CN100385206C - 位置测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于产生一个测量信号的位置测量装置，它具有一个径迹(12)，该径迹具有一个沿着测量方向(x)延伸的具有一个确定的刻度循环段(TP_IWC)的微差刻度(13，14)，该装置在一个基准位置(X_REF)上具有至少一个微差刻度(13，14)的中断用于产生一个基准信号(REF)并且该装置具有一个沿着测量方向(x)相对于径迹(12)移动的扫描单元(2)用于扫描微差刻度(13，14)，其中至少一个中断通过一个垂直于测量方向(x)延伸的微差刻度(13，14)的横向子结构的改变构成，它由源自扫描单元(2)的射线束(S)折射，其中在中断上的折射方向不同在微差刻度(13，14)的另一部位中的折射方向并且其中扫描单元(2)具有至少一个基准脉冲-检波器元件(25.1，25.2；25.4，25.5)，它为了接收一个射线束(S_T1，S_T2)配有不同的折射方向。按照本发明规定，在基准脉冲-检波器元件(25.1，25.2；25.4，25.5)前面在各折射的射线束(S_T1，S_T2)光程中设置至少一个成像镜组(20)。

Description

位置测量装置

技术领域

本发明涉及一种用于产生测量信号的位置测量装置。

背景技术

这种位置测量装置包括一个径迹，它具有一个沿着测量方向延伸的具有一个确定刻度循环段的微差刻度，该装置在至少一个基准位置上设有一个中断用于产生一个基准信号，还具有一个沿着测量方向相对于径迹移动的扫描单元用于(光电地)扫描径迹。在此，中断通过垂直于测量方向延伸的微差刻度的横向子结构的改变构成，它使源自扫描单元的射线束(通过衍射)通过垂直于测量方向(横向)的分量折射，其中折射方向在中断处不同微差刻度其它部位中的折射方向并且其中扫描单元具有至少一个基准脉冲-检波器元件、最好是至少两个基准脉冲-检波器元件，它们为了接收射线束配有不同的折射方向。

在此横向子结构相对于测量方向的垂直延伸段不是强制地使横向子结构必需精确地垂直于测量方向延伸。而是仅要求横向子结构在其曲线中具有至少一个分量垂直于测量方向。

由WO 03/021185 A1已知一种上述形式的位置测量装置。已知的位置测量装置为了产生循环段的微差信号以及一个基准脉冲信号由一个具有一个径迹的标尺组成，在径迹中构成一个循环段的微差刻度，它具有一定的微差刻度循环段，微差刻度沿着测量方向延伸并且在至少一个确定的基准位置上具有一个相对于光特性的中断用于产生基准脉冲信号，该位置测量装置还具有一个扫描单元，它相对于标尺在测量方向上在一定的测量段上移动并且它除了一个光源以外还包括多个检波器元件用于光电地扫描。在此微差刻度在测量段的第一截段具有一个第一横向子结构，它产生的射线束在至少第一空间方向上折射；并且微差刻度在测量段的第二截段中具有一个第二横向子结构，它产生的射线束在折射一个第二空间方向上折射，该空间方向与第一空间方向不同，因此在第一与第二截段之间的过渡区中呈现一个与微差刻度横向子结构的光学折射作用有关的中断。在此在不同的的空间方向上在扫描单元一侧分别设置基准脉冲-检波器元件，在其上产生基准脉冲分信号，通过其处理产生基准脉冲信号。

也可以选择使用多个(至少两个)基准脉冲-检波器元件，其中对每个不同折射方向的射线束设置一个基准脉冲-检波器元件，上述形式的位置测量装置也可以通过一个基准脉冲-检波器元件驱动，它对应于一个具有不同折射方向的射线束。然后根据这个唯一基准脉冲的点亮和不点亮可以确定，是否正好越过基准脉冲。

对于已知的位置测量装置基准脉冲信号的产生由一个组合在微差径迹中的基准标记导出。为此要被扫描的微差刻度刻度线沿着其延伸方向(垂直于测量方向)具有一个横向的结构(所谓的横向子结构)。刻度线的侧面限制线在纵向上通过一个确定的横向的刻度循环段循环段地改变。在至少一个基准位置上横向刻度循环段变化并且基准标记通过这个跳越位置确定。

横向子结构影响到在其上产生的射线束在横向方向(垂直于测量方向)上的折射(通过衍射)。在此折射的梯度取决于各横向刻度循环段并且因此在由刻度循环段跳越位置构成的基准循环段上变化。对于不同的横向刻度循环段分别在空间上附设一个光电形式的确定的检波器元件。在穿过基准位置的情况下在标尺相对于位置测量装置的扫描单元相对运动时使折射方向这样改变到射线束上，使各其它的检波器元件被加载。如同在WO 03/02 1185 A1中描述的那样，由在至少两个检波器元件上的信号曲线(基准脉冲刻度信号的曲线)能够通过信号错接导出一个基准脉冲信号。

将基准标记集成在微差径迹中的优点是，在装配相应的位置测量仪时允许较大的装配误差。在此通过由WO 03/02 1185已知的布置能够保证，微差信号不受基准标记的干扰。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，在基准脉冲信号的空间分辨率方面改进上述形式的位置测量装置。

这个技术问题按照本发明的位置测量装置得以解决。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于产生测量信号的位置测量装置，其具有：一个径迹，它具有一个沿着测量方向延伸的具有一个确定的刻度循环段的微差刻度；在一个用于产生一个基准信号的基准位置上微差刻度的至少一个中断；和一个沿着测量方向相对于径迹移动的扫描单元，用于通过射线束来扫描微差刻度。其中，所述至少一个中断通过垂直于测量方向延伸的微差刻度的横向子结构的改变构成，用于折射源自扫描单元的射线束，其中在中断处的折射方向不同于微差刻度的其它部位中的折射方向，并且扫描单元具有至少一个基准脉冲检波器元件，它为了接收一个射线束设有不同的折射方向。其特征在于，在基准脉冲检波器元件前面在各折射的射线束的光程中设置了至少一个成像镜组。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于在使用一个径迹的条件下进行位置测量的方法，该径迹具有一个沿着测量方向延伸的具有一个给定刻度循环段的微差刻度，并且该径迹在至少一个基准位置上设有一个中断以用于产生一个基准信号，该中断通过垂直于测量方向延伸的径迹横向子结构的改变构成。其中，所述径迹沿着测量方向相对于一个扫描单元移动并借助这个扫描单元扫描；源自扫描单元的射线束通过中断折射；所述折射在中断位置上不同于径迹其它部位上的折射方向；和所述扫描单元具有至少一个基准脉冲检波器元件，通过它使不同折射方向的一个射线束被接收。其特征在于，已折射的射线束在出射前借助一个成像镜组偏转到各基准脉冲检波器元件上。

因此规定，在(横向)折射的、用于产生基准脉冲信号的射线束的光程中设置一个成像镜组。

由此能够这样改善产生基准脉冲信号时的空间分辨率，使它对应于产生微差信号时的空间分辨率。

所述成像镜组用于使分别通过扫描单元照射的具有微差刻度的径迹区域在给定成像面上的成像并为此在第一扫描板上具有至少一个圆柱透镜、尤其是菲涅耳-圆柱透镜。按照本发明的一个改进方案为此也可以具有两个先后设置在折射射线束光程中的圆柱透镜，它们构成一个圆柱望远镜，由此能够实现一个相应较大的成像比例。

在成像面中在第二扫描板上具有至少一个缝隙，在该缝隙上出现各射线束的射线(在通过至少一个菲涅耳-圆柱透镜的变换作用后)并且缝隙将来自射线束的射线以不同的折射方向(通过衍射)输送到不同的基准脉冲检波器元件。

在此在各缝隙的延长方向上观察，不同折射的射线束射线在至少一个缝隙的不同位置上产生，其中至少一个缝隙垂直于测量方向延伸。

按照本发明的一个实施例，所述成像面与基准脉冲检波器元件间隔距离地设置在射线束的光程中。按照另一实施例，基准脉冲检波器元件基本上位于成像面中，因此相应的缝隙直接通过光元件(例如与这些元件立体连接)设置。

微差刻度本身最好通过循环段地先后设置的并且通过中间区相互隔开的标记(刻度线形式)构成。这里一个周期性的布置可以理解为这样一种标记布置，这种布置例如具有一个不变的(通过刻度循环段确定的)中心距离或其它明确定义的周期性重复的距离。所以周期性的概念在此不能理解为，微差刻度总体上、包括各标记的形式必需沿着测量方向形成一个完全周期性的图形。因为这样的周期性在本发明的范围里已经不出现，因为为了形成一个基准标记在至少一个基准位置上必需在微差刻度中规定相应的中断位置。

微差刻度的各标记最好在垂直于测量方向的方向上(作为刻度线)延伸并沿着测量方向先后地设置。

所述横向子结构最好通过标记长边的调制构成，尤其是以一个(周期性的)标记宽度调制的方式给出，并且最好以正弦函数为基础。

为了获得不同折射的射线束，横向子结构的改变可以通过这种方式实现，至少一个标记长边的调制与另一标记相比改变，尤其是通过改变一个周期性调制的循环段。

按照本发明的一个实施例，微差刻度的一个标记精确地具有一个横向子结构，它不同其它标记的横向子结构并且为了形成一个基准标记或为了在基准位置上产生一个基准信号脉冲定义一个中断。

按照本发明的另一实施例，为了形成中断，在基准位置的周围设置多个具有横向子结构的标记，它们不同微差刻度其余标记的横向子结构，其中相邻标记之间的距离通过不同的横向子结构这样区分，不多次出现相邻标记之间具有不同横向子结构的同一距离。对于这个实施例缝隙的数量在成像面最好等于具有不同横向子结构的标记的数量。各缝隙之间的距离在此根据上述标记之间的距离考虑到成像镜组的其它几何尺寸、如焦距的条件下确定。

按照本发明的第三实施例通过扫描单元扫描的并具有微差刻度的径迹具有至少两个扇区，其中在至少两个扇区的每个扇区中具有另一横向子结构。在这种情况下在至少一个基准位置上的中断通过从一个扇区过渡到径迹的另一扇区来定义。

按照本发明的另一实施例，为了沿着不同横向子结构的测量方向形成一个具有绝对位置信息的编码这样分布径迹，使一个编码相应地给出一个PRC编码。在此分别对所有具有一致的横向子结构的标记长边设置一个确定的检波器元件。如果例如为了形成编码仅使用两个不同类型的横向子结构，它们相应地分布在各标记的(长边)上，则需要两个检波器元件，其中对两种类型的横向子结构的一个横向子结构设置一个检波器元件。

相应的检波器元件在这种情况下优选分别通过一个有效表面的周期性布置构成，该表面用于接收各射线束。

对于本发明的所有实施例，不同的基准脉冲检波器元件优选以推挽式相互错接，以便由各基准脉冲检波器元件上的输出信号(基准脉冲分信号)形成一个继续传导的基准脉冲信号。

因为根据横向子结构的横向折射作用，被折射的光线也按正的和负的衍射结构(并且不仅按位于各位置上的横向子结构的形式)分解，产生两个衍射分支，在其中分别优选配有一个上述形式的成像镜组。

在此在一个衍射分支中延伸的射线束，按照折射方向引起的通过不同的横向子结构传导到一个由多个为此所规定的基准脉冲检波器元件上。在另一衍射分支中与整个射线束相比与其折射方向无关地输送到一个统一的检波器元件，该元件用于产生一个恒定强度的不变光位。在此上述的检波器元件不必强制地通过一个唯一的立体的检波器装置构成。而取决定性作用的是，相应的检波器元件这样构成，使得它由所产生的射线束产生一个信号，该信号与空间分布无关地对应于相应射线束的全部射线，并且与在另一衍射分支中的情况一样，基本上与射线束的空间分布无关。

由上述检波器元件产生的不变光位为了形成基准脉冲信号与各基准脉冲检波器元件的输出信号(基准脉冲分信号)逻辑连接，例如通过一个比较电路。

本方法的优选改进方案在下文中给出。

附图说明

本发明的其它特征和优点在下面借助于附图的实施例描述中给出。

附图中：

图1为位置测量装置的立体图，它具有一个由刻度盘构成的标尺和一个扫描单元用于光电地扫描标尺，包括扫描时产生的射线束；

图2a为在刻度盘上具有的微差刻度径迹的一部分；

图2b为位置测量装置的扫描板，用于使用在图2a中所示形式的径迹；

图3a为图2a中径迹的第一种变化；

图3b为位置测量装置的扫描板，用于使用按照图3a的径迹；

图4a为图2a所示径迹的第二种变化；

图4b为位置测量装置的扫描板，用于使用按照图4a的径迹；

图5以简化侧视图示出按照图1的位置测量装置的原理图；

图6a至6c为不同的基准脉冲信号，它们可以通过图1至5所示的装置产生；

图7为一个用于错接位置测量装置的检波器元件的连接装置；

图8为一个检波器元件，用于使用构成位置测量装置的一个径迹作为具有绝对位置信息的编码径迹；

图9a为图4a中径迹的一个改进方案；

图9b为一个扫描板用于使用具有图9a的径迹的位置测量装置；

图10为一个基准脉冲总信号，它可以通过一个位置测量装置在使用按照图9a和9b的径迹时产生；

图11为图2b，3b，4b和9b的扫描板的一个变化，它包括菲涅耳-圆柱透镜。

具体实施方式

在图1中简示出一个位置测量装置的实施例，它作为角度测量装置用于获得两个围绕一个旋转轴线10可相互旋转的物体的旋转运动(即旋转角)。该位置测量装置包括一个标尺1以及一个相应的扫描单元2，它们分别与两个可相互旋转物体中的一个物体连接。测量方向x，两个物体沿着该方向相对运动(即在本例中可旋转)，该测量方向圆形地、即对于旋转轴线10旋转对称地延伸。

所述标尺1是刻度盘，它由一个圆形玻璃载体部件11构成，在其上在圆周方向上圆形地设置具有一个微差刻度的径迹12。所述微差刻度由许多沿着测量方向x以一个微差刻度循环段周期性地先后设置的标记13组成，它们与位于两个标记13之间的中间区14的光学特性(例如光通过性)不同。所述标记13和位于其间的中间区14分别具有一个沿着一个径向相对于旋转轴线10延伸的方向y的纵向延展，该方向垂直于测量方向x延伸。

由标记13和位于其间的中间区14构成的微差刻度由透光相刻度构成，即，相互衔接的标记13和中间区14分别对透穿的射线束具有一个不同的移相的光学作用。为了形成一个微差刻度(对于入射光或透射光)，也可以选择不用相刻度，而使用一个所谓的振幅刻度。

设置在两个相对运动(尤其是可相对旋转)物体中的另一物体上的扫描单元2具有一个光源21形式的射线源还有一个成像镜组20，通过由光源21发出的射线S在与刻度盘1的径迹12相互作用后传导到不同的检波器元件24.1，24.2，25.1，25.2，25.3，它们用于产生扫描信号。

为了获得在准直的射线束S(以一个激光二极管形式作为光源21产生的激光射线)相互作用时通过径迹12的微差刻度产生的周期性微差信号使用三个微差信号检波器元件，其中在图1中仅可以看出两个微差信号检波器24.1，24.2。所述微差信号检波器24.1，24.2可以通过已知的方式由所谓的纹理检波器构成或者也可以选择由多个单个光学元件的布置构成。

借助于三个微差信号检波器元件(24.1，24.2)通过已知的方式和方法产生三个相互间120°移相的微差信号，它们又对于两个以90°相互移动的微差输出信号错接。下面为简单起见只讨论(周期性的)微差信号。

另一检波器元件25.1，25.2，25.3则是基准脉冲检波器元件，在其上产生基准脉冲分信号REF₁，REF₂或REF₃，由其中以下面还要解释的方式产生一个基准脉冲信号。所述基准脉冲检波器元件25.1，25.2，25.3最好由光学元件构成。

由位置测量装置产生的微差信号和基准脉冲信号被输送到一个在图1中未示出的评价单元，例如一个数字机床的控制器，用于继续加工。

下面详细描述在图1中示出的位置测量装置的功能。

一个由激光二极管形式的射线源21产生的射线束S以一个准直激光射线的形式在由刻度盘构成的标尺1上产生具有微差刻度13，14的径迹12。为了产生微差信号所产生的射线束S通过衍射在微差刻度上在测量方向x(轴向)分解成两个分射线束S₊₁和S_-1(在图2中不能看出)，它们对于第一和负的第一衍射装置并且它们在两个不同的空间方向上扩展。在扫描单元一侧两个分射线束S₊₁和S_-1分别在第一扫描板22的一个扫描格栅(1∶1分布；180°相升程)形式的扫描刻度22.1，22.2上产生。由第一扫描板22的扫描刻度22.1，22.2，两个分射线束S₊₁和S_-1重新通过衍射折射，因此它们在一个扫描格栅形式的第二扫描板的平面中在一个扫描刻度23.1(1∶1分布；120°相升程)上相遇。在那里各第一衍射装置相互间搭接以及一个零位的衍射装置通过一个第二衍射装置搭接。三个由此产生的分射线束分别在一个光学元件形式的检波器元件24.1，24.2(第三检波器元件在图1中被遮盖)上产生。干涉的第一衍射装置以及干涉的零位的和第二的衍射装置的相位在此分别错置120°。因此对于一个刻度盘形式的标尺1相对于扫描单元2的相对运动产生三个120°相互移相的信号，它们在电上这样错接，使得由此获得一个正弦信号以及一个余弦信号。

对于这种位置测量装置的其它细节请参阅WO 03/021185 A1，可以引用与此相关的全部内容。

除了上述周期性的微差信号以外通过在图1中所示的位置测量装置还能够在至少一个由一个中断构成的基准位置上沿着径迹12产生一个基准脉冲信号。借助于这个基准脉冲信号可以在测量期间建立一个绝对基准，后面的微差测量可以以它为基准。

为此存在微差刻度13，14的这样一种结构，以便能够通过至少一个光学特性方面的中断在至少一个基准位置上产生一个基准脉冲信号。

如同借助于图1并结合图2a可以看到的那样，所述微差刻度13，14由周期性的以微差刻度循环段TP_INC在测量方向x上先后设置的标记13组成，在其间设置中间区14，该中间区在一定的光学特性上与标记13不同。所述标记13和位于其间的中间区14根据刻度线的形式纵向沿着垂直于测量方向x延伸的(径向)方向y构成。

由具有这种微差刻度13，14的径迹12能够获得基准脉冲，它对于较大的径向上的安装误差也允许对应于一定的(修正的)微差信号的信号周期。为此所述基准脉冲信号必需在由刻度盘构成的标尺1上与微差信号截取相同的位置，而不会由于形成基准脉冲信号影响(调制)微差信号TP_INC的强度。

如图1和2a所示，这一点可以通过产生一个基准脉冲信号通过周期性调制的标记和中间区13，14实现。相应地各标记13和中间区14分别具有一个基本上正弦形的循环段为TP_TRANS.1的宽度调制。所述标记13和中间区14的宽度调制起到使第一和负的第一衍射结构的一部分射线(以光线的形式)在标记13和中间区14的纵向y上(横向)折射，即，垂直于纵向，沿着该方向射线S为了获得微差信号分解成两个分射线束S₊₁和S_-1。光线横向衍射的角度在此取决于宽度调制的循环段长度TP_TRANS.1。

在图2a中示出的最简单的实施例中，一个标记13’的长边和相应的直接紧邻的中间区14的一个长边通过一个不同的循环段长度TP_TRANS.2调制。在这种情况下纵向衍射图像在第一横向衍射结构中基本对应于一个缝隙的衍射图像，其宽度2×a_mod两倍于标记13和中间区14宽度调制的振幅a_mod。在此涉及到衍射结构的连续性，即，一个相应分格的射线，它被输送到一个菲涅耳-圆柱透镜22.3的第一扫描板22上。由此使构成分格射线的衍射结构的连续性又搭接在第二扫描板23的平面中。

两个扫描板22和23在前面和背面都设有同一种衬底。

根据首先发散然后通过菲涅耳-圆柱透镜22.3又汇聚的射线是否通过与具有常见循环段TP_TRANS.1宽度调制的标记13或中间区14相互作用或者是否通过与具有宽度调制的不同循环段TP_TRANS.2的标记13’或中间区14’相互作用折射到横向方向，相应的射线S_T1或S_T2在第一高度h₁或第二高度h₂出现在第二扫描板23上。在此高度h₁或h₂可以分别理解为激光射线形式的原始射线束S垂直于其扩展方向的距离。

因此这种标记13和中间区14的缝隙图像，它们通过常见的循环段TP_TRANS.1宽度调制，出现在第一高度h₁里面而通过不同的循环段TP_TRANS.2在标记13’或相应的中间区14’的长边上引起的那个缝隙图像的图像出现在第二扫描板23上的一个与其不同的第二高度h₂里面。

在图1中为了清晰起见，在由刻度盘构成的标尺1与第一扫描板22之间未示出的原始的由光源21以激光二极管形式产生的射线束S分解成两个射线束，根据同样平面扫描的微差宽度的信号循环段是否具有一个中断。为此请参阅图5的简示图，它示出各射线束S_T1，S_T2在标尺1与各检波器元件25.1，25.2之间的过程曲线。

当然在位置测量装置的实际运行中根据实际扫描的微差刻度截段是否具有一个中断，只存在两个折射射线束S_T1，S_T2中的一个射线束。在图1和5中一起示出两个射线束S_T1，S_T2，用以表明按照本发明的位置测量装置的功能，尤其是关于两个射线束S_T1，S_T2的不同折射方面。

在第二扫描板23上具有一个缝隙23.2，它这样设置在第二扫描板23上并在那里以这样的长度延伸，在这个长度上不仅产生在第一高度h₁中出现的射线束S_T1，而且产生在第二高度h₂中出现的射线束S_T2。通过这个缝隙22.3使射线这样横向衍射，使一个光学元件形式的第一检波器元件25.1只被射线束S_T1到达，它们源于在刻度盘形式的标尺1上与常见的、第一横向循环段TP_TRANS.1的标记13和中间区14的相互作用，而对于一个光学元件形式的另一检波器元件25.2只有那些射线S_T2到达，它们源于与标记13’和相应的中间区14’的相互作用，在其一个长边上具有宽度调制的一个不同的横向循环段TP_TRANS.2。换言之，第一检波器元件25.1总是通过射线S_T1照射，当标尺1位于一个位置的时候，在该位置标记13’和相应的中间区14’以不同的横向循环段TP_TRANS.2不照射在一个长边上。相应地第二检波器元件25.2总是被照射，当这个标记13’以及相应的中间区14’以不同的横向循环段TP_TRANS.2准确地照射(在一个长边上)的时候。

通过两个检波器元件25.1和25.2的推挽式错接在超过基准位置X_REF时出现一个特征的在图6a中所示的信号曲线，在基准位置旁边标记13’的长边以不同的横向循环段TP_TRANS.2延伸。

如果第一扫描板22和第二扫描板23在前面和背面构成同一个由玻璃制成的衬底，在检波器元件25.1，25.2上达到上述特性的修正条件就能够满足下列的数学公式。这样设计结构的焦距，使它在第二扫描板23的缝隙23.2上在由刻度盘构成的标尺1的扫描范围中对应于一个缝隙的投影，即，

$\frac{1}{f}=\frac{1}{a}+\frac{1}{b}.$

在此a和b是平均距离，它们是由于衍射横向折射的射线S_T1或S_T2从由刻度盘构成的标尺1直到第一扫描板22上的菲涅耳-圆柱透镜22.3的距离或者从第一扫描板22上的菲涅耳-圆柱透镜22.3直到第二扫描板23上的缝隙23.2的距离。参数a和b可以通过由激光射线构成的原始射线束S的波长、由由刻度盘构成的标尺与第一扫描板22之间的距离d₁以及由第一扫描板22与第二扫描板23之间的距离如下式计算出来：

$a=\frac{1}{2}\frac{d_1}{\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{TP}}_{\mathrm{TRANS}.1}}\right)}^2}}+\frac{1}{2}\frac{d_2}{\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{TP}}_{\mathrm{TRANS}.2}}\right)}^2}}$

$b=\frac{1}{2n}\frac{d_2}{\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{nTP}}_{\mathrm{TRANS}.1}}\right)}^2}}+\frac{1}{2n}\frac{d_2}{\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{nTP}}_{\mathrm{TRANS}.2}}\right)}^2}}$

此外，纵向投影比例为-b/a。

为了使所产生的信号尽可能地与具有微差信号信号循环段(半刻度循环段)的循环段干扰信号无关，在第二扫描板23上的缝隙23.2的宽度优选如下选择：

B_spalt＝P_sig×b/a，

其中P_sig为上述的信号循环段。

按照上述在图1，2a，2b，5和6a中所述的位置测量装置的一个改进方案，一个微差刻度13，14的多个标记13”可以分别在一个长边上具有一个不同的横向循环段TP_TRANS.2，参照图3a，在那里这一点对应于三个标记13”的情况。在第二扫描板23上的图像在第二高度h₂中对应于一定数量缝隙的衍射图像，缝隙的数量与不同的横向循环段TP_TRANS.2的长边的数量一致。在第一高度h₁上在测量方向x上那些位置被照射，它们在第二高度h₂中保持不照射，反过来也是一样。

这样选择标记13”的长边之间与不同的横向循环段TP_TRANS.2的距离n×SP，使相邻长边之间与不同的横向循环段TP_TRANS.2分别存在不同的距离，即同一个距离不多次出现，参见图3a。

按照图3b多个缝隙23.2位于第二扫描板上，其数量与不同的横向循环段TP_TRANS.2的长边的数量一致。在第二扫描板23上的相邻缝隙23.2之间的距离在此等于相邻长边之间与不同的横向循环段TP_TRANS.2的相应距离的-b/a倍。如果由刻度盘构成的标尺1优选在扫描单元2位置上位于信号循环段内部，在该循环段中产生基准信号，作为第二扫描板23的所有缝隙23.2在高度h₂中被照射并且通过缝隙23.2透过的光线落到从属的检波器元件25.2上。另一检波器元件25.1不被照射。在所有其它的信号循环段中在第二高度h₂一个缝隙被最大地照射，即，只有这样的射线落到相应的检波器元件25.2上，它事先在径迹12上通过最高的一个长边与不同的横向循环段TP_TRANS.2相互作用，而其它的射线出现在另一检波器元件25.1上。由此使有效信号的大小提高系数j-1，其中j为具有不同的横向循环段TP_TRANS.2的长边的数量或者第二扫描板23上的缝隙23.2的数量。对于j的数值大于或等于3基准脉冲信号也还可以允许被识别，当标记13”的一个长边被不同的横向循环段TP_TRANS.2污染的时候。在图6b中示出对于j＝3得到的信号曲线。

在图4a中示出一个关于形成由宽度调制的标记13a，13b构成的径迹12的实施例，它除了产生基准脉冲信号以外也允许形成一个所谓的人为(Homing)信号，以便在接通位置测量装置后对于一个基准移动能够选择一个一定的、给定的旋转方向。据此通过刻度盘构成的标尺1包括至少两个在圆周方向上先后设置的扇区1a，1b，它们区分成其各标记和中间区13a，14a或13b，14b的横向循环段TP_TRANS.1或TP_TRANS.2。与标记13a和13b以及中间区14a和14b不同的扇区1a或1b的横向折射被不同的检波器元件25.1或25.2(参照图1和5)检波。在两个扇区1a和1b之间的过渡区上产生借助于图6c形成的信号曲线，当将两个由光学元件构成的检波器元件25.1和25.2以推挽相互错接的时候。

按照图4b对于所示实施例第二扫描板23包括一个缝隙23.2，它与借助于图2所述的实施例的相应缝隙23.2一致。

与上述实施例一样，所述电路分别以这种方式构成，两个检波器元件25.1和25.2由光学元件构成并推挽式相互错接。对两个波器元件25.1，25.2后置一个电流/电压-变换器28.1以及一个放大器29.1，其输出信号(由两个检波器元件25.1，25.2的基准脉冲分信号REF₁，REF₂产生)作为基准脉冲信号和REF_S输送到一个比较电路30。另一方面一个不变光-光学元件形式的另一检波器元件25.3(具有一个输出信号REF₃)产生的并通过一个后置的电流/电压-变换器28.3和一个放大器29.3扩展的不变光-信号REF_G输送到比较电路30。由此调整到比较电路30触发点的高度。

关于通过不变光检波器元件25.3产生不变光信号REF_G可以由图1至5得出，上述射线束S_T1，S_T2由于对于用于产生微差信号的分射线束S₊₁以及S_-1的两侧结构的对称性产生，它们分别在第二扫描板23的第一高度h₁或第二高度h₂在至少一个缝隙23.2处产生并且它们接着传导到两个相应的检波器元件25.1，25.2一个或另一个上。如上所述，在源自具有不同横向循环段TP_TRANS.1或TP_TRANS.2的标记的射线束S_T1，S_T2被传导到不同的检波器元件25.1和25.2期间，在另一例相应的射线束通过第一扫描板22的一个菲涅耳-圆柱透镜22.4和第二扫描板的至少一个后置的缝隙23.3输送到一个不变光-检波器元件形式的单个检波器元件25.3，用以产生上述的不变光-信号REF_G。换言之在两个产生的衍射分支的一个分支中具有两个检波器元件25.1，25.2，它们相应于不同的横向循环段TP_TRANS.1和TP_TRANS.2，在另一衍射分支中相应地具有以唯一的面检波器元件25.3，它用于产生一个恒定强度的不变光位形式的不变光信号REF_G，它按照图7在比较电路30中与通过上述检波器元件25.1，25.3产生的基准脉冲总信号REF_S逻辑连接。

最终由这个逻辑连接产生所期望的基准脉冲信号，如同例如在图6c中对于通过一个刻度盘构成的标尺1分成至少两个扇区1a，1b的情况所示的那样。如果在此基准脉冲总信号REF_S位于数值之间，这些数值对于在一个扇区1a中的横向循环段TP_TRANS.1所期望的或者对于在另一扇区1b中的横向循环段TP_TRANS.2所期望的，则对于比较电路30给出一个相应的基准脉冲信号REF，它表示，标尺1相对于扫描单元2的位置位于由从一个扇区1a过渡到另一扇区1b所表征的信号循环段里面。

在此也可以提高有效信号的数值。在图9a和9b中示出一个相应的实施例。在此在由刻度盘构成的标尺1的两个扇区1a，1b之间的过渡区中具有两个标记13”，它们分别具有一个具有第一横向循环段TP_TRANS.1的长边和一个具有第二横向循环段TP_TRANS.2的长边。

对具有不同横向循环段TP_TRANS.1或TP_TRANS.2的标记13a，13b以及对一个在每个长边上具有另一横向循环段TP_TRANS.1或TP_TRANS.2的标记13”的两个长边在一个衍射分支中分别附设两个检波器元件25.1和25.2的另一检波器元件。为了使相应的基准脉冲总信号REF_S，其曲线在图10中表示，在两个扇区1a，1b之间的过渡区外部不超过阈值，该阈值对于一个扇区1a的横向循环段TP_TRANS.1有效或者不超过一个阈值，该阈值对于另一个扇区1b的横向循环段TP_TRANS.2有效，所述扫描板具有设置在相应缝隙23.2旁边的窗口23.4，23.5，它们还透穿其它(上述的由与其它标记、如径迹12的标记13a，13b的三个长边的相互作用)的射线。

在图9a和9b中可以看出窗口23.4，23.5的大小以及其相对于各缝隙23.2的位置，取决于微差刻度的信号循环段SP。

通过构成基准脉冲信号的两个扇区1a，1b之间的过渡区在一侧上具有第一横向循环段TP_TRANS.1的标记的至少第二长边的横向衍射的光线出现在第一检波器元件25.1上，而在另一侧具有第二横向循环段TP_TRANS.2的标记的至少两个长边的横向衍射的光线出现在第二检波器元件25.2上。在图10中示出由此产生的基准脉冲总信号REF_S的信号曲线。

与前面所述的实施例不同，能够使具有不同横向循环段TP_TRANS.1或TP_TRANS.2的标记不是成像在第二扫描板23上而是成像在一个任意的其它平面上，尤其是也可以成像在检波器元件25.1，25.2所在的平面上。在这种情况下有利的是，在第二扫描板23上代替至少一个缝隙23.2为了衍射横向折射光按照图11设置一个第二菲涅耳-圆柱透镜23.4。两个菲涅耳-圆柱透镜22.3，23.4构成一个望远镜，通过它在检波器元件25.1，25.2的平面上成像时能够实现较大的成像比例。

在上述实施例中分别位于第二扫描板23上的至少一个缝隙23.2的功能至少与直接在检波器元件25.1，25.2上的缝隙一致。光圈功能以相应的方式通过一个适当结构的传感器承担。其有效面积的形状与那个缝隙23.2的形状或上述实施例中那些缝隙23.2的形状相同。由此可以使位置测量仪以小的结构形状用于相对不精密的检测结构。

与上述结构对称地在这种情况下也延伸一个用于获得不变光线信号的光程，其中在这个光程中先后设置两个菲涅耳-圆柱透镜22.4，23.5并且对这个光程附设一个适当的光学元件25.3，在其上产生相应光程的两个衍射分支。

此外对一个微差刻度的标记13和中间区14的结构基础在使用不同的横向循环段TP_TRANS.1和TP_TRANS.2的条件下位置测量仪的结构能够具有绝对的位置信息。为此对应于一个PRC编码沿着测量方向x确定的标记长边配有至少一个不同的横向循环段TP_TRANS.2，而其余的长边具有常见的横向循环段TP_TRANS.1。通过不同的横向循环段TP_TRANS.2产生的缝隙图像通过上述的望远镜镜组以两个先后设置在光程中菲涅耳-圆柱透镜为基础在一个ASIC上成像，如图8所示那样。具有一个常见横向循环段TP_TRANS.1的标记长边在ASIC的第一有效面积25.4上成像，而具有不同的横向循环段TP_TRANS.2的长边调制地在ASIC的第二有效面积25.5上成像。ASIC的第一和第二有效面积25.4，25.5以推挽式相互错接。

在此第一和第二有效面积25.4，25.5分别由以一个循环段P周期性地先后设置的分面积组成。在此相应的循环段P由所使用的望远镜镜组的成像比例与信号循环段的乘积得出。由使推挽错接的输出信号有效的面积副通过一个表格求得标尺1相对于扫描板2的各绝对位置。

按照另一变型构成微差径迹的标记也可以配有三个或多个不同的横向循环段。由此可以将一个绝对编码分布在两个径迹上。这一点能够实现相对较长测量行程的编码以及对于改善可靠性得到较高的冗余量。

对于上述实施例微差刻度分别由透光刻度或相阵构成。在本发明范围里也可以选择使用振幅格栅或振幅格栅结构。代替一个透光系统同样可以使用一个发光系统。

所述微差刻度的横向子结构在所有所述情况中通过标记13和中间区14的宽度调制构成。它们在其长边上分别具有一个周期性的、正弦的沿着其各纵向y的轮廓界线。轮廓界线的循环段对应于各横向循环段TP_TRANS.1和TP_TRANS.2。由于这个横向子结构除了用于产生微差信号的射线束在测量方向x上的纵向折射或分解以外还引起用于产生基准脉冲REF所需的横向折射。

在此正弦形轮廓界线的特殊优点在于，微差信号的强度不会由于基准脉冲信号的产生受到太大的影响。其原因是第一和负的第一纵向衍射结构在横向格栅结构地点上的微弱场强。正弦形轮廓界线在测量方向x的延展、即各正弦函数的调制振幅确定光强对于基准标记和微差信号扫描所产生的分射线束的分布。这种分布特性能够通过选择正弦函数的调制循环段进行调整。

与正弦形构成的轮廓界线不同也可以使用其它的周期性的横向子结构，其中标记的长边(轮廓界线)例如三角形地构成。此外轮廓界线或标记长边的调制振幅可以选择得这样大，使在测量方向x上相邻的标记接触并产生一个具有菱形结构的交叉格栅。

此外各标记的横向子结构、尤其是相对于非常短的调制循环段可以由此构成，所述标记沿着其纵向y(垂直于测量方向)由许多沿着纵向y先后设置的分标记构成。在透光刻度的情况下例如在各标记的纵向y上信号衔接周期性的(交替的)先后设置的透光和不透光的分标记。由此也能够实现所致力的垂直于测量方向x的调制效果。

Claims (26)

1.一种用于产生测量信号的位置测量装置，具有

-一个径迹(12)，它具有一个沿着测量方向(x)延伸的具有一个确定的刻度循环段(TP_INC)的微差刻度(13，14)，

-在一个用于产生一个基准信号(REF)的基准位置(X_REF)上的微差刻度(13，14)的至少一个中断，和

-一个沿着测量方向(x)相对于径迹(12)移动的扫描单元(2)，用于通过射线束(S)来扫描微差刻度(13，14)，

其中，所述至少一个中断通过垂直于测量方向(x)延伸的微差刻度(13，14)的横向子结构的改变构成，用于折射源自扫描单元(2)的射线束(S)，其中在中断处的折射方向不同于微差刻度(13，14)的其它部位中的折射方向，并且

扫描单元(2)具有至少一个基准脉冲检波器元件(25.1，25.2；25.4，25.5)，它为了接收一个射线束(S_T1，S_T2)设有不同的折射方向，

其特征在于，在基准脉冲检波器元件(25.1，25.2；25.4，25.5)前面在各折射的射线束(S_T1，S_T2)的光程中设置了至少一个成像镜组(20)。

2.如权利要求1所述的位置测量装置，其特征在于，所述成像镜组(20)用于在给定的成像面上形成各通过扫描单元(2)辐射的径迹(12)范围的图像。

3.如权利要求1所述的位置测量装置，其特征在于，所述成像镜组(20)为了形成各通过扫描单元(2)辐射的径迹(12)范围的图像包括至少一个圆柱透镜。

4.如权利要求3所述的位置测量装置，其特征在于，所述圆柱透镜是菲涅耳圆柱透镜(22.3，23.4)。

5.如权利要求3所述的位置测量装置，其特征在于，所述成像镜组(20)包括至少两个在折射的射线束(S_T1，S_T2)的光程中前后设置的圆柱透镜。

6.如权利要求2所述的位置测量装置，其特征在于，在所述成像面中具有至少一个缝隙(23.2)，在该缝隙上产生折射方向不同的两个射线束(S_T1，S_T2)的射线，并且该缝隙将具有不同折射方向的射线束(S_T1，S_T2)的射线输送到不同的基准脉冲检波器元件(25.1，25.2；25.4，25.5)。

7.如权利要求6所述的位置测量装置，其特征在于，所述射线在不同的缝隙(23.2)位置上产生不同折射的射线束(S_T1，S_T2)。

8.如权利要求7所述的位置测量装置，其特征在于，所述不同折射的射线束(S_T1，S_T2)沿着缝隙(23.2)的长度方向(y)在不同位置(h₁，h₂)射出。

9.如权利要求6所述的位置测量装置，其特征在于，所述至少一个缝隙(23.2)在一个方向(y)上垂直于测量方向(x)延伸。

10.如权利要求2所述的位置测量装置，其特征在于，所述成像面与至少一个基准脉冲检波器元件(25.1，25.2；25.4，25.5)间隔开地位于射线束(S_T1，S_T2)的光程里面。

11.如权利要求2所述的位置测量装置，其特征在于，所述至少一个基准脉冲检波器元件(25.1，25.2；25.4，25.5)位于成像面内。

12.如权利要求1所述的位置测量装置，其特征在于，至少两个基准脉冲检波器元件(25.1，25.2；25.4，25.5)对于射线束(S_T1，S_T2)配有不同的折射方向，并且所述基准脉冲检波器元件(25.1，25.2；25.4，25.5)设置在一个平面内。

13.如权利要求1所述的位置测量装置，其特征在于，所述微差刻度(13，14)通过循环段地前后设置的刻度构成，在其间分别具有中间区(14)。

14.如权利要求13所述的位置测量装置，其特征在于，一个刻度(13’)精确地具有一个横向子结构，它不同于另一刻度(13)的横向子结构，并且确定了在基准位置(X_REF)上的中断。

15.如权利要求13所述的位置测量装置，其特征在于，在至少一个通过中断确定的基准位置(X_REF)的周围设置了多个(j)具有横向子结构的标记(13”)，它们不同于其余标记的横向子结构，并且确定了基准位置(X_REF)上的中断。

16.如权利要求13所述的位置测量装置，其特征在于，所述径迹(12)具有至少两个扇区(1a，1b)，其中在每个扇区(1a，1b)中设有微差刻度(13a，14a；13b，14b)的另一横向子结构。

17.如权利要求1所述的位置测量装置，其特征在于，通过垂直于测量方向(x)延伸的横向子结构从由扫描单元(2)发出的射线束(S)中构成两个衍射分支，其中包含在一个衍射分支中的、由横向子结构折射的射线束(S_T1，S_T2)输送到一个基准脉冲检波器元件(25.1，25.2；25.4，25.5)，而其中包含在另一衍射分支中的射线束一体地输送到另一检波器元件(25.3)。

18.如权利要求17所述的位置测量装置，其特征在于，所述另一检波器元件(25.3)用于产生一个不变光位。

19.如权利要求17所述的位置测量装置，其特征在于，所述基准脉冲检波器元件(25.1，25.3)的输出信号(REF₁，REF₂)为了产生一个基准脉冲信号(REF)而与另一基准脉冲检波器元件(25.3)的输出信号(REF₃)逻辑连接。

20.如权利要求19所述的位置测量装置，其特征在于，所述逻辑连接借助一个比较电路(30)实现。

21.如权利要求17所述的位置测量装置，其特征在于，在两个衍射分支的光程中具有一个成像镜组(20)。

22.一种用于在使用一个径迹的条件下进行位置测量的方法，该径迹具有一个沿着测量方向延伸的具有一个给定刻度循环段的微差刻度，并且该径迹在至少一个基准位置上设有一个中断以用于产生一个基准信号，该中断通过垂直于测量方向延伸的径迹横向子结构的改变构成，其中

a)所述径迹沿着测量方向相对于一个扫描单元移动并借助这个扫描单元扫描，

b)源自扫描单元的射线束通过中断折射，

c)所述折射在中断位置上不同于径迹其它部位上的折射方向，和

d)所述扫描单元具有至少一个基准脉冲检波器元件，通过它使不同折射方向的一个射线束被接收，

其特征在于，已折射的射线束(S_T1，S_T2)在出射前借助一个成像镜组(20)偏转到各基准脉冲检波器元件(25.1，25.2；25.4，25.5)上。

23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述已折射的射线束(S_T1，S_T2)通过衍射偏转。

24.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述产生被折射的射线束(S_T1，S_T2)的横向子结构借助成像镜组(20)在一个平面上成像。

25.如权利要求22所述的方法，在使用至少两个基准脉冲检波器元件(25.1，25.2；25.4，25.5)的条件下，其特征在于，通过垂直于测量方向(x)延伸的横向子结构由从扫描单元(2)发出的射线束(S)中构成两个衍射分支，其中包含在一个衍射分支中、由横向子结构折射的射线束(S_T1，S_T2)被输送到基准脉冲检波器元件(25.1，25.2；25.4，25.5)中之一，而其中包含在另一衍射分支中的射线束统一被输送到另一检波器元件(25.3)。

26.如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述基准脉冲检波器元件(25.1，25.3)的输出信号(REF₁，REF₂)为了产生一个基准脉冲信号(REF)而与另一基准脉冲检波器元件(25.3)的输出信号(REF₃)逻辑连接。

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