DE19701925A1

DE19701925A1 - Vorrichtung zum Messen einer Verschiebung

Info

Publication number: DE19701925A1
Application number: DE19701925A
Authority: DE
Inventors: Tatsuhiko Matsuura
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1996-01-23
Filing date: 1997-01-21
Publication date: 1997-07-24
Also published as: GB2309779B; GB2309779A; GB9700739D0; US5889280A; JPH09196705A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen des Betrages der relativen Bewegung eines ersten Elementes und eines zweiten Elementes, die einander gegenüberliegend so angeordnet sind, daß sie relativ zueinander beweglich sind, unter Benutzung eines optischen Signals, eines elektrischen Signals oder eines magnetischen Signals.

Üblicherweise weist ein optischer Codierer eine Hauptskala auf, auf der ein Gitter gebildet ist. Das Gitter besteht aus Licht durchlassenden Abschnitten und Licht nicht durchlassenden Abschnitten (oder Licht reflektierenden Abschnitten und Licht nicht reflektierenden Abschnitten), die mit einer vorbestimmten Teilung in einer Weise angeordnet sind, daß das Verhältnis der Breiten derselben 1 : 1 ist. Ein solches Gitter, bei dem jeder der Licht durchlassenden Abschnitte oder der Licht reflektierenden Abschnitte ein rechteckiges Muster aufweist, wird nachfolgend als "rechteckiges Gitter" bezeichnet. Bei einem optischen Lichttransmissionstyp-Codierer wird kollimiertes bzw. parallelisiertes Licht auf eine solche Hauptskala gestrahlt. Das durchgelassene Licht wird an eine Indexskala emittiert, die ein rechteckiges Gitter aufweist, das aus Licht durchlassenden Abschnitten und Licht nicht durchlassenden Abschnitten zusammengesetzt ist, die mit einer vorbestimmten Teilung angeordnet sind. Durch Erkennen eines hellen/dunklen Musters des durchgelassenen Lichtes auf der Indexskala, das durch die relative Bewegung der Hauptskala und der Indexskala moduliert wird, kann ein Verschiebungssignal erhalten werden, das periodisch variiert. Durch Verarbeiten des Verschiebungssignals kann der Verschiebungsbetrag, also der Abstand, gemessen werden.

Das durch den oben beschriebenen optischen Codierer erhaltene Ver schiebungssignal ist theoretisch eine Dreieckwelle, die der Veränderung der Überlappung der Skalengitter entspricht. Tatsächlich wird aber wegen des Einflusses der Beugung des Lichtes, oder dergleichen, ein Pseudo-Sinuswel lensignal erhalten. Die Pseudo-Sinuswelle weist zu große harmonische Verzerrungen auf, um als Kennwelle behandelt zu werden. Die harmonischen Verzerrungen beschränken die Erfassungsgenauigkeit und Auflösung. Dies gilt insbesondere, wenn die Gitterteilung der Skalen bis auf einige zehn µm heruntergeht. Insbesondere ist bekannt, daß, wenn die Gitterteilung der Skalen auf mehrere zehn µm heruntergeht, die Fluktuation des Spaltes zwischen der Hauptskala und der Indexskala groß wird, und daß sogar eine geringe Spaltfluktuation in der Größenordnung von mehreren zehn µm die Verzerrungskomponente veranlaßt, stark zu variieren. Es ist daher schwierig, den Spalt genau einzustellen.

Um ein solches Problem zu lösen, sind bisher mehrere Methoden zur Verringerung der harmonischen Verzerrungen bei dem oben beschriebenen optischen Codierer vorgeschlagen worden. Beispielsweise wurde vorgeschla gen:

(1) ein Verfahren, das ein Sinuswellengitter benutzt, bei dem jeder der Licht durchlassenden Abschnitte der Indexskala in einer Sinuswellenform ausgebildet ist (vgl. beispielsweise das US-Patent Nr. 4 782 229);
(2) ein Verfahren, das ein Paar von rechteckigen Gittern benutzt, die unterschiedliche Phasen zum Auslöschen ungeradzahliger harmonischer Verzerrungen aufweist (vgl. beispielsweise die offengelegte japanische Patentpublikation 3-48 122), und
(3) ein Verfahren, das das Verhältnis der Breiten zwischen den Licht durchlassenden Abschnitten und den Licht nicht durchlassenden Abschnitten der Indexskala so festsetzt, daß die harmonischen Ver zerrungen ausgelöscht werden (vgl. beispielsweise die offengelegte japanische Patentpublikation 7-146 160).

Bei den Verfahren (1) bis (3) wird aber nur das Indexskalengitter auf der Licht empfangenden Seite so modifiziert, daß die harmonischen Verzerrungen verringert werden. Die Hauptskala wird also nicht modifiziert. Die durchgelassene Lichtmenge wird durch die Hauptskala begrenzt. Insbesondere ist es im Falle, daß das Verfahren zur Erkennung eines hellen/dunklen Musters von geometrischem Licht angewandt wird, wenn das Skalengitter fein ausgebildet ist, schwierig, den Einfluß von gebeugtem Licht zu beseitigen und den Spalt genau einzustellen. Ein befriedigendes S/N-(Signal/Rausch)-Ver hältnis kann also nicht erzielt werden. Darüber hinaus ist es bei dem Verfahren (1) im Vergleich zu dem Verfahren, bei dem das rechteckige Gitter angewandt wird, schwierig, die Skalengitter fein auszubilden.

Dieses Problem gilt auch bei einem elektrostatischen Kapazitätstyp-Codierer, der die Veränderung eines übertragenen Musters eines elektrischen Signals durch elektrostatische Kapazitätskopplung zwischen Elektroden der Skalen und einem magnetischen Codierer erfaßt, der die Verschiebung mit magnetischer Kopplung zwischen den Skalen wie auch dem optischen Codierer mißt. Beispielsweise variiert beim elektrostatischen Kapazitätstyp-Codierer die Wellenverzerrung entsprechend dem Spalt, und zwar aufgrund des Einflusses eines Randeffektes, der nicht durch parallele Platten dargestellt werden kann.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Verschiebungsmeßvorrichtung mit einer Kombination von rechteckigen Gittern, derart, daß in exakter Form ein Verschiebungssignal mit einer geringen harmonischen Verzerrung, einem geringen Einfluß der Spaltfluktuation und einem verbesserten S/N-Verhältnis erhalten wird.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Vorrichtung zum Messen einer Verschiebung auf: ein erstes Element, auf dem ein erstes Gitter gebildet ist, wobei das erste Gitter aus Licht übertragenden Abschnitten und Licht nicht übertragenden Abschnitten besteht, die abwechselnd mit rechteckigen Mustern bei einer Teilung P angeordnet sind, wobei jede Breite der Lichtübertragungsabschnitte in einer Richtung einer Gitteranordnung auf m × P/3 festgesetzt ist (wobei m den Wert 1 oder 2 hat), eine Licht ausstrahlende Einrichtung zum Ausstrahlen von par allelisiertem Licht auf das erste Element, so daß ein rechteckiges, über tragenes Lichtmuster erhalten wird, ein zweites Element, auf dem ein zweites Gitter gebildet ist, wobei das zweite Element gegenüber dem ersten Element unter Belassung eines Spaltes angeordnet ist, derart, daß es in Richtung der Gitteranordnung zusammen mit der Licht ausstrahlenden Einrichtung relativ beweglich ist, wobei das zweite Gitter aus Licht übertragenden Abschnitten und Licht nicht übertragenden Abschnitten besteht, die abwechselnd mit rechteckigen Mustern angeordnet sind, so daß das vom ersten Element übertragene Licht moduliert wird, um ein übertragenes Lichtmuster auszugeben, und eine Licht empfangende Einrichtung zum Empfangen des vom zweiten Element übertragenen Lichtmusters und Ausgeben eines Verschiebungsausgangssignals, das sich entsprechend der relativen Bewegung des ersten und des zweiten Elementes verändert.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Vorrichtung zum Messen einer Verschiebung auf: eine Skala, auf der ein Gitter gebildet ist, wobei das Gitter aus Licht übertragenden Abschnitten und Licht nicht übertragenden Abschnitten zusammengesetzt ist, die abwechselnd mit rechteckigen Mustern bei einer Teilung P angeordnet sind, wobei jede Breite der Licht übertragenden Abschnitte in einer Richtung einer Gitter anordnung auf m × P/3 festgesetzt ist (wobei m den Wert 1 oder 2 hat), eine Licht ausstrahlende Einrichtung zum Ausstrahlen parallelisierten Lichtes auf die Skala, um ein rechteckiges, übertragenes Lichtmuster zu erhalten, ein Licht empfangendes Vorrichtungsarray zum Empfangen des von der Skala übertragenen Lichtmusters, wobei das Licht empfangende Vorrichtungsarray eine Vielzahl von Licht empfangenden Vorrichtungen umfaßt, die mit einer Teilung von 3 × P/4 angeordnet sind, derart, daß vier Phasenverschie bungs-Ausgangssignale ausgegeben werden.

Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Gerät zum Messen einer Verschiebung auf: erste und zweite einander gegenüberliegende Elemente, derart, daß sie relativ zueinander beweglich sind, Signalüber tragungseinrichtungen, die auf dem ersten Element zum Übertragen eines Signals mit einem rechteckigen Muster an das zweite Element angebracht sind, wobei die Signalübertragungseinrichtungen ein rechteckiges Gitter besitzen, das aus Signal übertragenden Abschnitten und nicht übertragenden Abschnitten zusammengesetzt ist, die abwechselnd mit rechteckigen Mustern bei einer Teilung P angeordnet sind, wobei jede Breite der Signal über tragenden Abschnitte in einer Richtung einer Gitteranordnung auf 2 × P/3 festgesetzt ist, und eine Signal empfangende Einrichtung, die auf dem zweiten Element zum Empfangen eines vom ersten Element übertragenen Signals und zum Ausgeben eines Verschiebungsausgangssignals angebracht sind, das sich entsprechend der relativen Bewegung des ersten und des zweiten Elementes verändert.

Bei der Verschiebungsmeßvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist das erste Element eine Hauptskala, die ein rechteckiges Gitter besitzt. Das rechteckige Gitter ist aus Signal übertragenden Abschnitten und Signal nicht über tragenden Abschnitten zusammengesetzt, die mit einer vorbestimmten Teilung angeordnet sind. Im Falle eines optischen Codierers läßt der Signalüber tragungsabschnitt ein optisches Muster durch oder er reflektiert es. Im Falle eines Kapazitätstyp-Codierers ist der Signalübertragungsabschnitt ein, ein elektrisches Signal übertragender Abschnitt, der die Kapazitätskopplung nutzt. Im Falle eines magnetischen Codierers ist der Signal übertragende Abschnitt ein, ein magnetisches Signal übertragender Abschnitt, der die magnetische Kopplung nutzt.

Bei der vorliegenden Erfindung ist unter Bezugnahme auf das rechteckige Gitter der Hauptskala die Breite der Signal übertragenden Abschnitte auf 2 × P/3 oder P/3 festgesetzt. Als Ergebnis wird eine harmonische Komponente dritter Ordnung in dem vom ersten Element an das zweite Element übertragenen Signalmuster entfernt, wodurch Verschiebungsausgabesignale als ein bevorzugtes Pseudo-Sinuswellensignal ausgegeben werden.

Wenn die vorliegende Erfindung bei einem optischen Transmissionstyp-Co dierer angewandt wird, ist das erste Element eine Transmissionstyp-Haupt skala, bei der Licht durchlassende Abschnitte und Licht nicht durchlassende Abschnitte als Licht übertragende Abschnitte und Licht nicht übertragende Abschnitte mit einer Teilung von P angebracht sind, und bei dem jede Breite der Licht durchlassenden Abschnitte auf 2 P/3 festgesetzt ist. Das zweite Element ist eine Indexskala, bei der das Verhältnis der Breiten der Licht durchlassenden Abschnitte und der Licht nicht durch lassenden Abschnitte 1 : 1 ist und bei der die Abschnitte mit einer Teilung von P angebracht sind. Die durchgelassene Lichtmenge der Hauptskala nimmt also im Vergleich zu dem Falle zu, daß die Hauptskala ein rechteckiges Gitter ist, bei dem das Verhältnis der Breiten der Licht durchlassenden Abschnitte und der Licht nicht durchlassenden Abschnitte 1 : 1 ist. Der Spitzenwert des empfangenen Lichtbetrages des Licht empfangenden Abschnittes nimmt also zu, wodurch das S/N-Verhältnis verbessert wird. Weil die Breite der Licht durchlassenden Abschnitte der Hauptskala groß ist, wird zusätzlich die geometrische Lichtkomponente des hellen/dunklen Musters relativ größer als die Komponente des Interferenzstreifenmusters aufgrund der Beugung des Lichtes. Daher nimmt in einem System, das ein geometrisches Lichtmuster erkennt, der Einfluß der Spaltfluktuation ab, wodurch das S/N-Verhältnis verbessert wird. Da weiter die empfangene Lichtmenge zunimmt, steigt die Ansprechgeschwindigkeit. Wenn der Arbeitspunkt der Licht empfangenden Vorrichtung angehoben wird, kann die Ansprechgeschwindigkeit weiter vergrößert werden.

In einem System, das ein Licht empfangendes Vorrichtungsarray als Indexskala verwendet, ist eine Vielzahl von Licht empfangenden Ein richtungen mit einer Teilung von 3 × P/4 so angeordnet, daß vier Phasen-Verschiebungsausgangssignale ausgegeben werden.

Im Falle eines optischen Reflexionstyp-Codierers werden die Licht über tragenden Abschnitte und die Licht nicht übertragenden Abschnitte der Hauptskala jeweils entsprechend zu Licht reflektierenden Abschnitten und Licht nicht reflektierenden Abschnitten. Jede Breite der Licht reflektierenden Abschnitte ist vorzugsweise auf 2 P/3 festgesetzt. Somit können die gleichen Wirkungen wie die beim oben beschriebenen Codierer des Lichttransmissions typs erhalten werden.

Diese und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen deutlicher aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der bestmöglichen Ausführungsformen hervor, wie sie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind.

Nachfolgend werden die Zeichnungen kurz beschrieben.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die die Struktur eines Trans missionstyp-Codierers gemäß einer Ausführungsform der vor liegenden Erfindung darstellt;

Fig. 2 ist eine vergrößerte Ansicht, die die Struktur der Hauptabschnitte des Codierers gemäß der Ausführungsform darstellt;

Fig. 3 ist ein Diagramm, das eine ausgegebene Stromwellenform des Codierers gemäß der Ausführungsform darstellt;

Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm, das ein übertragenes Lichtmuster einer Hauptskala eines Codierers gemäß der Ausführungsform darstellt;

Fig. 5 ist ein schematisches Diagramm, das die Struktur eines Trans missionstyp-Codierers gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 6 ist ein schematisches Diagramm, das die Struktur eines Trans missionstyp-Codierers gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

Fig. 7 ist eine vergrößerte, perspektivische Ansicht, die den empfangenden Abschnitt des in Fig. 6 gezeigten Codierers darstellt;

Fig. 8 ist ein schematisches Diagramm, das die Struktur eines Reflexions typ-Codierers gemäß einer anderen Ausführungsform der vor liegenden Erfindung darstellt;

Fig. 9 ist eine vergrößerte Ansicht, die die Hauptabschnitte eines Codierers gemäß der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform darstellt; und

Fig. 10 ist eine vergrößerte Ansicht, die Hauptabschnitte eines weiteren Codierers gemäß der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform darstellt.

Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine skizzierte Struktur eines optischen Transmissionstyp-Codierers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Fig. 2 ist eine vergrößerte Ansicht, die die Struktur der Hauptabschnitte des in Fig. 1 dargestellten Codierers zeigt.

Wie in Fig. 1 dargestellt, besteht eine Hauptskala 1, d. h. ein erstes Element mit einer Transmissionstypskala, aus einem transparenten Substrat 10 und einem rechteckigen Gitter 13, das auf dem Substrat 10 ausgebildet ist. Das Substrat 10 besteht beispielsweise aus Glas. Das rechteckige Gitter 13 besteht aus Licht durchlassenden Abschnitten 11 und Licht nicht durchlassenden Abschnitten 12, die mit einer Teilung von P angeordnet sind. Jeder der Licht durchlassenden Abschnitte 11 und der Licht nicht durchlassenden Abschnitte 12 weist ein rechteckiges Muster auf. Die Licht nicht durch lassenden Abschnitte 12 sind auf dem transparenten Substrat durch Vakuum bedampfung mit Cr gebildet. Die Licht durchlassenden Abschnitte 11 wirken als Signalübertragungsabschnitte. Die Licht nicht durchlassenden Abschnitte 11 wirken als Signal nicht übertragende Abschnitte. Das Verhältnis der Breiten der Licht durchlassenden Abschnitte 11 und der Licht nicht durchlassenden Abschnitte 12 ist nicht 1 : 1. Wie in Fig. 2 dargestellt, ist jede Breite der Licht durchlassenden Abschnitte in Gitterrichtung auf 2 × P/3 festgesetzt.

Eine Licht ausstrahlende Vorrichtung 2 ist hinter der Hauptskala 1 angebracht, um parallelisiertes Licht 12 auf die Hauptskala 1 zu strahlen. Die Licht ausstrahlende Vorrichtung 12 besteht aus einer LED 20 und einer Kollimationslinse 21. Die LED 20 erzeugt Streulicht. Die Kollimationslinse 21 parallalisiert das von der LED 20 ausgesandte Streulicht in parallelisiertes Licht 22.

Ein Photodiodenarray 3 ist vor der Hauptskala 1 mit einem vorbestimmten Spalt, und zwar gegenüber der Licht ausstrahlenden Vorrichtung 2, angeord net. Das Photodiodenarray 3 erfaßt die Verteilung des von der Hauptskala 1 durchgelassenen Lichtes. Das Photodiodenarray 3 besteht aus einem Siliciumsubstrat 30 und Licht empfangenden Abschnitten 31, die auf dem Substrat 30 ausgebildet sind. Jeder der Licht durchlassenden Abschnitte 31 ist eine Photodiode mit PN-Übergang. Bei dieser Ausführungsform wirkt das Photodiodenarray 3 auch als Indexskala. Mit anderen Worten ist das Photodiodenarray 3 gegenüber der Hauptskala 1 als zweites Element angeordnet.

Die Hauptskala 1 bewegt sich relativ zur Licht ausstrahlenden Vorrichtung 2 und zum Photodiodenarray 3, wie durch einen Pfeil x in Fig. 1 angezeigt. Entsprechend der Relativbewegung der Hauptskala 1 wird das empfangene Lichtmuster durch das Photodiodenarray 3 moduliert, das auch als Indexskala wirkt. Mit dem geometrischen Licht, das periodisch an der Skalenteilung P variiert, wird ein Verschiebungssignal einer Pseudosinuswelle erhalten, entsprechend dem hellen/dunklen Muster des geometrischen Lichtes.

Bei dieser Ausführungsform ist das Photodiodenarray 3 mit einer Teilung von 3 × P/4 angeordnet, wie Fig. 2 zeigt. Die Photodioden sind in mehreren Sätzen gruppiert, von denen jeder aus vier Photodioden 31a, 31bb, 31ab und 31b besteht. Die Photodioden 31a, 31bb, 31ab und 31b sind untereinander mit Bezug auf die Hauptskala 1 um 90° phasenverschoben. Die gemeinsamen Phasenausgaben des Photodiodenarrays 3 werden addiert, um A-, BB-, AB- und B-Phasenausgangsströme zu erzeugen, die der Reihe nach um 90° phasenverschoben sind. Die Ausgangsströme werden jeweils durch Strom/Span nungs-Umsetzer 4a bis 4d in Spannungen umgesetzt. Danach empfangen Differentialverstärker 5a und 5b jeweils entsprechend die Differenz zwischen den A- und AB-Phasenausgaben, und die Differenz zwischen den B- und BB-Phasenausgaben. Somit werden A- und B-Phasenverschiebungs-Ausgangssignale erhalten, die sich um 90° unterscheiden.

Bei dieser Ausführungsform ist die Breite der Licht durchlassenden Abschnitte 11 der Hauptskala auf 2 P/3 festgesetzt, wie oben beschrieben. Daher wird die harmonische Komponente dritter Ordnung des Verschiebungs ausgangssignals, die eine Pseudosinuswelle bildet, beseitigt.

Als nächstes wird das dieser Ausführungsform zugrunde liegende Prinzip unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben. Es sei angenommen, daß die Breite der Licht durchlassenden Abschnitte 11 mit L bezeichnet wird, und daß das durchgelassene Licht der Hauptskala 1 nur ein sich geradlinig fortpflanzendes Licht ist. Das durchgelassene Lichtmuster ist ein rechteckiges Muster wie in Fig. 4 dargestellt. Das Muster des durchgelassenen Licht betrages l(x) in der Verschiebungsrichtung x wird einer Fourier-Trans formation unterzogen und durch den folgenden Ausdruck wiedergegeben:

In der Formel (1) sind C und D Konstanten. Das Muster des durch gelassenen Lichtbetrages der Hauptskala 1 wird durch die Indexskala auf der empfangenden Seite moduliert (bei dieser Ausführungsform dient das Photodiodenarray 3 als Indexskala). Somit wird eine Pseudo-Sinuswellen ausgabe erhalten.

Wie aus der Formel (1) hervorgeht, werden, was die harmonische Kom ponente dritter Ordnung anbetrifft - das ist die harmonische Komponente der höchsten ungradzahligen Ordnung (nämlich n = 3) - im Falle, daß L = P/3 oder L = 2 P/3 gilt, die Koeffizienten des ersten und des zweiten Terms der rechten Seite der Gleichung zu 0. Infolgedessen wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform, da L = 2 P/3 gilt, die harmonische Komponente dritter Ordnung beseitigt, wodurch ein Verschiebungsausgangs signal erhalten wird, das sich einer normalen Sinuswelle annähert. Darüber hinaus kann, wie unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben, die Gleichstrom komponente mit dem Differentialverstärkungsprozeß von zwei Ausgaben und mit Phasen, die sich um 180° unterscheiden, beseitigt werden.

Wie aus der Gleichung (1) hervorgeht, wird, wenn L = P/3 oder 2 P/3 ist, zusätzlich der Term der harmonischen Komponenten geradzahliger Ordnung nicht beseitigt. Allerdings haben die harmonischen Komponenten geradzahliger Ordnung, die in den beiden Ausgaben mit Phasen enthalten sind, die sich um 180° unterscheiden, die gleiche Phase. Daher werden mit dem Differentialverstärkungsprozeß die harmonischen Komponenten geradzahliger Ordnung ebenfalls beseitigt.

In der Formel (1) sind die Terme "A sin (2 π × /P)" und "B cos (2 π × /P)" als fundamentale Komponenten übrig geblieben. Die fundamentalen Komponenten werden zusammengesetzt, um eine Sinuswelle "(A² + B²)^1/2 sin (2 π × /P + Φ)" zu bilden. Die Abweichung der Phase Φ beeinflußt nicht die Messung der Verschiebung im inkrementalen System.

Da bei dieser Ausführungsform die Breite der Licht durchlassenden Abschnitte 11 der Hauptskala annähernd doppelt so groß ist wie die Breite der Licht nicht durchlassenden Abschnitte 12, wird im Vergleich mit der herkömmlichen Hauptskala, bei der das Verhältnis der Breiten der Licht durchlassenden Abschnitte und der Licht nicht durchlassenden Abschnitte 1 : 1 ist, die durchgelassene Menge der Hauptskala groß, wodurch die empfangene Lichtmenge vergrößert wird. Als Ergebnis nimmt der Spitzenwert der empfangenen Lichtmenge zu, wodurch das S/N-Verhältnis verbessert werden kann.

Zusätzlich nimmt der Ausgangsstrom des Photodiodenarrays zu, da die empfangene Lichtmenge zunimmt, wodurch die Ansprechgeschwindigkeit wächst. Wenn die Vorspannung des Photodiodenarrays erhöht wird, kann die Ansprechgeschwindigkeit weiter vergrößert werden. Da die Breite der Licht durchlassenden Abschnitte 11 der Hauptskala 1 groß ist, wird, wenn der Spitzenwert des geometrischen Lichtes der Licht empfangenden Oberfläche mit dem Spitzenwert des Interferenzstreifenmusters aufgrund des gebeugten Lichtes verglichen wird, der erstgenannte Wert größer als der zweitgenannte, verglichen mit dem herkömmlichen System. Dies verbessert ebenfalls das S/N-Verhältnis. Darüber hinaus nimmt der Einfluß der Spaltfluktuation zwischen der Hauptskala 1 und dem Photodiodenarray 3 ab.

Fig. 5 ist ein schematisches Diagramm, das den Aufbau der Hauptabschnitte eines Transmissionstyp-Codierers gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Der Einfachheit halber werden in Fig. 5 diejenigen Abschnitte, die denen der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform vergleichbar sind, durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet, und die Beschreibung derselben wird fortgelassen. Die Struktur der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform ist die gleiche wie die Struktur der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform, mit der Ausnahme, daß die Breite der Licht durchlassenden Abschnitte 11 der Hauptskala 1 die Größe P/3 hat, während die Breite der Licht nicht durchlassenden Abschnitte 12 die Größe 2 P/3 aufweist.

Gemäß der in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform kann die harmonische Verzerrung dritter Ordnung verringert werden, obwohl die durchgelassene Lichtmenge der Hauptskala 1 nur halb so groß wie diejenige der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist, was einen Nachteil bedeutet, wie aus der Formel (1) hervorgeht.

Fig. 6 ist ein schematisches Diagramm, das die Struktur eines Trans missionstyp-Codierers gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Bei dieser Ausführungsform sind eine Hauptskala 1, auf der ein erstes Gitter 13 ausgebildet ist, und eine Indexskala 6, auf der ein zweites Gitter 63 ausgebildet ist, jeweils entsprechend als ein erstes Element und ein zweites Element vorgesehen. Die Indexskala 6 ist an der Licht empfangenden Seite, zusammen mit den Licht empfangenden Vorrichtungen, angebracht. Der Einfachheit halber sind bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform Abschnitte, die denen in der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform vergleichbar sind, durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Indexskala 6 ist eine Transmissionstypskala, die ein transparentes Substrat 60 aufweist, wie etwa ein Glassubstrat, und das rechteckige Gitter 63 ist auf dem Substrat 60 ausgebildet. Das Gitter 63 besteht aus Licht durchlassenden Abschnitten 61 und Licht nicht durch lassenden Abschnitten 62, die in der Weise ausgebildet sind, daß das Verhältnis der Breiten derselben 1 : 1 ist und die Teilung den Wert P hat. Bei der praktischen Ausführung umfaßt das Gitter 63, wie in Fig. 7 dargestellt, vier Gitterabschnitte 6a1, 6a2, 6b1 und 6b2 mit Phasen, die sich jeweils um 90° unterscheiden. Der A-Phasengitterabschnitt 6a1 und der B-Phasengitterabschnitt 6b1, die gegeneinander um 90° phasenverschoben sind, sind in x-Richtung angeordnet. Der AB-Phasengitterabschnitt 6a2 und der BB-Phasen-gitterabschnitt 6b2, die jeweils entsprechend gegen die Gitterabschnitte 6a1 und 6b1 in der Phase um 180° verschoben sind, sind neben den Gitterabschnitten 6a1 und 6b1 jeweils in Richtung der Breite der Skala angeordnet.

Photodioden 3a1, 3a2, 3b1 und 3b2 sind jeweils entsprechend den Gitter abschnitten 6a1, 6a2, 6b1 und 6b2 der Indexskala 6 angeordnet. Die Ausgangsströme der Photodioden 3a1, 3a2, 3b1 und 3b2 werden in Spannungen umgesetzt. Die Differenz zwischen der A-Phasenausgabe und der AB-Phasenausgabe wird durch den Differentialverstärker 5a erhalten, und die Differenz zwischen der B-Phasenausgabe und der BB-Phasenausgabe wird durch den Differentialverstärker 5b erhalten. Somit werden Verschiebungs signale mit den Phasen A und B gewonnen.

Beim Transmissionstyp-Codierer ist die Breite der Licht durchlassenden Abschnitte 11 der Hauptskala auf 2P/3 festgesetzt. Somit wird gemäß der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform die gleiche Wirkung wie bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform erzielt.

Fig. 8 ist ein schematisches Diagramm, das die Struktur eines optischen Reflexionstyp-Codierers gemäß einer anderen Ausführungsform der vor liegenden Erfindung zeigt. Der Codierer gemäß dieser Ausführungsform besteht aus einer Reflexionstyp-Hauptskala 7, einer Lichtquelle 9, einer Lichtquellen-Indexskala 8 und einem Photodiodenarray 3. Das Photodioden array 3 arbeitet auch als Licht empfangende Indexskala, wie das bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der Fall ist. Die Lichtquellen-Indexskala 8 und das Photodiodenarray 3 sind gegenüber der Hauptskala 7 angeordnet. Die Lichtquelle 9 ist hinter der Lichtquellen-Indexskala 8 angebracht. Wie in Fig. 9 dargestellt, besteht die Hauptskala 7 aus einem Substrat 70 und einem rechteckigen Gitter 73, das auf dem Substrat 70 ausgebildet ist. Das Gitter 73 besteht aus Licht reflektierenden Abschnitten 71 und Licht nicht reflektierenden Abschnitten 72 (Licht nicht absorbierenden oder Licht nicht durchlassenden Abschnitten), die abwechselnd mit einer Teilung P angeordnet sind. Jede Breite der Licht reflektierenden Abschnitte 71 ist auf 2 × P/3 festgesetzt. Wie in Fig. 9 dargestellt, ist die Indexskala 8 eine Trans missionstypskala von einer Art, die aus einem transparenten Substrat 80 und einem rechteckigen Gitter 83 besteht, das auf dem Substrat 80 ausgebildet ist. Das Gitter 83 besteht aus Licht durchlassenden Abschnitten 81 und Licht nicht durchlassenden Abschnitten 82, die abwechselnd mit einer Teilung P und einem Breitenverhältnis von 1 : 1 angeordnet sind.

Die Lichtquelle 9 ist eine Diffusionslichtquelle, wie etwa eine LED. Das Streulicht tritt in die Lichtquellen-Indexskala 8 ein, welche Licht durch lassende Abschnitte 81 und Licht nicht durchlassende Abschnitte 82 aufweist, die mit einer Teilung P angeordnet sind. Somit wird ein sekundäres Lichtquellenarray erhalten, bei dem die durchlassenden Abschnitte 81 als Punktlichtquellen dienen, die mit einer Teilung P angeordnet sind. Vom sekundären Lichtquellenarray wird parallelisiertes Licht 24 in der vorbestimm ten Richtung auf die Hauptskala 7 gestrahlt. Ein von der Hauptskala 7 reflektiertes Muster geometrischen Lichts wird an das Photodiodenarray 3 geliefert. Das resultierende Bildmuster wird moduliert und auf die gleiche Weise erkannt wie bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform.

Gemäß der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform kann die gleiche Wirkung erzielt werden wie bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform.

Anders als bei Fig. 9 kann die Reflexionstypskala 7 auch in der in Fig. 10 dargestellten Weise ausgebildet werden. Gemäß Fig. 10 ist die Breite der Licht reflektierenden Abschnitte 71 der Skala 7 auf P/3 festgesetzt. Obwohl die empfangene Lichtmenge halbiert wird, kann die harmonische Verzerrung dritter Ordnung in ähnlicher Weise wie bei der Ausführungsform der Fig. 9 verringert werden.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wurde der Codierer optischen Typs beschrieben. Die vorliegende Erfindung kann aber auch auf einen Codierer des elektrostatischen Kapazitätstyps angewandt werden, der den gleichen theoretischen Grundlagen entspricht. Bei einem Kapazitätstyp-Codierer wird die Variation der Kapazitätskopplung zwischen Signal übertragenden Elektroden und Signal empfangenden Elektroden entsprechend der Ver schiebung der Skala erfaßt, wodurch die Verschiebung gemessen wird. Beispielsweise ist ein Kapazitätstyp-Codierer in der offengelegten japanischen Patentpublikation Nr. 3-37 517 offenbart worden. Mit einer Anordnung von Elektroden, welche das gleiche Kapazitätskopplungsmuster wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen des Skalenabschnitts des Codierers erzeugen, kann ein Verschiebungssignal in Form einer Pseudosinuswelle erhalten werden.

Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung auf einen Codierer magnetischen Typs angewandt werden, der die Verschiebung unter Benutzung der magnetischen Kopplung mißt, entsprechend den gleichen theoretischen Grundlagen.

Wenngleich die vorliegende Erfindung in bezug auf bestmögliche Aus führungsformen derselben beschrieben und dargestellt worden ist, ist Fachleuten klar, daß die oben genannten und verschiedene weiteren Änderungen, Auslassungen und Ergänzungen nach Form und Detail vorgenommen werden können, ohne daß von Idee und Umfang der vorliegenden Erfindung abgewichen wird.

Claims

1. Vorrichtung zum Messen einer Verschiebung, aufweisend:
ein erstes Element, auf dem ein erstes Gitter gebildet ist, wobei das erste Gitter aus Licht übertragenden Abschnitten und Licht nicht übertragenden Abschnitten besteht, die abwechselnd mit rechteckigen Mustern bei einer Teilung P angeordnet sind, wobei jede Breite der Lichtübertragungsabschnitte in einer Richtung einer Gitteranordnung auf m × P/3 festgesetzt ist (wobei m den Wert 1 oder 2 hat);
eine Licht ausstrahlende Einrichtung zum Ausstrahlen von parallelisiertem Licht auf das erste Element, so daß ein rechteckiges, übertragenes Lichtmuster erhalten wird;
ein zweites Element, auf dem ein zweites Gitter gebildet ist, wobei das zweite Element gegenüber dem ersten Element unter Belassung eines Spaltes angeordnet ist, derart, daß es in Richtung der Gitteranordnung zusammen mit der Licht ausstrahlenden Einrichtung relativ beweglich ist, wobei das zweite Gitter aus Licht übertragenden Abschnitten und Licht nicht übertragenden Abschnitten besteht, die abwechselnd mit recht eckigen Mustern angeordnet sind, so daß das vom ersten Element übertragene Licht moduliert wird, um ein übertragenes Lichtmuster auszugeben; und
eine Licht empfangende Einrichtung zum Empfangen des vom zweiten Element übertragenen Lichtmusters und Ausgeben eines Verschiebungs ausgangssignals, das sich entsprechend der relativen Bewegung des ersten und des zweiten Elementes verändert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das erste Element eine Trans missionstyp-Hauptskala ist, bei der die Licht übertragenden Abschnitte und die Licht nicht übertragenden Abschnitte jeweils entsprechend Licht durchlassende Abschnitte und Licht nicht durchlassende Abschnitte sind; und
bei der das zweite Element eine Transmissionstyp-Indexskala ist, bei der die Licht durchlassenden Abschnitte und die Licht nicht durchlassenden Abschnitte des zweiten Gitters mit einem Breitenverhältnis von 1 : 1 bei einer Teilung von P angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der jede Breite der Licht durch lassenden Abschnitte der Hauptskala auf 2 × P/3 festgesetzt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das zweite Gitter vier Gitter abschnitte mit Phasen aufweisen, die sich jeweils um 90° unterscheiden; und
wobei die Licht empfangende Einrichtung vier Empfangsvorrichtungen aufweist, die jeweils entsprechend den vier Gitterabschnitten angebracht sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der das zweite Gitter vier Gitter abschnitte aufweist mit Phasen, die sich jeweils um 90° unterscheiden; und
wobei die Licht empfangende Einrichtung vier Empfangsvorrichtungen, die jeweils entsprechend den vier Gitterabschnitten angebracht sind, und zwei Differentialschaltungseinrichtungen aufweist, zum Verstärken der Differenzen zwischen den jeweiligen beiden um 180° phasenverschobenen Ausgaben der Empfangsvorrichtung, um zwei Verschiebungssignale zu erzeugen, die gegeneinander um 90° phasenverschoben sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das erste Element eine Trans missionstyp-Hauptskala ist, in der die Licht übertragenden Abschnitte und die Licht nicht übertragenden Abschnitte jeweils entsprechend Licht durchlassende Abschnitte und Licht nicht durchlassende Abschnitte sind; und
wobei die Licht empfangende Einrichtung ein Licht empfangendes Vorrichtungsarray enthält, das die Funktion des zweiten Elementes hat.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der jede Breite der durchlassenden Abschnitte der Hauptskala auf 2 × P/3 festgesetzt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Licht empfangende Ein richtung umfaßt:
ein Licht empfangendes Vorrichtungsarray mit einer Vielzahl von Licht empfangenden Vorrichtungen, die mit einer Teilung von 3 × P/4 angeordnet sind, wobei die Licht empfangenden Vorrichtungen in mehreren Sätzen gruppiert sind, und jeder der Sätze aus vier Licht empfangenden Vorrichtungen zusammengesetzt ist, welche nebeneinander angebracht sind;
eine Addiereinrichtung zum Addieren gemeinsamer Phasenausgaben des Licht empfangenden Vorrichtungsarrays, um addierte Ausgaben mit vier Phasen zu erzeugen; und
zwei Differentialschaltungseinrichtungen zum Verstärken der Differenzen zwischen den jeweiligen beiden addierten Ausgaben, die gegeneinander um 180° phasenverschoben sind, um zwei Verschiebungssignale mit jeweils um 90° unterschiedlichen Phasen zu erzeugen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei dem das erste Element eine Reflexionstyp-Hauptskala aufweist, bei der die Licht übertragenden Abschnitte jeweils entsprechend Licht reflektierende Abschnitte und Licht nicht reflektierende Abschnitte sind;
bei der die Licht abstrahlende Einrichtung eine Lichtquelle, die Streulicht erzeugt, und eine Indexskala aufweist, auf der Licht durch lassende Abschnitte und Licht nicht durchlassende Abschnitte ab wechselnd mit einer Teilung P angeordnet sind, um das Streulicht so zu empfangen, daß die Hauptskala angestrahlt wird; und
wobei die Licht empfangende Einrichtung ein Licht empfangendes Vorrichtungsarray enthält, das die Funktion des zweiten Elementes hat.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei dem jede Breite der Licht reflektie renden Abschnitte der Hauptskala auf 2 × P/3 festgesetzt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei dem die Licht empfangende Einrichtung aufweist:
ein Licht empfangendes Vorrichtungsarray mit einer Vielzahl von Licht empfangenden Vorrichtungen, die mit einer Teilung von 3 × P/4 angeordnet sind, wobei die Licht empfangenden Vorrichtungen in mehreren Sätzen gruppiert sind, und jeder der Sätze aus vier Licht empfangenden Vorrichtungen zusammengesetzt ist, welche nebeneinander angebracht sind;
eine Addiereinrichtung zum Addieren gemeinsamer Phasenausgaben des Licht empfangenden Vorrichtungsarrays, um addierte Ausgaben mit vier Phasen zu erzeugen; und
zwei Differentialschaltungseinrichtungen zum Verstärken der Differenzen zwischen den jeweiligen beiden addierten Ausgaben, die gegeneinander um 180° phasenverschoben sind, um zwei Verschiebungssignale mit jeweils um 90° unterschiedlichen Phasen zu erzeugen.

12. Vorrichtung zum Messen einer Verschiebung, aufweisend:
eine Skala, auf der ein Gitter gebildet ist, wobei das Gitter aus Licht übertragenden Abschnitten und Licht nicht übertragenden Abschnitten zusammengesetzt ist, die abwechselnd mit rechteckigen Mustern bei einer Teilung P angeordnet sind, wobei jede Breite der Licht übertragenden Abschnitte in einer Richtung einer Gitteranordnung auf m × P/3 festgesetzt ist (wobei m den Wert 1 oder 2 hat);
eine Licht ausstrahlende Einrichtung zum Ausstrahlen parallelisierten Lichtes auf die Skala, um ein rechteckiges, übertragenes Lichtmuster zu erhalten;
ein Licht empfangendes Vorrichtungsarray zum Empfangen des von der Skala übertragenen Lichtmusters, wobei das Licht empfangende Vorrichtungsarray eine Vielzahl von Licht empfangenden Vorrichtungen umfaßt, die mit einer Teilung von 3 × P/4 angeordnet sind, derart, daß vier Phasenverschiebungs-Ausgangssignale ausgegeben werden.

13. Vorrichtung zum Messen einer Verschiebung, aufweisend:
erste und zweite einander gegenüberliegende Elemente, derart, daß sie relativ zueinander beweglich sind;
Signalübertragungseinrichtungen, die auf dem ersten Element zum Übertragen eines Signals mit einem rechteckigen Muster an das zweite Element angebracht sind, wobei die Signalübertragungseinrichtungen ein rechteckiges Gitter besitzen, das aus Signal übertragenden Abschnitten und nicht übertragenden Abschnitten zusammengesetzt ist, die ab wechselnd mit rechteckigen Mustern bei einer Teilung P angeordnet sind, wobei jede Breite der Signal übertragenden Abschnitte in einer Richtung einer Gitteranordnung auf 2 × P/3 festgesetzt ist; und
eine Signal empfangende Einrichtung, die auf dem zweiten Element zum Empfangen eines vom ersten Element übertragenen Signals und zum Ausgeben eines Verschiebungsausgangssignals angebracht sind, das sich periodisch entsprechend der relativen Bewegung des ersten und des zweiten Elementes verändert.