DE102004045729B4 - Optische Positionsmesseinrichtung - Google Patents

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Abstract

Optische Positionsmesseinrichtung mit:einem transparenten Maßstab (1) aus elektrisch nicht leitendem Material, der eine optisch abtastbare Messteilung (5) trägt;einer Abtasteinrichtung (2) zur Abtastung der Messteilung (5) mit einer Lichtquelle (6) und Photodetektoren (8);einer transparenten elektrisch leitfähigen Schicht (11) vor den Photodetektoren (8) zur Abschirmung der Photodetektoren (8) vor elektromagnetischen Störfeldern,wobei die transparente elektrisch leitfähige Schicht (11) auf einer Oberfläche des Maßstabs (1) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet,dass diese Oberfläche des Maßstabs (1) den Photodetektoren (8) zugewandt ist,dass die transparente elektrisch leitfähige Schicht (11) mit einem Bezugspotential verbunden ist,dass der Maßstab (1) an einem den Maßstab (1) umgebenden Gehäuse (12) befestigt ist, welches mit dem Bezugspotential verbunden ist und dass zwischen dem Gehäuse (12) und der transparenten elektrisch leitfähigen Schicht (11) zumindest ein Kontaktelement (13, 17, 18, 20) angeordnet ist, welches eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der transparenten elektrisch leitfähigen Schicht (11) und dem Gehäuse (12) herstellt, unddass das Kontaktelement eine Kontaktspur (20) beinhaltet, die parallel zur transparenten elektrisch leitfähigen Schicht (11) in Messrichtung X verlaufend auf dem Maßstab (1) aufgebracht ist und über die Länge der transparenten elektrisch leitfähigen Schicht (11) mit dieser in Kontakt steht, wobei der elektrische Widerstand der Kontaktspur (20) geringer ist als der elektrische Widerstand der transparenten elektrisch leitfähigen Schicht (11).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine optische Positionsmesseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Derartige Positionsmesseinrichtungen werden zur inkrementalen oder absoluten Positionsbestimmung bei Bearbeitungsmaschinen im Maschinenbau und in der Halbleiterindustrie sowie bei Koordinatenmessmaschinen eingesetzt. Bei diversen Anwendungen ist die Positionsmesseinrichtung äußeren elektrischen Feldern ausgesetzt und durch triboelektrische Effekte können innerhalb der Positionsmesseinrichtung hohe Spannungen erzeugt werden, die zu Entladungen führen, welche auf die Abtasteinrichtung einwirken und elektrische Störsignale und daraus resultierend eine fehlerhafte Positionserfassung verursachen.
  • Es sind bereits verschiedene Maßnahmen bekannt geworden, um die Photodetektoren der Abtasteinrichtung gegen elektromagnetische Felder abzuschirmen. So wird in der DE 44 02 554 C2 vorgeschlagen, den lichtempfindlichen Bereich der Detektorelemente mit einem transparenten elektrisch leitenden Abschirmkörper abzuschirmen. Als Abschirmkörper wird eine transparente Folie vorgeschlagen, die mit einer transparenten elektrisch leitfähigen Schicht versehen ist. Diese Schicht besteht beispielsweise aus einer leitenden Metallschicht, Metalloxidschicht, beispielsweise einer ITO-Schicht.
  • Der Nachteil dieser Maßnahme ist der erforderliche Platzbedarf zwischen dem Maßstab und den Photodetektoren.
  • Die DE 196 16 707 A1 offenbart eine optische Positionsmesseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher die Photodetektoren Platz sparend und effektiv vor elektromagnetischen Störfeldern abzuschirmen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
  • Durch die erfindungsgemäße Maßnahme ist eine Bauteile sparende und kostengünstige Abschirmung der Photodetektoren sichergestellt.
  • Mit Hilfe von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
  • Es zeigt
    • 1 eine optische Längenmesseinrichtung im Querschnitt;
    • 2 die Längenmesseinrichtung gemäß 1 im Längsschnitt II-II und
    • 3 eine Prinzipdarstellung einer weiteren Längenmesseinrichtung.
  • Die in den 1 und 2 dargestellte Längenmesseinrichtung besteht aus einem Maßstab 1 sowie aus einer relativ zum Maßstab 1 in Messrichtung X verschiebbaren Abtasteinrichtung 2. Der Maßstab 1 besteht aus einem transparenten elektrisch nicht leitendem Material, insbesondere aus Glas oder Glaskeramik. Der Maßstab 1 trägt auf einer seiner beiden gegenüberliegenden Oberflächen 3 eine optisch abtastbare Messteilung 5. auf der Seite dieser ersten Oberfläche 3 ist eine Lichtquelle 6 sowie eine Abtastplatte 7 der Abtasteinrichtung 2 angeordnet. Auf der Seite der zweiten Oberfläche 4 sind Photodetektoren 8 der Abtasteinrichtung 2 angeordnet. Das Licht der Lichtquelle 6 gelangt somit durch die Abtastplatte 7, gelangt auf die Messteilung 5 und wird bei einer Relativverschiebung der Abtasteinrichtung 2 relativ zum Maßstab 1 durch die Wechselwirkung einer Abtaststruktur der Abtastplatte 7 und der Messteilung 5 positionsabhängig moduliert. Diese Lichtstrahlenbündel gelangen weiter durch den transparenten Maßstab 1 zu den Photodetektoren 8, die daraus positionsabhängige elektrische Abtastsignale generieren. Die Photodetektoren 8 sind in an sich bekannter Weise angeordnet um bei der Abtastung einer inkrementalen Messteilung 5 mehrere gegeneinander phasenverschobene Abtastsignale zu generieren oder bei der Abtastung einer codierten Messteilung ein Codewort zu generieren.
  • Diese elektrischen Abtastsignale werden in der Abtasteinrichtung 2 mittels einer Auswerteelektronik 9 vorverarbeitet (Signalverstärkung, Digitalisierung, Interpolation usw.). Die Auswerteelektronik 9 und die Photodetektoren 8 können auch eine Einheit in Form eines ASIC's bilden. Die Photodetektoren 8 sowie die Auswerteelektronik 9 sind rückseitig durch den aus elektrisch leitendem Material gefertigten Träger 10 der Abtasteinrichtung 2 vor elektromagnetischen Störfeldern abgeschirmt und nur in Richtung des Maßstabs 1 ungeschützt. Die Abschirmung von dieser Seite her erfolgt erfindungsgemäß durch eine transparente leitfähige Schicht 11 des Maßstabs 1. Diese Schicht 11 ist auf der den Photodetektoren 8 zugewandten Oberfläche 4 des Maßstabs 1 aufgebracht und mit einem Bezugspotential - insbesondere 0Vverbunden, also geerdet, was in den Figuren durch das Erdungszeichen symbolisch dargestellt ist.
  • Die transparente leitfähige Schicht 11 ist vorteilhafter Weise eine ITO-Schicht mit einer Transmission von über 75%. ITO ist eine Indium-Zinnoxid-Mischung (Engl.: indium-tin-oxide). Die Transmissionsfähigkeit bezieht sich auf die von der Lichtquelle 6 ausgehenden und positionsabhängig modulierten Strahlung. Anstelle einer ITO-Schicht kann auch eine dünne Chrom- bzw. Chrom enthaltende Schicht verwendet werden. Die Dicke der Schicht 11 ist derart gewählt, dass eine gute Transmission erreicht wird, sie beträgt bei ITO etwa 190 nm und bei Chrom etwa 2 nm. Die Schicht 11 ist zumindest auf dem Oberflächenbereich des Maßstabs 1 ganzflächig aufgebracht, welche den Photodetektoren 8 zugewandt ist und direkt gegenüber liegt. Die Ausdehnung der Schicht 11 in Y-Richtung entspricht also zumindest der Größe der Anordnung der Photodetektoren 8 in dieser Richtung Y. Die Ausdehnung der Schicht 11 in Messrichtung X entspricht der geforderten Messlänge und reicht zumindest weitgehend über die gesamte Länge des Maßstabs 1.
  • Der Maßstab 1 ist an einem Gehäuse 12 befestigt, welches den Maßstab 1 und die Abtasteinrichtung 2 schützend umgibt. Die Schicht 11 ist mit dem elektrisch leitenden Gehäuse 12 des Maßstabs 1 elektrisch leitend verbunden, wobei das Gehäuse 12 wiederum mit Bezugspotential 0V verbunden ist, also geerdet ist. Die Kontaktierung der Schicht 11 mit dem Gehäuse 12 erfolgt über eigene Verbindungselemente wie Klammem oder aber über einen elektrisch leitfähigen Klebstoff bzw. Lack 13 wie in den 1 und 2 schematisch dargestellt ist. Diese elektrische Kontaktierung erfolgt vorzugsweise an mehreren Stellen in Messrichtung X bzw. durchgehend in Messrichtung X verlaufend um einen möglichst geringen Gesamtwiderstand zu erreichen. Ist das Gehäuse 12 aus eloxiertem Aluminium so ist es erforderlich an den Kontaktstellen die Eloxalschicht zu entfernen.
  • Die Abtasteinrichtung 2 stützt sich am Maßstab 1 ab, wodurch eine Führung der Abtasteinrichtung 2 in Messrichtung X am und somit parallel zum Maßstab 1 gewährleistet ist. Hierzu sind an der Abtasteinrichtung 2 Gleit- oder N Rollelemente, beispielsweise Kugellager 15 angeordnet, die auf der ersten Oberfläche 3 des Maßstabs 1 abrollen.
  • Die Anordnung der transparenten elektrisch leitfähigen Schicht 11 auf der der Lauffläche der Kugellager 15 gegenüber liegenden zweiten Oberfläche 4 des Maßstabs 1 hat den Vorteil, dass die Beschichtung nicht auf die Anforderungen der Kugellager 15 abgestimmt werden muss. Im Gegensatz zu einer Beschichtung auf der ersten Oberfläche 3 - wie sie an sich aus der EP 0 803 710 B1 bekannt ist - ist eine ganzflächige Beschichtung möglich ohne dass ein Abrieb der Schicht zu befürchten ist. Darüber hinaus ist eine gute Abschirmung der Photodetektoren 8 gewährleistet, da nur ein kleiner Abstand zwischen der zweiten Oberfläche 4 des Maßstabs 1 und den Photodetektoren 8 vorhanden ist. Ein zusätzliches Abschirmbauteil zwischen dem Maßstab 1 und den Photodetektoren 8 erübrigt sich somit.
  • Eine großflächige Beschichtung der zweiten Oberfläche 4 des Maßstabs 1 wirkt auch als Hilfselektrode in Bezug auf die erste Oberfläche 3. Durch das Gleiten bzw. Abrollen der Gleit- oder Rollelemente 15 auf der ersten Oberfläche 3 werden Ladungen erzeugt, die sich auf der ersten Oberfläche 3 ansammeln. Das Oberflächenpotential der ersten Oberfläche 3 verringert sich durch diese zusätzliche Kondensatorbildung. Eine elektrische Entladung, also ein Überschlagen zum Gehäuse 12 wird vermindert. Um eine störende elektrische Entladung herbeizuführen ist im Vergleich zu einer Anordnung ohne diese Hilfselektrode eine viel größere Ladungsmenge erforderlich.
  • 3 zeigt eine Ansicht einer weiteren Längenmesseinrichtung mit Blick auf die elektrisch leitfähige transparente Schicht 11 des Maßstabs 1. Der Aufbau dieser Längenmesseinrichtung entspricht weitgehend dem Aufbau gemäß 1 und 2, so dass für gleiche Bauteile die gleichen Bezugszeichen verwendet werden und nachfolgend nur die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert werden. Der bei der Positionsmessung, also der Relativbewegung zwischen Maßstab 1 und Abtasteinrichtung 2 vom Abtaststrahlengang durchlaufene Oberflächenbereich ist gestrichelt als Abtastbereich 16 dargestellt. Außerhalb dieses Abtastbereichs 16 ist eine Kontaktspur 20 -z.B. aus Chrom- auf der Oberfläche 4 des Maßstabs 1 aufgebracht. Die mit der Kontaktschicht 20 erreichte großflächige Kontaktierung der transparenten Schicht 11 entlang ihrer gesamten Länge gewährleistet, dass über die gesamte Messlänge an jedem Ort ein möglichst geringer elektrischer Widerstand zwischen Maßstab 1 und Bezugspotential erreicht wird, da der elektrische Widerstand der Kontaktspur 20 geringer als der elektrische Widerstand der transparenten elektrisch leitfähigen Schicht 11 ist. Die elektrische Verbindung zwischen der Kontaktspur 20 und dem geerdeten Gehäuse 12 erfolgt über Klammem 17, 18 oder Kontaktfedem. Die Kontaktspur 20 ist eine gegenüber der transparenten Schicht 11 relativ dicke nicht transparente Beschichtung mit niederem elektrischen Widerstand.

Claims (5)

  1. Optische Positionsmesseinrichtung mit: einem transparenten Maßstab (1) aus elektrisch nicht leitendem Material, der eine optisch abtastbare Messteilung (5) trägt; einer Abtasteinrichtung (2) zur Abtastung der Messteilung (5) mit einer Lichtquelle (6) und Photodetektoren (8); einer transparenten elektrisch leitfähigen Schicht (11) vor den Photodetektoren (8) zur Abschirmung der Photodetektoren (8) vor elektromagnetischen Störfeldern, wobei die transparente elektrisch leitfähige Schicht (11) auf einer Oberfläche des Maßstabs (1) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass diese Oberfläche des Maßstabs (1) den Photodetektoren (8) zugewandt ist, dass die transparente elektrisch leitfähige Schicht (11) mit einem Bezugspotential verbunden ist, dass der Maßstab (1) an einem den Maßstab (1) umgebenden Gehäuse (12) befestigt ist, welches mit dem Bezugspotential verbunden ist und dass zwischen dem Gehäuse (12) und der transparenten elektrisch leitfähigen Schicht (11) zumindest ein Kontaktelement (13, 17, 18, 20) angeordnet ist, welches eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der transparenten elektrisch leitfähigen Schicht (11) und dem Gehäuse (12) herstellt, und dass das Kontaktelement eine Kontaktspur (20) beinhaltet, die parallel zur transparenten elektrisch leitfähigen Schicht (11) in Messrichtung X verlaufend auf dem Maßstab (1) aufgebracht ist und über die Länge der transparenten elektrisch leitfähigen Schicht (11) mit dieser in Kontakt steht, wobei der elektrische Widerstand der Kontaktspur (20) geringer ist als der elektrische Widerstand der transparenten elektrisch leitfähigen Schicht (11).
  2. Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Maßstab (1) aus Glas oder Glaskeramik besteht.
  3. Optische Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die transparente elektrisch leitfähige Schicht (11) eine ITO-Schicht oder eine Chrom enthaltende Schicht ist.
  4. Optische Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement ein elektrisch leitender Klebstoff (13) oder Lack ist.
  5. Optische Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Abtasteinrichtung (2) über Gleit- und Rollelemente (15) auf einer Oberfläche (3) des Maßstabs (1) abstützt, welche den Photodetektoren (8) abgewandt ist.
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