CN102997948A

CN102997948A - 旋转位置测量装置

Info

Publication number: CN102997948A
Application number: CN2012103382297A
Authority: CN
Inventors: U.本纳
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2011-09-13
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2032-09-13
Also published as: EP2570780B1; DE102011082570A1; US20130063732A1; EP2570780A2; EP2570780A3; US8937726B2; JP2013061330A; JP6246460B2; CN102997948B

Abstract

本发明涉及一种旋转位置测量装置，具有：光源；带有旋转对称的、反射的量具的刻度盘；和光电的探测装置。刻度盘能相对于光源和探测装置围绕旋转轴线进行旋转，从而在相对旋转的情况下能通过探测装置来检测与旋转角度相关的位置信号。光源在旋转轴线上布置成以第一距离与量具间隔开；探测装置布置成以第二距离与量具间隔开，所述第二距离不同于第一距离。刻度盘包括光学器件，该光学器件具有这样的光学作用，使得光源成像到一个位置中，所述位置与量具之间具有第三距离，其中，该第三距离根据数值与第一距离不同。

Description

旋转位置测量装置

技术领域

本发明涉及一种旋转位置测量装置。

背景技术

图1示出了光学位置测量装置的示意性部分视图，该光学位置测量装置基于中央投影-扫描原理。光源1在此发散地照明反射量具2。量具既可以设计成线性的又可以设计为旋转的刻度（Teilung），这根据位置测量装置要用于检测旋转的或线性的相对运动而定。投射到其上的光束由量具2朝向光源1反射并且在探测面上射到光电的探测装置3上。量具2能相对于光源1和探测装置3运动地布置，也就是说或者能沿线性的轴线移动或者能围绕旋转轴线旋转。在量具2相对于光源1和探测装置3相对运动的情况下，在探测面中产生了经过调制的条纹图案，该条纹图案能通过探测装置3转换成与运动相关的位置信号。

借助于这种位置测量装置可以确定两个能彼此相对（线性地或旋转地）运动的物体的相对-或绝对位置。该物体之一在此与量具2相连接，另一个物体与光源1和探测装置3相连接。

如从图1中可看到，光源1布置成以距离u与量具2间隔开；在下面，这个距离被称为第一距离。探测装置3布置成以距离v与量具2间隔开，该距离在下面被称为第二距离。根据图1，第二距离v与第一距离u不同。

根据模型，所述的扫描光路也能以这种方式考虑：替代将实际的光源1以距离u与量具2间隔开，虚拟的光源1′以距离u′=u从另一个侧面照明量具2。由光源1′发射的光束引起了量具2的被扫描的刻度到探测面中的中央投影。

例如由JP 9-133552 A已知了基于光学中央投影-扫描原理的旋转位置测量系统。这种位置测量装置包括光源、带有旋转对称的反射的量具的刻度盘和光电探测装置。刻度盘能相对于光源和探测装置围绕旋转轴线旋转，从而在相对旋转的情况下能通过探测装置检测与旋转角度相关的位置信号。

所使用的用于产生位置信号的中央投影-扫描原理（Zentralprojektions－Abtastprinzip）也被称为所谓的三光栅-扫描原理（Dreigitter－Abtastprinzip）；对此例如可参考R.Pettigrew的公开文献，标题为“Analysis of Grating Imaging and its Application to Displacement Metrology （光栅成像的分析和其用于位移计量的应用）”in SPIE Vol. 36,1st European Congress on Optics applied to Metrology（1977）, S.325-332。

在理想情况下，在这种中央投影扫描中，第一距离u和第二距离v相同地选择；对此，位置测量装置的相应的组件适合置于扫描光路中。在相同地选择距离u、v情况下，在物体之间或者说在量具2和光源1/探测装置2之间的距离、即扫描距离的可能变化不会影响到在探测面中形成的条纹图案的大小。然而在实践中，不能始终确保第一和第二距离u、v是相同的。也就是说常常引起如图1中所示的情况，据此，第一距离u与第二距离v是不同的，在具体的实例中是u < v。在这种情况下，扫描距离的波动引起了条纹图案的大小方面的变化并且进而引起在确定位置时的误差。

在这种位置测量装置中的其它问题由于其对于在量具上的污物的敏感性而引起。

发明内容

本发明的目的在于，使得旋转位置测量装置，基于中央投影-扫描原理，在扫描光路中各个组件之间的非理想的距离方面变得不敏感和/或确保相对于被扫描的量具（Maßverkörperung）的污物的较大的不敏感性。

所述目的根据本发明通过一种具有权利要求1所述特征的旋转位置测量装置来实现。

根据本发明的旋转位置测量装置的有利的实施方式由从属权利要求中的措施得出。

根据本发明的旋转位置测量装置包括：光源；带有旋转对称的、反射的量具的刻度盘；和光电的探测装置。刻度盘能相对于光源和探测装置围绕旋转轴线进行旋转，从而在相对旋转的情况下能通过探测装置来检测与旋转角度相关的位置信号。在此，光源在旋转轴线上布置成以第一距离与量具间隔开；探测装置布置成以第二距离与量具间隔开，所述第二距离不同于第一距离。刻度盘包括光学器件，该光学器件具有这样的光学作用，使得光源成像到一位置中，所述位置与量具之间具有第三距离，其中，该第三距离根据数值与第一距离不同。

在此可能的是：第三距离选择为与第二距离相同。

在根据本发明的旋转位置测量装置的一种实施方式中可以规定，在刻度盘上的光学器件具有一种光学作用，该光学作用与具有定义的焦距的凹面镜的光学作用相应。

在此，可以通过在刻度盘上的光学器件引起所述光源真实成像到一位置中，从而从所述位置发射的光束首先经过所述探测装置、射到所述量具上并且在那里形成反射之后会聚地朝向所述探测装置传播。

在另一种实施方式中可以规定，在刻度盘上的光学器件具有一种光学作用，该光学作用与具有定义的焦距的凸面镜的光学作用相应。

此外可能的是，量具设计成径向刻度，该径向刻度由带有不同的反射特性的、圆环形地布置的刻度区组成。

此外，反射较强的刻度区如此形成在所述刻度盘上，使得在其上引起了对入射到其上的光束的光学作用。

此外可能的是，光学器件设计成在刻度盘的支承基板上的旋转对称的梯级结构。

在根据本发明的旋转位置测量装置的一种优选的实施方式中，光源在没有中间插入的光学元件的情况下完全照明所述量具。

此外，探测装置可以包括圆环形的探测器阵列，该探测器阵列由多个圆环形地围绕旋转轴线布置的探测元件组成。

作为根据本发明的措施的特别优点，在确定的实施方式变型中得出了相对于扫描光路中组件距离的变化的、更大的不敏感性。即使在与理想的额定距离存在偏差时，例如这一点由于位置测量装置的错误安装而引起，也能实现在位置信号中的足够的信号质量。

作为另外的优点需要指出，在可能的实施方式变型中由于在量具和探测装置之间的会聚的光路，因此现在，在探测装置中明显较小的探测面足以产生与旋转角度相关的位置信号。能以这种方式降低用于探测装置的费用。作为这种光路走向的结果，此外还得出了相对于量具的可能的污物的、更大的不敏感性，这是因为与在其它方面通常的发散的光路相反，现在在量具上被扫描的区域大于在探测装置上成像的区域。

附图说明

本发明的其它优点和细节从下面根据附图对实施例的描述中得到。

在此示出了：

图2示出了根据本发明的旋转位置测量装置的第一种实施例的示意性的部分视图；

图3a示出了根据本发明的旋转位置测量装置的第一种实施例的侧面的部分视图；

图3b示出了根据本发明的旋转位置测量装置的第一种实施例的探测装置的俯视图；

图4a示出了根据本发明的旋转位置测量装置的第一种实施例中的刻度盘的俯视图；

图4b示出了根据图4a的刻度盘的一部分的剖视图；

图5示出了根据本发明的旋转位置测量装置的第二种实施例的示意性部分视图。

具体实施方式

在图2中以类似于图1的、示意性的部分视图示出了根据本发明的旋转位置测量装置的第一种实施例，该旋转位置测量装置基于中央投影-扫描原理。

在旋转位置测量装置的所示出的实施例中设有光源10，该光源发散地照明带有旋转对称的反射的量具20的刻度盘或者说分度盘（Teilscheibe）。在光源10和量具20之间未设有其它的中间插入的光学元件，这能实现根据本发明的旋转位置测量装置的一种特别紧凑的设计方案。在刻度盘上的量具20设计为径向刻度，该径向刻度由环形地围绕旋转轴线R布置的、具有不同的反射特性的刻度区组成。作为量具，在此不仅可以设置带有周期性地布置的、反射率不同的刻度区的增量式刻度（Inkrementalteilung）、或者也可以设置具有周期不定地布置的、周期性不同的刻度区的绝对刻度。投射的光束由旋转对称的、完全照明的量具20朝向光源10反射并且在探测面上入射到旋转对称的光电探测装置30上。具有量具20的刻度盘能相对于光源10和探测装置30围绕旋转轴线R旋转。在具有量具20的刻度盘相对于光源10和探测装置30进行相对旋转的情况下，在探测面中引起了圆环形的、经过调制的条纹图案，该条纹图案能通过探测装置30转换成与旋转角度相关的位置信号。

借助于这种旋转位置测量装置，因此可以确定两个能相对围绕旋转轴线R旋转的物体的相对-或绝对位置。该物体之一在此与刻度盘或者说量具20相连接，另一个物体与光源10和探测装置30相连接。两个物体例如可以是能彼此相对旋转的机器部件。通过位置测量装置产生的位置信号可以被输送给机器控制装置，该机器控制装置使用该信号例如用于定位相应的机器部件。

如根据图2能看出，光源10在旋转轴线R上布置成以第一距离u与量具1间隔开。探测装置30布置成以第二距离v与量具20间隔开。第二距离v选择为不同于第一距离u。

现在根据本发明提出，在刻度盘中设有或者说集成有光学器件，该光学器件使得光源10成像到旋转轴线R上的一个位置中，该位置与量具20之间具有第三距离u′，其中该第三距离u′根据数值与第一距离u不同。在图2中，成像到该位置上中的光源、即光源图像以附图标记10′来标注，从这个位置上产生的光路以虚线的形式表示。在所示出的实施例中，在刻度盘中相应的光学器件以这种方式规定尺寸：第三距离u′与第二距离v相同。如下面还要说明，然而将第三距离u′选择为与第二距离v相同对于本发明来说肯定不是重要的，也就是说可以实现根据本发明的旋转位置测量装置的有利的实施方式，其还具有其它选择的第三距离u′。

集成到刻度盘中的光学器件在此具有凹面镜的光学作用或者凸面镜的光学作用，它们分别带有定义的焦距f。在根据图2的实例中，通过在刻度盘上相应的光学器件实现了凹面镜的光学作用，其中，凹面镜的焦距的数值大于在通过凹面镜成像时的物距的数值。由此实现了光源10成像为旋转轴线R上的一个位置上的虚拟光源10′，该位置与量具20之间具有第三距离u′。

下面要说明的是，对于当前的实例而言，凹面镜或相应的在刻度盘中的器件的需要的焦距f被确定，其需要用于以第三距离u′产生虚拟的光源图像10′。

因此，在所示出的布置中在给定第一和第二距离u、v的情况下成像比例根据下面的关系式来确定：

m_1,2 = u/(2v) +/- Sqrt ((u/(2v))² -1) (等式1)

然后，需要的第三距离u′由下面的等式2得出：

u′ = m_1/2·u (等式2)

随后，需要用于凹面镜的焦距f可以由等式3确定：

1/u + 1/u′ = 1/f (等式3)

通过在刻度盘中相应的光学器件，因此确保了具有这种方式确定的焦距f的凹面镜的光学作用，由此如所示，光源10虚拟成像到所希望的位置中。

根据本发明的旋转位置测量装置的根据图2的第一种实施例的具体的设计方案在下面根据图3a、3b以及4a和4b说明。图3a、3b在此示出了整个位置测量装置的不同的部分视图，图4a和4b示出了在其中使用的刻度盘连同量具的不同视图。

在位置测量装置的壳体700中，在固定的支承板500上布置了探测装置300；在探测装置300上方的中央位置放置了光源100。探测装置300和光源100通过压接引线400与在附图中未示出的、在支承板500中的信号导线相连接。通过电缆600，支承板500与同样也未示出的后续电子装置（Folgeelektronik）相连接，通过该电缆既传输了所产生的位置信号，并且通过该电缆也实现了在位置测量装置中电子组件的电流-和电压供给。

如特别是根据图3b所示，探测装置300包括圆环形的探测器阵列310，其由多个圆环形的和周期性地围绕旋转轴线R布置的单独的探测元件组成。

刻度盘210在壳体700中围绕旋转轴线R可旋转地布置。刻度盘210在朝向探测装置300的侧面上承载反射量具200。光学器件集成到刻度盘210中，所述光学器件具有上面阐述的光学作用，即光源100成像到一个位置中，该位置与量具200之间具有第三距离u′。在本具体实施例中，光学器件在刻度盘210中如此形成，使得该光学器件具有与根据图2的实例的凹面镜相同的光学作用，也就是说所产生的第三距离u′与第二距离v相同。

在图4a中示出了该实施例的刻度盘210的俯视图，在图4b中示出了刻度盘210的部分剖面图。如根据图4a可看出，在刻度盘210上，在例如可由玻璃、金属或塑料制成的支承基板上布置了增量式径向刻度的形式的反射量具200，该量具由具有不同的反射特性的、环形地围绕旋转轴线R布置的刻度区220a、220b组成。量具200的以深色示出的刻度区220a在所示出的实例中具有比位于其之间的刻度区220b更小的反射率；替换于此也可能的是，所述刻度区220a如此形成，使得由它反射的光线不会到达探测装置上。在图4a中可看到的、在刻度盘210上的同心圆表示了在反射较强的刻度区220b中的旋转对称结构或径向的梯级结构的边界，其在图4b中以剖视图以用标记的区段示出。通过刻度盘210中的径向的梯级结构，在本实施例中形成了光学器件，所述光学器件实现了光源100的定义的成像。通过梯级结构的具体的设计方案、也就是说旋转对称的梯级结构的同心度、梯级高度、以及梯级宽度的针对性选择，刻度盘210因此变成具有定义的焦距的、衍射的凹面镜，通过该凹面镜如所阐述地实现了光源100的成像。梯级结构的重要的参数的选择在此基于已知的原理，其用来设计用于点对点成像（Punkt-zu-Punkt-Abbildung）的衍射元件。

制造具有如此形成的量具200的刻度盘210例如能通过下述方式实现：首先，旋转对称的梯级结构通过沉积合适的层并且使其以平版印刷的方式结构化而在反射的支承基板上产生。然后，在其上安设了径向刻度的反射较弱的刻度区，例如是通过沉积适合的吸收材料。

替代于此还可能实现：刻度盘210通过如由CD制造已知的技术形成。在此，在反射较弱的刻度区中安装了衍射细密结构，通过该衍射细密结构确保了：入射在其上的光线不会到达探测装置，而是沿另外的空间方向绕射。该细密结构以及旋转对称的梯级结构可能例如首先以透明塑料成型并且随后设有反射良好的、例如由铝或金制成的金属层。

替代在刻度盘中的光学器件设计成凹面镜，在根据本发明的旋转位置测量装置的这种实施方式中还可以规定：通过刻度盘中的相应的梯级结构实现一种光学作用，其相应于凸面镜，其中，凸面镜的焦距的数值被选择为大于在通过凸面镜成像时的物距的数值。

最后根据图5阐述根据本发明的旋转位置测量装置的另一种实施例。该附图类似于图2中的附图以非常示意性的方式示出了这个实施例的扫描光路。

又设有光源1000，该光源以第一距离u与量具2000间隔开地布置在旋转轴线R上。类似于第一种实施例，探测装置3000布置成以第二距离v与量具2000间隔开。量具2000同样如上述地设计成径向刻度形式的反射量具。

不同于前述的实施例，现在在刻度盘中设计光学器件，其实现了光源1000成像到一确定的位置中，该位置与量具2000之间具有第三距离u′。在第一个实施例中通过作为凹面镜起作用的光学器件实现了光源的虚拟成像，而现在通过刻度盘中设置的光学器件实现了光源1000真实成像为光源图像1000′，其中，光源图像1000′与探测装置3000的距离对应于第四距离w，该第四距离与在量具2000与探测装置3000之间的第二距离v相同。所产生的第三距离u′在此不像前述的实施例中那样与第二距离v相同。光学器件也在这个实施例中又起凹面镜的作用，然而与前述的实例不同的是，凹面镜的焦距的数值小于在通过凹面镜成像时物距的数值。

基于光源图像1000′的得出的位置，现在如从根据图5看到，由光源图像1000′发出的光束首先经过探测装置3000，随后射到量具2000上并且最后在由量具2000的反射之后会聚地朝向探测装置3000传播。

在这个实施例中因此不能确保第二和第三距离u、v的相同。这基于所使用的中央投影-扫描原理引起了：在量具2000和探测装置3000之间的扫描距离可能变化的情况下，在探测面中产生的条纹图案的大小发生变化。因此这方面在量具当前旋转对称地成像到探测面中时不是关键的，这是因为即使在条纹图案的直径改变的情况下，条纹图案中的明-暗-过渡的位置保持不变。因此，扫描距离的波动的独立性并不首要证明为该实施例的优点，而是下述事实：在量具2000与探测装置3000之间存在会聚的光路。这导致了，量具2000的结构缩小地成像到探测面中，并且因此相对于已知的这种系统在探测装置3000中较小的探测面也是足够的。同样由此得出了改进的、相对于在被扫描的量具2000上的可能的污物的不敏感性。

在本发明的范畴中，除了所阐述的实施例之外，此外其它变型当然也是可能的。

Claims

1.一种旋转位置测量装置，具有：

-光源（10；100；1000）；

-带有旋转对称的反射的量具（20；200；2000）的刻度盘（210）；和

-光电的探测装置（30；300；3000），其中，

-所述刻度盘（210）能相对于所述光源（10；100；1000）和所述探测装置围绕旋转轴线（R）进行旋转，从而在相对旋转的情况下能通过所述探测装置（30；300；3000）来检测与旋转角度相关的位置信号，并且其中

-所述光源（10；100；1000）在所述旋转轴线（R）上布置成以第一距离（u）与所述量具（20；200；2000）间隔开，并且

-所述探测装置（30；300；3000）布置成以第二距离（v）与所述量具（20；200；2000）间隔开，所述第二距离不同于所述第一距离（u），并且其中

-所述刻度盘包括光学器件，所述光学器件具有这样的光学作用，使得所述光源（10；100；1000）成像到一位置中，所述位置与量具（20；200；2000）之间具有第三距离（u′），其中，所述第三距离（u′）根据数值与所述第一距离（u）不同。

2.根据权利要求1所述的旋转位置测量装置，其中，所述第三距离（u′）与所述第二距离（v）相同。

3.根据权利要求1所述的旋转位置测量装置，其中，在所述刻度盘（210）上的光学器件具有一种光学作用，所述光学作用与具有定义的焦距（f）的凹面镜的光学作用相应。

4.根据权利要求3所述的旋转位置测量装置，其中，通过在刻度盘（210）上的光学器件引起所述光源（10；100；1000）真实成像到一位置中，从而从所述位置发射的光束首先经过所述探测装置（30；300；3000）、射到所述量具（20；200；2000）上并且在那里形成反射之后会聚地朝向所述探测装置（30；300；3000）传播。

5.根据权利要求1所述的旋转位置测量装置，其中，在所述刻度盘（210）上的光学器件具有一种光学作用，所述光学作用与具有定义的焦距（f）的凸面镜的光学作用相应。

6.根据权利要求1所述的旋转位置测量装置，其中，所述量具（20；200；2000）设计成径向刻度，所述径向刻度由带有不同的反射特性的、圆环形地布置的刻度区（220a、220b）组成。

7.根据权利要求1所述的旋转位置测量装置，其中，反射较强的刻度区（220b）如此形成在所述刻度盘（210）上，使得在其上引起了对入射到其上的光束的光学作用。

8.根据权利要求1所述的旋转位置测量装置，其中，所述光学器件设计成在所述刻度盘（210）的支承基板上的旋转对称的梯级结构。

9.根据权利要求1所述的旋转位置测量装置，其中，所述光源（10；100；1000）在没有中间插入的光学元件的情况下完全照明所述量具（20；200；2000）。

10.根据权利要求1所述的旋转位置测量装置，其中，所述探测装置（30；300；3000）包括圆环形的探测器阵列（310），所述探测器阵列由多个圆环形地围绕所述旋转轴线（R）布置的探测元件组成。