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Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Encoder, der robust gegen Störungen, wie eine Verschmutzung oder eine Aufbaufuge auf einer Skala ist.
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EP 1 477 775 A2 beschreibt einen fotoelektrischen Encoder mit einem optischen Empfangschip, auf welchem die Lichtempfangsoberflächen einer Mehrzahl von Fotodioden zweidimensional angeordnet sind.
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Aus der
US 5,068,530 ist ein optischer Encoder mit einem ersten Gitter und einem zweiten Gitter bekannt, welches relativ zu dem ersten Gitter verschiebbar ist, wobei der Encoder dazu geeignet ist, die relative Verschiebung zu erfassen.
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5 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Beispiel eines optischen Systems zeigt, wie es in einem herkömmlichen optischen Encoder bzw. Codierer verwendet wird. Ein Licht emittierendes Element 1 erzeugt Licht, welches durch eine Kollimatorlinse 2 passiert. Nachdem das Licht durch die Kollimatorlinse 2 passiert ist, breitet sich das Licht in einem fokussierten parallelen Strahl in Richtung einer Hauptskala 3 aus. Das Licht passiert nacheinander die Hauptskala 3 und eine Indexskala 4, bevor es an einer Lichtempfangsoberfläche eines Lichtempfangselementes 5 ankommt. Das Lichtempfangselement 5 kann das empfangene Licht in ein elektrisches Signal umwandeln. Die Hauptskala 3 kann aus einem metallischen Film ausgebildet sein, der auf einem Glasträger aufgebracht ist und durch Ätzen teilweise entfernt ist. Die Hauptskala 3 ist ein optisches Gitter (im Folgenden als erstes Gitter bezeichnet), das ein regelmäßiges Muster von alternierenden durchlassenden bzw. durchlässigen Bereichen (das heißt Schlitzen) und nicht durchlassenden bzw. nicht durchlässigen Bereichen aufweist. Die Gitterlinie bzw. -linien der Hauptskala 3 ist/sind senkrecht zur Längsrichtung der Hauptskala 3. Die Indexskala 4 kann durch Aufbringen eines metallischen Filmes auf einem Glasträger und anschließendem teilweisen Entfernen des Filmes durch Ätzen ausgebildet werden. Die Indexskala 4 ist ein optisches Gitter (ein zweites Gitter), welches ein regelmäßiges Muster von abwechselnden Übertragungsbereichen bzw. durchlässigen Bereichen (Schlitzen) und Nichtübertragungsbereichen bzw. nicht durchlässigen Bereichen aufweist.
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Bei einem derartigen optischen System kann die Hauptskala 3 entlang ihrer Längsrichtung verschoben bzw. bewegt werden. Die positionale Beziehung zwischen dem optischen Gitter, welches auf der Hauptskala 3 ausgebildet ist, und dem optischen Gitter, welches auf der Indexskala 4 ausgebildet ist, verändert sich in Abhängigkeit jegliche Verschiebung der Hauptskala 3. Die Quantität des durchgelassenen bzw. abgestrahlten Lichtes ändert sich periodisch und dementsprechend erzeugt das Lichtempfangselement 5 ein sich periodisch änderndes Verschiebungssignal. Das Verschiebungssignal hat eine Periode die gleich einem Abstand P des optischen Gitters ist, welches auf der Hauptskala 3 ausgebildet ist.
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Allgemein kann ein optischer Encoder ein derartiges periodisches Verschiebungssignal, welches erhältlich ist, wenn sich die Hauptskala verschiebt, elektrisch interpolieren und dividieren, um eine hohe Auflösung sicherzustellen. Zu diesem Zweck kann das optische System vier Arten von Verschiebungssignalen erzeugen, welche gegenseitige Phasendifferenzen von 90 Grad aufweisen. In der folgenden Beschreibung stellen ”a”, ”b”, ”a/”, und ”b/” die vier Arten von Verschiebungssignalen verwandter bzw. ähnlicher optischer Systeme dar. Die Verschiebungssignale ”b”, ”a/” und ”b/” haben eine Phasendifferenz, in elektrischen Winkeln, von 90 Grad, 180 Grad und 270 Grad bezüglich des Verschiebungssignals ”a”.
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Die Verschiebungssignale eines optischen Encoders können als Sinuswellen betrachtet werden. Repräsentiert ”X” eine Verschiebung der Hauptskala 3 in ihre Längsrichtung, können vier Arten von Verschiebungssignalen jeweils durch K + M·sinX, K + M·cosX, K – M·sinX und K – M·cosX ausgedrückt werden. ”K” stellt eine Offsetkomponente dar und ”M” stellt die Amplitude dar. In der folgenden Beschreibung werden die vier Arten von Verschiebungssignalen jeweils als Signale Sa, Sb, Sa/ und Sb/ bezeichnet. Entsprechend einem allgemeinen Interpolations- und Divisionsverfahrens, kann ein Differenzsignal SA, basierend auf einer Subtraktion von zwei Signalen Sa und Sa/, welche entgegengesetzte Phasen haben, erhalten werden. Das Differenzsignal SA kann durch 2M·sinX ausgedrückt werden, als ein Ergebnis der Auslöschung der Offsetkomponenten. In gleicher bzw. ähnlicher Weise kann ein Differenzsignal SB, als 2M·cosX, als Ergebnis einer Subtraktion der Signale Sb und Sb/, welche entgegengesetzte Phasen haben, erhalten werden. Ein Verhältnis der zwei Differenzsignale SA und SB kann durch sinX/cosX ausgedrückt werden. Durch Errechnen eines Arcustangens oder durch Verwenden einer Referenztabelle, kann die Position in einer Periode eines Verschiebungssignals erhalten werden.
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Zum Beispiel kann, wenn die vier Arten von Verschiebungssignalen gleich bzw. ähnlich im Verursachen einer Änderung der Offsetkomponente oder der Amplitude als Folge auf eine Änderung der Quantität des Lichts sind, welches von dem Lichterzeugungselement 1 erzeugt wird, die Offsetkomponente, basierend auf den Differenzwerten, bei dem Interpolations- und Divisionsverfahren entfernt werden. Des Weiteren hat die Veränderung der Amplitude keine Auswirkung auf das Verhältnis der Differenzsignale SA und SB. Dementsprechend wird kein Interpolationsfehler erzeugt.
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Wenn jedoch die vier Arten von Verschiebungssignalen gegenseitig unabhängig bei der Änderung der Offsetkomponente oder der Amplitude sind, kann die Interpolation und die Division nicht genau bzw. exakt ausgeführt werden, und es werden Interpolationsfehler entstehen.
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Um vier Arten von Signalen zu erhalten, sind bei herkömmlichen optischen Encodern vier Schlitzgruppen auf der Indexskala 4, wie in 5 oder in 6A gezeigt, vorgesehen. 6A stellt eine Kombination aus vier rechteckigen Schlitzgruppen dar, die in einem Matrixmuster, welches aus 2 Zeilen und 2 Spalten besteht, angeordnet sind. Jede Schlitzgruppe beinhaltet eine Vielzahl, zum Beispiel einige zehn bis einige hundert Schlitze. Die Periode der Schlitze auf der Indexskala 4 entspricht der Periode der Schlitze auf der Hauptskala 3. In der folgenden Beschreibung stellen Ga, Gb, Ga/ und Gb/ Schlitzgruppen dar, die jeweils die Verschiebungssignale Sa, Sb, Sa/ und Sb/ erzeugen können.
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Um Verschiebungssignale mit unterschiedlichen Phasen zu erhalten, können zum Beispiel die Schlitze, welche zu der Schlitzgruppe Gb gehören, leicht in der Längsrichtung der Hauptskala 3 bezüglich der Schlitze, welche zu der Schlitzgruppe Ga gehören, versetzt sein. In diesem Fall ist die Größe des Versatzes gleich P/4, wobei P die Periode des Verschiebungssignals darstellt. Das Verschiebungssignal, welches von der Schlitzgruppe Gb/ erhalten wird, hat eine Phasendifferenz von 90 Grad, in elektrischen Winkeln, in Bezug auf das Verschiebungssignal, welches von der Schlitzgruppe Ga erhalten wird. Ähnlich sind die Schlitze, welche zu der Schlitzgruppe Ga/ gehören mit nP + P/2 (n ist ein Integer) relativ zu den Schlitzen, welche zu der Schlitzgruppe Ga gehören, versetzt. Das Verschiebungssignal, welches von der Schlitzgruppe Ga/ erhalten wird, hat eine Phasendifferenz von 180 Grad, im elektrischen Winkel, in Bezug auf das Verschiebungssignal, welches von der Schlitzgruppe Ga erhalten wird.
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Der Strahl, der diese Schlitzgruppen passiert hat, kann in das Lichtempfangselement 5 eintreten. Das Lichtempfangselement 5 hat vier separate Lichtempfangsregionen, welche in der Form den entsprechenden Schlitzgruppen Ga, Gb, Ga/ und Gb/ der Indexskala 4 entsprechen. Jede Lichtempfangsregion weist eine photoelektrische Umwandlungsfunktion zum Umwandeln des eintretenden Strahls in ein elektrisches Signal auf. So kann das Lichtempfangselement 5 vier Arten von elektrischen Signalen erzeugen, die den vier separaten Lichtempfangsregionen entsprechen.
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6B stellt eine andere Kombination von vier rechteckigen Schlitzgruppen Ga, Gb, Ga/ und Gb/ dar, welche in Längsrichtung aufgereiht sind, so dass die vier Schlitzgruppen Verschiebungssignale erzeugen können, welche gegenseitige Phasendifferenzen von 90 Grad aufweisen.
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Es wird nun angenommen, dass eine Verschmutzung oder Ähnliches auf der Hauptskala 3 vorhanden ist. 7A zeigt eine Verschmutzung auf der Hauptskala 3. Verschiebt sich die Hauptskala 3 relativ zu der Indexskala 4, blockiert die Verschmutzung auf der Hauptskala 3 teilweise einen Strahl, der die Schlitze auf der Hauptskala 3 passiert so, dass das Lichtempfangselement 5 innerhalb des Schattens der Verschmutzung kein Licht empfängt. Als Ergebnis sind die Verschiebungssignale gestört. 8A zeigt eine Verschiebungsbewegung einer Verschmutzung auf der Hauptskala 3 (unter Bezug auf einen schraffierten Bereich in 7A) relativ zu den Schlitzgruppen Ga, Gb, Ga/ und Gb/, welche auf der Indexskala 4 (aus 6A) angeordnet sind, die beobachtet wird, wenn sich die Hauptskala 3 relativ zu der Indexskala 4 bewegt. Zur Vereinfachung zeigt 8 die Hauptskala 3 nicht.
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Bewegt sich die Hauptskala 3 von links nach rechts in der Zeichnung, beeinflusst die Verschmutzung zuerst die Schlitzgruppe Ga und entsprechend ist das Verschiebungssignal Sa größtenteils abgeschwächt. Als Nächstes beeinflusst die Verschmutzung die Schlitzgruppe Gb/ und entsprechend ist das Verschiebungssignal Sb/ größtenteils abgeschwächt. In dieser Art werden die Verschiebungssignale nacheinander abgeschwächt. Wie zuvor beschrieben, erzeugen die entsprechenden Verschiebungssignale unabhängig voneinander Variationen der Offsetkomponente oder der Amplitude. So kann die Verschmutzung große Interpolationsfehler erzeugen.
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Des Weiteren, im Falle der Verwendung einer Indexskala, welche Schlitzgruppen, wie in 6B gezeigt, aufweist, beeinträchtigt die Verschmutzung erst die Schlitzgruppe Ga, wie in 8B gezeigt, und entsprechend ist das Verschiebungssignal Sa größtenteils abgeschwächt bzw. gedämpft. Dann beeinträchtigt die Verschmutzung nacheinander die Schlitzgruppen Gb, Ga/ und Gb/ und die Verschiebungssignale Sb, Sa/ und Sb/ sind in dieser Reihenfolge größtenteils abgeschwächt. Ähnlich wie bei der Indexskala, welche in 6A gezeigt ist, kann die Verschmutzung große Interpolationsfehler verursachen.
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Eine Fuge (das heißt ein Verbindungsbereich) der Hauptskala kann ebenso Interpolationsfehler erzeugen. Meistens ist die Hauptskala aus einem gläsernen Material aufgebaut. Aufgrund von materialeigenen Beschränkungen ist die Länge einer Glassektion selten mehr oder größer als 2 m bis 3 m. Deswegen ist es zur Positionsbestimmung einer langen Strecke oder eines langen Striches notwendig, eine Vielzahl von Sektionen aneinander zu fügen um eine Hauptskala mit einer genügenden Länge zu gestalten. Wird dies gemacht, so hat die Hauptskala zumindest eine Aufbaufuge entlang einer Linie, die senkrecht zur Längsrichtung verläuft. 7B zeigt ein Beispiel einer Hauptskala, die aus einer Vielzahl von Bauteilen aufgebaut ist. In einem Bereich, welcher der Fuge entspricht (das heißt, die schraffierte Region) kann kein Schlitz auf der Hauptskala vorgesehen werden.
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Bewegt sich die Hauptskala aus 7B relativ zu einer dahinter liegenden Indexskala, erreicht ein Lichtstrahl, welcher durch die Verbindungsstelle oder Fuge auf der Hauptskala blockiert wird, das Lichtempfangselement über die Schlitzgruppen der Indexskala nicht und entsprechend werden die Verschiebungssignale gestört sein. Wenn zum Beispiel eine Indexskala verwendet wird, die Schlitzgruppen wie in 6A gezeigt aufweist, verdeckt die Fuge erst die Schlitzgruppen Ga und Gb in Bezug auf die Bewegung der Hauptskala, die sich von links nach rechts verschiebt. Die Verschiebungssignale Sa und Sb werden abgeschwächt. Als Nächstes beeinflusst bzw. beeinträchtigt die Fuge die Schlitzgruppen Ga/ und Gb/ und entsprechend werden die Verschiebungssignale Sa/ und Sb/ abgeschwächt. In diesem Fall werden die Verschiebungssignale nacheinander abgeschwächt. Wie zuvor beschrieben, verursachen dementsprechende Verschiebungssignale unabhängig voneinander Veränderungen bzw. Variationen in der Offsetkomponente und der Amplitude. Dadurch kann die Fuge große Interpolationsfehler erzeugen.
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Wenn des Weiteren eine Indexskala mit Schlitzgruppen wie in 6B gezeigt verwendet wird, beeinflusst die Fuge zuerst die Schlitzgruppe Ga und entsprechend wird das Verschiebungssignal Sa abgeschwächt. Dann beeinträchtigt die Fuge nacheinander die Schlitzgruppen Gb, Ga/ und Gb/ und entsprechend werden die Verschiebungssignale Sb, Sa/ und Sb/ in dieser Reihenfolge verringert. Wiederum kann die Fuge große Interpolationsfehler erzeugen.
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Des Weiteren können, wie in der internationalen Patentanmeldung
WO 01/031292 beschrieben, mehrere Lichtempfangsbereiche für jedes Signal vorgesehen sein, um Fehler durch Verschmutzungen auszumitteln. Jedoch ist der Ausmittlungseffekt, der in dieser Veröffentlichung offenbart ist, ungenügend, wenn die Skala eine Fuge, eine teilweise Verschmutzung oder eine andere Art eines defekten oder kaputten Schlitzes aufweist.
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Wie aus der vorangehenden Beschreibung offensichtlich, wird das Layout von herkömmlichen Schlitzgruppen nachteilig durch eine Verschmutzung oder eine Fuge auf der Hauptskala beeinflusst. Dadurch werden Interpolationsfehler erzeugt.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen optischen Encoder, der Schlitzgruppen beinhaltet, die in einem derartigen Muster angeordnet sind, dass nachteilige Effekte bzw. Wirkungen von einer Verschmutzung oder einer Fuge auf der Hauptskala gleichmäßig zwischen jeweiligen Verschiebungssignalen verteilt werden können.
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Die beiliegenden Zeichnungen, die einen Teil der Beschreibung bilden und auf die sich die Beschreibung bezieht, stellen erfindungsgemäße Ausführungsformen dar und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erklären. In diesen zeigen:
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1A und 1B eine Indexskala und ein Lichtempfangselement, entsprechend einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
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2A und 2B die Funktion der Indexskala, entsprechend dem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
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3 eine perspektivische Ansicht eines optischen Systems, entsprechend einem zweiten und dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
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4A und 4B Schlitzgruppen, entsprechend einem vierten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
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5 eine perspektivische Ansicht eines herkömmlichen optischen Systems;
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6A und 6B Beispiele für eine Indexskala, die in einem herkömmlichen optischen System verwendet wird;
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7A und 7B Beispiele einer Hauptskala, die in einem herkömmlichen optischen System verwendet wird; und
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8A und 8B die Funktion einer Indexskala, welche in einem herkömmlichen optischen System verwendet wird.
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Im Folgenden werden exemplarisch Ausführungsbeispiele der Erfindung in Bezug auf die Figuren beschrieben.
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Ausführungsbeispiel 1
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Das optische System eines ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels ist mit Ausnahme der Anordnung der Indexskala und des Lichtempfangselementes im Wesentlichen gleich dem herkömmlichen optischen System, wie es in 5 gezeigt ist.
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1A zeigt ein Beispiel einer Indexskala, wie sie in dem optischen Encoder nach dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet wird. Ein optisches Gitter (das heißt ein zweites Gitter) ist auf der Indexskala ausgebildet. In dem Ausführungsbeispiel ist eine Gesamtheit von 16 Schlitzgruppen in einem Matrixmuster, welches aus 4 Zeilen (in vertikaler Richtung) und 4 Spalten (in seitlicher Richtung) besteht, angeordnet. Jede Schlitzgruppe beinhaltet eine Vielzahl von Schlitzen. Die Schlitzgruppen Ga1, Ga2, Ga3 und Ga4 können jeweils Verschiebungssignale erzeugen, welche dieselbe Phase haben.
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1B zeigt ein Lichtempfangselement, welches hinter der Indexskala in optischer Richtung des Lichtes, welches von der Lichtquelle emittiert wird, angeordnet ist. Eine Gesamtzahl von 16 Lichtempfangsoberflächen, die den 16 Schlitzgruppen der Indexskala entsprechen, ist auf dem Lichtempfangselement ausgebildet. Das Licht, das in jede Lichtempfangsoberfläche eintritt, kann in ein Verschiebungssignal umgewandelt werden. 1B zeigt Verschiebungssignale Sa1, Sa2, Sa3, Sa4, ... die von den 16 Lichtempfangsoberflächen erhalten werden. Die Summe der Signale Sa1, Sa2, Sa3 und Sa4 ist zum Beispiel gleich mit dem herkömmlichen Abweichungs- bzw. Verschiebungssignal Sa und die Summe der Signale Sb/1, Sb/2, Sb/3 und Sb/4 ist gleich dem herkömmlichen Abweichungssignal Sb.
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Auf ähnliche Weise können die Schlitzgruppen Gb1, Gb2, Gb3 und Gb4 jeweils Abweichungssignale erzeugen, die dieselbe Phase haben. Die Verschiebungssignale, die von den Schlitzgruppen Gb1 bis Gb4 erhalten werden, haben Phasenunterschiede von 90 Grad in Bezug auf die Verschiebungssignale, die von den Schlitzgruppen Ga1 bis Ga4 erhalten werden. Die Verschiebungssignale, die von den Schlitzgruppen Ga/1 bis Ga/4 erhalten werden, haben Phasendifferenzen von 180 Grad in Bezug auf die Verschiebungssignale, die von den Schlitzgruppen Ga1 bis Ga4 erhalten werden. Die Verschiebungssignale, die von den Schlitzgruppen Gb/1 bis Gb/4 erhalten werden, haben Phasenunterschiede von 270 Grad in Bezug auf die Verschiebungssignale, welche von den Schlitzgruppen Ga1 bis Ga4 erhalten werden. Mit anderen Worten können die Schlitzgruppen, welche mit unterschiedlichen Buchstaben bezeichnet sind (zum Beispiel a oder a/), Verschiebungssignale mit gegenseitig unterschiedlichen Phasen erzeugen. Die Schlitzgruppen, welche mit denselben Buchstaben bezeichnet sind, können, auch wenn sie mit unterschiedlichen Nummern bezeichnet sind, Verschiebungssignale erzeugen, welche dieselben Phasen aufweisen.
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Wie in 1A und 1B gezeigt, sind in diesem Ausführungsbeispiel eine Vielzahl von Schlitzgruppen in einem Matrixmuster angeordnet, welches aus 4 vertikalen Spalten beziehungsweise Linien × 4 seitliche Zeilen beziehungsweise Reihen besteht, welche die folgenden drei Bedingungen erfüllen:
- 1. Es gibt vier (das heißt a, b, a/ und b/) Arten von Schlitzgruppen und jede Art beinhaltet dieselbe Anzahl von Schlitzgruppen (das heißt vier Schlitzgruppen);
- 2. Jede Spalte beinhaltet vier (a, b, a/ und b/) Arten von Schlitzgruppen; und
- 3. Jede Kombination von vier Schlitzgruppen, die in einer rechteckigen Form angeordnet ist, wie eine Matrix, welche aus 2 Zeilen × 2 Spalten besteht, beinhaltet jede der vier Arten der Schlitzgruppen.
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Wenn beispielsweise bei einem optischen Encoder, der die Schlitzgruppen verwendet, die, wie oben beschrieben angeordnet sind, eine Verschmutzung auf der Hauptskala 3 (siehe 7A) vorhanden ist, verschiebt sich eine projizierte Verschmutzungsregion, wie durch Pfeile in 2A angezeigt, gemäß einer Bewegung der Hauptskala relativ zu der Indexskala. Eine Schlitzgruppe, die von der Verschmutzungsregion blockiert ist, wird kein Licht empfangen und demnach ein Verschiebungssignal erzeugen, welches in der Offsetkomponente oder der Amplitude verringert bzw. abgeschwächt ist. Nach diesem Ausführungsbeispiel sind jedoch vier Schlitzgruppen im Wesentlichen gleichmäßig durch die Verschmutzung beeinflusst bzw. beeinträchtigt, anders als in dem herkömmlichen oben beschriebenen optischen System, bei dem nur eine Schlitzgruppe von der Verschmutzung beeinträchtigt ist.
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Da die vier Arten von Schlitzgruppen nahe aneinander, wie oben beschrieben, angeordnet sind (zum Beispiel als eine Matrix), kann weiterhin sichergestellt werden, dass eine beliebige Region auf der Indexskala regelmäßig beziehungsweise grundsätzlich vier (a, b, a/ und b/) Arten von Schlitzgruppen beinhalten kann. Anders gesagt, unabhängig von der Position der Verschmutzung wird die Auswirkung, die dieser Effekt auf jede der vier Arten von Schlitzgruppen haben wird, im Wesentlichen derselbe sein.
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In den Gleichungen, welche die vier Arten von Verschiebungssignalen ausdrücken (das heißt Sa = K + M·sinX, Sb = K + M·cosX, Sa/ = K – M·sinX und Sb/ = K – M·cosX), kann genauer gesagt die Offsetkomponente K als ein Ergebnis einer Subtraktion zwischen Sa und Sa/ und als Ergebnis einer Subtraktion zwischen Sb und Sb/ ausgelöscht werden, wenn sich die Offsetkomponente K in den entsprechenden Signalen mit derselben Rate vergrößert oder verkleinert. Des Weiteren hat die Amplitude M keine Auswirkungen auf das Rechenergebnis, wenn sich die Amplitude M mit derselben Rate in den entsprechenden Signalen vergrößert oder verkleinert, da die endgültige Position, basierend auf dem Verhältnis 2M·sinX/2M·cosX ausgerechnet wird. In der Praxis können sich die entsprechenden Signale unabhängig von einander verändern. Verglichen mit der oben beschriebenen herkömmlichen Technik kann jedoch dieses Ausführungsbeispiel größtenteils Interpolationsfehler verringern.
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Wenn des Weiteren eine Fuge auf der Hauptskala 3 vorhanden ist, wie in 7B gezeigt, bewegt sich eine projezierte Fugenregion wie durch Pfeile in 2B angezeigt, in Übereinstimmung mit einer Bewegung der Hauptskala 3 relativ zu der Indexskala 4. Die Schlitzgruppe kann, wenn sie von der Fugenregion blockiert wird, das Licht nicht empfangen und erzeugt dementsprechend ein Verschiebungssignal, welches in der Offsetkomponente oder der Amplitude verringert beziehungsweise abgeschwächt ist. Entsprechend diesem Ausführungsbeispiel, beinhaltet jedoch jede Spalte vier Arten von Schlitzgruppen, die vier Arten von Verschiebungssignalen entsprechen, wohingegen nach der oben beschriebenen herkömmlichen Technik nur eine Schlitzgruppe durch die Fuge beeinflusst beziehungsweise beeinträchtigt wird. Nach diesem Ausführungsbeispiel werden die vier Arten von Schlitzgruppen gleichmäßig durch die Fuge beeinträchtigt. So kann diese Ausführungsform in großem Maße Interpolationsfehler verringern.
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Die Indexskala, die von diesem Ausführungsbeispiel beschrieben wird, beinhaltet eine Gesamtanzahl von 16 Schlitzgruppen, welche in einem Matrixmuster von 4 Zeilen × 4 Spalten angeordnet sind. Jedoch kann jede Indexskala, welche die oben beschriebenen drei Bedingungen erfüllt, verwendet werden. Zum Beispiel kann die Indexskala dieses Ausführungsbeispiels eine Gesamtanzahl von 64 Schlitzgruppen aufweisen, welche in einem Matrixmuster von 8 Zeilen × 8 Spalten angeordnet sind, oder kann weitere Schlitzgruppen aufweisen. Das Ausbilden von so vielen Schlitzgruppen wie möglich ist vorteilhaft in Bezug auf die Verbesserung des Effektes der Auslöschung oder des Ausgleichens der nachteiligen Auswirkung einer Verschmutzung auf die vier Arten von Schlitzregionen, da jede Verschmutzung eine einzigartige Form und Größe aufweist.
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Obwohl des Weiteren die Beschreibung dieser Ausführungsform, wie oben beschrieben, auf einem optischen System des Übertragungstyps bzw. Durchlasstyps basiert, das eine Lichtquelle beinhaltet, die einen Strahl aussendet, der durch die Schlitze einer Hauptskala dringen kann und ein Lichtempfangselement erreicht, ist entsprechend diesem Ausführungsbeispiel jeder nicht durchlässige beziehungsweise nicht übertragende Bereich der Hauptskala ein metallischer Film, der eine höhere Reflektivität aufweist. Das Muster eines abwechselnden durchlässigen Bereiches und eines nicht-durchlässigen Bereiches kann somit durch ein gleiches Muster ersetzt werden, in dem nichtreflektierende Bereiche und reflektierende Bereiche wechseln. Dementsprechend kann dieses Ausführungsbeispiel auf ein optisches System des Reflektionstyps angewendet werden, das ein Lichtempfangselement aufweist, welches auf derselben Seite wie eine Lichtquelle bezüglich der Hauptskala angeordnet ist. Ein optisches System des Reflektionstyps kann ebenso in Verbindung mit jedem der folgenden Ausführungsbeispiele angewendet werden.
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Ausführungsbeispiel 2
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3 zeigt ein optisches System nach einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel. In dem zweiten Ausführungsbeispiel wird keine Indexskala verwendet. Stattdessen sind Schlitze direkt auf dem Lichtempfangselement 105 vorgesehen.
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Genauer gesagt hat das Lichtempfangselement 105 eine Vielzahl von Lichtempfangsoberflächen, wie in 1B gezeigt. Zuerst wird ein transparenter isolierender Film auf dem Lichtempfangselement 105 ausgebildet. Anschließend wird ein metallischer Film auf dem transparenten isolierenden Film durch Verdampfung oder Zerstäubung beziehungsweise Bedampfung ausgebildet. Anschließend wird der metallische Film teilweise durch Ätzen entfernt, um Schlitzgruppen ähnlich denen aus 1A auszubilden.
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Da die Indexskala und das Lichtempfangselement einstückig ausgebildet sind, kann die Anordnung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ein kompakteres optisches System bieten, verglichen zu dem des ersten Ausführungsbeispiel. Des Weiteren benötigt das System nach dem zweiten Ausführungsbeispiel keine vorbereitenden Arbeiten zur Ausrichtung der Indexskala in Bezug auf das Lichtempfangselement. Derartige Ausrichtungsarbeiten werden in dem ersten Ausführungsbeispiel benötigt, da das Licht, welches durch die Schlitzgruppen auf der Indexskala auftritt, genau eine korrespondierende Lichtempfangsoberfläche des Lichtempfangselementes erreichen muss. Diesbezüglich kann das System nach dem zweiten Ausführungsbeispiel leichter eine hochgenaue Positionierung der Lichtempfangsoberflächen und der Schlitzgruppen realisieren, da die Positionierung bei dem zweiten Ausführungsbeispiel als ein Halbleiterprozess beziehungsweise -herstellungsprozess ausgeführt werden kann.
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Genauer gesagt, wird jede Schlitzgruppe einen kleineren Bereich haben, wenn die Gesamtanzahl der Schlitzgruppen vergrößert wird, um die oben beschriebene ausgleichende Wirkung zu steigern. In einem derartigen Fall können mit dem zweiten Ausführungsbeispiel die Schlitzgruppen genauer in Bezug auf die Lichtempfangsoberflächen ausgerichtet werden. Dementsprechend kann das zweite Ausführungsbeispiel bevorzugt sein, wenn die Gesamtanzahl an Schlitzgruppen groß ist.
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Ausführungsbeispiel 3
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Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel stellt die Erfindung ein Verfahren zum Ausbilden der Lichtempfangsoberflächen, welche eine Schlitzanordnung auf dem Lichtempfangselement haben, bereit. Bei dem Herstellungsprozess des Lichtempfangselementes kann jede Lichtempfangsoberfläche, welche eine Lichtempfangsempfindlichkeit hat, in einer Schlitzanordnung ähnlich zu der in 1A gezeigten, ausgebildet werden. Dann kann die gesamte Lichtempfangsoberfläche, die eine Schlitzanordnung aufweist, zum Beispiel eine Lichtempfangsoberfläche, die Ga1 entspricht, mit einem leitenden Muster verbunden werden. Mit dieser Anordnung können Signale gleich denen des zweiten Ausführungsbeispieles erhalten werden. Das dritte Ausführungsbeispiel ist relativ einfach verglichen mit dem zweiten Ausführungsbeispiel, da beides, der Ausbildungsprozess des metallischen Films und der Ätzprozess des metallischen Films weggelassen werden können.
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Ausführungsbeispiel 4
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Als Nächstes wird die oben beschriebene Indexskala oder die Schlitzgruppen, welche auf dem Lichtempfangselement ausgebildet sind, genauer beschrieben. Als dabei vereinfachstes Beispiel, wie in 4A gezeigt, beinhaltet eine Schlitzgruppe eine Vielzahl von Schlitzen. Die Periode P der Vielzahl von Schlitzen ist im Wesentlichen gleich der Periode der Schlitze, welche auf der Hauptskala angeordnet sind. Durch Definieren der Positionsbeziehung zwischen den Schlitzen auf der Hauptskala und den Schlitzen der Schlitzgruppen, kann auf diese Art, durch Änderung der positionalen Beziehung zwischen den gegenüberliegenden Schlitzen die Menge des übertragenen Lichts geändert werden. In Bezug auf eine relative Verschiebung der Hauptskala kann ein Verschiebungssignal, welches im Wesentlichen eine Sinusform aufweist, erzeugt werden, wie in der Beschreibung der herkömmlichen Technik beschrieben ist.
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Jedoch weist das aktuelle Verschiebungssignal höhere harmonische Komponenten auf, deren Perioden gleich 1 / 2 oder 1 / 3 der Signalperiode sind. Im Allgemeinen kann ein Verschiebungssignal, welches höhere harmonische Komponenten aufweist, größere Interpolationsfehler erzeugen. Des Weiteren tendieren höhere harmonische Komponenten dazu, abhängig von dem Abstand oder der Lücke zwischen der Hauptskala und der Indexskala oder abhängig von Herstellungsfehlern der Schlitze zu variieren. Des wegen können höhere harmonische Komponenten nicht durch einfaches Korrigieren derselben durch Interpolationsberechnungen entfernt werden.
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Das vierte erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel schlägt ein effektives Layout einer Vielzahl von Schlitzen in einer Schlitzgruppe vor, das höhere Harmonische entfernen kann. 4B zeigt ein Beispiel eines Schlitz-Layouts, das sowohl höhere Harmonische 3. Ordnung wie auch höhere Harmonische 5. Ordnung entfernen kann. Entsprechend dem in 4B gezeigten Beispiel, ist die Lücke zwischen den zwei Schlitzen SL1 und SL2 um die Größe P/6 kleiner als die Schlitzperiode P der Hauptskala (das heißt die Lücke zwischen SL1 und SL2 ist P – P/6). Gleichermaßen ist ein Abstand zwischen zwei Schlitzen SL3 und SL4, ein Abstand zwischen SL5 und SL6 und ein Abstand zwischen SL7 und SL8 gleich P – P/6. Mit dieser abgeänderten Anordnung können die höheren Harmonischen der 3. Ordnung, die eine Periode P/3 haben, sich gegenseitig auslöschen beziehungsweise ausgelöscht werden.
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Des Weiteren ist ein Abstand zwischen zwei Schlitzen SL1 und SL3 um P/10 kleiner als zweimal die Schlitzperiode P der Hauptskala (das heißt der Abstand zwischen SL1 und SL3 ist 2P – P/10). Ähnlich ist ein Abstand zwischen zwei Schlitzen SL2 und SL4, ein Abstand zwischen SL5 und SL7 und ein Abstand zwischen SL6 und SL8 gleich 2P – P/10. Mit dieser abgeänderten Anordnung können die höheren Harmonischen der 5. Ordnung, die eine Periode von P/5 haben, gegenseitig ausgelöscht werden.
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Auf diese Weise kann das Verfahren des vierten Ausführungsbeispiels die höheren Harmonischen der 3. und die höheren Harmonischen der 5. Ordnung von den entsprechenden Verschiebungssignalen entfernen und genaue Sinussignale, welche nicht gestört bzw. verzerrt sind, erhalten. Durch Verwendung einer ähnlichen Methode können Harmonische der 7. Ordnung und höherer Ordnung ebenso ausgelöscht werden. Des Weiteren können höhere harmonische Komponenten der 2. Ordnung und anderer gerader Ordnungen durch eine Subtraktion von zwei Verschiebungssignalen entfernt werden, die eine Phasendifferenz von 180 Grad aufweisen, zum Beispiel Sa und Sa/ oder Sb und Sb/, wie oben bei dem Interpolations- und Divisionsverfahren beschrieben. Wird das Schlitz-Layout des vierten Ausführungsbeispiels auf entsprechende Schlitzgruppen angewendet, können Interpolationsfehler reduziert werden und eine hohe Genauigkeit der Positionsdetektion realisiert werden.
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Die Erfindung kann ebenso auf einen Rotationsencoder angewendet werden, der eine kreisförmige Hauptskala zur Detektion eines Rotationswinkels aufweist. Des Weiteren ist die Erfindung nicht auf Encoder des Transmissionstyps bzw. Durchlasstyps beschränkt, dessen optisches System in den oben angeführten Ausführungsbeispielen beschrieben ist, sondern kann entsprechend auch auf einen Encoder des Reflektionstyps angewendet werden, der eine Hauptskala des Reflektionstyps aufweist.
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Wie oben beschrieben, können, ohne Vergrößerung der Anzahl der wesentlichen Bestandteile oder Komponenten, nachteilige Wirkungen einer Verschmutzung oder einer Fuge auf der Hauptskala zwischen den verschiedenen Verschiebungssignalen aufgelöst oder ausgeglichen werden, und Interpolationsfehler können größtenteils reduziert werden. Des Weiteren schlägt die Erfindung vor, die Gesamtanzahl der Schlitzgruppen, die auf einer Indexskala angeordnet sind, zu vergrößern und die Schlitzgruppen entsprechend den oben beschriebenen Regeln anzuordnen, was Interpolationsfehler, die aus einer Verschmutzung oder einer Fuge auf der Hauptskala resultieren, äußerst deutlich reduzieren kann.
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Während die Erfindung in Bezug auf beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurde, ist verständlich, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen beschränkt ist. Der Schutzbereich der folgenden Ansprüche soll breit ausgelegt werden, so dass alle Modifikationen, äquivalente Ausführungen und Funktionen eingeschlossen sind.