-
Die Erfindung betrifft einen Messwertgeber zur Positionsbestimmung mit einem optischen Sender und einem optischen Empfänger, wobei durch einen Beleuchtungsbereich des optischen Senders hindurch eine aus diffraktiven Feldern bestehende Maßverkörperung mit einer Inkrementalspur und einer zu dieser parallel verlaufenden Absolutspur führbar ist. Außerdem betrifft die Erfindung eine Maschine mit einer Welle und einem Gehäuse, in dem die Welle gelagert ist. Zuletzt betrifft die Erfindung eine Maschine mit einer Linearführung und einem Gehäuse, in dem die Linearführung angeordnet ist.
-
Ein Messwertgeber der eingangs angegebenen Art sowie eine eingangs erwähnte Maschine sind beispielsweise der
EP 2 650 655 A1 zu entnehmen. Der Messwertgeber gemäß diesem Dokument weist eine Maßverkörperung aus diffraktiv wirkenden mikrostrukturierten Feldern auf. Die Maßverkörperung kann beispielsweise auf Basis computergenerierter Hologramme (CGH) erzeugt werden. Um absolute Positionsinformationen zu erhalten weist die Maßverkörperung eine Absolutspur auf, die in Richtung ihrer Längsausddehnung durch den Beleuchtungsbereich des optischen Senders hindurchgeführt wird. Für die Generierung von Inkrementalsignalen ist eine Inkrementalspur vorgesehen, die ebenfalls durch den Beleuchtungsbereich hindurchgeführt wird. Auf diese Weise wird die Maßverkörperung optisch abgetastet, wobei die diffrativ wirkenden mikrostrukturierten Felder der Maßverkörperung eine Beugung des Messlichtes bewirken. Das gebeugte Messlicht wird dann von dem geeignet angeordneten optischen Empfänger registriert, wodurch Messwerte generiert werden können.
-
Mittels der Absolutspur kann die Position eines Bauteils in Bezug auf den Messwertgeber bestimmt werden. Handelt es sich um einen rotationssymmetrischen Körper, so kann die Absolutspur in Form einer Kreisbahn angeordnet werden und es lässt sich die absolute Winkelposition dieses rotationssymmetrischen Körpers bestimmen. Mit einer linear sich erstreckenden Absolutspur lässt sich die Positionierung eines längs verschiebbaren Körpers bestimmen. Hierbei wandert die Absolutspur linear durch den Beleuchtungsbereich des optischen Senders.
-
Die Inkrementalspur (oder mehrere Inkrementalspuren) dient der Erhöhung der Messgenauigkeit. Die Signale der Inkrementalspur helfen dabei, Messfehler zu bewerten und zu eliminieren. Wie dies im Einzelnen unter der Anwendung beispielsweise computergenerierter Hologramme für die Absolutspur sowie die Inkrementalspur bewerkstelligt werden kann, lässt sich der
EP 2 650 655 A1 entnehmen. Die Inkrementalspur kann beispielsweise als alternierende Abfolge von jeweils paarig zusammengehörigen gleichgroßen Feldern mit jeweils matrixartig angeordneten computergenerierten Hologrammen ausgebildet sein. Jeweils ein Paar zusammengehöriger Felder stellt ein Inkrement der Maßverkörperung dar. Eine solche Inkrementalspur wird im Betrieb des Messwertgebers dann durch den Beleuchtungsbereich geführt und abgetastet. Die zusammengehörigen Felder haben dabei zumindest in einer Dimension eine größere Abmessung als der Beleuchtungsbereich, so dass eine Erzeugung eines Beugungsmusters jeweils ausschließlich durch die einzelnen Felder möglich ist. De Wechsel der Beugungsmuster aufgrund eines Wechsels der Felder lässt sich hinsichtlich eventuell auftretender Toleranzen auswerten, um eine Korrektur des mit der Absolutspur erzeugten Messwertes durchführen zu können.
-
Die Verwendung von Messwertgebern zur Positionsbestimmung mittels Absolut- und Inkrementalsignalen ermöglicht, wie beschrieben, die Erhöhung der Messgenauigkeit. Andererseits wird durch das Erzeugen von Inkrementalsignalen auch ein größerer Aufwand bei der Herstellung des Messwertgebers erzeugt.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, diesen Aufwand möglichst gering zu halten, damit der Mehraufwand bei der Herstellung des Messwertgebers den Gewinn an Wirtschaftlichkeit aufgrund geringerer Toleranzanforderungen nicht überwiegt. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, Maschinen mit Linearführungen oder drehbar angeordneten Bauteilen anzugeben, bei denen die Positionsbestimmung durch einen solchen Messwertgeber zuverlässig und kostengünstig erfolgen kann.
-
Diese Aufgabe wird durch den eingangs angegebenen Messwertgeber erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Stahlengang des optischen Senders ein Strahlteiler angeordnet ist, der den Beleuchtungsbereich in einen ersten Lichtspot und einen zweiten Lichtspot aufteilt, so dass mit dem ersten Lichtspot die Inkementalspur und mit dem zweiten Lichtspot die Absolutspur beleuchtbar ist. Der erste und der zweite Lichtspot können mittels des Strahlteilers auf die richtige Größe gebracht werden, um jeweils die Inkrementalspur und die Absolutspur in der notwendigen Weise zu beleuchten. Dabei können die Inkrementalspur und die Absolutspur voneinander beabstandet angeordnet werden, wobei als geometrische Bedingung gilt, dass sich der Abstand durch den im Messwertgeber zum Einsatz kommenden Strahlteiler und evtl. weitere Optiken überbrückt werden kann. Die Anordnung des Messwertgebers kann sowohl als Linear- als auch als Drehgeber ausgebildet werden. Der Geber kann ortsfest angeordnet werden, so dass die Maßverkörperung gegenüber dem Messwertgeber bewegt wird. Denkbar ist jedoch auch eine bewegliche Anordnung des Messwertgebers, der über eine ortsfeste Maßverkörperung bewegt wird.
-
Der erfindungsgemäße Messwertgeber lässt sich vorteilhaft mit vergleichsweise geringem Fertigungsaufwand herstellen. Es ist nämlich nur eine Lichtquelle erforderlich, was sowohl den Aufwand an Komponenten als auch den Montageaufwand verringert. Demgegenüber kommt mit dem Strahlteiler ein zusätzliches Bauteil hinzu, was jedoch insbesondere bei einer Serienproduktion kostengünstig herstellbar ist. Vorteilhaft kann der Strahlteiler als diffrative Optik ausgeführt sein. Ein solches Bauteil lässt sich einfach herstellen und mit genügender optischer Genauigkeit im Messwertgeber montieren.
-
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stahlteiler als optischer Baustein ausgeführt ist, der eine Montageseite für eine SMD-Montage aufweist. Ein solcher optischer Baustein lässt sich vorteilhaft besonders einfach und hochgenau auf einer Leiterplatte oder einem anderen Schaltungsträger (beispielsweise dem Gehäuse des Messwertgebers) montieren. Gleichzeitig ist mittels der SMD-Montage eine zuverlässige Befestigung des Bausteins möglich. Hierdurch wird weiterer Fertigungs- und Montageaufwand eingespart.
-
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Schaltungsträger verwendet wird, auf dem der Strahlteiler als SMD-Bauteil derart gemeinsam mit einem als SMD-Bauteil ausgeführten optischen Sender montiert ist, dass das vom optischen Sender ausgesendete Licht geteilt wird. Hierbei ist besonders vorteilhaft, dass alle für den Messwertgeber zum Einsatz kommenden Komponenten auf einem Schaltungsträger (Leiterplatte oder Gehäuse des Messwertgebers) montiert werden können. Dadurch ist lediglich ein einziger Montageprozess zu bewerkstelligen, mit dem sowohl optische als auch elektrische Komponenten miteinander verbunden werden. Bei diesem Montageprozess ist die Einhaltung der erforderlichen Toleranzen notwendig. Dies kann beispielsweise durch Herstellung des Messwertgebers in einem Bestückautomaten sichergestellt werden. Nach erfolgter Montage sind die einzelnen Bauteile eindeutig zueinander fixiert, so dass es auch im Betrieb des Messwertgebers nicht zu der Ausbildung (zusätzlicher) Toleranzen kommen kann.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass im geteilten Strahlengang hinter dem Strahlteiler eine erste Strahlumlenkungseinrichtung angeordnet ist, mit der das Messlicht parallel ausrichtbar ist. Dies hat vorrangig den Vorteil, dass der Strahlengang des geteilten Messlichts im Messwertgeber platzsparender verlaufen kann. Hierdurch wird vorteilhaft Bauraum eingespart. Insbesondere, wenn als Strahlteiler eine diffraktive Optik verwendet wird, entsteht bei der Strahlteilung eine schräge Abstrahlrichtung der Beugungsmaxima, die durch die Strahlumlenkungseinrichtung wieder parallel ausgerichtet werden kann. Als Strahlumlenkeinrichtung können beispielsweise Prismen zum Einsatz kommen. Vorteilhaft kann die erste Strahlumlenkungseinrichtung als SMD-Baustein ausgeführt werden, um ebenfalls auf dem Schaltungsträger montiert zu werden. Hierdurch ist eine weitere Vereinfachung der Montage sowie eine platzsparende Bauweise realisierbar.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Strahlumlenkungseinrichtung und der Strahlteiler eine einstückige Baueinheit bilden. Dies ist insbesondere von Vorteil für eine kostengünstige und einfache Fertigung. Die einstückige Baueinheit kann beispielsweise aus einem optischen Kunststoff gegossen werden. Dabei sind die Strahlumlenkungseinrichtung und der Strahlteiler auch eindeutig zueinander positioniert, so dass vorteilhaft lediglich Fertigungstoleranzen zu beachten sind, während Montagetoleranzen nicht auftreten können.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn in die Baueinheit auch eine zweite Stahlumlenkungseinrichtung integriert ist, mit der jeweils ein von der Maßverkörperung ausgehendes Absolut-Messsignal und ein Inkremental-Messsignal zu dem Schaltungsträger umlenkbar ist. Dabei wird das Absolut-Messsignal dorthin umgelenkt, wo sich ein Absolut-Detektor befindet und das Inkremental-Messsignal dorthin umgelenkt, wo sich ein Inkremental-Detektor befindet. Der Absolut-Detektor und der Inkremental-Detektor sind jeweils vorteilhaft auch auf dem Schaltungsträger montiert, was Montageaufwand einspart und die Einhaltung der erforderlichen Toleranzen vereinfacht. Durch eine Strahlumlenkung der beiden Messsignale entsteht ein größerer Gestaltungsspielraum, da der Strahlengang der Messsignale an die baulichen Gegebenheiten des Messwertgebers angepasst werden können. Insbesondere ist auch eine platzsparendere Anordnung der Komponenten in dem Gehäuse des Messwertgebers möglich.
-
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn in die Baueinheit auch eine Sammeloptik integriert ist, mit der jeweils das Asolut-Messsignal und das Inkremental-Messsignal zu dem Schaltungsträger dorthin fokussierbar ist, wo jeweils der Absolut-Detektor und der Inkremental-Detektor montiert sind. Dies hat den Vorteil, dass die Fläche der beiden Detektoren kleiner gewählt werden kann. Hierdurch kann vorteilhaft Bauraum in dem Messwertgeber eingespart werden. Außerdem wird durch die Sammeloptik die Intensität des Messsignals vergrößert, weswegen weniger empfindliche Detektoren Anwendung finden können. Hierdurch können vorteilhaft kostengünstigere Detektoren für den Betrieb im Messwertgeber ausgewählt werden.
-
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird erhalten, wenn zwischen dem ersten Lichtspot und dem zweiten Lichtspot eine Blende angeordnet ist. Auf diese Weise kann vorteilhaft Störlicht von dem jeweils benachbarten Strahl des Lichtspots abgehalten werden. Noch wichtiger ist die Trennung des jeweiligen Messlichts, welches von der Absolutspur und der Inkrementalspur ausgeht. Durch das diffraktive Funktionsprinzip der beiden Spuren werden nämlich Beugungsmaxima mit mehreren Ordnungen erzeugt, wobei nur das Messlicht der jeweils ersten Ordnung ausgewertet werden soll. Damit das Messlicht höherer Ordnungen nicht auf den jeweils anderen Detektor fällt, wird die Blende vorgesehen.
-
Vorteilhaft ist es auch, wenn im Strahlengang hinter dem Strahlteiler eine Aperturblende angeordnet ist. Die Blende kann wahlweise senkrecht oder parallel zur Strahlausbreitung angeordnet werden. Mit der Blende können auch beim Strahlteiler (wenn dieser einem diffraktiven Wirkprinzip folgt) gebeugte Lichtanteile höherer Ordnung, die nicht direkt in dem zum ersten Lichtspot und zweiten Lichtspot führenden Strahlengang liegen, ausgeblendet werden. Insgesamt wird durch die Verwendung der Blenden ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis erzielt.
-
Die Erfindung wird außerdem durch die eingangs angegebene Maschine mit einer Welle und einem Gehäuse, in dem die Welle gelagert ist, gelöst, indem in der Maschine ein Messwertgeber nach einem der vorangehenden Ansprüche eingebaut ist, wobei die Maßverkörperung zentralsymmetrisch ausgeführt und mit ihrer Symmetrieachse in der Drehachse der Welle angeordnet ist. Die Maßverkörperung kann vorteilhaft bei einer solchen Anordnung zur Messung der Winkelposition der Welle eingesetzt werden.
-
Gelöst wird die Aufgabe auch durch eine Maschine mit einer Linearführung und einem Gehäuse, in dem die Linearführung angeordnet ist. Hier ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in der Maschine ein Messwertgeber der bereits beschriebenen Art eingebaut ist, wobei die Maßverkörperung linear ausgeführt ist und parallel zur Linearführung verlaufend angeordnet wird. Mit dieser Anordnung lassen sich Linearbewegungen mit ihrer absoluten Position bestimmen.
-
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
-
1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Messwertgebers, eingebaut in ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Maschine mit gelagerter Welle, im Radialschnitt und
-
2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Maschine mit Linearführung im schematischen Längsschnitt.
-
In 1 ist eine Maschine 11 dargestellt, bei der es sich beispielsweise um einen Elektromotor handeln kann. Dieser weist ein Gehäuse 12 auf, in dem eine Welle 13 in nicht näher dargestellter Weise gelagert ist. Die Welle 13 gehört zu einem ebenfalls nicht näher dargestellten Rotor der elektrischen Maschine und weist an ihrem Ende eine Scheibe 14 auf, die zu Messzwecken für den Drehwinkel der Welle 13 vorgesehen ist.
-
Auf der rotationssymmetrischen Scheibe 14 ist eine Maßverkörperung 15 vorgesehen, die aus jeweils einer ringförmig ausgebildeten Abolutspur 16 und einer Inkrementalspur 17 besteht. Gegenüber dieser Maßverkörperung ist ein Messwertgeber mit seinem Gehäuse 19 in dem Gehäuse 11 der elektrischen Maschine 11 montiert. Das Gehäuse 19 weist ein Fenster 20 auf, durch das Messlicht 21, 21a, 21i zur Ausbildung eines Beleuchtungsbereichs auf der Maßverkörperung 15 aus dem Gehäuse 19 heraus und ein von der Maßverkörperung 15 ausgehendes Messsignal 22a, 22i in das Gehäuse hineingelangen kann. Das Messlicht bildet auf der Inkrementalspur 17 einen ersten Lichtspot 23 und auf der Absolutspur 16 einen zweiten Lichtspot 24 aus. Die Absolutspur 16 und die Inkrementalspur 17 bestehen aus computergenerierten Hologrammen, die nicht näher dargestellt sind eine Beugung des Messlichts verursachen. In 1 ist jeweils nur eines der Beugungsmaxima des Messlichts erster Ordnung dargestellt, wobei das dargestellte Beugungsmaximum das Messlicht 22 ergibt.
-
Um einen kostengünstigen Aufbau mit engen optischen Toleranzen zu gewährleisten, ist der Messwertgeber 18 im Inneren des Gehäuses 19 folgendermaßen aufgebaut. In dem Gehäuse 19 ist ein Schaltungsträger 25 in Form einer Leiterplatte in nicht näher dargestellter Weise befestigt. Dieser Schaltungsträger 25 dient zur Befestigung und elektrischen Verbindung eines optischen Senders 26 in Form einer Laserdiode, eines Absolut-Detektors 27 für das Absolut-Messsignal 22a und eines Inkremental-Detektors 28 für das Inkremental-Messsignal 22i. Der optische Sender 26 ist auf eine Unterseite 29 des Schaltungsträgers 25 montiert. In dem Schaltungsträger ist eine Öffnung 30 vorgesehen, damit der Sender 26 das Messlicht 21 nach oben abstrahlen kann. Der Absolut-Detektor 27 und der Inkremental-Detektor 28 sind jeweils auf einer Oberseite 31 des Schaltungsträgers angeordnet. Die Oberseite 31 des Schaltungsträgers 25 dient außerdem zur Befestigung der zur Erzeugung des Strahlengangs erforderlichen Optiken, wie im Folgenden noch näher erläutert wird.
-
Für die Optiken sind in 1 zwei Varianten jeweils links und rechts einer Bruchlinie 33 dargestellt. Da der Strahlengang des Messlichts 21 und des Inkremental-Messsignals 22i bzw. Absolut-Messsignals 22a symmetrisch aufgebaut ist, lassen sich beide Varianten in einer Figur darstellen, wobei der Betrachter sich die jeweilige Variante spiegelverkehrt auf der anderen Seite der Bruchlinie vorstellen kann. Gemäß der Variante rechts der Bruchlinie 33 ist ein optischer Baustein 32 mit einem Strahlteiler 34 oberhalb der Öffnung 30 auf der Oberseite 31 des Schaltungsträgers 25 montiert. Dieser weist zu diesem Zweck eine Stütze 35 (und gegenüberliegend eine entsprechende Stütze) auf, die einstückig mit dem Baustein 32 hergestellt ist und auf der Oberseite 31 des Schaltungsträgers 25 steht. Außerdem ist ein weiterer Baustein 36 vorgesehen, der weitere Optiken enthält und ebenfalls Stützen 35b aufweist. Bei der Variante links von der Bruchlinie 33 wird nur ein Baustein 32 vorgesehen, der gemeinsame Stützen 35c aufweist. Die beiden Bausteine sind bei dieser Variante über einen Verbindungssteg 37 miteinander verbunden, so dass hierdurch auch Montagetoleranzen zwischen den beiden Teilbereichen des optischen Bausteins ausgeschlossen werden, wie sie gemäß der Variante rechts der Bruchlinie durch zwei getrennte optische Bausteine 32, 36 entstehen können.
-
Die durch den optischen Baustein 32 oder die optischen Bausteine 32, 36 ausgebildeten Optiken bestimmen den Strahlengang in dem Messwertgeber in folgender Weise. Von dem Sender 26 geht das Messlicht 21 aus, wobei eine Apertur des Strahlenbündels durch eine Sammellinse 38 in eine parallele Strahlung im Inneren des Bausteins 32 umgeformt wird. Durch den Strahlteiler 34 wird das Messlicht 21 gebeugt, wobei die jeweils ersten Beugungsmaxima als Messlicht 21a für die Ausbildung des Messspots 24 für die Absolutspur 16 und als Messlicht 21i zur Ausbildung des Messspots 23 auf der Inkrementalspur 17 genutzt werden. Um Bauraum zu sparen, wird das Messlicht 21a, 21i mittels einer ersten Strahlumlenkungseinheit 39 in Form eines Prismas so umgelenkt, dass das Messlicht 21i parallel zum Messlicht 21a verläuft. Durch diese Maßnahme kann erreicht werden, dass die Messspots 23, 24 dicht beieinanderliegen.
-
An der Inkrementalspur 17 und der Absolutspur 16 wird das Messlicht 21i, 21a gebeugt, wobei jeweils eines der beiden ersten Beugungsmaxima als Messsignal 22a, 22i genutzt wird. Die Messsignale 22a, 22i werden mittels einer aus zwei Prismen (je eine für jedes Messsignal) bestehenden zweiten Strahlumlenkungseinheit 40 derart umgelenkt, dass die beiden Strahlengänge wieder parallel verlaufen. Weiterhin wird der Strahlengang der Messsignale 22i, 22a durch eine aus zwei Linsen (je eine für jedes Messsignal) bestehenden Sammeloptik 41 geleitet. Hierdurch gelingt eine Fokussierung des Messsignals, wobei der Absolut-Detektor 27 und der Inkremental-Detektor 28 jeweils genau im Fokus des betreffenden Messsignals 22a, 22i angeordnet sind.
-
Da bei der Beugung des Messlichts 21a, 21i auch Intensitätsmaxima entstehen, die zur Messung nicht genutzt werden und diese als Störlicht das Messergebnis verfälschen können, sind in dem optischen Aufbau gemäß 1 verschiedene Blenden vorgesehen, die diesen Effekt verringern. Zunächst gibt es nach der Beugung des Messlichts 21 zur Erzeugung zweier Strahlengänge des Messlichts 21i, 21a eine Aperturblende 42b, 42c, mit der Beugungsmaxima höherer Ordnung absorbiert werden kann. Diese Aperturblende 42b kann, wie rechts der Bruchlinie dargestellt, die Form eines Zylindermantels aufweisen, dessen Wand in Strahlausbreitungsrichtung ausgerichtet ist. Eine andere Möglichkeit liegt in der Ausbildung der Aperturblende 42c als scheibenförmige Blende, die sich senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung erstreckt (mit Strahlausbreitungsrichtung ist hier die Richtung des Messlichts 21 vor seiner Beugung gemeint).
-
Eine weitere Blende 43 kann zwischen dem Messlicht 21i und dem Messlicht 21a angeordnet werden. Hierdurch wird verhindert, dass sich die Messsignale untereinander beeinflussen. Insbesondere wird jeweils das Beugungsmaximum erster Ordnung (nicht dargestellt), welches nicht als Messsignal 22i, 22a genutzt wird, durch die Blende 43 absorbiert. Auch das Fenster 20 kann durch eine geeignete Dimensionierung eine Blendenfunktion übernehmen, wobei Beugungsmaxima höherer Ordnung (nicht dargestellt) in diesem Fall gar nicht das Innere des Gehäuses 19 erreichen können.
-
Der Messwertgeber 18 gemäß 2 kann analog zu demjenigen gemäß 1 aufgebaut sein. Gemäß 2 kommt eine Maschine 11 zum Einsatz, die ein Gehäuse 44 mit einer Linearführung 45 aufweist. Auf der Linearführung ist eine sich entlang der Führungsrichtung linear erstreckende Maßverkörperung 46 vorgesehen, die analog zur Darstellung gemäß 1 eine nicht näher dargestellte Absolutspur und Inkrementalspur aufweist. Wird die Linearführung 45 nun in Richtung des angedeuteten Doppelpfeils 47 bewegt, kann dies durch den Messwertgeber 18 detektiert werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- EP 2650655 A1 [0002, 0004]
