JP2000097727A - 直線運動又は回転運動の定量検出用光学装置 - Google Patents
直線運動又は回転運動の定量検出用光学装置Info
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 検出器側で簡単に製造することができる直線
運動及び回転運動の定量検出用の光学装置を提供するこ
と。 【解決手段】 直線運動又は回転運動の定量検出用光学
装置の、運動を射影するラスタ板に設けられた透光領域
と非透光領域とを、２つの発光器の光束が透過し、透過
光は個別の受光器に照射され、発光器は、パルス作動で
制御され、パルスは、受光器と接続された評価回路内で
相互に分離される。
運動及び回転運動の定量検出用の光学装置を提供するこ
と。 【解決手段】 直線運動又は回転運動の定量検出用光学
装置の、運動を射影するラスタ板に設けられた透光領域
と非透光領域とを、２つの発光器の光束が透過し、透過
光は個別の受光器に照射され、発光器は、パルス作動で
制御され、パルスは、受光器と接続された評価回路内で
相互に分離される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、直線運動又は回転
運動の定量検出用の、光エンコーダと呼ばれる光学装置
であって、発光装置と、透光領域と非透光領域とを有す
るラスタ装置と、検出装置と、検出装置に接続された評
価回路とを有する光学装置に関する。
運動の定量検出用の、光エンコーダと呼ばれる光学装置
であって、発光装置と、透光領域と非透光領域とを有す
るラスタ装置と、検出装置と、検出装置に接続された評
価回路とを有する光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】光エンコーダは、可動体の回転乃至直線
運動の回転角乃至長さ及び方向を検出するのに使用され
る。その種の装置の実質的な構成部品は、発光（エミッ
タ）システム、ラスタ板、通常は、ラスタディスク又は
ラスタ定規、及び検出器システムである。発光（エミッ
タ）システムは、通常のように、発光ダイオードから構
成されている。レーザダイオードから発光された光束
は、ラスタ板によって変調される。これは、可動体と結
合されており、周期的な開口パターンを有している。検
出器システムは、ラスタ板によって変調されたレーザダ
イオードの送信信号を検出し、出力側にカウントパルス
及び運動の方向についての情報を供給する。
運動の回転角乃至長さ及び方向を検出するのに使用され
る。その種の装置の実質的な構成部品は、発光（エミッ
タ）システム、ラスタ板、通常は、ラスタディスク又は
ラスタ定規、及び検出器システムである。発光（エミッ
タ）システムは、通常のように、発光ダイオードから構
成されている。レーザダイオードから発光された光束
は、ラスタ板によって変調される。これは、可動体と結
合されており、周期的な開口パターンを有している。検
出器システムは、ラスタ板によって変調されたレーザダ
イオードの送信信号を検出し、出力側にカウントパルス
及び運動の方向についての情報を供給する。
【０００３】光エンコーダの従来のバージョンは、付加
的な光学系を有する発光ダイオード、ラスタ板、及び、
評価論理回路を有する検出器アレイから構成されてい
る。エミッタ側からは、光束が形成され、この光束は、
検出器アレイをできる限り均一に照射する。検出器アレ
イは、少なくとも２つのフォトダイオードから構成され
ており、フォトダイオードは、直線運動の方向又は回転
運動に関して接線方向に設けられている。フォトダイオ
ードの間隔は、ラスタデスク周期の１／４であり、隣接
した２つのフォトダイオードの信号は、相互に９０°位
相がずれている。フォトダイオードの出力信号は、評価
回路で、運動の位置及び方向を供給するように、適切に
処理される。
的な光学系を有する発光ダイオード、ラスタ板、及び、
評価論理回路を有する検出器アレイから構成されてい
る。エミッタ側からは、光束が形成され、この光束は、
検出器アレイをできる限り均一に照射する。検出器アレ
イは、少なくとも２つのフォトダイオードから構成され
ており、フォトダイオードは、直線運動の方向又は回転
運動に関して接線方向に設けられている。フォトダイオ
ードの間隔は、ラスタデスク周期の１／４であり、隣接
した２つのフォトダイオードの信号は、相互に９０°位
相がずれている。フォトダイオードの出力信号は、評価
回路で、運動の位置及び方向を供給するように、適切に
処理される。
【０００４】位置及び方向の特定のために、直線状に配
設された２つのフォトダイオードがあれば十分である。
しかし、従来技術では、直線状に配設された４つのフォ
トダイオードを有する実施例では更に処理される（例え
ば、米国特許明細書第４６５４５２５号公報に記載され
ている）。この装置構成及びフォトダイオードと結合さ
れた評価回路によって、付加的に、レーザダイオードの
光強度の減衰が補償される。
設された２つのフォトダイオードがあれば十分である。
しかし、従来技術では、直線状に配設された４つのフォ
トダイオードを有する実施例では更に処理される（例え
ば、米国特許明細書第４６５４５２５号公報に記載され
ている）。この装置構成及びフォトダイオードと結合さ
れた評価回路によって、付加的に、レーザダイオードの
光強度の減衰が補償される。
【０００５】従来のシステムは、従って、検出器側に多
数の受光器が配設されているものに限定される。そのよ
うに限定されることは、幾つかの理由から欠点となるこ
とがある。光エンコーダは、第１に、スペースを節約す
るように構成する必要がある。従って、この要件は、初
めから、検出器側では充足困難である。
数の受光器が配設されているものに限定される。そのよ
うに限定されることは、幾つかの理由から欠点となるこ
とがある。光エンコーダは、第１に、スペースを節約す
るように構成する必要がある。従って、この要件は、初
めから、検出器側では充足困難である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、検出
器側で簡単に製造することができる直線運動及び回転運
動の定量検出用の光学装置を提供することにある。
器側で簡単に製造することができる直線運動及び回転運
動の定量検出用の光学装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この課題は、本発明によ
ると、直線運動又は回転運動の定量検出用の、光エンコ
ーダと呼ばれる光学装置であって、発光装置と、透光領
域と非透光領域とを有するラスタ装置と、検出装置と、
検出装置に接続された評価回路とを有する光学装置にお
いて、発光装置は、少なくとも２つの発光器を有してお
り、発光器は、直線運動の方向又は回転運動に関して接
線方向に順次連続して配設されており、発光器は、同一
又は種々異なるクロック周波数でのパルス作動で制御可
能であり、検出装置は、受光器を有しており、受光器
は、全発光器のビームが受光器によって検出可能である
ような大きさ且つ位置に配設されており、評価装置は、
種々異なる前記発光器から生じた信号を分離するように
構成されていることにより解決される。
ると、直線運動又は回転運動の定量検出用の、光エンコ
ーダと呼ばれる光学装置であって、発光装置と、透光領
域と非透光領域とを有するラスタ装置と、検出装置と、
検出装置に接続された評価回路とを有する光学装置にお
いて、発光装置は、少なくとも２つの発光器を有してお
り、発光器は、直線運動の方向又は回転運動に関して接
線方向に順次連続して配設されており、発光器は、同一
又は種々異なるクロック周波数でのパルス作動で制御可
能であり、検出装置は、受光器を有しており、受光器
は、全発光器のビームが受光器によって検出可能である
ような大きさ且つ位置に配設されており、評価装置は、
種々異なる前記発光器から生じた信号を分離するように
構成されていることにより解決される。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明の特に有利な実施例は、従
属請求項に記載されている。
属請求項に記載されている。
【０００９】有利には、受光器と評価回路は、１つの半
導体モジュール内に集積されている。
導体モジュール内に集積されている。
【００１０】発光器に供給されるクロック周波数は、ラ
スタ板の変調周波数、つまり、可動体の運動の際にラス
タ開口を通常のように光束が透過する周波数よりも非常
に大きい。
スタ板の変調周波数、つまり、可動体の運動の際にラス
タ開口を通常のように光束が透過する周波数よりも非常
に大きい。
【００１１】本発明の第１の実施例では、発光器用の制
御装置を有しており、該制御装置は、前記発光器が、同
じクロック周波数ではあるが、所定の位相ずれ（例え
ば、９０°の大きさにすることができる）のある制御パ
ルスを用いて制御するように構成されている。
御装置を有しており、該制御装置は、前記発光器が、同
じクロック周波数ではあるが、所定の位相ずれ（例え
ば、９０°の大きさにすることができる）のある制御パ
ルスを用いて制御するように構成されている。
【００１２】本発明の第２の実施例では、発光器用の制
御装置を有しており、該制御装置は、前記発光器を種々
異なるクロック周波数の制御パルスで制御するように構
成されている。
御装置を有しており、該制御装置は、前記発光器を種々
異なるクロック周波数の制御パルスで制御するように構
成されている。
【００１３】発光器としては、有利には、バーチカルレ
ゾネータ発光装置、例えば、ＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃ
ａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎ
ｇＬａｓｅｒ）が使用される。と言うのは、これは、特
に低い拡散と高い発光密度を特徴とするからである。
ゾネータ発光装置、例えば、ＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃ
ａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎ
ｇＬａｓｅｒ）が使用される。と言うのは、これは、特
に低い拡散と高い発光密度を特徴とするからである。
【００１４】
【実施例】次に、本発明について、図示の有利な実施例
を用いて詳述する。
を用いて詳述する。
【００１５】図１には、本発明の光エンコーダの実施例
が略示されている。発光装置１は、２つの発光器１１及
び１２を有しており、２つの発光器１１及び１２は、光
束１１Ａ及び１２Ａを発光する。発光器１１及び１２
は、有利には、バーチカルレゾネータ−レーザダイオー
ド（ＶＣＳＥＬ，Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓ
ｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）であ
る。と言うのは、これは、特に良好な発光特性、殊に、
低い拡散及び発光密度によって特徴付けられるからであ
る。この場合、別の光学要素、例えば、レーザビームの
集束用のレンズを用いずに済む。
が略示されている。発光装置１は、２つの発光器１１及
び１２を有しており、２つの発光器１１及び１２は、光
束１１Ａ及び１２Ａを発光する。発光器１１及び１２
は、有利には、バーチカルレゾネータ−レーザダイオー
ド（ＶＣＳＥＬ，Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓ
ｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）であ
る。と言うのは、これは、特に良好な発光特性、殊に、
低い拡散及び発光密度によって特徴付けられるからであ
る。この場合、別の光学要素、例えば、レーザビームの
集束用のレンズを用いずに済む。
【００１６】光束１１Ａ及び１２Ａは、可動体の回転乃
至直線運動の長さ及び方向を特定するために使用され
る。このために、光束は、ラスタ板２を透過し、ラスタ
板は、可動体に取り付けられており、可動体の運動を同
様に投影する。ラスタ板は、回転運動の検出の際、大抵
１つの円形のラスタディスクであり、直線運動の場合に
は、ラスタ定規である。図示されているのは、例示され
ている矢印方向に運動しているラスタ板２の斜視図であ
る。このラスタ板は、透光領域２１から形成された周期
的な開口パターンを有している。ラスタ板２の所定位置
で、光束１１Ａ及び１２Ａは、透光領域２１を完全に透
過し、それから、受光器３に入射する。受光器３の受光
面は、両方の光束を検出できる程の大きさである。受光
器には、図示していない評価回路が接続されており、こ
の評価回路では、運動の位置及び方向を提供する出力信
号用の信号が形成される。評価回路及び受光器は、１つ
の半導体モジュール内に集積化することができる。
至直線運動の長さ及び方向を特定するために使用され
る。このために、光束は、ラスタ板２を透過し、ラスタ
板は、可動体に取り付けられており、可動体の運動を同
様に投影する。ラスタ板は、回転運動の検出の際、大抵
１つの円形のラスタディスクであり、直線運動の場合に
は、ラスタ定規である。図示されているのは、例示され
ている矢印方向に運動しているラスタ板２の斜視図であ
る。このラスタ板は、透光領域２１から形成された周期
的な開口パターンを有している。ラスタ板２の所定位置
で、光束１１Ａ及び１２Ａは、透光領域２１を完全に透
過し、それから、受光器３に入射する。受光器３の受光
面は、両方の光束を検出できる程の大きさである。受光
器には、図示していない評価回路が接続されており、こ
の評価回路では、運動の位置及び方向を提供する出力信
号用の信号が形成される。評価回路及び受光器は、１つ
の半導体モジュール内に集積化することができる。
【００１７】図１Ｂには、図１Ａの装置が平面で図示さ
れている。図には、ラスタ板２の位置が示されており、
この位置では、斜線で陰影を付けられて示された発光器
１１及び１２から発光された両光束が、ラスタ開口２１
を透過して、受光器３の受光面に入射する。図から分か
るように、レーザダイオード１１及び１２の幅全体は、
運動方向で、ほぼラスタ開口２１の幅に相当する。従っ
て、レーザダイオードは、丁度ラスタ開口の内部に位置
している。換言すれば、レーザダイオード間の間隔、つ
まり、レーザダイオードの、それぞれの前縁間の間隔
は、ラスタディスク周期のほぼ１／４である。
れている。図には、ラスタ板２の位置が示されており、
この位置では、斜線で陰影を付けられて示された発光器
１１及び１２から発光された両光束が、ラスタ開口２１
を透過して、受光器３の受光面に入射する。図から分か
るように、レーザダイオード１１及び１２の幅全体は、
運動方向で、ほぼラスタ開口２１の幅に相当する。従っ
て、レーザダイオードは、丁度ラスタ開口の内部に位置
している。換言すれば、レーザダイオード間の間隔、つ
まり、レーザダイオードの、それぞれの前縁間の間隔
は、ラスタディスク周期のほぼ１／４である。
【００１８】ラスタ板が所定の方向に運動すると、各レ
ーザダイオードの内の１つのレーザダイオードのビーム
は、各透光領域２２の内の１つの透光領域によって次第
に光が遮られ、他方のレーザダイオードのビームは、完
全に透過照射される。このことを検出することができる
ようにするために、評価回路によって、レーザダイオー
ドの信号を時間的に分離する必要がある。
ーザダイオードの内の１つのレーザダイオードのビーム
は、各透光領域２２の内の１つの透光領域によって次第
に光が遮られ、他方のレーザダイオードのビームは、完
全に透過照射される。このことを検出することができる
ようにするために、評価回路によって、レーザダイオー
ドの信号を時間的に分離する必要がある。
【００１９】この目的で、評価回路で信号を分離するこ
とができるようにするために、レーザダイオードは、パ
ルス作動で制御される。信号周波数は、ラスタディスク
の変調周波数、つまり、可動体の運動の結果、ラスタ開
口を光束が通過する周波数よりも非常に高い。
とができるようにするために、レーザダイオードは、パ
ルス作動で制御される。信号周波数は、ラスタディスク
の変調周波数、つまり、可動体の運動の結果、ラスタ開
口を光束が通過する周波数よりも非常に高い。
【００２０】図２には、パルス作動の第１の実施例が示
されている。ここでは、レーザダイオードが、同じクロ
ック周波数で制御されるが、レーザダイオード１２のパ
ルス列は、レーザダイオード１１のパルス列に対して、
９０°の位相遅れを有している。評価回路は、各サイク
ルの間、受光器３から順次連続する短い２つのパルスシ
ーケンスを受信する。進相パルス及び遅相パルスは、評
価回路の種々異なる評価チャネルに供給される。両評価
チャネルは、時間経過で９０°だけ位相ずれした信号を
有している。
されている。ここでは、レーザダイオードが、同じクロ
ック周波数で制御されるが、レーザダイオード１２のパ
ルス列は、レーザダイオード１１のパルス列に対して、
９０°の位相遅れを有している。評価回路は、各サイク
ルの間、受光器３から順次連続する短い２つのパルスシ
ーケンスを受信する。進相パルス及び遅相パルスは、評
価回路の種々異なる評価チャネルに供給される。両評価
チャネルは、時間経過で９０°だけ位相ずれした信号を
有している。
【００２１】図２には、両パルス列のパルス高さが、同
一且つ時間的に一定であり、即ち、ラスタディスクは静
止し続ける。ラスタディスクが運動すると、両パルス列
の内の１つのパルス列の強度は低減する。と言うのは、
相応のレーザダイオードの光束は、次第に光が遮られる
からである。評価回路が、進相パルスがレーザダイオー
ド１１に起因することを検出しているので、評価回路
は、どのパルス列が弱くなっているのかの確定に基づい
て、運動の方向を推定することができる。信号の強度の
低下及び別の経過の速度から、評価回路は、更に、運動
の速度及び長さを検出することができる。
一且つ時間的に一定であり、即ち、ラスタディスクは静
止し続ける。ラスタディスクが運動すると、両パルス列
の内の１つのパルス列の強度は低減する。と言うのは、
相応のレーザダイオードの光束は、次第に光が遮られる
からである。評価回路が、進相パルスがレーザダイオー
ド１１に起因することを検出しているので、評価回路
は、どのパルス列が弱くなっているのかの確定に基づい
て、運動の方向を推定することができる。信号の強度の
低下及び別の経過の速度から、評価回路は、更に、運動
の速度及び長さを検出することができる。
【００２２】パルスの、種々の評価チャネルへの分布
は、評価回路内に含まれている電子切換スイッチ、例え
ば、フリップフロップを用いて行うことができる。
は、評価回路内に含まれている電子切換スイッチ、例え
ば、フリップフロップを用いて行うことができる。
【００２３】図３には、パルス作動の第２の実施例が示
されている。ここでは、レーザダイオードは、種々異な
るクロック周波数で制御される。例えば、分かるよう
に、レーザダイオード１１は、第１の周波数ｆ１で制御
され、レーザダイオード１２は、第２の周波数ｆ２で制
御され、周波数ｆ２は、周波数ｆ１よりもファクタ２だ
け高い。ここでも、パルス列は、種々異なる評価チャネ
ルに供給される。パルス列の分離は、例えば、バンドパ
スフィルタによって行うことができる。
されている。ここでは、レーザダイオードは、種々異な
るクロック周波数で制御される。例えば、分かるよう
に、レーザダイオード１１は、第１の周波数ｆ１で制御
され、レーザダイオード１２は、第２の周波数ｆ２で制
御され、周波数ｆ２は、周波数ｆ１よりもファクタ２だ
け高い。ここでも、パルス列は、種々異なる評価チャネ
ルに供給される。パルス列の分離は、例えば、バンドパ
スフィルタによって行うことができる。
【００２４】この変形実施例の場合、評価回路は、レー
ザダイオードをパルス周波数で検出し、従って、運動方
向に関してのデータを検出することができる。
ザダイオードをパルス周波数で検出し、従って、運動方
向に関してのデータを検出することができる。
【００２５】本発明は、２つの発光器だけの使用に限定
されない。直線状に設けられた２つ以上の発光器を用い
ることができ、この発光器は、例えば、図２の実施例の
ようにパルス列を送出し、このパルス列は、連続的に９
０°相互に位相ずれされているか、又は、図３の実施例
のように、相応の数の種々異なるクロック周波数を有す
る。
されない。直線状に設けられた２つ以上の発光器を用い
ることができ、この発光器は、例えば、図２の実施例の
ようにパルス列を送出し、このパルス列は、連続的に９
０°相互に位相ずれされているか、又は、図３の実施例
のように、相応の数の種々異なるクロック周波数を有す
る。
【００２６】
【発明の効果】本発明の光エンコーダによると、光エン
コーダが唯一の受光器で作動することができるという特
別な利点を有している。
コーダが唯一の受光器で作動することができるという特
別な利点を有している。
【図１】１Ａは、本発明の光学装置の実施例の略斜視図
を示し、１Ｂは、１Ａの装置の平面略図を示し、
を示し、１Ｂは、１Ａの装置の平面略図を示し、
【図２】本発明の第１の実施例の発光器１１及び１２の
光パルス列を示す図であり、
光パルス列を示す図であり、
【図３】本発明の第２の実施例の発光器１１及び１２の
光パルス列を示す図であ。
光パルス列を示す図であ。
１ 発光装置 ２ ラスタ板 ３ 受光器 １１及び１２ 発光器 １１Ａ及び１２Ａ 光束 ２１ 透光領域 ２２ 各透光領域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マーティン ハウスハルター ドイツ連邦共和国 レーゲンスブルク デ ンツァーガッセ ２ (72)発明者 フランク メルマー ドイツ連邦共和国 ペントリング アム ミュールグラーベン ４
Claims (9)
- 【請求項１】 直線運動又は回転運動の定量検出用光学
装置であって、発光装置（１）と、透光領域（２１）と
非透光領域（２２）とを有するラスタ装置（２）と、検
出装置（３）と、前記検出装置に接続された評価回路と
を有する光学装置において、発光装置（１）は、少なく
とも２つの発光器（１１，１２）を有しており、前記発
光器は、直線運動の方向又は回転運動に関して接線方向
に順次連続して配設されており、前記発光器（１１，１
２）は、同一又は種々異なるクロック周波数でのパルス
作動で制御可能であり、検出装置（３）は、受光器を有
しており、前記受光器は、前記全発光器のビームが前記
受光器によって検出可能であるような大きさ且つ位置に
配設されており、評価装置は、種々異なる前記発光器か
ら生じた信号を分離するように構成されていることを特
徴とする光学装置。 - 【請求項２】 発光器（１１，１２）は、実質的に、ラ
スタ開口（２１）の幅の内部に位置している請求項１記
載の光学装置。 - 【請求項３】 更に、発光器用の制御装置を有してお
り、該制御装置は、前記発光器が、同じクロック周波数
ではあるが、所定の位相ずれのある制御パルスを用いて
制御するように構成されている請求項１記載の光学装
置。 - 【請求項４】 位相ずれは、ほぼ９０°である請求項３
記載の光学装置。 - 【請求項５】 評価回路は、位相ずれパルスの分離用の
電子切換スイッチを有している請求項３又は４記載の光
学装置。 - 【請求項６】 更に、発光器用の制御装置を有してお
り、該制御装置は、前記発光器を種々異なるクロック周
波数の制御パルスで制御するように構成されている請求
項１記載の光学装置。 - 【請求項７】 評価回路は、種々異なるパルス周波数の
パルス列の分離用のバンドパスフィルタを有している請
求項６記載の光学装置。 - 【請求項８】 受光器と評価回路は、１つの半導体モジ
ュール内に集積されている請求項１〜７までのいずれか
１記載の光学装置。 - 【請求項９】 発光器（１１，１２）は、ＶＣＳＥＬ
（ＶｅｒｔｉｃａｌＣａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅ
ｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ）である請求項１記載の光
学装置。
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