DE69420464T2

DE69420464T2 - Rotationserfassungsvorrichtung und zugehörige Skala

Info

Publication number: DE69420464T2
Application number: DE69420464T
Authority: DE
Inventors: Kenji Hisamoto; Satoshi Ishii; Koh Ishizuka; Yasushi Kaneda
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1993-06-10
Filing date: 1994-06-09
Publication date: 2000-04-13
Anticipated expiration: 2014-06-10
Also published as: EP0628791A2; US5537210A; EP0628791B1; EP0628791A3; DE69420464D1

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationserfassungsvorrichtung zum Messen einer Rotationsgeschwindigkeit, einer Rotationsverschiebung usw. eines Rotationsobjekts und eine Skala zur Rotationserfassung.
Es sind herkömmliche Vorrichtungen bekannt, die zur Gewinnung einer physikalischen Menge, wie z. B. ein Rotationswinkel oder eine Winkelgeschwindigkeit, eines Objekts mit hoher Genauigkeit verwendet werden, während Licht auf das Objekt einstrahlt, z. B. optische Rotationsmeßgeber. Diese Vorrichtungen, die Licht anwenden, sind durch ihre hohe Genauigkeit und hohe Auflösung gekennzeichnet, jedoch wird eine geringere Größe gewünscht (d. h. Abmessungen in Millimeter-Größenordnung), eine höhere Genauigkeit, eine höhere Auflösung (in 0,1-um-Größenordnung) und höhere Stabilität, um auf breiterem Gebiet eingesetzt werden zu können. Ein Gerät mit Millimeter-Abmessungen kann verwendet werden, das direkt an einem Meßobjekt angeordnet wird und daher für kleinere Vorrichtungen verwendet werden kann.
Fig. 1A zeigt eine perspektivische Ansicht, um ein Beispiel eines herkömmlichen optischen Rotationsmeßgebers zu zeigen, wie es z. B. in der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 5- 157583 beschrieben ist. In Fig. 1A bezeichnet das Bezugszeichen 101 eine Lichtquelle, wie z. B. ein Halbleiterlaser, 102 eine Linse, 103 eine Strahlteileinrichtung, 104 eine Rotationsscheibenplatte, auf welcher auf einer Rotationsspur einer Position ein Beugungsgitter 105 radial erzeugt ist, in welches ein Strahl, der durch die Strahlteileinrichtung 103 tritt, in rechten Winkeln und in gleichbleibenden Abständen einfällt, 106 eine Kondensorlinse zum Kondensieren von Strahlen, die durch das Beugungsgitter 105 reflektiert sind und dann auch durch die Strahlteileinrichtung 103 reflektiert werden, 107 eine Strahlteileinrichtung zum Reflektieren der Strahlen von der Kondensorlinse 106, um die Strahlen zu veranlassen, in rechten Winkeln auf das Beugungsgitter 105 auf der Rotationsscheibenplatte 104 einzufallen, 108 einen Spiegel zum Reflektieren von Strahlen, die durch das Beugungsgitter 105 reflektiert sind und dann durch die Strahlteileinrichtung 107 treten, und das Bezugszeichen 109 bezeichnet eine Strahlteileinrichtung zum Leiten der Strahlen, die durch den Spiegel 108 zu einem Lichtaufnahmeelement 110 reflektiert werden.
Die herkömmlichen optischen Rotationsmeßgeber verwenden eine Scheibenplatte 6a, auf welcher radiale Gitter erzeugt sind, wie in Fig. 1B gezeigt, als eine Lichtphasenmodulationseinrichtung, die als eine Skala verwendet wird. Da ein solcher Rotationsmeßgeber mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau so angeordnet ist, daß das Beugungsgitter als die Lichtphasenmodulationseinrichtung radial auf der Scheibenplatte erzeugt ist, unterscheidet sich die Gitterteilung in der Radialrichtung. Diese Teilungsänderung kann eine Ursache eines Meßfehlers sein. Dann ist ein Aufbau zum präzisen Einstellen einer Gitterleseposition eines Lesekopfs in der Radialrichtung oder zum Korrigieren einer Änderung in der Position notwendig, wenn sie verursacht wird. Es ist somit schwierig, gleichzeitig sowohl eine Größenverringerung als auch eine Erhöhung der Auflösung zu erreichen.
Das Dokument JP-A-2 285 214 beschreibt eine Längenmeßvorrichtung mit einem lichtdurchlässigen Skalenelement, auf welcher ein spiralförmiges Gitter angeordnet ist. Ferner sind in der Vorrichtung eine Lichtquelle und eine Lichterfassungseinrichtung angeordnet. Das Licht der Lichtquelle tritt durch das Skalenelement, d. h., das Licht wird durch das Gitter doppelt gebeugt. Auf der anderen Seite des Skalenelements werden zwei gebeugte Lichtstrahlen durch Spiegel zu einer Strahlteileinrichtung gerichtet, in welcher beide Strahlen einander überdeckt werden. Das in dieser Längenmeß vorrichtung verwendete Beugungsgitter weist eine einzelne Helix auf.
Das Dokument GB-A-909 916 beschreibt eine Rotationsmeßvorrichtung, in welcher ein optisches Gitter mit einer einzelnen Helix auf einer Scheibe angeordnet ist, deren Rotation zu bestimmen ist. Ferner werden zwei fest angeordnete optische Gitter verwendet. Licht einer Lichtquelle tritt durch das Gitter auf der Scheibe und jedes der fest angeordneten Gitter. Für jedes der fest angeordneten Gitter ist eine Photozelle vorgesehen. Eine Rotationsbewegung der Scheibe wird durch Bewertung einer Phasendifferenz der Ausgangssignale der zwei Photozellen erfaßt.
Ferner beschreibt das Dokument EP-A-0 545 405 eine Rotationserfassungsvorrichtung mit einem Beugungsgitter, welches Linien in Radialrichtung aufweist und am Umfang auf einem Rotationsobjekt angeordnet ist. Es sind eine Lichtquelle und ein Lichtaufnahmeabschnitt, d. h. eine Photoerfassungseinrichtung, angeordnet. Gebeugte Lichtstrahlen von zwei Punkten der einander in Gegenüberlage befindlichen Gitter werden in einem Köstersschen Prisma überlagert.
Im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen herkömmlichen Beispiele ist es eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Rotationserfassungsvorrichtung zu schaffen, welche Fehler infolge der Teilungsänderungen in einem einfachen Aufbau unterdrücken und den Freiheitsgrad der Anordnung des Kopfs vergrößern kann, wodurch sowohl eine Größenverminderung als auch eine hohe Auflösung gleichzeitig erreichbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Rotationserfassungsvorrichtung erfüllt, wie sie im Anspruch 1 definiert ist. Weitere Gesichtspunkte der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Andere Ziele der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung der Ausführungsformen deutlich.
Fig. 1A zeigt eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer herkömmlichen optischen Verschiebungsmeßvorrichtung,
Fig. 1B zeigt eine Zeichnung eines Beispiels einer herkömmlichen Skala,
Fig. 2A zeigt eine perspektivische Ansicht eines optischen Meßgebers in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2B zeigt ein schematisches Diagramm eines Antriebssystems, das in der ersten Ausführungsform verwendet wird,
Fig. 3 zeigt eine Draufsicht mit optischen Pfaden in der ersten Ausführungsform,
Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht mit optischen Pfaden in der ersten Ausführungsform,
Fig. 5A und Fig. 5B zeigen Zeichnungen zur Erläuterung eines Mehrfachhelixgitters,
Fig. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht eines optischen Meßgebers in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 7A zeigt eine Draufsicht mit optischen Pfaden in der zweiten Ausführungsform,
Fig. 7B zeigt eine Seitenansicht mit optischen Pfaden in der zweiten Ausführungsform,
Fig. 8A und Fig. 8B zeigen Zeichnungen zur Erläuterung einer Abwandlung der zweiten Ausführungsform,
Fig. 9 zeigt eine perspektivische Ansicht eines optischen Meßgebers in der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 10 zeigt eine Draufsicht mit optischen Pfaden in der dritten Ausführungsform,
Fig. 11 zeigt eine Seitenansicht mit optischen Pfaden in der dritten Ausführungsform,
Fig. 12 zeigt eine Zeichnung eines Beispiels, in welchem eine einzelne Helix auf einer Scheibe ausgebildet ist,
Fig. 13 zeigt eine Zeichnung eines Beispiels, in welchem Mehrfachhelices auf einer Scheibe ausgebildet sind,
Fig. 14 zeigt eine perspektivische Ansicht eines optischen Meßgebers in der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 15 zeigt eine Draufsicht mit optischen Pfaden in der vierten Ausführungsform,
Fig. 16 zeigt eine Seitenansicht mit optischen Pfaden in der vierten Ausführungsform,
Fig. 17 zeigt eine perspektivische Ansicht des Hauptteils einer optischen Verschiebungsmeßvorrichtung der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 18 zeigt eine Draufsicht mit optischen Pfaden in der fünften Ausführungsform,
Fig. 19 zeigt eine Seitenansicht der Fig. 18,
Fig. 20 zeigt ein Schaltdiagramm einer Signalverarbeitungsschaltung in der fünften Ausführungsform,
Fig. 21 zeigt eine Zeichnung einer Helixform eines zylinderförmigen Mehrfachhelixgitters,
Fig. 22 zeigt eine perspektivische Ansicht des Hauptteils einer optischen Verschiebungsmeßvorrichtung der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 23 zeigt eine Draufsicht mit optischen Pfaden in der sechsten Ausführungsform,
Fig. 24 zeigt eine Seitenansicht der Fig. 23,
Fig. 25 zeigt ein Schaltdiagramm einer Signalverarbeitungsschaltung in der sechsten Ausführungsform,
Fig. 26 zeigt eine perspektivische Ansicht des Hauptteils einer optischen Verschiebungsmeßvorrichtung der siebenten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 27 zeigt eine Draufsicht mit optischen Pfaden in der siebenten Ausführungsform,
Fig. 28 zeigt eine Seitenansicht der Fig. 27,
Fig. 29 zeigt einen Grundriß der Beugungsgitter in einer Kopfeinheit in der siebenten Ausführungsform,
Fig. 30 zeigt eine Aufbauzeichnung eines zylinderförmigen Mehrfachhelixgitters, das auf einem Rotationsabschnitt in der siebenten Ausführungsform angeordnet ist,
Fig. 31 zeigt eine Zeichnung einer Helixform eines zylinderförmigen Mehrfachhelixgitters,
Fig. 32 zeigt ein Schaltdiagramm einer Signalverarbeitungsschaltung in der siebenten Ausführungsform,
Fig. 33 zeigt eine perspektivische Ansicht des Hauptteils einer optischen Verschiebungsmeßvorrichtung der achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 34 zeigt eine Draufsicht mit optischen Pfaden in der achten Ausführungsform,
Fig. 35 zeigt eine Seitenansicht der Fig. 34,
Fig. 36 zeigt einen Grundriß von Beugungsgittern in einer Kopfeinheit in der achten Ausführungsform,
Fig. 37 zeigt ein Schaltdiagramm einer Signalverarbeitungsschaltung in der achten Ausführungsform,
Fig. 38 zeigt eine perspektivische Ansicht des Hauptteils einer optischen Verschiebungsmeßvorrichtung der neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 39 zeigt eine Draufsicht mit optischen Pfaden in der neunten Ausführungsform,
Fig. 40 zeigt eine Seitenansicht der Fig. 39,
Fig. 41 zeigt einen Grundriß von Beugungsgittern in einer Kopfeinheit in der neunten Ausführungsform,
Fig. 42 zeigt ein Schaltdiagramm einer Signalverarbeitungsschaltung in der neunten Ausführungsform,
Fig. 43 zeigt eine perspektivische Ansicht des Hauptteils einer optischen Verschiebungsmeßvorrichtung der zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 44 zeigt eine Draufsicht mit optischen Pfaden in der zehnten Ausführungsform,
Fig. 45 zeigt eine Seitenansicht der Fig. 44,
Fig. 46 zeigt einen Grundriß von Beugungsgittern in einer Kopfeinheit in der zehnten Ausführungsform,
Fig. 47 zeigt ein Schaltdiagramm einer Signalverarbeitungsschaltung in der zehnten Ausführungsform,
Fig. 48 zeigt eine perspektivische Ansicht des Hauptteils einer optischen Verschiebungsmeßvorrichtung der elften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 49 zeigt eine Draufsicht mit optischen Pfaden in der elften Ausführungsform,
Fig. 50 zeigt eine Seitenansicht der Fig. 49, und
Fig. 51 zeigt einen Grundriß von Beugungsgittern in einer Kopfeinheit in der elften Ausführungsform.
Fig. 2A zeigt eine perspektivische Ansicht des Aufbaus eines optischen Meßgebers in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 2B zeigt ein schematisches Diagramm eines Antriebssystems, das der optische Meßgeber verwendet. Fig. 3 zeigt eine Draufsicht mit optischen Pfaden in dem Meßgeber, und Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht des Meßgebers. In den Zeichnungen bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Lichtabstrahlelement, 3a, 3b bezeichnet Lichtaufnahmeelemente, G1 bezeichnet ein Beugungsgitter zum Aufteilen eines Strahls, G2 bezeichnet ein Beugungsgitter als eine Skala zur Phasenmodulation der geteilten Strahlen, welches eine Vielzahl von Helices aufweist, die parallel in Reihe angeordnet sind oder als Mehrfachhelixmuster auf einer zylinderförmigen Oberfläche (nachstehend als ein zylinderförmiges Mehrfachhelixgitter bezeichnet), G3a, G3b bezeichnen Beugungsgitter zum Zusammensetzen von Strahlen, 4 bezeichnet eine Kollimatorlinse und HU bezeichnet eine Kopfeinheit, in welcher die Lichtaufnahmeelemente 3a, 3b und die Beugungsgitter G1, G3a, G3b einstückig angeordnet sind. Ferner bezeichnet AX eine Antriebswelle, auf welcher das Beugungsgitter G2 angeordnet ist, SM bezeichnet einen Servomotor zum Antrieb der Welle AX, MD bezeichnet eine Motoransteuereinrichtung zum Steuern einer Antriebseinrichtung des Servomotors SM, und CP bezeichnet eine CPU zum Ausgeben eines Steuersignals an die Motoransteuereinrichtung MD, auf der Grundlage eines Ausgangssignals mit den Rotationsverschiebungsdaten von der Kopfeinheit HU.
Ein divergentes Strahlenbündel, abgestrahlt von dem Lichtabstrahlelement 1, wird durch die Kollimatorlinse 4 zu einem Strahl von im wesentlichen parallelen Strahlen kollimiert, und der kollimierte Strahl wird an dem Beugungsgitter G1 übertragungsgebeugt, um in drei Strahlen des Beugungslichts nullter Ordnung R&sub0;, des Beugungslichts +1. Ordnung R&sbplus;&sub1; und des Beugungslichts -1. Ordnung R&submin;&sub1; geteilt zu werden, das aus diesem austritt.
Der Strahl R&sub0;, der geradeaus durch das Beugungsgitter G1 tritt, wird in dem Punkt P1 auf dem zylinderförmigen Mehrfachhelixgitter G2 reflexionsgebeugt, um phasenmoduliert in das Beugungslicht +1. Ordnung R&sub0;&spplus;¹ und das Beugungslicht -1. Ordnung R&sub0;&supmin;¹ geteilt zu werden. Die Phase des Beugungslichts +1. Ordnung R&sub0;&spplus;¹ wird um +nθ verschoben, während die Phase des Beugungslichts -1. Ordnung R&sub0;&supmin;¹ um -nθ verschoben wird. Hier ist n die Anzahl der Mehrfachgitter in dem zylinderförmigen Mehrfachhelixgitter, und θ ist ein Rotationswinkel (Radian) des zylinderförmigen Mehrfachhelixgitters.
Das Beugungslicht +1. Ordnung R&sub0;&spplus;¹ wird durch das Beugungsgitter G3a übertragungsgebeugt, um in Beugungslicht nullter Ordnung R&sub0;&spplus;¹&sub0;, Beugungslicht -1. Ordnung R&sub0;&spplus;¹&submin;&sub1; und andere Strahlen geteilt zu werden, von denen das Beugungslicht -1. Ordnung R&sub0;&spplus;¹&submin;&sub1; senkrecht zu der Beugungsgitteroberfläche austritt und eine Phase der Wellenfront +nθ ist.
Das Beugungslicht -1. Ordnung R&sub0;&supmin;¹ wird durch das Beugungsgitter G3b übertragungsgebeugt, um in Beugungslicht nullter Ordnung R&sub0;&supmin;¹&sub0;, Beugungslicht +1. Ordnung R&sub0;&supmin;¹&sbplus;&sub1; und andere Strahlen geteilt zu werden, von denen das Beugungslicht +1. Ordnung R&sub0;&supmin;¹&sbplus;&sub1; senkrecht zu der Beugungsgitteroberfläche austritt. Wenn das Beugungsgitter G3b angeordnet ist, um relativ zu G3a um mP+P/4 in die Richtung der Gitteranordnung verschoben zu werden, beträgt die Phase der Wellenfront von R&sub0;&supmin;¹&sbplus;&sub1; -nθ+π/4. Hier ist P der Gitterabstand in dem Beugungsgitter G3 und m ist eine Ganzzahl.
Der Strahl R&sbplus;&sub1;, der durch das Beugungsgitter G1 +1. Ordnung gebeugt ist, wird in einem Punkt P2 auf dem zylinderförmigen Mehrfachhelixgitter G2 reflexionsgebeugt, um phasenmoduliert in Beugungslicht -1. Ordnung R&sbplus;&sub1;&supmin;¹, Beugungslicht nullter Ordnung R&sbplus;&sub1;&sup0; und andere Strahlen geteilt zu werden. Von diesen wird die Phase des Beugungslichts -1. Ordnung R&sbplus;&sub1;&supmin;¹ um -nθ verschoben und tritt in das Beugungsgitter G3a ein. Beugungslicht nullter Ordnung R&sbplus;&sub1;&supmin;¹&sub0; tritt geradlinig durch das Beugungsgitter G3a, und dessen Phase der Wellenfront beträgt -nθ.
Der Strahl R&submin;&sub1;, durch das Beugungsgitter G1 -1. Ordnung gebeugt, wird in einem Punkt P2 auf dem zylinderförmigen Mehrfachhelixgitter G2 reflexionsgebeugt, um phasenmoduliert in Beugungslicht +1. Ordnung R&submin;&sub1;&spplus;¹, Beugungslicht nullter Ordnung R&submin;&sub1;&sup0; und andere Strahlen geteilt zu werden. Von diesen wird die Phase des Beugungslichts +1. Ordnung R&submin;&sub1;&spplus;¹ um +nθ verschoben und tritt in das Beugungsgitter G3b. Beugungsgitter nullter Ordnung R&submin;&sub1;&spplus;¹&sub0; tritt geradlinig durch das Beugungsgitter G3b, und die Phase der Wellenfront ist +nθ.
Die Strahlen R&sbplus;&sub1;&supmin;¹&sub0; und R&sub0;&spplus;¹&submin;&sub1;, deren optische Pfade in dem Beugungsgitter G3a einander überdecken, werden zu Interferenzlicht, um auf ein photoelektrisches Element 3a aufzutreffen. Die Interferenzphase in diesem Augenblick ist wie folgt:
{+nθ} - {-nθ} = 2nθ,
so daß helle und dunkle Signale von 2n Periode bei jeder Rotation des zylinderförmigen Mehrfachhelixgitters G2 erzeugt werden.
Die Strahlen R&submin;&sub1;&spplus;¹&sub0; und R&sub0;&supmin;¹&sbplus;&sub1;, deren optische Pfade in dem Beugungsgitter G3b einander überdecken, werden zu Interferenzlicht, um auf ein photoelektrisches Element 3b aufzutreffen. Die Interferenzphase in diesem Augenblick ist wie folgt:
{+nθ} - {-nθ + π/4} = 2nθ - π/4,
so daß helle und dunkle Signale von 2n Periode bei jeder Rotation des zylinderförmigen Mehrfachhelixgitters G2 erzeugt werden. Die Zeitpunkte der hellen und der dunklen Signale auf dem photoelektrischen Element 4b sind eine Viertelperiode von jenen auf dem photoelektrischen Element 4a verschoben.
Das zylinderförmige Mehrfachhelixgitter G2 ist so aufgebaut, daß eine Gitterunterlage mit n Gittern, die angeordnet sind, wie in Fig. 5a gezeigt, ist um einen zylinderförmigen Rotationsabschnitt ohne einen Spalt gewunden. Die Einzelheiten der Form der Helices wird nachstehend beschrieben. In Fig. 5B sei der Mittelpunkt in einem Punkt O, ein Startpunkt sei in einem Punkt q, i, j, k seien Einheitsvektoren jeweils in der x-, y- und z-Richtung, a sei eine Konstante und θ sei ein Winkel vom Startpunkt q in der x-y-Ebene. Dann wird ein Positionsvektor rv einer Helixkurve auf einer zylinderförmigen Oberfläche mit dem Radius r wie folgt ausgedrückt:
rv = r · Cos(θ) · i + rSin(θ) · j + a · θ · k.
Ein geometrischer Ort der vorstehenden Gleichung, aufgezeichnet auf der zylinderförmigen Oberfläche, wird bei jeder Rotation des Zylinders um aθ in die z-Richtung verschoben. Wenn n Gitter vorliegen, die zwischen der Verschiebung angeordnet sind, wird ein Positionsvektor einer m-ten Helixkurve wie folgt ausgedrückt:
rvm = r · Cos(θ) · i + r · Sin(θ) · j + (nP/2π) + zm) · θ · k,
wobei P ein Abstand zwischen Gittern und zm eine z- Richtungsposition eines Startendes des Gitters sind. Daher kreuzen bei jeder Rotation des zylinderförmigen Helixgitters, in welchem die vorstehend beschriebenen Helices ausgebildet sind, n Gitter einen Punkt.
Wie vorstehend beschrieben, kann die vorliegende Vorrichtung die zwei Typen von Hell- und Dunkelsignalen der Periode 2n erzeugen, die je Rotation des zylinderförmigen Helixgitters relativ zueinander um π/4-Phase verschoben werden. Wenn daher eine CPU als eine Signalverarbeitungsschaltung verwendet wird, um bei Erfassung des Anstiegs und Abfalls jedes Si gnals Impulssignale zu erzeugen, werden bei jeder Rotation des zylinderförmigen Helixgitters 8n Hell- und Dunkelsignale erhalten. In diesem Fall kann durch Zählen der Impulssignale die Rotation mit einer Auflösung von 360/8n (Grad) erfaßt werden. Durch Einstellen eines größeren Werts für n kann die Rotation demgemäß mit einer hohen Auflösung erfaßt werden. Auch kann unter Verwendung der zwei periodischen Signale mit einer Phasenverschiebung von π/4 eine Rotationsrichtung nach einem gut bekannten Verfahren in der CPU als eine Signalverarbeitungsschaltung erfaßt werden. Auf der Grundlage dieses Signals wird der Servomotor SM durch die CPU und die Motoransteuereinrichtung MD gesteuert.
Da die vorstehend beschriebene Ausführungsform das optische Interferenzsystem aufweist, das in dem sehr einfachen Aufbau ausgeführt ist, und die Kopfeinheit, ausgebildet aus der Lichtabstrahlquelle, den Lichtaufnahmeelementen und der Linse, ist die Anzahl der Bauelemente gering, die Montage ist einfach und eine Größenverringerung ist sehr leicht möglich. Im Unterschied zu den herkömmlichen Rotationserfassungsvorrichtungen mit Gittern auf einer Scheibenplatte ist das Mehrfachhelixgitter auf der zylinderförmigen Oberfläche erzeugt, welche dünner oder hohl ausgebildet werden kann. Dadurch wird eine sehr kompakte Rotationserfassungsvorrichtung ausgebildet, die leicht montierbar ist.
Da ferner die Rotationseinheit nicht scheibenförmig sondern zylinderförmig ist und das Mehrfachhelix-Beugungsgitter auf deren Oberfläche angeordnet ist, ist der Gitterabstand im zylinderförmigen Gitter überall gleichbleibend, wodurch die Rotationserfassungsvorrichtung frei vom Einfluß der Montagegenauigkeit ist, wie z. B. Versatz der Rotationseinheit.
Außerdem kann die Erfassungsrichtung der Gitterverschiebung in der Richtung der Erzeugenden des Rundzylinders gewählt werden, wie in der vorliegenden Ausführungsform, wodurch der Freiheitsgrad des Aufbaus der Kopfeinheit vergrößert wird.
Ferner weist die vorliegende Ausführungsform den Aufbau des optischen Systems mit drei Gittern auf. Dieser Aufbau weist eine solche Eigenschaft auf, daß dann, wenn eines der drei Gitter um einen Abstand in der Gitteranordnungsrichtung verschoben wird, ein Hell- und Dunkelsignal von zwei Zyklen auf dem Lichtaufnahmeelement auftritt. In dem Fall der vorliegenden Erfindung ist das zu verschiebende Gitter als eine Helixstruktur auf der zylinderförmigen Oberfläche erzeugt, welche das Mehrfachhelixgitter ausbildet. Dann verursacht eine Rotation der Rotationseinheit relativ zu der Kopfeinheit n Gitter, die vordere Oberfläche der Kopfeinheit zu kreuzen. Demgemäß kann eine Rotationserfassungsvorrichtung mit 2n Impulsen je Rotation aufgebaut werden, so daß die Auflösung durch Einstellen eines großen Werts für n erhöht werden kann. Da die vorliegende Ausführungsform so aufgebaut ist, daß das Beugungsgitter G3a und das Beugungsgitter G3b in der Kopfeinheit zueinander um mP+P/4 in die Richtung der Gitteranordnung verschoben werden, können Ausgaben mit einer Verschiebung von π/4 des Signalzeitpunkts erzielt werden, wobei eine noch höhere Teilung durch die vorstehend beschriebene Signalverarbeitung möglich ist.
Fig. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht des Aufbaus eines optischen Meßgebers in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, Fig. 7A zeigt eine Draufsicht dessen optischer Pfade, und Fig. 7B zeigt eine Seitenansicht davon. In der folgenden Beschreibung sind dieselben Elemente wie jene in der vorhergehenden Ausführungsform mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. In den Zeichnungen bezeichnet das Bezugszeichen 3 ein Lichtaufnahmeelement, und G3 bezeichnet ein Beugungsgitter zum Zusammensetzen von Strahlen. Die vorliegende Ausführungsform ist aufgebaut, daß sie gerade ein Beugungsgitter zum Zusammensetzen von Strahlen und ein Lichtaufnahmeelement aufweist. Da das Ansteuersystem in den folgenden Ausführungsformen dasselbe wie jenes in der vorhergehenden Ausführungsform ist, wird dessen Beschreibung ausgelassen.
Ein divergentes Strahlenbündel, das von einem Lichtabstrahlelement 1 abgestrahlt ist, wird durch eine Kollimatorlinse 4 kollimiert, um einen Strahl annähernd paralleler Strahlen auszubilden, und der kollimierte Strahl wird an einem Beugungsgitter G1 in Beugungslicht +1. Ordnung R&sbplus;&sub1; und Beugungslicht nullter Ordnung R&sub0; geteilt.
Das Beugungslicht +1. Ordnung R&sbplus;&sub1; trifft auf einen Punkt O2 auf einem zylinderförmigen Mehrfachhelixgitter G2 und wird dadurch reflexionsgebeugt, um in Beugungslicht -1. Ordnung R&sbplus;&sub1;&supmin;¹ und andere Strahlen geteilt zu werden. Ist hier n die Anzahl der Mehrfachgitter in dem zylinderförmigen Mehrfachhelixgitter und θ ein Rotationswinkel (Radian) des zylinderförmigen Mehrfachhelixgitters, so beträgt eine Phasenverschiebung des Beugungslichts -1. Ordnung R&sbplus;&sub1;&supmin;¹ -nθ. Es trifft auch das Beugungslicht nullter Ordnung R&sub0; auf einen Punkt O3 auf dem zylinderförmigen Mehrfachhelixgitter G2 und wird reflexionsgebeugt, um in Beugungslicht +1. Ordnung R&sub0;&spplus;¹ und andere Strahlen geteilt zu werden. Hier ist eine Phasenverschiebung des Beugungslichts +1. Ordnung R&sub0;&spplus;¹ nθ. Das Beugungslicht -1. Ordnung R&sbplus;&sub1;&supmin;¹ fällt in das Beugungsgitter G3 ein und wird übertragungsgebeugt, um dadurch in Beugungslicht nullter Ordnung R&sbplus;&sub1;&supmin;¹&sub0; und andere Strahlen geteilt zu werden. Das Beugungslicht +1. Ordnung R&sub0;&spplus;¹ fällt in das Beugungsgitter G3 ein und wird übertragungsgebeugt, um in Beugungslicht -1. Ordnung R&sub0;&spplus;¹&submin;&sub1; und andere Strahlen geteilt zu werden. Von den übertragungsgebeugten Strahlen treten die Strahlen R&sbplus;&sub1;&supmin;¹&sub0; und R&sub0;&spplus;¹&submin;&sub1; deren optische Pfade einander überdecken, in das Lichtaufnahmeelement 3 in der Form von Interferenzlicht ein. Eine Interferenzphase ist in diesem Augenblick wie folgt:
nθ- (-nθ) = 2nθ.
Ein Hell- und Dunkelsignal der 2n Periode tritt bei jeder Rotation (θ = 2π) des zylinderförmigen Mehrfachhelixgitters auf. Dieses Signal wird durch eine nicht gezeigte Signalverarbeitungsschaltung verarbeitet, wodurch die Rotation des zylinderförmigen Mehrfachhelixgitters mit einer Auflösung von 360/2n (Grad) meßbar ist.
Da die zweite Ausführungsform aus einem optischen System mit einer Hälfte der optischen Pfade im Vergleich mit der ersten Ausführungsform aufgebaut ist, liegt ein sehr einfacher Aufbau vor und die Abmessungen können geringer sein. Weil der Interferenzbereich innerhalb eines Strahlenpaars ist, kann ein stabiler Interferenzzustand erreicht werden, wodurch eine Signalausgabe mit stabiler Amplitude und Phasendifferenz der Ausgangssignale erreichbar ist.
Fig. 8A und Fig. 8B zeigen eine Abwandlung der vorstehend beschriebenen zweiten Ausführungsform, in welcher ein optisches System so angeordnet ist, daß ein Strahl, der von einem Lichtabstrahlelement abgestrahlt ist, auf einen Zwischenpunkt in einem optischen Pfad von einem Beugungsgitter G1 konvergiert wird, um den Strahl in der In-Ebenen-Richtung in Fig. 8A zu teilen, aber den Strahl parallel in der In- Ebenen-Richtung in Fig. 8B ausbreiten zu lassen, zu einem Beugungsgitter G3 zum Zusammensetzen der Strahlen. Durch diesen Aufbau wird das Interferenzlicht, das einen Sensor erreicht, nicht so abhängig von den Montagebedingungen der Kopfeinheit, wodurch ein Kopf geschaffen werden kann, der leicht zu montieren ist und eine stabile Ausgabe aufweist.
Fig. 9 zeigt eine perspektivische Ansicht des Aufbaus einer optischen Rotationserfassungsvorrichtung in der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Fig. 10 zeigt eine Draufsicht deren optischen Pfade, und Fig. 11 zeigt eine Seitenansicht davon. In der vorliegenden Ausführungsform sind Beugungsgitter G1, G3 so in Ausrichtung der Gitter angeordnet, daß in dem Fall, wenn eine Kopfeinheit HU in Gegenüberlage eines zylinderförmigen Mehrfachhelixgitters G2 ist, die Richtung der Gitterlinien in dem zylinderförmigen Mehrfachhelixgitter G2 mit der Richtung der Gitterlinien in den Beugungsgittern G1, G3 in der Kopfeinheit HU übereinstimmt (parallel). Der andere Aufbau ist derselbe wie in der zweiten Ausführungsform.
Da in der vorliegenden Ausführungsform die Richtung der Gitterlinien in dem zylinderförmigen Mehrfachhelixgitter G2 mit der Richtung der Gitterlinien in den Beugungsgittern G1, G3 in der Kopfeinheit HU übereinstimmt, können zwei Strahlen, die zum Interferenzsignallicht zusammenzusetzen sind, exakt überdeckt werden, wodurch eine Rotationserfassungsvorrichtung erreicht wird, die leicht montierbar ist, welche Signale stabiler Ausgangsamplitude und Phase erfassen kann.
Vor der Beschreibung der vierten Ausführungsform wird das Prinzip der vierten Ausführungsform an Hand von Zeichnungen beschrieben.
In Fig. 12 ist eine Helixkurve gezeigt, mit dem Radius r mit dem Mittenwinkel θ, ausgedrückt durch r = r&sub0; + aθ, wenn die Mitte im Punkt 0 ist und ein Startpunkt im Punkt q ist. In der Beziehung ist r&sub0; ein Anfangswert bei θ = 0 und a ist eine Konstante. Diese Kurve ist r = r&sub0; + 2πa, wenn θ = 2π ist. Wenn somit eine Rotationsscheibe, auf welcher diese Kurve aufgezeichnet ist, eine Rotation in Uhrzeigerrichtung erfährt, wird eine Position auf der Kurve 2πa in der Radialrichtung nach außen verschoben.
Wenn n Helices mit Anfangswerten, die in der Radialrichtung in p unterschiedlich sind, ausgebildet werden, um a = np/2π zu erfüllen, wie in Fig. 13 gezeigt ist, sind die Gleichungen für die Helices wie folgt:
r&sub1; = r&sub0;&sub1; + aθ
r&sub2; = r&sub0;&sub2; + aθ
= r&sub0;&sub1; + p + aθ
r&sub3; = r&sub0;&sub3; + aθ
= r&sub0;&sub1; + 2p + aθ
rm = r&sub0;&sub1; + (m-1)p + aθ
...
rn = r&sub0;&sub1; + (n-1)p + aθ,
(wenn r&sub0;&sub1; ein Anfangswert für eine Helix r&sub1; bis θ = 0 ist). Wenn diese Scheibe, auf welcher die Helices ausgebildet sind, eine Rotation in Uhrzeigerrichtung erfährt, bewegen sich n parallele Kurven in der Radialrichtung nach außen. Wenn ein Erfassungskopf mit einem Beugungsgitter angeordnet ist, bei dem die Richtung der Gitteranordnung parallel zu dem Helixgitter ist, kann ein Rotationswinkel θ durch Erfassen der Bewegung des Helixgitters relativ zu einer ausgewählten Position in Gegenüberlage dazu unter Verwendung der Interferenz erfaßt werden.
Fig. 14 zeigt eine perspektivische Ansicht des Aufbaus einer optischen Rotationserfassungsvorrichtung in der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, Fig. 15 zeigt eine Draufsicht deren optische Pfade, und Fig. 16 zeigt eine Seitenansicht dazu. In den Zeichnungen bezeichnet G12 ein Gitter von Mehrfachhelices (nachstehend als ein Scheiben-Mehrfachhelixgitter bezeichnet) in einer solchen Struktur, daß n Helices, die bei einem konstanten Anfangswert in der Radialrichtung unterschiedlich sind, wie Fig. 13 zeigt, ausgebildet werden, um a = np/2π auf der Oberfläche der Scheibe DSK zu erfüllen.
Ein divergentes Strahlenbündel, abgestrahlt von einem Lichtabstrahlelement 1, wird durch eine Linse 4 zu einem sachgemäß kondensierten Strahl justiert, und der kondensierte Lichtstrahl wird auf einem Beugungsgitter G1 in Beugungslicht +1. Ordnung R&sbplus;&sub1; und Beugungslicht nullter Ordnung R&sub0; geteilt.
Das Beugungslicht +1. Ordnung R&sbplus;&sub1; trifft auf einen Punkt 02 auf dem Scheiben-Mehrfachhelixgitter G12 und wird reflexionsgebeugt, um in Beugungslicht -1. Ordnung R&sbplus;&sub1;&supmin;¹ und andere Strahlen geteilt zu werden. Hier ist n die Anzahl der Mehrfachgitter in dem Scheiben-Mehrfachhelixgitter und θ ist ein Rotationswinkel (Radian) des Scheiben-Mehrfachhelixgitters. Dann beträgt eine Bewegungsmenge der Gitterlinien im Punkt O2 nθ/2π Abstand und eine Phasenverschiebung des Beugungslichts -1. Ordnung R&sbplus;&sub1;&supmin;¹ -nθ. Das Beugungslicht nullter Ordnung R&sub0; trifft ebenfalls auf einen Punkt O3 auf dem Scheiben-Mehrfachhelixgitter G12 auf und wird dort reflexionsgebeugt, um in Beugungslicht +1. Ordnung R&sub0;&spplus;¹ und andere Strahlen geteilt zu werden. Eine Phasenverschiebung des Beugungslichts +1. Ordnung R&sub0;&spplus;¹ beträgt nθ. Das Beugungslicht - 1. Ordnung R&sbplus;&sub1;&supmin;¹ fällt in ein Beugungsgitter G3 ein und wird übertragungsgebeugt, um in Beugungslicht nullter Ordnung R&sbplus;&sub1;&supmin; ¹&sub0; und andere Strahlen geteilt zu werden. Eine Bewegungsmenge der Gitterlinien im Punkt O3 beträgt nθ/2π Abstand. Das Beugungslicht +1. Ordnung R&sub0;&spplus;¹ fällt in das Beugungsgitter G3 ein und wird dadurch übertragungsgebeugt, um in Beugungslicht -1. Ordnung R&sub0;&spplus;¹&submin;&sub1; und andere Strahlen geteilt zu werden. Von den übertragungsgebeugten Strahlen treten die Strahlen R&sbplus;&sub1;&supmin;¹&sub0; und R&sub0;&spplus;¹&submin;&sub1;, deren optische Pfade einander überdecken, in ein Lichtaufnahmeelement 3 in der Form des Interferenzlichts ein. Eine Interferenzphase in diesem Augenblick ist wie folgt:
nθ - (-nθ) = 2nθ.
Somit tritt ein Hell- und Dunkelsignal von 2n Periode bei jeder Rotation (θ = 2π) des Scheiben-Mehrfachhelixgitters auf.
Da die vorstehend beschriebene vierte Ausführungsform mit dem optischen Interferenzsystem aufgebaut ist, das einen sehr einfachen Aufbau aufweist, und die Kopfeinheit aus der Lichtabstrahlquelle, den Beugungsgittern, der Linse und dem Lichtaufnahmeelement ausgebildet ist, liegt eine geringe Anzahl von Bauelementen vor, die Montage ist einfach und eine Verringerung der Abmessungen ist möglich, wodurch eine Vorrichtung in Millimeterabmessungen erzeugt werden kann.
Das Scheiben-Mehrfachhelixgitter weist auch keine Abstandsänderung der Teilung zwischen der Innenseite und der Außenseite auf, im Unterschied zu dem radialen Gitter mit der Abstandsänderung, so daß die Teilung an zwei getrennten Punkten in der Radialrichtung auf der Scheibe gleichbleibend gehalten werden kann, auf welcher der Erfassungskopf liest. Dann kann die Vorrichtung einen Erfassungskopf verwenden, welcher ein optisches System einer Type aufweist, in welcher ein Rotationsdatensignal durch Interferenz zwischen Beugungsstrahlen erhalten werden kann, die aus zwei unterschiedlichen Punkten in der Radialrichtung auftreten, wie in der vorliegenden Ausführungsform. Ferner kann die Richtung der Gitterverschiebungserfassung in der Radialrichtung der Scheibe erfolgen, wie in der vorliegenden Ausführungsform, was zu einem hohen Freiheitsgrad bei der Anordnung der Kopfeinheit führt.
Die Teilung der Beugungsgitter G1, G3, die in dem verwendeten optischen Kopf eingebaut sind, kann gleich der Teilung des Helixgitters sein.
Durch Erhöhung der Anzahl n der Mehrfachhelixgitter, die auf der Scheibe aufgezeichnet sind, kann die Auflösung erhöht werden.
Die vorliegende Ausführungsform verwendet den Aufbau des optischen Interferenzsystems, das aus den Beugungsgittern G1, G12, G3 zusammengesetzt ist. Dieser Aufbau ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Hell- und Dunkelsignal von zwei Perioden auf dem Lichtaufnahmeelement auftritt, wenn eines von drei Gittern um eine Teilung in die Richtung der Gitteranordnung verschoben wird, wie vorstehend beschrieben ist. Dieses Verschiebungsgitter ist als eine Helixstruktur auf einer Scheibe erzeugt und ist ein Mehrfachhelixgitter. Mit einer Rotation des Rotationsabschnitts relativ zu der Kopfeinheit, erscheinen n Gitter, welche die vordere Oberfläche der Kopfeinheit kreuzen. Demgemäß kann eine solche Rotationserfassungsvorrichtung aufgebaut werden, die ein sinusförmiges Signal von 2n Periode je Rotation ausgibt, wobei die hohe Auflösung möglich ist, die das Doppelte der Anzahl der Gitter in dem Mehrfachhelixgitter ist.
In den vorstehend erwähnten Gleichungen der Helices können der Wert von a und der Wert von p willkürlich geändert werden, abhängig von einer Auflösung, die für die Rotationserfassungsvorrichtung erforderlich ist, welcher zu einem höheren Freiheitsgrad bei der Gestaltung führt und welcher die Auslegung für Mehrzweckeinsatz erlaubt. Selbst wenn p grob eingestellt wird, aber wenn a groß ist, kann eine ausreichende Anzahl von bewegten Helixgittern je Rotation erreicht werden, wodurch die Auflösung vergrößert wird. D. h., eine Kombination von p mit a kann zu einer Rotationserfassungsvorrichtung mit beliebiger Auflösung führen.
Obgleich sich die vorstehend beschriebene erste bis vierte Ausführungsform mit Rotationserfassungsvorrichtungen beschäftigen, welche die Beugungsinterferenz des Lichts nutzen, ist die vorliegende Erfindung auf Rotationserfassungsvorrichtungen des Schlitzverfahrens anwendbar, welche die Beugungsinterferenz nicht nutzen, d. h. ein Verfahren, das eine Vergrößerung oder Verkleinerung der Menge des übertragenen Lichts durch Überlagerung oder Verschiebung einer Vielzahl von Gitterreihen verwendet. Ferner zeigten die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen die Rotationserfassungsvorrichtungen des Lichtbeugungs-Interferenzverfahrens auf, welche die drei Beugungsgitter G1, G2, G3 verwenden, doch ist die vorliegende Erfindung auf Rotationserfassungsvorrichtungen eines Beugungsinterferenzverfahrens anwendbar, anders als die Type der drei Beugungsgitter, z. B. ein Verfahren, in welchem andere optische Elemente (wie z. B. ein Prisma oder ein Spiegel) die Beugungsgitter G1, G3 ersetzen.
Wie vorstehend beschrieben, ermöglicht die Verwendung des Helixgitters als das Gitter die Rotationserfassung ohne Teilungsänderung, wie sie bei den Radialgittern beobachtet wurde, ohne jegliche spezielle Begrenzung der Leseposition in der Radialrichtung der Erfassungskopfeinheit, selbst in dem einfachen Aufbau, mit höherem Freiheitsgrad der Anordnung der Kopfeinheit und mit Kompatibilität der Größenverminderung und der Erhöhung der Auflösung.
Fig. 17 zeigt eine perspektivische Ansicht des Hauptteils der fünften Ausführungsform der optischen Rotationserfassungsvorrichtung, Fig. 18 zeigt eine Draufsicht deren optische Pfade, Fig. 19 zeigt eine Seitenansicht davon, und Fig. 20 zeigt ein Schaltdiagramm einer Verarbeitungsschaltung zur Ausgabe von Signalen.
In Fig. 17 bis Fig. 20 bezeichnet das Bezugszeichen 2 eine Kopfeinheit, in welcher ein Lichtabstrahlelement 1, Lichtaufnahmeelemente 3a, 3b und eine Kollimatorlinse 4 zum Aufnehmen von Licht von dem Lichtabstrahlelement 1 in einer vorbestimmten Lagebeziehung angeordnet sind. Auf einer Ober fläche der Kopfeinheit 2 sind ein erstes Beugungsgitter G1 zum Teilen eines kollimierten Strahlenbündels von der Kollimatorlinse 4 und dritte Beugungsgitter G3a, G3b zum Zusammensetzen von reflektierten Strahlen erzeugt. G2a, G2b sind zweite Beugungsgitter (nachstehend als ein zylinderförmiges Mehrfachhelixgitter bezeichnet) separat und unabhängig voneinander auf einer Oberfläche eines Rotationszylinders 5 als ein Rotationskörper erzeugt und weisen zueinander unterschiedliche Anordnungsrichtungen auf. Das Beugungsgitter G1 ist ebenfalls in zwei Bereiche in der Z-Richtung unterteilt, wie in Fig. 17 gezeigt ist, wobei Beugungsgitter parallel und in gleichen Abständen auf den jeweils in Gegenüberlage befindlichen Beugungsgittern G2a, G2b ausgebildet sind.
Ein Profil der Helix in dem vorstehend erwähnten zylinderförmigen Mehrfachhelixgitter G2 wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 21 ausführlich beschrieben. Ist der Mittelpunkt im Punkt O und ein Startpunkt im Punkt q, kann ein Positionsvektor rv einer Helixkurve, die auf der Oberfläche des Zylinders 5 mit dem Radius r erzeugt ist, wie folgt ausgedrückt werden:
rv = r · Cos(θ) · i + r · Sin(θ) · j + f(θ) · k,
wobei i, j, k Einheitsvektoren jeweils in der x-, y- und z- Richtung sind, θ ein Winkel vom Startpunkt q in der x-y- Ebene ist und f(θ) eine lineare Funktion des Winkels θ ist.
Ein geometrischer Ort der vorstehend erwähnten Gleichung wird bei jeder Rotation des Rotationszylinders 5 durch die lineare Funktion f(θ) in der z-Richtung verschoben. Unter der Annahme, daß n Gitterlinien in dem zylinderförmigen Mehrfachhelixgitter G2 in dem Raum vorliegen und wenn P die Teilung der Gitter und zm eine Startposition eines Positionsvektors rvm einer m-ten Helixkurve in der z-Richtung ist, ergibt sich der Positionsvektor rvm wie folgt:
rvm = r · Cos(θ) · i + r · Sin(θ) · j + (nP'θ/(2π + zm)k,
wobei P' = P/(1 - (nP/(2πr))²)1/2.
Es erscheint, daß sich n Gitter bei jeder Rotation des vorstehend beschriebenen zylinderförmigen Mehrfachhelixgitters G2 in der Gitteranordnungsrichtung bewegen. Demzufolge wird die Position des Beugungslichts ±1. Ordnung, das durch das zylinderförmige Mehrfachhelixgitter G2 reflexionsgebeugt ist, um +2πn verschoben. Eine Phasenverschiebung bei Rotation des Winkels θ beträgt ±nθ.
Wenn das zylinderförmige Mehrfachhelixgitter G2 aus einem bestimmten Grund um Δz in die z-Richtung (die Rotationsrichtung) verschoben wird, müssen Δz/P'-Gitter in die Gitteranordnungsrichtung bewegt werden. Eine Phase des Beugungslichts ±1. Ordnung, das durch das zylinderförmige Mehrfachhelixgitter G2 reflexionsgebeugt ist, ergibt sich wie folgt:
±2πΔz/P'.
Wenn das zylinderförmige Mehrfachhelixgitter G2 um einen Winkel θ gedreht wird, um eine Verschiebung von Δz in die z- Richtung zu verursachen, ist eine Phase des Beugungslichts ±1. Ordnung, das durch das zylinderförmige Mehrfachhelixgitter G2 reflexionsgebeugt ist, wie folgt:
±{nθ + 2πΔz/P'}.
Das Prinzip der fünften Ausführungsform wird nachstehend beschrieben. Ein divergentes Strahlenbündel, abgestrahlt von dem Lichtabstrahlelement 1, wird durch die Kollimatorlinse 4 kollimiert, um einen Strahl von nahezu parallelen Strahlen auszubilden, und wird im Punkt O1 auf dem Beugungsgitter G1 übertragungsgebeugt, um in drei Strahlen des Beugungslichts nullter Ordnung R&sub0;, Beugungslichts +1. Ordnung R&sbplus;&sub1; (Beugungslicht in dem unteren Bereich des Beugungsgitters G1) und Beugungslicht -1. Ordnung R&submin;&sub1; (Beugungslicht in dem oberen Bereich des Beugungsgitters G1) geteilt zu werden, das von dort austritt. Da sich das Beugungslicht -1. Ordnung in dem unteren Bereich des Beugungsgitters G1 und das Beugungslicht +1. Ordnung in dem oberen Bereich in Fig. 17 und Fig. 19 in jeweilige Richtungen ausbreiten, unabhängig von der Messung, werden sie vernachlässigt.
Das Beugungslicht nullter Ordnung R&sub0;, das sich geradeaus durch das Beugungsgitter G1 ausbreitet, wird im Punkt P1 auf dem zylinderförmigen Mehrfachhelixgitter G2 reflexionsge beugt, um phasenmoduliert in Beugungslicht +1. Ordnung R&sub0;&sbplus;&sub1; und Beugungslicht -1. Ordnung R&sub0;&submin;&sub1; gebeugt zu werden. Die Phase des Beugungslichts +1. Ordnung R&sub0;&sbplus;&sub1; wird um +nθ+2πΔz/P' verschoben, während die Phase des Beugungslichts -1. Ordnung R&sub0;&submin;&sub1; um -nθ+2πΔz/P' verschoben wird.
Hier ist n die Anzahl der Mehrfachgitter in dem zylinderförmigen Mehrfachhelixgitter G2, θ ist ein Rotationswinkel, Δz ist eine Abweichungsmenge in der Richtung der Rotationsachse des zylinderförmigen Mehrfachhelixgitters G2 (nachstehend als eine Schubabweichung bezeichnet), P ist die Teilung der Gitter, und R ist ein Radius des zylinderförmigen Mehrfachhelixgitters G2.
Das vorstehend erwähnte Beugungslicht +1. Ordnung R&sub0;&sbplus;&sub1; wird durch das Beugungsgitter G3a übertragungsgebeugt, um in Beugungslicht nullter Ordnung R&sub0;&sbplus;&sub1;&sub0;, Beugungslicht -1. Ordnung R&sub0;&sbplus;&sub1;&submin;&sub1; und andere Strahlen geteilt zu werden, von welchen nur das Beugungslicht -1. Ordnung R&sub0;&sbplus;&sub1;&submin;&sub1; senkrecht zu der Oberfläche des Beugungsgitters abgestrahlt wird, und die Phase dessen Wellenfront ist +nθ+2πΔz/P'.
Das vorstehend erwähnte Beugungslicht -1. Ordnung R&sub0;&submin;&sub1; wird durch das Beugungsgitter G3b übertragungsgebeugt, um in Beugungslicht nullter Ordnung R&sub0;&submin;&sub1;&sub0;, Beugungslicht +1. Ordnung R&sub0;&submin;&sub1;&sbplus;&sub1; und andere Strahlen geteilt zu werden, von welchen nur das Beugungslicht +1. Ordnung R&sub0;&submin;&sub1;&sbplus;&sub1; senkrecht zu der Oberfläche des Beugungsgitters abgestrahlt wird, und die Phase dessen Wellenfront ist -nθ+2πΔz/P'.
Der Strahl +1. Ordnung R&sbplus;&sub1;, der durch das vorstehend beschriebene Beugungsgitter G1 gebeugt ist, wird im Punkt P2 auf dem zylinderförmigen Mehrfachhelixgitter G2a reflexionsgebeugt, um phasenmoduliert in Beugungslicht -1. Ordnung R&sbplus;&sub1;&submin; &sub1;, Beugungslicht nullter Ordnung R&sbplus;&sub1;&sub0; und andere Strahlen geteilt zu werden.
Von diesen wird die Phase des Beugungslichts -1. Ordnung R&sbplus;&sub1;- &sub1; um -nθ verschoben, und der Strahl tritt in das Beugungsgit ter G3a ein. Dann ist die Phase der Wellenfront des Beugungslichts nullter Ordnung R&sbplus;&sub1;&submin;&sub1;&sub0;, die sich geradlinig ausbreitet, -nθ-2πΔz/P'.
Der Strahl -1. Ordnung R&submin;&sub1;, der durch das vorstehend erwähnte Beugungsgitter G1 gebeugt ist, wird im Punkt P3 auf dem zylinderförmigen Mehrfachhelixgitter G2b reflexionsgebeugt, um phasenmoduliert in Beugungslicht +1. Ordnung R&submin;&sub1;&sbplus;&sub1;, Beugungslicht nullter Ordnung R&submin;&sub1;&sub0; und andere Strahlen geteilt zu werden.
Von diesen wird die Phase des Beugungslichts +1. Ordnung R&submin; &sub1;&sbplus;&sub1; um +nθ verschoben, und es tritt in das Beugungsgitter G3b ein. Dann ist die Phase der Wellenfront des Beugungslichts nullter Ordnung R&submin;&sub1;&sbplus;&sub1;&sub0; + nθ-2πΔz/P'.
Die Strahlen R&sbplus;&sub1;&submin;&sub1;&sub0; und R&sub0;&sbplus;&sub1;&submin;&sub1;, deren optische Pfade durch das Beugungsgitter G3a einander überdeckt werden, treten in das Lichtaufnahmeelement 3a in der Form des Interferenzlichts ein. Die Interferenzphase in diesem Augenblick ist wie folgt:
{+nθ + 2πΔz/P'} - {-nθ-2πΔz/P'} = 2nθ+4πΔz/P'.
Ein Hell- und Dunkelsignal A1 von 2n+2Δz/P' Periode tritt bei jeder Rotation des zylinderförmigen Mehrfachhelixgitters G2 auf und verursacht eine Verschiebung von Δz in die Richtung der Rotationsachse.
Die Strahlen R&submin;&sub1;&sbplus;&sub1;&sub0; und R&sub0;&submin;&sub1;&sbplus;&sub1;, deren optische Pfade in dem Beugungsgitter G3b einander überdecken, treten in das Lichtaufnahmeelement 3b in der Form des Interferenzlichts ein. Die Interferenzphase ist in diesem Augenblick wie folgt:
(nθ-2πΔz/P'} - {-nθ+2πΔz/P'} = 2nθ-4πΔz/P'
Ein Hell- und Dunkelsignal B1 von 2n-2Δz/P' Periode tritt bei jeder Rotation des zylinderförmigen Mehrfachhelixgitters B2 mit einer Verschiebung von Δz in die Richtung der Rotationsachse auf.
Die vorstehend erwähnten Hell- und Dunkelsignale A1, B1 werden Zähleinheiten 6A, 6B eingegeben, in welcher die Signale in digitale Ausgaben umgewandelt werden. Dann gibt die erste Zähleinheit 6A bei jeder Rotation des zylinderförmigen Mehrfachhelixgitters G2 ein Hell- und Dunkelsignal A2 von 2n+2Δz/P' Impulsen mit einer Verschiebung von Δz als einen Fehler in der z-Richtung (Schubrichtung) aus, und die vorstehend erwähnte Zähleinheit 6B gibt ein Hell- und Dunkelsignal G2 von 2n-2Δz/P' Impulsen aus.
Die vorstehend erwähnten zwei Hell- und Dunkelsignale A2, B2 werden einer Arithmetikeinheit 7 zugeführt, die eine Signalverarbeitungseinheit 8 zusammen mit den vorstehend beschriebenen Zähleinheiten 6A, 6B darstellt. Eine Summe der zwei Signale ist wie folgt:
A2 + B2 = 4n.
Somit wird ein Signal von 4n Impulsen bei einer Rotation des zylinderförmigen Mehrfachhelixgitters G2 unabhängig von der Schubabweichung erhalten.
Fig. 22 zeigt eine perspektivische Ansicht des Hauptteils einer Ausführungsform der optischen Meßvorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform, Fig. 23 zeigt eine Draufsicht der optischen Pfade davon, Fig. 24 zeigt eine Seitenansicht dazu, und Fig. 25 zeigt ein Schaltdiagramm einer Signalverarbeitungsschaltung. Wie aus den Zeichnungen deutlich wird, weist die sechste Ausführungsform im wesentlichen denselben Aufbau und dieselbe Wirkungsweise wie die fünfte Ausführungsform auf, mit der Ausnahme, daß Beugungsgitter G2a, G2b von Mehrfachhelices, die in der Anordnungsrichtung voneinander verschieden sind, auf der Oberfläche des Rotationszylinders 5 ausgebildet sind, die einander kreuzen, und daß das Beugungsgitter G1 ebenfalls in einer ähnlichen Struktur, die dazu passend ist, angeordnet ist, und daher wird die überflüssige Beschreibung ausgelassen.
In der sechsten Ausführungsform berechnet die Arithmetikeinheit 7 eine Abweichung S der Signale A2, B2 zusätzlich zu dem Signal von 4n Impulsen. Unter Berücksichtigung der Abweichung S = (A2 - B2)/2 zwischen den zwei Hell- und Dunkelsignalen A2 und B2 ergibt sich:
S = 2Δz/P'.
Somit werden 2Δz/P' Impulse nur für die Schubabweichung Δz erhalten. Eine Rotationsverlagerung und eine lineare Verschiebung des Rotationszylinders 5 werden gleichzeitig gemessen.
Obgleich die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Verschiebungsmeßvorrichtung die Beugungsinterferenz des Lichts nutzt, ist die vorliegende Erfindung auf die Verschiebungsmeßvorrichtung des Parallelschlitzverfahrens anwendbar, das die Beugungsinterferenz nicht verwendet. Jede der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen zeigte eine Verschiebungsmeßvorrichtung des Lichtbeugungs-Interferenzverfahrens unter Verwendung von drei Beugungsgittern G1, (G2a, G2b), (G3a, G3b) auf, doch die vorliegende Ausführungsform ist auf die Verschiebungsmeßvorrichtung eines Beugungsinterferenzverfahrens anwendbar, das keine drei Beugungsgitter verwendet.
Da die fünfte oder sechste Ausführungsform, wie vorstehend beschrieben, so aufgebaut ist, daß die Kopfeinheit aus dem Lichtabstrahlelement, einer Vielzahl von Lichtaufnahmeelementen und den Beugungsgittern aufgebaut ist und daß eine Vielzahl von Beugungsgittern von Mehrfachhelices, die in der Anordnungsrichtung einander verschieden sind, auf dem Rotationsabschnitt angeordnet sind, der sich Gegenüberlage der Kopfeinheit befindet, ist das optische Interferenzsystem sehr einfach im Aufbau, ist aus einer kleinen Anzahl von Bauelementen aufgebaut, ist leicht zu montieren und kann einen sehr kompakten Aufbau aufweisen. Auch ist die Gitterteilung auf dem zylinderförmigen Mehrfachhelixgitter gleichbleibend und ist frei vom Einfluß der Montagegenauigkeit, wie z. B. ein Versatz des Rotationsabschnitts, und es wird eine optische Verschiebungsmeßvorrichtung geschaffen, welche gleichzeitig Winkel- und Wegverschiebungen mit hervorragender Genauigkeit messen kann.
Da die Kopfeinheit ferner mit einem Beugungsgitter zum Teilen eines Strahls und Beugungsgittern zum Zusammensetzen von Strahlen ausgestattet ist und der Rotationskörper mit Beugungsgittern zum Phasenmodulieren von Strahlen ausgestattet ist, wird ein Hell- und Dunkelsignal von zwei Perioden auf dem Lichtaufnahmeelement erzeugt, wenn eines der drei Beugungsgitter eine Teilung in die Richtung der Gitteranordnung verschoben wird. Da außerdem das Beugungsgitter, das auf der Oberfläche des Rotationskörpers ausgebildet ist, das Mehrfachhelixgitter ist, erscheint es, daß n Gitter die Vorderfläche der Kopfeinheit kreuzen, wenn der Rotationskörper eine Rotation relativ zu der Kopfeinheit ausführt. Da ferner das zylinderförmige Mehrfachhelixgitter Gitter aufweist, die in zwei voneinander unterschiedliche Richtungen gerichtet sind, bewegen sich die Gitter in zueinander entgegengesetzte Richtungen zwischen den zwei Lichtaufnahmeelementen. Daher wird eine Summe für die Ausgaben der zwei Lichtaufnahmeelemente herangezogen, auf welchen die Gitter erscheinen, die sich in zueinander entgegengesetzte Richtungen bewegen, was den Einfluß der Schubabweichung des zylinderförmigen Mehrfachhelixgitters vermindert.
Insbesondere gemäß der sechsten Ausführungsform sind die Beugungsgitter der Mehrfachhelices in der Anordnungsrichtung unterschiedlich voneinander angeordnet, um einander auf dem Rotationskörper zu kreuzen, wodurch die gesamte Vorrichtung mit geringeren Abmessungen gestaltet werden kann.
Fig. 26 zeigt eine perspektivische Ansicht der siebenten Ausführungsform der optischen Verschiebungsmeßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, Fig. 27 zeigt eine Draufsicht deren optischen Pfade, Fig. 28 zeigt eine Seitenansicht davon, Fig. 29 zeigt eine Zeichnung einer Anordnung der Beugungsgitter in einer Kopfeinheit, Fig. 30 und Fig. 31 zeigen Zeichnungen des Aufbaus eines Beugungsgitters auf einem Rotationskörper, und Fig. 32 zeigt ein Schaltdiagramm einer Verarbeitungsschaltung zur Ausgabe von Signalen.
In Fig. 26 bis Fig. 32 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Lichtabstrahlelement, 2 bezeichnet eine Kopfeinheit, 3a, 3b bezeichnen Lichtaufnahmeelemente, G1 bezeichnet ein erstes Beugungsgitter zum Teilen eines abgestrahlten Strahls, G2 bezeichnet ein zweites Beugungsgitter (nachstehend als ein zylinderförmiges Mehrfachhelixgitter bezeichnet), das in einer Mehrfachhelixstruktur auf einer Oberfläche des Zylinders 5 als ein Rotationsabschnitt zur Phasenmodulation der Teilstrahlen ausgebildet ist, um eine Viertelteilung in der Anordnungsrichtung der Beugungsgitter verschoben angeordnet, und das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine Kollimatorlinse.
Die Form der Helices in dem vorstehend erwähnten zylinderförmigen Mehrfachhelixgitter G2 ist nachstehend ausführlich beschrieben. Ist der Mittelpunkt im Punkt 0 und ein Startpunkt im Punkt q, kann ein Positionsvektor rv einer Helixkurve, die auf der Oberfläche des Zylinders mit dem Radius r erzeugt ist, wie folgt ausgedrückt werden:
rv = r · Cos(θ) · i + r · Sin(θ) · j + f(θ) · k,
wobei i, j, k Einheitsvektoren jeweils in der x-, y- und z- Richtung sind, θ ein Winkel vom Startpunkt q in der x-y- Ebene ist und f(θ) eine lineare Funktion des Winkels θ ist.
Ein geometrischer Ort der vorstehend erwähnten Gleichung wird bei jeder Rotation des Zylinders (Fig. 31) um f(θ) in die z-Richtung verschoben. Unter der Annahme, daß dort n Helixgitter in dem Raum vorliegen und P die Teilung der Gitter ist und 2m eine Startposition eines Positionsvektors rvm, einer m-ten Helixkurve in der z-Richtung ist, ergibt sich rvm wie folgt:
rvm, = r · Cos(θ) · i + r · Sin(θ) · j + (nP'θ/(2π) + zm)k,
wenn P' = P/(1-(nP/(2πr))²)1/2 (a).
Es erscheint, daß sich bei jeder Rotation des vorstehend beschriebenen zylinderförmigen Mehrfachhelixgitters G2 n Gitter in die Gitteranordnungsrichtung bewegen. Demzufolge wird die Position des Beugungslichts +1. Ordnung, das durch das zylinderförmige Mehrfachhelixgitter G2 reflexionsgebeugt ist, um ±2πn verschoben. Eine Phasenverschiebung mit Rotation des Winkels θ beträgt ±nθ.
Das Prinzip der siebenten Ausführungsform wird nachstehend beschrieben. In Fig. 28 wird ein divergentes Strahlenbündel, abgestrahlt von dem Lichtabstrahlelement 1, durch die Kollimatorlinse 4 kollimiert, um einen Strahl von nahezu parallelen Strahlen auszubilden, und wird durch das Beugungsgitter G1 übertragungsgebeugt, um in drei Strahlen des Beugungslichts nullter Ordnung R&sub0;, des Beugungslichts +1. Ordnung R&sbplus;&sub1; und des Beugungslichts -1. Ordnung R&submin;&sub1; geteilt zu werden, das von dort austritt.
Der Strahl R&sub0;, der geradeaus durch das Beugungsgitter G1 tritt, wird im Punkt P1 auf dem zylinderförmigen Mehrfachhelixgitter G2 reflexionsgebeugt, um phasenmoduliert in das Beugungslicht +1. Ordnung R&sub0;&sbplus;&sub1; und Beugungslicht -1. Ordnung R&sub0;&submin;&sub1; geteilt zu werden. Die Phase des Beugungslichts +1. Ordnung R&sub0;&sbplus;&sub1; wird um +nθ verschoben, und die Phase des Beugungslichts -1. Ordnung R&sub0;&submin;&sub1; wird um -nθ verschoben. Hier bezeichnet n die Anzahl der Mehrfachgitter in dem zylinderförmigen Mehrfachhelixgitter G2, und θ bezeichnet einen Rotationswinkel (Radian) des zylinderförmigen Mehrfachhelixgitters G2.
Das Beugungslicht +1. Ordnung R&sub0;&sbplus;&sub1; wird durch die zweigeteilten Beugungsgitter G3a, G3b übertragungsgebeugt, um in Beugungslicht nullter Ordnung R&sub0;&sbplus;&sub1;&sub0;, Beugungslicht -1. Ordnung R&sub0;&sbplus;&sub1;&submin;&sub1; und andere Strahlen geteilt zu werden, von welchen das Beugungslicht -1. Ordnung R&sub0;&sbplus;&sub1;&submin;&sub1; senkrecht zu der Oberfläche der Beugungsgitter austritt. Eine Phase der Wellenfront, die durch G3a übertragungsgebeugt ist, beträgt +nθ, während eine Phase der Wellenfront, die durch G3b übertragungsgebeugt ist, +nθ+π/2 beträgt.
Der Strahl +1. Ordnung R&sbplus;&sub1;, der durch das Beugungsgitter G1 gebeugt ist, wird im Punkt P2 auf dem zylinderförmigen Mehrfachhelixgitter G2 phasenmoduliert reflexionsgebeugt, um in Beugungslicht -1. Ordnung R&sbplus;&sub1;&submin;&sub1;, Beugungslicht nullter Ordnung R&sbplus;&sub1;&sub0; und andere Strahlen geteilt zu werden.
Von diesen wird die Phase des Beugungslichts -1. Ordnung R&sbplus;&sub1;&submin; &sub1; um -nθ verschoben und tritt in die Beugungsgitter G3a, G3b ein. Beugungslicht nullter Ordnung R&sbplus;&sub1;&submin;&sub1;&sub0; breitet sich geradeaus durch G3a aus, und eine Phase dessen Wellenfront ist - nθ. Ferner tritt das Beugungslicht nullter Ordnung R&sbplus;&sub1;&submin;&sub1;&sub0; ebenfalls durch G3b, und eine Phase dessen Wellenfront ist - nθ.
Die Strahlen R&sbplus;&sub1;&submin;&sub1;&sub0; und R&sub0;&sbplus;&sub1;&submin;&sub1;, deren optische Pfade in dem Beugungsgitter G3a einander überlagern, treten in das Lichtaufnahmeelement 3a in der Form des Interferenzlichts ein. Die Interferenzphase ist in diesem Augenblick wie folgt:
{+nθ} - {-nθ} = 2nθ.
Somit erscheint ein Hell- und Dunkelsignal A1 von 2n Perioden bei einer Rotation des zylinderförmigen Mehrfachhelixgitters G2.
Nicht gezeigte Strahlen R&submin;&sub1;&sbplus;&sub1;&sub0; und R&sub0;&submin;&sub1;&sbplus;&sub1;, deren optische Pfade in dem vorstehend erwähnten Beugungsgitter G3b einander überlagern, treten in das Lichtaufnahmeelement 3b in der Form des Interferenzlichts ein.
Die Interferenzphase in diesem Augenblick ist wie folgt:
{nθ + π/2} - {-nθ} = 2nθ + π/2.
Dabei erscheint bei einer Rotation des zylinderförmigen Mehrfachhelixgitters G2 ein Hell- und Dunkelsignal B1 von 2n Perioden. Die zwei Signalausgaben A1, B1 sind Signale, die um π/2 relativ zueinander verschoben sind (Zwei-Phasen- Signale), welche einer Rotationsrichtung-Unterscheidungseinheit/Zähleinheit 6 eingegeben werden, um nach einem bekannten Verfahren zum Erfassen einer Rotationsmenge und einer Rotationsrichtung aus den Zwei-Phasen-Signalen gezählt zu werden. Dadurch können die Rotationsmenge und die Rotationsrichtung für das zylinderförmige Mehrfachhelixgitter G2 gemessen werden.
Da die siebente Ausführungsform mit dem optischen Interferenzsystem sehr einfach aufgebaut ist und die Kopfeinheit nur aus der Lichtabstrahlquelle, den Lichtaufnahmeelementen und der Linse aufgebaut ist, ist die Anzahl der Bauelemente klein, die Montage ist einfach und die Größe kann wesentlich verringert werden. Da das Mehrfachhelixgitter auf der Oberfläche des Zylinders erzeugt ist, kann dieser dünner oder hohl ausgebildet werden. Demzufolge kann eine Verschiebungsmeßvorrichtung sehr geringer Größe geschaffen werden, die auf einfache Weise montierbar ist.
Da der Rotationsabschnitt so aufgebaut ist, daß das Mehrfachhelixgitter auf der Oberfläche des Zylinders erzeugt ist, ist die Gitterteilung überall auf dem Mehrfachhelixgitter gleichbleibend, welcher von der Montagegenauigkeit, wie z. B. ein Versatz des Rotationsabschnitts, unbeeinflußt ist.
Weil die siebente Ausführungsform so aufgebaut ist, daß das optische System drei Gitter aufweist, d. h. das Beugungsgitter G1 zum Teilen eines Strahls, das Beugungsgitter G2 zum Phasenmodulieren von Strahlen und die Beugungsgitter G3a, G3b zum Zusammensetzen der Strahlen, ist sie dadurch gekennzeichnet, daß ein Hell- und Dunkelsignal von zwei Perioden auf dem Lichtaufnahmeelement erscheint, wenn eines von drei Beugungsgittern um eine Teilung in die Richtung der Gitteranordnung verschoben wird. Die zu verschiebende Mehrfachhelixgitter ist in dem Fall der vorliegenden Ausführungsform auf der zylinderförmigen Oberfläche mit einer Helixstruktur erzeugt, so daß n Gitter erscheinen, die vordere Oberfläche der Kopfeinheit zu kreuzen, wenn die Rotationseinheit eine Rotation relativ zu der Kopfeinheit ausführt.
Ferner sind die Beugungsgitter G3a, G3b mit einer Verschiebung von (M±1/4)P in der Richtung der Gitteranordnung angeordnet, wobei M eine Ganzzahl ist, so daß die Zwei-Phasen- Signale, die um π/2 Phase in den Signalausgaben verschoben sind, erhalten werden können und die Messung der Rotationsrichtung des zylinderförmigen Mehrfachhelixgitters G2 gestatten.
Fig. 33 zeigt eine perspektivische Ansicht der achten Ausführungsform der optischen Verschiebungsmeßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, Fig. 34 zeigt eine Draufsicht deren optischen Pfade, Fig. 35 zeigt eine Seitenansicht da von, Fig. 36 zeigt eine Zeichnung eines Grundrisses von Beugungsgittern in einer Kopfeinheit, und Fig. 37 zeigt ein Schaltdiagramm einer Verarbeitungsschaltung zur Ausgabe von Signalen. In Fig. 33 bis Fig. 37 sind dieselben Elemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet wie jene in der siebenten Ausführungsform, wie in Fig. 26 bis Fig. 32 gezeigt, und die überflüssige Beschreibung wird ausgelassen. In Fig. 33 bis Fig. 37 bezeichnen die Bezugszeichen 3a1, 3b1, 3a2, 3b2 dritte Beugungsgitter zum Zusammensetzen von Strahlen, und G2a, G2b bezeichnen zweite Beugungsgitter, die separat und voneinander unabhängig in jeweiligen Strukturen der Mehrfachhelices erzeugt sind, die zueinander unterschiedliche Anordnungsrichtung aufweisen, als Helices in Uhrzeigerrichtung und Helices in Gegenuhrzeigerrichtung. Passend zu den zweiten Beugungsgittern ist ein erstes Gitter G1 separat senkrecht in der Axialrichtung in Beugungsgitterbereichen parallel und mit gleicher Teilung zu den Beugungsgittern G2a, G2b in Gegenüberlage ausgebildet.
Die folgende Beschreibung betrifft die Einzelheiten der Form der Helices in den zylinderförmigen Mehrfachhelixgittern G2a, G2b, die in der achten Ausführungsform verwendet werden. Da G2a und G2b einander gleich sind, erfolgt die Beschreibung nur für G2a. Der Grundaufbau des zylinderförmigen Mehrfachhelixgitters G2a ist derselbe wie jener in der siebenten Ausführungsform vorstehend beschriebene, und wenn das zylinderförmige Mehrfachhelixgitter G2a aus einem Grund um Δz verschoben wird, ist die Phase des Beugungslichts ±1. Ordnung wie folgt.
Eine Verschiebung Δz des zylinderförmigen Mehrfachhelixgitters G2a führt zu der Bewegung von Δz/P' der Gitter in die Richtung der Gitteranordnung. Unter Verwendung von P' in der Formel (a) ist die Phase des durch das zylinderförmige Mehrfachhelixgitter G2a reflexionsgebeugte Beugungslicht ±1. Ordnung wie folgt:
±2πΔz/P'.
Wenn dann das zylinderförmige Mehrfachhelixgitter G2a θ rotiert wird, um eine Verschiebung von Δz in die z-Richtung zu verursachen, ergibt sich die Phase des durch das zylinderförmige Mehrfachhelixgitter G2a reflexionsgebeugte Beugungslicht ±1. Ordnung wie folgt:
±{nθ + 2πΔz/P'}.
Das Prinzip der achten Ausführungsform wird nachstehend beschrieben. Ein divergentes Strahlenbündel, das von dem Lichtabstrahlelement 1 abgestrahlt ist, wird durch die Kollimatorlinse 4 kollimiert, um einen Strahl von nahezu parallelen Strahlen auszubilden, und wird im Punkt O1 auf dem Beugungsgitter G1 übertragungsgebeugt, um in drei Strahlen von Beugungslicht nullter Ordnung R&sub0;, von Beugungslicht +1. Ordnung R&sbplus;&sub1; und von Beugungslicht -1. Ordnung R&submin;&sub1; geteilt zu werden, das von dort austritt.
Der Strahl R&sub0;, der sich geradeaus durch das Beugungsgitter G1 ausbreitet, wird an einem Grenzpunkt P1 zwischen den zylinderförmigen Mehrfachhelixgittern G2a, G2b reflexionsgebeugt, um phasenmoduliert in Beugungslicht +.1. Ordnung R&sub0;&sbplus;&sub1; und Beugungslicht -1. Ordnung R&sub0;&submin;&sub1; geteilt zu werden. Die Phase des Beugungslichts +1. Ordnung R&sub0;&sbplus;&sub1; wird um +nθ + 2πΔz/P' verschoben, während die Phase des Beugungslichts -1. Ordnung R&sub0;&submin;&sub1; um -nθ + 2πΔz/P' verschoben wird. Hier ist n die Anzahl der Mehrfachgitter in dem zylinderförmigen Mehrfachhelixgitter G2a, G2b, θ ist ein Rotationswinkel (Radian) des zylinderförmigen Mehrfachhelixgitters G2, Δz ist eine Abweichungsmenge (nachstehend als eine Schubabweichung bezeichnet) des zylinderförmigen Mehrfachhelixgitters G2a, G2b in der Richtung der Rotationsachse, P ist die Teilung der Gitter, und R ist ein Radius des zylinderförmigen Mehrfachhelixgitters G2a, G2b.
Das Beugungslicht +1. Ordnung R&sub0;&sbplus;&sub1; wird durch die Beugungsgitter G3a1, G3a2 übertragungsgebeugt, um in Beugungslicht nullter Ordnung R&sub0;&sbplus;&sub1;&sub0;, Beugungslicht -1. Ordnung R&sub0;&sbplus;&sub1;&submin;&sub1; und andere Strahlen geteilt zu werden, von denen das Beugungslicht -1. Ordnung R&sub0;&sbplus;&sub1;&submin;&sub1; senkrecht zu der Beugungsgitteroberfläche austritt. Wenn die Beugungsgitter G3a1, G3a2 mit einer Verschiebung von P(M+1/4) oder P(M+3/4) (wobei M eine Ganzzahl ist) in der Richtung der Gitteranordnung angeordnet werden, ist die Phase der Wellenfront, durch das Beugungsgitter G3a1 übertragungsgebeugt, +nθ + 2πΔz/P', während jene durch das Beugungsgitter G3a2 übertragungsgebeugte +nθ + 2πΔz/P'+π/2 beträgt.
Das Beugungslicht -1. Ordnung R&sub0;&submin;&sub1; wird durch die Beugungsgitter G3b1, G3b2 übertragungsgebeugt, um in Beugungslicht nullter Ordnung R&sub0;&submin;&sub1;&sub0;, Beugungslicht +1. Ordnung R&sub0;&submin;&sub1;&sbplus;&sub1; und andere Strahlen geteilt zu werden, von welchen das Beugungslicht +1. Ordnung R&sub0;&submin;&sub1;&sbplus;&sub1; senkrecht zu der Beugungsgitteroberfläche austritt. Wenn die Beugungsgitter G3b1, G3b2 mit einer Verschiebung von P(M+1/4) oder P(M+3/4) (wobei M eine Ganzzahl ist) in der Richtung der Gitteranordnung angeordnet werden, ist die Phase der Wellenfront, durch das Beugungsgitter G3b1 übertragungsgebeugt, -nθ + 2πΔz/P', während jene durch das Beugungsgitter G3b2 übertragungsgebeugte - nθ + 2πΔz/P' + π/2 ist.
Der Strahl +1. Ordnung R&sbplus;&sub1;, der durch das Beugungsgitter G1 gebeugt ist, wird im Punkt P2 auf dem zylinderförmigen Mehrfachhelixgitter G2a reflexionsgebeugt, um phasenmoduliert in Beugungslicht -1. Ordnung R&sbplus;&sub1;&submin;&sub1;, Beugungslicht nullter Ordnung R&sbplus;&sub1;&sub0; und andere Strahlen geteilt zu werden. Von diesen wird die Phase des Beugungslichts -1. Ordnung R&sbplus;&sub1;&submin;&sub1; um - nθ+2πΔz/P' verschoben und es tritt in die Beugungsgitter G3a1, G3a2 ein. Die Phase der Wellenfront des Beugungslichts nullter Ordnung R&sbplus;&sub1;&submin;&sub1;&sub0;, das geradeaus durch die Beugungsgitter G3a1, G3a2 tritt, ist nθ+2πΔz/P'.
Der Strahl -1. Ordnung R&submin;&sub1;, der durch das Beugungsgitter G1 gebeugt ist, wird im Punkt P3 auf dem zylinderförmigen Mehrfachhelixgitter G2a reflexionsgebeugt, um phasenmoduliert in Beugungslicht +1. Ordnung R&submin;&sub1;&sbplus;&sub1;, Beugungslicht nullter Ordnung R&submin;&sub1;&sub0; und andere Strahlen geteilt zu werden. Von diesen wird die Phase des Beugungslichts +1. Ordnung R&submin;&sub1;&sbplus;&sub1; um - nθ+2πΔz/P' verschoben und es tritt in die Beugungsgitter G3b1, G3b2 ein. Die Phase der Wellenfront des Beugungslichts nullter Ordnung R&sbplus;&sub1;&submin;&sub1;&sub0;, das sich geradeaus durch die Beugungsgitter G3b1, G3b2 ausbreitet, ist +nθ-2πΔz/P'.
Die Strahlen R&sbplus;&sub1;&submin;&sub1;&sub0; und R&sub0;&sbplus;&sub1;&submin;&sub1;, deren optische Pfade durch das Beugungsgitter G3a1 einander überdecken, treten in das Lichtaufnahmeelement 3a1 in der Form von Interferenzlicht ein. Die Interferenzphase in diesem Augenblick ist wie folgt:
{+nθ + 2πΔz/P'} - {-nθ - 2πΔz/P'} = 2nθ + 4πΔz/P'.
Auch die Strahlen R&sbplus;&sub1;&submin;&sub1;&sub0; und R&sub0;&sbplus;&sub1;&submin;&sub1;, deren optische Pfade durch das Beugungsgitter G3a2 einander überdecken, treten in das Lichtaufnahmeelement 3a2 in der Form von Interferenzlicht ein. Die Interferenzphase in diesem Augenblick ist wie folgt:
{+nθ + 2πΔz/P' + π/2} - {-nθ - 2πΔz/P'}
= 2nθ + 4πΔz/P' + π/2,
so daß ein Strahl erhalten wird, dessen Interferenzphase relativ zu dem Strahl der optischen Pfade π/2 phasenverschoben ist, die durch das Beugungsgitter G3a1 überdecken.
Wenn die zylinderförmigen Mehrfachhelixgitter G2a, G2b eine Rotation ausführen, um eine Schubverschiebung von Δz darin zu verursachen, werden durch die Lichtaufnahmeelemente 3a1, 3a2 Hell- und Dunkelsignale A1, A2 von 2n + 2Δz/P' Periode erzeugt, und die Rotationsrichtung kann mit den Zwei-Phasen- Hell- und Dunkelsignalen, die um π/2 Phase verschoben sind, unterschieden werden.
Die Strahlen R&sub0;&submin;&sub1;&sbplus;&sub1; und R&sbplus;&sub1;&submin;&sub1;&sub0;, deren optische Pfade in dem Beugungsgitter G3b1 einander überdecken, treten in das Lichtaufnahmeelement 3b1 in der Form von Interferenzlicht ein. Die Interferenzphase in diesem Augenblick ist wie folgt:
{nθ - 2πΔz/P'} - {-nθ + 2πΔz/P'} = 2nθ - 4πΔz/P'.
Auch die Strahlen R&submin;&sub1;&sbplus;&sub1;&sub0; und R&sub0;&submin;&sub1;&sbplus;&sub1;, deren optische Pfade in dem Beugungsgitter G3b2 einander überdecken, treten in das Lichtaufnahmeelement 3b2 in der Form von Interferenzlicht ein. Die Interferenzphase ist in diesem Augenblick wie folgt:
{nθ - 2πΔz/P' + π/2} - {-nθ + 2πΔz/P'}
= 2nθ - 4πΔz/P' + π/2,
so daß ein Strahl erhalten wird, dessen Interferenzphase relativ zu dem Strahl der optischen Pfade π/2 phasenverschoben ist, die durch das Beugungsgitter G3b1 einander überdecken.
Wenn demgemäß die zylinderförmigen Mehrfachhelixgitter G2a, G2b eine Rotation ausführen, um eine Schubverschiebung von A2 darin zu verursachen, werden durch die Lichtaufnahmeelemente 3b1, 3b2 Hell- und Dunkelsignale B1, B2 von 2n+2Δz/P' Periode erzeugt, und die Rotationsrichtung kann auf der Grundlage der Zwei-Phasen-Hell- und Dunkelsignale, die in der Phase von π/2 verschoben sind, unterschieden werden.
Die vorstehend erwähnten Hell- und Dunkelsignale A1, A2 und B1, B2 werden jeweils einer Rotationsrichtung-Unterscheidungseinheit/Zähleinheit 6A und einer Rotationsrichtung- Unterscheidungseinheit/Zähleinheit 6B eingegeben, um in digitale Ausgaben umgewandelt zu werden. Bei einer Rotation des zylinderförmigen Mehrfachhelixgitters G2, die zu einer Schubabweichung von Δz führt, erzeugen die vorstehend erwähnten Ausgangssignale A1, A2 eine Ausgabe A0 von ±(2n + 2Δz/P') Impulsen, die vorstehend erwähnten Ausgangssignale B1, B2 erzeugen eine Ausgabe B0 von ±(2n - 2Δz/P') Impulsen, und ob das Vorzeichen positiv oder negativ ist, wird durch die Richtung der Rotation unterschieden. Die vorstehend erwähnten zwei Ausgaben A0, B0 werden einer Arithmetikeinheit 7 zugeführt, welche zusammen mit den vorstehend erwähnten Einheiten 6A, 6B eine Signalverarbeitungseinheit 11 ausbilden, um eine Summe der Ausgaben wie folgt zu erhalten:
(A0) + (B0) = ±4n.
Dann erzeugt eine Rotation des zylinderförmigen Mehrfachhelixgitters G2 unabhängig von der Schubabweichung ein Signal von 4n Impulsen, und ob das Vorzeichen positiv oder negativ ist, kann durch die Richtung der Rotation unterschieden werden.
Da die achte Ausführungsform so aufgebaut ist, wie vorstehend beschrieben, daß die zylinderförmigen Mehrfachhelixgitter G2a, G2b senkrecht als Mehrfachgitter in Uhrzeigerrichtung und Mehrfachgitter in Gegenuhrzeigerrichtung voneinander beabstandet sind, die in der Anordnungsrichtung voneinander verschieden sind, scheinen sich die Gitter in einander entgegengesetzte Richtungen zu bewegen, wenn die zylinderförmigen Mehrfachhelixgitter G2a, G2b rotieren. Daher kann der Einfluß der Schubabweichung des zylinderförmigen Mehrfachhelixgitters G2 unter Verwendung der Summe der Ausgaben von den Lichtaufnahmeelementen 3a1, 3a2, 3b1, 3b2, die angeordnet sind, um den Beugungsgittern G2a, G2b jeweils in Uhrzeigerrichtung und in Gegenuhrzeigerrichtung zu entsprechen, als ein Ausgangssignal aufgehoben werden.
Fig. 38 zeigt eine perspektivische Ansicht der neunten Ausführungsform der optischen Verschiebungsmeßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, Fig. 39 zeigt eine Draufsicht deren optischen Pfade, Fig. 40 zeigt eine Seitenansicht davon, Fig. 41 zeigt eine Zeichnung eines Grundrisses der Gitter in einer Kopfeinheit, und Fig. 42 zeigt ein Schaltdiagramm einer Signalverarbeitungsschaltung zur Ausgabe von Signalen. In den Zeichnungen sind dieselben Elemente mit denselben Bezugszeichen wie jene in den in Fig. 33 bis Fig. 37 gezeigten Ausführungsformen bezeichnet, und die überflüssige Beschreibung wird ausgelassen. In Fig. 38 bis Fig. 42 bezeichnen 3Aa1, 3Ab1, 3Aa2, 3Ab2, 3Ba1, 3Bb1, 3Ba2, 3Bb2 Lichtaufnahmeelemente, und G3Aa1, G3Ab1, G3Aa2, G3Ab2, G3Ba1, G3Bb1, G3Ba2, G3Bb2 bezeichnen dritte Beugungsgitter zum Zusammensetzen von Strahlen.
Der Grundaufbau des optischen Systems ist derselbe wie jener der achten Ausführungsform, doch Beugungsgitter G3Aa1-G3Ab2 und G3Ba1-G3Bb2 zum Zusammensetzen von Strahlen, die durch das Beugungsgitter G1 geteilt sind, sind in einem beliebigen Abstand voneinander in der Richtung der Gitteranordnung an geordnet. Ferner sind Lichtaufnahmeelemente 3Aa1-3Bb2 entsprechend den Beugungsgittern angeordnet und dadurch beabstandet. Dieser Aufbau erzeugt zwei Mengen von Vier-Phasen- Ausgaben, die um π/2 zwischen Phasen in den zwei Mengen von Lichtaufnahmeelementen 3Aa1-3Ab2 und 3Ba1-3Bb2 verschoben sind.
Im Fall der Beugungsgitter, die auf der Kopfeinheit 2 angeordnet sind, wie in Fig. 41 gezeigt, werden Ausgangssignale A1, A2, B1, B2 von jeweiligen Paaren von Lichtaufnahmeelementen 3Aa1 und 3Aa2, 3Ab1 und 3Ab2, 3Bb1 und 3Bb2 sowie 3Ba1 und 3Ba2 in Rotationsrichtung-Unterscheidungseinheiten/Zähleinheiten 6A, 6B verarbeitet, und Ausgaben A0, B0 von den Einheiten 6A, 6B werden einer Arithmetikeinheit 7 zugeführt. Dann wird bei einer Rotation der zylinderförmigen Mehrfachhelixgitter G2a, G2b ein Signal von 4n Impulsen mit hoher Auflösung, unabhängig von der Schubabweichung und der Rotationsrichtung, erhalten, und die Rotationsrichtung kann in der Rotationsrichtung-Unterscheidungseinheit unterschieden werden.
Die neunte Ausführungsform ist so aufgebaut, daß die dritten Beugungsgitter G3Aa1 bis G3Bb1, die in der Kopfeinheit vorgesehen sind, getrennt angeordnet sind, wie in Fig. 41 gezeigt, entsprechend den zylinderförmigen Mehrfachhelixgittern G2a, G2b, und daß die Ausgaben von den Lichtaufnahmeelementen 3Aa1 bis 3Bb2 durch die Einheiten 6A, 6B, 7 verarbeitet werden, wie in Fig. 42 gezeigt, wobei eine stabile Ausgabe erzielt werden kann, welche weit geteilt werden kann, mit weniger Einfluß der Versatzabweichung der Ausgaben von den Lichtaufnahmeelementen, z. B. wie durch externes Licht, anders als das Signallicht, verursacht.
Fig. 43 zeigt eine perspektivische Ansicht der zehnten Ausführungsform der optischen Verschiebungsmeßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, Fig. 44 zeigt eine Draufsicht deren optischen Pfade, Fig. 45 zeigt eine Seitenansicht davon, Fig. 46 zeigt eine Zeichnung eines Grundrisses der Gitter in einer Kopfeinheit 2, und Fig. 47 zeigt ein Schaltdia gramm einer Signalverarbeitungsschaltung zur Ausgabe von Signalen. In den Zeichnungen sind dieselben Elemente mit denselben Bezugszeichen wie jene in der achten Ausführungsform bezeichnet, die in Fig. 33 bis Fig. 37 gezeigt ist, und die überflüssige Beschreibung wird ausgelassen. In Fig. 43 bis Fig. 47 bezeichnen 3Aa-3Bb Lichtaufnahmeelemente, G2 bezeichnet ein Beugungsgitter der Mehrfachhelices (nachstehend als ein zylinderförmiges Mehrfachhelixgitter bezeichnet), die in der Anordnungsrichtung einander unterschiedlich sind, die ausgebildet sind, um einander auf einer zylinderförmigen Oberfläche zu kreuzen, um geteilte Strahlen zu phasenmodulieren, und G3Aa-G3Bb bezeichnen Beugungsgitter zum Zusammensetzen von Strahlen.
Die Grundfunktion des zylinderförmigen Mehrfachhelixgitters G2, das in der zehnten Ausführungsform verwendet wird, ist dieselbe wie jene in der achten Ausführungsform. Wenn das zylinderförmige Mehrfachhelixgitter G2 eine Rotation ausführt, um eine Verschiebung von Δz in die Richtung der Rotationsachse zu verursachen, werden Zwei-Phasen-Hell- und Dunkelsignale A1, A2 von 2n+2Δz/P' Periode erzeugt, deren Phasen π/2 verschoben sind, wie in der achten Ausführungsform beschrieben ist.
Wenn die zwei Hell- und Dunkelsignale A1, A2 den Verschiebungsrichtung-Unterscheidungseinheiten und einer Zähleinheit 6A, wie z. B. eine Zähleinrichtung, zugeführt werden, wird eine Ausgabe A0 von 2n+2Δz/P' Impulsen bei einer Rotation der zylinderförmigen Mehrfachhelixgitter G2a, G2b erhalten, die zu einer Verschiebung von Δz in die Richtung der Rotationsachse führen, während die Richtung der Verschiebung unterschieden wird.
Die Strahlen R&submin;&sub1;&sbplus;&sub1;&sub0; und R&sub0;&submin;&sub1;&sbplus;&sub1;, deren optische Pfade in dem Beugungsgitter G3Ba einander überlagern, treten in das Lichtaufnahmeelement 3Ba in der Form von Interferenzlicht ein. Die Interferenzphase in diesem Augenblick ist wie folgt:
{nθ - 2πΔz/P'} - {-nθ + 2πΔz/P'} = 2nθ - 4πΔz/P'.
Die Strahlen R&sbplus;&sub1;&submin;&sub1;&sub0; und R&sub0;&sbplus;&sub1;&submin;&sub1;, deren optische Pfade in dem Beugungsgitter G3Bb einander überdecken, treten in das Lichtaufnahmelement 3Bb in der Form von Interferenzlicht ein. Die Interferenzphase in diesem Augenblick ist wie folgt:
{nθ - 2πΔz/P'} - {-nθ + 2πΔz/P' + π/2}
= 2nθ - 4πΔz/P' + π/2,
so daß ein Strahl erhalten wird, dessen Interferenzphase relativ zu dem Strahl der optischen Pfade, die durch das Beugungsgitter G3Ba überlagert werden, π/2 phasenverschoben ist. Wenn demgemäß die zylinderförmigen Mehrfachhelixgitter G2a, G2b eine Rotation ausführen, um eine Schubverschiebung von A2 darin zu verursachen, werden Hell- und Dunkelsignale B1, B2 von 2n+2Δz/P' Periode durch die Lichtaufnahmeelemente erzeugt, und die Rotationsrichtung kann auf der Grundlage der Zwei-Phasen-Hell- und Dunkelsignale, die um die Phase von π/2 verschoben sind, unterschieden werden.
Wenn die zwei Hell- und Dunkelsignale B1, B2 den Verschiebungsrichtung-Unterscheidungseinheiten und einer Zähleinheit 6B, wie z. B. eine Zähleinrichtung, zugeführt werden, wird eine Ausgabe B0 von 2n-2Δz/P' Impulsen bei einer Rotation des zylinderförmigen Mehrfachhelixgitters G2 erhalten, was zu einer Verschiebung von Δz in der Richtung der Rotationsachse führt, während die Verschiebungsrichtung bestimmt wird. Eine Summe der Ausgabe A0 und der Ausgabe B0 ergibt:
(A0) - (B0) = 4n.
Somit wird unabhängig von einer Abweichung in der Richtung der Rotationsachse ein Signal von 4n Impulsen bei einer Rotation der zylinderförmigen Mehrfachhelixgitter G2a, G2b erhalten und die Unterscheidung der Rotationsrichtung. Es wird auch eine Abweichung zwischen den zwei Ausgaben (mit den zwei Ausgaben von A0 und B0) erhalten, wobei die Abweichung S definiert ist als S = (A0 - B0)/2),
S = 2Δz/P'.
Dadurch kann eine Ausgabe von 2Δz/P' nur für die Schubabweichung Δz mit der Unterscheidung der Abweichungsrichtung erhalten werden. Es bedeutet, daß die gleichzeitige Messung einer Rotationsverschiebungsmenge und einer Rotationsverschiebungsrichtung des Zylinders sowie einer linearen Verschiebungsmenge und einer linearen Verschiebungsrichtung des Zylinders möglich ist.
Die zehnte Ausführungsform kann eine sehr kompakte Verschiebungsmeßvorrichtung realisieren, welche einen sehr einfachen Aufbau des optischen Interferenzsystems aufweist und welche gleichzeitig Verschiebungen des Winkels und des Weges messen kann. Da die vorliegende Ausführungsform so aufgebaut ist, daß die Beugungsgitter von Mehrfachhelices auf der Oberfläche des Zylinders ausgebildet sind, erscheinen n Gitter, welche die Vorderfläche der Kopfeinheit 2 bei einer Rotation des Zylinders 5 relativ zu der Kopfeinheit 5 kreuzen. Da die zwei getrennten Beugungsgitter mit einer Verschiebung von P/4 voneinander in der Kopfeinheit 2 angeordnet sind, kann die Richtung der Verschiebung unter Verwendung der Zwei- Phasen-Signale unterschieden werden. Unter Verwendung einer Summe und einer Differenz der Ausgaben von den Lichtaufnahmeelementen kann die Vorrichtung separat eine Ausgabe für die Rotationsrichtung und die Rotationsmenge erzielen, unbeeinflußt von der Abweichung in der Richtung der Rotationsachse der Mehrfachhelixgitter G2a, G2b, und eine Ausgabe für die Schubabweichungsmenge und die Schubabweichungsrichtung, unbeeinflußt von der Rotation.
Fig. 48 zeigt eine perspektivische Ansicht der elften Ausführungsform der optischen Verschiebungsmeßvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, Fig. 49 zeigt eine Draufsicht deren optischen Pfade, Fig. 50 zeigt eine Seitenansicht davon, und Fig. 51 zeigt eine Zeichnung eines Grundrisses der Gitter in einer Kopfeinheit. In den Zeichnungen sind dieselben Elemente mit den gleichen Bezugszeichen wie jene in der zehnten Ausführungsform bezeichnet, die in Fig. 43 bis Fig. 47 gezeigt ist, und die überflüssige Beschreibung wird ausgelassen. In Fig. 48 bis Fig. 51 bezeichnen 3Aa1, 3Aa2, 3Ab1, 3Ab2, 3Bb1, 3Bb2, 3Ba1, 3Ba2 Lichtaufnahmeelemente, und G3Aa1, G3Ba2, G3Ab1, G3Ab2, G3Bb1, G3Bb2, G3Ba1, G3Ba2 bezeichnen Beugungsgitter zum Zusammensetzen von Strahlen.
Der Grundaufbau des optischen Systems ist derselbe wie jener der zehnten Ausführungsform, doch Beugungsgitter G3Aa1-G3Ab2 und G3Ba1-G3Bb2 zum Zusammensetzen von Strahlen, die durch das Beugungsgitter G1 geteilt sind, sind in einem beliebigen Abstand voneinander in der Richtung der Gitteranordnung angeordnet. Ferner sind die Lichtaufnahmeelemente 3Aa1-3Bb2 entsprechend den Beugungsgittern angeordnet und dadurch beabstandet. Dieser Aufbau erzeugt zwei Mengen von Vier-Phasen-Ausgaben, die π/2 zwischen Phasen in den zwei Mengen von Lichtaufnahmeelementen 3Aa1-3Ab2 und 3Ba1-3Bb2 verschoben sind.
Mit dem Aufbau der Gitter in der Kopfeinheit, wie in Fig. 51 gezeigt, können Ausgangssignale durch eine Ausgabeverarbeitungsschaltung mit demselben Aufbau wie jene der Ausgabeverarbeitungsschaltung in der in Fig. 42 gezeigten neunten Ausführungsform verarbeitet werden, wobei in dem Fall, wenn das zylinderförmige Mehrfachhelixgitter G2 eine Rotation ausführt, um eine Verschiebung von Δz in der Richtung der Rotationsachse zu verursachen, ein Signal von 4n Impulsen als eine Ausgabe für die Rotationsmenge und ein Signal von 2Δz/P' Impulsen für eine Abweichungsmenge in der Richtung der Rotationsachse erhalten wird. Daher kann eine stabile Ausgabe erhalten werden, die hochteilbar ist, unbeeinflußt von äußerem Licht, anders als das Signallicht, ist, sowie die Unterscheidung der Rotationsrichtung und der Abweichungsrichtung ermöglicht.
Gemäß der vorstehend beschriebenen siebenten bis elften Ausführungsform sind Beugungsgitter von Mehrfachhelices auf einem Rotationskörper angeordnet, und eine Vielzahl von separaten Beugungsgittern zum Zusammensetzen von Strahlen, die durch die Beugungsgitter auf dem Rotationskörper phasenmoduliert sind, sind separat in einem beliebigen Abstand in der Richtung der Gitteranordnung in der Kopfeinheit in Gegenüberlage zu dem Rotationskörper angeordnet, so daß ein Rotationswinkel und eine Rotationsrichtung erfaßt werden können. Daher kann die Vorrichtung aus einer kleinen Anzahl von Bau elementen aufgebaut sein, ist leicht montierbar und kann mit sehr geringen Abmessungen erzeugt werden.
Auch die siebente bis neunte Ausführungsform sind so ausgebildet, daß eine Vielzahl von Mehrfachhelix-Beugungsgittern mit unterschiedlicher Anordnungsrichtung zueinander separat und unabhängig auf einem Rotationskörper angeordnet ist, und eine Vielzahl von separaten Beugungsgittern zum Zusammensetzen von Strahlen, die durch die Beugungsgitter auf dem Rotationskörper phasenmoduliert sind, in einem beliebigen Abstand voneinander in der Richtung der Gitteranordnung angeordnet sind, wodurch der Einfluß der axialen Abweichung des. Rotationskörpers vermindert werden kann, um die Ausgabe zu stabilisieren.
Da die Vorrichtungen so angeordnet sind, daß Strahlen von den Beugungsgittern in eine Vielzahl von Lichtaufnahmeelemente einfallen und Ausgaben von den Lichtaufnahmeelementen der Arithmetikverarbeitung unterzogen werden, kann eine Vielzahl von Typen von Verschiebungssignalen stabil ausgegeben werden.
Insbesondere im Fall der zehnten und der elften Ausführungsform ist eine Vielzahl von Mehrfachhelix-Beugungsgittern mit zueinander unterschiedlicher Anordnungsrichtung auf einem Rotationskörper angeordnet, um einander zu kreuzen, was für die Miniaturisierung der gesamten Vorrichtung sehr wirkungsvoll ist, welche die vorstehend beschriebenen Wirkungen aufweist.

Claims

1. Rotationserfassungsvorrichtung, die aufweist:

- einen Gitterabschnitt, der auf einem ersten von zwei Objekten angeordnet ist, deren Relativrotation zu erfassen ist, wobei der Gitterabschnitt mindestens ein Mehrfachhelix- Beugungsgitter (G2) aufweist,

- einen Lichtabstrahlabschnitt (1), der auf einem zweiten der zwei Objekte angeordnet ist,

- einen Lichtaufnahmeabschnitt (3; 3a, 3b), der auf dem zweiten Objekt angeordnet ist, wobei der Lichtaufnahmeabschnitt einen Beugungsstrahl von dem Mehrfachhelix-Beugungsgitter aufnimmt, das mit einem Strahl beleuchtet wird, der von dem Lichtabstrahlabschnitt abgestrahlt ist, und

- eine Einrichtung (8; 11) zum Erfassen der Daten zur Relativrotation des ersten und des zweiten Objekts auf der Grundlage des Lichts, das durch den Lichtaufnahmeabschnitt aufgenommen wird.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei

der Lichtabstrahlabschnitt ein Lichtabstrahlelement (1) und ein erstes Beugungsgitter (G1) zum Teilen eines Strahls von dem Lichtabstrahlelement (1) in eine Vielzahl von Strahlen (R&sub0;, R&sbplus;&sub1;, R&submin;&sub1;) aufweist, und wobei

der Lichtaufnahmeabschnitt ein drittes Beugungsgitter (G3a, G3b) zum Zusammensetzen des Beugungslichts von dem Mehrfachhelix-Beugungsgitter (G2) der Vielzahl von Strahlen und mindestens ein Lichtaufnahmeelement (3a, 3b; 3) zum Aufnehmen eines Strahl des Lichts aufweist, das durch das dritte Beugungsgitter (G3a, G3b; G3) zusammengesetzt ist, um miteinander zu interferieren.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei das erste Beugungsgitter (G1) und das dritte Beugungsgitter (G3a, G3b; G3) so angeordnet sind, daß die Gitter parallel zu dem Mehrfachhe lix-Beugungsgitter (G2) ausgebildet sind, wenn sie in Gegenüberlage zu dem Gitterabschnitt sind.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Gitterabschnitt so angeordnet ist, daß das Mehrfachhelix-Beugungsgitter (G2) auf einer Oberfläche oder innerhalb eines Substrats eines Kreiszylinders oder Rundrohrs erzeugt ist.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Gitterabschnitt so angeordnet ist, daß das Mehrfachhelix-Beugungsgitter (G2) ein Scheiben-Mehrfachhelixgitter ist, wobei jede Helix r = r&sub0; + aθ erfüllt, wenn die Helixkurve einen Radius r beim Mittenwinkel θ aufweist, r&sub0; ein Anfangswert von r bei θ = 0 ist und a eine Konstante ist, und das Mehrfachhelix-Beugungsgitter (G2) auf einem Scheibensubstrat oder innerhalb eines Scheibensubstrats erzeugt ist.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Lichtabstrahlabschnitt ein Lichtabstrahlelement und ein erstes Beugungsgitter zum Teilen eines Strahls von dem Lichtabstrahlelement in mindestens drei Strahlen aufweist, und wobei der Lichtaufnahmeabschnitt zwei dritte Beugungsgitter (G3a, G3b) aufweist, jeweils zum Zusammensetzen von zwei von vier Beugungslichtstrahlen, die durch das Mehrfachhelix-Beugungsgitter (G2) aus den drei Strahlen erzeugt sind, und zwei Lichtaufnahmeelemente (3a, 3b), jeweils zum Aufnehmen von zwei Strahlen, die durch die dritten Beugungsgitter zusammengesetzt sind, um miteinander zu interferieren.

7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei der Gitterabschnitt zwei Mehrfachhelix-Beugungsgitter (G2a, G2b) aufweist, die den zwei dritten Beugungsgittern (G3a, G3b) entsprechen, wobei die zwei Mehrfachhelixgitter in der Richtung der Gitteranordnung einander unterschiedlich sind.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei die zwei Mehrfachhelix-Beugungsgitter in einer gleichen Position einander überdecken.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei die zwei Mehrfachhelix-Beugungsgitter in zueinander unterschiedlichen Positionen erzeugt sind.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei die Erfassungsvorrichtung Zähleinrichtungen (6A, 6B) zum Ausführen der Impulszählung von Ausgangssignalen von den zwei Lichtaufnahmeelementen und eine Einrichtung zum Ausführen der Addition der Zählergebnisse aufweist.

11. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, welche ferner eine Einrichtung (7) zum Ausführen der Subtraktion der Zählergebnisse aufweist.

12. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Lichtabstrahlabschnitt ein Lichtabstrahlelement und ein erstes Beugungsgitter zum Teilen eines Strahls von dem Lichtabstrahlelement in mindestens drei Strahlen (R&sub0;, R&sbplus;&sub1;, R&sub1;) aufweist, und wobei der Lichtaufnahmeabschnitt zwei dritte Beugungsgitter (G3a, G3b) jeweils zum Zusammensetzen von zwei Beugungslichtstrahlen aufweist, die durch das Mehrfachhelix-Beugungsgitter aus den drei Strahlen erzeugt sind, und zwei Lichtaufnahmeelemente (3a, 3b), jeweils zum Aufnehmen von zwei Strahlen, die durch die zwei dritten Beugungsgitter zusammengesetzt sind, um miteinander zu interferieren, wobei die zwei dritten Beugungsgitter mit Gitteranordnungen ausgebildet sind, die vorbestimmt phasenverschoben sind.

13. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Lichtabstrahlabschnitt ein Lichtabstrahlelement und ein erstes Beugungsgitter zum Teilen eines Strahls von dem Lichtabstrahlelement in mindestens drei Strahlen (R&sub0;, R&sbplus;&sub1;, R&submin;&sub1;) aufweist, und wobei der Lichtaufnahmeabschnitt zwei dritte Beugungsgitterbereiche (G3a, G3b) aufweist, die jeweils zwei Beugungsgitter (G3a1, G3a2, G3b1, G3b2) aufweisen, die mit Gitteranordnungen ausgebildet sind, die vorbestimmt phasenverschoben sind und jeweils zwei von vier Beugungslichtstrahlen zusammensetzen, die durch das Mehrfachhe lix-Beugungsgitter aus den drei Stahlen erzeugt sind, und vier Lichtaufnahmeelemente (3a1, 3a2, 3b1, 3b2), jeweils zum Aufnehmen von vier Strahlen, die durch die vier Beugungsgitter in den zwei dritten Beugungsgitterbereichen zusammengesetzt sind, um miteinander zu interferieren.

14. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Lichtabstrahlabschnitt ein Lichtabstrahlelement und ein erstes Beugungsgitter zum Teilen eines Strahls von dem Lichtabstrahlelement in mindestens drei Strahlen (R&sub0;, R&sbplus;&sub1;, R&submin;&sub1;) aufweist, und wobei der Lichtaufnahmeabschnitt zwei dritte Beugungsgitterbereiche (G3a, G3b) aufweist, die jeweils vier Beugungsgitter (G3Aa1, G3Ab1, G3Aa2, G3Ab2, G3Ba1, G3Bb1, G3Ba2, G3Bb2) aufweisen, ausgebildet mit Gitteranordnungen, die vorbestimmt phasenverschoben sind und jeweils zwei von vier Beugungslichtstrahlen zusammensetzen, die durch das Mehrfachhelix-Beugungsgitter aus den drei Strahlen erzeugt sind, und acht Lichtaufnahmeelemente (3Aa1, 3Ab1, 3Aa2, 3Ab2, 3Ba1, 3Bb1, 3Ba2, 3Bb2), jeweils zum Aufnehmen von acht Strahlen, die durch die acht Beugungsgitter in den zwei dritten Beugungsgitterbereichen zusammengesetzt sind, um miteinander zu interferieren.

15. Antriebssystem, das aufweist:

- einen Antriebsabschnitt (SM, MD) zum Rotationsantrieb einer Welle (AX),

- eine Rotationserfassungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Gitterabschnitt auf der Welle angeordnet ist, der Lichtabstrahlabschnitt in einer Festposition angeordnet ist und der Lichtaufnahmeabschnitt in einer Festposition angeordnet ist,

- einen Steuerabschnitt (CP) zum Steuern des Antriebsabschnitts auf der Grundlage der Rotationsdaten der Welle, die durch Lichtaufnahme des Lichtaufnahmeabschnitts gewonnen werden.