DE69324288T2

DE69324288T2 - Beschleunigung- und Winkelbeschleunigungsmesser

Info

Publication number: DE69324288T2
Application number: DE69324288T
Authority: DE
Inventors: Norito Watanabe
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-01-31
Filing date: 1993-01-29
Publication date: 1999-11-04
Anticipated expiration: 2013-01-30
Also published as: EP0553877A1; DE69324288D1; JPH05215764A; EP0553877B1; US5336983A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Beschleunigungsmesser und einen Winkelbeschleunigungsmesser, die z. B. für eine Antriebsregelung eines Arms und dergleichen eines Roboters geeignet sind, wenn sie als ein Versetzungssensor verwendet werden.
Herkömmlicherweise sind ein Beschleunigungsmesser und ein Winkelbeschleunigungsmesser in zahlreichen Gebieten von z. B. einem Seismometer, einem Vibrometer und einem Stoßmeßgerät, und bei einer Antriebsregelung von zahlreichen Armen eines Roboters verwendet worden.
Viele der herkömmlichen Beschleunigungsmesser (einschließlich Winkelbeschleunigungsmesser) nehmen eine durch eine Beschleunigung verursachte Versetzung eines Pendels oder einer Feder unter Verwendung eines Versetzungssensors wahr, wodurch die Beschleunigung erhalten wird. Beispiele für diesen Versetzungssensor sind ein Wirbelstromsensor, ein elektrisch-kapazitiver Sensor, und ein Differential-Übertragungs-Sensor. Die Empfindlichkeiten dieser Versetzungssensoren werden im allgemeinen leicht durch ein starkes elektromagnetisches Feld beeinflußt und sind auch gegen Veränderungen z. B. bei Temperatur und Druck empfindlich. Andererseits ist ein optischer Sensor, wie z. B. eine Codiereinrichtung, als ein Versetzungssensor verfügbar, der nicht einfach durch Umgebungsveränderungen beeinflußt wird.
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die einen Hauptteil einer Versetzungserfassungseinheit eines in der JP 61-87363 U vorgeschlagenen Beschleunigungsmessers zeigt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 ist ein dünnes plattenähnliches Element 73 mit einem Schlitz 72 an dem Endabschnitt eines stabförmigen Pendels 71 vorgesehen, das auf der Grundlage einer darauf aufgebrachten Beschleunigung versetzt wird. Eine Lichtausstrahlungseinheit 74 und eine Lichtempfangseinheit 75 sind angeordnet, um das dünne plattenähnlichen Elemente 73 schichtweise zwischen ihnen aufzunehmen. Die Versetzung des Pendels 71 wird durch ein Erfassen eines Lichtmengengleichgewichts zwischen zwei die Lichtempfangseinheit 75 bildenden Lichtempfangselementen 75a und 75b erhalten, wodurch die aufgebrachte Beschleunigung erhalten wird.
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht, die einen Hauptteil einer Versetzungserfassungseinheit eines in der JP-2-249974 A vorgeschlagenen Beschleunigungsmessers zeigt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 ist ein bewegliches Element 83 an einem Ende einer an ein feststehendes Element 81 befestigten Abstützung 82 vorgesehen. Ein Lichtstrahl von einer Lichtausstrahlungseinheit 85 wird durch eine durch das bewegliche Element 83 gehaltene Kondensorlinse 84 konzentriert und auf eine Lichtempfangseinheit 86 konvergiert. Die Versetzung der auf der Grundlage einer aufgebrachten Beschleunigung versetzten Abstützung 82 wird durch ein Erfassen eines Lichtmengengleichgewichts zwischen zwei die Lichtempfangseinheit 86 bildenden Lichtempfangselementen 86a und 86b erhalten, wodurch die aufgebrachte Beschleunigung erhalten wird.
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, das einen Hauptteil eines Winkelbeschleunigungsmessers zum Regeln eines Antriebs eines Roboterarms unter Verwendung einer herkömmlichen Drehcodiereinrichtung zeigt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 3 erfaßt eine Erfassungseinheit 93 ein Winkelpositionssignal von einem Motor 92 in Übereinstimmung mit einem Signal von einer Codiereinrichtung 91. Ein erstes Rechenwerk 94 differenziert das Signal von der Erfassungseinheit 93, um die Geschwindigkeit des Motors zu erhalten. Ein zweites Rechenwerk 95 differenziert das Geschwindigkeitssignal von dem ersten Rechenwerk 94, um die Winkelbeschleunigung des Motors 92 zu erhalten.
Bei jedem der in Fig. 1 und 2 gezeigten Beschleunigungsmesser verursachen z. B. Störkomponenten in diesem Signal eine Komplexität bei einer Rechenverarbeitung während einer Durchführung einer Servoregelung, weil das durch die Lichterfassungseinheit erfaßte Signal ein Signal in analoger Form ist. Dies verursacht auch ein Problem der Schwierigkeit bei einer Erhöhung der Erfassungsauflösung und der Erfassungsempfindlichkeit.
Außerdem sind die Lichtausstrahlungseinheit und die Lichtempfangseinheit angeordnet, um sich einander gegenüberzustehen, wobei das lichtdurchlassende bewegliche Element zwischen diesen liegt. Diese Anordnung erfordert einen großen Raum und das Gesamtgerät neigt folglich zu einer Zunahme in der Größe.
Der in Fig. 3 gezeigte Winkelbeschleunigungsmesser erfordert andererseits eine komplizierte Schaltung, um es den Rechenwerken zu gestatten, das durch die Codiereinrichtung erhaltene Winkelsignal zu differenzieren. Das Ergebnis ist eine Abnahme in der Erfassungsgenauigkeit, wobei dies erschwert, einen Antrieb eines Motors mit einer hohen Genauigkeit zu regeln.
Weiterhin offenbart die Druckschrift FR-1 438 335 eine Anordnung eines Beschleunigungsmessers für die Erfassung einer Winkelbeschleunigung, wobei ein mittiges drehbares Teil (Drehelement) drehend an einem Hauptkörper angeordnet und mittels jeweiliger Federn an einer Ausgangsposition befestigt ist, wobei das Licht einer auf sein photoempfindliches Element gerichteten Lichtquelle fortwährend in Übereinstimmung mit der Winkelbewegung des Drehelements verdunkelt wird. Die Ausgabesignale der fortwährend Signale ausbildenden photoempfindlichen Elemente werden zum Erfassen der auf den Beschleunigungsmesser aufgebrachten Winkelbeschleunigung verwendet. Insbesondere ist mit dieser Anordnung ein Aperturmechanismus vorgesehen, bei dem die Öffnungsmenge gemäß einer Veränderung in der Winkelbeschleunigung variiert und die Veränderung in der Öffnungsmenge durch die Veränderung in der empfangenen Lichtmenge der photoempfindlichen Elemente erfaßt wird. Die Lichtempfangsmenge wird ausgewertet, wobei die Winkelbeschleunigung auf der Grundlage dieser Erfassung erhalten wird.
Weiterhin betrifft die Druckschrift DE 40-15-668 A1 einen Beschleunigungssensor für ein Fahrzeug, wobei eine lineare Anordnung eines beweglichen Übertragungsteils (Versetzungsabschnitt) durch zwei Spiralfedern befestigt ist und zum Unterbrechen eines Lichtstrahls zwischen einer lichtausstrahlenden Diode und einem photoempfindlichen Element (Codiereinrichtung) eine an das Übertragungsteil montierte Skala vorgesehen ist, wenn eine Beschleunigung auf den Übertragungsteil aufgebracht wird, wodurch die Beschleunigung in ihrer Richtung und Stärke erfaßt wird. Dieser Beschleunigungssensor in einer linearen Anordnung erfaßt Längsbeschleunigungen aufgrund einer Linearbewegung.
Angesichts des zugrundeliegenden Stands der Technik ist es eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Beschleunigungsmesser vorzusehen, der eine einfache Anordnung als Ganzes aufweist und zum Erfassen einer Beschleunigung mit einer hoher Genauigkeit geeignet ist.
Es ist eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen optischen Winkelbeschleunigungsmesser vorzusehen, der zu einer Antriebsregelung mit einer hohen Genauigkeit geeignet ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die vorstehend genannten Aufgaben durch einen in den beigefügten Ansprüchen beanspruchten Winkelbeschleunigungsmesser gelöst.
Weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden in der Beschreibung von später darzustellenden Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ersichtlich.
Fig. 1 ist eine schematische Ansicht, die einen herkömmlichen Beschleunigungsmesser zeigt;
Fig. 2 ist eine schematische Ansicht, die einen anderen herkömmlichen Beschleunigungsmesser zeigt;
Fig. 3 ist eine schematische Ansicht, die einen herkömmlichen Winkelbeschleunigungsmesser zeigt;
Fig. 4 ist eine schematische Ansicht, die einen Hauptteil des ersten Ausführungsbeispiels eines optischen Beschleunigungsmessers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 5 ist eine Ansicht zum Erläutern des Meßprinzips einer Codiereinrichtung der Beugungslichtinterferenzbauart gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 ist eine Ansicht zum Erläutern eines Abschnitts der Fig. 5;
Fig. 7 ist eine schematische Ansicht, die einen Hauptteil des zweiten Ausführungsbeispiels eines optischen Beschleunigungsmessers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 8 ist eine schematische Ansicht, die einen Hauptteil des dritten Ausführungsbeispiels eines optischen Beschleunigungsmessers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 9 ist ein Blockdiagramm, das einen Hauptteil des vierten Ausführungsbeispiels eines optischen Winkelbeschleu nigungsmessers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 10A und 10B sind schematische Ansichten, die Hauptteile des vierten Ausführungsbeispiels eines optischen Winkelbeschleunigungsmessers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen; und
Fig. 11A und 11B sind schematische Ansichten; die das fünfte Ausführungsbeispiel eines optischen Winkelbeschleunigungsmessers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen.
Die kennzeichnenden Gesichtspunkte von optischen Beschleunigungsmessern gemäß den nachfolgend zu beschreibenden Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sind wie folgt:
(1) Eine Abstützung, die eine Skala in ihrem Abschnitt hat und elastisch in die Richtung der Messung versetzt wird, ist in einem Gehäuse vorgesehen. Eine in einem Abschnitt des Gehäuses angeordnete Codiereinrichtung liest optisch die Versetzungsinformation der Skala auf der Grundlage von einer auf das Gehäuse aufgebrachten Beschleunigung, wodurch die auf das Gehäuse aufgebrachte Beschleunigung erhalten wird.
(2) Eine Abstützung, die einen Biegungsabschnitt an ihrem einen Ende und eine Skala an dem anderen Ende hat und elastisch in die Richtung der Messung versetzt wird, ist in einem Gehäuse vorgesehen. Eine Antriebseinheit mit einer Spule und einem Magnet zum Aufbringen einer Vorspannkraft auf die Abstützung ist ebenfalls eingebaut. Eine in einem Abschnitt des Gehäuses angeordnete Codiereinrichtung liest optisch die Versetzungsinformation der Skala auf der Grundlage von einer auf das Gehäuse aufgebrachten Beschleunigung. Eine Servoverstärkerschaltung regelt die Antriebseinheit unter Verwendung eines Ausgabesignals von der Codiereinrichtung, um eine Rückstellkraft an die Abstützung zu geben. Die Abstützung wird somit in einen ausgeglichenen Zustand zurückgesetzt, wodurch die auf das Gehäuse aufgebrachte Beschleunigung er halten wird.
Die Abstützung besteht aus einer Blattfeder und die Codiereinrichtung gestattet ein Auftreffen von kohärenten Lichtstrahlen auf der Skala, um Interferenzstreifen unter Verwendung von Beugungslichtstrahlen von vorbestimmter Ordnungen über die Skala auszubilden. Die Codiereinrichtung mißt Hell-Dunkel-Grenzen der Interferenzstreifen und erhält dadurch die Versetzungsinformation der Skala. Die auf das Gehäuse aufgebrachte Beschleunigung wird durch einen Gebrauch eines Stromwertes erhalten, der durch die Spule der Antriebseinheit fließt.
Die kennzeichnenden Gesichtspunkte von optischen Winkelbeschleunigungsmessern gemäß den nachfolgend zu beschreibenden Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sind ebenfalls wie folgt:
(3) Eine Scheibe mit einer Skala ist an einer in einem Gehäuse angeordneten drehenden Welle befestigt. Eine in einem Abschnitt des Gehäuses vorgesehene Codiereinrichtungsleseeinheit liest die Skala auf der Scheibe, um eine Drehinformation der drehenden Welle zu erhalten. Außerdem ist eine Winkelbeschleunigungsleseeinheit, bei der eine Codiereinrichtung auf einem Abschnitt einer elastisch versetzten Abstützung angeordnet ist, an der drehenden Welle befestigt. Die Codiereinrichtung liest optisch die relative Lagebeziehung zwischen der auf der Grundlage einer auf die drehende Welle aufgebrachten Winkelbeschleunigung versetzten Codiereinrichtung und der Skala, wodurch die auf die drehende Welle aufgebrachte Winkelbeschleunigung erhalten wird. (4) Eine Scheibe mit einer Skala ist an einer in einem Gehäuse vorgesehenen drehenden Welle befestigt. Eine in einem Abschnitt des Gehäuses angeordnete Codiereinrichtungsleseeinheit liest die Skala auf der Scheibe, um die Drehinfor mation der drehenden Welle zu erhalten. Außerdem ist eine Winkelbeschleunigungsleseeinheit, bei der ein Biegungsabschnitt an einem Ende einer elastisch versetzten Abstützung vorgesehen und eine Codiereinrichtung an dem anderen angebracht ist, an der drehenden Welle befestigt. Eine Antriebseinheit mit einer Spule und einem Magnet zum Aufbringen einer Vorspannkraft auf die Abstützung ist ebenfalls eingebaut. Die Codiereinrichtung liest die relative Lagebeziehung zwischen der auf der Grundlage einer auf die drehende Welle aufgebrachten Winkelbeschleunigung versetzten Codiereinrichtung und der Skala. Eine Servoverstärkerschaltung regelt die Antriebseinheit durch eine Verwendung eines Ausgabesignals von der Codiereinrichtung, um eine Rückstellkraft an die Abstützung zu geben. Die Abstützung wird somit in einen ausgeglichenen Zustand zurückgesetzt, wodurch die auf die drehende Welle aufgebrachte Winkelbeschleunigung erhalten wird.
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Fig. 4 ist eine schematische Ansicht, die einen Hauptteil eines optischen Winkelbeschleunigungsmessers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 4 besteht eine Abstützung 11, die geeignet ist, in die Meßrichtung elastisch versetzt zu werden, z. B. aus einer Blattfeder und ist in einem Abschnitt eines Gehäuses 14 angeordnet. Eine Skala 12 ist an einem Ende der Abstützung 11 befestigt. Die Skala 12 wird durch ein Reflexionsbeugungsgitter gebildet.
Eine optische Codiereinrichtung 13 ist angeordnet, um der Skala 12 gegenüberzustehen. Die Einzelheiten der Anordnung der optischen Codiereinrichtung 13 werden später beschrie ben. Wenn eine Beschleunigung auf das Gehäuse 14 aufgebracht wird, wird die Abstützung 11 in die Richtung der Beschleunigung elastisch versetzt. Die optische Codiereinrichtung 13 liest optisch die Größe der Versetzung der Skala 12, die an der Abstützung 11 befestigt ist und mit der Versetzung der Abstützung 11 versetzt wird. Ein Rechenwerk 15 berechnet die auf das Gehäuse 14 aufgebrachte Beschleunigung auf der Grundlage eines Signals von der optischen Codiereinrichtung 13. Die Versetzungsgröße der Abstützung 11 hängt nämlich von einer auf die Skala 12 aufgebrachten Trägheitskraft ab, wobei diese Trägheitskraft von der auf das Gehäuse 14 aufgebrachten Beschleunigung abhängt. Folglich wird im voraus ein diese Variablen verbindender Vergleichsausdruck erhalten, der, wobei die Beschleunigung aus der durch die optische Codiereinrichtung 13 und den Vergleichsausdruck gelesenen Versetzungsgröße berechnet wird.
Fig. 5 ist eine schematische Ansicht, die einen Hauptteil der auf dieses Ausführungsbeispiel anwendbaren optischen Codiereinrichtung 13 zeigt. Das Meßprinzip der in Fig. 5 gezeigten optischen Codiereinrichtung wird nachfolgend beschrieben.
Unter Bezugnahme auf Fig. 5 wird ein kohärenter Lichtstrahl von einem Laser 1 durch eine Kollimatorlinse 2 zu einem im wesentlichen parallelen Lichtstrahl parallel gerichtet. Dieser parallele Lichtstrahl trifft auf einen Polarisationsstrahlteiler 9, wodurch er in zwei Lichtstrahlen geteilt wird, d. h., einen linear polarisierten durchgelassenen Lichtstrahl und einen linear polarisierten reflektierten Lichtstrahl. In diesem Fall wird die Position des Lasers 1 derart eingestellt, daß der lineare Polarisationsazimut eines von dem Laser 1 ausgestrahlten Lichtstrahls 45º bezüglich dem Polarisationsstrahlteiler 9 ist. Das macht das Intensitätsverhältnis des durchgelassenen Lichtstrahls zu dem von dem Polarisationsstrahlteiler 9 reflektierten Licht strahl im wesentlichen gleich 1 : 1.
Der von dem Polarisationsstrahlteiler 9 reflektierte Lichtstrahl und der durchgelassene Lichtstrahl werden durch Viertelwellenplatten 5&sub1; und 5&sub2; in kreisförmig polarisierte Lichtstrahlen umgewandelt und durch Reflexionsspiegel 10&sub1; und 10&sub2; reflektiert. Die reflektierten Lichtstrahlen treffen auf ein als die Skala 12 verwendetes Beugungsgitter 3. In diesem Fall ist der Einfall dieser Lichtstrahlen derart, daß ein +m-tes gebeugtes Licht des durch den Strahlteiler durchgelassenen Lichtstrahls und ein -m-tes gebeugtes Licht des von dem Strahlteiler reflektierten Lichtstrahls im wesentlichen vertikal von dem Beugungsgitter 3 reflektiert werden.
Unter der Annahme, die Gitterkonstante des Beugungsgitters ist 3 P, die Wellenlänge des kohärenten Lichtstrahls ist λ, m ist eine ganze Zahl und der Einfallswinkel des kohärenten Lichtstrahls auf das Beugungsgitter 3 ist θm, fallen die Lichtstrahlen nämlich derart ein, um der folgenden Beziehung zu genügen:
θm &sim; sin&supmin;¹ (mλ/P) ...(1)
Die ± m-ten gebeugten Lichtstrahlen, die im wesentlichen vertikal aus dem Beugungsgitter 3 heraustreten, treffen auf ein optisches Element 4a. Eine reflektierende Schicht 4b ist nahe der Brennfläche des optischen Elements 4a ausgebildet. Daher werden die auftreffenden Lichtstrahlen, wie in Fig. 6 gezeigt, von der reflektierenden Schicht 4b reflektiert und treten aus dem optischen Element 4a über die gleichen optischen Wege heraus. Diese Lichtstrahlen treffen wiederum auf das Beugungsgitter 3.
Die ± m'ten reflektierten Lichtstrahlen, die erneut um die gleichen Ordnungen durch das Beugungsgitter 3 gebeugt werden, kehren über ihre jeweiligen ursprünglichen optischen Wege zurück. Diese Lichtstrahlen werden durch die Reflektionsspiegel 10&sub1; und 10&sub2; reflektiert und treffen wieder jeweils durch die Viertelwellenplatten 5&sub1; und 5&sub2; auf den Polarisationsstrahlteiler 9.
Die erneut gebeugten Lichtstrahlen sind durch die Viertelwellenplatten 5&sub1; und 5&sub2; gegangen und zurückgekehrt. Daher wird der zuerst von dem Polarisationsstrahlteiler 9 reflektierte Lichtstrahl bei dem Wiedereintritt durch ihn durchgelassen, weil der Polarisationsazimut von dem ersten um 90º bezüglich des Polarisationsstrahlteilers 9 verschieden ist. Andererseits wird der anfangs durch den Polarisationsstrahlteiler 9 durchgelassene Lichtstrahl von ihm zu diesem Zeitpunkt reflektiert.
Die zwei gebeugten Lichtstrahlen werden durch den Polarisationsstrahlteiler 9 überlagert und der sich daraus ergebende Lichtstrahl wird kreisförmig durch eine Viertelwellenplatte 5&sub3; polarisiert. Das kreisförmig polarisierte Licht wird durch einen Strahlteiler 6 in zwei Lichtstrahlen geteilt, wobei diese zwei Lichtstrahlen linear durch Polarisationsplatten 7&sub1; und 7&sub2; polarisiert werden. Die linear polarisierten Lichtstrahlen treffen jeweils auf Lichtempfangselemente 8&sub1; und 8&sub2;.
Beziehung (1) zeigt an, daß der Winkel θm lediglich in einen Bereich fallen braucht, in dem gebeugte Lichtstrahlen auf ein Kondensorsystem 4 treffen und erneut auf das Beugungsgitter 3 treffen können.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ändert sich die Phase des m-ten gebeugten Lichts um 2mπ mit jeder Bewegung einer Teilung des Beugungsgitters. Daher empfangen die Lichtempfangselemente 8&sub1; und 8&sub2; Lichtstrahlen, die zweimal einer m-ten Beugung unterworfen wurden und die derart miteinander interferieren, daß 4 · m Sinuswellensignale erhalten werden, wenn sich das Beugungsgitter um eine Teilung des Gitters bewegt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Sinuswellensignale gezählt, um die Größe der Versetzung (oder Drehung, wenn das Beugungsgitter auf einem Drehelement angeordnet ist) des Beugungsgitters 3 zu erhalten. Als ein Beispiel, falls die Teilung des Beugungsgitters 3 gleich 3,2 um ist und ± primär (m = 1) gebeugtes Licht als das gebeugte Licht verwendet wird, werden vier Sinuswellensignale von den Lichtempfangselementen 8&sub1; und 8&sub2; erhalten, wenn sich das Beugungsgitter 3 um 3,2 um bewegt. 1/4 der Teilung des Beugungsgitters 3, d. h. 3,2/4 = 0,8 um, wird nämlich als ein Auflösungsvermögen pro Sinuswelle erhalten.
Außerdem erzeugen die Kombinationen der Viertelwellenplatten 5&sub1;, 5&sub2; und 5&sub3; und die Polarisationsplatten 7&sub1; und 7&sub2; eine Phasendifferenz von 90º zwischen den Ausgabesignalen von den Lichtempfangselementen 8&sub1; und 8&sub2;. Das ermöglicht es, die Bewegungsrichtung des Beugungsgitters 3 ebenfalls zu bestimmen. Wenn allein die Menge einer Bewegung ein zu messendes Objekt ist, wird nur ein Lichtempfangselement benötigt, wobei weder die Viertelwellenplatte 5&sub3; noch der Strahlteiler 6 brauchen verwendet zu werden.
Bei dem Kondensorsystem 4 dieses Ausführungsbeispiels ist die reflektierende Fläche dicht an der Brennfläche angeordnet. Folglich können, selbst wenn sich der Beugungswinkel mit einer Veränderung in der Schwingungswellenlänge eines Laserstrahls leicht ändert und sich folglich der Einfallswinkel auf der Kondensorlinse mehr oder weniger ändert, Lichtstrahlen durch im wesentlichen die gleichen optischen Wege zurückgeschickt werden. Das ermöglicht es, zwei positi ve und negative gebeugte Lichtstrahlen zuverlässig zu überlagern, wodurch eine Verringerung in S/N-Verhältnissen der Ausgabesignale von den Lichtempfangselementen 81 und 82 verhindert wird.
Gemäß dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels wird eine hochgenaue Messung mit einer einfachen Anordnung verwirklicht, weil die Skalenversetzung durch die Verwendung des Gitterinterferenzmusters gelesen wird.
Fig. 7 ist eine schematische Ansicht, die einen Hauptteil des zweiten Ausführungsbeispiels eines optischen Beschleunigungsmessers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 7 besteht eine Abstützung 25, die geeignet ist, elastisch in die Meßrichtung versetzt zu werden, z. B. aus einem Pendel. Die Abstützung 25 ist im Innern eines Gehäuses 21 angebracht. Ein Biegungsabschnitt 17 ist an einem Ende der Abstützung 25 vorgesehen, wobei eine Skala 12 an dem anderen Ende angeordnet ist.
Die Skala 12 ist aus einem reflektierenden Beugungsgitter wie bei dem ersten in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel gebildet. Eine optische Codiereinrichtung 13 hat die gleiche Anordnung wie die bei dem ersten Ausführungsbeispiel von Fig. 4.
Eine Antriebseinheit 18 hat eine Spule 19 und einen Magnet 20 und bringt eine Vorspannkraft auf die Abstützung 25 auf. Die Spule 19 ist in einem Abschnitt der Abstützung 25 vorgesehen und der Magnet 20 ist an der Innenwand des Gehäuses 21 befestigt. Eine Servoverstärkerschaltung 22 ist ebenfalls eingebaut.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Abstützung 25 in die Richtung der auf das Gehäuse 21 aufgebrachten Beschleu nigung versetzt. Die optische Codiereinrichtung 13 liest optisch die Größe der Versetzung der Skala 12, die zusammen mit der Abstützung 25 versetzt wird. Die Servoverstärkerschaltung 22 regelt die Antriebseinheit 18 durch Verwendung eines Signals von der optischen Codiereinrichtung 13, um eine Rückstellkraft an die Abstützung 25 zu gebe, wodurch die Abstützung 25 in einen ausgeglichenen Zustand zurückgebracht wird.
Die Servoverstärkerschaltung 22 gestattet es nämlich einem Strom, zur Erzeugung einer zu der Versetzung proportionalen Rückstellkraft durch die Spule 19 zu fließen. Diese Rückstellkraft ist direkt proportional zu der Beschleunigung, die die Abstützung 25 versetzt hat.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Stromwert gemessen, der zu dem Zeitpunkt von der Servoverstärkerschaltung 22 zu der Spule 19 fließt und einer gemessenen Antriebskraft entspricht, wobei ein Rechenwerk die auf das Gehäuse 21 aufgebrachte Beschleunigung auf der Grundlage des Meßwerts berechnet. Es wird nämlich im voraus eine Beziehung zwischen dem Stromwert und der Beschleunigung erhalten, wobei die Beschleunigung aus dem gemessenen Stromwert und dieser Beziehung berechnet wird.
Fig. 8 ist eine schematische Ansicht, die einen Hauptteil des dritten Ausführungsbeispiels eines optischen Beschleunigungsmessers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. In Fig. 8 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 7. die gleichen Teile.
Dieses Ausführungsbeispiel ist bis auf eine direkt an einem Abschnitt einer Abstützung 25 angebrachte Skala 31 im wesentlichen das gleiche wie das in Fig. 7 gezeigte zweite Ausführungsbeispiel.
Fig. 9 ist ein Blockdiagramm, das einen Hauptteil des vierten Ausführungsbeispiels zeigt, bei dem ein optischer Winkelbeschleunigungsmesser gemäß der vorliegenden Erfindung an einen Motor montiert ist. Fig. 10A und 10B sind Ansichten zum Erläutern von Hauptteilen des optischen Winkelbeschleunigungsmessers in Fig. 9.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Gehäuse 57, das durch ein einstückiges Ausbilden einer Drehcodiereinrichtung und eines Winkelbeschleunigungsmessers gebildet ist, an einen Abschnitt eines Motors 41 angebracht. Die Drehcodiereinrichtung erfaßt die Drehinformation des Motors 41, wobei der optische Winkelbeschleunigungsmesser zum gleichen Zeitpunkt direkt die Winkelbeschleunigung des Motors 41 erhält, wodurch ein Antrieb des Motors 41 mit einer hohen Genauigkeit geregelt wird. Ein Rechenwerk 15 dient sowohl als Einrichtung zum Berechnen der Drehinformation als auch als Einrichtung zum Berechnen der Winkelbeschleunigung.
Fig. 10A ist eine Schnittansicht, die einen Hauptteil innerhalb des Gehäuses 57 in Fig. 9 zeigt, und Fig. 10B ist eine Draufsicht, die einen Hauptteil einer Winkelbeschleunigungsleseeinheit 54 nach Fig. 10A zeigt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 10A ist eine drehende Welle 53 an den Motor 41 gekoppelt. Eine Scheibe 51 mit einer Skala 51a und die Winkelbeschleunigungsleseeinheit 54 sind an der drehenden Welle 53 befestigt. Die Skala 51a besteht wie die in Fig. 1 gezeigte Skala aus einem Beugungsgitter. Eine Codiereinrichtungsleseeinheit 52 ist in einem Abschnitt des Gehäuses 57 angeordnet. Die Codiereinrichtungsleseeinheit 52 liest die Skala 51a auf der Scheibe 51, um die Drehinformation der drehenden Welle 53 zu erhalten. Die Codiereinrichtungsleseeinheit 52 hat grundsätzlich die gleiche Anordnung wie die der in Fig. 5 gezeigten Codiereinrichtung.
Unter Bezugnahme auf Fig. 10B ist eine Abstützung 55, die geeignet ist, elastisch versetzt zu werden, z. B. aus einer Blattfeder gebildet. Ein Ende der Abstützung 55 ist in Verbindung mit der drehenden Welle 53 vorgesehen, wobei eine Codiereinrichtung 56 an ihrem anderen Ende befestigt ist. Die Anordnung der Codiereinrichtung 56 ist ähnlich zu der der optischen Codiereinrichtung 13 des ersten Ausführungsbeispiels.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die relative Lagebeziehung zwischen der Codiereinrichtung 56 und der Skala 51a ebenfalls versetzt, weil die Abstützung 55 versetzt wird, wenn eine Winkelbeschleunigung auf die drehende Welle 53 aufgebracht wird. Die Codiereinrichtung 56 liest zu diesem Zeitpunkt optisch die Größe der relativen Versetzung der Skala 51a, wobei die auf die drehende Welle 53 aufgebrachte Winkelbeschleunigung unter Verwendung eines Signals von der Codiereinrichtung 56 berechnet wird. Die Größe der relativen Versetzung der Skala 51a hängt nämlich von der auf die drehende Welle 53 aufgebrachten Winkelbeschleunigung ab. Daher wird im voraus ein diese Variablen betreffender Vergleichsausdruck erhalten, wobei die Winkelbeschleunigung in Übereinstimmung mit der durch die Codiereinrichtung und dieser Beziehung gelesenen Versetzungsgröße berechnet wird.
Fig. 11A und 11B sind schematische Ansichten, die Hauptteile des fünften Ausführungsbeispiels eines optischen Winkelbeschleunigungsmessers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen. In Fig. 11A und 11B bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 10A und 10B die gleichen Teile. Das fünfte Ausführungsbeispiel ist bis auf das Folgende fast das gleiche wie das vierte Ausführungsbeispiel.
Fig. 11A ist eine Schnittansicht, die einen Hauptteil innerhalb eines Gehäuses 57 zeigt, und Fig. 11B ist eine Draufsicht, die einen Hauptteil einer Winkelbeschleunigungsleseeinheit 54 nach Fig. 11A zeigt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 11A und 11B besteht eine Abstützung 62, die geeignet ist, elastisch in die Meßrichtung versetzt zu werden, z. B. aus einem Pendel und ist innerhalb des Gehäuses 57 angeordnet. Ein Biegungsscharnier 63 ist an einem Ende der Abstützung 62 vorgesehen, wobei eine Codiereinrichtung 56 an ihrem anderen Ende vorgesehen ist. Eine auf einer Scheibe 51 ausgebildete Skala 51a besteht aus einem reflektierenden Beugungsgitter wie bei dem in Fig. 4 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel.
Eine optische Codiereinrichtung 56 hat die gleiche Anordnung wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel von Fig. 4. Eine Antriebseinheit 67 hat eine Spule 65 und einen Magnet 66 und bringt eine Vorspannkraft auf die Abstützung 62 auf. Die Spule 65 ist auf einem Abschnitt der Abstützung 62 vorgesehen und der Magnet 66 ist außerhalb der Spule 65 derart befestigt, um nicht mit der Spule 65 in Kontakt zu sein. Eine Servoverstärkerschaltung 68 ist ebenfalls eingebaut.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Abstützung 62 in die Richtung der auf eine drehende Welle 53 aufgebrachten Beschleunigung versetzt. Die optische Codiereinrichtung 56 liest optisch die Größe der relativen Versetzung der zusammen mit der Abstützung 62 versetzten Skala 51a.
Die Servoverstärkerschaltung 68 regelt die Antriebseinheit 67 durch eine Verwendung eines Signals von der optischen Codiereinrichtung 56, um eine Rückstellkraft an die Abstützung 62 zu geben, wodurch die Abstützung 62 in einen ausgeglichenen Zustand zurückgebracht wird.
Die Servoverstärkerschaltung 68 gestattet es nämlich einem Strom, zur Erzeugung einer zu der Versetzung proportio nalen Rückstellkraft durch die Spule 65 zu fließen. Diese Rückstellkraft ist direkt proportional zu der Winkelbeschleunigung, die die Abstützung 62 versetzt hat.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Stromwert gemessen, der zu diesem Zeitpunkt von der Servoverstärkerschaltung 68 zu der Spule 65 fließt, wobei ein Rechenwerk die auf die drehende Welle aufgebrachte Winkelbeschleunigung auf der Grundlage des Meßwerts berechnet. Es wird nämlich im voraus eine Beziehung zwischen dem Stromwert und der Winkelbeschleunigung erhalten wird, wobei die Winkelbeschleunigung aus dem gemessenen Stromwert und dieser Beziehung berechnet wird.
Gemäß den wie vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist ein optischer Beschleunigungsmesser vorgesehen, der zum Erfassen einer aufgebrachten Beschleunigung bei einer hohen Genauigkeit mit einer einfachen Geräteanordnung als ein Ganzes geeignet ist, indem die Versetzung eines beweglichen Teils, wie z. B. eines auf der Grundlage der aufgebrachten Beschleunigung versetzten Pendels, durch eine Verwendung einer optischen Codiereinrichtung erfaßt wird. Es ist ebenfalls ein optischer Winkelbeschleunigungsmesser vorgesehen, der zu einer hochgenauen Antriebsregelung geeignet ist, indem der Winkelbeschleunigungsmesser einstückig mit einer Drehcodiereinrichtung zum Erfassen der Drehinformation einer drehenden Welle eines Motors oder dergleichen gebildet ist, wodurch die Beschleunigung des Motors direkt erhalten wird.
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können einen optischen Beschleunigungsmesser und einen optischen Winkelbeschleunigungsmesser mit den folgenden Vorteilen vorsehen:
(a) Der Beschleunigungsmesser ist gegenüber Einflüssen von elektrischen und magnetischen Störkomponenten, die von einer eine Antriebseinheit bildenden Spule und einem Magnet erzeugt werden, unempfindlich, weil die Versetzung eines Pendels durch eine optische Codiereinrichtung (optischer Versetzungssensor) erfaßt wird. Der Beschleunigungsmesser ist durch externe elektrische und magnetische Störkomponenten ebenfalls unbeeinflußt, und somit können Signale mit hohen S/N Verhältnissen erhalten werden.
(b) Die Temperatur hat nur eine geringe Wirkung auf den Beschleunigungsmesser, weil die Versetzung des Pendels durch den optischen Versetzungssensor erfaßt wird.
(c) Der Gebrauch der optischen Codiereinrichtung ermöglicht es, Sinuswellensignale von Lichtempfangselementen zu erhalten, wobei dies die Rechenverarbeitung beim Durchführen einer Servoregelung erleichtert.
(d) Vibrationen können ebenfalls mit einer hohen Genauigkeit erfaßt werden, weil die Position des Pendels mit einer hohen Genauigkeit durch ein Ausnutzen eines Beugungsinterferenzmusters erfaßt wird.
(e) Die Versetzung des Pendels kann mit einem hohen Auflösungsvermögen durch ein kleines, leichtgewichtiges Gerät erfaßt werden. Eine Skala des Reflexionstyps kann verwendet werden. Weiterhin kann die Ausbildung der Skala auf dem Pendel den Gesamtbeschleunigungsmesser miniaturisieren, während seine hohe Arbeitsleistung erhalten bleibt.
(f) Der Gebrauch des Beugungsinterferenzmusters ermöglicht es, vollständige Sinuswellensignale von Lichtempfangselementen zu erhalten, wobei dies eine Rechenverarbeitung beim Durchführen einer Servoregelung erleichtert.
(g) Der Winkel und die Winkelbeschleunigung können gleichzeitig mit einer hohen Genauigkeit erfaßt werden.

Claims

1. Winkelbeschleunigungsmesser, mit:

einem Hauptkörper (57),

einem an den Hauptkörper (57) angebrachten Versetzungselement (55, 56) mit einem Versetzungsabschnitt (56), der geeignet ist, gegenüber zu dem Hauptkörper (57) mindestens in einer Rotationsrichtung einer Winkelbeschleunigungsmessung in Übereinstimmung mit einer aufgebrachten Kraft versetzt zu werden, und

einer in einem der Elemente bestehend aus dem Hauptkörper (57) und dem Versetzungsabschnitt (56) vorgesehenen Erfassungseinrichtung (51, 52),

dadurch gekennzeichnet, daß

eine Skala (51a) in einem der Elemente bestehend aus dem Hauptkörper (57) und dem Versetzungsabschnitt(56) vorgesehen ist, um eine Versetzung in der Rotationsrichtung einer Winkelbeschleunigungsmessung zu erfassen, und

die Erfassungseinrichtung (51, 52) in dem anderen der Elemente bestehend aus dem Hauptkörper und dem Versetzungsabschnitt als der Skala vorgesehen ist, um die relative Versetzung der Skala (51a) optisch zu lesen, wobei

die Erfassungseinrichtung (51, 52) derart angeordnet ist, daß die auf den Hauptkörper (57) aufgebrachte Winkelbeschleunigung erfaßt wird, indem die relative Versetzung der Skala (51a) durch die Erfassungseinrichtung (51, 52) während eines relativen Versetzens des Versetzungsabschnitts (56) gelesen wird, und

eine Laserlichtquelle (1, 2) zum Ausstrahlen von kohärenten Lichtstrahlen vorgesehen ist, die auf die Skala (51a) derart auftreffen, daß gebeugte Lichtstrahlen von der Skala miteinander interferieren, wobei die gebeugten Lichtstrahlen durch die Erfassungseinrichtung (51, 52) erfaßt werden, wodurch die relative Versetzung der Skala (51a) gelesen wird.

2. Winkelbeschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Versetzungselement (55, 56) ein Element (56) aufweist, das geeignet ist, elastisch versetzt zu werden.

3. Winkelbeschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Versetzungselement (55, 56) eine Blattfeder aufweist.

4. Winkelbeschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptkörper (57) ein Gehäuse (57) aufweist.

5. Winkelbeschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungseinrichtung (51, 52) eine Servoschaltung (67) zum Antreiben des Versetzungselements (55, 56) auf der Grundlage des Leseergebnisses in eine Richtung aufweist, in der die relative Versetzung des Versetzungsabschnitts aufgehoben wird und die auf den Hauptkörper (57) aufgebrachte Beschleunigung durch ein Steuersignal von der Servoschaltung (67) erfaßt wird.

6. Winkelbeschleunigungsmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Servoschaltung (67) eine Spule (65) und einen Magnet (66) zum Antreiben des Versetzungselements (55, 56) aufweist.

7. Winkelbeschleunigungsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch die Spule (65) fließender Strom als das Steuersignal zum Erfassen der auf den Hauptkörper (57) aufgebrachten Beschleunigung verwendet wird.

8. Winkelbeschleunigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptkörper (57) eine drehende Welle (53) aufweist, wobei eine Winkelbeschleunigung der drehenden Welle (53) durch die Erfassungseinrichtung (51, 52) erfaßt wird.

9. Winkelbeschleunigungsmesser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Versetzungselement (55, 56) an ein Drehelement (51) montiert ist und einen Versetzungsabschnitt hat, der geeignet ist, gegenüber zu dem Drehelement (51) mindestens in einer Richtung einer Winkelbeschleunigungsmessung in Übereinstimmung mit einer aufgebrachten Rotationskraft versetzt zu werden;

die Skala (51a) in einem der Elemente bestehend aus dem Drehelement (51) und dem Versetzungsabschnitt vorgesehen ist, um die Rotationsversetzung in der Richtung einer Winkelbeschleunigungsmessung zu erfassen; und

die Erfassungseinrichtung (51, 52) in dem anderen der Elemente bestehend aus dem Drehelement (51) und dem Versetzungsabschnitt vorgesehen ist, um die relative Rotationsversetzung der Skala (51a) optisch zu lesen.

10. Winkelbeschleunigungsmesser nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine weitere Drehinformationserfassungseinrichtung (52) zum Erfassen einer Drehinformation des Drehelements (51).

11. Winkelbeschleunigungsmesser nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine weitere Einrichtung (15) zum Regeln einer Drehung des Drehelements (51) auf der Grundlage der erfaßten Drehinformation und einer erfaßten Winkelbeschleunigung.

12. Winkelbeschleunigungsmesser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Regeleinheit (68) zum regelbaren Antreiben des Hauptkörpers (57) in Übereinstimmung mit der durch die Erfassungseinrichtung (56) erfaßten Beschleunigung.

13. Winkelbeschleunigungsmesser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptkörper (57) zum Drehen geeignet ist, wobei eine Winkelbeschleunigung des Hauptkörpers (57) als die Beschleunigung durch das Lesen der relativen Versetzung der Skala (51a) durch die Erfassungseinrichtung (56) erfaßt wird.