DE69418819T3

DE69418819T3 - Drehkodierer

Info

Publication number: DE69418819T3
Application number: DE69418819T
Authority: DE
Inventors: Koh c/o CANON K.K. Ohta-ku Ishizuka; Yasushi c/o CANON K.K. Ohta-ku Kaneda
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1993-10-29
Filing date: 1994-10-27
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2014-10-28
Also published as: EP0651232B2; EP0651232B1; EP0651232A1; JPH07128092A; DE69418819T2; DE69418819D1; US5661296A; JP3196459B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehkodierer und genauer gesagt auf einen Drehkodierer, der zur Messung einer Rotationsgeschwindigkeit, eines Rotationsversatzes oder dergleichen eines Drehobjektes geeignet ist, so daß, wenn ein Laserstrahl oder ein Lichtstrahl von einer Laserdiode, einer LED bzw. einer Licht emittierenden Diode oder dergleichen auf ein radiales Beugungsgitter einer mit einem Drehobjekt (Skala) befestigten Scheibe einfällt, Beugungslicht einer vorbestimmten Ordnung durch das radiale Beugungsgitter entsprechend der Rotationsgeschwindigkeit oder Rotationsrichtung der Scheibe eine Phasenmodulationsfunktion erfährt bzw. phasenmoduliert wird.
VERWANDTER STAND DER TECHNIK
Bisher gibt es einen Drehkodierer als ein Meßgerät, das Rotationsinformationen wie einen Rotationsbetrag, eine Rotationsrichtung oder dergleichen bzgl. eines Drehobjekts in einem NC-Maschinenwerkzeug oder dergleichen mit großer Genauigkeit beispielsweise unterhalb eines Mikrometers mißt. Ein derartiger Drehkodierer wird in verschiedenen Bereichen eingesetzt.
Insbesondere ist als Drehkodierer hoher Präzision und hoher Auflösung ein Drehkodierer des Beugungslichtinter fernzsystems dahingehend wohlbekannt, daß ein kohärenter Lichtstrahl wie ein Laserstrahl oder dergleichen in ein für ein bewegtes Objekt bereitgestelltes Beugungsgitter einfällt, von dem Beugungsgitter erzeugte Beugungslichtstrahlen vorbestimmter Ordnungen wechselseitig miteinander interferieren, und die Anzahl heller und dunkler Abschnitte der resultierenden Interferenzstreifen gezählt wird, wodurch ein Bewegungszustand wie ein Bewegungsausmaß, Bewegungsinformationen oder dergleichen des bewegten Objekts erhalten werden.
Wenn eine hohe Auflösung und eine hohe Präzision durch Verwendung feiner Gitter (radialer Gitter) erzielt werden, werden bei einem derartigen Drehkodierer des Beugungslichtinterferenzsystems aus einer Anzahl von durch die feinen Gitter erzeugten Beugungslichtern nur die Beugungslichter spezieller Ordnungen von dem optischen System extrahiert, und Strahlengänge werden durch geeignete optische Einrichtungen überlagert, wodurch ein Interferenzsignal erhalten wird.
Bei dem Drehkodierer sind die nachfolgenden Bedingungen im allgemeinen erforderlich.

(1-a) Durch Verwendung einer Scheibe (Drehscheibe), auf der radiale Gitter mit kleinen Durchmessern mit hoher Dichte aufgezeichnet worden sind, wird eine hohe Auflösung und eine geringe Trägheit erhalten.
(1-b) Das Gerät ist insgesamt dünn und klein.
(1-c) Der Kodierer gehört zur Einheiten-Bauart, so daß eine Scheibe und ein Erfassungskopf und dergleichen getrennt werden können und an einem zu vermessenden Objekt direkt montiert werden können, und wenn sie montiert sind, sind sie einfach handhabbar.

Andererseits hat die Anmelderin der vorliegenden Erfindung bereits in dem Europäischen Patent mit der Veröffentlichungsnummer 0565056 einen Linearkodierer vorgeschlagen, bei dem von einer Skala reflektierte und gebeugte Lichtstrahlen geeignet interferieren, wodurch das gesamte Gerät verkleinert ist.
Ein weiterer Stand der Technik ist aus der Doktorarbeit "Dreigitterschrittgeber", J. Willhelm, Universität Hannover, 1978 bekannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist die erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, von der Anmelderin der Erfindung bereits vorgeschlagene Kodierer weiter zu verbessern und einen Drehkodierer bereitzustellen, bei dem eine Scheibe mit feinen Gittern mit Beugungsgittern (radialen Gittern) mit kleinen Durchmessern und hoher Dichte verwendet werden, und in dem zwei Beugungslichter vorbestimmter Ordnungen wechselseitig geeignet miteinander zur Interferenz gebracht werden, die erhalten werden, wenn ein Lichtstrahl auf die feinen Gitter gestrahlt wird, wodurch es ermöglicht wird, Rotationsinformationen eines Drehobjektes (einer Scheibe) mit einer hohen Auflösung zu erfassen, während eine kleine und dünne Form des gesamten Gerätes verwirklicht wird. Diese Aufgabe wird von dem Gerät gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die vorstehende und weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und der beigefügten Ansprüche unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
"Ausführungsbeispiele" gemäß den 1 bis 5 sind nicht durch den Patentanspruch 1 und die abhängigen Patentansprüche abgedeckt. Sie veranschaulichen vielmehr lediglich Vergleichsbeispiele.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Hauptabschnitts eines Ausführungsbeispiels 1,
2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Hauptabschnitts eines Ausführungsbeispiels 2,
3 zeigt eine perspektivischen Ansicht eines Hauptabschnitts eines Ausführungsbeispiels 3,
4 zeigt eine perspektivischen Ansicht eines Hauptabschnitts eines Ausführungsbeispiels 4,
5 zeigt eine perspektivischen Ansicht eines Hauptabschnitts eines Ausführungsbeispiels 5,
6 zeigt eine perspektivischen Ansicht eines Hauptabschnitts eines Ausführungsbeispiels 6 der Erfindung,
7 zeigt eine perspektivischen Ansicht eines Hauptabschnitts eines Ausführungsbeispiels 7 der Erfindung,
8 zeigt eine perspektivischen Ansicht eines Hauptabschnitts eines Ausführungsbeispiels 8 der Erfindung und
9 zeigt eine perspektivischen Ansicht eines Hauptabschnitts eines Ausführungsbeispiels 9 der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEIPIELE
1 ist eine perspektivische Ansicht eines Hauptab schnitts eines Ausführungsbeispiels.
Ein Lichtstrahl R, der von einer Licht emittierenden Vorrichtung (Lichtquelle) 1 wie einer Laserdiode, Licht emittierenden Diode oder dergleichen ausgestrahlt wird, wird in der Zeichnung durch ein (nicht gezeigtes) optisches System in paralleles Licht umgewandelt und auf einen Punkt P1 auf einem Beugungsgitter G1 mit einem linearen Gitter gestrahlt.
Einem Beugungslicht plus erster Ordnung R₊₁ und Beugungslicht nullter Ordnung R₀ aus einer Vielzahl von von Beugungsgitter G1 gebeugten Beugungslichtern wird es erlaubt, auf Punkte P2a und P2b auf einem radialen Beugungsgitter G2 auf einer mit einem (nicht gezeigten) Drehobjekt verbundenen Scheibe 4 aufzutreffen, die um eine Drehachse Da als Rotationszentrum so rotiert, wie es durch einen Pfeil Ya angezeigt ist.
Ein Lichtstrahl R₊₁ ^-1, der an einem Punkt P2a des radialen Beugungsgitters G2 in minus erster Ordnung gebeugt wurde, darf auf einen Punkt P3a auf einem linearen Beugungsgitter G3 auftreffen. Ein Lichtstrahl R₀ ⁺¹, der an einem Punkt P2b des radialen Beugungsgitters G2 in plus erster Ordnung gebeugt wurde, darf auf einen Punkt P3b auf dem Beugungsgitter G3 auftreffen.
Bei dem Beugungsgitter G3 sind Anordnungsazimute der Gitter (Anordnungsrichtungen der Gitter) an den Punkten P3a und P3b sind so eingestellt, daß sie parallel zu einem Gitteranordnungsazimut des Beugungsgitters G1 sind. Die Anordnungsazimute der Gitter der Beugungsgitter G1 und G3 werden so eingestellt, daß sie parallel zu dem Anordnungsazimut an dem Bestrahlungspunkt P2a des radialen Beugungsgitters G2 sind.
Die Beugungsgitter G1 und G3 gemäß diesem Ausführungsbei spiel sind mittels linearer Gitter auf derselben Unterlage bzw. Brettoberfläche aufgebaut. Der Punkt P1 und die Punkte P3a, P3b werden so eingestellt, daß sie sich an verschiedenen Positionen auf den linearen Gittern auf derselben Unterlage bzw. Brettoberfläche befinden.
Da ein in nullter Ordnung an dem Punkt P3a des Beugungsgitters G3 gebeugter Lichtstrahl R₊₁ ^-1 ₀ bereits unter einem leichten Winkel zu der Oberfläche der Scheibe 4 an dem Punkt P2a des Beugungsgitters G2 emittiert wurde, wenn er von dem Beugungsgitter G3 emittiert wird, wird er auch unter einem gewissen Winkel relativ zu einer derartigen Scheibenoberfläche extrahiert.
Ein Lichtstrahl R₀ ⁺¹ _-1, der an dem Punkt P3b des Beugungsgitters G3 in minus erster Ordnung gebeugt wurde, wird von dem Beugungsgitter G3 in der Richtung senkrecht zu der Scheibenoberfläche extrahiert. Also werden in dem Ausführungsbeispiel die Lichtstrahlen R₊₁ ^-1 ₀ und R₀ ⁺¹ _-1 mit einem dazwischen liegenden Winkel von dem Beugungsgitter G3 entnommen. Die Strahlengänge der Lichtstrahlen R₊₁ ^-1 ₀ und R₀ ⁺¹ _-1 überlagern sich zum Teil und interferieren und werden zu einer photoempfindlichen Vorrichtung 6 geleitet.
Ein sinuswellenartiges Lichtsignal (Interferenzsignal) wird in diesem Fall auf der Grundlage der hellen und dunklen Abschnitte eines Interferenzmusters von der photoempfindlichen Vorrichtung 6 erhalten. Rotationsinformationen der Scheibe 4 werden durch Verwendung eines Interferenzsignals von der photoempfindlichen Vorrichtung 6 erhalten. Die photoempfindliche Vorrichtung 6 ist so aufgebaut, daß eine photoempfindliche Oberfläche 6a eine Arrayform mit demselben regelmäßigen Abstand wie dem von Beugungsstreifen hat, die auf der Oberfläche der photoempfindlichen Vorrichtung ausgebildet werden.
Folglich fallen die Phasen der hellen und dunklen Abschnitte des Interferenzlichtes zusammen, das auf jede rechteckige photoempfindliche Vorrichtung einfällt, somit wird ein Ausgangssignal der photoempfindlichen Vorrichtung 6 ein sinuswellenartiges Signal aus zwei Perioden, wenn sich die Scheibe 4 um einen Winkel dreht, der einem regelmäßigen Abstand des radialen Beugungsgitters G2 entspricht.
Da der Lichtstrahl R bei dem Ausführungsbeispiel ein paralleler Lichtstrahl ist, hat die photoempfindliche Oberfläche der photoempfindlichen Vorrichtung eine rechteckige Form, deren Breite schmaler bzw. kleiner als die Breite des Interferenzstreifenabstands ist und die in einer Arrayform angeordnet ist, um einen regelmäßigen Abstand P zu haben, der durch die folgende Gleichung gegeben ist. Die photoempfindlichen Oberflächen der photoempfindlichen Vorrichtungen sind parallel geschaltet.
mit

λ:: Wellenlänge des Lichtstrahls R
d:: Intervall zwischen dem Beugungsgitter G1 (G3) und dem radialen Beugungsgitter G2
R:: Abstand (Radius) zwischen dem Zentrum des radialen Beugungsgitters G2 und dem bestrahlten Punkt P2b
N:: die Anzahl der Gitterlinien bzw. Gitter pro Umfang des radialen Beugungsgitters G2

Das Ausführungsbeispiel hat die folgenden Merkmale.

(1-1) Das optische System, die photoempfindliche Vorrich tung 6 und dergleichen sind angeordnet, um die Gleichung (1) zu erfüllen. Der regelmäßige Abstand der Interferenzstreifen, die auf der photoempfindlichen Vorrichtung 6 ausgebildet werden, wird dem regelmäßigen Abstand der arrayartigen, photoempfindlichen Oberflächen 6a der photoempfindlichen Vorrichtung 6 angeglichen, wodurch es den Interferenzlichtkomponenten derselben Phase bezogen auf die Zeit erlaubt wird, in den photoelektrischen Umwandlungsbereich einzufallen. Somit wird ein periodisches Signal mit einem guten Signal/Rausch-Verhältnis bzw. S/N-Verhältnis von der photoempfindlichen Vorrichtung erhalten.
(1-2) Indem die Beugungsgitter G1 und G3 mittels linearer Gitter aufgebaut werden, können sich einfach hergestellt werden.
(1-3) Der Anordnungsazimut des Beugungsgitters G1 wird parallel zu dem Anordnungsazimut an dem Bestrahlungspunkt P2a des radialen Beugungsgitters G2 angeordnet, wodurch ein Interferenzstreifenmuster des Interferenzsignallichts erzeugt wird.

Wenn das optische System in dem Ausführungsbeispiel derart angeordnet wird, daß lediglich die Bestrahlungsposition P1 des Lichtstrahls in der radialen Richtung der Scheibe 4 während einer Überwachung der Ausgabe von der photoempfindlichen Vorrichtung 6 verschoben ist, und ferner lediglich ein Befestigungswinkel des Beugungsgitters G1 (G3) angepaßt ist, kann der maximale Kontrast leicht erhalten werden. Somit ist ein Merkmal vorhanden, so daß die Montage- und Befestigungsarbeiten einfach sind und die Komponentenelemente einfach handhabbar sind.
2 bis 5 zeigen jeweils perspektivische Ansichten von Hauptabschnitten gemäß den Ausführungsbeispielen 2 bis 5.
Das Ausführungsbeispiel 2 gemäß 2 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel 1 gemäß 1 dadurch, daß die Anordnungsazimute der Beugungsgitter G1 und G2 parallel zu dem Anordnungsazimut an dem Bestrahlungspunkt P2b des radialen Beugungsgitters G2 angeordnet sind, wodurch ein Interferenzstreifenmuster des Interferenzsignallichts erzeugt wird. Die anderen Aufbauten entsprechen denen gemäß 1.
Das Beugungsgitter G1 gemäß den Ausführungsbeispielen 1 und 2 ist angeordnet, um parallel zu beiden Anordnungsazimuten an den Bestrahlungspunkten P2a und P2b auf dem radialen Beugungsgitter G2 auf der Drehscheibe 4 zu sein.
Das Ausführungsbeispiel 3 gemäß 3 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel 1 gemäß 1 dadurch, daß das Beugungsgitter G1 angeordnet ist, um einen Winkelunterschied in der entgegengesetzten Richtung für beide der Anordnungsazimute an den Bestrahlungspunkten P2a und P2b auf dem radialen Beugungsgitter G2 auf der Drehscheibe zu haben, um nämlich fast parallel zu dem Anordnungsazimut des Beugungsgitters G2 an dem Mittelpunkt der Punkte P2a und P2b zu sein. Die anderen Aufbauten entsprechen denen gemäß 1.
Das Ausführungsbeispiel 4 gemäß 4 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel 1 gemäß 1 dadurch, daß die photoempfindliche Vorrichtung 6 aus zwei kammförmigen, photoempfindlichen Oberflächen 6a und 6b aufgebaut ist, die passend zusammenliegen und denselben regelmäßigen Abstand wie der Interferenzstreifen haben, der auf der Oberfläche der photoempfindlichen Vorrichtung 6 ausgebildet ist, und daß ein Unterschied zwischen den aus den zwei photoempfindlichen Oberflächen 6a und 6b hergeleiteten Ausgangssignalen mittels einer Differenzverstärkungsschaltung AM extrahiert und ausgegeben wird. Die anderen Aufbauten ähneln dem Ausführungsbeispiels 1.
Das Ausführungsbeispiel hat die folgenden Merkmale.

(4-1) Selbst wenn die auf der photoempfindlichen Vorrichtung auftreffende Lichtmenge aufgrund eines Einflusses der Instabilität der Ausgabe der Lichtquelle, eines Befestigungsfehlers des optischen Systems oder dergleichen fluktuiert, wird immer ein Amplitudensignal um 0 als periodisches Signal hergeleitet, so daß kein Fehler auftritt, wenn die periodische Fluktuation auftritt. Folglich kann die Messung stabil durchgeführt werden.
(4-2) Wenn das Intervall zwischen den Beugungsgittern G2 und G1 verschmälert wird, um die kleine und dünne Größe zu verwirklichen, sind der Strahlengang des von dem Beugungsgitter G3 emittierten Interferenzlichtstrahls und der Strahlengang zum Eingeben des Lichtstrahls von der Lichtquelle zu dem Beugungsgitter G1 nah beieinander oder überlagert. Somit wird zum Beispiel das direkt reflektierte Licht des Lichtstrahls, der von der Lichtquelle in das Beugungsgitter G1 einfällt, mit dem Interferenzsignallicht gemischt. Da jedoch die unnötige Lichtkomponente als DC-Komponente aufgrund der Differenzerfassung durch zwei kammförmige, photoempfindliche Oberflächen gelöscht wird, verschlechtert sich das S/N-Verhältnis nicht.

Das Ausführungsbeispiel 5 gemäß 5 hat einen Aufbau, so daß ähnliche Beugungsgitter und photoempfindliche Vorrichtungen symmetrisch um einen Strahlengang Rs des Strahlengangs R von der Licht emittierenden Vorrichtung 1 in dem Ausführungsbeispiel 4 gemäß 4 angeordnet sind. Drei Lichtstrahlen werden nämlich auf das Beugungsgitter G2 gestrahlt, wodurch Interferenzsignale auf beiden Seiten des Strahlengangs Rs ausgebildet werden.
Der Lichtstrahl R in dem Diagramm, der von der Licht emittierenden Vorrichtung 1 emittiert wird, wird auf den Punkt P1 auf dem Beugungsgitter G1 gestrahlt. Die drei, von der Lichtbestrahlung verursachten Lichtstrahlen, Beugungslicht R₀ nullter Ordnung, Beugungslicht R₊₁ erster Ordnung und Beugungslicht R_-1 minus erster Ordnung, werden jeweils auf die Punkte P2a, P2b und P2c auf dem radialen, auf der Scheibe 4 aufgezeichneten Gitter G2 gestrahlt.
Der Lichtstrahl R₀ ⁺¹, der am Punkt P2b in plus erster Ordnung gebeugt wurde, wird auf den Punkt P3b auf dem Beugungsgitter G3a gestrahlt. Der Lichtstrahl R₊₁ ^-1, der an dem Punkt P2a in minus erster Ordnung gebeugt wurde, wird auf den Punkt P3a auf dem Beugungsgitter G3a gestrahlt. Ein Lichtstrahl R_-1 ⁺¹, der an dem Punkt P2c in plus erster Ordnung gebeugt wurde, wird auf einen Punkt P3c auf dem Beugungsgitter G3b gestrahlt. Ein Lichtstrahl R₀ ^-1, der an dem Punkt P2b in minus erster Ordnung gebeugt wurde, wird auf einen Punkt P3d auf dem Beugungsgitter G3b gestrahlt.
Diese elektrischen, periodischen Signale sind sinuswellenartige Signale aus zwei Perioden, wenn die Scheibe 4 um einen Winkel rotiert wird, der einem regelmäßigen Abstand des radialen Beugungsgitters G2 entspricht.
Da das Interferenzlichtsignal gemäß dem Ausführungsbeispiel von zwei Positionen des Beugungsgitters G1 erhalten wird, indem Beugungsgitter G3a und G3b in einer Weise angeordnet werden, so daß die Phasen der Gitteranordnung zwischen den Beugungsgittern G3a und G3b um 1/4 des Abstandes zwischen (Punkt P3a, P3b) und (Punkt P3c, Punkt P3d) voneinander abweichen, wie es in 5 gezeigt ist, können die Phasen der hellen und dunklen Abschnitte der in die photoempfindlichen Vorrichtungen 6a und 6b einfallenden Interferenzlichter um 90° verschoben sein. Daher ist ein Merkmal vorhanden, so daß zusätzlich zu der Rotationsgeschwindigkeit der Scheibe 4 die Rotationsrich tung beurteilt werden kann.
6 bis 9 sind perspektivische Ansichten von Hauptabschnitten der erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele 6 bis 9.
Die Ausführungsbeispiele 6 bis 9 unterscheiden sich von dem Ausführungsbeispiel 1 gemäß 1 hauptsächlich dadurch, daß die Lichtstrahlen auf die Punkte P3a und P3b des Beugungsgitters G3 auftreffen, und der an dem Punkt P3a gebeugte Lichtstrahl und der an dem Punkt P3b gebeugte Lichtstrahl extrahiert werden, um parallel zueinander zu sein, und beide Lichtstrahlen werden überlagert, um dadurch einen Interferenzstreifen auszubilden, und daß eine photoempfindliche, eine einzige photoempfindliche Oberfläche aufweisende Vorrichtung als eine photoempfindliche Vorrichtung 6 verwendet wird. Die anderen Aufbauten ähneln denen des Ausführungsbeispiels 1.
Ein Aufbau jedes Ausführungsbeispiels gemäß 6 bis 9 wird nachstehend nacheinander beschrieben, obwohl Teile von ihnen den vorstehend erwähnten Ausführungsbeispielen gemäß 1 bis 5 entsprechen.
In dem Ausführungsbeispiel 6 gemäß 6 wird der Lichtstrahl R, der von der Licht emittierenden Vorrichtung (Lichtquelle) 1 wie einer Laserdiode, einer Licht emittierenden Diode oder dergleichen emittiert wird, durch ein (nicht gezeigtes) optisches System in paralleles Licht umgewandelt und auf den Punkt P1 auf dem Beugungsgitter G1 mit dem linearen Gitter gestrahlt.
Das Beugungslicht R₊₁ plus erster Ordnung und das Beugungslicht R₀ nullter Ordnung aus einer Vielzahl von durch das Beugungsgitter G1 gebeugten Beugungslichtern dürfen auf die Punkte P2a und P2b auf dem radialen Beugungsgitter G2 auf der Scheibe 4 auftreffen, die mit einem (nicht gezeigten) Drehobjekt verbunden ist, das um die Rotationsachse Da als Rotationszentrum so rotiert, wie es durch den Pfeil Ya angezeigt ist.
Der Lichtstrahl R₊₁ ^-1, der an dem Punkt P2a des radialen Beugungsgitters G2 in minus erster Ordnung gebeugt wird, darf auf den Punkt P3a auf dem Beugungsgitter G3 mit dem linearen Gitter auftreffen.
Der Lichtstrahl R₀ ⁺¹, der an dem Punkt P2b des radialen Beugungsgitters G2 in plus erster Ordnung gebeugt wird, darf auf den Punkt P3b auf dem Beugungsgitter G3 auftreffen. Die Abstände der Beugungsgitter an den Punkten P1 und P2 sind aneinander angeglichen. Die Abstände der Beugungsgitter an den Punkten P2a und P3b sind aneinander angeglichen.
Das Beugungsgitter G3 wird festgelegt, um einen geeigneten Winkelunterschied θ zwischen den Anordnungsazimuten der Gitter des Beugungsgitters G3 an den Punkten P3a und P3b und dem Anordnungsazimut der Gitter des Beugungsgitters G1 zu haben.
Einen austretenden Aszimutvektor des Lichtstrahls R₊₁ ^-1 ₀, der an dem Punkt P3a des Beugungsgitters G3 in nullter Ordnung gebeugt wurde, fällt mit einem austretenden Azimutvektor des Lichtstrahls R₀ ⁺¹ _-1 der an dem Punkt P3b des Beugungsgitters G3 in minus erster Ordnung gebeugt wurde.
Beide Lichtstrahlen überlagern sich, um dadurch miteinander zu interferieren. Das Interferenzlicht wird zu der photoempfindlichen Vorrichtung 6 geleitet. Die photoempfindliche Vorrichtung 6 erzeugt ein sinuswellenartiges Lichtsignal auf der Grundlage der hellen und dunklen Abschnitte des Interferenzmusters, das in diesem Moment erzeugt wird. Eine (nicht gezeigte) Signalverarbeitungs schaltung erhält durch Verwendung des Lichtsignals Rotationsinformationen der Scheibe 4.
Angenommen in dem Ausführungsbeispiel rotiert die Scheibe 4 nun um einen Winkel, der einem Gitterabstand des radialen Beugungsgitters G2 entspricht, dann wird das Sinuswellensignal aus zwei Perioden als ein elektrisches, periodisches Signal von einer photoempfindlichen Vorrichtung 6 hergeleitet.
Das Ausführungsbeispiel ist in Bezug auf den Fall gezeigt worden, in dem das reflektierte Beugungslicht bei dem Beugungsgitter G2 auf der Scheibe 4 verwendet wird und die Beugungsgitter G1 und G3 auf derselben Seite angeordnet sind. Durch Verwendung des Transmissionsbeugungslichts von dem Beugungsgitter G2 können jedoch die Beugungsgitter G1 und G3 angeordnet werden, um beiden Seiten des Beugungsgitters G2 gegenüberzuliegen.
Die Anordnungsazimute der Beugungsgitter an den Punkten P3a und P3b auf dem Beugungsgitter G3 und an dem Punkt P1 auf dem Beugungsgitter G1 werden gemäß dem Ausführungsbeispiel festgelegt, um den geeigneten Winkel θ zu haben, so daß die zwei überlagerten Lichtstrahlen von dem Beugungsgitter G3 zueinander parallel gemacht werden und ein gleichförmiger Interferenzlichtstrahl hergeleitet wird. Folglich kann ein periodisches Signal mit einem guten S/N-Vehältnis von der photoempfindlichen Vorrichtung erhalten werden.
Somit können die Rotationsinformationen der Scheibe 4 mit einer hohen Genauigkeit erfaßt werden.
Das Ausführungsbeispiel hat die folgenden Vorteile.

(6-1) Die Beugungsgitter G1 und G3 können leicht hergestellt werden, weil sie lineare Beugungsgitter sind.
(6-2) Die Beugungsgitter G1 und G3 können leicht entworfen werden, weil sie lineare Beugungsgitter sind.
(6-3) Wenn die reflektierten Beugungslichtstrahlen verwendet werden, kann das Gerät ferner dünn gemacht werden, weil die Beugungsgitter G3 und G1 in derselben Ebene angeordnet werden können.
(6-4) Aus ähnlichen Gründen kann der optische Lesekopf auf einer Seite der Scheibe (ein Aufbau, bei dem die Scheibe sandwichartig umgeben ist, wird nicht verwendet) angeordnet sein, so daß der Kopf einfach montiert werden kann.
(6-5) Da aus ähnlichen Gründen die Beugungsgitter G3 und G1 auf derselben Unterlage bzw. demselben Brett einstöckig ausgebildet werden können, wird die Anzahl der Teile reduziert, und die Ausrichtung muß bei der Montage nicht justiert werden. Ein stabileres Gerät kann kostengünstig ausgebildet werden.

Das Ausführungsbeispiel 7 gemäß 7 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel 6 gemäß 6 dadurch, daß radiale Beugungsgitter als Beugungsgitter G1 und G3 verwendet werden. Die anderen Aufbauten ähneln dem Ausführungsbeispiels 6.
Der Lichtstrahl R in 7, der von der Licht emittierenden Vorrichtung (Lichtquelle) 1 wie einer Laserdiode, einer Licht emittierenden Diode oder dergleichen emittiert wird, wird durch ein (nicht gezeigtes) optisches System in paralleles Licht umgewandelt und auf den Punkt P1 auf dem radialen Beugungsgitter G1 gestrahlt. Das Beugungslicht R₊₁ plus erster Ordnung und das Beugungslicht R₀ nullter Ordnung aus einer Vielzahl von Beugungslichtern, die von dem radialen Beugungsgitter G1 gebeugt werden, dürfen auf die Punkte P2a und P2b auf dem radialen Beugungsgitter G2 auf der Scheibe 4 auftreffen, die mit einem (nicht gezeigten) Drehobjekt verbunden ist, das um die Drehachse Da als Rotationszentrum so rotiert, wie es durch den Pfeil Ya angezeigt ist.
Der Lichtstrahl R₊₁ ^-1, der an dem Punkt P2a des radialen Beugungsgitters G2 in minus erster Ordnung gebeugt wird, darf auf den Punkt P3a auf dem radialen Beugungsgitter G3 auftreffen. Der Lichtstrahl R₀ ⁺¹, der an dem Punkt P2b auf dem radialen Beugungsgitter G2 in erster Ordnung gebeugt wird, darf auf den Punkt P3b auf dem radialen Beugungsgitter G3 auftreffen.
Die Zentren der radialen Beugungsgitter G1, G2 und G3 fallen zusammen, und ferner ist die Anzahl N der Gitterlinien bzw. Gitter angeglichen, wenn sie in Bezug auf den Gesamtumfang berechnet ist.
Daher läßt man einen austretenden Azimutvektor des Lichtstrahls R₊₁ ^-1 ₀, der an dem Punkt P3a des Beugungsgitters G3 in nuliter Ordnung gebeugt wird, mit einem austretenden Azimutvektor des Lichtstrahls R₀ ⁺¹ menfallen, der an dem Punkt P3b des Beugungsgitters G3 in minus erster Ordnung gebeugt wird.
Beide Lichtstrahlen überlagern sich, um dadurch miteinander zu interferieren. Das Interferenzlicht wird zu der photoempfindlichen Vorrichtung 6 geleitet.
Die photoempfindliche Vorrichtung 6 erzeugt ein sinuswellenartiges Lichtsignal auf der Grundlage der hellen und dunklen Abschnitte eines in diesem Moment erzeugten Interferenzmusters. Eine (nicht gezeigte) Signalverarbeitungsschaltung erhält Rotationsinformationen der Scheibe 4 durch Verwendung des Lichtsignals.
Wenn die Scheibe 4 gemäß dem Ausführungsbeispiel um einen Winkel rotiert, der einem regelmäßigen Abstand des radialen Beugungsgitters entspricht, wird ein sinuswellenartiges Signal aus zwei Perioden von der photoempfindlichen Vorrichtung 6 hergeleitet.
Das Ausführungsbeispiel hat die folgenden Merkmale.

(7-1) Da die Beugungsgitter G3 und G1 mittels derselben radialen Beugungsgitterteile aufgebaut werden können, ist die Anzahl der Arten von Teilen reduziert, und der Aufbau kann vereinfacht werden.
(7-2) Das Gerät ist unempfindlich gegenüber Anbringfehlern. Selbst wenn nämlich ein Abstand d zwischen dem radialen Beugungsgitter G1 (G3) und der Scheibe 4 (Beugungsgitter G2) wegen einiger Gründe (Anbringfehler, mechanische Positionsabweichung, thermische Expansion, usw.) fluktuiert, sind die Positionen der Punkte P2a, P2b, P3a und P3b lediglich verschoben, und sie arbeiten so, daß eine relative Parallelität der austretende Azimutvektoren von zwei Lichtstrahlen erhalten bleibt, die von den Punkten P3a und P3b auf dem Beugungsgitter G3 emittiert werden. Daher ist das Interferenzlichtsignal nicht gestört und ein stabiles Signal kann erzeugt werden.
(7-3) Das Gerät ist unempfindlich gegenüber einer Umgebungstemperaturfluktuation. Selbst wenn die Umgebungstemperatur fluktuiert, und die Wellenlänge λ der Lichtquelle fluktuiert, sind die Positionen der Punkte P2a, P2b, P3a und P3b lediglich verschoben, und sie funktionieren so, daß eine relative Parallelität der austretenden Azimutvektoren der zwei Lichtstrahlen erhalten bleibt, die von den Punkten P3a und P3b auf das Beugungsgitter G3 emittiert werden. Daher ist das Interferenzlichtsignal nicht gestört, und ein stabiles Signal kann erzeugt werden.

Das Ausführungsbeispiel 8 gemäß 8 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel 6 gemäß 6 dadurch, daß die Beugungsgitter G1 und G3 mit den linearen Gittern unter einem Winkel θ so angeordnet sind, daß sie parallel zu den Gitteranordnungsazimuten an den Positionen P2a und P2b auf dem radialen Beugungsgitter G2 auf der Drehscheibe 4 sind. Die anderen Aufbauten ähneln dem Ausführungsbeispiel 6.
Der Lichtstrahl R in 8, der von der Licht emittierenden Vorrichtung (Lichtquelle) 1 wie einer Laserdiode, einer Licht emittierenden Diode oder dergleichen emittiert wird, wird von einem (nicht gezeigten) optischen System in einen parallelen Strahl umgewandelt und auf den Punkt P1 auf das Beugungsgitter G1 mit dem linearen Gitter gestrahlt.
Das in plus erster Ordnung gebeugte Licht R₊₁ und das Beugungslicht nullter Ordnung R₀ aus einer Vielzahl von Beugungslichtern, die von dem Beugungsgitter G1 gebeugt werden, dürfen auf die Punkte P2a und P2b auf dem radialen Beugungsgitter G2 auf der Scheibe 4 auftreffen, die mit einem (nicht gezeigten) Drehobjekt verbunden ist, das um die Drehachse Da als Rotationszentrum so rotiert, wie es durch den Pfeil Ya angezeigt ist.
Der Lichtstrahl R₊₁ ^-1, der an dem Punkt P2a des radialen Beugungsgitters G2 in minus erster Ordnung gebeugt wird, darf auf den Punkt P3a auf das Beugungsgitter G3 mit dem linearen Gitter auftreffen. Der Lichtstrahl R₀ ⁺¹, der an dem Punkt P2b des radialen Beugungsgitters G2 in plus erster Ordnung gebeugt wird, darf auf den Punkt P3b auf dem Beugungsgitter G3 auftreffen.
Der Gitteranordnungsazimut des Gitters des radialen Beugungsgitters G2 an dem Punkt P2a ist parallel zu dem des Beugungsgitters G1 mit dem linearen Gitter und hat denselben regelmäßigen Abstand. Der Gitteranordnungsazimut des radialen Beugungsgitters G2 an dem Punkt P2b ist parallel zu dem des Beugungsgitters G3 mit dem linearen Gitter und hat denselben regelmäßigen Abstand.
Da das Beugungslicht R₊₁ ^-1 ₀ nullter Ordnung, das von dem Punkten P3a hergeleitet wird, bereits in der Richtung senkrecht zu der Oberfläche der Scheibe 4 emittiert ist, wird es daher auch senkrecht zu dem linearen Beugungsgitter G3 extrahiert. Das in minus erster Ordnung gebeugte Licht R₀ ⁺¹ _-1 das von dem Punkt P3b erhalten wird, wird in der Richtung senkrecht zu dem linearen Gitter G3 emittiert.
Beide Lichtstrahlen überlagern sich, um dadurch miteinander zu interferieren. Das Interferenzlicht wird zu der photoempfindlichen Vorrichtung 6 geleitet. Die photoempfindliche Vorrichtung 6 erzeugt auf der Grundlage der hellen und dunklen Abschnitte des Interferenzmusters in diesem Moment ein sinuswellenartiges Lichtsignal. Eine (nicht gezeigte) Signalverarbeitungsschaltung erhält Rotationsinformationen der Scheibe 4 durch Verwendung des Lichtsignals.
Wenn in dem Ausführungsbeispiel die Scheibe 4 um einen Winkel rotiert, der einem regelmäßigen Abstand des radialen Beugungsgitters entspricht, wird das sinuswellenartige Signal aus zwei Perioden von der photoempfindlichen Vorrichtung 6 auf eine dem Ausführungsbeispiel 6 ähnliche Weise erhalten.
Das Ausführungsbeispiel 9 gemäß 9 hat einen Aufbau, so daß der Strahlengang Rs des Lichtstrahls R von der Licht emittierenden Vorrichtung 1 in dem Ausführungsbeispiel 7 gemäß 7 symmetrisch gemacht wird, und ähnliche, radiale Beugungsgitter und photoempfindliche Vorrichtungen werden auf beiden Seiten angeordnet. Das heißt, daß drei Lichtstrahlen auf das Beugungsgitter G2 gestrahlt werden, wodurch Interferenzsignale auf beiden Seiten des Strahlengang Rs ausgebildet werden.
Der Lichtstrahl R in dem Diagramm, der von der Licht emittierenden Vorrichtung 1 emittiert wird, wird auf den Punkt P1 auf dem radialen Beugungsgitter G1 gestrahlt. Drei durch die Lichtbestrahlung erzeugte Lichtstrahlen, das Beugungslicht R₀ nullter Ordnung, das Beugungslicht R₊₁ plus erster Ordnung und das Beugungslicht R_-1 minus erster Ordnung, werden jeweils auf die Punkte P2a, P2b und P2c auf dem radialen Beugungsgitter G2 gestrahlt, das auf der Scheibe 4 aufgezeichnet ist.
Der Lichtstrahl R₀ ⁺¹, der an dem Punkt P2b in plus erster Ordnung gebeugt wurde, wird auf den Punkt P3b auf dem radialen Beugungsgitter G3a gestrahlt. Der Lichtstrahl R₊₁ ^-1, der an dem Punkt P2a in minus erster Ordnung gebeugt wurde, wird auf den Punkt P3a auf dem radialen Beugungsgitter G3a gestrahlt. Der Lichtstrahl R_-1 ⁺¹, der an dem Punkt P2c in plus erster Ordnung gebeugt wurde, wird auf den Punkt P3c auf dem radialen Beugungsgitter G3b gestrahlt. Der Lichtstrahl R₀ ^-1, der an dem Punkt P2b in minus erster Ordnung gebeugt wurde, wird auf den Punkt P3d auf dem radialen Beugungsgitter G3b gestrahlt.
Die Zentren der radialen Beugungsgitter G1, G3a und G3b an den Punkten P3a, P3b, P3c und P3d fallen zusammen, und die Zahl der Gitterlinien bzw. Gitter ist angeglichen, wenn sie in Bezug auf einen Gesamtumfang berechnet ist. Somit werden jeweils zwei Lichtstrahlen auf beiden Seiten parallel zueinander emittiert.
Die Interferenzsignallichter werden von photoempfindlichen Vorrichtungen 6X und 6y empfangen, so daß elektrische, periodische Signale aus ihnen erzeugt werden. Diese elektrischen, periodischen Signale sind sinuswellenartige Signale aus zwei Perioden, wenn die Scheibe 4 um einen Winkel rotiert, der einem regelmäßigen Abstand des radialen Beugungsgitters entspricht.
Das Ausführungsbeispiel hat die folgenden Merkmale.

(9-1) Da die Interferenzsignallichter von zwei Positionen des radialen Beugungsgitters G1 erhalten werden, wie es in 9 gezeigt ist, indem die Gitteranordnungsphasen des radialen Beugungsgitters G1 teilweise verschoben werden und die Phasen zwischen den Punkten P3a und P3b und zwischen den Punkten P3c und P3d um 1/4 des regelmäßigen Abstands verschoben werden, können die Phasen der hellen und dunklen Abschnitte der auf die photoempfindlichen Vorrichtungen 6x und 6y auftreffenden Interferenzlichter um 90° verschoben werden, und die Rotationsrichtung der Scheibe 4 kann auch unterschieden werden.
(9-2) Indem die Zentren der radialen Beugungsgitter G1 und G2 geeignet verschoben werden, ist es auch möglich, eine Phasendifferenz der hellen und dunklen Abschnitte der Interferenzlichter zu bewirken, die in die photoempfindlichen Vorrichtungen 6X und 6Y einfallen.

In jedem der vorstehenden Ausführungsbeispiele ist die Beugungsordnungszahl der Beugungslichtstrahlen nicht auf die nullte, erste und minus erste Ordnung beschränkt, sondern alle andere Ordnungen können auch verwendet werden.
Photoempfindliche Vorrichtungen können auch auf eine Weise aufgebaut werden, so daß zwei Sätze von photoelektrischen Vorrichtung mit kammförmigen, passend zusammenliegenden Oberflächen so angeordnet sind, daß sie benachbart sind, und die Phasen wechselseitig verschoben sind, und Signale aus vier um 90° voneinander verschobenen Phasen erzeugt werden.
Gemäß den vorstehenden Ausführungsbeispielen wird die Scheibe mit einem feinen Gittern mit Beugungsgittern (radialen Gittern) mit kleinen Durchmessern und hoher Dichte verwendet und zwei Beugungslichter vorbestimmter Ordnungen, die erhalten werden, wenn der Lichtstrahl auf die feinen Gitter gestrahlt wird, interferieren wechselseitig geeignet miteinander. Somit kann ein Drehkodierer geschaffen werden, der Rotationsinformationen eines Drehobjekts (einer Scheibe) mit einer hohen Auflösung erfassen kann, während die schmale und dünne Größe des gesamten Gerätes verwirklicht wird.
Jedes der vorstehenden Ausführungsbeispiel hat die folgenden Merkmale.

(2-a) Eine hohe Auflösung und eine niedrige Trägheit können durch Verwendung der Scheibe verwirklicht werden, auf der radiale Gitter mit sehr kleinen Durchmessern mit hoher Dichte aufgezeichnet wurden (Gitterabstand: ungefähr 1.6 μm).
(2-b) Das gesamte Gerät kann in einer dünnen und kleinen Form in der Größenordnung von Millimetern ausgebildet werden.
(2-c) Das Gerät gehört zu der Einheiten-Bauart, so daß die Scheibe und der Erfassungskopf separat direkt in einem zu vermessenden Gerät montiert werden können. Wenn sie montiert sind, können sie einfach gehandhabt werden.
(2-d) Der Aufbau ist sehr einfach und die Montagejustierung ist auch einfach.
(2-e) Wenn die Beugungsgitter zum Teilen und Überlagern der Lichtstrahlen denselben regelmäßigen Abstand wie die Ausführungsbeispiele haben, kann das Gerät als ein Linearkodierer angewendet werden, der die linearen Skalen mit den linearen Beugungsgitter mit demselben regelmäßigen Abstand lesen kann.

Claims

Gerät zur Erfassung relativer Rotationsinformationen mit einem zu messenden Objekt mit einem radialen Beugungsgitter (G2), mit: einer Lichtquelle (1) zum Emittieren eines Lichtstrahls für eine Messung, einem Zerlegungsbeugungsgitter (G1) zur Zerlegung des Lichtstrahls für eine Messung in eine Vielzahl von Lichtstrahlen, einem Mischbeugungsgitter (G3) zum Mischen zumindest eines Satzes von Beugungslichtern aus einer Vielzahl von Beugungslichtern, die erzeugt werden, wenn die Vielzahl von Lichtstrahlen von dem radialen Gitter (G2) gebeugt wird, wodurch zumindest ein Interferenzlichtstrahl ausgebildet wird, und einem Erfassungsabschnitt (6) zum Erfassen des zumindest einen Interferenzlichtstrahls und zum Erzeugen eines Signals, das die relative Rotationsinformation des zu messenden Objekts betrifft, wobei der Erfassungsabschnitt (6) einen Lichtempfangsbereich aufweist, wobei zumindest eines des Zerlegungsbeugungsgitters (G1), des Mischbeugungsgitters (G3) und des Lichtempfangsbereichs so konfiguriert ist, das Phasen von Interferenzlichtkomponenten des zumindest einen auf den Lichtempfangsbereich auftreffenden Interferenzlichtstrahls im Wesentlichen miteinander zusammenfallen, wobei die Konfiguration eine Anordnung des Gitterlinienanordnungsazimut zumindest eines des Zerlegungsbeugungsgitters (G1) und des Mischbeugungsgitters (G3) in Bezug zueinander und/oder in Bezug zu dem radialen Gitter (G2) umfasst, so dass die Vektoren von Interferenzlichtkomponenten, die von dem Mischbeugungsgitter (G3) herausgehen, zueinander parallel gemacht werden und ein gleichförmiger Interferenzlichtstrahl hergeleitet wird, der zu dem Erfassungsabschnitt (6) geführt wird.
Gerät nach Anspruch 1, wobei das Mischbeugungsgitter (G3) die Beugungslichter von dem radialen Beugungsgitter (G2) eines Beugungslichts plus erster Ordnung mit einem Licht nullter Ordnung mischt, die von dem Zerlegungsbeugungsgitter (G1) emittiert werden.
Gerät nach Anspruch 2, wobei das Zerlegungsbeugungsgitter (G1) und das Mischbeugungsgitter (G3) radiale Beugungsgitter sind.
Gerät nach Anspruch 2, wobei das Mischbeugungsgitter (G3) einen Anordnungsazimut aufweist, der parallel zu einem Anordnungsazimut des radialen Beugungsgitters (G2) bei einer Auftreffposition des Lichts nullter Ordnung ist, und das Zerlegungsbeugungsgitter (G1) einen Anordnungsazimut aufweist, der parallel zu einem Anordnungsazimut des radialen Beugungsgitters (G2) bei einer Auftreffposition des gebeugten Lichts plus erster Ordnung ist.
Gerät nach Anspruch 1, wobei das Mischbeugungsgitter (G3) umfasst: einen ersten Beugungsgitterabschnitt (G3a) zum Mischen der Beugungslichter von dem radialen Beugungsgitter (G2) eines gebeugten Lichts plus erster Ordnung und eines Lichts nullter Ordnung, die von dem Zerlegungsbeugungsgitter (G1) emittiert werden, und einen zweiten Beugungsgitterabschnitt (G3b) zum Mischen der Beugungslichter von dem radialen Beugungsgitter (G2) eines gebeugten Lichts erster Ordnung mit dem Licht nullter Ordnung, die von dem Zerlegungsbeugungsgitter (G1) emittiert werden, und wobei der Erfassungsabschnitt (6) eine Vielzahl von fotoempfindlichen Bereichen (6X, 6Y) zum jeweiligen Empfangen von Interferenzlichtstrahlen aufweist, die jeweils von den ersten und zweiten Beugungsgitterabschnitten (G3a, G3b) emittiert werden.
Gerät nach Anspruch 5, wobei die ersten und zweiten Beugungsgitterabschnitte (G3a, G3b) eine Vielzahl von zu mischenden Beugungslichtern in parallele Lichter umwandeln und sie jeweils emittieren.
Gerät nach Anspruch 5, wobei der Erfassungsabschnitt (6) Signale mit zwei verschiedenen Phasen aus den Interferenzlichtstrahlen ausbildet, die jeweils von den fotoempfindlichen Bereichen (6X, 6Y) empfangen werden.
Gerät nach Anspruch 1, wobei das radiale Beugungsgitter (G2) bereitgestellt ist, um einstückig mit dem zu messenden Objekt gedreht zu werden.
Gerät nach Anspruch 8, wobei das radiale Beugungsgitter (G2) ein Beugungsgitter des Reflexionstyps ist.
Gerät nach Anspruch 9, wobei das Zerlegungsbeugungsgitter (G1) und das Mischbeugungsgitter (G3) auf derselben Unterlage bereitgestellt werden.