AT394275B - Lagemesssystem, insbesondere inkrementales lagemesssystem - Google Patents

Description

AT 394 275 B

Die Erfindung betrifft ein Lagemeßsystem, insbesondere ein inkrementales Lagemeßsystem, mit einem eine Meßteilung aufweisenden Maßstab und einer relativ zu diesem verstellbaren optoelektronischen Abtasteinheit für die Erzeugung von der Weiterverarbeitung zuführbaren, insbesondere für die Steuerung einer Anzeigeeinrichtung verwendbaren Abtastsignalen, welche Abtasteinrichtung Beleuchtungseinrichtungen und photoelektrische Empfänger aufweist, wobei die Empfänger jeweils ein beleuchtetes, über mehrere Inkremente reichendes Ablesefeld auf der Meßteilung erfassen und ihre Beleuchtung sich bei der Verstellung abhängig vom jeweiligen Überdeckungszustand des Meßteilungsteilstückes im Ablesefeld mit einem über das Ablesefeld reichenden, die Form eines Meßteilungsteilstückes aufweisenden Ablesemuster periodisch ändert, so daß sie entsprechende Abtastsignale erzeugen.

Lagemeßsysteme werden vorwiegend zur Erfassung rotatorischer oder translatorischer Verstellwege, insbesondere zur Winkel- und Längenmessung verwendet. Man kann aber auch andere physikalische Größen mit Hilfe geeigneter Umsetzeinrichtungen in Lageveränderungen einer Meßteilung gegenüber einer Abtasteinrichtung umsetzen und aus der Lageveränderung und den dabei an der Abtasteinrichtung erzeugten Signalen die jeweilige physikalische Größe bestimmen. Ein Anwendungsbeispiel ist eine Waage mit einer beim Wiegevorgang gegenüber einer Meßteilung verstellbaren Abtasteinrichtung. Neben rein inkrementalen Lagemeßsystemen, bei denen die Meßteilung ausschließlich aus meist als Hell-Dunkelfelder ausgebildeten Inkrementen besteht, gibt es auch halbinkrementale Lagemeßsysteme, bei denen zumindest ein Punkt der Meßteilung absolut festgelegt ist, so daß von ihm aus eine Absolutmessung durch Zählung der abgetasteten Inkremente vorgenommen werden kann. Für die Erfassung des oder der meist als Referenzpunkte bezeichneten Absolutpunkte dienen in einer eigenen Spur vorgesehene Referenzmarken und zugeordnete Abtasteinrichtungen. Es ist auch bekannt, bei absoluten Meßsystemen mit codierten Ablesespuren wenigstens eine, meist die die feinste Auflösung ergebende Spur als Inkrementalspur auszubilden und entsprechend abzutasten.

Die Abtastung von über mehrere Inkremente reichenden Ablesefeldem durch entsprechende Ablesemuster wird vorgesehen, um bei relativ feiner Meßteilung genügend große beleuchtete Flächen der photoelektrischen Empfänger zu erhalten und bei Verschmutzungen des Maßstabes trotz dieser Verschmutzungen eindeutig auswertbare Meßsignale zu erhalten, da die Wahrscheinlichkeit, daß das gesamte Ablesefeld so verschmutzt ist, daß keine eindeutigen Signale mehr erzielt werden, äußerst gering ist. Vorzugsweise werden in ihrer Grundform sinusförmige Abtastsignale mit der Inkrementalteilung entsprechender Signalzuglänge als Meßsignale erzeugt. Bei inkrementalen Lagemessungen werden meist vier photoelektrische Empfänger verwendet, denen bisher im Ablesefeld auf eigenen Trägerplatten angebrachte Ableseraster zugeordnet sind, die gegeneinander bezüglich der Meßteilung versetzt sind, so daß an den einzelnen Empfängern phasenverschobene Signale auftreten, aus denen durch bekannte Schaltungen der Richtungsverlauf von Relativverstellungen von Abtasteinrichtung und Meßteilung festgestellt werden kann. Aus den phasenverschobenen Signalen kann man durch Vervielfacherschaltungen, beispielsweise Spannungsteilerschaltungen Zwischensignale gewinnen, die im Sinne einer elektronischen Unterteilung des Maßstabes als Zählsignale der weiteren Auswertung zuführbar sind. Die Abtastung der Meßteilung kann im Durchlicht- oder Auflichtverfahren erfolgen. Für die Abtastung der Referenzmarken werden ebenfalls Abtastgitter mit zugeordneten photoelektrischen Empfängern verwendet. Hier wird für das erzeugte Referenzsignal ein möglichst steiler Flankenanstieg des Signales bei Koinzidenz der Abtasteinrichtung mit der jeweiligen Referenzmarke angestrebt.

Im Sinne einer Herstellungsvereinfachung und einer Vereinfachung der Ausrichtung der Ableseraster gegenüber den photoelektrischen Empfängern und der Meßteilung ist es bereits bekannt, alle bei dem Lagemeßsystem benötigten Abtasteinrichtungen zu einem monolithischen Element zusammenzufassen, das vorzugsweise die Form mehrerer, nebeneinander auf einem Silizium-Chip in einem bestimmten Muster angebrachter lichtempfindlicher Felder aufweist. Auch die Ableseraster können auf einem gesonderten, transparenten gemeinsamen Träger angebracht werden, so daß für die Montage des Lagemeßsystems nur eine einmalige Ausrichtung der Rastergruppe gegenüber der Empfängergruppe notwendig wird und nicht jeder Empfänger und jeder Raster für sich ausgerichtet werden muß. Ferner ermöglicht die Zusammenfassung zu Gruppen eine gedrängte Bauweise, wobei auch eine gleichmäßige Beleuchtung, meist mit nur einer Lichtquelle möglich wird.

Die getrennte Montage der Ableseraster führt auch bei der letztgenannten Ausführung zu einem hohen Montageaufwand. Es ist praktisch unmöglich, bei einer Herstellungsserie die Raster in den Einzelgeräten ident anzubringen, so daß die einzelnen Geräte einer Serie verschiedene Signalformen bzw. Abweichungen der Phasenlage der erzeugten Signale aufweisen können. Auch die Lichtdurchlässigkeit des Trägers auf dem die Raster angebracht sind, kann sich innerhalb einer Herstellungsserie ändern. Tritt eine Relativverstellung des Rasterträgers gegenüber den photoelektrischen Empfängern auf, können sich beim Betrieb Änderungen oder Störungen ergeben. Ein Lagemeßsystem der zuletzt beschriebenen Art ist aus der DE-AS 22 38 413 bekannt.

Aus der US-PS 4 100 420 ist ein sich gattungsmäßig von einem Lagemeßsystem der eingangs genannten Art unterscheidendes Lagemeßsystem bekannt, das im wesentlichen aus einem Array von photoelektrischen Empfängern, einem relativ zu diesem Array verstellbaren Gitter und einer Beleuchtungseinrichtung besteht. Die Teilung der Einzelelemente des Arrays weicht noniusartig von der Teilung der Gitteröffnungen ab, so daß bei der Relativverstellung des Gitters gegenüber dem Array Signalschwankungen an den Einzelelementen auftreten. Die Signale der Einzelelemente des Arrays werden in einer Auswertungsschaltung zusammengeführt und in -2-

AT 394 275 B Zählsignale umgewandelt, die ein Maß für die relative Längenverstellung ergeben.

Aus der EP-A-0 021 451 ist es bekannt, einen im Durchlichtverfahren abtastbaren relativ groben Meßraster vorzusehen und durch Ausblendung über entsprechende Loch- oder Schlitzblenden paarweise höchstens im Teilungsabstand eines Hell- und Dunkelfeldes des Meßrasters angeordnete Phototransistoren zu beleuchten, an 5 denen phasenverschobene Ausgangssignale mit der Meßteilung entsprechender Signalzuglänge abgenommen werden können, die der weiteren Auswertung zugeführt weiden. Die Größe der Meßteilung hängt hier von der zur Verfügung stehenden Größe der lichtempfindlichen Elemente ab und ist daher vielfach gröber als die Meßteilungen bei Meßsystemen der eingangs genannten Art. Die Anordnung ist überdies stark verschmutzungsempfindlich. 10 Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Lagemeßsystems der eingangs genannten Art, bei dem die Herstellung vereinfacht ist und bei dem mit Geräten einer Serie weitgehend idente Abtastsignale gewonnen weiden können.

Die Erfindung besteht darin, daß zur Bildung des Ablesemusters die lichtempfindliche Schicht jedes photoelektrischen Empfängers selbst in Form von lichtempfindlichen Streifen vorgesehen ist, zwischen denen 15 nicht lichtempfindliche Streifen liegen, wobei vorzugsweise alle photoelektrischen Empfänger einer Abtasteinheit als photoelektrische Beschichtung auf einem gemeinsamen Träger, insbesondere einem Siliziumplättchen angebracht sind und jeder photoelektrische Empfänger ein z. B. rechteckiges Feld aufweist, aus dessen photoelektrischer Beschichtung das Ablesemuster durch Ritzung, Herausätzen oder Herausbrennen von Beschichtungsbereichen gebildet ist. Durch die erfindungsgemäße Ausführung kann auf die sonst bei Lage-20 meßsystemen der genannten Art notwendige Rasterplatte verzichtet werden. Es wird dadurch auch möglich, den Abstand der photoelektrischen Empfänger von der Meßteilung zu verringern und bisher vorwiegend durch die Rasteiplatte bedingte Paralaxenfehler bei wechselnden Querabständen von Meßteilung und Ableseeinheit zu vermeiden.

Das Ablesemuster kann theoretisch schon bei der Herstellung der Beschichtung angebracht werden. In den 25 meisten Fällen wird man aber feine Ablesemuster aus der fertigen Beschichtung herausarbeiten und beispielsweise die zunächst in Form von Feldern angebrachte Beschichtung durch Ritzung in jenen Bereichen entfernen, die die nicht lichtempfindlichen Stellen bilden sollen. Es ist aber auch denkbar, zunächst eine größere Fläche eines mit einer galvanisch leitenden Auflage versehenen Siliziumplättchens mit einer fotoelektrischen Beschichtung zu versehen und dann aus dieser Beschichtung Zwischenbereiche zwischen einzelnen Feldern, die später je ein 30 Fotoelement bilden, und auch die nicht lichtempfindlichen Bereiche jedes einzelnen Elementes durch mechanische Bearbeitung, Ätzung nach vorherigem Aufträgen eines Schutzlackes für die lichtempfindlich bleibenden Bereiche oder auch durch Abdampfung mittels eines Laserstrahles zu bearbeiten.

In Weiterentwicklung des Vereinfachungsgedankens ist dann eine Ausführung eines Lagemeßgerätes möglich, bei der die fotoelektrischen Empfänger Bestandteile eines am gemeinsamen Träger (Siliziumplättchen) 35 angebrachten integrierten Schaltkreises (IC) sind, der zumindest zum Teil Verstärker, Signalauswertungsstufen für die Meßsignale, Vervielfacherschaltungen zur elektronischen Maßstabunterteilung, Richtungsdiskriminatoren und gegebenenfalls Zählstufen enthält, wobei diese Schaltkreise zum Teil in bekannter IC-Technik angebracht und zum anderen Teil aufgebondet sein können. Die gesamte Einheit kann in der Normgröße herkömmlicher integrierter Schaltkreise ausgebildet sein. 40 Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes gehen aus der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung hervor.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise veranschaulicht Es zeigen:

Fig. 1 das Prinzipschaltschema eines erfindungsgemäßen Lagemeßsystems, 45 Fig. 2 schematisiert die Anbringung der Abtasteinheiten über einer Meßteilung, wobei die Meßteilungsstreifen im gleichen Maßstab wie die Ableseeinheiten, die Meßteilungen selbst aber vielfach vergrößert dargestellt wurden,

Fig. 3 einen die Abtasteinheiten enthaltenden und einen integrierten Schaltkreis darstellenden monolytischen Baustein und 50 Fig. 4 eine Seitenansicht zu Fig. 3.

Auf einer gemeinsamen, vorzugsweise aus Silizium bestehenden Trägerplatte (1) sind vier Ableseeinheiten (2), (3), (4), (5) für eine Meßteilung (6) und eine weitere Ableseeinheit (7) für eine Referenzmarkenteilung (8) angebracht. Diese Ableseeinheiten sind als fotoelektrische Beschichtungen auf einer galvanisch leitenden, mit 55 dem Träger-Chip (1) verbundenen Unterlage angebracht. Von jeder Abtasteinheit führen Anschlußleitungen (9 · 13) zu Kontaktstücken (14 · 17, 13a). Die fotoelektrische Beschichtung der Ableseeinheiten ist in Form leitender und nicht leitender Streifen (18), (19) in einem mit dem Ablesemuster der Meßteilung (6) identen Muster angebracht. Ein entsprechendes, ebenfalls aus leitenden und nicht leitenden Streifen (20), (21) bestehendes Muster der Ableseeinheit (7) ist mit dem Muster der Teilung (8) ident. Zur Größenbestimmung sei 60 festgehalten, daß die Ableseeinheiten (2 · 6) Längsabmessungen von etwa 2 mm aufweisen können. Die Meßteilung (6) kann aus Streifen von 0,02 mm Breite bestehen. Ein wenigstens dem gesamten, in Fig. 2 dargestellten Teilungsmuster (8) entsprechendes Muster ist auf der Ableseeinheit (7) angebracht. Aufgabe der -3-

Claims (2)

1. AT 394 275 B Ableseeinheit (7) ist es, beim Auftreten einer ganz bestimmten Koinzidenzstellung mit der Teilung (8) einen Nullimpuls oder Referenzimpuls zu erzeugen. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, sind die Meßteilungen der Ableseeinheiten (2 - 5) gegeneinander in der Phase versetzt. Bei der Vorbeibewegung an der beleuchteten Meßteilung (6) werden daher in den einzelnen Ableseeinheiten gegeneinander phasenverschobene, in ihrer Grundform sinusförmige Signale erzeugt. Diese Signale werden über Verstärkerstufen einer Vervielfacherschaltung (22) und einer Richtungserkennungsstufe (23) zugeführt und auf einen Vor-Rückwärtszähler (24) gelegt, der beispielsweise eine Anzeigeeinheit (25) steuert. Ein von der Ableseeinheit (7) beim Auftreten der Koinzidenzstellung erzeugtes Signal wird einer Auswerteeinheit (26) zugeführt und kann beispielsweise dazu dienen, den Zähler (24) beim Auftreten des genannten Signals auf "Null" oder einen sonstigen, vorbestimmten Wert zu setzen. Die Baugruppen (22), (23) und (26) können ganz oder zum Teil am Trägerplättchen (1) aufgebondet sein. Die Meßteilung (6) und die Referenzteilung (8) können Linearteilungen oder auch Bogenteilungen bzw. Kreisteilungen sein. Selbstverständlich sind für verschiedene Aufgaben verschieden große Teilungen und verschiedene Teilungsmuster einsetzbar. Durch mehrere Teilungsspuren und entsprechend abgestimmte Ableseeinheiten (2 - 7) kann man auch Analogmessungen vornehmen. Zur Beleuchtung der Referenzmarkenteilung (8) und der Meßteilung (6) dient wenigstens eine Fotodiode, die bei der Abtastung im Durchlichtverfahren an der gegenüberliegenden Seite des dann transparent ausgebildeten, die Teilungen (6) und (8) tragenden Trägers und bei einer Beleuchtung mit Auflicht an der gleichen Seite der Teilungen wie die Abtasteinheiten, gegebenenfalls am Träger (1) angebracht wird. Im letzteren Fall ist der Teilungsträger zwischen den Schwarzfeldem refleküerend ausgebildet. PATENTANSPRUCH Lagemeßsystem, insbesondere inkrementales Lagemeßsystem, mit einem eine Meßteilung aufweisenden Maßstab und einer relativ zu diesem verstellbaren optoelektronischen Abtasteinheit für die Erzeugung von der Weiterverarbeitung zuführbaren, insbesondere für die Steuerung einer Anzeigeeinrichtung verwendbaren Abtastsignalen, welche Abtasteinrichtung Beleuchtungseinrichtungen und photoelektrische Empfänger aufweist, wobei die Empfänger jeweils ein beleuchtetes, über mehrere Inkremente reichendes Ablesefeld auf der Meßteilung erfassen und ihre Beleuchtung sich bei der Verstellung abhängig vom jeweiligen Überdeckungszustand des Meßteilungsteilstückes im Ablesefeld mit einem über das Ablesefeld reichenden, die Form eines Meßteilungsteilstückes aufweisenden Ablesemuster periodisch ändert, so daß sie entsprechende Abtastsignale erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Ablesemusters die lichtempfindliche Schicht jedes photoelektrischen Empfängers (2 bis 5, 7) selbst in Form von lichtempfindlichen Streifen vorgesehen ist, zwischen denen nicht lichtempfindliche Streifen (18 bis 21) liegen, wobei vorzugsweise alle photoelektrischen Empfänger (2 bis 5, 7) einer Abtasteinheit als photoelektrische Beschichtung auf einem gemeinsamen Träger (1), insbesondere einem Siliziumplättchen angebracht sind und jeder photoelektrische Empfänger ein z. B. rechteckiges Feld aufweist, aus dessen photoelektrischer Beschichtung das Ablesemuster durch Ritzung, Herausätzen oder Herausbrennen von Beschichtungsbereichen gebildet ist. Hiezu
2. 2 Blatt Zeichnungen -4-