DE102004041950A1 - Optische Positionsmesseinrichtung - Google Patents

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Abstract

Es wird eine optische Positionsmesseinrichtung angegeben, die zur Erzeugung positionsabhängiger Abtastsignale dient. Sie besteht aus einer Messteilung und einer Abtasteinheit, die relativ zueinander in einer Messrichtung beweglich angeordnet sind. Die Abtasteinheit umfasst eine Lichtquelle und eine optoelektronische Detektoranordnung, die aus mehreren Detektorelementeinheiten besteht, deren geometrische Form und/oder Anordnung derart gewählt ist, dass darüber zumindest eine Teil-Filterung unerwünschter Oberwellen aus den Abtastsignalen resultiert. Die Messteilung besteht aus einer in Messrichtung periodischen Anordnung von Teilungsbereichen mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften mit der Periodizität TPM. Deren Form und/oder Anordnung ist derart gewählt, dass darüber ebenfalls zumindest eine Teil-Filterung unerwünschter Oberwellen aus den Abtastsignalen resultiert (Figur 2).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Positionsmesseinrichtung, die insbesondere oberwellenfreie Abtastsignale liefert.
  • Bekannte optische Positionsmesseinrichtungen zur Erzeugung von Abtastsignalen in Form periodischer Inkrementalsignale umfassen üblicherweise eine Messteilung sowie eine relativ zur Messteilung in einer Messrichtung beweglich angeordnete Abtasteinheit. Mit der Messteilung und der Abtasteinheit wiederum sind die beiden Objekte – beispielsweise Maschinenteile – verbunden, deren Relativposition mit der Positionsmesseinrichtung zu bestimmen ist. Die erzeugten Abtastsignale werden zur Weiterverarbeitung einer Folgeelektronik zugeführt, etwa einer numerischen Werkzeugmaschinensteuerung oder einem Antriebsregler.
  • Auf Seiten der linearen oder rotatorischen Messteilung ist eine in Messrichtung periodische Anordnung von Teilungsbereichen mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften vorgesehen. Im Fall eines Durchlicht-Systems sind hierbei alternierend durchlässige und undurchlässige Teilungsbereiche auf Seiten der Messteilung angeordnet, im Fall eines Auflicht-Systems hochreflektierende Teilungsbereiche und gering-reflektierende Teilungsbereiche etc.. Die Abtasteinheit umfasst zur Erzeugung der Abtastsignale zumindest eine Lichtquelle und eine optoelektronische Detektoranordnung. Je nach verwendetem optischen Abtastprinzip können in der Abtasteinheit ferner noch ein oder mehrere Abtastteilungen im Abtaststrahlengang angeordnet sein.
  • Die derart erzeugten analogen Abtastsignale weisen aufgrund verschiedenster Störeinflüsse in der Regel keine ideale Signalform auf, d.h. es liegen üblicherweise keine sinusförmigen Abtastsignale vor. Als Ursachen für derartige Abweichungen kommen beispielsweise Ungenauigkeiten in der verwendeten Messteilung, Schwankungen des Abtastabstandes oder aber resultierende Beugungseffekte in Betracht. Im Ergebnis resultieren also unerwünschte Oberwellenanteile in den Abtastsignalen. Zur fehlerfreien Weiterverarbeitung der Abtastsignale sind jedoch weitestgehend oberwellenfreie Signale mit ideal sinusförmiger Form wünschenswert. Dies gilt insbesondere wenn in der Positionsmesseinrichtung oder aber in der Folgeelektronik eine Signalinterpolation erforderlich ist, mittels der die gelieferte Signalperiode der Abtastsignale nochmals elektronisch unterteilt wird.
  • Zur Reduzierung des Oberwellengehaltes sind nunmehr bereits eine Vielzahl von Lösungen bekannt geworden. Die verschiedenen Ansätze zur Oberwellenfilterung sehen hierbei z.B. Eingriffe auf Seiten einer Abtastteilung oder auf Seiten der Messteilung vor. Die jeweiligen Teilungen werden in geeigneter Form modifiziert, um die unerwünschten Oberwellenanteile an den erzeugten Abtastsignalen zu minimieren. Dies kann etwa durch Modifikationen der periodischen Anordnung der Teilungsstrukturen und/oder durch eine geeignete Geometrie der Teilungsstrukturen erfolgen. Beispielsweise seien in diesem Zusammenhang die Druckschriften GB 2 116 313 A oder EP 541 827 B1 erwähnt.
  • Aus der DE 1 282 988 ist ferner eine Positionsmesseinrichtung bekannt, bei der sowohl auf der Seite der Messteilung als auch auf der Seite der Abtastteilung bestimmte Maßnahmen zur Oberwellenfilterung ergriffen werden.
  • Des weiteren sind diverse Möglichkeiten bekannt, durch Eingriffe auf Seiten der verwendeten Detektoranordnung den Oberwellengehalt der Abtastsignale zu verringern. Hierzu sei etwa auf die EP 250 711 A2 oder aber die EP 714 015 B1 verwiesen. In diesen Druckschriften wird vorgeschlagen, durch eine geeignete Anordnung und Dimensionierung der einzelnen Detektorelemente in der Detektoranordnung eine definierte Oberwellenfilterung vorzunehmen. Durch derartige Maßnahmen auf Seiten der Detektorelemente lassen sich ebenfalls sehr effizient unerwünschte Oberwellenanteile aus den Abtastsignalen eliminieren. Problematisch hieran ist jedoch, dass für unterschiedliche Abtastkonfigurationen jeweils unterschiedliche Ausführungen bzw. Designs der Detektoranordnungen erforderlich werden. Wenn nunmehr derartige Detektoranordnungen in integrierter Form in sog. OPTO-ASICs auf Seiten der Abtasteinheit eingesetzt werden sollen, resultiert bei eventuell erforderlichen Änderungen aufgrund anderer Filterungsanforderungen ein signifikanter Aufwand bzgl. der dann auch nötigen Änderungen in der Detektoranordnung. Wünschenswert ist im Fall des Einsatzes von OPTO-ASICs jedoch grundsätzlich, dass diese für vielfältige Anwendungen möglichst unverändert zur Verfügung stehen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine optische Positionsmesseinrichtung anzugeben, die eine zuverlässige Oberwellenfilterung in den resultierenden Abtastsignalen sicherstellt. Hierbei sollte eine flexible Anpassung der zur Oberwellenfilterung vorgesehenen Maßnahmen an verschiedene Abtastkonfigurationen möglich sein.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine optische Positionsmesseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen der optischen Positionsmesseinrichtung ergeben sich aus den Maßnahmen, die in den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind.
  • Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, eine Teil-Filterung unerwünschter Oberwellenanteile sowohl auf Seiten der optoelektronischen Detektoran ordnung als auch eine Teil-Filterung von Oberwellenanteilen auf Seiten der verwendeten Messteilung vorzunehmen. So kann etwa eine bestimmte Teil-Filterfunktionalität durch die geometrische Form und/oder Anordnung von Detektorelementeinheiten auf Seiten der Abtasteinheit sichergestellt werden. Eine weitere Teil-Filterfunktionalität lässt sich darüberhinaus durch Maßnahmen auf Seiten der Messteilung sicherstellen, wenn dort die Form und/oder Anordnung der Teilungsbereiche entsprechend den Filteranforderungen gewählt wird.
  • Auf diese Art und Weise kann insbesondere eine optoelektronische Detektoranordnung auf eine bestimmte Teil-Filterfunktionalität hin ausgelegt werden, die für eine Reihe verschiedener Abtastkonfigurationen grundsätzlich geeignet ist. Durch die zusätzlichen Filtermaßnahmen auf Seiten der eingesetzten Messteilung lässt sich die gewünschte Filterwirkung für verschiedene Abtastkonfigurationen darüberhinaus individuell und flexibel optimieren. Hierzu sind keine aufwändigen weiteren Eingriffe in das vorgegebene Design der optoelektronischen Detektoranordnung nötig.
  • Im Hinblick auf die geometrische Ausgestaltung der Detektorelementeinheiten in der optoelektronischen Detektoranordnung gibt es im Rahmen der vorliegenden Erfindung verschiedene Möglichkeiten. So kann beispielsweise durch eine geeignete Konturgebung der Detektorelemente der Detektorelementeinheiten eine Teil-Filterwirkung sichergestellt werden; alternativ kann dies aber auch durch die geeignete Breite einer entsprechenden Detektorelementeinheit oder aber durch geeignetes blockweises Zusammenschalten von Detektorelementen erreicht werden. Selbstverständlich lassen sich diese Maßnahmen zur erwünschten Teil-Filterung auf der Seite der Detektoranordnung auch geeignet kombinieren.
  • Im Fall einer spiegelsymmetrischen Anordnung der Detektorelemente relativ zu einer Symmetrieachse der Detektoranordnung lässt sich ferner eine gewisse Toleranz bei der erforderlichen Justage der Detektoranordnung in Bezug auf die Messteilung erreichen. Es resultiert eine einfachere Montage der Positionsmesseinrichtung.
  • Des weiteren gibt es auch auf Seiten der Messteilung verschiedene Möglichkeiten, die gewünschte Teil-Filterwirkung zu realisieren. So kann neben einer verkippten Anordnung von Teilungsbereichen um einen bestimmten Verkippwinkel auch eine abgewinkelte bzw. V-förmige Anordnung der Teilungsbereiche relativ zu einer Symmetrieachse vorgesehen werden; alternativ kann auch die Kontur der Teilungsbereiche sinusförmig ausgestaltet werden.
  • Selbstverständlich lassen sich die erfindungsgemäßen Maßnahmen sowohl in Verbindung mit linearen als auch mit rotatorischen Positionsmesseinrichtungen einsetzen. Ebenso können die vershiedenen Maßnahmen mit Durchlicht- und Auflicht-Systemen realisiert werden.
  • Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Figuren.
  • Dabei zeigt
  • 1 eine schematisierte Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen optischen Positionsmesseinrichtung, die zur Erfassung einer rotatorischen Bewegung dient;
  • 2 eine schematisierte Teil-Ansicht einer ersten Ausführungsform einer optoelektronischen Detektoranordnung in Verbindung mit einer ersten Ausführungsform der abgetasteten Messteilung;
  • 3 eine schematisierte Teil-Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer optoelektronischen Detektoranordnung in Verbindung mit der ersten Ausführungsform der abgetasteten Messteilung;
  • 4 eine schematisierte Teil-Ansicht einer dritten Ausführungsform einer optoelektronischen Detektoranordnung in Verbindung mit einer zweiten Variante der abgetasteten Messteilung;
  • 5 eine schematisierte Teil-Ansicht einer dritten Ausführungsform einer optoelektronischen Detektoranordnung in Verbindung mit einer dritten Variante der abgetasteten Messteilung.
  • In 1 ist in einer schematisierten Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Positionsmesseinrichtung dargestellt, in der eine geeignet ausgebildete optoelektronische Detektoranordnung 22 und eine darauf abgestimmte Messteilung 10 eingesetzt wird. Sowohl über die Detektoranordnung 22 als auch über die Messteilung 10 resultieren jeweils erfindungsgemäß bestimmte Teil-Filterwirkungen in Bezug auf den unerwünschten Oberwellenanteil der Abtastsignale.
  • Beim dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine rotatorische Positionsmesseinrichtung mittels der die Position bzw. der Drehwinkel einer um die Achse A rotierenden Teilscheibe 12 bestimmt werden soll. Die Teilscheibe 12 besitzt in diesem Beispiel eine kreisringförmig angeordnete Messteilung 10, die im Durchlicht abgetastet wird. Die Messteilung 10 ist hierbei als in Messrichtung x periodische Abfolge von (licht-)durchlässigen und (licht-)undurchlässigen Teilungsbereichen ausgebildet. Die Breite eines benachbarten Paares von lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Teilbereichen der Messteilung 10 sei nachfolgend als Periodizität TPM der Messteilung 10 bezeichnet.
  • Zur Erzeugung positionsabhängiger Abtastsignale umfasst die dargestellte Positionsmesseinrichtung ferner eine Abtasteinheit 20 mit einer Lichtquelle 21, eine der Lichtquelle vorgeordnete Kollimatoroptik 26 sowie eine Abtastplatine 27, auf der in der Detektionsebene die optoelektronische Detektoranordnung 22 angeordnet ist. Mittels Bonddrähten 25a, 25b ist die Detektor anordnung 22 mit elektrisch leitfähigen Leiterbahnen auf der Abtastplatine 27 verbunden. Über die nachfolgend noch im Detail zu beschreibende optoelektronische Detektoranordnung 22 wird im Fall der Relativbewegung von Messteilung 10 und Abtasteinheit 20 ein in der Detektionsebene erzeugtes periodisches Streifenmuster abgetastet, das verschiebungsabhängig moduliert wird. Aus der optoelektronischen Abtastung dieses Streifenmusters resultieren die zur Weiterverarbeitung vorgesehenen periodischen, analogen Abtastsignale bzw. Inkrementalsignale.
  • Die von der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung erzeugten und ggf. schon aufbereiteten Abtastsignale werden über ebenfalls nicht dargestellte Signalübertragungsleitungen einer Folgeelektronik zugeführt, die beispielsweise bestimmte Steuer- und/oder Regelungsaufgaben übernimmt.
  • Im Ausführungsbeispiel der 1 ist eine rotatorische Positionsmesseinrichtung dargestellt, bei der sich die Messrichtung x, also die relative Verschieberichtung von Messteilung 10 und Abtasteinheit 20, entlang einer Kreisbahn erstreckt. Die Erzeugung der positionsabhängigen Abtastsignale erfolgt über eine sog. Durchlichtabtastung. Selbstverständlich lassen sich die nachfolgend zu erläuternden, erfindungsgemäßen Maßnahmen aber auch in Verbindung mit linearen Positionsmesseinrichtungen verwirklichen, bei der sich die Messrichtung x in linearer Richtung bzw. entlang einer Geraden erstreckt. Das gleiche gilt für alternative Abtastprinzipien wie etwa Auflichtabtastungen mit hoch- und gering-reflektierend ausgebildeten Teilungsbereichen der Messteilung und/oder alternative optische Abtaststrahlengänge mit zusätzlich vorgesehenen Abtastgittern etc..
  • Zur detaillierten Erläuterung der verschiedenen erfindungsgemäßen Maßnahmen sei nunmehr auf die 2 verwiesen, die einen Teil der optoelektronischen Detektoranordnung 22 aus 1 in der Detektionsebene in Verbindung mit einer ebenfalls schematisierten Teil-Draufsicht auf die abgetastete Messteilung 10 zeigt.
  • Von der Detektoranordnung sind in 2 mehrere Detektorelementeinheiten 23.1a, 23.1b, 23.2a, 23.2b, 23.3a, 23.3b dargestellt, die entlang der Messrichtung x mit der Periodizität TPM angeordnet sind. Die Periodizität TPM der Anordnung der Detektorelementeinheiten 23.1a, 23.1b, 23.2a, 23.2b, 23.3a, 23.3b bzw. der Schwerpunkte entspricht in diesem Beispiel der Periodizität TPM der abgetasteten Messteilung.
  • Von der Messteilung sind in 2 mehrere Perioden mit Teilungsbereichen 11.1, 11.2 bzw. 11.1a, 11.1b erkennbar, wobei in Messrichtung x benachbarte Teilungsbereiche 11.1, 11.2 jeweils unterschiedliche optische Eigenschaften aufweisen. Mit dem Bezugszeichen 11.1 bzw. 11.1a und 11.1b werden hierbei licht-undurchlässige Teilungsbereiche bezeichnet, mit dem Bezugszeichen 11.2 licht-durchlässige Teilungsbereiche.
  • Die komplette abtastseitige Detektoranordnung 22 der Positionsmesseinrichtung umfasst in einer vorteilhaften Ausführungsform deutlich mehr als die in 2 erkennbaren Detektorelementeinheiten 23.1a, 23.1b, 23.2a, 23.2b, 23.3a, 23.3b; gleiches gilt für die abgetastete (eigentlich kreisringförmige) Messteilung, von der in 2 lediglich ein kleiner Ausschnitt erkennbar ist und die ebenfalls eine Vielzahl von Teilungsbereichen 11.1, 11.2 mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften umfasst.
  • Die in diesem Beispiel vorgesehene Detektoranordnung wird mitunter auch als sog. strukturierter Detektor bezeichnet. Dieser umfasst eine Vielzahl einzelner Detektorelemente oder Detektorelementeinheiten, die zur Abtastung eines verschiebungsabhängig modulierbaren Streifenmusters in einer Detektionsebene eingesetzt werden. Maßgeblich ist hierbei, dass jeweils diejenigen Detektorelemente oder Detektorelementeinheiten elektrisch miteinander verbunden sind, die phasengleiche Abtastsignale aus der Abtastung des Streifenmusters in der Detektionsebene erzeugen. Üblich ist hierbei die Erzeugung von vier um jeweils 90° phasenverschobenen Abtastsignalen S0, S90, S180 und S270, die in bekannter Art und Weise verarbeitet werden. Zur Erzeugung von jedem dieser Abtastsignale S0, S90, S180 und S270 tragen demzufolge die Signale einer ganzen Gruppe von geeignet miteinander verschalteten Detektorelementen oder Detektorelementeinheiten bei.
  • Erfindungsgemäß wird nunmehr sowohl durch die Ausgestaltung der Detektorelementeinheiten 23.1a, 23.1b, 23.2a, 23.2b, 23.3a, 23.3b auf der Abtasteinheits-Seite als auch durch die geeignete Ausgestaltung der Teilungsbereiche 11.1 auf der Messteilungs-Seite jeweils eine Teil-Filterung unerwünschter Oberwellenanteile aus den erzeugten Abtastsignalen gewährleistet.
  • Auf der Seite der Abtasteinheit wird dies im vorliegenden Beispiel durch die geometrische Form und/oder Anordnung der Detektorelementeinheiten 23.1a, 23.1b, 23.2a, 23.2b, 23.3a, 23.3b erreicht. Diese bestehen jeweils aus ein oder mehreren einzelnen Detektorelementen 24.1_1, 24.1_2, 24.1_3, 24.1_4, 24.2_1, 24.2_2, 24.2_3, 24.2_4, 24.3_1, 24.3_2, 24.3_3, 24.3_4, die z.B. als bekannte Photodioden ausgebildet sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind je zwei Detektorelemente mit einer bestimmten geometrischen Kontur pro Detektorelementeinheit 23.1a, 23.1b, 23.2a, 23.2b, 23.3a, 23.3b vorgesehen. Grundsätzlich könnte eine Detektorelementeinheit 23.1a, 23.1b, 23.2a, 23.2b, 23.3a, 23.3b jedoch auch alternativ aus nur einem einzelnen Detektorelement bestehen.
  • Im Hinblick auf die zur Oberwellenfilterung geeignete geometrische Form der Detektorelemente 24.1_1, 24.1_2, insbesondere zur geeigneten Konturgebung derselben, sei an dieser Stelle ausdrücklich auf die Deutsche Patentanmeldung Nr. 103 19 609.9 der Anmelderin verwiesen.
  • Jede Detektorelementeinheit 23.1a, 23.1b, 23.2a, 23.2b, 23.3a, 23.3b ist in diesem Beispiel ferner in Bezug auf ihre jeweilige Längsachse LD in der Detektionsebene gegenüber der Messrichtung x um einen bestimmten Verkippwinkel α ≠ 90° verkippt angeordnet. Der Verkippwinkel α wird in diesem Ausführungsbeispiel hierbei so gewählt, dass sich die Ausdehnung einer Detektorelementeinheit 23.1a, 23.1b, 23.2a, 23.2b, 23.3a, 23.3b in Messrichtung x über die Länge TPM/2 erstreckt.
  • Wie aus 2 ersichtlich, besitzt die optoelektronische Detektoranordnung eine Symmetrieachse S, die parallel zur Messrichtung x orientiert ist. Spiegelsymmetrisch zur Symmetrieachse S bzw. in 2 oberhalb und unterhalb zur Symmetrieachse S sind im vorliegenden Beispiel jeweils erste und zweite Detektorelementeinheiten 23.1a und 23.1b, 23.2a und 23.2b sowie 23.3a und 23.3 in etwa V-förmig zueinander angeordnet. Diese Anordnung erweist sich insofern als vorteilhaft, da sich damit eine größere Montagetoleranz der Positionsmesseinrichtung gewährleisten lässt. Auch im Fall einer nicht-idealen Montage der Abtasteinheit relativ zur abgetasteten Messteilung ist eint hinreichende Signalamplitude und ein guter Modulationsgrad der erzeugten Abtastsignale inclusive einer Oberwellenfilterung gewährleistet.
  • Alternative Varianten zur Ausgestaltung der Detektorelementeinheiten auf Seiten der Abtasteinheit, um darüber eine Teilfilterwirkung zu erzielen, seien im Verlauf der nachfolgenden Beschreibung erläutert.
  • Zur vorgesehenen Teil-Filterung von unerwünschten Oberwellenanteilen ist auf der Messteilungsseite im vorliegenden Beispiel vorgesehen, die rautenförmigen Teilungsbereiche 11.1, 11.2 in der Messteilung derart anzuordnen, dass deren Längsachsen LM in der Messteilungsebene gegenüber der Messrichtung x um einen Winkel β ≠ 90° verkippt angeordnet sind. Das heißt, die erforderliche Teil-Filterwirkung auf Seiten der Messteilung wird hierbei durch die entsprechende Schrägstellung der Teilungsbereiche 11.1, 11.2 erzielt.
  • Wie aus 2 ersichtlich, besitzt im vorliegenden Beispiel auch die Messteilung eine Symmetrieachse S, die parallel zur Messrichtung x orientiert ist und zu der spiegelsymmetrisch jeweils erste und zweite Teilungsbereiche 11.1a, 11.1b mit identischen optischen Eigenschaften V-förmig aneinandergrenzend angeordnet sind. Die V-förmige Anordnung der ersten und zweiten Teilbereiche der Messteilung ist hierbei genau entgegengesetzt bzw. um 180° verdreht zur V-förmigen Anordnung der Detektorelementeinheiten 23.1a, 23.1b, 23.2a, 23.2b, 23.3a, 23.3b in der Detektoranordnung gewählt.
  • Im vorliegenden Beispiel werden die Winkel α und β, die jeweils die Schrägstellung der Detektorelementeinheiten 23.1a, 23.1b, 23.2a, 23.2b, 23.3a, 23.3b und der Teilungsbereiche 11.1, 11.2 gegenüber der Messrichtung x charakterisieren, derart gewählt, dass wie aus 2 ersichtlich, sich entlang der Messrichtung x gleich breite Lücken und Striche auf der Messteilungs-Seite bzw. Bereiche mit und ohne Detektorelementeinheiten auf der Abtasteinheits-Seite ausgebildet werden. In anderen Worten ausgedrückt: Es wird die Geometrie und Anordnung der Detektorelementeinheiten 23.1a, 23.1b, 23.2a, 23.2b, 23.3a, 23.3b und der Teilungsbereiche 11.1, 11.2 derart aufeinander abgestimmt, dass jeweils eine Detektorelementeinheit in ihrer Projektion exakt in einen durchlässigen oder undurchlässigen Teilungsbereich passt.
  • Grundsätzlich kann im Fall anderer Filterungsvarianten auch eine Geometrie und Anordnung der Detektorelementeinheiten und der Teilungsbereiche dergestalt gewählt werden, dass etwa in der Projektion eine derartige Detektorelementeinheit um einen bestimmten Teil über die Teilungsbereiche hinausragt etc.. Dies kann z.B. im Fall der erforderlichen Filterung anderer Oberwellenordnungen nötig sein.
  • Im Zusammenhang mit der Abstimmung der Geometrie und Anordnung der Detektorelementeinheiten und der Teilungsbereiche zur jeweiligen Teil-Filterung sei ferner erwähnt, dass vorteilhafterweise die Ausdehnung der Detektorelementeinheiten in y-Richtung in etwa identisch zur Länge eines abgewinkelten Teilungsbereiches auf der Messteilungsseite gewählt wird, wie dies in 2 veranschaulicht ist.
  • Weitere alternative Varianten zur Teil-Oberwellenfilterung auf Seiten der optoelektronischen Detektoranordnung und auf Seiten der Messteilung seien im folgenden anhand der 35 erläutert. Hierbei sei lediglich auf die maßgeblichen Unterschiede zum ausführlich erläuterten Beispiel in 2 eingegangen.
  • So zeigt 3 eine Draufsicht auf einen Teil einer Messteilung, die analog zum Beispiel aus 2 ausgebildet ist, in Verbindung mit einer alternativen Ausführungsform auf der Seite der Detektoranordnung. Von der Detektoranordnung sind in 3 wiederum lediglich drei Detektorelementeinheiten 123.1, 123.2, 123.3 dargestellt. Die komplette Detektoranordnung umfasst erneut eine Vielzahl derartiger Detektorelementeinheiten 123.1, 123.2, 123.3, die mit der Periodizität TPM in Messrichtung x angeordnet sind.
  • Im Unterschied zum vorherigen Beispiel bestehen die Detektorelementeinheiten 123.1, 123.2, 123.3 nunmehr jeweils lediglich aus einem einzigen Detektorelement. Die Detektorelemente sind V-förmig in Bezug auf die Symmetrieachse S der Detektoranordnung angeordnet.
  • Ebenfalls eine V-förmige Anordnung der Teilungsbereiche 11.1, 11.2 ist wiederum auf Seiten der Messteilung vorgesehen. Um die gleiche Breite von Stegen und Lücken sowohl auf Seite der Detektoranordnung als auch auf Seite der Messteilung zu gewährleisten, ist die entsprechend entgegengesetzte V-förmige Ausrichtung bzw. abgewinkelte Anordnung der Teilungsbereiche 11.1, 11.2 bzw. Detektorelementeinheiten 123.1, 123.2, 123.3 vorgesehen.
  • Hierbei ist grundsätzlich nicht zwingend erforderlich, dass detektor- und messteilungsseitig die gleichen Winkel vorgesehen werden. Die dargestellte Ausführungsform in 3 stellt demzufolge lediglich einen Sonderfall dar. So kann es etwa erforderlich sein, dass die Winkel derart gewählt werden, dass die Detektorelementeinheiten in Projektion auf die Teilungsbereiche diese einen bestimmten Teil in Messrichtung x überragen, wenn etwa die Filterung bestimmter Oberwellen nötig ist.
  • Als grundsätzlich vorteilhaft erweist es sich wiederum, wenn die Länge der Detektorelementeinheiten 123.1, 123.2, 123.3 in y-Richtung in etwa identisch zur Länge eines abgewinkelten Teilungsbereiches gewählt wird.
  • Um wiederum möglichst große Toleranzen bzgl. der Montage von Abtasteinheit und Messteilung zu gewährleisten ist es vorteilhaft, wenn – wie in 3 angedeutet – in y-Richtung sich weitere abgewinkelte Teilungsbereiche anschließen. Es resultiert also eine Art Zick-Zack-Struktur der Teilungsbereiche 11.1, 11.2 in y-Richtung mit der Periodizität der Länge einer Detektorelementeinheit 123.1, 123.2, 123.3. Die Gesamtlänge der Teilungsbereiche in y-Richtung kann hierbei grundsätzlich je nach Anforderung an die nötigen Lagetoleranzen gewählt werden.
  • Zwei weitere Varianten der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung sind in den 4 und 5 schematisiert dargestellt. Auf der Seite der Detektoranordnung sind jeweils rechteckförmige Detektorelementeinheiten 223.1, 223.2, 223.3 vorgesehen, die im Abstand TPM in Messrichtung x benachbart zueinander angeordnet sind und wiederum nur ein einzelnes rechteckförmiges Detektorelement umfassen. Dessen Längsachse ist in der Detektionsebene gegenüber der Messrichtung x rechtwinklig angeordnet. Die erfindungsgemäße Teil-Filterwirkung kann abtastseitig bei derartigen Detektorelementeinheiten 223.1, 223.2, 223.3 z.B. durch die geeignete Wahl der Breite b der Detektorelementeinheit 223.1, 223.2, 223.3 in Messrichtung x gewährleistet werden sowie im Fall der abgewinkelten Teilungsbereich durch die Wahl geeigneter Winkel wie oben erläutert.
  • Auf der Seite der Messteilung wird in 4 eine Ausführungsform mit V-förmiger bzw. abgewinkelter Ausrichtung der Teilungsbereiche 11.1, 11.2 vorgesehen. Die Breite B der Teilungsbereiche 11.1, 11.2 wird über deren gesamte Erstreckung in y-Richtung konstant gemäß B = TPM/2 gewählt.
  • Im Beispiel der 5 wird eine andere Möglichkeit zur messteilungsseitigen Teil-Oberwellenfilterung vorgeschlagen. So weisen dort die Teilungsbereiche 111.1, 111.2 mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften jeweils sinusförmige Konturen in y-Richtung auf bzw. sinusförmige Berandungen. Über eine derartige Konturgebung lässt sich ebenfalls eine Teil-Oberwellenfilterung auf der Seite der Messteilung erzielen. Die Periodizität der sinusförmigen Berandungsfunktion entspricht wie im dargestellten Beispiel der Länge einer Detektorelementeinheit 223.1, 223.2, 223.3 in y-Richtung oder aber einem ganzzahligen Bruchteil hiervon. Die Breite B eines Teilungsbereiches 111.1, 111.2 ist über die gesamte Länge in y-Richtung konstant gewählt und beträgt B = TPM/2.
  • Die anhand der verschiedenen Figuren erläuterten Beispiele diskutierten Maßnahmen zur Teil-Oberwellenfilterung auf Seite der Abtasteinheit und der Messteilung lassen sich selbstverständlich auch geeignet miteinander kombinieren etc.. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung gibt es somit eine Reihe weiterer Ausgestaltungsmöglichkeiten, die allesamt auf den oben diskutierten Prinzipien basieren.

Claims (14)

  1. Optische Positionsmesseinrichtung zur Erzeugung positionsabhängiger Abtastsignale, bestehend aus einer Messteilung (10) und einer Abtasteinheit (20), die relativ zueinander in einer Messrichtung (x) beweglich angeordnet sind, wobei – die Abtasteinheit (20) eine Lichtquelle (21) und eine optoelektronische Detektoranordnung (22) umfasst, die aus mehreren Detektorelementeinheiten (23.1a, 23.1b; 23.2a, 23.2b; 23.3a, 23.3b) besteht, deren geometrische Form und/oder Anordnung derart gewählt ist, dass darüber zumindest eine Teil-Filterung unerwünschter Oberwellen aus den Abtastsignalen resultiert und – die Messteilung (10) aus einer in Messrichtung (x) periodischen Anordnung von Teilungsbereichen (11.1, 11.2) mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften mit der Periodizität TPM besteht und deren Form und/oder Anordnung derart gewählt ist, dass darüber zumindest eine Teil-Filterung unerwünschter Oberwellen aus den Abtastsignalen resultiert.
  2. Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Detektorelementeinheiten (23.1a, 23.1b; 23.2a, 23.2b; 23.3a, 23.3b) entlang der Messrichtung (x) mit der Periodizität TPM angeordnet sind, und jede Detektorelementeinheit (23.1a, 23.1b; 23.2a, 23.2b; 23.3a, 23.3b) aus ein oder mehreren einzelnen Detektorelementen (24.1_1, 24.1_2, ....) besteht.
  3. Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 2, wobei die Detektorelementeinheiten (23.1a, 23.1b; 23.2a, 23.2b; 23.3a, 23.3b) eine Längsachse (LD) besitzen, die in der Detektionsebene gegenüber der Messrichtung (x) um einen Winkel α ≠ 90° verkippt angeordnet ist.
  4. Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 2, wobei die Detektorelemente (24.1_1, ...) eine geometrische Kontur dergestalt aufweisen, dass darüber zumindest eine Teil-Filterung unerwünschter Oberwellen aus den Abtastsignalen resultiert.
  5. Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 3, wobei die Detektoranordnung eine Symmetrieachse (S) besitzt, die parallel zur Messrichtung (x) orientiert ist und wobei spiegelsymmetrisch zur Symmetrieachse (S) erste und zweite Detektorelementeinheiten (23.1a, 23.1b; 23.2a, 23.2b; 23.3a, 23.3b) V-förmig zueinander angeordnet sind.
  6. Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 2, wobei die Detektorelementeinheiten jeweils mindestens ein rechteckförmiges Detektorelement (223.1, 223.2, 223.3) umfassen, dessen Längsachse in der Detektionsebene gegenüber der Messrichtung (x) rechtwinklig angeordnet ist und durch dessen gewählte Breite (b) zumindest eine Teil-Filterung unerwünschter Oberwellen aus den Abtastsignalen resultiert.
  7. Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die verschiedenen Teilungsbereiche (11.1, 11.2) der Messteilung entweder i) durchlässig und undurchlässig oder ii) hoch-reflektierend und gering-reflektierend ausgebildet sind.
  8. Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Teilungsbereiche (11.1, 11.2) der Messteilung (10) eine Längsachse (LM) besitzen, die in der Messteilungsebene gegenüber der Messrichtung (x) um einen Winkel β ≠ 90° verkippt angeordnet ist.
  9. Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 8, wobei die Teilungsbereiche (11.1a, 11.1b) eine rautenförmige Kontur besitzen.
  10. Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 8 und 3, wobei die Verkippwinkel für die Detektorelementeinheiten und die Teilungsbereiche derart gewählt sind, dass jeweils eine Detektorelementeinheit in ihrer Projektion exakt in einen durchlässigen oder undurchlässigen Teilungsbereich passt.
  11. Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 8, wobei die Messteilung eine Symmetrieachse (S) besitzt, die parallel zur Messrichtung (x) orientiert ist und wobei spiegelsymmetrisch zur Symmetrieachse (S) erste und zweite Teilungsbereiche (11.1a, 11.1b) mit identischen optischen Eigenschaften V-förmig aneinandergrenzend angeordnet sind.
  12. Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Messteilung zur Teil-Filterung unerwünschter Oberwellenanteile derart ausgebildet ist, dass die Teilungsbereiche (111.1, 111.2) mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften eine sinusförmige Berandung in derjenigen Richtung (y) aufweisen, die sich in der Messteilungsebene senkrecht zur Messrichtung (x) erstreckt.
  13. Optische Positionsmesseinrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Abtasteinheit (20) und die Messteilung (10) linear oder rotatorisch zueinander beweglich sind.
  14. Optische Positionsmesseinrichtung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei diejenigen Detektorelemente miteinander elektrisch leitend verbunden sind, die phasengleiche Abtastsignale erzeugen.
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