DE102005043432B4

DE102005043432B4 - Abtasteinheit einer optischen Positionsmesseinrichtung und Positionsmesseinrichtung mit dieser Abtasteinheit

Info

Publication number: DE102005043432B4
Application number: DE102005043432.0A
Authority: DE
Inventors: Oliver Schenk; Barbara Martin; Robert Siegel
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2005-09-13
Filing date: 2005-09-13
Publication date: 2016-03-03
Anticipated expiration: 2025-09-14
Also published as: DE102005043432A1

Abstract

Abtasteinheit, mit welcher ein in Messrichtung (X) relativ dazu bewegbarer Maßstab (1) optisch abtastbar ist, mit
– einer Abtastplatte (5, 5.1, 5.2) mit einer dem Maßstab (1) zugewandten ersten Oberfläche (10) und einer dem Maßstab (1) abgewandten zweiten Oberfläche (9), wobei
– auf der ersten Oberfläche (10) der Abtastplatte (5, 5.1, 5.2) eine ein Fenster (7) begrenzende elektrisch leitende opake Schicht (8) aufgebracht ist, die über ein Kontaktelement (13, 13.1, 13.2) an einem ein Bezugspotential aufweisenden elektrisch leitenden Körper (14) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass
– die Abtastplatte (5, 5.1, 5.2) einen bezüglich der ersten Oberfläche (10) zurückgesetzten Oberflächenbereich (11, 11.1, 11.2) aufweist, der eine elektrisch leitende Beschichtung (12, 12.1, 12.2, 12.3) aufweist, die mit der opaken Schicht (8) in Kontakt steht, und dass
– das Kontaktelement (13, 13.1, 13.2) diese Beschichtung (12, 12.1, 12.2, 12.3) am zurückgesetzten Oberflächenbereich (11, 11.1, 11.2) kontaktiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abtasteinheit einer optischen Positionsmesseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine optische Positionsmesseinrichtung mit einem von dieser Abtasteinheit optisch abtastbaren Maßstab gemäß dem Anspruch 11.
Derartige Positionsmesseinrichtungen werden als lineare Messeinrichtung mit einem linearen Maßstab oder als rotatorische Messeinrichtung mit einer Codescheibe ausgeführt. Sie werden insbesondere bei Bearbeitungsmaschinen zur Messung der Relativbewegung eines Werkzeugs bezüglich eines zu bearbeitenden Werkstücks, bei Robotern, Koordinatenmessmaschinen und vermehrt auch in der Halbleiterindustrie eingesetzt.
Die Positionsmesseinrichtung ist bei vielen Anwendungen elektrischen Feldern, insbesondere störenden elektrischen Wechselfeldern ausgesetzt, welche auf elektrisch leitende Elemente der Abtasteinheit einwirken und elektrische Störsignale und daraus eine fehlerhafte Positionserfassung verursachen. Darüber hinaus kann es aufgrund der Relativbewegung zwischen der Abtasteinheit und dem Maßstab zu elektrischen Aufladungen von Bauteilen kommen, die letztendlich zu Entladungen zwischen der Abtasteinheit und dem Maßstab aufgrund eines sich aufbauenden Potentialunterschieds führen. Diese sprunghaft auftretenden Entladungen können ebenfalls zu einer fehlerhaften Positionserfassung führen.
Aus der DE 100 33 263 A1 und der US 5,030,825 A sind Maßnahmen zur Erdung elektrisch leitfähiger Elemente einer Abtasteinheit einer optischen Positionsmesseinrichtung bekannt.
Man hat bereits erkannt, dass auch die elektrisch leitende Beschichtung der Abtastplatte eine Störquelle bildet. Es wurde daher bereits vorgeschlagen, auch diese Beschichtung zu erden.
In der EP 0 328 661 B1 ist eine optische Winkelmesseinrichtung mit einem scheibenförmigen Maßstab und einer diesen Maßstab abtastenden Abtasteinheit beschrieben. Eine Abtastplatte aus Glas trägt auf seiner dem Maßstab zugewandten Oberfläche eine ein Abtastmuster bildende Chromschicht. Diese Chromschicht ist mit einem Bezugspotential elektrisch verbunden, also geerdet. Die Erdung erfolgt mittels eines Kontaktelementes in Form einer Lötung zwischen der Chromschicht und einem Schirmungskörper.
Eine derartige Lötung ist nur möglich, wenn ein ausreichender Abstand zwischen der Abtastplatte und dem Maßstab zur Verfügung steht.
Bei besonders hochgenauen Positionsmesseinrichtungen ist der Abtastabstand so gering, dass diese Kontaktierung des Abtastmusters problematisch ist.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Platz sparende Kontaktierung des Abtastmusters zu schaffen, die auch bei sehr kleinen Abtastabständen Platz sparend realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Abtasteinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine optische Positionsmesseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Erdung des Abtastmusters der Abtastplatte Platz sparend und somit auch bei äußerst kleinen Abtastabständen realisierbar ist. Die elektrisch leitende Beschichtung der Abtastplatte scheidet somit als Störquelle aus.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
Die Erfindung wird mit Hilfe von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Dabei zeigt
1 einen Längsschnitt einer optischen Positionsmesseinrichtung (schematisiert);
2 eine perspektivische Darstellung der Positionsmesseinrichtung gemäß 1 ohne Maßstab;
3 eine Detailansicht aus 1;
4 eine alternative Ausgestaltung einer Abtastplatte;
5 eine weitere alternative Ausgestaltung einer Abtastplatte;
6 eine alternative Ausgestaltung eines Kontaktelementes;
7 eine weitere alternative Ausgestaltung eines Kontaktelementes und
8 eine weitere Ausgestaltung einer Abtastplatte.
Die 1 bis 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer optischen Positionsmesseinrichtung. Die Positionsmesseinrichtung ist dabei eine Längenmesseinrichtung mit einem Maßstab 1 und eine relativ zum Maßstab 1 in Messrichtung X bewegbaren Abtasteinheit 2. Der Maßstab 1 ist transparent und weist auf einer seiner Oberflächen eine Messteilung 3 auf, die von der Abtasteinheit 2 abgetastet wird. Dazu umfasst die Abtasteinheit 2 eine Lichtquelle 4, deren Licht durch eine transparente Abtastplatte 5 auf den Maßstab 1 trifft, dort von der Messteilung 3 positionsabhängig moduliert wird und auf einen Detektor 6 trifft.
Das von der Lichtquelle 4 ausgehende Lichtbündel wird beim Auftreffen auf die Abtastplatte 5 von einer zumindest ein Fenster 7 bildenden elektrisch leitenden opaken Schicht 8 begrenzt. Diese Schicht 8 begrenzt das Fenster 7 und bildet somit eine Blende, zusätzlich bildet die elektrisch leitende opake Schicht 8 ein Abtastgitter innerhalb des Fensters 7, das in bekannter Weise aus abwechselnd nebeneinander angeordneten opaken Bereichen der Schicht 8 und transparenten Bereichen besteht. Das Abtastgitter dient zur Bildung mehrerer Teilstrahlenbündel, die mit der Messteilung 3 des Maßstabs 1 wechselwirken und auf den Detektor 6 zur Erzeugung von positionsabhängigen, gegeneinander phasenverschobenen Abtastsignalen treffen.
Die Abtastplatte 5 hat zwei zueinander parallel verlaufende und einander gegenüberliegende Oberflächen 9, 10. Eine dieser Oberflächen 10 ist dem Maßstab 1 gegenüberliegend zugewandt, diese Oberfläche 10 wird nachfolgend erste Oberfläche 10 genannt. Die zweite Oberfläche 9 ist dem Maßstab 1 dagegen abgewandt.
Die das Fenster 7 bildende elektrisch leitende opake Schicht 8 ist auf der ersten Oberfläche 10 aufgebracht. Dabei ist die Abtastplatte 5 aus elektrisch isolierendem transparentem Material, insbesondere Glas und die Schicht 8 eine Metallschicht, insbesondere Chrom.
Die Abtastplatte 5 weist einen bezüglich der ersten Oberfläche 10 zurückgesetzten Oberflächenbereich 11 auf, der ebenfalls elektrisch leitend beschichtet ist. Diese elektrisch leitende Beschichtung 12 wird vorzugsweise von der Schicht 8 einstückig gebildet, sie kann aber auch eine separate mit der Schicht 8 elektrisch verbundene Beschichtung 12.3 sein, welche zumindest partiell unter oder über der Schicht 8 verläuft, wie später noch anhand der 8 näher erläutert wird. Der als zurückgesetzt bezeichnete Oberflächenbereich 11 der Abtastplatte 5 ist vom Maßstab 1 weiter entfernt, als die parallel zum Maßstab 1 verlaufende, die Messteilung tragende Oberfläche 10.
Die Beschichtung 12 ist am zurückgesetzten Oberflächenbereich 11 über ein Kontaktelement 13 an einem ein Bezugspotential 0 V aufweisenden elektrisch leitenden Körper 14 kontaktiert. Ein Beispiel dieser Kontaktierung ist in 3 im Detail dargestellt. In diesem Beispiel ist die Beschichtung 12 am zurückgesetzten Oberflächenbereich 11, also an der Fase, eine Fortführung der Schicht 8. Das Kontaktelement ist ein elektrisch leitender Klebstoff 13, insbesondere Silberleitkleber, der so eingebracht ist, dass er die Schicht 8 auf der ersten Oberfläche 10 in Richtung hin zum Maßstab 1 betrachtet nicht überragt, vorteilhafter Weise auch die erste Oberfläche 10 nicht überragt.
Der elektrische leitende Körper ist in den beschriebenen Beispielen ein Abtastwagen 14, der über Kugellager 15 am Maßstab 1 in Messrichtung X geführt wird. Der Abtastwagen 14 besteht beispielsweise aus leitfähigem Kunststoff, insbesondere aus Polycarbonat mit Kohlefaserverstärkung und ist über eine elektrische Verbindung am Bezugspotential 0 V angeschlossen.
Der zurückgesetzte Oberflächenbereich 11 verläuft in Bezug auf die erste Oberfläche 10 derart, dass er einen Normalenvektor N11 besitzt, der eine Richtungskomponente N1 aufweist, die dem Normalenvektor N10 der ersten Oberfläche 10 der Abtastplatte 5 entspricht. Der Oberflächenbereich 11 ist hierbei gegenüber der ersten Oberfläche 10 geneigt, er weist insbesondere einen Neigungswinkel von 45° ± 20° auf. Dies hat den Vorteil, dass der Oberflächenbereich 11 mit einfachen Werkzeugen durch Materialabtrag fertigbar ist, und dass der Oberflächenbereich 11 von der gleichen Richtung aus, wie die erste Oberfläche 10 beschichtet (bedampft, gesputtert) werden kann.
Alternativ oder zusätzlich kann ein zurückgesetzter Oberflächenbereich 11.1 an der Abtastplatte 5.1 ausgebildet sein, der zur ersten Oberfläche 10 parallel verläuft, wie in 4 dargestellt ist. Auch hier ist eine einfache Aufbringung der Beschichtung 12.1 möglich.
Eine alternative Ausgestaltung einer Abtastplatte 5.2 ist in 5 dargestellt. Der zurückgesetzte mit der Beschichtung 12.2 versehene Oberflächenbereich 11.2 verläuft hier senkrecht zur ersten Oberfläche 10.
In 6 ist ein alternatives Kontaktelement in Form einer am Körper 14 befestigten elektrisch leitenden Kontaktfeder 13.1 dargestellt, welche sich federnd an dem zurückgesetzten, geneigten und mit der Beschichtung 12 versehenen Oberflächenbereich 11 abstützt und die Beschichtung 12 elektrisch leitend kontaktiert.
In 7 ist eine weitere Ausgestaltung eines Kontaktelementes dargestellt. Das Kontaktelement ist dabei eine an den Körper 14 einstückig angeformte Kontaktfeder 13.2.
Wie bereits ausgeführt, kann die Beschichtung 12, 12.1, 12.2 durch Fortführung der Schicht 8 über den zurückgesetzten Oberflächenbereich 11 ausgeführt sein. Eine Alternative dazu ist in 8 dargestellt. Dabei ist die Beschichtung 12.3 des zurückgesetzten Oberflächenbereichs 11 als eine die Schicht 8 überlappende separate Beschichtung 12.3 ausgeführt. Die Beschichtung 12.3 und die Schicht 8 sind beispielsweise aus Chrom. Zur Verminderung der Reflexion ist der Schicht 8 eine diese bedeckende reflexmindernde und elektrisch nicht leitende Schicht 80, z. B. aus Chromoxid bzw. Chromdioxid zugeordnet.
In nicht gezeigter Weise kann das Kontaktelement auch ein elektrisch leitfähiger Lack sein. Reicht die Festigkeit des elektrisch leitfähigen Klebstoffs 13 bzw. Lacks zur sicheren Lagefixierung der Abtastplatte 5 am Körper 14 nicht aus, kann ein zusätzlicher ggf. elektrisch nicht leitender stabilerer Klebstoff 20 eingesetzt werden, wie in 3 dargestellt.
Wie aus den dargestellten Beispielen ersichtlich, ist ein besonders Platz sparender Aufbau möglich, wenn sich der zurückgesetzte Oberflächenbereich 11 jeweils innerhalb der Dicke der Abtastplatte 5, also zwischen den beiden einander gegenüberliegenden ersten Oberflächen 10 und zweiten Oberflächen 9 befindet.
Wie in 1 schematisch dargestellt ist, befindet sich der Detektor 6 auf einer dem Maßstab 1 zugewandten Oberfläche einer am Abtastwagen 14 befestigten Leiterplatte 30. Zur weiteren Erhöhung der Störsicherheit der Positionsmesseinrichtung ist diese Leiterplatte 20 eine Multilayer-Platine mit zwei äußeren Erdungsschichten und einer dazwischen liegenden Signalleiterschicht. Die elektrischen Bauelemente 31 zur Signalverarbeitung befinden sich auf der dem Maßstab 1 abgewandten Oberfläche der Leiterplatte 30.

Claims

Abtasteinheit, mit welcher ein in Messrichtung (X) relativ dazu bewegbarer Maßstab (1) optisch abtastbar ist, mit – einer Abtastplatte (5, 5.1, 5.2) mit einer dem Maßstab (1) zugewandten ersten Oberfläche (10) und einer dem Maßstab (1) abgewandten zweiten Oberfläche (9), wobei – auf der ersten Oberfläche (10) der Abtastplatte (5, 5.1, 5.2) eine ein Fenster (7) begrenzende elektrisch leitende opake Schicht (8) aufgebracht ist, die über ein Kontaktelement (13, 13.1, 13.2) an einem ein Bezugspotential aufweisenden elektrisch leitenden Körper (14) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass – die Abtastplatte (5, 5.1, 5.2) einen bezüglich der ersten Oberfläche (10) zurückgesetzten Oberflächenbereich (11, 11.1, 11.2) aufweist, der eine elektrisch leitende Beschichtung (12, 12.1, 12.2, 12.3) aufweist, die mit der opaken Schicht (8) in Kontakt steht, und dass – das Kontaktelement (13, 13.1, 13.2) diese Beschichtung (12, 12.1, 12.2, 12.3) am zurückgesetzten Oberflächenbereich (11, 11.1, 11.2) kontaktiert.
Abtasteinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement (13. 13.1, 13.2) die opake Schicht (8) auf der ersten Oberfläche (10) nicht überragt.
Abtasteinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Normalenvektor (N11) des zurückgesetzten Oberflächenbereichs (11, 11.1) eine Richtungskomponente (N1) aufweist, die dem Normalenvektor (N10) der ersten Oberfläche (10) der Abtastplatte (5, 5.1) entspricht.
Abtasteinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zurückgesetzte Oberflächenbereich (11) gegenüber der ersten Oberfläche (10) geneigt ist.
Abtasteinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zurückgesetzte Oberflächenbereich (11.1) parallel zur ersten Oberfläche (10) verläuft.
Abtasteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (12, 12.1, 12.2) eine Fortsetzung der opaken Schicht (8) ist.
Abtasteinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Beschichtung (12.2) und die opake Schicht (8) überlappen.
Abtasteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement ein elektrisch leitfähiger Klebstoff (13) oder Lack ist.
Abtasteinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktelement eine Kontaktfeder (13.1, 13.2) ist.
Abtasteinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Oberfläche (10) und die zweite Oberfläche (9) parallel zueinander verlaufen.
Optische Positionsmesseinrichtung mit einem Maßstab (1) und einer relativ zum Maßstab (1) in Messrichtung (X) bewegbaren Abtasteinheit (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.