DE102004024581A1

DE102004024581A1 - Positionsmesseinrichtung

Info

Publication number: DE102004024581A1
Application number: DE102004024581A
Authority: DE
Inventors: Walter Huber; Sebastian Dr. Tondorf
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2003-09-23
Filing date: 2004-05-12
Publication date: 2005-04-14
Also published as: ATE477475T1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Positionsmesseinrichtung mit einer auf einer ringartig umlaufenden maßverkörperung vorgesehenen Messteilung; mit einer Abtasteinheit zum optischen Abtasten der Messteilung mittels elektromagnetischer Strahlung; mit einer Abtastplatte mit einer periodischen Abtastteilung, die im Strahlengang der zum Abtasten der Messteilung verwendeten elektromagnetischen Strahlung angeordnet ist, so dass diese sowohl mit der Abtastteilung als auch mit der Messteilung wechselwirkt; und mit einem Detektor der Abtasteinheit, dessen Detektorfläche zur Detektion der elektromagnetischen Strahlung nach Wechselwirkung mit der Abtastteilung und der Messteilung dient und der zur Detektion elektromagnetischer Strahlung in Form eines Streifenmusters mit einer Periode (P_D) ausgebildet ist. Erfindungsgemäß sind die Periode P_M der Messteilung (15) und die Periode P_A der Abtastteilung (25) so abgestimmt, dass 1/(1P_A-1/P_M) < P_D.

Description

Die Erfindung betrifft eine Positionsmesseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Positionsmesseinrichtung zur Bestimmung der Relativlage zweier entlang einer Messrichtung zueinander beweglicher Objekte (Winkelmesseinrichtung) umfasst eine auf einer ringartigen Maßverkörperung (d.h. auf einem ringartigen Träger), z.B. in Form eines Maßbandes, ausgebildete periodische Messteilung; eine Abtasteinheit zum optischen Abtasten der Messteilung mittels elektromagnetischer Strahlung (insbesondere mittels Licht), die in einer Beleuchtungseinrichtung (Lichtquelle) der Abtasteinheit erzeugt wird, wobei die Maßverkörperung und die Abtasteinheit entlang der Messrichtung relativ zueinander bewegbar sind; eine Abtastplatte der Abtasteinheit mit einer periodischen Teilung (Abtastteilung), die im Strahlengang der zum Abtasten der Messteilung dienenden elektromagnetischen Strahlung angeordnet ist, so dass diese elektromagnetische Strahlung sowohl mit der Abtastteilung als auch mit der Messteilung wechselwirkt; und einen Detektor der Abtasteinheit, dessen Detektorfläche zur Detektion der durch die Abtastteilung und die Messteilung modifizierten elektromagnetischen Strahlung dient und zur Detektion eines durch diese modifizierte elektromagnetische Strahlung gebildeten Intensitätsmusters mit einer Periode P_D ausgebildet ist.

Die Periode P_D ist so gewählt, dass sie bei linearer Anordnung des Maßbandes entlang einer Geraden mit der Periode des Streifenmusters (Vernier-Muster) übereinstimmt, das durch die Wechselwirkung der zur Abtastung der Maßverkörperung verwendeten Strahlung einerseits mit der Abtastteilung und andererseits mit der Messteilung erzeugt wird. Dieses Streifenmuster entspricht einer Schwebung, hervorgerufen durch die Kombination zweier periodischer Vorgänge, nämlich einerseits der Wechselwirkung der elektromagnetischen Strahlung mit der Abtastteilung und andererseits der Wechselwirkung der elektromagnetischen Strahlung mit der Messteilung.

Das Messprinzip, welches der vorgenannten Positionsmesseinrichtung zugrunde liegt, ist beispielsweise aus der EP 1 081 457 A2 , der EP 1 028 309 A1 und der EP 0 754 933 B1 bekannt.

So ist in der EP 1 028 309 A1 eine optische Positionsmesseinrichtung zur Bestimmung der Relativlage zweier entlang einer Messrichtung zueinander beweglicher Objekte angegeben. Diese umfasst mindestens eine mit einem der beiden Objekte verbundene periodische Messteilung sowie eine mit dem anderen Objekt verbundene und somit relativ zu der Messteilung entlang der Messrichtung bewegbare Abtasteinheit. Die Abtasteinheit weist eine Lichtquelle, mindestens eine Abtastteilung sowie eine Detektoranordnung in einer Detektorebene auf, die aus mehreren strahlungsempfindlichen Detektorelementen besteht, welche in Messrichtung hintereinander angeordnet sind.

Wird bei einer Positionsmesseinrichtung der eingangs genannten Art ein als Träger der Messteilung dienendes Maßband ringartig angeordnet, insbesondere durch Aufbringen des Maßbandes auf einem zylindrischen Körper in Form einer Trommel, so kann die Positionsmesseinrichtung insbesondere zur Winkelmessung verwendet werden. Verglichen mit einer linearen Anordnung des Maßbandes (so dass sich dieses nach Art eines Maßstabes entlang einer Geraden erstreckt) treten bei der ringartigen Anordnung des Maßbandes, insbesondere entlang eines Kreisbogens, Effekte auf, die die Intensität der am Detektor der Abtasteinheit empfangenen Strahlung beeinträchtigen. Ein Effekt besteht darin, dass bei ringartiger Anordnung des Maßbandes aufgrund der hiermit verbundenen Krümmung des Maßbandes die innere Oberfläche des Maßbandes etwas gestaucht und die äußere Oberfläche des Maßbandes etwas gedehnt wird. Der Umfang dieser Stauchung bzw. Dehnung hängt von der Dicke des Maßbandes ab und ist selbstverständlich umso größer je größer dessen Dicke ist. Bei einer auf der äußeren Oberfläche eines ringartig angeordneten Maßbandes vorgesehenen Messteilung führt dieser Effekt zu einer Vergrößerung der Periode der Messteilung, da ja die äußere Oberfläche des Maßbandes (verglichen mit dessen linearer Anordnung) gedehnt wird.

Umgekehrt tritt bei der Abtastung eines ringförmig angeordneten Maßbandes mittels einer Abtasteinheit, die in einem definierten Abstand vor der äußeren, mit der Messteilung versehenen Oberfläche des Maßbandes angeordnet ist, ein Projektionseffekt auf, der bewirkt, dass – von der Oberfläche der Abtastplatte her gesehen – der Abstand zwischen den einzelnen Markierungen (insbesondere Teilungsstrichen) der Messteilung zu den äußeren Rändern der Abtastplatte hin scheinbar immer geringer wird. Dies ist auf die Projektion der gekrümmten, mit der Messteilung versehenen äußeren Ringfläche des Maßbandes auf die ebene, zweidimensionale, mit der Abtastteilung versehene Oberfläche der Abtastplatte zurückzuführen.

Die beiden vorgenannten Effekte sind gegenläufig, wobei jedoch der Projektionseffekt ausschließlich von der Krümmung des Maßbandes abhängt, während der Dehnungseffekt an der äußeren Oberfläche des Maßbandes sowohl von dessen Krümmung als auch von dessen Dicke abhängt. Bei vergleichsweise dicken Maßbändern mit einer Dicke von beispielsweise 300 μm, hat sich gezeigt, dass sich die beiden gegenläufigen Effekte über einen großen Bereich verschiedener Krümmungen soweit kompensieren, dass das an der strahlungsempfindlichen Oberfläche des Detektors erzeugte Identitätsmuster einen hinreichenden Kontrast für eine nachfolgende Auswertung aufweist. Bei sehr dünnen Maßbändern mit einer Dicke von deutlich weniger als 300 μm, insbesondere weniger als 100 μm, ist jedoch der Dehnungseffekt an der äußeren Oberfläche des Maßbandes nur noch so gering, dass er den Projektionseffekt bei starken Krümmungen nicht mehr hinreichend ausgleichen kann. Die vom Detektor detektierte Signalgröße kann wegen des schlechten Kontrastes des Intensitätsmusters so klein werden, dass eine zuverlässige Auswertung zur Positionsbestimmung nicht möglich ist.

Im Folgenden soll bei der Verwendung des Begriffes „Maßband", sofern nicht auf ein Maßband endlicher Dicke abgestellt wird, jeweils auch der Grenzfall umfasst sein, dass die Dicke des Maßbandes gegen null geht: Dieser Grenzfall entspricht einer Situation, in der die Messteilung unmittelbar auf dem (zylindrischen) Körper (in Form einer Trommel) aufgebracht ist, der ansonsten zur Aufnahme des Maßbandes dient. Der vorstehend beschriebene Dehnungseffekt spielt dann keine Rolle; es findet also keine Kompensation des Projektionseffektes statt.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Positionsmesseinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei einfachem Aufbau die Kombination einer ringförmigen Maßverkörperung mit einer Abtastplatte mit einer ebenen, zweidimensionalen Oberfläche sowie mit einem zugehörigen Detektor mit einer zweidimensionalen strahlungsempfindlichen Oberfläche ermöglicht.

Danach sind die Periode der Abtastteilung P_A einerseits und die Periode der Messteilung P_M andererseits so aufeinander abgestimmt, dass 1/(1/P_A – 1/P_M) < P_D ist. Dies bedeutet, dass durch die Wechselwirkung des Lichtes mit der periodischen Abtastteilung einerseits und der periodischen Messteilung andererseits bei linearer Anordnung der Maßverkörperung in Form eines Maßbandes ein Streifenmuster erzeugt würde, dessen Periode (gegeben durch den Ausdruck 1/(1/P_A – 1/P_M)) kleiner wäre als die Periode P_D eines Streifenmusters, für deren Abtastung die strahlungsempfindliche Oberfläche des Detektors ausgebildet und vorgesehen ist. Hierdurch soll insbesondere bei sehr dünnen Maßbändern die durch den oben genannten Projektionseffekt bei ringartiger Anordnung auftretende scheinbare Reduzierung der Periode des Maßbandes (die lokal zu einer Vergrößerung der Periode des Streifenmusters führt) kompensiert werden.

Dies kann erfindungsgemäß vorteilhaft einerseits dadurch erreicht werden, dass die Periode der Maßverkörperung, insbesondere in Form eines Maßbandes, vergrößert wird, so dass P_M > 1/(1/P_A – 1/P_D), oder dadurch dass die Periode der Abtastplatte entsprechend verkleinert wird, so dass P_A < 1/(1/P_D + 1/P_M). Hierbei wird davon ausge gangen, dass PM > PA (einschließlich des nachfolgend erläuterten Grenzfalles P_A → P_M). Der umgekehrte Fall ist ebenfalls möglich, jedoch von geringerer praktischer Relevanz.

Die nachfolgenden Ausführungen, betreffend die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung – auch in quantitativer Hinsicht – sind jeweils auch im Grenzfall P_A → P_M gültig. Die Erfindung lässt sich daher auch für diesen Grenzfall verwirklichen, wobei die Periode P_D des zu detektierenden Streifenmusters gegen unendlich geht.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird erreicht, dass bei ringartiger Anordnung eines Maßbandes, insbesondere entlang eines Kreisbogens, der gleiche Detektor (mit einer ebenen strahlungsempfindlichen Oberfläche) als Bestandteil der relativ zu dem Maßband beweglichen Abtasteinheit verwendet werden kann, wie bei linearer Anordnung des Maßbandes. Hierdurch kann der Detektor in entsprechend größeren Stückzahlen kostengünstig hergestellt werden.

Hierbei soll ausdrücklich auch der Grenzfall umfasst sein, in dem die Periode der Abtastteilung gegen die Periode der Messteilung strebt, so dass die Periode des erzeugten Vernier-Streifenmusters (im linearen Fall) gegen unendlich strebt, vergleiche EP 0 754 933 B1 .

Bei dem Detektor handelt es sich vorzugsweise um einen sogenannten strukturierten Detektor (wie z.B. in der EP 1 028 309 A1 beschrieben), dessen strahlungsempfindliche Oberfläche durch periodisch hintereinander angeordnete Detektorbereiche, insbesondere in Form einzelner Detektorelemente (Fotoelemente), gebildet wird, wobei vorliegend die Periode P_D der Anordnung der Detektorbereiche bzw. Detektorelemente größer ist als die Periode 1/(1/P_A – 1/P_M) des Streifenmusters, die bei erfindungsgemäßer Modifikation der Periode der Messteilung und/oder der Abtastplatte, von der zur Abtastung verwendeten elektromagnetischen Strahlung nach Wechselwirkung sowohl mit dem Abtastgitter als auch mit der Messteilung (im Fall einer ebenen Anordnung des Maßbandes) erzeugt würde. Mit anderen Worten ausgedrückt ist die Periode P_D der Detektorbereiche bzw. Detektorelemente des Detektors so gewählt, dass sie für ein Maßband mit einer bestimmten Periode der Messteilung sowie eine Abtastplatte mit einer bestimmten Periode der Abtastteilung, wobei dieses Maßband zur linearen Anordnung entlang einer Geraden vorgesehen ist, genau mit der Periode des Streifenmusters übereinstimmt, das durch Wechselwirkung der zur Abtastung verwendeten Strahlung mit der Abtastteilung und der Messteilung erzeugt wird. Erfindungsgemäß ist jedoch für eine Abtastung eines ringartig entlang eines Kreisbogens angeordneten Maßbandes zur Winkelmessung die Periode der Messteilung und/oder die Periode der Abtastteilung so modifiziert, dass bei linearer Anordnung des genannten (für eine ringartige Anordnung vorgesehenen) Maßbandes die Periode der Detektorelemente größer wäre als die des Streifenmusters, das bei linearer Anordnung des Maßbandes und erfindungsgemäßer Modifikation der Periode der Messteilung und/oder der Abtastplatte aufträte. Hierdurch wird erreicht, dass bei gekrümmter Anordnung des Maßbandes der Projektionseffekt weitgehend kompensiert werden kann.

Erfindungsgemäß werden also bei einem Positionsmesssystem mit einem ringartig angeordneten Maßband und einem zugeordneten Detektor mit ebener, zweidimensionaler strahlungsempfindlicher Oberfläche die Periode der Abtastteilung und/oder die Periode der Messteilung – verglichen mit einer Positionsmesseinrichtung mit einem geradlinig angeordneten Maßband und einem identischen Detektor – so modifiziert, dass die Signalgröße der Abtastsignale deutlich größer ist, als wenn das Maßband einer linearen Positionsmesseinrichtung unmittelbar zur Bildung eines Winkelmesssystems verwendet würde, ohne Modifikation der Periode der Abtastteilung oder der Messteilung. Das zum Vergleich herangezogene lineare Positionsmesssystem soll dabei jeweils derart gestaltet sein, bei linearer Anordnung des Maßbandes entlang einer Geraden das an der strahlungsempfindlichen Oberfläche des Detektors auftretende Streifenmuster gerade die Periode hat, für deren Abtastung der entsprechende Detektor zur Erzielung einer maximalen Intensität der elektromagnetischen Strahlung an der strahlungsempfindlichen Oberfläche ausgebildet und vorgesehen ist. Im Falle eines periodisch strukturierten Detektors bedeutet dies insbesondere, dass die strahlungsempfindliche Oberfläche des Detektors eine Periode aufweist, die bis auf ein ganzzahliges Vielfaches mit der Periode des Streifenmusters übereinstimmt.

Die hierfür erforderliche Modifikation der Periode der Abtastteilung bzw. der Messteilung beträgt für typische Dicken und Radien eines zur Winkelmessung verwendeten Maßbandes mindestens 0.05 % und höchstens 2 %; sie liegt insbesondere zwischen 0.1 % und 1 %.

Unter der Periode des Detektors wird dabei nicht zwingend die Periode der geometrischen Anordnung der einzelnen Detektorbereiche bzw. Detektorelemente verstanden. Vielmehr ist hierbei auch die elektrische Verschaltung der einzelnen Detektorbereiche bzw. Detektorelemente zu berücksichtigen. So ist bei einem strukturierten Detektor üblicherweise vorgesehen, dass auf einer Länge, die der Periode des an der strahlungsempfindlichen Oberfläche des Detektors empfangenen Streifenmusters entspricht, vier Detektorelemente angeordnet sind, wobei jedes einer Phase, insbesondere einer der Phasen 0 %, 90 %, 180 %, 270 %, zugeordnet ist. Hierbei werden dann mehrere Gruppen von jeweils vier Detektoren hintereinander angeordnet, wobei aus den einzelnen Detektorgruppen jeweils diejenigen Detektorbereiche bzw. Detektorelemente miteinander verschaltet werden, die der gleichen Phase zugeordnet sind. Die Periode eines solchen strukturierten Detektors wird dann definiert durch die Breite jeweils einer Detektorgruppe, die mehrere Detektorbereiche, insbesondere vier Detektorbereiche, umfasst.

Bei Verwendung eines Detektors mit einer zweidimensionalen, ebenen strahlungsempfindlichen Oberfläche zur Abtastung der Messteilung auf einer ringartig umlaufenden Maßverkörperung erstreckt sich der Detektor in einem definierten (radialen) Abstand von der mit der Messteilung versehenen Oberfläche der Maßverkörperung in tangentialer Richtung (d.h. parallel zu einer Tangente am äußeren Umfang eines ringartig angeordneten Maßbandes). Bei einem strukturierten Detektor sind dementsprechend die einzelnen Detektorbereiche bzw. Detektorelemente entlang einer Richtung parallel zu einer Tangentialen der ringförmig umlaufenden Maßverkörperung hintereinander angeordnet. Die beiden eingangs genannten Störeffekte, nämlich die Dehnung der mit der Messteilung versehenen äußeren Oberfläche eines Maßbandes einerseits sowie der Projektionseffekt andererseits kompensieren sich selbst bei erfindungsgemäßer Korrektur der Abtastteilung und/oder der Periode der Messteilung nicht vollständig. Vielmehr überwiegt im (in tangentialer Richtung betrachtet) mittleren Bereich der strahlungsempfindlichen Oberfläche des Detektors der Dehnungseffekt, da die Projektion hier keine so große Rolle spielt. D. h., im mittleren Bereich der strahlungsempfindlichen Oberfläche des Detektors scheint (aufgrund des Dehnungseffektes) die Periode des ringförmig angeordneten Maßbandes (also der Abstand zwischen den einzelnen Markierungen bzw. Strichen der Messteilung) größer zu sein als vorgesehen, während an den – in tangentialer Richtung betrachtet – Randbereichen des Detektors aufgrund des Überwiegens des Projektionseffektes die Periode der Messteilung kleiner zu werden scheint. Die erfindungsgemäße Abstimmung der Periode der Abtastteilung einerseits und der Periode der Messteilung andererseits erfolgt derart, dass die Abweichungen des an der strahlungsempfindlichen Oberfläche erzeugten Streifenmusters von der Periode P_D desjenigen Streifenmusters, für dessen Detektion die strahlungsempfindliche Oberfläche des Detektors (insbesondere hinsichtlich der periodischen Anordnung von Detektorbereichen bzw. Detektorelementen im Fall eines strukturierten Detektors) ausgelegt ist, möglichst wenig abweicht.

Zu beachten ist, dass sich die Erfindung auch in dem Fall anwenden lässt, in dem die Messteilung auf der inneren Oberfläche (inneren Ringfläche) eines Maßbandes vorgesehen ist. In diesem Fall kommt neben dem Projektionseffekt ein in die gleiche Richtung wirkender Stauchungseffekt an der inneren Ringfläche zum tragen, wobei zur Kompensation die Periode der Messteilung zu vergrößern oder die Periode der Abtastteilung zu reduzieren wäre.

Sowohl die Abtastteilung als auch die Messteilung können durch sogenannte Amplitudengitter gebildet werden, die mit elektromagnetischer Strahlung (insbesondere Licht) derart Wechselwirken, dass – entsprechend der Periode des jeweiligen Gitters – eine periodische Abfolge von helleren und dunkleren Lichtbereichen erzeugt wird. Wird die Positionsmesseinrichtung im sogenannten Reflektionsverfahren betrieben, so sind in dem entsprechenden Gitter jeweils Markierungen (Striche) von größerer und kleinerer Reflektivität im Hinblick auf die zum Abtasten verwendete elektromagnetische Strahlung (Licht) vorgesehen. Bei Anwendung des sogenannten Durchlichtverfahrens unterscheiden sich die periodisch hintereinander angeordneten Markierungen (Striche) demgegenüber in der Durchlässigkeit für die zum Abtasten verwendete elektromagnetische Strahlung (Licht).

Die Abtastteilung kann zudem insbesondere auch als sogenanntes MAP-Gitter („Mixed Amplitude Phase"-Gitter) ausgebildet sein, wie z. B. aus den 2a und 2b der EP 1 081 457 A2 bekannt.

Alternativ kann die Abtastteilung auch durch ein Phasengitter gebildet werden.

Zur Abtastung der Maßverkörperung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung bevorzugt kollimierte (parallelisierte) elektromagnetische Strahlung in Form von Licht verwendet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren deutlich werden.
Es zeigen:
1a eine schematische Darstellung eines Ausschnittes eines ringförmig angeordneten Maßbandes mit einer periodischen Messteilung sowie einer zugeordneten Abtastplatte mit einer periodischen Abtastteilung und einem Detektor;
1b die strahlungsempfindliche Oberfläche eines strukturierten Detektors einer Abtasteinheit gemäß 1a;
2 eine grafische Darstellung des Einflusses des Dehnungseffektes und des Projektionseffektes auf die Periode eines an der strahlungsempfindlichen Oberfläche des Detektors erzeugten Streifenmusters bei einer Positionsmesseinrichtung gemäß den 1a und 1b aufgrund einer ringförmigen Anordnung des Maßbandes;
3a und 3b Auswirkungen des Dehnungseffektes sowie des Projektionseffektes auf die normierten Signalgrößen einer Positionsmesseinrichtung gemäß den 1a und 1b in Abhängigkeit von dem Radius des ringförmig angeordneten Maßbandes für zwei verschiedene Dicken des Maßbandes.
1a zeigt schematisch eine Positionsmesseinrichtung zur Winkelmessung mit einem ringförmig entlang eines Kreisbogens angeordneten Maßband 1 endlicher Dicke d und einer Abtasteinheit, die eine Abtastplatte 2 und einen Detektor 3 in Form eines Fotodetektors umfasst.
Das Maßband 1 und die Abtasteinheit 2, 3 sind relativ zueinander beweglich, z. B. dadurch, dass das Maßband 1 am äußeren Umfang einer um eine Achse D drehbaren Trommel festgelegt ist und die Abtasteinheit 2, 3 stationär vor der äußeren Oberfläche 11 (äußere Ringfläche) des Maßbandes 1 (und von dieser in radialer Richtung R beabstandet) angeordnet ist.
Das ringförmig entlang eines Kreisbogens 10 mit dem Radius R angeordnetet Maßband 1 der Dicke d weist eine mit einer periodischen Messteilung 15 in Form einer Strichteilung versehene äußere Ringfläche 11 sowie eine innere Oberfläche 12 (innere Ringfläche) auf. Durch die ringförmige Anordnung des flexiblen Maßbandes 1 ist dessen äußere Ringfläche 11 – verglichen mit einer linearen Anordnung des Maßbandes 1 entlang einer Geraden – gedehnt, während die innere Ringfläche 12 gestaucht ist.
Die Periode P_M der periodischen Messteilung 15 des Maßbandes 1, also der Abstand benachbarter Striche der als Strichteilung ausgebildeten Messteilung 15, ist aufgrund der Dehnung der äußeren Ringfläche 11 des ringförmig angeordneten Maßbandes 1 etwas größer als bei linearer, flacher Anordnung des Maßbandes entlang einer Geraden („Dehnungseffekt").
Eine dem Maßband 1 zugeordnete Abtastplatte 2 der Abtasteinheit 2, 3 ist vor der äußeren Ringfläche 11 des Maßbandes 1 und von dieser beabstandet angeordnet und ist an ihrer der äußeren Ringfläche 11 zugewandten Oberfläche 21 mit einer periodischen Abtastteilung 25 versehen. Die der äußeren Ringfläche 11 des Maßbandes 1 zugewandte Oberfläche 21 der Abtastplatte 2 sowie die dort ausgebildete Abtastteilung 25 erstrecken sich jeweils parallel zu einer Tangente t an der äußeren Ringfläche 11 des Maßbandes 1.
Von dem Maßband 1 her gesehen ist hinter der Abtastplatte 2 ein Detektor 3 mit einer strahlungsempfindlichen Oberfläche 31 angeordnet, bei dem es sich um einen sogenannten strukturierten Fotodetektor handelt. Dessen strahlungsempfindliche Oberfläche 31 wird gemäß 1b gebildet durch eine Mehrzahl hintereinander angeordneter Detektorelemente in Form von Fotoelementen einer Breite b. Dabei bilden jeweils vier Detektorelemente eine Detektorgruppe, wobei die vier Detektorelemente einer Detektorgruppe jeweils einer der vier Phasen 0°, 90°, 180° und 270° zugeordnet sind. Die Periode P_D dieser Anordnung von Detektorelementen entspricht dem Vierfachen der Breite b eines einzelnen Detektorelementes der Phase 0°, 90°, 180° oder 270°.
In 1b sind ferner schematisch elektrische Anschlüsse 300 der einzelnen Fotoelemente dargestellt, die die strahlungsempfindliche Oberfläche 31 des Fotodetektors 3 bilden, wobei jeweils derselben Phase 0° oder 90° oder 180° oder 270° zugeordnete Fotoelemente unterschiedlicher Detektorgruppen miteinander verschaltet sind, so dass deren Ausgangssignale gemeinsam zur Auswertung einer Auswerteeinheit zugeführt werden können.
Von der strahlungsempfindlichen Oberfläche 31 des Fotodetektors 3 sind in 1b drei Detektorgruppen bestehend aus jeweils vier Detektorelementen (Fotoelementen) der Phase 0° bzw. 90° bzw. 180° bzw. 270° dargestellt. Hierbei handelt es sich nur um einen Ausschnitt der strahlungsempfindlichen Oberfläche 31 des Fotodetektors 3, die typischerweise zehn bis vierzehn derartiger aus jeweils vier Fotoelementen bestehender und periodisch hintereinander angeordneter Detektorgruppen aufweist.
Die vorbeschriebene Abtasteinheit 2, 3 der in den 1a und 1b dargestellten Positionsmesseinrichtung (Winkelmesseinrichtung) dient zur optischen Abtastung der Messteilung 15 auf der äußeren Ringfläche 11 des ringförmig entlang eines Kreisbogenabschnittes 10 angeordneten Maßbandes 1. Hierzu wird die mit der Messteilung 15 versehene äußere Ringfläche 11 des Maßbandes 1 in bekannter Weise mit kollimierter elektromagnetischer Strahlung L in Form von Licht bestrahlt, welches mittels einer geeigneten Beleuchtungseinheit (Lichtquelle) erzeugt und mittels einer geeigneten Kondensorlinse kollimiert wurde, wie beispielsweise aus der EP 1 081 457 A2 bekannt. Das zur Abtastung der Messteilung 15 auf der äußeren Ringfläche 11 des Maßbandes 1 verwendete Licht L wechselwirkt sowohl mit der Abtastteilung 25 der lichtdurchlässigen Abtastplatte 2, die in bekannter Weise im Strahlengang des Lichtes L liegt als auch mit der Messteilung 15 auf der äußeren Ringfläche 11 des Maßbandes 1, an der das Licht L reflektiert wird.
Die sowohl durch die Abtastteilung 25 als auch durch die Messteilung 15 modifizierten Lichtstrahlen L bilden auf der strahlungsempfindlichen Oberfläche 31 des Fotodetektors 3 ein sogenanntes Vernier-Streifenmuster mit einer Periode, die durch die Periode P_A der Abtastteilung 25 und die Periode P_M der Messteilung 15 festgelegt ist.
Die auf der strahlungsempfindlichen Oberfläche 31 des Fotodetektors 3 angeordneten Fotoelemente erzeugen ein diesem Streifenmuster entsprechendes elektrisches Signal, welches einer Auswerteeinheit zugeführt wird, die durch Auswertung der elektrischen Ausgangssignale des Fotodetektors 3 das Ausmaß einer Relativbewegung zwischen Maßband 1 und Abtasteinheit 2, 3 ermittelt.
Anhand 1a wird deutlich, dass die Periode P_M der Messteilung 15 von der Abtastplatte 2 her betrachtet in dem Bereich, der dem mittleren Bereich der Abtastplatte 2 gegenüberliegt, scheinbar größer ist als in den Bereichen, die den äußeren Enden der Abtastplatte 2 gegenüberliegen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass aufgrund der Krümmung 1/R des ringförmig angeordneten Maßbandes 1 sowie aufgrund der tangentialen Anordnung der Abtastplatte 2 und des Fotodetektors 3 bezüglich des Maßbandes 1 die an der strahlungsempfindlichen Oberfläche 31 des Detektors 3 wirksame, ortsabhängige effektive Periode P_eff des Maßbandes 1 auf einer Projektion der Messteilung 15 auf die Abtastplatte 2 entlang einer Richtung senkrecht zur Tangentialen t beruht, entlang der sich die Abtastplatte 2 erstreckt. Der beschriebene Projektionseffekt führt also zu einer scheinbaren Abnahme der Periode P_M der Messteilung in den den tangentialen Randbereichen der Abtastplatte 2 gegenüberliegenden Bereichen verglichen mit dem der Mitte der Abtastplatte 2 gegenüberliegenden Bereich der Messteilung 15.
Dieser Projektionseffekt ist gegenläufig zu dem weiter oben beschriebenen Dehnungseffekt als Folge der Dehnung der äußeren Ringfläche 11 des Maßbandes 1 bei dessen ringförmiger Anordnung. Im Gegensatz zu dem Projektionseffekt ist jedoch der Dehnungseffekt nicht ortsabhängig.
Im Folgenden werden die Wirkungen des Dehnungseffektes sowie des Projektionseffektes quantitativ etwas näher beschrieben werden, indem die Auswirkungen dieser beiden Effekte auf das an der strahlungsempfindlichen Oberfläche 31 des Fotodetektors 3 erzeugte Streifenmuster erläutert werden, wobei das bei Abtastung eines linear, entlang einer Geraden angeordneten Maßbandes mit dem Streifenmuster eines ringartig angeordneten Maßbandes verglichen wird.
Bei einem linearen Positionsmesssystem mit einem flach entlang einer Geraden angeordneten Maßband, dessen periodische Messteilung die Periode P_M aufweist, und mit einer dem Maßband zugeordneten, sich parallel zu diesem erstreckenden Abtastplatte, deren Abtastteilung die Periode P_A (Amplitudenperiode) aufweist, gilt für die Periode des Streifenmusters, das dem weiter oben beschriebenen Intensitätsmuster entspricht und das durch Wechselwirkung des zur Abtastung des Maßbandes verwendeten Lichtes einerseits mit der Abtastteilung und andererseits mit der Messteilung erzeugt wird: PV = 1/(1/PA- 1/PM),wobei P_V als sogenannte Vernier-Periode bezeichnet wird, vergleiche EP 1 028 309 A1 .
Aus der obigen Gleichung geht hervor, dass die Vernier-Periode P_V umso kleiner ist, je stärker sich die Teilungsperioden P_A und P_M der Abtastteilung einerseits und der Messteilung andererseits unterscheiden.
So ergibt sich beispielsweise bei einer Periode der Abtastteilung P_A = 19,512 μm und einer Periode der Messteilung P_M = 20 μm für die Vernier-Periode P_V des erzeugten Streifenmusters („Hell-Dunkel-Muster") P_V = 800 μm. Diese Periode des Streifenmusters ist bei der Auslegung eines strukturierten Fotodetektors zu berücksichtigen, mit dem aus dem Streifenmuster elektrische Ausgangssignale erzeugt werden sollen, die einer Auswerteeinheit zuzuführen sind. Hierzu werden beispielsweise bei einem Fotodetektor, der aus einer Vielzahl hintereinander angeordneter Fotoelemente besteht, pro Periode des Streifenmusters vier Fotoelemente hintereinander angeordnet, wobei jedes Fotoelement eine Ausdehnung (entlang der Erstreckungsrichtung der strahlungsempfindlichen Oberfläche des Fotodetektors) von 200 μm aufweist und einer bestimmten Phase, z. B. 0°, 90°, 180° oder 270°, zugeordnet wird. Die Ausdehnung der aktiven Fläche des jeweiligen Fotoelementes ist dabei etwas kleiner als die genannten 200 μm, da zwischen den einzelnen Fotoelementen jeweils ein Rand zur Isolation vorgesehen sein muss.
In diesem Fall stimmt also die Vernier-Periode P_V des durch Wechselwirkung des zur Abtastung verwendeten Lichtes einerseits mit der Abtastteilung und andererseits mit der Messteilung erzeugten Streifenmusters genau mit der Periode P_D überein, auf die die strahlungsempfindliche Oberfläche des Detektors hin abgestimmt ist.
Wird nun derselbe Detektortyp, also ein Fotodetektor mit einer zweidimensionalen ebenen Oberfläche, gebildet durch periodisch hintereinander angeordnete Fotoelemente als Bestandteil einer Abtasteinheit für ein ringartig angeordnetes Maßband verwendet, so führen die beiden oben beschriebenen Effekte, nämlich der sogenannte Dehnungseffekt einerseits und der Projektionseffekt andererseits, dazu dass die an der strahlungsempfindlichen Oberfläche des Fotodetektors wirksame effektive Vernier-Periode P_e _ff ortsabhängig ist. Und zwar ist sie im mittleren Bereich der strahlungsempfindlichen Oberfläche wegen des Dehnungseffektes vom Betrag her kleiner als die Vernier-Periode P_V im linearen Fall, nimmt jedoch zu den Rändern hin wegen des Projektionseffektes zu. Dies ist in 2 erkennbar, wo die effektive Vernier-Periode P_eff in Abhängigkeit von der Position x am strukturierten Fotodetektor dargestellt ist. Es ist deutlich erkennbar, dass die effektive Vernier-Periode Peff in der Mitte des Fotodetektors (bei x = 0) einen kleineren Wert annimmt als die Vernier-Periode P_V des Streifenmusters im linearen Fall (P_V = 800 μm) und dann zu den Rändern des Fotodetektors hin (für x > 0 bzw. x < 0) zunimmt. Unter der effektiven Vernier-Periode P_e _ff wird dabei die lokal veränderliche Ausdehnung eines Paares Hell-Dunkel-Streifen des Vernier-Streifenmusters verstanden.
Betrachtet man die Phase des Streifenmusters, die im Falle eines linearen Maßbandes linear um 2·Pi innerhalb einer Detektorperiode zunimmt, sich also mit der Detektorphase deckt und damit einen optimalen Kontrast in den Detektorsignalen liefert, so eilt die Phase für ein gekrümmtes Maßband in der Mitte des Detektors zunächst etwas der Phase des Detektors voraus (da die effektive Vernier-Periode P_eff hier kleiner ist als die Detektorperiode), während sie zum Rand des Detektors hin nacheilt (da die effektive Vernier-Periode P_eff hier größer ist als die Detektorperiode). Durch diese Phasendifferenz wird der Kontrast in den Detektorsignalen verschlechtert. Die Phase des Streifenmusters lässt sich aus den lokalen Teilungsperioden der Abtastteilung und der Messteilung sowie den geometrischen Verhältnissen, wie der Krümmung der Messteilung und dem Abstand des Detektors von der Messteilung, bestimmen.
Die Zunahme der effektiven Vernier-Periode P_e _ff zu den beiden Rändern der strahlungsempfindlichen Oberfläche des Fotodetektors hin ist eine Folge des Projektionseffektes, welcher zu den Rändern hin zu einer Reduzierung der Periode der Messteilung P_M führt und damit zu einer Verringerung der Differenz 1/P_A – 1/P_M, welche wiederum entsprechend der obigen Gleichung zu einer Zunahme der Vernier-Periode führt.
Da von den beiden oben angegebenen Effekten der Dehnungseffekt ortsunabhängig, der Projektionseffekt jedoch ortsabhängig ist, können sich diese beiden gegenläufigen Effekte nicht vollständig kompensieren. Es ist jedoch möglich, die Perioden P_A und P_M der Abtastteilung 25 einerseits und der Messteilung 15 andererseits so aufeinander abzustimmen, dass ein optimiertes Abtastsignal für eine nachfolgende Auswertung erhalten wird.
Eine einfache analytische Berechnung eines Korrekturwertes für die Periode P_M der Messteilung 15 oder die Periode P_A der Abtastteilung 25 ist nicht möglich. Denn zum einen hängen der Dehnungseffekt einerseits und der Projektionseffekt andererseits in unterschiedlicher Weise von der Krümmung des Maßbandes 1, d. h. von dessen Radius R ab und zum anderen ist der Dehnungseffekt darüber hinaus noch stark von der Dicke d des Maßbandes 1 (vergleiche 1a) abhängig.
Ein optimaler Korrekturwert für die Periode P_M der Messteilung 15 lässt sich nun z. B. dadurch bestimmen, dass für verschiedene Perioden P_M die Intensität des in den Detektorbereichen gleicher Phase ankommenden Lichtes aufsummiert wird. Mit der Kenntnis der Phasenlage des Streifenmusters relativ zur Detektorphase kann dies in einfacher Weise durch eine Vektoraddition erfolgen. Durch iteratives Verändern der Periode P_M der Messteilung 15 kann so ein Maximum der Abtastsignale ermittelt werden.
In den 3a und 3b ist für eine Dicke d des Maßbandes 1 von 300 μm (3a) sowie für eine Dicke d des Maßbandes 1 von 75 μm (3b) jeweils die Intensität der Abtastsignale (zur Normierung bezogen auf den linearen Fall) in Abhängigkeit von dem Radius R_i einer Trommel dargestellt, auf die das Maßband 1 aufgewickelt ist, und zwar jeweils für unterschiedliche Perioden P_M der Messteilung 15. In den 3a und 3b bezeichnet die Kurve K1 jeweils den Fall P_M = 20 μm (also Übereinstimmung mit der Periode der Messteilung bei linearer Anordnung; die Kurve K2 den Fall P_M = 20.02 μm; die Kurve K3 den Fall P_M = 20.04 μm; und die Kurve K4 den Fall P_M = 20.06 μm. Die Amplitudenperiode P_A der Abtastteilung 25 beträgt in allen Fällen 19,512 μm und es wird von einem strukturierten Fotodetektor 3 ausgegangen, der mit seinen Fotoelementen vierzehn Vernier-Perioden erfasst, also insgesamt 56 hintereinander angeordnete, zu vierzehn Gruppen zusammengefasste Fotoelemente aufweist.
Es ist anhand der 3a und 3b deutlich erkennbar, dass für sehr kleine Trommelradien R_l und damit für entsprechend kleine Radien R des ringförmig angeordneten Maßbandes 1 die intensität I des vom Fotodetektor erzeugten Signales im Fall der jeweiligen Kurve K1 (Übernahme des Maßbandes aus dem linearen Positionsmesssystem ohne Korrektur der Periode P_M der Messteilung 15) so stark abfällt, dass eine zuverlässige Auswertung des Signals nicht möglich ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Fotodetektor 3 ausgelegt ist auf ein Streifenmuster mit einer definierten Periode P_D, welche im Beispielsfall 800 μm beträgt und von der gemäß 2 bei ringartiger Anordnung des Maßbandes die effektive Vernier-Periode P_eff aufgrund des Dehnungseffektes sowie des Projektionseffektes deutlich abweicht. Dies gilt insbesondere für kleine Banddicken d, bei denen der Dehnungseffekt nur eine vergleichsweise geringe Auswirkung hat und daher der Projektionseffekt bei kleinen Trommelradien voll durchschlägt. Dies erklärt die deutlich stärkere Abnahme der Intensitätskurve K1 in 3b verglichen mit 3a. Denn 3b liegt eine Banddicke von 75 μm zugrunde, während 3a auf der vierfachen Banddicke von 300 μm beruht.
Ferner ist erkennbar, dass in beiden Fällen bei kleinen Trommelradien deutlich höhere Intensitäten des Detektorsignals erzielt werden können, wenn die Periode P_M der Messteilung um 0.1 % (Kurve K2), um 0.2 % (Kurve K3) oder um 0.3 % (Kurve K4) gegenüber dem linearen Fall vergrößert wird. In Abhängigkeit von der Banddicke d gibt es für jeden Trommeldurchmesser R_i einen eindeutigen Wert, um den die Periode P_M der Messteilung 15 korrigiert (vergrößert) werden muss, um eine möglichst große Intensität der Abtastsignale zu erhalten. Vergleicht man etwa in den 3a und 3b jeweils die vier Kurven K1, K2, K3, K4, die unterschiedliche Korrekturwerte der Periode P_M der Messteilung 15 repräsentieren, so ist im Fall der 3a (entsprechend einer Banddicke d = 300 μm) bei einem Trommeldurchmesser von 5·10⁴ μm eine Periode P_M der Messteilung 15 im Bereich von 20.02 m vorteilhaft, während im Fall der 3b (Banddicke d = 75 μm) für den entsprechenden Trommeldurchmesser eine Periode P_M der Messteilung 15 von etwa 20.06 μm besonders große Intensitäten des Detektorsignals liefert.
Selbstverständlich kann anstelle einer Korrektur der Periode P_M der Messteilung 15, verglichen mit dem linearen Fall, auch eine Korrektur der Periode P_A der Abtastteilung 25 erfolgen. Während im Fall einer Korrektur der Periode P_M der Messteilung 15 die Korrektur durch Addition eines Korrekturwertes erfolgt, ist im Fall einer Korrektur der Periode P_A des Abtastgitters die Periode P_A etwas zu vermindern, entsprechend der Subtraktion eines Korrekturwertes. Denn, wie aus der obigen Gleichung für die Vernier-Periode P_V hervorgeht, kommt es für die Einstellung der Vernier-Periode und damit auch der effektiven Vernier-Periode P_eff auf die Differenz zwischen den Kehrwerten von P_A und PM an.
Konkret gilt, dass bei einem auf die Periode P_D des Vernier-Streifenmusters abgestimmten Fotodetektor zur Korrektur der effektiven Vernier-Periode P_eff bei ringartiger Anordnung des Maßbandes entweder die Periode P_M der Messteilung zu korrigieren ist, so dass P_M > 1/(1/P_A – 1/P_D), oder die Periode P_A der Abtastteilung so zu korrigieren ist, dass P_A < 1/(1/P_D + 1/P_M).

Claims

Positionsmesseinrichtung mit – einer auf einer ringartig umlaufenden Maßverkörperung vorgesehenen Messteilung, – einer Abtasteinheit zum optischen Abtasten der Messteilung mittels elektromagnetischer Strahlung, – einer Abtastplatte mit einer periodischen Abtastteilung, die im Strahlengang der zum Abtasten der Messteilung verwendeten elektromagnetischen Strahlung angeordnet ist, so dass diese sowohl mit der Abtastteilung als auch mit der Messteilung wechselwirkt, und – einem Detektor der Abtasteinheit, dessen Detektorfläche zur Detektion der elektromagnetischen Strahlung nach Wechselwirkung mit der Abtastteilung und der Messteilung dient und der zur Detektion elektromagnetischer Strahlung in Form eines Streifenmusters mit einer Periode P_D ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Periode P_M der Messteilung (15) und die Periode P_A der Abtastteilung (25) so abgestimmt sind, dass 1/(1/P_A- 1/P_M) < P_D.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Periode P_M der Messteilung (15) so gewählt ist, dass P_M > 1/(1/P_A- 1/P_D).
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Periode P_A der Abtastteilung (25) so gewählt ist, dass P_A < 1/(1/P_D + 1/P_M).
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorfläche (31) des Detektors (3) durch eine periodische Anordnung von Detektorbereichen gebildet wird, deren Periode (P_D) der Periode desjenigen Streifenmusters entspricht, für dessen Detektion der Detektor (3) ausgebildet ist.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorbereiche durch Detektorelemente, insbesondere in Form von Fotoelementen, gebildet werden.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils vier Detektorbereiche (0°, 90°, 180°, 270°) zu einer Detektorgruppe zusammengefasst sind und dass die Detektorgruppen periodisch mit einer definierten Periode (P_D) hintereinander angeordnet sind.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Detektorbereiche (0°, 90°, 180°, 270°) einer Detektorgruppe jeweils einer Phase zugeordnet sind und dass phasengleiche Detektorbereiche unterschiedlicher Detektorgruppen elektrisch miteinander verschaltet sind.
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (3) eine ebene, im Wesentlichen zweidimensionale Detektorfläche (31) aufweist.
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messteilung (15) und/oder die Abtastteilung (25) durch ein Amplitudengitter gebildet werden.
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastteilung (25) durch ein MAP-Gitter gebildet wird.
Positionsmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastteilung (25) durch ein Phasengitter gebildet wird.
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messteilung (15) der Maßverkörperung (1) mittels elektromagnetischer Strahlung in Form kollimierten Lichtes abgetastet wird.
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Periode P_M der Messteilung (15) und die Periode P_A der Abtastteilung (25) so abgestimmt sind, dass die Intensität eines vom Detektor (3) erzeugten Ausgangssignals maximiert wird.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 4 bis 13, soweit rückbezogen auf Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung der Periode P_M der Messteilung (15) von dem Term 1/(1/P_A- 1/P_D) mindestens 0.05 % beträgt und vorzugsweise zwischen 0.1 % und 1 % liegt.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 3 oder einem der Ansprüche 4 bis 13, soweit rückbezogen auf Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung der Periode P_A der Abtastteilung (25) von dem Term 1/(1/P_D + 1/P_M) mindestens 0.05 % beträgt, vorzugsweise zwischen 0.1 % und 1 % liegt.
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ringartig umlaufende Maßverkörperung (1) durch ein ringartig angeordnetes Maßband gebildet wird.