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Die Erfindung betrifft eine Positionsmesseinrichtung zur absoluten Positionsmessung gemäß dem Anspruch 1.
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Es haben sich absolute Positionsmesseinrichtungen bewährt, bei denen die absolute Positionsinformation von einem Manchestercode, bestehend aus einer in Messrichtung hintereinander angeordneten Folge von Codeelementen abgeleitet wird. Die Codeelemente sind dabei innerhalb des Messbereiches in pseudozufälliger Verteilung vorgesehen, so dass eine bestimmte Anzahl von aufeinanderfolgenden Codeelementen jeweils ein Bitmuster bildet. Bei der Verschiebung der Abtasteinrichtung gegenüber der Codespur um ein einziges Codeelement wird bereits ein neues Bitmuster gebildet und über den gesamten absolut zu erfassenden Messbereich steht eine Folge von unterschiedlichen Bitmustern zur Verfügung.
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Die Auflösung der mit dem absoluten Code generierten absoluten Position ist für viele Anwendungen nicht fein genug. Es gibt deshalb bereits Vorschläge, aus einem Manchestercode selbst eine inkrementale Positionsinformation abzuleiten. So wird in der
WO 2009/132901 A1 eine absolute Positionsmesseinrichtung angegeben, mit der aus dem Manchestercode einerseits eine absolute Positionsinformation sowie zusätzlich auch mehrere analoge gegeneinander phasenverschobene Inkrementalsignale erzeugbar sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Positionsmesseinrichtung zu schaffen, mit der zumindest ein Inkrementalsignal aus dem seriellen Manchestercode abgeleitet werden kann, das eine hohe Qualität aufweist, insbesondere zur Interpolation gut geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
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Gemäß der Erfindung weist die Positionsmesseinrichtung einen Manchestercode auf, bestehend aus einer Folge von in Messrichtung angeordneten Codeelementen, die einen Messbereich absolut codieren, wobei jedes Codeelement aus einer Abfolge eines ersten Teilbereiches und eines zweiten Teilbereiches besteht. Weiterhin umfasst die Positionsmesseinrichtung eine Abtasteinheit mit mehreren Detektoren zur Abtastung des Codes und Gewinnung von Abtastsignalen daraus. Die Positionsmesseinrichtung weist eine erste Auswerteeinheit auf, die zur Bildung eines Codewortes mit mehreren Bits aus den Abtastsignalen ausgebildet ist, wobei einer ersten Abfolge der beiden Teilbereiche ein erstes logisches Signal zugeordnet wird und einer zweiten Abfolge der beiden Teilbereiche ein zweites logisches Signal zugeordnet wird. Ferner weist die Positionsmesseinrichtung eine zweite Auswerteeinheit auf, die zur Bildung zumindest eines Inkrementalsignals aus mehreren der Abtastsignale ausgebildet ist. Die Länge des ersten Teilbereiches der Codeelemente weicht von der Länge des zweiten Teilbereiches des jeweiligen Codeelementes ab.
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Vorteilhaft ist, wenn die Länge des ersten Teilbereiches von der Länge des zweiten Teilbereiches um B/n abweicht, mit
n = ganze Zahl größer 1
B = halbe Länge des Codeelementes
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Zur Filterung der vierten Oberwelle weicht die Länge des ersten Teilbereiches von der Länge des zweiten Teilbereiches um B/4 ab, mit
B = halbe Länge des Codeelementes
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Die zweite Auswerteeinheit ist insbesondere dazu ausgebildet, um aus den Abtastsignalen mehrere Teilsignale zu bilden und um diese Teilsignale zur Bildung des Inkrementalsignals zu addieren, wobei die Länge des ersten Teilbereiches von der Länge des zweiten Teilbereiches derart abweicht, dass diese zu addierenden Teilsignale gegeneinander phasenverschoben sind, um eine Oberwelle n-ter Ordnung auszulöschen, mit n = ganze Zahl größer 1.
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Beispielsweise werden die Teilsignale gebildet, indem jeweils eines der Abtastsignale mit einem weiteren der Abtastsignale verglichen wird und die durch den Vergleich gebildete Differenz gleichgerichtet wird.
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Ist der Manchestercode zur lichtelektrischen Abtastung ausgebildet, weisen die ersten Teilbereiche und die zweiten Teilbereiche eines Codeelementes jeweils zueinander komplementäre optische Eigenschaften auf.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert, dabei zeigen:
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1 einen Manchestercode und diesem zugeordnete Detektoren sowie die vier daraus erzeugbaren gegeneinander phasenverschobenen Inkrementalsignale;
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2 eine Auswerteeinheit zur Erzeugung von gegeneinander phasenverschobenen Inkrementalsignalen aus den Abtastsignalen des Manchestercodes, und
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3 die Nutzung der Abtastsignale des Manchestercodes zur Bildung eines Codewortes.
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In 1 ist ein Teil einer erfindungsgemäß ausgestalteten Positionsmesseinrichtung schematisch dargestellt. Diese Positionsmesseinrichtung arbeitet beispielsweise nach dem optischen Abtastprinzip, bei dem der Manchestercode 1 eines Maßstabes mittels eines Lichtbündels im Auflichtverfahren abgetastet wird. Der Manchestercode 1 besteht aus einer Folge von Codeelementen C1 bis C4, wobei jedes Codeelement C1 bis C4 wiederum aus einer Abfolge eines ersten Teilbereiches C1.1, C2.1, C3.1, C4.1 und eines zweiten Teilbereiches C1.2, C2.2, C3.2, C4.2 besteht. Die binäre Information, auch Bit genannt, der Codeelemente C1, C2, C3, C4 ist durch die Abfolge der Teilbereiche C1.1, C1.2; C2.1, C2.2; C3.1, C3.2; C4.1, C4.2 innerhalb eines Codeelementes C1, C2, C3, C4 bestimmt. Im dargestellten Beispiel sind die hell dargestellten Teilbereiche C1.1, C2.2, C3.2, C4.2 reflektierend und die mit einer Struktur ausgefüllten Teilbereiche C1.2. C2.1, C3.1, C4.1 nicht reflektierend ausgebildet. Der Abfolge reflektierend -> nicht reflektierend innerhalb des Codeelementes C1 der Länge 2B wird die binäre Information 0 zugeordnet und der Abfolge nicht reflektierend -> reflektierend innerhalb der Codeelemente C2, C3, C4 der Länge 2B jeweils die binäre Information 1. Die ersten Teilbereiche C1.1, C2.1, C3.1, C4.1 und die zweiten Teilbereiche C1.2, C2.2, C3.2, C4.2 weisen zueinander komplementäre optische Eigenschaften auf, zur optischen Abtastung im Auflicht sind diese reflektierend und nicht reflektierend. Alternativ können diese zur optischen Abtastung im Durchlicht auch transparent und opak ausgestaltet sein.
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Zur Abtastung des Codes 1 dient eine Abtasteinheit 2 mit mehreren Detektoren D21 bis D52, die zur Positionsmessung in Messrichtung X relativ zum Code 1 bewegbar angeordnet ist. Bei jeder Relativstellung des sequentiellen Codes 1 gegenüber der Abtasteinheit 2 wird ein Abschnitt des Codes 1 mit mehreren Codeelementen C1, C2, C3, C4 gleichzeitig abgetastet. Das Lichtbündel wird von dem Code 1 positionsabhängig moduliert, so dass in einem vorgegebenen Abtastabstand eine positionsabhängige Lichtverteilung entsteht, die von den Detektoren D21 bis D52 erfasst wird. Die Abtastsignale A21 bis A52 der Detektoren D21 bis D52 werden einerseits einer in 3 dargestellten Auswerteeinheit 215 zugeführt, welche in bekannter Weise daraus ein die Absolutposition definierendes Codewort CW bildet. Dabei wird aus jedem der Codeelemente C1 bis C4 eine logische Information in Form eines Bits 0 oder 1 abgeleitet. Ein Beispiel zur Bildung eines Codewortes CW wird später anhand der 2 näher erläutert.
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Andererseits werden die Abtastsignale A21 bis A52 einer in 3 schematisch dargestellten Auswerteeinheit 11 zur Bildung zumindest eines Inkrementalsignals IN zugeführt. Der Aufbau dieser Auswerteeinheit 11 ist in 2 im Detail dargestellt, sie besteht aus den zwei Komponenten 11.1 und 11.2.
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Die 1 und 2 zeigen eine Anordnung von Codeelementen C1 bis C4 mit einer Anordnung von Detektoren D21 bis D52 zur Erzeugung von vier um 90° gegeneinander phasenverschobenen Inkrementalsignalen IN0, IN90, IN180 und IN270. Durch Erfassung aller Hell-Dunkel-Übergänge innerhalb des Codes 1 haben die Inkrementalsignale IN0, IN90, IN180 und IN270 eine Periodenlänge von B.
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Die Inkrementalsignale IN0, IN90, IN180 und IN270 werden durch Differenzbildung benachbarter Detektoren D21 bis D52, anschließender Gleichrichtung und anschließender Summenbildung der somit gebildeten Teilsignale generiert.
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Eine erste Möglichkeit dazu ist: IN0 = |A22 – A23| + |A26 – A27| + |A30 – A31| + |A34 – A35| + ...... IN90 = |A23 – A24| + |A27 – A28| + |A31 – A32| + |A35 – A36| + ...... IN180 = |A24 – A25| + |A28 – A29| + |A32 – A33| + |A36 – A37| + ...... IN270 = |A25 – A26| + |A29 – A30| + |A33 – A34| + |A37 – A38| + ....
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Alternativ können die Inkrementalsignale auch durch folgende Beziehungen gebildet werden: IN0 = |(A21 + A22) – (A23 + A24)| + |(A25 + A26) – (A27 + A28)| + |(A29 + A30) – (A31 + A32)| + |(A33 + A34) – (A35 + A36)| + ...... IN90 = |(A22 + A23) – (A24 + A25)| +|(A26 + A27) – (A28 + A29)| + |(A30 + A31) – (A32 + A33)| + |(A34 + A35) – (A36 + A37)| + .....
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Zur Erzeugung der analogen periodischen Inkrementalsignale IN0, IN90, IN180, IN270 mit der Periode B erfolgt eine Gleichrichtung von Differenzen. Diese Gleichrichtung ist in den obigen Beziehungen als Betragszeichen „|” angegeben. Insbesondere durch die oben angegebene Gleichrichtung ergeben sich Oberwellen in den Inkrementalsignalen IN0, IN90, IN180, IN270, insbesondere vierter Ordnung. Indem nun innerhalb eines Codeelementes C1, C2, C3, C4 jeweils die Länge des ersten Teilbereichs C1.1, C2.1, C3.1, C4.1 von der Länge des zweiten Teilbereichs C1.2, C2.2, C3.2, C4.2 abweichend gewählt wird, können diese störenden Oberwellen herausgefiltert werden. Durch Abtastung des Codes 1 werden dadurch nämlich gegeneinander phasenverschobene Inkrementalsignale generiert, die beispielsweise gemäß oben angegebener Beziehungen miteinander kombiniert werden, wodurch sich die störende Oberwelle auslöscht. Diese Phasenverschiebung der dabei entstehenden Teilsignale TA ist abhängig von der gewählten Verschiebung L, wobei L die Verschiebung der Übergangskante innerhalb des Codeelementes C1, C2, C3, C4 gegenüber seinem Zentrum ist (in Messrichtung X betrachtet), also die Abweichung gegenüber der halben Länge eines Codeelementes C1, C2, C3, C4. Die oben in den Gleichungen beispielhaft angegebene Kombination der gegeneinander phasenverschobenen Teilsignale TA ist eine Addition, wobei die Teilsignale TA jeweils die gleichgerichteten Differenzen sind.
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Vorteilhaft ist, wenn die Länge der ersten Teilbereiche C1.1, C2.1, C3.1, C4.1 von der Länge der zweiten Teilbereiche C1.2, C2.2, C3.2, C4.2 derart abweicht, dass L = B/2n, wobei
n = Ordnung der Oberwelle, mit n = ganze Zahl größer 1
B = halbe Länge eines Codeelementes
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Ausgedrückt in Längenabweichungen bedeutet dies, dass die Länge des ersten Teilbereiches C1.1, C2.1, C3.1, C4.1 von der Länge des zweiten Teilbereiches C1.2, C2.2, C3.2, C4.2 um B/n abweicht, wobei
n = ganze Zahl größer 1
B = halbe Länge des Codeelementes
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Zur Filterung der vierten Oberwelle wird L = B/8 gewählt, mit
B = halbe Länge eines Codeelementes
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Ausgedrückt in Längenabweichungen bedeutet dies, dass die Länge des ersten Teilbereiches C1.1, C2.1, C3.1, C4.1 von der Länge des zweiten Teilbereiches C1.2, C2.2, C3.2, C4.2 um B/4 abweicht, mit
B = halbe Länge des Codeelementes
Bei B = 110 µm wird für L etwa 14 µm gewählt.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die nicht reflektierenden Teilbereiche C1.2, C2.1, C3.1 und C4.1 um L = B/8 gegenüber der halben Breite der Codeelemente C1, C2, C3, C4 verbreitert. Alternativ können auch die reflektierenden Teilbereiche C1.1, C2.2, C3.2 und C4.2 entsprechend oben angegebenen Bedingungen verbreitert sein. Alle Codeelemente C1, C2, C3, C4 des Codes 1 sind gleich lang 2 × B. Die Längenänderung der Teilbereiche C1.1, C1.2; C2.1, C2.2; C3.1, C3.2; C4.1, C4.2 erfolgt jeweils innerhalb eines Codeelementes C1, C2, C3, C4.
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Anhand der 2 wird eine Möglichkeit zur Erzeugung von Inkrementalsignalen IN0, IN90, IN180 und IN270 mit der Periode B im Detail erläutert. Ergänzend dazu wird dargelegt, wie daraus Inkrementalsignale BN0, BN90 mit einer Periode der Breite 2B erzeugt werden können. Besonders vorteilhaft kann es nämlich sein, aus dem Manchestercode 1 Inkrementalsignale BN0, BN90 abzuleiten, die eine Periode der Länge 2B aufweisen, also auch innerhalb eines Bits eine eindeutige Positionsinformation liefern. Bei der Verwendung des Manchestercodes 1 wird jeweils ein Bit des Codewortes CW durch Differenzbildung, von Abtastsignalen der zwei aufeinanderfolgenden Teilbereiche C1.1, C1.2; C2.1, C2.2; C3.1, C3.2; C4.1, C4.2 eines Codeelementes C1, C2, C3, C4 gebildet. Aus dem zumindest einen periodischen Inkrementalsignal BN0, BN90 mit der Periode 2B werden nun die zur Differenzbildung geeigneten Abtastsignale bestimmt. Das heißt, dass die aus den Inkrementalsignalen BN0, BN90 gewonnene Positionsinformation dazu genutzt wird, um die korrekte Differenzbildung zur Erzeugung eines Bits aus den zwei komplementären Teilbereichen C1.1, C1.2; C2.1, C2.2; C3.1, C3.2; C4.1, C4.2 des Bits festzulegen.
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2 zeigt einen Ausschnitt des Manchestercodes 1. Zur Abtastung dienen wiederum die Detektoren D21 bis D52, von denen in 2 nur die Detektoren D21 bis D36 dargestellt sind. Aus im Raster B/2 voneinander beabstandeter Abtastpositionen werden Abtastsignale generiert, die jeweils miteinander verglichen werden. Das Vergleichsergebnis ist die Differenz der beiden Abtastsignale, die dann gleichgerichtet wird. Diese Gleichrichtung ist die in den Gleichungen angegebene Betragsbildung. Die gleichgerichteten Signale sind die Teilsignale TA, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit in der 2 nur die Teilsignale TA24, TA28, TA32 und TA36 bezeichnet sind. Die jeweils an Abtastpositionen im Raster B abgeleiteten Teilsignale TA werden ebenfalls miteinander kombiniert, insbesondere aufsummiert. Gemäß 2 werden die Abtastsignale jeweils zweier Detektoren D21, D22 zu einem Abtastsignal addiert, was durch das Pluszeichen „+“ dargestellt ist, und mit der Summe der benachbarten Abtastsignale D23, D24 verglichen, was durch das Minuszeichen „–“ dargestellt ist. Die Differenz (A21 + A22) – (A23 + A24) wird gleichgerichtet und ist dann eines der Teilsignale. In der Auswerteeinheit 11.1 werden nun folgende Summen mehrerer Teilsignale gebildet: IN0;1 = |(A21 + A22) – (A23 + A24)| + |(A29 + A30) – (A31 + A32)| + |(A33 + A34) – (A35 + A36)| + ...... IN0;2 = |(A25 + A26) – (A27 + A28)| + |(A33 + A34) – (A35 + A36)| + .... IN90;1 = |(A22 + A23) – (A24 + A25)| + |(A30 + A31) – (A32 + A33)| + .... IN90;2 = |(A26 + A27) – (A28 + A29)| + |(A34 + A35) – (A36 + A37)| + .... IN180;1 = |(A23 + A24) – (A25 + A26)| + |(A31 + A32) – (A33 + A34)| + |(A35 + A36) – (A37 + A38)| + ...... IN180;2 = |(A27 + A28) – (A29 + A30)| + |(A35 + A36) – (A37 + A38)| + .... IN270;1 = |(A24 + A25) – (A26 + A27)| + |(A32 + A33) – (A34 + A35)| + .... IN270;2 = |(A28 + A29) – (A30 + A31)| + |(A36 + A37) – (A38 + A39)| + ....
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In der Auswerteeinheit 11.2 können nun diese Summen von Teilsignalen TA weiter addiert werden, um eine gute Mittelung zu erhalten. IN0 = IN0;1 + IN0;2 IN90 = IN90;1 + IN90;2 IN180 = IN180;1 + IN180;2 IN270 = IN270;1 + IN270;2
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Die Sinusform dieser analogen periodischen Inkrementalsignale IN0, IN90, IN180 und IN270 ist aufgrund des Einflusses mehrerer Teilbereiche C1.1, C1.2, C2.1, C2.2 und der erfindungsgemäßen Ausgestaltung dieser Teilbereiche C1.1, C1.2, C2.1, C2.2 sehr gut, so dass durch sie eine sehr genaue Bestimmung einer Absolutposition innerhalb der Breite B durch bekannte Interpolationsverfahren ermöglicht wird.
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Zur Erzeugung der Inkrementalsignale BN0 und BN90 mit der Periode 2 × B werden diese Signale weiter verknüpft: BN0 = (IN0;1 + IN90;1 + I180;1 + I270;1) – (IN0;2 + IN90;2 + IN180;2 + IN270;2) BN90 = (IN0;2 + IN90;2 + I180;2 + I270;2) – (IN0;1 + IN90;1 + IN180;2 + IN270;2)
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Die Form dieser Inkrementalsignale BN0 und BN90 ist dazu geeignet, um damit eine eindeutige Unterscheidung zwischen dem rechten und linken Teilbereich innerhalb 2 × B der Manchestercodierung 1 zu ermöglichen.
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Anhand der 3 wird im Detail erläutert, wie die aus den Codeelementen C1 bis C4 generierten Inkrementalsignale IN0, IN90, IN180 und IN270 auch zur korrekten Bestimmung des Codewortes CW genutzt werden können. Die Funktionsweise wird anhand eines Ausschnitts erläutert, zu dessen Abtastung in der dargestellten Momentanstellung die Detektoren D21 bis D32 dienen. Die Abtastsignale A21 bis A32 der Detektoren D21 bis D32 werden der Auswerteeinheit 11 zur Bildung der vier um 90° gegeneinander phasenverschobenen Inkrementalsignale IN0, IN90, IN180 und IN270 zugeführt, die in der Figur nur mit IN bezeichnet sind. Der Interpolator 214 bildet aus diesen Inkrementalsignalen IN0, IN90, IN180 und IN270 eine absolute Positionsinformation D, welche die Länge B jeweils eindeutig absolut unterteilt.
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In vorteilhafter Weise wird die gemäß der Erfindung generierte Positionsinformation D zur korrekten Auswahl der Abtastsignale A23, A27, A31 zur Bildung des Codewortes CW verwendet. Hierzu sind die Abtastsignale A21 bis A32 einer Auswahleinrichtung 18 zugeführt, die in Abhängigkeit der Positionsinformation D die Abtastsignale A23, A27, A31 auswählt, die zur sicheren Bildung des Codewortes CW geeignet sind. Geeignet sind die Abtastsignale A23, A27, A31, welche die Mittenbereiche der Teilbereiche C1.1, C1.2, C2.1 abtasten, so dass zur Bildung des Codewortes CW die von den unsicheren Übergängen abgeleiteten Abtastsignale A21, A25 und A29 nicht verwendet werden. Dadurch ist auch gewährleistet, dass die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Teilbereiche C1.1, C1.2, C2.1 (unterschiedliche Länge der Teilbereiche eines Codeelementes) keinen negativen Einfluss auf die Bildung des Codewortes CW hat.
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Die Erzeugung des Codewortes CW erfolgt in der Auswerteeinheit
215 gemäß der
EP 1468254 B1 , auf die hier Bezug genommen wird.
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Das analoge sinusförmige periodische Inkrementalsignal IN kann mittels des Interpolators 214 unterteilt und digitalisiert werden, und diese Positionsinformation D dient dazu, die niedrig auflösende absolute Positionsinformation CW mit der höher aufgelösten Positionsinformation D, welche innerhalb der Breite B eindeutig absolut ist, zu ergänzen. Am Ausgang der Abtasteinheit 1 steht dann eine Absolutposition zur Verfügung, die in bekannter Weise über eine serielle Schnittstelle ausgebbar ist.
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Beim optischen Abtastprinzip können alle Elemente der Abtasteinheit 1 platzsparend in einem OPTO-ASIC ausgebildet sein. Die Erfindung ist aber nicht auf das optische Abtastprinzip beschränkt. So können beispielsweise auch magnetische, induktive oder kapazitive Positionsmesseinrichtungen erfindungsgemäß ausgestaltet werden. Die Art der Detektoren und die Ausführung der zueinander komplementären Eigenschaften der Teilbereiche der Codeelemente muss dann entsprechend dem Abtastprinzip gewählt werden, ansonsten ist aber die obige Beschreibung direkt übertragbar.
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Die absolute Positionsmesseinrichtung kann zur Messung von linearen oder rotatorischen Bewegungen eingesetzt werden, wobei der Code 1 an einem der beweglichen Objekte und die Abtasteinheit 2 am anderen der zu messenden Objekte angebracht ist. Der Code 1 kann dabei direkt an dem zu messenden Objekt angebracht sein oder auf einem Maßstab, der dann wiederum mit dem zu messenden Objekt gekoppelt ist.
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Die zu messenden Objekte können dabei der Tisch und der Schlitten einer Werkzeugmaschine, einer Koordinatenmessmaschine oder der Rotor und der Stator eines Elektromotors sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009/132901 A1 [0003]
- EP 1468254 B1 [0038]
