DE69825326T2

DE69825326T2 - Verfahren und vorrichtung zur messung des radialen fehlers einer rotierenden kodierscheibe

Info

Publication number: DE69825326T2
Application number: DE69825326T
Authority: DE
Inventors: H. Patrick DWYER; R. Gordon SOUTHAM
Original assignee: Quadrant Engineering Inc
Current assignee: Quadrant Engineering Inc
Priority date: 1998-11-25
Filing date: 1998-11-25
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2018-11-26
Also published as: CA2392641C; ATE272245T1; DE69825326D1; CA2392641A1; EP1133769B1; EP1133769A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Einrichtungen und Verfahren zur Rotationspositionsmessung und zur Rotationscodierung und insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren, um in Echtzeit den Exzentrizitätsfehler von Rotationskörpern, wie codierten optischen Scheiben, die an einer Rotationsachse angebracht sind und um diese rotieren, genau zu messen. Der gemessene Exzentrizitätsfehler ermöglicht in Echtzeit eine Korrektur von Messungen oder Datenlesefehlern, die durch die Exentrizität des Rotationskörpers einschließlich der Rotationsachse hervorgerufen werden.
2. Beschreibung des technischen Hintergrunds
Es gibt eine Vielzahl von Situationen, in denen eine präzise, zentrierte oder hochgenaue Rotation eines Körpers oder Bauteils benötigt wird, wie etwa während einer Präzisionsverarbeitung von rotierenden Teilen oder zum Lesen von codierten Scheiben. Codierte, optisch gelesene Scheiben sind beispielsweise weit verbreitet als ROM-Medien für Computer und als Audio- und Video-Aufnahmemedien für stereophonische Systeme und Videosysteme. Die Scheiben werden durch einen oder mehrere Laserstrahlen von einer Leseeinrichtung oder einem Lesekopf ausgelesen, welche aufgrund von Unterschieden im Reflektionsvermögen das Vorhandensein oder das Fehlen von Vertiefungen oder Ablationen in einer Scheibe detektieren, wenn die Scheibe rotiert.
Ein Problem, welches in Systemen, die codierte (optische oder andere) Scheiben einsetzen, stets vorhanden ist, liegt darin, dass die mechanischen Rotationsanordnungen, an welchen solche Scheiben während des Lesens typischerweise angebracht sind, nahezu immer einen gewissen Grad eines exzentrischen oder radialen Fehlers aufweisen. Wie auch immer die codierten Daten auf der codierten Scheibe ausgebildet sind, ob als konzentrische Ringe, als kontinuierliche Spirale, als radiale Speichen oder als ein anderes Muster, es existiert ein ideales Zentrum oder ein Zentrum in dem Muster der codierten Daten auf einer codierten Scheibe. Es ist jedoch möglich, dass das ideale Zentrum nicht dem tatsächlichen Rotationszentrum oder der Rotationsachse der Scheibe entspricht. Wenn eine codierte Scheibe beispielsweise an einer Rotationsanordnung mit einem Lesekopf montiert ist, so können Spiel, Seitenschlag durch Unrundlauf in einem Lager und andere Faktoren bewirken, dass sich die genaue Position des Drehpunkts mit der Zeit leicht ändert. Es wird daher nahezu immer ein gewisser Unterschied zwischen der tatsächlichen Rotationsachse einer Scheibe und dem idealen Zentrum der Scheibe gemäß den darauf codierten Daten bestehen.
Die statische Exzentrizität einer Scheibe ist der Abstand zwischen dem Zentrum der codierten Daten auf der Scheibe und dem Rotationszentrum oder der Rotationsachse der Scheibe. Der gesamte Exzentrizitätsfehler in einer codierten Scheibe ist die Summe der statischen Fehler (z. B. wenn sich das ideale Zentrum der codierten Scheibe in einigem Abstand von dem wahren Rotationszentrum bei einem festen Radius dreht) und der dynamischen Fehler (z. B. dem Spiel und dem Seitenschlag durch einen Unrundlauf in einem Lager). Als Ergebnis dieser Exzentrizität tritt beim Rücklesen der auf der Scheibe codierten Daten im gewissen Grade ein Fehler auf. Die genaue Messung der Exzentrizität oder des Radialfehlers in einer rotierenden codierten Scheibe erlaubt die Korrektur des Rücklesefehlers. Zurzeit sind keine Einrichtungen oder Verfahren verfügbar, welche in adäquater Art eine genaue Detektion oder Messung der Exentrizität codierter Scheiben bereitstellen.
Die JP-A-09,229,650 beschreibt ein System, in welchem ein Laserstrahl senkrecht auf ein konzentrisches Beugungsgitter im vorbestimmten Abstand vom Rotationszentrum einer optischen Scheibe geworfen wird. Der Laserstrahl wird aufgespaltet in das normal reflektierte Beugungslicht 0-ter Ordnung gemäß dem Reflektionsgesetz und in einer Anzahl von gebeugten Lichtstrahlen höherer Ordnung auf Grundlage des Beugungsprinzips. Das Beugungslicht 0-ter Ordnung wird durch einen ersten PSD (Position Sensing Detector = Positionserfassungsdetektor) zum Messen der zweidimensionalen Position empfangen. Das Beugungslicht erster Ordnung wird schräg nach oben reflektiert und durch einen zweiten PSD empfangen. Auf Grundlage der Ausgabe des ersten PSD können die Grade an Neigung und Wölbung des Objekts aus dem Grad des Winkelversatzes berechnet werden, während die Verschiebung des Rotationszentrums des Objekts vom Zentrum der Spur (Exentrizität) auf Grundlage des Unterschieds zwischen der Ausgabe des zweiten PSD und der Ausgabe des ersten PSD berechnet wird.
Die JP-A-62,200,225 beschreibt ein System, in welchem ein Lichtstrahl durch einen Polarisationsstrahlenteiler aufgespaltet wird. Ein übertragener Lichtstrahl wird durch einen Reflektionsspiegel reflektiert, über ein Lambda-Viertel-Plättchen zirkularpolarisiert und auf eine Position M₂ projiziert, welche annähernd punktsymmetrisch zu einer Position M₁ auf einem Radialgitter auf einer Scheibe liegt. Zwei gebeugte Lichtstrahlen spezieller Ordnungen in den transmittierten und gebeugten Lichtstrahlen, welche auf das Radialgitter einfallen und durch dieses gebeugt werden, werden durch Reflektionsmittel derart reflektiert, dass sie in einem Lichtweg zurücklaufen, der etwas verschieden von einem Einfallsweg ist, und werden wieder in die Nachbarumgebung der Position M₂ auf dem Radialgitter geworfen. Ein Lichtempfangselement detektiert die Intensität von Interferenzstreifen, welche durch die zwei gebeugten Lichtstrahlen ± n-ter Ordnungen, die den Punkt M₁ auf dem Radialgitter durchlaufen haben, erzeugt werden, und detektiert gleichermaßen die Intensität von Interferenzstreifen aufgrund der zwei gebeugten Lichtstrahlen, welche den Punkt M₂ sowie dessen Nachbarumgebung durchlaufen haben. Der Exzentrizitätsfehler zwischen den Zentren eines rotierenden Objekts und dem Radialgitter wird reduziert, indem die Interterenzstreifen, die durch eine Mehrzahl der Punkte auf dem Radialgitter erhalten werden, durch im Wesentlichen die gleichen Lichtempfangsmittel detektiert werden.
Es besteht somit ein Bedarf für eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen eines Radialfehlers oder einer Exzentrizität von Rotationskörpern, welche einen Exzentrizitätsfehler in einem Rotationskörper schnell und genau bestimmen können. Die vorliegende Erfindung erfüllt dieses Bedürfnis sowie auch andere Bedürfnisse und überwindet allgemein die im Stand der Technik zu findenden Nachteile.
KURZER ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Messen der Exzentrizität in einem rotierenden Körper bereitgestellt, wobei der rotierende Körper ein Exzentrizitätsmessmuster aufweist, welches eine Mehrzahl von konzentrischen, zueinander beabstandeten Beugungsringen enthält, wobei die Vorrichtung einen dem rotierenden Körper benachbart positionierten Fehlerlesekopf umfasst, wobei der Fehlerlesekopf enthält: (a) eine Mehrzahl von zueinander beabstandeten, kolinear ausgerichteten Laserstrahlen, welche so positioniert sind, dass sie Licht in Richtung des Exzentrizitätsmessmusters richten; (b) Mittel zum Einstellen des Relativabstands zwischen den Laserstrahlen, so dass der Relativabstand gleich einem nicht-ganzenzahligen Vielfachen des Abstands zwischen den konzentrischen Beugungsringen des Exzentrizitätsmessmusters ist; und (c) Empfangsmittel zum Detektieren von durch das Exzentrizitätsmessmuster reflektiertem Laserlicht, wobei die Empfangsmittel Ausgabesignale erzeugen, welche auf das detektierte Laserlicht ansprechen, das durch das Exzentrizitätsmessmuster reflektiert wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Messen von Rotationsexzentrizität bereitgestellt, umfassend die Schritte: (a) Bereitstellen eines Exzentrizitätsmessmusters auf einer optischen Scheibe, wobei das Exzentrizitätsmessmuster eine Mehrzahl von konzentrischen, zueinander beabstandeten Beugungsringen enthält; (b) Bereitstellen eines Fehlerlesekopfes, welcher eine Mehrzahl von zueinander beabstandeten, kolinear positionierten Laserstrahlen enthält, wobei die Laserstrahlen so positioniert sind, dass sie Licht in Richtung des Exzentrizitätsmessmusters richten, wobei der Fehlerlesekopf Empfangsmittel zum Detektieren von durch das Exzentrizitätsmessmuster reflektiertem Laserlicht enthält; (c) Einstellen des relativen Abstands zwischen den Laserstrahlen an dem Fehlerlesekopf, so dass der Relativabstand zwischen den Lasern gleich einem nicht-ganzzahligen Vielfachen des Abstands zwischen der konzentrischen Beugung des Exzentrizitätsmessmusters ist; und (d) Erzeugen von Ausgabesignalen durch die Empfangsmittel, wobei die Ausgabesignale auf das Laserlicht ansprechen, welches von dem Exzentrizitätsmessmuster reflektiert und durch die Empfangsmittel detektiert wird.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Vorrichtung und ein Verfahren bereit, um in Echtzeit die Exzentrizität in einem Rotationskörper wie einer codierten Scheibe genau zu messen.
Um allgemein codierte Daten auf einer Scheibe zu lesen, wird ein Datenlesekopf über der codierten Scheibe in einigem Abstand vom Rotationszentrum oder der Rotationsachse positioniert. Der Raumpunkt, an welchem dieser Datenlesekopf die codierten Daten tatsächlich liest, wird der „Referenzpunkt" genannt. Die Linie zwischen dem Rotationszentrum und dem Referenzpunkt wird als „Referenzlinie" bezeichnet. Tritt in einer codierten Scheibe eine Exzentrizität in der Richtung der Referenzlinie oder parallel zur Referenzlinie auf, so befindet sich der Ort der codierten Daten bei einem anderen Radius oder einer anderen radialen Position in Bezug auf den Datenlesekopf und den Referenzpunkt, als erwartet. Tritt eine Exzentrizität in einer Richtung senkrecht zur Referenzlinie auf, so befindet sich der Ort der codierten Daten sowohl in einem anderen Winkel als auch bei einem etwas anderen Radius in Bezug auf den Datenlesekopf und den Referenzpunkt. Tritt die Exzentrizität in irgendeiner anderen Richtung auf, so kann die Exzentrizität als die Vektorsumme zweier orthogonaler Komponenten behandelt werden: Der Komponente der in der Richtung der Referenzlinie auftretenden Exzentrizität sowie der Komponente der in der Richtung senkrecht zur Referenzlinie auftretenden Exzentrizität. Beide dieser Typen exzentrischer Fehlausrichtungen der codierten Daten mit dem Datenlesekopf führen wahrscheinlich zu Datenlesefehlern.
Eine die Erfindung verwirklichende Vorrichtung, welche in Echtzeit die Exzentrizität in einem Rotationskörper wie einer codierten Scheibe misst, umfasst, allgemein gesprochen, zusätzlich zu dem Datenlesekopf einen oder mehrere optische Leseköpfe oder Leseeinrichtungen, die als Fehlerdetektoren verwendet werden (im Folgenden „Fehlerlesekopf/-köpfe"), wobei jeder dieser Fehlerleseköpfe eine Mehrzahl von Lasern aufweist, sowie ein optisch lesbares Exzentrizitätsmessmuster mit einer Mehrzahl von Beugungsringen. Mittel zum Umwandeln der Ausgabe von dem Fehlerlesekopf oder den Fehlerleseköpfen in Zähl- und Richtungssignale für einen bidirektionalen Zähler sind vorzugsweise mit von der Erfindung umfasst. Das Exzentrizitätsmessmuster ist vorzugsweise auf einer herkömmlichen codierten Scheibe durch Standard-Laserschreibmittel geschrieben.
Durch die Verwendung eines ersten, geeignet positionierten Fehlerleseeinrichtung oder Fehlerlesekopfes können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine der beiden zuvor erwähnten orthogonalen Komponenten der Exzentrizität messen, d. h. die in der Richtung der Referenzlinie auftretende Exzentrizitätskomponente oder die in der Richtung senkrecht zur Referenzlinie auftretende Exzentrizitätskomponente, wobei die Referenzlinie und der Referenzpunkt durch die Position des Datenlesekopfes definiert sind. Die Verwendung eines zweiten Fehlerlesekopfes in einer Ausführungsform der Erfindung zusammen mit dem ersten Fehlerlesekopf ermöglicht die Messung beider orthogonaler Exzentrizitätskomponenten sowie die Berechnung der Vektorsumme.
Im Wege eines Beispiels und nicht einer Beschränkung verwendet eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung einen ersten Fehlerlesekopf, welcher drei colinear angeordnete Laser umfasst, zusammen mit einer Detektions- oder Empfangsoptik zum Detektieren von reflektiertem Licht von den durch die Laser ausgesandten Laserstrahlen. Um die Exzentrizität der codierten Scheibe in der Richtung senkrecht zur Referenzlinie zu messen, wird der erste Fehlerlesekopf an einer Position platziert, welche allgemein bei 90° um das Rotationszentrum der Scheibe ausgehend vom Referenzpunkt liegt. Der Ort des ersten Fehlerlesekopfs wird der Fehlerpunkt oder e-Punkt genannt, wobei der mittlere Laserstrahl des ersten Fehlerlesekopfs sich direkt über dem e-Punkt befindet. Der e-Punkt wird sich somit auf einer Linie (hier im Folgenden bezeichnet als die Fehlerlinie oder e-Linie) befinden, welche die Referenzlinie am Rotationszentrum tangiert und schneidet. Der Abstand zwischen dem Rotationszentrum und dem e-Punkt ist vorzugsweise von ähnlicher Größenordnung wie der Abstand zwischen dem Rotationszentrum und dem Referenzpunkt. Der Referenzpunkt und der e-Punkt befinden sich somit vorzugsweise im gleichen Abstand von der Rotationsachse der Scheibe und die Referenzlinie und die e-Linie, welche von der Rotationsachse aus radial nach außen verlaufen, liegen allgemein im Abstand von 90° oder im rechten Winkel zueinander.
Der erste Fehlerlesekopf ist vorzugsweise bei einem Drehwinkel von ungefähr 90° ausgehend von der herkömmlichen Orientierung eines Lesekopfs für eine standardmäßige codierte Scheibe orientiert. Die drei Laserstrahlen von den Lasern des ersten Fehlerlesekopfs sind somit mehr oder weniger entlang einer vom Zentrum der codierten Scheibe aus verlaufenden radialen Linie anstatt einer tangential zum Umfang der Scheibe verlaufenden Linie ausgerichtet. Der Datenlesekopf, welcher am Referenzpunkt positioniert ist, ist typischerweise in herkömmlicher Weise derart orientiert, dass die drei Laserstrahlen von den darin befindlichen Lasern entlang einer Linie orientiert sind, die tangential zum Umfang der codierten Scheibe verläuft.
Wird ein zweiter Fehlerlesekopf verwendet, so wird er vorzugsweise an einer Stelle entlang der Referenzlinie positioniert. Er kann entweder am oder nahe des Referenzpunkts positioniert werden, oder an einer vom Referenzpunkt aus um 180° um das Rotationszentrum der Scheibe gedrehten Position. Der Abstand zwischen dem Rotationszentrum und dem zweiten Fehlerlesekopf ist vorzugsweise von gleicher Größe wie der Abstand zwischen dem Rotationszentrum und dem ersten Fehlerlesekopf.
Da sich der zweite Fehlerlesekopf bei Verwendung ausgehend von der Fehlerlinie in einem Winkel von allgemein 90° um das Rotationszentrum befindet, kann dies als eine Messung der Exzentrizität senkrecht zur Fehlerlinie betrachtet werden. Auch wenn sich die folgende Diskussion darauf konzentrieren wird, dass der erste Fehlerkopf die Exzentrizität senkrecht zur Referenzlinie misst, würde der zweite Fehlerlesekopf bei Verwendung in analoger Weise die Exzentrizität senkrecht zur Fehlerlinie messen. Das bedeutet, dass er den gleichen Mustertyp, dieselbe Orientierung relativ zum Rotationszentrum und die gleichen Prozeduren verwenden würde und dass somit die gleichen Berechnungen anzuwenden wären. Der einzige Unterschied zwischen dem Betrieb der zwei Fehlerleseköpfe besteht darin, dass sie unterschiedliche orthogonale Komponenten der Gesamtexzentrizität messen.
Durch Messung der beiden orthogonalen Exzentrizitätskomponenten e1 und e2 kann die Gesamtexzentrizität vollständig als die Vektorsumme berechnet werden. Die Gesamtgröße M beträgt: M2 = E1 2 + E2 2 und die Richtung relativ zur Referenzlinie beträgt Φ = arcsin (e1/e2).
Das Exzentrizitätsmessmuster einer Ausführungsform der Erfindung ist vorzugsweise auf einer standardmäßigen optischen Scheibe, wie einer geformten Polycarbonat-CD des zur Verwendung für Audio-, Video- oder Daten-CDs verbreiteten Typs, enthalten. Die optische Scheibe mit dem Exzentrizitätsmessmuster wird darauf außerdem im Allgemeinen codierte Daten enthalten, welche in standardmäßiger Weise durch den Referenzlesekopf oder einen anderen Lesekopf gelesen werden. Das Exzentrizitätsmessmuster umfasst eine Mehrzahl von konzentrischen, radial im Abstand voneinander angeordneten Beugungsringen. Die Beugungsringe sind auf der Scheibe in Form von Vertiefungen geschrieben, welche als Einprägungen in der reflektierenden Oberfläche eingetragen sind und vorzugsweise so tief wie ein Viertel der Wellenlänge des von dem Referenzkopf und dem Fehlerlesekopf zum Lesen der Scheibe verwendeten Laserlichts sind. Jeder Beugungsring in dem Exzentrizitätsmessmuster ist durch eine Reihe von „Vertiefungen" und „Erhebungen" gebildet, welche so klein sind, dass sie ein Beugungsgitter für eine Frequenz der Laser des Referenzkopfs und des Fehlerlesekopfes bilden, welche zum Lesen des Musters auf der Scheibe verwendet werden. Die Vertiefungen der Beugungsringe sind innerhalb jedes Rings im Abstand voneinander angeordnet, mit einem Abstand, der allgemein gleich der Vertiefungsbreite ist. Die Vertiefungsbreite und der Vertiefungsabstand zwischen den Vertiefungen sind sorgfältig gewählte Maße, welche geringer sind als die Breite oder der Abstand zwischen benachbarten Vertiefungen zur Verwendung in normalen Datencodieranwendungen. Jeder Beugungsring ist durch einen Ring einer durchgehenden Erhebung (unvertieftes Gebiet) oder einen „Leerring" abgetrennt, der breit genug ist, um von den Leselasern des Fehlerlesekopfs und des Referenzlesekopfs unterschieden zu werden.
Wenn einer der drei Laserstrahlen von den drei Lasern in dem Fehlerlesekopf auf einem Leerring oder einem Raum zwischen den Beugungsringen fokussiert wird, so wird nahezu das gesamte Licht von dem Laserstrahl zur Detektions- oder Empfangsoptik in dem Fehlerlesekopf zurückreflektiert. Wird der Strahl jedoch auf einen Beugungsring fokussiert, so wird das meiste Licht von der Empfangsoptik des Fehlerlesekopfs weggebeugt. Im Ergebnis kann das Exzentrizitätsmessmuster durch den Fehlerlesekopf als abwechselnde helle und dunkle Ringe aufgefasst werden, die durch abwechselnde reflektierende und beugende Oberflächen erzeugt werden.
Das von dem Exzentrizitätsmessmuster auf der Scheibe reflektierte Licht wird dazu verwendet, die radiale Position der codierten Scheibe unter dem Fehlerlesekopf zu bestimmen. Durch elektrisches Unterscheiden des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins von reflektiertem Licht erzeugt die Lichtempfangseinrichtung am Fehlerlesekopf ein Signal, welches die relativen Positionen der Fehlerlesekopfstrahlen über den Beugungsringen des Exzentrizitätsmessmusters repräsentiert. Wenn sich die Ringe unter den Laserstrahlen des Fehlerlesekopfs aufgrund einer Exzentrizität in der Rotationsbewegung der Scheibe radial bewegen, so verändert sich die Menge an reflektiertem Licht und an der Empfangseinrichtung des Fehlerlesekopfes entstehen Wellenformen, welche eine Bewegung der Muster von Beugungsringen unter den Strahlen des Fehlerlesekopfs repräsentieren. Indem alle drei Laserstrahlen in dem Fehlerlesekopf verwendet werden und diese so orientiert werden, dass ihre relativen radialen Abstände nicht-ganzzahlige Vielfache des radialen Abstands zwischen Beugungsringen sind, erzeugen die drei Laserstrahlen des Fehlerlesekopfes ein Mehrphasensignal, aus welchem Zähl- und Richtungsinformationen erhalten werden können. Werden die Laserstrahlen des Fehlerlesekopfes beispielsweise so positioniert, dass ihre relativen radialen Abstände n ± 1/3 des Abstands der Beugungsringe des Exzentrizitätsmessmusters betragen, so erzeugen die drei Laserstrahlen des Fehlerlesekopfes ein Mehrphasensignal mit einem elektrischen Phasenwinkel von 60° zwischen jedem Strahl, was zu einer sechsfachen Vervielfachung hinsichtlich Auflösung und Richtungsbestimmung führt. Für jeden Schritt n zwischen Ringen können somit sechs Zählungen mit n ± 1/3 des relativen radialen Abstands erhalten werden.
Der Fehlerlesekopf schwenkt um eine Achse, welche durch den mittleren Laserstrahl und den e-Punkt verläuft. Durch Einstellen des exakten Winkels zwischen der e-Linie und einer durch die drei Laserstrahlen des Fehlerlesekopfes verlaufenden Linie ist es möglich, den relativen radialen Abstand der drei Laserstrahlen des Fehlerlesekopfes bezüglich dem radialen Abstand der Beugungsringe in dem Exzentrizitätsmessmuster unter ihnen einzustellen. Der Winkel zwischen der e-Linie und der durch die drei Laserpunkte von den Lasern des Fehlerlesekopfes definierten Linie wird „Einstellwinkel" genannt. Die Anzahl an Beugungsringen (und Bruchteilen davon), die durch die drei benachbarten Laserstrahlen des Fehlerlesekopfes überspannt werden, können durch eine Rotation des Fehlerlesekopfes um den mittleren Strahl, welcher am e-Punkt ausgerichtet ist, verändert werden, wodurch der Einstellwinkel geändert wird. Das Ergebnis ist ein einstellbarer, relativer radialer Abstand zwischen den Laserstrahlen des Fehlerlesekopfes und den Beugungsringen des Exzentrizitätsmessmusters. In Fällen, in welchen der relative radiale Abstand zwischen den Laserstrahlen kein ganzzahliges Vielfaches des Abstands zwischen den Beugungsringen des Exzentrizitätsmessmusters ist, sind die drei Laserstrahlen des Fehlerlesekopfes vollständig differenziert. Das heißt, jeder der drei Laserstrahlen wird einen anderen Anteil eines Beugungsrings weg reflektieren als die anderen Laserstrahlen, was in vollständig differenzierten Ausgaben für jeden der Laserstrahlen resultiert. Die vollständig differenzierten Ausgaben werden Umwandlungsmitteln zugeführt und in Zähl- und Richtungsinformationen umgewandelt, um sie bei der Korrektur von Datenlesefehlern zu verwenden, die am Referenzkopf aufgrund der Exzentrizität der Scheibe auftreten.
Die Mittel zum Umwandeln der Ausgabe von dem Fehlerlesekopf in Zähl- und Richtungssignale für einen bidirektionalen Zähler umfassen vorzugsweise einen Computer oder eine Digitalumwandlungsschaltung oder ähnliche programmierte Datenverarbeitungsmittel. Die Umwandlungsmittel verwenden vorzugsweise die Näherung, dass die Größe eines Referenzlesefehlers (unter normalen Umständen) gleich der Größe der Exzentrizitätskomponente in Richtung senkrecht zur Referenzlinie ist.
Das Verfahren einer Ausführungsform der Erfindung umfasst, allgemein gesprochen, die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Exzentrizitätsmessmusters auf einer codierten Scheibe, Bereitstellen eines geeignet positionierten Fehlerlesekopfes mit drei Lasern zum Lesen des Exzentrizitätsmessmusters, Positionieren oder Orientieren des Fehlerlesekopfes derart, dass der relative radiale Abstand der drei Laserpunkte der Laser des Fehlerlesekopfes ein nicht-ganzzahliges Vielfaches des radialen Abstands zwischen den Beugungsringen des Exzentrizitätsmessmusters ist, so dass die Ausgaben der reflektierten Laserstrahlen vollständig differenziert sind, übertragen der Ausgaben an Umwandlungsmittel sowie Umwandeln der Ausgaben in Zähl- und Richtungsinformationen zur Verwendung bei der Korrektur von Datenlesefehlern.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen eines Exzentrizitätsfehlers in einem rotierenden Element bereitzustellen, welche eine schnelle und genaue Exzentrizitätsmessung in Echtzeit erlauben.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen eines Exzentrizitätsfehlers in einem rotierenden Element bereitzustellen, welche eine Echtzeitkorrektur von Lesefehlern für codierte Scheiben ermöglichen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen eines Exzentrizitätsfehlers in einem rotierenden Element bereitzustellen, welche eine Ausgabe zum Umwandeln in Zähl- und Richtungssignale für bidirektionale Hochgeschwindigkeitszähler bereitstellen.
Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden in den folgenden Beschreibungsteilen herausgestellt werden, wobei die detaillierte Beschreibung dem Zweck der vollständigen Offenbarung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient, ohne diese zu beschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird besser verständlich durch Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen welche lediglich illustrativen Zwecken dienen.
1 ist eine Darstellung in Draufsicht, welche Exzentrizitätskomponenten in einer rotierenden codierten Scheibe illustriert.
2 ist eine Darstellung in Draufsicht, welche eine Rotationsexzentrizitätsmessvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf einen Abschnitt eines Exzentrizitätsmessmusters auf einer codierten Scheibe illustriert.
3 ist eine detaillierte Draufsicht eines Abschnitts eines ersten Exzentrizitätsmessmusters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
4 ist eine Detailansicht einer Vertiefung in dem in 3 gezeigten Messmuster, welche die eine Vertiefung bildenden überlappenden Grübchen zeigt.
5 ist eine detaillierte Draufsicht eines Abschnitts eines zweiten Exzentrizitätsmessmusters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
6 ist eine detaillierte Ansicht einer Vertiefung in dem in 5 gezeigten Messmuster, welche die die Vertiefung bildenden überlappenden Grübchen zeigt.
7 ist eine Draufsicht eines Abschnitts eines dritten Exzentrizitätsmessmusters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
8 ist eine diagrammartige Darstellung des relativen radialen Abstands von Laserpunkten von dem Fehlerlesekopf und des radialen Abstands der Beugungsringe des Exzentrizitätsmessmusters, welche verschiedene „N+"-Bruchteil-Beziehungen von Laserpunkten und Beugungsringen zeigt, wobei N = 2 Beugungsringe beträgt.
9A–9F sind diagrammartige Darstellungen der Ausgabesignale des Fehlerlesekopfes für die in 8 gezeigten Relativabstandsbeziehungen von Laserpunkten und Beugungsringen, wobei die Ausgabesignale als Rechteckwellen gezeigt sind.
10 ist eine detaillierte Ansicht der Ausgangsignale von 9B, in Relation zu in 8 gezeigten Laserpunkten und Beugungsringen für die Beziehung N + 1/6.
11 ist ein Flussdiagramm, welches allgemein die Schritte des Verfahrens gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es wird sich nun genauer auf die Zeichnungen bezogen. Zu illustrativen Zwecken ist die vorliegende Erfindung durch die allgemein in 1 bis 11 gezeigte Vorrichtung verkörpert. Selbstverständlich kann die Vorrichtung hinsichtlich der Konfiguration und hinsichtlich von Details der Bestandteile variiert werden und das Verfahren kann hinsichtlich seiner Details und der Anordnung der Schritte variiert werden, ohne von den hier offenbarten grundsätzlichen Konzepten abzuweichen.
Zunächst ist unter Bezugnahme auf 1 allgemein eine drehende codierte Scheibe 10 gezeigt. Der Zweck dieser Erfindung ist es, in Echtzeit, den Exzentrizitätsfehler oder die Rotationsexzentrizität der codierten Scheibe 10 oder eines anderen Rotationskörpers, der sich um eine Rotationsachse 12 dreht, genau zu messen, und zwar zu dem Zweck, in Echtzeit irgendwelche, durch die Exzentrizität der Scheibe 10 verursachte Mess- oder Lesefehler der codierten Daten (nicht gezeigt) auf der Scheibe 10 zu korrigieren. Ausführungsformen der Erfindung sind nützlich, da die mechanische Anordnung (nicht gezeigt), an welcher die Scheibe 10 typischerweise angebracht ist, stets einen gewissen Grad eines Exzentrizitätsfehlers aufweisen wird. Das heißt, es wird stets einen gewissen Unterschied geben zwischen der Position, an der sich das ideale Zentrum 14 der codierten Scheibe 10 an einer bestimmten Anordnung tatsächlich befindet, und dem tatsächlichen Rotationszentrum 16, in welchem sich das ideale Zentrum 14 der codierten Scheibe 10 befinden sollte. Dieser Unterschied führt zu einem bestimmten Fehlergrad beim Zurücklesen der codierten Daten auf der Scheibe 10. Durch Messen des Exzentrizitätsfehlers in Echtzeit erlauben es Ausführungsformen dieser Erfindung, die Fehler zu korrigieren oder zu verstellen. Die statische Exzentrizität der Scheibe 10 und der mechanischen Anordnung, an welcher die Scheibe 10 angebracht ist, ist im Allgemeinen der Abstand zwischen dem idealen Zentrum 14 der codierten Scheibe und dem Rotationszentrum 16. Der Gesamtexzentrizitätsfehler der Scheibe 10 ist allgemein die Summe der statischen Fehler (z. B. das ideale Zentrum 14 in der codierten Scheibe dreht sich in einigem Abstand vom wahren Rotationszentrum 16 bei einem festen Radius) und der dynamischen Fehler (z. B. dem Spiel und dem Seitenschlag durch einen Unrundlauf in einem Lager oder einem anderen Teil der mechanischen Anordnung, an der die Scheibe 10 angebracht ist). Zu beachten ist, dass der relative Abstand zwischen dem idealen Zentrum 14 und dem Rotationszentrum 16 der Scheibe 10 so, wie er in 1 gezeigt ist, aus Gründen der Klarheit übertrieben ist.
In einem beliebigen System mit einer codierten Scheibe 10 gibt es ein ideales oder wahres Zentrum 14 im Zentrum der codierten Daten auf der Scheibe 10. Es ist jedoch möglich, dass das ideale Zentrum 14 nicht dem physikalischen oder Rotationszentrum 16 der codierten Scheibe 10 entspricht. Wie auch immer die codierten Daten auf der Scheibe 10 ausgebildet sind, ob als konzentrische Ringe, als eine kontinuierliche Spirale, als radiale Speichen oder in irgendeinem anderen Datenmuster, es gibt ein Zentrum 14 des Musters von codierten Daten, das dem idealen Zentrum 14 der codierten Scheibe 10 entspricht. Wenn die codierte Scheibe an einer Rotationsanordnung angebracht wird, so wird es einen Rotationspunkt oder Rotationszentrum 16 geben, um welchen/welches die codierte Scheibe 10 tatsächlich rotiert. Wie oben ausgeführt, können Spiel, Seitenschlag und andere Faktoren bewirken, dass sich die exakte Position des Rotationszentrums 16 mit der Zeit leicht verändert.
Es wird sich nun auf 2 sowie auch auf 1 bezogen, in welchen eine Vorrichtung 18 zum Messen eines Exzentrizitätsfehlers oder einer Rotationsexzentrizität allgemein gezeigt ist. Um die codierten Daten von der Scheibe 10 zurückzulesen, weist die Vorrichtung 18 eine Leseeinrichtung oder einen Lesekopf 20 auf, welcher über der codierten Scheibe 10 in einigem Abstand vom Rotationszentrum 16 positioniert ist. Der Lesekopf 20 ist ein Lesekopf mit Dreistrahllaser. Der Punkt im Raum, an welchem der Lesekopf 20 die codierten Daten tatsächlich liest, wird zu Zwecken der Beschreibung der vorliegenden Erfindung als „Referenzpunkt" 22 bezeichnet. Die radial zwischen dem Rotationszentrum 16 und dem Referenzpunkt 22 verlaufende Linie 24 wird als „Referenzlinie" 24 und der Lesekopf 20 wird als Referenzlesekopf 20 bezeichnet.
Wenn in der Scheibe 10 in der Richtung der Referenzlinie 24 oder parallel zur Referenzlinie 24 eine Exzentrizität auftritt, so befindet sich die Position der codierten Daten bei einem anderen Radius oder an einer anderen radialen Position als vom Referenzlesekopf 20 erwartet. Tritt eine Exzentrizität in einer Richtung senkrecht zur Referenzlinie 24 auf, so befindet sich die Position der codierten Daten auf der Scheibe 10 sowohl an einem anderen Winkel als auch bei einem anderen Radius als vom Referenzlesekopf 20 erwartet. Tritt Exzentrizität in irgendeiner anderen Richtung auf, so kann sie als die Vektorsumme zweier orthogonaler Komponenten behandelt werden: Die Exzentrizitätskomponente, die in Richtung der Referenzlinie 24 auftritt, und die Exzentrizitätskomponente, die in der zur Referenzlinie 24 senkrechten Richtung auftritt. Beide dieser Typen exzentrischer Fehlausrichtungen der codierten Daten auf der Scheibe 10 in Bezug auf den Referenzlesekopf 20 führen wahrscheinlich zu Lesefehlern der codierten Daten.
Durch Zufügen und direkte Ausrichtung einer zweiten Leseeinrichtung oder eines zweiten Lesekopfes in der oben im Detail beschriebenen Weise, können Ausführungsformen in dieser Erfindung beide dieser genannten orthogonalen Exzentrizitätskomponenten messen. Werden ferner zusätzlich zum Referenzlesekopf 20 zwei Leseköpfe verwendet, so können beide orthogonalen Exzentrizitätskomponenten gemessen und die Vektorsumme berechnet werden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind insbesondere gut für die Verwendung bei einer Korrektur von Exzentrizitätsfehlern in einer hoch auflösenden Drehcodiereinrichtung geeignet, indem die Exzentrizitätskomponente in Richtung senkrecht zur Referenzlinie 24 gemessen wird. In einer solchen Anwendung trägt die Exzentrizitätskomponente in der Richtung der Referenzlinie 24 nicht direkt zu einem Lesefehler bei und muss daher unter normalen Umständen nicht gemessen werden. Der Fehler in der Winkelmessung der Scheibe 10 oder eines anderen Rotationskörpers, der durch die Exzentrizitätskomponente in Richtung senkrecht zur Referenzlinie 24 eingebracht wird, liegt unter normalen Umständen sehr dicht an der Größe der Exzentrizitätskomponente in der Richtung parallel zur Referenzlinie 24 und sie können als gleich aufgefasst werden. Der durch die Exzentrizitätskomponente in Richtung der Referenzlinie 24 verursachte Fehler ist unter normalen Umständen sehr klein und kann vernachlässigt werden, wie im Folgenden vollständiger diskutiert wird.
Um die Exzentrizität der Scheibe 10 in Richtung senkrecht zur Referenzlinie 24 zu messen, wird ein Lesekopf 26 mit Dreistrahllasern in Verbindung mit einem speziellen Exzentrizitätsmessmuster verwendet, welches auf der codierten Scheibe 10 aufgebracht ist. Der Lesekopf 26 wird hier im Folgenden als Fehlerlesekopf 26 bezeichnet und wird an einer Fehlerleseposition oder einem Punkt 28 positioniert, welcher als e-Punkt 28 bezeichnet wird und welcher sich vorzugsweise vom Referenzpunkt 22 aus an einer um 90° um das Rotationszentrum 16 gedrehten Position befindet. Der e-Punkt 28 wird sich somit auf einer Linie 30 befinden, welche im Folgenden als die e-Linie 30 bezeichnet wird und welche tangential zur Referenzlinie 24 verläuft und die Referenzlinie 24 im Rotationszentrum 16 schneidet. Obwohl der Abstand zwischen dem Rotationszentrum 16 und dem e-Punkt 28 keinen inhärenten Beschränkungen unterliegt, wird der Abstand zwischen dem Rotationszentrum 16 und dem e-Punkt 28 allgemein von ähnlicher Größe sein wie der Abstand zwischen dem Rotationszentrum 16 und dem Referenzpunkt 24.
Der in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendete Fehlerlesekopf 26 ist ein Lesekopf mit Dreistrahllaser, welcher Laser 32a, 32b, 32c aufweist. Der Referenzlesekopf 20 enthält gleichermaßen im Allgemeinen drei Laser 34a, 34b, 34c. Vorzugsweise ist der Fehlerlesekopf 26 an einer von seiner herkömmlichen Orientierung als Nur-Lese-Kopf um etwa 90° gedrehten Position ausgerichtet, so dass die drei Laser 32a, 32b, 32c somit mehr oder weniger entlang der e-Linie 30 ausgerichtet sind, welche radial durch das Rotationszentrum 16 der Scheibe 10 verläuft, und nicht entlang einer Linie (nicht gezeigt) ausgerichtet sind, die tangential zum Umfang der Scheibe 10 liegt. Der exakte Orientierungswinkel des Fehlerlesekopfes 26 wird beim endgültigen Zusammenbau der Vorrichtung 18 eingestellt, um eine Feineinstellung des relativen radialen Abstands zwischen den drei Lasern 32a, 32b, 32c wie nachfolgend diskutiert, zu erleichtern.
Bei der herkömmlichen Anwendung einer Lesekopfanordnung mit drei Lasern werden die drei Laserstrahlen für zwei separate Zwecke eingesetzt. Als erstes wird der mittlere Strahl dazu verwendet, die Informationen von einer Scheibe zu lesen, die in der Form eines in die Scheibe eingeprägten digitalen Codes codiert sind, so dass das Laserlicht bei jeder an dem Lesekopf vorbei laufenden eingeprägten Marke oder nicht eingeprägten Stelle abwechselnd von dem Lesekopf weg gestreut oder in den Lesekopf zurückreflektiert wird. Diese Einprägungen auf der Scheibe werden allgemein als „Vertiefungen" bezeichnet und die nicht markierte Stelle um diese wird allgemein als „Erhebung" oder „Erhebungen" bezeichnet. Zweitens werden die Seitenlaserstrahlen oder, wie sie bekannt sind, die „Satellitenpunkte" dazu verwendet, den Hauptlaserstrahl oder den mittleren Laserstrahl mittig über der Linie von Vertiefungen zu halten, welche die Informationen codieren. Durch die Satellitenlaserstrahlen werden keine codierten Informationen gelesen. Die Intensität des durch die zwei Seitenlaserstrahlen reflektierten Lichtes verändert sich, wenn der Haupt- oder mittlere Laserstrahl von seiner Spurmitte wegdriftet. In diesem Fall wird sich die Intensität des reflektierten Lichtes von einem Seitenstrahl erhöhen, wenn sich der Hauptlaserstrahl in seine Richtung außermittig verschoben hat, und wird abnehmen, wenn sich der Hauptlaserstrahl von seiner Richtung aus weggerichtet außermittig verschoben hat.
In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung werden alle drei Laser 32a, 32b, 32c des Fehlerlesekopfes 26 in derselben Weise verwendet. Der mittlere Laser 32b und die zwei äußeren oder Satellitenlaserstrahlen 32a, 32c werden verstärkt und digitalisiert, um als direkte Eingaben für Umwandlungsmittel wie einer Umwandlungsschaltung verwendet zu werden, wie im Folgenden weiter beschrieben wird. Somit werden alle drei Laserstrahlen 32a, 32b, 32c des Fehlerlesekopfes 26 dazu verwendet, Informationen über jede Vertiefung zu lesen, welche unter ihnen vorbeiläuft.
Es wird sich nun auf 3 und 4 sowie auch auf 2 bezogen. Eine Ausführungsform der Erfindung enthält ein Exzentrizitätsmessmuster 36, welches sich auf der Scheibe 10 befindet. Die Scheibe 10 ist vorzugsweise eine standardmäßig geformte Polycarbonat-CD des selben Typs, der für Audio- oder Nur-Lese-CD-ROMs verwendet wird. Vertiefungen 38 sind als Einprägungen in die reflektierende Oberfläche der Scheibe 10 eingetragen, wobei die Vertiefungen 38 im Allgemeinen so tief sind wie ein Viertel der Wellenlänge des Laserlichts vom Fehlerlesekopf 26 und vom Referenzlesekopf 20, welche zum Lesen der Scheibe verwendet werden.
Das Exzentrizitätsmessmuster 36 umfasst eine Reihe von konzentrischen, radial im Abstand angeordneten Beugungsringen 40, welche um ein ideales Zentrum 14 der Scheibe 10 herum zentriert sind. Jeder Beugungsring 40 ist aus einer Reihe von abwechselnden „Vertiefungen" 38 und „Erhebungen" 42 gebildet, welche in ihrer Größe derart klein sind, dass sie ein Beugungsgitter für die Frequenz oder Wellenlänge des Laserlichts von den Lasern 32a, 32b, 32c des Fehlerlesekopfes 26 bilden. Beugungsringe 40 sind aus Vertiefungen 38 und Erhebungen 42 gebildet, welche voneinander in einem Abstand angeordnet sind, der gleich der Breite der Vertiefungen 38 ist. Wie gezeigt, sind die Vertiefungen 38 vorzugsweise länglich in radialer Richtung. Die Breite der Vertiefungen 38 ist eine sorgfältig ausgewählte Größe, welche geringer ist als die Breite der Vertiefungen 38, die in normalen Datencodieranwendungen verwendet wird. Indem die Vertiefungen 38 im dichten Abstand voneinander angeordnet werden, wird es für die Laser 32a, 32b, 32c des Fehlerlesekopfes 26 unmöglich, die einzelnen Vertiefungen 38 der Beugungsringe 40 zu unterscheiden. Jeder konzentrische Beugungsring 40 ist von benachbarten Beugungsringen 40 durch einen Ring einer durchgehenden, unvertieften Erhebung, genannt „Leerring" 44, getrennt oder beabstandet. Die Leerringe 44 zwischen Beugungsringen 40 sind breit genug, um durch die Laser 32a, 32b, 32c des Fehlerlesekopfes 26 von den Beugungsringen 40 unterschieden zu werden. 3 zeigt ein Exzentrizitätsmessmuster 36 mit relativ geringer Dichte. Wie in 3 zu sehen ist, sind die Vertiefungen 38 senkrecht zur normalen Richtung orientiert, in der Vertiefungen normalerweise durch CD-Mastering-Gerätschaften aufgezeichnet werden.
Wünschenswert (wenn auch nicht nötig) ist es, ein Exzentrizitätsmessmuster 36 unter Verwendung von fertig verfügbaren CD-Mastering-Techniken oder – Gerätschaften zu erzeugen. Um dies zu erreichen, können die Vertiefungen 38 der Beugungsringe 40 als überlappende Aufzeichnungsdurchläufe kleiner, im engen Abstand angeordneter Grübchen 46 ausgebildet werden, wie in 4 gezeigt ist. Durch Überlappungen nachfolgender Ringe von radial ausgerichteten kurzen Grübchen 46 wird eine Amalgamierung von Vertiefungen 38 erhalten, welche die gewünschte Form aufweisen.
Wird einer der drei Laser 32a, 32b, 32c in dem Fehlerlesekopf 26 auf einem Leerring 44 zwischen Beugungsringen 40 fokussiert, so wird nahezu das gesamte Licht des Lasers in die Empfangsoptik (nicht gezeigt) des Fehlerlesekopfes 26 zurückreflektiert. Wird der Laser 32a, 32b oder 32c auf einem Beugungsring 40 fokussiert, so wird der meiste Teil des Laserlichts von der Empfangsoptik des Fehlerlesekopfes 26 weggebeugt. Im Ergebnis kann das Exzentrizitätsmessmuster 36 somit als abwechselnde helle und dunkle Ringe aufgefasst werden, welche durch abwechselnde reflektierende und beugende Oberflächen gebildet werden. Aufgrund der neuartigen Konstruktion des Exzentrizitätsmessmusters ist in einer Ausführungsform der Erfindung die Breite und der Abstand zwischen diesen abwechselnden hellen und dunklen Ringen willkürlich (für irgendeine Abstandskombination oberhalb der Auflösungsgrenze) und kann den Umständen der speziellen Anwendung angepasst werden.
Es wird sich nun auf 5 und 6 bezogen. Gezeigt ist dort eine zweite Ausführungsform eines Exzentrizitätsmessmusters 48, welches ein Hochauflösungsmuster nahe der Auflösungsgrenze ist. Das Exzentrizitätsmessmuster 48 enthält eine Mehrzahl von radial im Abstand voneinander angeordneten konzentrischen Beugungsringen 50, welche durch unvertiefte Leerringe 52 getrennt sind. Die Beugungsringe 50 sind aus einer Mehrzahl von abwechselnden Vertiefungen 54 und Erhöhungen 56 gebildet, welche von so kleiner Größe sind, dass sie für die Frequenz oder Wellenlänge des Laserlichts von den Lasern 32a, 32b, 32c des Fehlerlesekopfes 26 ein Beugungsgitter bilden. Die Vertiefungen 54 sind als eingetragene, überlappende Grübchen oder Punkte 58 ausgebildet, wie in 6 gezeigt ist. Die Länge der Punkte 58 in der Umfangsrichtung ist nur durch die Bandbreite des Aufzeichnungssystems begrenzt und die Länge der zusammengesetzten Vertiefungen 54 in radialer Richtung ist eine Funktion der Anzahl und des Betrags der Überlappung in den überlappenden Aufzeichnungsdurchläufen. Da diese üblicherweise ziemlich gut einstellbar sind, gibt es nahezu einen unendlichen Bereich von Werten für die Vertiefungsbreite und somit Beugungsringbreite und -abstand, welche für das Exzentrizitätsmessmuster erzeugt werden können.
Es wird sich als nächstes auf 7 bezogen. Gezeigt ist dort eine dritte Ausführungsform eines Exzentrizitätsmessmusters 60. Das Exzentrizitätsmessmuster 60 verwendet eine Reihe von konzentrischen kontinuierlichen Ringen 62, deren Breite und Abstände unterhalb der Auflösungsgrenze für die Laser 32a, 32b, 32c in dem Fehlerlesekopf 26 liegen. Das Exzentrizitätsmessmuster 60 ist zur Zeit weniger bevorzugt als die Exzentrizitätsmessmuster 36, 48, da das Exzentrizitätsmessmuster 60 ein Beugungsgitter bereitstellt, das größeren physikalischen Beschränkungen unterliegt, da die Breite einer „Linie" so groß sein muss wie die Breite des Aufzeichnungsstrahls und eine ganzzahlige Anzahl von Linien (zwei oder mehrere) verwendet werden muss. Da der Abstand zwischen den Linien annähernd gleich der Linienbreite sein muss, beträgt die minimale Ringbreite in dem Exzentrizitätsmessmuster 60 ungefähr das Dreifache des Durchmessers des Aufzeichnungsstrahls (verglichen mit dem 1,5-Fachen für das oben beschriebene Exzentrizitätsmessmuster 36). Da ferner die zuvor erwähnten Beschränkungen vorliegen, müssen gewählte Breiten nahe bei ungeraden Vielfachen des Durchmessers des Aufzeichnungsstrahls liegen und die Breite ist somit nicht kontinuierlich veränderbar. In einigen Anwendungen kann dies akzeptabel sein.
Es wird sich erneut auf 2 bis 4 bezogen. Das Licht von den Lasern 32a, 32b, 32c, welches von dem Exzentrizitätsmessmuster 36 auf der Scheibe 10 reflektiert wird, wird dazu verwendet, die radiale Position der Scheibe 10 unter dem Fehlerlesekopf 26 zu bestimmen. Durch elektrisches Unterscheiden des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins von reflektiertem Licht erzeugt die Empfangseinrichtung (nicht gezeigt) am Fehlerlesekopf 26 Ausgabesignale, welche die relative Position des Fehlerlesekopfes 26 und der Strahlen der Laser 32a, 32b, 32c über den Beugungsringen 40 und den Leerringen 44 des Exzentrizitätsmessmusters 36 repräsentieren. Wenn sich die Beugungsringe 40 und die Leerringe 44 aufgrund der Exzentrizität der Scheibe 10 radial unter dem Fehlerlesekopf 26 bewegen, so ändert sich die Lichtmenge von den Lasern 32a, 32b, 32c, welche durch das Exzentrizitätsmessmuster 36 reflektiert wird, und an der Empfangseinrichtung des Fehlerlesekopfes 26 entstehen Wellenformen, welche das Muster der Beugungsringe 40 und Leerringe 44 repräsentieren, wenn sich die Scheibe 10 und das Exzentrizitätsmessmuster 36 drehen.
Durch Verwendung aller drei Laser 32a, 32b, 32c im Fehlerlesekopf 26 und Orientieren und Positionieren der Laser 32a, 32b, 32c derart, dass der relative radiale Abstand zwischen den Lasern 32a, 32b, 32c gleich einem nicht ganzzahligen Vielfachen des radialen Abstands oder der Distanz zwischen Beugungsringen 40 ist, werden Ausgabesignale von dem Fehlerlesekopf 26 erhalten, welche zur Messung der Exzentrizität der Scheibe 10 verwendet werden können. Ist beispielsweise der relative radiale Abstand der Laser 32a, 32b, 32c gleich n ± 1/3 des Abstands der Beugungsringe 40, so bildet das Licht von den Lasern 32a, 32b, 32c, welches von dem Exzentrizitätsmessmuster 36 reflektiert wird, ein Mehrphasensignal mit jeweiligen Phasenwinkelabstand von 60°, was zu einer sechsfachen Vervielfachung der Auflösung und der Richtungsbestimmung führt. Für jeden Schritt n zwischen Beugungsringen 40 können somit sechs Zählungen erhalten werden (d. h. wenn die Ringe 40 in Abständen von 1,5 μm angeordnet sind, so weist die Erfindung eine Zählauflösung von 0,25 μm auf). Durch Aufzeichnen dieser Zählung in einem Computer oder einer anderen Digitalzählerschaltung kann die relative Position mathematisch bestimmt werden. Diese Rechnung kann in einem Computer oder einer Digitalschaltung ausgeführt werden.
Zu beachten ist, dass auch wenn in dem Exzentrizitätsmessmuster 36 (3) nur sechs Beugungsringe 40 gezeigt sind, das Muster 36 in der Praxis hunderte von konzentrischen Beugungsringen 40 und dazwischen angeordneten Leerringen 44 enthalten wird. Gleichermaßen wird das Exzentrizitätsmessmuster 48 von 5 hunderte von konzentrischen Beugungsringen 40 und Leerringen 44 enthalten. Ferner könnte eine einzelne Scheibe 10 mehrere verschiedene Bänder von Exzentrizitätsmessmustern enthalten, die unterschiedlichen Codierauflösungen, unterschiedlichen Betriebsdurchmessern usw. entsprechen. Obwohl die oben erwähnte erreichbare Grenze für die Musterdichte durch die Laserwellenlänge und die nummerische Apertur der Fokussierlinse der Empfangseinrichtung begrenzt ist, können mit der Erfindung auf einfache Weise geringere Exzentrizitätsmessmusterdichten erzielt werden, indem der radiale Abstand zwischen den Beugungsringen und den Leerringen verbreitert wird, ohne die Vertiefungsabstände innerhalb jedes Beugungsrings zu verändern.
Es wird sich nun spezieller auf 2 bezogen. Durch Einstellen des exakten Winkels 64 zwischen der e-Linie 30 und der Linie 66, die durch die drei Laser 32a, 32b, 32c in dem Fehlerlesekopf 26 verläuft, ist es möglich, den radialen Abstand der Laser 32a, 32b, 32c in Bezug auf den radialen Abstand von Beugungsringen 40 unter den Lasern 32a, 32b, 32c einzustellen. Das bedeutet, dass die von benachbarten Strahlen von Lasern 32a, 32b, 32c überspannte Anzahl von Beugungsringen 40 (und Bruchteile davon) durch Drehen oder Schwenken des Fehlerlesekopfes 26 um den Mittellaser 32b (welcher am e-Punkt 28 ausgerichtet ist) verändert werden kann. Dies liegt daran, dass die durch die Laser 32a, 32b, 32c überspannte Anzahl an Beugungsringen 40 proportional ist zu d cos q, wobei d der Abstand zwischen Strahllesepunkten der Laser 32a, 32b, 32c und q der Einstellwinkel 64 zwischen der e-Linie 30 und der Linie 66 ist. Das Ergebnis ist ein einstellbarer relativer Abstand zwischen den Lasern 32a, 32b, 32c und den Beugungsringen 40. Zu beachten ist, dass eine Veränderung des Einstellwinkels 64 und des relativen radialen Abstands der Laser 32a, 32b, 32c auch die Position der äußeren Laser oder Satellitenlaser 32a, 32c bezüglich des Umfangs der Scheibe 10 verändern wird. Wie im Folgenden beschrieben wird, ist es jedoch der relative radiale Abstand der Laser 32a, 32b, 32c im Bezug auf den radialen Abstand der Beugungsringe 40, der nützliche Informationen bereitstellt.
Es wird sich nun auf die 8 bis 10 sowie auch auf die 2 bis 4 bezogen. Sechs Beispiele mit unterschiedlichem relativem Abstand sind darin diagrammartig als N, N + 1/6, N + 2/6, N + 3/6, N + 4/6 und N + 5/6 gezeigt. Die Beispiele für den relativen Abstand von 8 können durch Variieren des Einstellwinkels 64 durch Schwenken des Fehlerlesekopfes 26 um den Mittellaser 32b und den e-Punkt 28 in der oben beschriebenen Weise erhalten werden. Aus Gründen der Klarheit ist in 8 jeder der Beugungsringe 40 in 3 als eine einzelne längliche Vertiefung 68 gezeigt, wobei jede Vertiefung 68 in 8 repräsentativ ist für einen vollständigen Beugungsring 40. Leerringe 44 sind in 8 gleichermaßen einfach als „Erhebungen" 70 gezeigt. Für jeden in 8 gezeigten relativen Abstand sind somit sieben Beugungsringe 40 und sechs Leerringe 44 durch abwechselnde Vertiefungen 68 und Erhebungen 70 repräsentiert. 8 bis 10 illustrieren, wie jeder der sechs Fälle ein anderes Muster von Ausgabesignalen erzeugt.
Unter Bezugnahme auf den Fall N in 8 und 9 sind drei Laserpunkte 72a, 72b, 72c gezeigt, welche den Lasern 32a, 32b bzw. 32c des Fehlerlesekopfes 26 entsprechen, sowie sieben Vertiefungen 68, welche den sieben Beugungsringen 40 des Exzentrizitätsmessmusters 36 entsprechen. Der mittlere Laserpunkt 72b entspricht hinsichtlich seiner Position dem e-Punkt 28, wie oben beschrieben wurde. Das Beispiel N illustriert eine Situation, in der der relative radiale Abstand zwischen Lasern 32a, 32b, 32c ein ganzahliges Vielfaches des Abstands oder der Distanz zwischen den Beugungsringen 40 beträgt. Die Anzahl an Vertiefungen 68 und Erhebungen 70 zwischen jedem Laserpunkt 72a, 72b, 72c ist somit ein ganzzahliges Vielfaches, so dass jeder Laserpunkt 72a, 72b, 72c auf dieselbe Anordnung von Vertiefungen und Erhebungen 68, 70 gerichtet und von diesen wegreflektiert wird. Wie gezeigt, sind die Laserpunkte 72a, 72b, 72c über den Zentren der Vertiefungen 68 positioniert, wobei N = 2 gilt oder zwei Vertiefungen 68 allgemein zwischen jedem Laserpunkt angeordnet sind und wobei alle drei Laserpunkte insgesamt fünf Vertiefungen 68 überspannen.
In dem Fall von N, in welchem der relative radiale Abstand zwischen den Lasern 32a, 32b, 32c ein ganzzahliges Vielfaches des Abstands der Beugungsringe 40 ist, ist der relative Abstand nicht besonders sinnvoll, da das von den Satellitenpunkten 72a, 72c reflektierte Licht zusätzlich zu dem bereits durch den mittleren Punkt 72b bereitgestellten Licht keine Informationen für die Empfangseinrichtung in dem Fehlerlesekopf 26 bereitstellt. Die Ausgabesignale von der Empfangseinrichtung des Fehlerlesekopfes 26 für das Beispiel N sind in 9A als Rechteckwellen 74a, 74b, 74c gezeigt, welche identisch sind.
Es wird sich als nächstes auf den Fall N + 1/6 in 8 bezogen. Die Laserpunkte 72a, 72b, 72c weisen nicht ganzzahlige relative Abstände von N + 1/6 auf oder sind um N + 1/6 Beugungsringe 40 (gezeigt als einzelne Vertiefungen 68 mit N = 2 Vertiefungen 68) getrennt und sind somit vollständig differenziert. Das heißt, dass zu jedem Zeitpunkt jeder der Laserpunkte 72a, 72b, 72c einen anderen Anteil eines Beugungsrings 40 wegreflektiert als die anderen Laserpunkte. Wie in 9B gezeigt ist, sind die Rechteckwellen-Ausgabesignale 76a, 76b, 76c, welche den Laserpunkten des N + 1/6-Beispiels entsprechen, alle verschieden. Es werden somit dreimal so viele Informationen bereitgestellt als durch einen einzelnen Laser, oder als im oben beschriebenen Fall N bereitgestellt werden würde. Durch die Einrichtung eines Schwellwertpunktes bei der Hälfte zwischen dem Maximum und dem Minimum reflektierter Helligkeit der Laserpunkte 72a, 72b, 72c (ebenso wie dies beim herkömmlichen Lesen von normalen CDs getan wird) können die Ausgabesignale 76a, 76b, 76c in binäre Entsprechungen umgewandelt werden: Eine „1" für Licht und eine „0" für Dunkelheit. Dies resultiert in einem sich wiederholenden Binärmuster, welches nicht nur eine Scheibenbewegung, sondern auch Richtungsinformationen anzeigt. Unter zusätzlicher Bezugnahme auf 10 ist z. B. im Fall von „Zeit 1" die Ausgabe 100. Bewegt sich die Scheibe nach innen, d. h. in eine solche Richtung, dass sich die Beugungsringe 40 zwischen dem Laserpunkt 72b und dem Laserpunkt 72c in Richtung zu dem Laserpunkt 72c bewegen und das ideale Zentrum 14 sich von dem Fehlerkopf 26 wegbewegt, so wird der nächste Code 110 sein (und dann bei „Zeit 2" 111). Ist stattdessen der nächste Code nach Zeit 1 gleich 000, so muss sich die Scheibe nach außen bewegt haben, d. h. in einer solchen Richtung, dass sich das ideale Zentrum 14 in Richtung zu dem Fehlerkopf 26 hin bewegt. In der Einwärtsrichtung entwickelt sich das Muster wie folgt: 100, 110, 111, 011, 001, 000, 100, ... in der Auswärtsrichtung ist es: 100, 000, 001, 011, 111, 110, 100, ...
Es wird sich als nächstes auf den Fall N + 2/6 (9C) bezogen. Die Laserpunkte 72a, 72b, 72c weisen nicht-ganzzahlige relative Abstände auf, die vollständig differenzierte Informationen bereitstellen und zu Ausgabesignalen 78a, 78b bzw. 78c führen. Die Ausgabesignale 78a, 78c aufgrund der Satellitenpunkte 72a, 72c sind jedoch invertiert und relativ zueinander transponiert.
Im Fall eines relativen Abstands der Laser 32a, 32b, 32c von N + 3/6 (9D) erzeugen die Satellitenpunkte 72a, 72c Ausgabesignale 80a, 80c, welche lediglich die invertierten Informationen des Ausgabesignals 80b des mittleren Laserpunkts 72b tragen. Wie in dem oben beschriebenen Fall N ist somit ein relativer Abstand von N + 3/6 nicht sinnvoll.
Im Fall eines relativen Abstands von N + 4/6 (9E) sind die Laserpunkte 72a, 72b, 72c vollständig differenziert, ähnlich dem N + 1/6-Beispiel, jedoch sind die Ausgabesignale 82a, 82c, welche der Detektion von von den Punkten 72a, 72c reflektiertem Licht entsprechen, invertiert.
In dem Fall eines relativen Abstands von N + 5/6 (9F) sind die Laserpunkte 72a, 72b, 72c sowie die Ausgabesignale 84a, 84b, 84c ähnlich wie in dem Fall von N + 1/6 relativen Abstands vollständig differenziert. Die Ausgabesignale 84a, 84c aufgrund der Satellitenlaserpunkte 72a, 72c sind jedoch transponiert.
Der Fall N + 6/6 ist nicht illustriert, da N + 6/6 ein ganzzahliger relativer Abstand ist und einfach der gleiche Fall vorliegt wie bei N, wenn N um eine ganze Zahl größer ist.
In den Fällen N + 2/6, N + 4/6 und N + 5/6 kann eine einfache Logikschaltung verwendet werden, um die Ausgabesignale von dem Fehlerlesekopf 26 an eine Umwandlungsschaltung oder einen Computer weiter zu geben, so dass die Ausgabesignale von den Fällen N + 2/6, N + 4/6 und N + 5/6 so erscheinen wie in dem Fall N + 1/6. Wenn man eine solche Schnittstellenschaltung per Schalter oder Jumper wählbar vorsieht, so würde dies die Durchführung einer Konfiguration des Fehlerlesekopfes 26 vor oder während der Montage der codierten Scheibe ermöglichen und würde es erlauben, den Einstellwinkel 64 für einen beliebigen der vier oben beschriebenen nutzbaren Fälle N + 1/6, N + 2/6, N + 4/6 und N + 5/6 einzustellen.
In dem Fall dass die relativen Abstände der Laser 32a, 32b, 32c Bruchteile des ganzzahligen Werts N sind, welche zwischen beliebige der vier nutzbaren Fälle N + 1/6, N + 2/6, N + 4/6 und N + 5/6 fallen, wird das Ausgabesignalmuster demjenigen des nächstkommenden der vier nutzbaren Fälle ähnlich sein, es sei denn, dass die Größe der Zählintervalle nicht gleich ist, so dass die Genauigkeit der zugehörigen Ausgabesignale reduziert wird.
Sind die Ausgabesignale von dem Fehlerlesekopf 26 einmal als Signale vom Typ N + 1/6 konfiguriert, so wie dies oben beschrieben und in 9 gezeigt ist, so ist die Umwandlung der Ausgabesignale in ein Zähl- und Richtungssignal zur Eingabe in den bidirektionalen Hochgeschwindigkeitszähler einfach die Aufgabe einer Zustandsmaschine (nicht gezeigt), welche Änderungen in dem Ausgabezustand beobachtet und auf Grundlage der Regeln des Musters vorhersagt, was in einer Einwärts- oder Auswärtsrichtung als nächstes kommen sollte (oder, wenn ein gültiger Synchronisationszustand als nächstes auftreten könnte, seinen Zustand). Tritt eine Zustandsänderung auf, so vergleicht die Zustandsmaschine den neuen Zustand mit ihren letzten Vorhersagen, setzt das Richtungssignal entsprechend und gibt einen Zählimpuls aus.
Es wird sich nun insbesondere auf 1 bezogen. Der Fehler bei der Winkelmessung der Scheibe 10 oder einem anderen Rotationskörper, welcher durch die Exzentrizitätskomponente in Richtung senkrecht zur Referenzlinie 24 eingebracht wird, ist typischerweise nahezu gleich der Größe der Exzentrizitätskomponente in der Richtung parallel zur Referenzlinie 24, wie oben diskutiert, und der durch die Exzentrizitätskomponente in Richtung der Referenzlinie 24 verursachte Fehler kann im Allgemeinen vernachlässigt werden. Die Scheibe 10 ist als durchgezogener Kreis gezeigt, welcher die ideale Position für eine an der zentralen Rotationsachse 16 zentrierten Scheibe 10 repräsentiert. Ein gestrichelter Kreis repräsentiert eine Scheibe 10, welche von ihrer idealen Position sowohl horizontal als auch vertikal (zur Illustration des allgemeinen Falls um unterschiedliche Beträge) versetzt ist. Auf den durchgezogenen und gestrichelten Darstellungen der Scheibe 10 sind auch der Referenzpunkt 22 und der orthogonale e-Punkt 28 gezeigt. Obwohl die Verschiebungen, welche zwischen den die Scheibe 10 repräsentierenden gestrichelten und durchgezogenen Linien gezeigt sind, wesentlich größer sind als sie in Realität auftreten würden, so sind sie doch für illustrative Zwecke nützlich und repräsentieren einen allgemeinen Fall. In 1 ist aus Gründen der Klarheit das Exzentrizitätsmessmuster der Erfindung weggelassen.
Wird die später diskutierte Vereinfachung φ = sinφ verwendet, dann gilt:
Korrigierte_Zählung = gemessene_Zählung_gemessene Verschiebung.
Wie in 1 zu sehen ist, ist die wahre horizontale Verschiebungskomponente der Exzentrizität dX. Die Änderung in „gemessene_Zählung" ist die Zählung, die einem Winkel φ entspricht. Die „gemessene_Verschiebung" ist dR. In normalen Fällen, in welchen dX und dY verglichen mit R sehr klein sind, gilt dX ≃ Rsinφ ≃ Rφ und dR ≈ dXund deshalb gilt: Rφ ≈ dR.
Genauer gesagt gilt, soweit die Länge des Bogens gleich Rφ ist: φ = tan–1(dX/(R + dY))und für: R' = R – dR R' = (dY2 + (R – dX)2),gilt daher: dR = R – (dY2 + (R – dX)2)
Um zu illustrieren, dass Rφ ≈ dR gilt, stellt die Tabelle 1 die Ergebnisse verschiedener Beispielrechnungen bereit. Wenn gilt, dass e = Exzentrizität (e² = dX² + dY²), so treten die schlechtesten Werte für Rφ – dR dann auf, wenn dX = dY gilt, jedoch ist selbst dann deutlich, dass für große Verhältnisse von R zu e die Vereinfachung Rφ = dR eine sehr gute Näherung ist. Tabelle 1 illustriert, dass selbst für eine Scheibe von 60 mm mit einer Exzentrizität von 20 μm der Restfehler lediglich 1/40 μm beträgtl Für ein Lesesystem für optische Scheiben mit einer Schrittauflösung von 0,1 μm würde dies ±1/4 LSB (Least Significant Bit = Bit mit dem niedrigsten Stellenwert) entsprechen.
Tabelle 1
Außerdem wird die vorliegende Erfindung vollständiger verständlich in Bezug auf 11, in welchem allgemein ein Flussdiagramm gezeigt ist, das allgemein die Schritte der Verwendung einer Ausführungsform der Erfindung umreißt. In Schritt 100 wird ein Exzentrizitätsmessmuster 36 auf einem Rotationskörper wie einer codierten Scheibe 10 bereitgestellt. Wie oben angegeben, umfasst das Exzentrizitätsmessmuster 36 eine Reihe von konzentrischen, radial im Abstand angeordneten Beugungsringen 40, welche durch eine Reihe abwechselnd im Abstand voneinander angeordneten „Vertiefungen" 38 und „Erhebungen" 42 gebildet sind, welche derart klein sind, dass sie ein Beugungsgitter für die Wellenlänge der Leselaser bilden, die in einem nachfolgenden Schritt bereitgestellt werden. Jeder konzentrische Beugungsring 40 ist in radialer Richtung von benachbarten Beugungsringen 40 durch einen Leerring 44, der eine nicht vertiefte Erhebung aufweist, getrennt oder beabstandet.
Im Schritt 110 wird ein Fehlerlesekopf 26 bereitgestellt und der Scheibe 10 benachbart über dem Exzentrizitätsmessmuster 36 positioniert. Wie oben beschrieben, wird der Fehlerlesekopf 26 über dem e-Punkt 28 an einer Position positioniert, welche ausgehend vom Referenzpunkt 22 um 90° um die zentrale Rotationsachse 10 gedreht ist. Der Fehlerlesekopf 26 umfasst drei kollinear angeordnete Laser 32a, 32b, 32c, welche allgemein mit der e-Linie 30 ausgerichtet sind, wobei der Laser 32b über dem e-Punkt 28 positioniert ist und wobei die Laser 32a, 32b, 32c so positioniert sind, dass sie Licht von dem Exzentrizitätsmessmuster 36 auf der Scheibe 10 wegreflektieren.
Im Schritt 120 wird der Fehlerlesekopf 26 derart positioniert oder orientiert, dass der relative radiale Abstand zwischen den Lasern 32a, 32b, 32c und den zugehörigen Laserpunkten 72a, 72b, 72c gleich einem nicht ganzzahligen Vielfachen des radialen Abstands oder der Distanz zwischen konzentrischen Beugungsringen 40 des Exzentrizitätsmessmusters 36 ist. Wie oben erwähnt, wird vorzugsweise die durch benachbarte Strahlen 72a, 72b, 72c von den Lasern 32a, 32b, 32c überspannte Anzahl an Beugungsringen 40 und somit der relative radiale Abstand der Laser 32a, 32b, 32c in Bezug auf den radialen Abstand der Beugungsringe 40 geändert, indem der Einstellwinkel 64 durch Drehen oder Schwenken des Fehlerlesekopfes 26 um den mittleren Laser 32b, welcher mit dem e-Punkt 28 ausgerichtet ist, verändert wird. Wie in den 8 bis 10 gezeigt und zuvor beschrieben wurde, wird ein relativer radialer Abstand von N + 1/6 für die Laser 32a, 32b, 32c und die Laserpunkte 72a, 72b, 72c bevorzugt, wobei N gleich einem ganzzahligen Vielfachen des radialen Abstands zwischen Beugungsringen 40 ist.
Im Schritt 130 werden durch den Fehlerlesekopf 26 Ausgabesignale gemäß der Detektion von Licht von den Lasern 32a, 32b, 32c, das von dem Exzentrizitätsmessmuster 36 wegreflektiert und durch die Empfangsoptik des Fehlerlesekopfes 26 detektiert wird, erzeugt. Wie oben angegeben, können im Schritt 120 relative radiale Abstände für die Laser 32a, 32b, 32c und die Laserpunkte 72a, 72b, 72c von N + 2/6, N + 4/6 und N + 5/6 in Bezug auf den radialen Abstand zwischen Beugungsringen 40 eingestellt werden, wenn eine geeignete Logikschaltung im Zusammenhang mit Schritt 130 verwendet wird, so dass die Ausgabesignale vom Fehlerlesekopf 26 als Ausgabesignale vom Typ N + 1/6 konfiguriert werden.
Im Schritt 140 werden die durch den Fehlerlesekopf 26 in Schritt 130 erzeugten Ausgabesignale in Zähl- und Richtungsinformationen zur Verwendung bei der Korrektur des Exzentrizitätsfehlers der Scheibe 10 umgewandelt. Die Umwandlung der Ausgabesignale aus Schritt 130 in Zähl- und Richtungssignale zur Eingabe in einen bidirektionalen Hochgeschwindigkeitszähler kann durch eine Zustandsmaschine oder einen programmierbaren Datenprozessor ausgeführt werden, welche Veränderungen im Zustand der Ausgabesignale beobachten und auf Grundlage des Werts der Ausgabesignale von dem Exzentrizitätsmessmuster 36 vorhersagen, welche Ausgabesignale aufgrund der Drehung der optischen Scheibe 10 im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn als nächstes folgen sollten. Tritt eine Zustandsänderung auf, so vergleicht die Zustandsmaschine den neuen Zustand mit ihren letzten Vorhersagen, setzt das Richtungssignal entsprechend und gibt einen Zählimpuls aus.
Neben dem Messen der Exzentrizität in optischen codierten Scheiben gibt es eine breite Vielzahl von Anwendungen für Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wenngleich Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit nahezu jeder Rotationscodiereinrichtung einsetzbar sind, so sind sie doch insbesondere für hochauflösende optische oder Strichcode-Codiereinrichtungen (entweder relative oder absolute) nützlich. Abhängig von der Auflösung und der Konstruktion der bestimmten, zum Lesen der codierten Daten auf der Scheibe 10 verwendeten Messeinrichtung kann die Exzentrizität der codierten Scheibe 10 in Richtung senkrecht zur Referenzlinie 24 einen signifikanten Fehler in der Winkelpositionsmessung der Scheibe 10 verursachen. Die Genauigkeit einer solchen Messung kann stark erhöht werden, wenn der Grad des Exzentrizitätsfehlers bekannt ist. Durch Messen der Exzentrizitätskomponente in der Richtung senkrecht zur Referenzlinie 24 kann der Exzentrizitätsfehler berechnet werden. Durch Heraussubtrahieren dieses Exzentrizitätsfehlers aus der am Referenzpunkt 22 durchgeführten Messung kann eine korrigierte Messung der Winkelposition der Scheibe 10 erzielt werden. Da der Exzentrizitätsfehler nicht exakt berechnet werden kann (da die Exzentrizitätskomponente nicht mit unendlicher Genauigkeit gemessen werden kann), wird es stets einen gewissen Restfehler geben. Der Restfehler wird im Allgemeinen jedoch wesentlich kleiner als der Originalfehler sein, wodurch eine signifikante Steigerung der Gesamtgenauigkeit der Einrichtung erzielt wird. Ferner wird der Bau von kosteneffektiveren und zuverlässigeren optischen Leseeinrichtungen ermöglicht, indem größere mechanische Toleranzen in einer Anordnung einer gegebenen Ausgangsgenauigkeit erlaubt werden.
Eine andere Anwendung der Erfindung liegt auf dem Gebiet der direkten Messung der Exzentrizität von rotierenden Wellen oder Teilen. Beispielsweise müssen Industriebereiche und Personen, welche Lager, Buchsen oder andere Rotationsanordnungen herstellen oder verwenden, oftmals die Exzentrizität in einer gegebenen Anordnung messen. Die Verwendung von Ausführungsformen der Erfindung mit derart ausgerichteten Fehlerleseköpfen, das orthogonale Exzentrizitätskomponenten gemessen werden, ermöglicht die Berechnung der Gesamtexzentrizität als Vektorsumme der zwei Messungen. In einer solchen Anwendung würde die codierte Scheibe keinerlei andere codierte Daten enthalten außer dem Exzentrizitätsmessmuster. Die Scheibe mit dem darauf geschriebenen Exzentrizitätsmessmuster würde an der Welle oder dem Rotationselement, deren Exzentrizität zu messen ist, montiert werden und der Fehlerlesekopf und der Rest der Vorrichtung würde auf geeignete Weise an einem stationären Bauteil der Scheibe benachbart montiert und wie oben beschrieben, positioniert werden.
Dementsprechend ist ersichtlich, dass Ausführungsformen dieser Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren für eine Echtzeitmessung der Exzentrizität in einem Rotationskörper wie einer codierten Scheibe bereitstellen.

Claims

Vorrichtung zum Messen der Exzentrizität in einem rotierenden Körper, wobei der rotierende Körper ein Exzentrizitätsmessmuster aufweist, welches eine Mehrzahl von konzentrischen, beabstandenen Beugungsringen enthält, wobei die Vorrichtung einen dem rotierenden Körper benachbart positionierten Fehlerlesekopf (26) umfasst, wobei der Fehlerlesekopf (26) enthält: (a) eine Mehrzahl von beabstandeten, kolinear ausgerichteten Laserstrahlen (32a, 32b, 32c), welche so positioniert sind, dass sie Licht in Richtung des Exzentrizitätsmessmusters richten; (b) Mittel zum Einstellen der relativen Beabstandung zwischen den Laserstrahlen (32a, 32b, 32c), so dass der Relativabstand gleich einem nicht-ganzen Vielfachen des Abstands zwischen den konzentrischen Beugungsringen des Exzentrizitätsmessmusters ist; und (c) Empfangsmittel zum Detektieren von durch das Exzentrizitätsmessmuster reflektiertem Laserlicht, wobei die Empfangsmittel Ausgabesignale erzeugen, welche auf das detektierte Laserlicht ansprechen, das durch das Exzentrizitätsmessmuster reflektiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Fehlerlesekopf (26) umfasst: (a) drei beabstandete Strahlen (32a, 32b, 32c), wobei die drei Laserstrahlen in einer kolinearen Beziehung an dem Fehlerlesekopf (26) positioniert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Referenzlesekopf (20), welcher eine Mehrzahl von Laserstrahlen (34a, 34b, 34c) enthält, wobei der Referenzlesekopf (20) dem rotierenden Körper benachbart positioniert und in Umfangsrichtung von dem Fehlerlesekopf (26) beabstandet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend Mittel zum Umwandeln der Ausgangssignale von den Empfangsmitteln des Fehlerlesekopfs (26) in Zähl- und Richtungssignale.
Vorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend: (a) eine optische Scheibe (10), wobei die optische Scheibe (10) eine Rotationsachse (16) aufweist; und (b) ein Exzentrizitätsmessmuster (36), welches auf der optischen Scheibe (10) enthalten ist, wobei das Exzentrizitätsmessmuster (36) eine Mehrzahl von konzentrischen, beabstandeten Beugungsringen (40) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Beugungsringe (40) jeweils eine Mehrzahl von alternierenden Vertiefungen (38) und Erhebungen (42) umfassen, wobei die Vertiefungen (38) und die Erhebungen (42) Breiten aufweisen, welche unterhalb der Beugungsgrenze des Licht von den Lasern (32a, 32b, 32c) an dem Fehlerlesekopf (26) liegen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Exzentrizitätsmessmuster (36) ferner eine Mehrzahl von konzentrischen Leerringen (44) umfasst, wobei ein Leerring (44) zwischen benachbarten der Beugungsringe (40) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Fehlerlesekopf (26) über einem Fehlerpunkt (28) positioniert ist, wobei der Fehlerpunkt (28) auf einer Fehlerlinie (30) liegt und wobei die Fehlerlinie (30) von der Drehachse (16) der Scheibe (10) radial nach außen zu dem Fehlerpunkt (28) verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 8, ferner umfassend einen Referenzlesekopf (20), welcher eine Mehrzahl von Laserstrahlen (34a, 34b, 34c) enthält, wobei der Referenzlesekopf (20) über einem Referenzpunkt (22) positioniert ist, wobei der Referenzpunkt auf einer Referenzlinie (24) liegt, wobei die Referenzlinie (24) von der Rotationsachse (16) der Scheibe (10) zu dem Referenzpunkt (22) radial nach außen verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Referenzpunkt (22) und der Fehlerpunkt (28) von der Rotationsachse (16) im Wesentlichen gleich beabstandet ist und die Referenzlinie (24) und die Fehlerlinie (30) um einen Winkel von ungefähr 90° radial getrennt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Fehlerlesekopf (26) einen ersten Laserstrahl (32a), einen zweiten Laserstrahl (32b) und einen dritten Laserstrahl (32c) enthält, wobei der erste, zweite und dritte Laserstrahl an dem Fehlerlesekopf (26) in einer im Wesentlichen kolinearen Beziehung positioniert sind, der zweite Laserstrahl (32b) über dem Fehlerpunkt (28) positioniert ist, wobei der Fehlerlesekopf (26) um den zweiten Laserstrahl (32b) und den Fehlerpunkt (28) schwenkbar beweglich ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, ferner umfassend Schwenkmittel zum Einstellen des Winkels zwischen der Fehlerlinie (30) und einer Linie, die durch die drei kolinearen Laserstrahlen (32a, 32b, 32c) an dem Fehlerlesekopf (26) verläuft, sowie zum Einstellen des relativen Abstands der drei Laserstrahlen (32a, 32b, 32c) in Bezug auf den Abstand der konzentrischen Beugung (40) des Exzentrizitätsmessmusters (36).
Vorrichtung nach Anspruch 12, ferner umfassend Mittel zum Umwandeln der Ausgabesignale von den Empfangsmitteln des Fehlerlesekopfs (26) in Zähl- und Richtungssignale.
Verfahren zum Messen von Rotationsexzentrizität, umfassend die Schritte: (a) Bereitstellen eines Exzentrizitätsmessmusters (36) auf einer optischen Scheibe (10), wobei das Exzentrizitätsmessmuster (36) eine Mehrzahl von konzentrischen, beabstandeten Beugungsringen (40) enthält; (b) Bereitstellen eines Fehlerlesekopfes (26), welcher eine Mehrzahl von beabstandeten, kolinear positionierten Laserstrahlen (32a, 32b, 32c) enthält, wobei die Laserstrahlen so positioniert sind, dass sie Licht in Richtung des Exzentrizitätsmessmusters (36) richten, wobei der Fehlerlesekopf (26) Empfangsmittel zum Detektieren von durch das Exzentrizitätsmessmuster reflektiertem Laserlicht enthält; (c) Einstellen des relativen Abstands zwischen den Laserstrahlen (32a, 32b, 32c) an dem Fehlerlesekopf (26), so dass der relative Abstand zwischen den Lasern gleich einem nicht-ganzen Vielfachen des Abstands zwischen der konzentrischen Beugung (40) des Exzentrizitätsmessmusters (36) ist; und (d) Erzeugen von Ausgabesignalen durch die Empfangsmittel, wobei die Ausgabesignale auf das Laserlicht ansprechen, welches von dem Exzentrizitätsmessmuster (36) reflektiert und durch die Empfangsmittel detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend den Schritt des Umwandelns der Ausgabesignale in Zähl- und Richtungsinformationen.