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Die Erfindung betrifft eine Positionsmesseinrichtung zur Bestimmung der Position zweier zueinander bewegbarer Objekte nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine vergleichbare Positionsmesseinrichtung ist aus der
DE 199 21 309 A1 bekannt.
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Eine derartige Positionsmesseinrichtung umfasst einen Teilungsträger, der einem ersten der beiden zueinander bewegbaren Objekte zugeordnet ist, mit mindestens einer am Teilungsträger vorgesehenen Teilungsstruktur, durch deren Abtastung Positionsänderungen des einen (ersten) Objektes bezüglich des anderen (zweiten) Objektes ermittelbar sind, und mit mindestens einer am Teilungsträger vorgesehenen und von der Teilungsstruktur verschiedenen Referenzmarkencodierung, durch deren Abtastung eine bestimmte, vorgebbare Referenzposition des einen (ersten) Objektes bezüglich des anderen (zweiten) Objektes erfassbar ist.
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Bei der Teilungsstruktur kann es sich einerseits um eine sogenannte Inkrementalteilung handeln, z. B. gebildet durch eine Mehrzahl entlang einer Messrichtung periodisch hintereinander angeordneter Teilungsstriche oder durch ein periodisches Kreuzgitter, mit welcher lediglich Positionsänderungen der beiden Objekte zueinander erfassbar sind. Andererseits kann die Teilungsstruktur auch durch einen absoluten Code gebildet werden, mit dem die jeweilige Position der beiden zueinander bewegbaren Bauteile unmittelbar erfassbar ist.
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Im Fall einer durch eine (periodische) Inkrementalteilung gebildeten Teilungsstruktur ist eine zusätzliche Referenzmarkencodierung, welche typischerweise neben der Teilungsstruktur angeordnet ist, deshalb von Bedeutung, weil sich durch Abtastung der Referenzmarkencodierung und die hiermit verbundene Erzeugung eines Referenzimpulses eine Referenzposition der beiden Objekte erfassen lässt, auf welche die durch Abtastung der Teilungsstruktur in Form einer Inkrementalteilung ermittelbaren Positionsänderungen bezogen werden können. Durch den Bezug auf eine Referenzposition lassen sich aus den mittels der Teilungsstruktur (Inkrementalteilung) ermittelten Positionsänderungen konkrete Positionswerte hinsichtlich der Lage der beiden bewegbaren Objekte zueinander bestimmen. Aber auch im Fall einer Teilungsstruktur in Form eines absoluten Codes können zusätzliche, neben der Codespur gelegene Referenzmarkencodierungen zweckmäßig sein, z.B. zur Erzeugung von Redundanz.
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Zur Abtastung der Teilungsstruktur sowie der Referenzmarkencodierung, welche dem einen (ersten) der beiden zueinander beweglichen Objekte zugeordnet sind, ist dem anderen (zweiten) der beiden Objekte eine Abtasteinheit zugeordnet, welche insbesondere eine Detektoranordnung zur Abtastung der Teilungsstruktur sowie eine Detektoranordnung zur Abtastung der Referenzmarkencodierung umfassen kann, welche in der Regel jeweils eine Mehrzahl einzelner Detektorelemente aufweisen.
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Zur Abtastung einer Teilungsstruktur sowie einer Referenzmarkenkodierung mittels einer Abtasteinheit können beispielsweise ein fotoelektrisches, ein induktives oder ein magnetisches Messprinzip dienen. Im erstgenannten Fall erfolgt die Abtastung mittels von einem Sender der Abtasteinheit ausgesandter elektromagnetischer Strahlung, welche mit der Teilungsstruktur wechselwirkt und anschließend auf die hierfür vorgesehenen Detektorelemente der Abtasteinheit trifft, wo eine Umwandlung in (elektrische) Ausgangssignale erfolgt, die mittels einer nachgeordneten Auswerteeinheit zur Positionsbestimmung ausgewertet werden. Bei Zugrundelegung des fotoelektrischen Messprinzips können die Teilungsstruktur und die Referenzmarkencodierung beispielsweise jeweils durch eine definierte Anordnung strahlungsdurchlässiger und strahlungsundurchlässiger Bereiche oder durch eine Kombination strahlungsreflektierender und nicht-reflektierender Bereiche auf dem Teilungsträger gebildet werden. Im erstgenannten Fall wird von einer Abtastung im Durchlichtverfahren und im zweitgenannten Fall von einer Abtastung im Reflektionsverfahren gesprochen.
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Weitere Einzelheiten zur Positionsmessung, insbesondere hinsichtlich der Ausgestaltung von Teilungsträgern mit Teilungsstruktur und Referenzmarkencodierung, hinsichtlich der Ausgestaltung einer zugeordneter Abtasteinheit sowie hinsichtlich geeigneter Messprinzipien können dem Fachbuch Digitale Längen- und Winkelmesstechnik: Positionsmesssysteme für den Maschinenbau und die Elektronikindustrie von Alfons Ernst (Landsberg/Lech, 1998) entnommen werden.
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Vorliegend geht es dabei insbesondere um die Abtastung einer Referenzmarkencodierung mittels einer zugeordneten Detektoranordnung der Abtasteinheit, um hieraus einen Referenzimpuls zu erzeugen.
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Hierfür ist es bekannt, die Detektorelemente derjenigen Detektoranordnung, die der Abtastung der Referenzmarkencodierung dient, zu mindestens zwei Detektorbaugruppen zusammenzufassen, innerhalb derer die Detektorelemente jeweils untereinander zur Erzeugung eines resultierenden Signales zusammengeschaltet sind, wobei weiterhin eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, mittels der die resultierenden Signale der Detektorbaugruppen zur Erfassung der Referenzposition (durch Differenzbildung) miteinander verknüpft und mit einem hier als Triggersignal bzw. Triggerschwelle bezeichneten Referenzsignal verglichen werden, wie z. B. in der
DE 199 36 181 A1 beschrieben.
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Dabei ist das Triggersignal so gewählt, dass das durch Verknüpfung der resultierenden Signale (welche von den beiden Detektorbaugruppen bei der Abtastung einer bestimmten Referenzmarkencodierung erzeugt werden) gebildete Verknüpfungssignal nur für die eine, als Referenzposition der beiden zueinander bewegbaren Bauteile bezeichnete Relativposition eine durch das Triggersignal vorgegeben Schwelle überschreitet bzw. unterschreitet - je nach Betrachtung. Nur in diesem Fall wird von der Auswerteeinheit ein Referenzimpulssignal abgegeben, welches anzeigt, dass sich die beiden zueinander bewegbaren Objekte in ihrer Referenzposition befinden.
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Die resultierenden Signale der jeweiligen Detektorbaugruppe sind dabei gebildet aus den Ausgangssignalen der einzelnen Detektorelemente einer jeweiligen Detektorbaugruppe, als Folge der Zusammenschaltung jener Detektorelemente.
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Die zuverlässige Ermittlung der Referenzposition der beiden zueinander bewegbaren Objekte durch Erzeugung eines Referenzimpulses, wenn sich die beiden Objekte in ihrer Referenzposition zueinander befinden, ist im Betrieb eines Positionsmesssystems von großer Bedeutung. Denn wird eine Referenzposition nicht oder falsch ermittelt, so sind alle nachfolgenden, hierauf bezogenen Positionsmesswerte ebenfalls fehlerhaft.
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Beeinträchtigungen bei einer zuverlässigen Bestimmung der Referenzposition können sich dabei insbesondere aus einer Verschmutzung der Referenzmarkencodierung ergeben, so dass beispielsweise durch Verknüpfung der resultierenden Signale der beiden Detektorbaugruppen an der Referenzposition der beiden zueinander bewegbaren Objekte kein hinreichend großes Verknüpfungssignal erzeugt wird, um die durch das Triggersignal vorgesehene Schaltschwelle zu über- bzw. unterschreiten. In diesem Fall würde die Referenzposition der zueinander bewegbaren Objekte nicht erkannt.
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Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, eine Positionsmesseinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche sich durch eine zuverlässige Erfassung der Referenzposition zweier zueinander bewegbarer Objekte auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Schaffung einer Positionsmesseinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Danach ist vorgesehen, dass das Triggersignal, mit welchem das Verknüpfungssignal der Detektorbaugruppen verglichen wird, um die Referenzposition zu erfassen, durch additive Verknüpfung der resultierenden Signale der Detektorbaugruppen gebildet ist. D.h., die der Abtasteinheit zugeordnete Auswerteeinheit der Positionsmesseinrichtung ist ausgebildet und vorgesehen zur Erzeugung eines Triggersignals durch additive Verknüpfung der resultierenden Signale der mindestens zwei Detektorbaugruppen der Detektoranordnung.
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Hierdurch wirken sich etwaige Verschmutzungen an der Referenzmarkencodierung (oder gegebenenfalls auch an den Detektorelementen der zur Abtastung der Referenzmarkencodierung vorgesehenen Detektoranordnung) in gleicher Weise auf das Verknüpfungssignal einerseits und auf das Triggersignal andererseits aus.
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Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf einem Einfeldcharakter der Abtastung der Referenzmarkencodierung zur Erfassung einer vorgegebenen Referenzposition zweier zueinander bewegbarer Objekte, indem ein und dieselben Codeelemente einer Referenzmarkencodierung einerseits sowie ein und dieselben Detektorelemente einer zugeordneten Detektoranordnung andererseits verwendet werden, um sowohl das zur Erzeugung eines Referenzimpulses dienende Verknüpfungssignal als auch das zugeordnete Triggersignal zu erzeugen.
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Bevorzugt sind der Referenzmarkencode sowie die zugehörige Detektoranordnung so ausgestaltet, dass bei Abtastung des Referenzmarkencodes mittels der Detektoranordnung an einer und nur einer Relativposition der beiden zueinander bewegbaren Objekte, welche die sogenannte Referenzposition bildet, ein Referenzimpuls erzeugt wird, also das Verknüpfungssignal die durch das Triggersignal definierte Schaltschwelle über- bzw. unterschreitet. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, ein zur Bildung des Triggersignales herangezogenes Summensignal der resultierenden Signale der beiden Detektorbaugruppen einer Multiplikation mit einem vorgegebenen Faktor sowie einer Verschiebung um einen vorgegebenen Offset zu unterziehen. Das Triggersignal besteht also nicht einfach aus der Summe der resultierenden Signale der beiden Detektorbaugruppen, sondern jenes Summensignal wird einer Multiplikation mit einem definierten Faktor sowie einer Addition mit einem vorgegebenen Offset unterworfen, um hieraus das Triggersignal zu bilden. Die Multiplikation des Summensignals mit einem Faktor lässt sich beispielsweise durch einen Spannungsteiler realisieren, während die Verschiebung des Summensignals um einen definierten Offset durch eine aus einer Gleichspannungsquelle bezogene Spannung oder durch ein geregeltes Summensignal der durch Abtastung der Teilungsstruktur erzeugten Ausgangssignale erreicht werden kann.
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Dabei können aber durchaus mehrere entlang der Messrichtung (also der Erstreckungsrichtung der die Messrichtung vorgebenden Teilungsstruktur) hintereinander angeordnete und voneinander beabstandete Referenzmarkencodierungen vorgesehen sein, durch deren Abtastung mittels der hierfür vorgesehenen Detektoranordnung jeweils eine Referenzposition der beiden zueinander bewegbaren Objekte erfassbar ist. In diesem Fall definiert jede der Referenzmarkencodierungen eine Referenzposition; und je nach Lage der beiden zueinander bewegbaren Objekte wird mittels der zugehörigen Detektoranordnung gerade eine dieser Referenzmarkencodierungen erfasst und bei Einnahme der dieser Referenzmarkencodierung zugehörigen Referenzposition ein Referenzimpuls abgegeben.
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Vorteilhaft handelt es sich bei dem Verknüpfungssignal um ein Differenzsignal; d. h., die resultierenden Signale der beiden Detektorbaugruppen werden durch Differenzbildung miteinander verknüpft und das hierdurch entstehenden Differenzsignal wird mit dem durch denselben Referenzmarkencode und dieselbe Detektoranordnung erzeugten Triggersignal verglichen, um die Referenzposition der beiden zueinander bewegbaren Objekte zu erfassen.
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Die Referenzmarkencodierung wird z.B. durch eine Anzahl (entlang der durch eine Erstreckungsrichtung der Teilungsstruktur vorgegebenen Messrichtung) hintereinander angeordneter Codeelemente gebildet, von denen ein jedes zur Bildung eines binären Codes jeweils einen von genau zwei möglichen Zuständen einnimmt, welche nachfolgend auch als „0“ und „1“ bezeichnet werden. Die Codeelemente weisen dabei bevorzugt jeweils dieselben äußeren Abmessungen, d.h. dieselbe Geometrie und Grundfläche, auf.
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Bei einer durch elektromagnetische Strahlung abtastbaren Referenzmarkencodierung können die Codeelemente unterschiedlicher Zustände beispielsweise jeweils durch strahlungsdurchlässige Bereiche einerseits und strahlungsundurchlässige Bereiche andererseits oder durch strahlungsreflektierende Bereiche einerseits und nicht-reflektierende Bereiche andererseits gebildet werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nimmt die Gesamtheit der Codeelemente des ersten Zustandes auf der Referenzmarkencodierung dieselbe Fläche ein wie die Gesamtheit der Codeelemente des zweiten Zustandes. Falls also etwa die Codeelemente des ersten und zweiten Zustandes durch lichtdurchlässige bzw. lichtundurchlässige Bereiche der Referenzmarkencodierung gebildet werden, so weist die Gesamtheit der lichtdurchlässigen Bereiche dieselbe Fläche auf wie die Gesamtheit der lichtundurchlässigen Bereiche. Entsprechendes gilt, wenn die Codeelemente des ersten und zweiten Zustandes durch strahlungsreflektierende und nicht-reflektierende Bereiche der Referenzmarkencodierung gebildet werden. Hierzu ist für beide Zustände die selbe Anzahl an Codeelementen vorgesehen.
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Eine solche Referenzmarkencodierung kann erzeugt werden, indem ein vorgegebener binärer Code einer sogenannten Manchestercodierung unterzogen wird. Geht man aus von einem binären Code, der eine definierte Anzahl in einer bestimmten Reihenfolge hintereinander angeordneter Codeelemente mit dem Zustand „0“ und „1“ enthält, so werden jedem dieser Codeelemente des Ausgangscodes (Binärcode) zwei Codeelemente der manchestercodierten Codierung mit unterschiedlichem Zustand zugeordnet. Dies kann z. B. in der Weise erfolgen, dass jedem Codeelement des Zustandes „0“ des Ausgangscodes die Codeelemente „0“ und „1“ des manchestercodierten Codes und jedem Codeelement des Zustandes „1“ des Ausgangscodes Codeelemente der Zustände „1“ und „0“ des manchestercodierten Codes zugeordnet werden. Selbstverständlich kann auch umgekehrt einem Zustand „0“ des Ausgangscodes jeweils eine Zustandsfolge „10“ des manchestercodierten Codes und jedem Zustand „1“ des Ausgangscodes eine Zustandsfolge „01“ des manchestercodierten Codes zugeordnet werden.
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Von Bedeutung ist, dass jedem einzelnen Element des Ausgangscodes jeweils zwei (hinsichtlich ihrer äu ßeren Abmessungen identische) Codeelemente der manchestercodierten Referenzmarkencodierung zugeordnet werden, die sich in Bezug auf ihren Zustand unterscheiden, also entweder die Zustandsfolge „01“ oder die Zustandsfolge „10“ aufweisen.
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Vorteilhaft ist jedem Codeelement der Referenzmarkencodierung genau ein Detektorelement der zur Abtastung der Referenzmarkencodierung vorgesehenen Detektoranordnung zugeordnet, wobei die einzelnen Detektorelemente bevorzugt jeweils eine identische Geometrie und identische Flächen aufweisen.
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Dabei werden jeweils die Detektorelemente zu einer Detektorbaugruppe zusammengefasst und miteinander verschaltet, die Codeelementen desselben Zustandes zugeordnet sind. Die Detektorelemente der einen Detektorbaugruppe sind somit den Codeelementen des Zustandes „0“ zugeordnet und die Detektorelemente der zweiten Detektorbaugruppe sind den Codeelementen des Zustandes „1“ zugeordnet.
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Mit der beschriebenen Ausbildung der Referenzmarkencodierung sowie der zugeordneten Detektoranordnung lässt sich insbesondere erreichen, dass sowohl das Triggersignal als auch das Verknüpfungssignal (in Form eines Differenzsignals) jeweils symmetrisch bezüglich der Referenzposition der beiden zueinander bewegbaren Objekte ausgebildet sind.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren deutlich werden.
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Es zeigen:
- 1A eine schematische Darstellung einer Positionsmesseinrichtung, hier in Form eines Systems mit photoelektrischer Abtastung im Reflektionsverfahren;
- 1B eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Positionsmesseinrichtung, hier in Form eines Systems mit photoelektrischer Abtastung im Durchstrahlungsverfahren;
- 2 eine schematische Draufsicht auf eine Maßverkörperung zur Verwendung bei den Positionsmesseinrichtungen aus den 1A und 1B;
- 3A einen binären Code als Grundlage für die Bildung einer Referenzmarkencodierung für eine Positionsmesseinrichtung der in den 1A bzw. 1B dargestellten Art;
- 3B eine auf der Grundlage des binären Codes aus 3A gebildete Referenzmarkencodierung mit einer zugeordneten Detektoranordnung zur Abtastung der Referenzmarkencodierung;
- 4A ein bei Abtastung der Referenzmarkencodierung aus 3B mittels der zugeordneten Detektoranordnung erzeugtes Differenzsignal;
- 4B das Differenzsignal aus 4A zusammen mit einem Summensignal als Triggersignal;
- 5A das Differenzsignal aus 4A im Fall einer vorgegebenen Verschmutzung der Referenzmarkencodierung;
- 5B das Differenzsignal aus 5A zusammen mit einem Summensignal als Triggersignal.
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1A zeigt schematisch eine Positionsmesseinrichtung zur Bestimmung der Lage zweier zueinander beweglicher Objekte B1, B2, z. B. in Form von Maschinenbauteilen einer Werkzeugmaschine. Die beiden Objekte B1, B2 sind unter anderem entlang einer Richtung x zueinander beweglich, die sich im Ausführungsbeispiel senkrecht zur Blattebene erstreckt und die hier als Messrichtung bezeichnet wird
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Mögliche Relativbewegungen der beiden Objekte B1, B2 entlang anderer Raumrichtungen werden vorliegend nicht berücksichtigt. Jedoch ist die nachfolgend zu beschreibende Ausgestaltung einer Referenzmarkencodierung für eine Positionsmesseinrichtung unabhängig davon, entlang welcher Raumrichtungen die Objekte B1, B2 zueinander bewegbar sind, deren Relativposition mittels der Positionsmesseinrichtung erfasst werden soll.
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Die Positionsmesseinrichtung umfasst eine Maßverkörperung M, hier ausgebildet als ein Maßstab, mit einem Teilungsträger T, auf dem sich eine Teilungsstruktur 1 entlang einer Messrichtung x erstreckt, die mit der vorstehend erwähnten Bewegungsrichtung der beiden Objekte B1, B2 zusammenfällt. Quer zu der Messrichtung x ist neben der Teilungsstruktur 1 eine Referenzmarkencodierung 2 angeordnet, deren Aufbau und Funktion weiter unten noch näher erläutert werden wird.
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Die Maßverkörperung M ist an einem ersten Objekt B1 der beiden zueinander beweglichen Objekte B1, B2 angeordnet und wird mittels einer Abtasteinheit A abgetastet, die am zweiten Objekt B2 vorgesehen ist.
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Die Abtastung erfolgt im Ausführungsbeispiel der 1A nach dem fotoelektrischen Prinzip im sogenannten Reflektions- bzw. Auflichtverfahren. Hierzu werden die Teilungsstruktur 1 und die Referenzmarkencodierung 2 jeweils durch eine Abfolge entlang der Messrichtung x hintereinander angeordneter strahlungsreflektierender und nicht-reflektierender Bereiche gebildet.
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Zur Abtastung der Maßverkörperung M bzw. genauer der auf dem Teilungsträger T vorgesehenen Teilungsstruktur 1 sowie Referenzmarkencodierung 2 weist die Abtasteinheit A als Sender eine Strahlungsquelle (Lichtquelle LQ) auf, der eine Optik O zur Parallelisierung des von der Strahlungsquelle LQ ausgesandten Strahlung nachgeschaltet ist. Das von dem Sender LQ, O erzeugte kollimierte Strahlenbündel trifft auf die Maßverkörperung M und wechselwirkt dort mit der am Teilungsträger T der Maßverkörperung M vorgesehenen Teilungsstruktur 1 sowie der mindestens einen Referenzmarkencodierung 2. Anschließend trifft der an der Maßverkörperung M reflektierte Teil des Strahlenbündels auf einen Detektor D, der vor derselben Oberfläche der Maßverkörperung M angeordnet ist wie der Sender LQ, O.
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Der Detektor D umfasst eine Detektoranordnung 3 zum Empfang desjenigen Anteils des Strahlenbündels, der an der Maßverkörperung M mit der entlang der Messrichtung x erstreckten Teilungsstruktur 1 wechselwirkt, sowie eine Detektoranordnung 4 zum Empfang desjenigen Anteils des Strahlenbündels, das an der Maßverkörperung M mit der Referenzmarkencodierung 2 wechselwirkt.
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Die beiden Detektoranordnungen 3, 4 des Detektors D erzeugen hierbei in bekannter Weise elektrische Signale, durch deren Auswertung in einer nachgeordneten Auswerteeinrichtung Positionsänderungen der beiden Objekte B1, B2 zueinander bzw. die jeweilige konkrete Position der beiden Objekte B1, B2 zueinander erfassbar sind, je nach dem, ob es sich bei der Teilungsstruktur 1 um eine periodische Inkrementalteilung oder um eine absolut codierte Spur handelt.
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Optional kann im Strahlengang der vom Sender LQ, O ausgesandten und vom Detektor 3 empfangenen elektromagnetischen Strahlung zusätzlich in bekannter Weise eine Abtastplatte P der Abtasteinheit A vorgesehen sein.
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Bei einer Relativbewegung der beiden Objekte B1, B2 zueinander erfolgt eine entsprechende Relativbewegung von Maßverkörperung M und Abtasteinheit A, die durch die laufende (fotoelektrische) Abtastung der Teilungsstruktur 1 mittels der Abtasteinheit A erfassbar ist.
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Durch Abtastung der Referenzmarkencodierung 2 bzw. einer Mehrzahl entlang der Messrichtung x hintereinander angeordneter, voneinander beabstandeter Referenzmarkencodierungen 2 lassen sich dabei eine oder mehrere bestimmte Referenzpositionen der beiden Objekte B1, B2 zueinander erfassen, auf die die Positionsänderungen bezogen werden können, welche durch Abtastung der entlang der Messrichtung x erstreckten Teilungsstruktur 1 ermittelt werden.
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1B zeigt eine Abwandlung der Anordnung aus 1A, wobei der wesentliche Unterschied darin besteht, dass gemäß 1B die Abtasteinheit A eine zugeordnete Maßverkörperung M im sogenannten Durchstrahlungsverfahren abtastet. Hierzu bestehen die am Teilungsträger T der Maßverkörperung M vorgesehene Teilungsstruktur 1 sowie die mindestens eine Referenzmarkencodierung 2 aus einer Mehrzahl entlang der Messrichtung x hintereinander angeordneter Bereiche, die für die zur Abtastung verwendete elektromagnetische Strahlung entweder durchlässig oder undurchlässig sind.
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Der Detektor D der Abtasteinheit A ist in diesem Fall vor der dem Sender LQ, O abgewandten Seite der Maßverkörperung M angeordnet und dient zum Empfang derjenigen Anteile des vom Sender LQ, O ausgesandten Strahlenbündels, welches die Maßverkörperung M unter Wechselwirkung mit der Teilungsstruktur 1 bzw. mindestens einer Referenzmarkencodierung 2 durchstrahlt hat.
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Derartige Positionsmesseinrichtungen, die nach dem fotoelektrischen Prinzip entweder im Reflektionsverfahren (
1A) oder im Durchstrahlungsverfahren (
1B) arbeiten, sind allgemein bekannt. Für weitere Einzelheiten wird beispielhaft auf die
DE 199 36 181 A1 verwiesen.
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2 zeigt in schematischer Darstellung beispielhaft eine Maßverkörperung M in Form eines entlang einer Messrichtung x erstreckten Maßstabes, auf dem entlang jener Messrichtung x eine Teilungsstruktur 1, hier in Form einer sogenannten Inkrementalteilung, verläuft und auf dem neben jener Teilungsstruktur 1 eine Mehrzahl entlang der Messrichtung x hintereinander angeordneter und voneinander beabstandeter Referenzmarkencodierungen 2 vorgesehen sind. Letztere sind quer zur Messrichtung x neben der Teilungsstruktur 1 angeordnet.
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Die Teilungsstruktur 1 wird gebildet durch eine periodische Strichteilung, entlang der sich Teilungsstriche eines ersten Zustandes und Teilungsstriche eines zweiten Zustandes periodisch in Messrichtung x abwechseln. Hierbei kann es sich beispielsweise um strahlungsreflektierende und nicht-reflektierende oder alternativ um strahlungsdurchlässige und strahlungsundurchlässige Teilungsstriche handeln.
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In entsprechender Weise werden die Referenzmarkencodierungen 2 jeweils durch eine Abfolge strichartiger Codeelemente gebildet, die jeweils genau einen von zwei möglichen Zuständen einnehmen, also etwa entweder den Zustand strahlungsreflektierend oder den Zustand nicht-reflektierend bzw. entweder den Zustand strahlungsdurchlässig oder den Zustand strahlungsundurchlässig.
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Um den einzelnen Codeelementen einer jeweiligen Referenzmarkenmarkierung 2 jeweils genau einen von zwei möglichen Zuständen zuordnen zu können, unabhängig davon, durch welche physikalische Eigenschaft (Reflektivität, Strahlungsdurchlässigkeit etc.) diese Zustände verwirklicht sind, werden die entsprechenden Zustände nachfolgend auch einfach mit „0“ bzw. „1“ bezeichnet.
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Die Referenzmarkencodierungen 2 weisen dabei im Unterschied zu der Inkrementalteilung 1 keine periodische Struktur auf sondern vielmehr eine nichtperiodische Struktur, so dass eine jeweilige Referenzmarkenmarkierung 2 eindeutig anhand von Signalen identifizierbar ist, die von der zugeordneten Detektoranordnung 4 der Abtasteinheit A erzeugt werden, wenn sich die beiden Objekte B1, B2 und damit auch die Maßverkörperung M und die Abtasteinheit A in einer bestimmten, der jeweiligen Referenzmarkencodierung 2 zugeordneten Referenzposition befinden.
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3A zeigt einen binären Code als Grundlage für die Erzeugung einer Referenzmarkencodierung eines Positionsmesssystems.
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Der binäre Code gemäß 3A umfasst eine Mehrzahl entlang einer vorgegebenen Richtung hintereinander angeordneter Codeelemente, die jeweils einen von genau zwei möglichen Zuständen „0“ und „1“ aufweisen. Die einzelnen Codeelemente stimmen dabei in ihren äußeren Abmessungen überein; das heißt, sie weisen alle dieselbe (rechteckige) Geometrie sowie dieselbe Fläche auf.
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Ein derartiger binärer Code ist grundsätzlich geeignet, als eine Referenzmarkencodierung an einer Maßverkörperung einer Positionsmesseinrichtung zu dienen. Anhand der spezifischen Abfolge der Codeelemente mit den Zuständen „0“ und „1“ kann dabei eine jeweilige Referenzposition zweier zueinander bewegbarer Objekte, die durch jenen Code repräsentiert wird, ohne Weiteres ermittelt werden.
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Vorliegend wird jedoch der in 3A dargestellte Ausgangscode zunächst noch einer so genannten Manchester-Codierung unterzogen, um hieraus eine Referenzmarkencodierung für ein Positionsmesssystem zu erzeugen. Die resultierende Referenzmarkencodierung 2 ist dabei in 3B zusammen mit einer zugehörigen Detektoranordnung 4 dargestellt.
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Um von dem in 3A gezeigten binären Ausgangscode zu der in 3B gezeigten Referenzmarkencodierung 2 zu gelangen, wird nach der Manchester-Codierung wie folgt vorgegangen: Jedem Element der binären Codierung aus 3A, welches jeweils einen der beiden Zustände „0“ oder „1“ aufweist, werden zur Erzeugung der Referenzmarkencodierung 2 in 3B genau zwei Codeelemente 21, 22 zugeordnet, die sich in ihrem Zustand unterscheiden, von denen also das eine den Zustand „0“ und das andere den Zustand „1“ aufweist.
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Dabei weisen die einzelnen Codeelemente 21, 22 der Referenzmarkencodierung 2 aus 3B jeweils die gleichen äußeren Abmessungen auf, das heißt, sie sind von identischer Geometrie und identischer Flächenausdehnung, und die Codeelemente 21, 22 sind entlang einer definierten Richtung (Messrichtung x) hintereinander angeordnet.
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Konkret werden dabei jedem Element der binären Ausgangscodierung aus 3A mit dem Zustand „0“ in der Referenzmarkencodierung 2 aus 3B jeweils ein Codeelement 21 mit dem Zustand „0“ und ein Codeelement 22 mit dem Zustand „1“ in dieser Reihenfolge zugeordnet. Jedem Element der binären Ausgangscodierung aus 3A mit dem Zustand „1“ werden demgegenüber in der Referenzmarkencodierung aus 3B ein Codeelement 22 des Zustandes „1“ und ein Codeelement 21 des Zustandes „0“ in dieser Reihenfolge zugeordnet.
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Durch diese Art der Codierung ist sichergestellt, dass in der Referenzmarkencodierung 2 der 3B eine gleiche Anzahl an Codeelementen 21 des Zustandes „0“ und an Codeelementen 22 des Zustandes „1“ vorhanden ist. Da sämtliche Codeelemente 21, 22 der Referenzmarkencodierung 2 dieselbe äußere Abmessung, also identische Flächen und identische Geometrie aufweisen, ist zudem sichergestellt, dass die Codeelemente 21 des Zustandes „0“ auf der Referenzmarkencodierung 2 dieselbe Fläche überdecken wie die Codeelemente 22 des Zustandes „1“.
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Selbstverständlich kann alternativ zu dem hier gewählten Vorgehen auch jedem Element aus der binären Ausgangscodierung der 3A mit dem Zustand „0“ in der Referenzmarkencodierung der 3B die Codefolge „10“ und jedem Element der Ausgangscodierung mit dem Zustand „1“ in der Referenzmarkencodierung 2 die Zustandsfolge „01“ zugeordnet werden.
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Von Bedeutung ist vorliegend, dass jedem Element des Ausgangscodes aus 3A in der Referenzmarkencodierung 2 der 3B zwei Codeelemente zugeordnet werden, die sich in ihrem Zustand unterscheiden, und dass die Wahl der Zustandsfolge „01“ oder „10“ in der Referenzmarkencodierung davon abhängt, welcher Zustand dem zugeordneten Element der binären Ausgangscodierung aus 3A zugeordnet ist.
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Im Ausführungsbeispiel sind die einem Element des Ausgangscodes zugeordneten Codeelemente 21, 22 der Referenzmarkencodierung 2 jeweils unmittelbar hintereinander angeordnet, also zu einem Codeelementen-Paar des Zustandes „01“ oder „10“ zusammengefasst und die mehreren Codeelementen-Paare mit der Zustandsfolge „01“ oder „10“ sind wiederum entlang derselben Richtung (x) hintereinander angeordnet, wie die einzelnen Codeelemente 21, 22 eines Codeelementen-Paares.
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Der Referenzmarkencodierung 2 ist gemäß 3B eine Detektoranordnung 4 zugeordnet, die eine Mehrzahl Detektorelemente 41, 42 umfasst. Die Anzahl der Detektorelemente 41, 42 ist dabei gleich der Anzahl der Codeelemente 21, 22 der Referenzmarkencodierung 2. Das heißt, jedem Codeelement 21, 22 der Referenzmarkencodierung 2 ist genau ein Detektorelement 41, 42 der Detektoranordnung 4 zugewiesen.
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Ein einzelnes Detektorelement 41, 42 der Detektoranordnung 4 ist dabei dadurch charakterisiert, dass es bei Abtastung der Referenzmarkencodierung 2 (im Allgemeinen mittels elektromagnetischer Strahlung, magnetisch oder induktiv) jeweils ein (elektrisches) Ausgangssignal erzeugt, welches vorliegend in definierter Weise mit den Ausgangssignalen der weiteren Codeelemente 41, 42 zusammengefasst wird. Ein einzelnes Detektorelement 41, 42 zeichnet sich also jeweils dadurch aus, dass es bei Abtastung der Referenzmarkencodierung 2 selbständig ein Ausgangssignal erzeugen kann.
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Vorliegend erfolgt die Abtastung der Referenzmarkencodierung 2 fotoelektrisch mittels elektromagnetischer Strahlung, wie anhand der 1A und 1B sowie 2 erläutert. Dementsprechend werden die Codeelemente 21, 22 der Referenzmarkencodierung 2 - in Abhängigkeit davon, ob sie den Zustand „0“ oder „1“ aufweisen - durch strahlungsundurchlässige und strahlungsdurchlässige Bereiche bzw. durch strahlungsreflektierende und nicht reflektierende Bereiche gebildet. Die Detektorelemente 41, 42 der Detektoranordnung 4 sind dementsprechend ausgebildet zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignales in Abhängigkeit von der empfangenen elektromagnetischen Strahlung, zum Beispiel von deren Intensität bzw. Intensitätsverteilung. Das heißt, die Detektorelemente 41, 42 der Detektoranordnung 4 werden jeweils durch einen fotoelektrischen Strahlungsempfänger (Fotoempfänger bzw. - detektor) gebildet.
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Die einzelnen Detektorelemente 41, 42 der Detektoranordnung 4 weisen dabei vorliegend, ebenso wie die Codeelemente 21, 22 der Referenzmarkencodierung 2, jeweils identische äußere Abmessungen auf, das heißt, sie stimmen hinsichtlich ihrer Geometrie und ihrer Flächenausdehnung überein. Weiterhin sind die Detektorelemente 41, 42 entlang einer definierten Richtung hintereinander angeordnet, welche vorliegend mit der Messrichtung x zusammenfällt, so dass die den Codeelementen 21 des ersten Zustandes „0“ zugeordneten ersten Detektorelemente 41 und die den Codeelementen 22 des zweiten Zustandes „1“ zugeordneten zweiten Detektorelemente 42 in derselben Art und Weise entlang einer Richtung hintereinander angeordnet sind, wie die zugehörigen Codeelemente 21, 22.
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Die Detektorelemente 41, 42 sind dabei so zu zwei Detektorbaugruppen zusammengeschaltet, dass die Ausgangssignale a1 aller ersten Detektorelemente 41 zu einem ersten resultierenden Signal r1 und die Ausgangssignale a2 aller zweiten Detektorelemente 42 zu einem zweiten resultierenden Signal r2 zusammengefasst werden. Jedes dieser beiden resultierenden Signale wird über jeweils eine Datenleitung 51 bzw. 52 zu einer Auswerteeinheit 5 übertragen, wo die beiden resultierenden Signale r1, r2 in definierter Weise miteinander verknüpft werden können.
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Die beiden Detektorbaugruppen der Detektoranordnung 4 können vorliegend auch dadurch identifiziert werden, dass die eine der Takt- und die andere der Gegentaktabtastung dient; es sind also jeweils die der Taktabtastung und die der Gegentaktabtastung dienenden Detektorelemente 41 bzw. 42 zu einer Detektorbaugruppe zusammengefasst. Takt- und Gegentaktabtastung sind dabei mit jeweils gleicher Detektoranzahl und gleicher Detektorfläche vorgesehen.
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In der Auswerteeinheit 5 wird aus den resultierenden Signalen r1, r2 der beiden Detektorbaugruppen zum einen ein Differenzsignals r1-r2 (oder alternativ r2-r1) gebildet.
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4A zeigt das Differenzsignal r1-r2 der beiden resultierenden Signale r1, r2 in Abhängigkeit von der Position der beiden Objekte B1, B2 bzw. der Maßverkörperung M und der Abtasteinheit A zueinander.
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Aufgrund der zuvor anhand 3B beschriebenen Ausgestaltung der Referenzmarkencodierung 2 mit einer identischen Anzahl Codeelemente 21, 22 für beide möglichen Zustände „0“ und „1", welche identische Flächen auf der Referenzmarkencodierung 2 einnehmen, sowie aufgrund der ebenfalls anhand 3B beschriebenen Ausgestaltung der zur Abtastung der Referenzmarkencodierung 2 verwendeten Detektoranordnung mit einer identischen Anzahl Detektorelementen 41, 42 in jeweils einer Detektorbaugruppe, welche zur Erzeugung jeweils eines resultierenden Signals zusammengeschaltet sind, verläuft das Differenzsignal r1-r2 gemäß 4A im Wesentlichen symmetrisch bezüglich der Referenzposition, an welcher das Differenzsignal r1-r2 ein Maximum von ca. 260 Einheiten auf der vertikalen Achse aufweist.
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In 4A ist weiterhin bei 176 Einheiten der vertikalen Achse eine übliche Schaltschwelle (Triggerschwelle) angedeutet, bei deren Überschreiten das Differenzsignal r1-r2 das Vorliegen der Referenzposition der beiden zueinander bewegbaren Objekte B1, B2 bzw. der Abtasteinheit A bezüglich der Maßverkörperung M anzeigt. Die Schaltschwelle wurde dabei so gewählt, dass der zentrale Peak des Differenzsignals r1-r2 auf der Höhe der Schaltschwelle gerade die Breite einer Teilungsperiode der Teilungsstruktur 1 aus 2 in Form einer periodischen Inkrementalteilung entspricht. Die Schaltschwelle liegt dann entlang der vertikalen Achse etwa mittig zwischen dem zentralen Maximum des Differenzsignals r1-r2 an der Referenzposition und dem ersten Nebenmaximum des Signalverlaufs.
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Eine Folge der Verwendung einer konstanten Schaltschwelle als Triggerschwelle bzw. Triggersignal, mit dem das Differenzsignal r1-r2 verglichen wird, liegt darin, dass im Fall von Verschmutzungen an der Referenzmarkencodierung 2 und/oder an der Detektoranordnung 4 Änderungen am Differenzsignal r1-r2 auftreten können, die bei Bezugnahme auf das unveränderte Triggersignal (konstante Schaltschwelle) zu einer fehlerhaften Anzeige der Referenzposition führen können.
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Dies wird deutlich anhand 5A, wo das Differenzsignal r1-r2 der 4A für eine verschmutzte Referenzmarkencodierung dargestellt ist, wobei sich die Verschmutzung im Beispiel über die halbe Länge der Referenzmarkencodierung und dabei symmetrisch zu deren Zentrum (bezogen auf die Messrichtung x) erstreckt und wobei hier die Verschmutzung in Form eines Schmutzbelages die Transmission lichtdurchlässiger Bereiche der Referenzmarkencodierung auf 10% beschränkt.
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Wie anhand 5A deutlich wird, erreicht das Maximum des Differenzsignals r1-r2 in diesem Fall lediglich etwa 145 Einheiten auf der vertikalen Achse, so dass die (bei 176 Einheiten liegende) Schaltschwelle überhaupt nicht erreicht wird. Die Referenzposition kann daher nicht erkannt werden.
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Um derartige Fehlerkennungen bzw. Nichterkennungen der Referenzposition zu vermeiden, wird vorliegend vorgeschlagen, das Differenzsignal r1-r2 nicht auf eine vorgegebene (konstante) Schaltschwelle zu beziehen, sondern vielmehr auf ein Signal, das aus der Abtastung derselben Referenzmarkencodierung 2 gewonnen wird, wie das Differenzsignal r1-r2.
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Hierzu ist vorliegend vorgesehen, das als Referenzsignal dienende Triggersignal, bei dessen Überschreitung durch das Differenzsignal r1 - r2 die Referenzposition erkannt und seitens der Auswerteeinheit 5 ein entsprechender Referenzimpuls erzeugt wird, in der Auswerteeinheit 5 durch Verknüpfung derselben resultierenden Signale r1, r2 zu bilden, aus denen auch das Differenzsignal r1 - r2 erzeugt wird.
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Konkret wird vorliegend zur Bildung des Triggersignales ein Summensignal r1 + r2 herangezogen und einerseits mit einem Faktor p multipliziert (skaliert) sowie andererseits um einen additiven Offset q entlang der vertikalen Achse verschoben, damit es sich als Triggersignal eignet.
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Zur Skalierung des Summensignals, also dessen Multiplikation mit einem Faktor, kann in der Praxis ein Spannungsteiler herangezogen werden. Um das Summensignal mit einem Offset entlang der vertikalen Fahrzeugachse zu versehen, kann beispielsweise eine Gleichspannungsquelle herangezogen werden oder aus den bei Abtastung der Teilungsstruktur 1 erzeugten Inkrementalsignalen ein entsprechend geregeltes (konstantes) additives Signal erzeugt werden.
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Das aus der Multiplikation des Summensignals r1 + r2 mit einem Faktor p=0.4 sowie durch Beaufschlagung des Summensignals mit einem Offset q von 25 Einheiten entlang der vertikalen Achse gebildete Triggersignal ist in 4B zusammen mit dem Differenzsignal r1 - r2 dargestellt.
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Wie aus 4B hervorgeht, verläuft das Summensignal r1 + r2 in gleicher Weise wie das Differenzsignal r1 - r2 im Wesentlichen symmetrisch bezüglich der Referenzposition der zueinander beweglichen Objekte B1, B2 bzw. von Maßverkörperung M und Abtasteinheit A; und es ist aufgrund der beschriebenen Skalierung sowie der beschriebenen Beaufschlagung mit einem Offset derart bezüglich des Differenzsignals r1 - r2 angeordnet, dass das Differenzsignal r1 - r2 das Triggersignal 0.4 (r1 + r2) + 25 nur an der vorgegebenen Referenzposition (einschließlich einer kleineren Umgebung, von etwa einer Periodenlänge der Inkrementalteilung 1) überschreitet. Das aus einem Summensignal r1 + r2 gebildete Triggersignal 0.4 (r1 + r2) + 25 - oder allgemein p(r1 + r2) + q - ist daher bestens zur Definition einer Triggerschwelle geeignet, bei deren Überschreiten die Differenzposition erkannt und ein entsprechender Referenzimpuls erzeugt wird.
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Alternativ zu der vorstehend genannten Rechenvorschrift kommen auch andere Verknüpfungen der resultierenden Signale r1, r2 in Frage, um ein Triggersignal zu erzeugen, welches als Schaltschwelle bei der Bewertung des Differenzsignals r1 - r2 dient, z.B. unter Verwendung der allgemeineren Form a*r1 + b*r2 + c. Von Bedeutung ist jeweils, dass zur Bildung des Triggersignals ein und dieselben Codeelemente 21, 22 der Referenzmarkencodierung 2 abgetastet werden wie zur Bildung des Differenzsignals, wobei vorliegend hierzu auch ein und dieselbe Detektoranordnung 4 verwendet wird.
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Hierdurch wird erreicht, dass sich Verschmutzungen an der Referenzmarkencodierung 2 in gleicher Weise auf das Differenzsignal r1 - r2 wie auf das zur Bildung einer Schaltschwelle für das Differenzsignal verwendete Triggersignal auswirken, wie anhand 5B deutlich wird.
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5B zeigt eine der 5A entsprechende Situation, gemäß der das Differenzsignal r1 - r2 aufgrund einer Verschmutzung der Referenzmarkencodierung verglichen mit dem unverschmutzten Zustand, wie in 4B dargestellt, deutlich herabgesetzt ist.
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Dies betrifft jedoch vorliegend in gleicher Weise auch das Triggersignal, welches ja durch Abtastung derselben Codeelemente 21, 22 gebildet ist wie das Differenzsignal r1 - r2. Insofern erfährt gemäß 5B das Triggersignal eine entsprechende Reduktion in der Intensität; und das Differenzsignal r1 - r2 überschreitet an der Referenzposition weiterhin das Triggersignal, so dass das Vorliegen der Referenzposition korrekt angezeigt wird.
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Um zu verhindern, dass mögliche Störungen im Summensignal r1 + r2, welches zur Bildung des Triggersignales herangezogen wird, verstärkt werden, können eine Kapazität bzw. ein Tiefpass zur Unterdrückung solcher Störungen herangezogen werden.
