichtung angepaßt ist und eine Anwendung des vorhergehend erklärten Doppler-Verschiebungssensors darstellt. Ein sich bewegendes Objekt 110 wie zum Beispiel ein Aufzeichnungsbogen wird mittels der Antriebseinrichtung 112, die mit einem Antriebsmechanismus versehen, der einen Antriebsmotor und Rollen aufweist. Der Betrag der Verschiebung oder die Verschiebungsgeschwindigkeit des Objekts 110 wird in einem Nicht-Berührungszustand mittels eines Verschiebungssensors 111 gemäß dem neunten oder zehnten Ausführungsbeispiel erfaßt. Das Erfassungsausgangssignal des Verschiebungssensors wird zu der Steuereinrichtung 113 rückgekoppelt, welche ein Antriebssignal zu der Antriebseinrichtung 112 sendet, um eine mittels der Einstelleinrichtung 114 eingestellte Bedingung zu realisieren. Das verschobene Objekt 110 kann mit Hilfe eines derartigen Rückkopplungssystems gemäß der Einstellung durch die Einstelleinrichtung 114 bewegt werden. Ein solches Antriebssystem ist bei Büroausstattungen wie zum Beispiel Schreibmaschinen, Druckern, Kopiergeräten oder Faxgeräten, abbildender Ausstattung wie zum Beispiel Kameras oder Videoausrüstungen, Informations-Aufzeichnungs/Wiedergabeausstattungen, Robotern, Bearbeitungsmaschinen, Herstellungsvorrichtungen, Transportvorrichtungen oder anderen mit Antriebseinrichtungen versehenen Vorrichtungen anwendbar.

[Modifikationen]

Obgleich die vorangehenden Ausführungsbeispiele auf Kodiereinrichtungen und Doppler-Verschiebungssensoren eingeschränkt worden sind, ist die vorliegende Erfindung nicht auf derartige Ausführungsbeispiele eingeschränkt und ist innerhalb des Geltungsbereichs der vorliegenden Erfindung unterschiedlichen Modifikationen unterworfen.
Zum Beispiel wird bei den vorhergehenden Ausführungsbeispiel als das Gehäuse ein lichtundurchlässiges Keramikgehäuse angewandt, das normalerweise als das Gehäuse für Halbleiterchips oder CCD-Fotosensoreinrichtungen verwendet wird, aber an dessen Stelle kann ein Metallgehäuse angewandt werden. Außerdem kann die Glasplatte durch eine transparente Plastikplatte ersetzt werden.
Auch kann die in den vorangehenden Ausführungsbeispielen angewandte Repliklinse durch eine Komponente mit äquivalenter Funktion wie zum Beispiel eine Fresnellinse oder ein Zonengitter ersetzt werden. Ferner kann das Replik-Beugungsgitter in der Querschnittsform durch ein Blaze-Gitter oder ein Amplitudengitter ersetzt werden.
Wie im vorhergehenden detailliert erklärt wurde, kann mit Hilfe der vorliegenden Erfindung ein optischer Sensor geschaffen werden, bei welchem gleichzeitig eine Miniaturisierung und eine hohe Genauigkeit und eine hohe Auflösung auf einem sehr hohen Niveau erreicht werden können, und welcher einen hohen Widerstand gegenüber den Umgebungsbedingungen hat.
Es wird eine Verschiebungserfassungsvorrichtung zur Messung der Verschiebung oder der Geschwindigkeit eines Objekts offenbart. Die Vorrichtung ist mit einem Gehäuse, das ein optisches Fenster hat, einem Licht-emittierenden Element und einem Licht-empfangenden Element, die in dem Gehäuse enthalten sind, einem transparenten Plattenelement, das in der Nähe des Fensters geschaffen ist, einem ersten optischen Funktionselement, das auf den transparenten Plattenelement geschaffen ist und zum Teilen des mittels des Licht-emittierenden Elements erzeugten Lichts in mehrere von diesem emittierte Lichtstrahlen dient, und einem zweiten optischen Funktionselement versehen, das auf den transparenten Plattenelement geschaffen ist und zur Führung der Lichtstrahlen zu dem Licht-empfangenden Element dient, wobei die Lichtstrahlen moduliert werden, wenn die emittierten Lichtstrahlen auf ein relativ verschobenes Objekt gestrahlt werden.

Claims

1. Verschiebungserfassungsvorrichtung zur Erfassung der Information bezüglich einer Verschiebung eines Objekts, mit

einer Lichtquelle,

einem Lichtstrahl-umformenden optischen Element zur Umformung des Konvergenz-Divergenz-Zustands eines Lichtstrahls von der Lichtquelle,

einem optischen Teilerelement zum Teilen des mit Hilfe des Lichtstrahl-umformenden optischen Elements umgeformten Lichtstrahls, so daß mindestens zwei mittels des optischen Teilerelements geteilte Lichtstrahlen auf das Objekt gestrahlt werden, und

einem Erfassungsystem, das mindestens ein Licht-empfangendes Element zur Erfassung des Lichtstrahls enthält, zur Ausführung der Erfassung durch Mischen und Interferieren der mindestens zwei Lichtstrahlen, welche von dem Objekt kommen, wobei die Information bezüglich der Verschiebung des Objekts auf der Basis des Erfassungssignals des Licht-empfangenden Elements gemessen wird,

gekennzeichnet durch

ein transparentes Element, wobei das Lichtstrahl-umformende optische Element und das optische Teilerelement einstückig auf dem transparenten Element geschaffen sind, und an verschiedenen Flächen von diesem befestigt sind, und der Lichtstrahl von der Lichtquelle das transparente Element von dem Lichtstrahl-umformenden optischen Element zu dem optischen Teilerelement passiert.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das optische Teilerelement derart positioniert ist, daß mindestens zwei Lichtstrahlen in ein auf dem Objekt geschaffenes Beugungsgitter eintreten, und das Erfassungssystem die Erfassung auf eine solche Weise ausführt, daß mindestens zwei mittels des Beugungsgitters gebeugte Lichtstrahlen gemischt und interferiert werden.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei das Erfassungssystem ein optisches Mischelement zum Mischen der mindestens zwei mittels des Beugungsgitters gebeugten Lichtstrahlen enthält.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei das optische Mischelement mit dem Lichtstrahl-umformenden optischen Element und dem optischen Teilerelement auf dem transparenten Element einstückig ausgebildet ist.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei das Lichtstrahl umformende optische Element eine Linse aufweist, und das optische Teilerelement und das optische Mischelement ein Beugungsgitter aufweisen.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei ein Betrag der relativen Verschiebung des Beugungsgitters mit Bezug auf das Erfassungssystem auf der Basis des Erfassungssignals des Licht-empfangenden Elements gemessen wird.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Lichtstrahlumformende optische Element eine Linse aufweist.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das optische Teilerelement ein Beugungsgitter aufweist.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Erfassungssystem die Erfassung auf eine solche Weise ausführt&sub1; daß die mindestens zwei Lichtstrahlen, die durch das Objekt gestreut werden, gemischt und interferiert werden.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei auf der Basis des Erfassungssignals des Licht-empfangenden Elements eine relative Geschwindigkeit des Objekts mit Bezug auf das Erfassungssystem gemessen wird.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das optische Teilerelement dazu angepaßt ist, den Lichtstrahl von dem Lichtstrahl-umformenden optischen Element in drei Lichtstrahlen zu teilen, und das Erfassungssystem derart positioniert ist, daß ein Interferenzlicht von zweifach gebeugten Lichtstrahlen, die durch zwei von drei Lichtstrahlen von dem Objekt erzeugt werden, mittels eines ersten Licht-empfangenden Elements erfaßt wird, und daß das andere Interferenzlicht von zweifach gebeugten Lichtstrahlen, die durch zwei Lichtstrahlen anderer Kombination der drei Lichtstrahlen von dem Objekt erzeugt werden, mittels eines zweiten Licht-empfangenden Elements erfaßt werden.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Lichtquelle und das transparente Element einstückig in einem Rahmen positioniert sind,

13. Vorrichtung gemäß Anspruch 12, wobei auch das Erfassungssystem zusammen mit der Lichtquelle und dem transparenten Element einstückig in dem Rahmen geschaffen ist.

14. Vorrichtung zum Antrieb eines Objekts, mit einer Lichtquelle,

einem optischen Teilerelement zum Teilen des mit Hilfe des Lichtstrahl-umformenden optischen Elements umgeformten Lichtstrahls, so daß mindestens zwei mittels des optischen Teilerelements geteilte Lichtstrahlen auf das Objekt gestrahlt werden,

einem Erfassungsystem, das mindestens ein Licht-empfangendes Element zur Erfassung des Lichtstrahls enthält, zur Ausführung der Erfassung durch Mischen und Interferieren der mindestens zwei Lichtstrahlen, welche von dem Objekt kommen,

einer Antriebseinheit zur Bewirkung des relativen Antriebs zwischen dem Objekt und dem Erfassungssystem, und einer Steuereinheit zur Steuerung der Antriebseinheit auf der Basis eines Erfassungssignals des Licht-empfangenden Elements,

gekennzeichnet durch ein transparentes Element, wobei das Lichtstrahl-umformende optische Element und das optische Teilerelement einstückig auf dem transparenten Element geschaffen sind, und an verschiedenen Flächen von diesem befestigt sind, und der Lichtstrahl von der Lichtquelle das transparente Element von dem Lichtstrahl-umformenden optischen Element zu dem optischen Teilerelement passiert.