DE102020134604A1 - Device and method for position determination - Google Patents

Device and method for position determination Download PDF

Info

Publication number
DE102020134604A1
DE102020134604A1 DE102020134604.2A DE102020134604A DE102020134604A1 DE 102020134604 A1 DE102020134604 A1 DE 102020134604A1 DE 102020134604 A DE102020134604 A DE 102020134604A DE 102020134604 A1 DE102020134604 A1 DE 102020134604A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
signal
detector
detector units
reference mark
detection signals
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE102020134604.2A
Other languages
German (de)
Other versions
DE102020134604B4 (en
Inventor
Cristian Tulea
Bernd Kramer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SMARACT GmbH
Original Assignee
SMARACT GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SMARACT GmbH filed Critical SMARACT GmbH
Priority to DE102020134604.2A priority Critical patent/DE102020134604B4/en
Publication of DE102020134604A1 publication Critical patent/DE102020134604A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102020134604B4 publication Critical patent/DE102020134604B4/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/347Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using displacement encoding scales
    • G01D5/34707Scales; Discs, e.g. fixation, fabrication, compensation
    • G01D5/34715Scale reading or illumination devices
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/347Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using displacement encoding scales
    • G01D5/34776Absolute encoders with analogue or digital scales
    • G01D5/34792Absolute encoders with analogue or digital scales with only digital scales or both digital and incremental scales

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optical Transform (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Positionsbestimmung per Erfassung wenigstens einer Referenzmarke einer Maßverkörperung. Um eine Lösung vorzustellen, die eine Empfindlichkeit der Erfassung gegenüber Signalstörungen verringert, wird vorgeschlagen, die Positionsbestimmung basierend auf einem Detektorsignal und einem Fenstersignal durchzuführen, die auf mindestens drei Erfassungssignalen basieren, wobei auf Basis zweier der Erfassungssignale das Detektorsignal und auf Basis eines weiteren der Erfassungssignale das Fenstersignal bestimmt wird. Dadurch kann das Fenstersignal unabhängig von dem Detektorsignal bestimmt werden, was zu einer besseren Auflösung der Positionsbestimmung führt.The present invention relates to a device and a method for position determination by detecting at least one reference mark of a material measure. In order to present a solution that reduces the sensitivity of the detection to signal interference, it is proposed to carry out the position determination based on a detector signal and a window signal, which are based on at least three detection signals, with the detector signal being based on two of the detection signals and the detection signals based on another one the window signal is determined. As a result, the window signal can be determined independently of the detector signal, which leads to better resolution of the position determination.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Positionsmesseinrichtungen zur Detektion einer Referenzmarke und insbesondere aber nicht ausschließlich eine Vorrichtung zur optischen Positionsbestimmung zur Erfassung einer Relativbewegung oder Rotation einer Skala zu einem Messkopf.The present invention relates to the field of position measuring devices for detecting a reference mark and in particular but not exclusively to a device for optical position determination for detecting a movement or rotation of a scale relative to a measuring head.

Eine Positionsmesseinrichtung umfasst einen Messkopf und eine hierzu in einer Messrichtung beweglichen Maßverkörperung. Die Maßverkörperung weist eine periodische Skala, insbesondere ein sich in Messrichtung erstreckendes optisches Gitter, und mindestens eine Referenzmarke auf. Der Messkopf erfasst eine inkrementelle Relativbewegung der Skala in Messrichtung zur Erzeugung zumeist sinusförmiger periodischer Signale. Zusätzlich wird mindestens eine Referenzmarke detektiert und mindestens ein Referenzpuls erzeugt, wodurch die absolute Position in Messrichtung zum Messkopf bestimmt werden kann. Hierzu weist der Messkopf eine Detektoranordnung zur Erfassung der Skala und eine Detektoranordnung zur Erfassung der Referenzmarke auf.A position-measuring device includes a measuring head and a measuring standard that can be moved in a measuring direction for this purpose. The material measure has a periodic scale, in particular an optical grating extending in the measuring direction, and at least one reference mark. The measuring head detects an incremental relative movement of the scale in the measuring direction to generate mostly sinusoidal periodic signals. In addition, at least one reference mark is detected and at least one reference pulse is generated, as a result of which the absolute position in the measuring direction relative to the measuring head can be determined. For this purpose, the measuring head has a detector arrangement for detecting the scale and a detector arrangement for detecting the reference mark.

Gattungsgemäße Vorrichtungen, wie sie beispielsweise aus den Veröffentlichungen US 2016/0231144 A1 oder DE 10 2018 108 347 A1 bekannt sind, sind in vielen Fällen optische Encoder. Ein solcher optischer Encoder umfasst eine Lichtquelle zur Beaufschlagung der Maßverkörperung mit Licht, welches von der Maßverkörperung zu den besagten Detektoren reflektiert wird oder welches in Transmission durch die Maßverkörperung zu den Detektoren gelangt. Es gibt jedoch auch gattungsgemäße Encoder zur Erfassung von Relativbewegungen, die auf anderen Prinzipien beruhen, beispielsweise induktiv magnetische Encoder, wie beispielsweise in der Publikation DE 43 06 634 A1 genannt. Auch auf diesem Gebiet kann das erfindungsgemäße Verfahren angewandt werden.Generic devices, such as those from the publications U.S. 2016/0231144 A1 or DE 10 2018 108 347 A1 are known are in many cases optical encoders. Such an optical encoder comprises a light source for applying light to the scale, which is reflected from the scale to said detectors or which reaches the detectors in transmission through the scale. However, there are also generic encoders for detecting relative movements that are based on other principles, for example inductive magnetic encoders, as for example in the publication DE 43 06 634 A1 called. The method according to the invention can also be used in this field.

Zur Erfassung einer Referenzposition wird beispielsweise in der Schrift EP 0 361 457 B1 vorgeschlagen, zwei Detektoren einzusetzen, die zwei versetzte Signale erzeugen. Am Kreuzungspunkt der beiden Signale wird ein Signal erzeugt, welches die Referenzposition indiziert. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass bei Schwankungen der Signalhöhe der Kreuzungspunkt variieren kann und damit nicht hinreichend genau bestimmt werden kann. Außerdem gibt die Schrift keinen Hinweis, wie das Referenzsignal in exaktem Bezug zu einem periodischen inkrementellen Signal gesetzt werden kann.To detect a reference position, for example, in writing EP 0 361 457 B1 proposed to use two detectors that generate two offset signals. A signal is generated at the crossing point of the two signals, which indicates the reference position. However, this method has the disadvantage that the crossing point can vary with fluctuations in the signal level and therefore cannot be determined with sufficient accuracy. In addition, the document gives no indication of how the reference signal can be exactly related to a periodic incremental signal.

Eine andere in US 6,175,109 B1 vorgeschlagene Vorrichtung für die Erfassung rotatorischer Bewegung umfasst drei transversal zur Messrichtung angeordnete Detektoren, die drei verschiedene Messspuren detektieren, die in Messrichtung unterschiedlich kodierte Referenzmarken aufweisen. Die Detektoren geben jeweils rechteckförmige High- oder Low-Signale aus. Diese Vorrichtung eignet sich jedoch nicht für die hochaufgelöste Positionsbestimmung im Nanometerbereich.another in US 6,175,109 B1 The proposed device for detecting rotational movement includes three detectors arranged transversally to the measuring direction, which detect three different measuring tracks that have reference marks that are coded differently in the measuring direction. The detectors each emit square-wave high or low signals. However, this device is not suitable for high-resolution position determination in the nanometer range.

Hochaufgelöste Positionsmesseinrichtungen mit einer hochaufgelösten Referenzmarke sind beispielsweise aus den Patenten EP 2 525 195 B1 und US 2003/0047674 A1 bekannt. Die Referenzmarke weist dabei eine sogenannte gechirpte Gitterstruktur auf, die ein moduliertes Interferenzsignal erzeugt, welches von der Detektoranordnung bestehend aus drei oder vier in Messrichtung angeordneten Referenzdetektoren erfasst wird. Durch geeignete Verschaltung, z. B. Verstärkung und Summenbildung der einzelnen Detektorsignale, wird ein hochaufgelöster Referenzpuls erzeugt.High-resolution position measuring devices with a high-resolution reference mark are, for example, from the patents EP 2 525 195 B1 and US 2003/0047674 A1 known. In this case, the reference mark has a so-called chirped grating structure, which generates a modulated interference signal which is detected by the detector arrangement consisting of three or four reference detectors arranged in the measuring direction. Through suitable interconnection, e.g. B. Amplification and summation of the individual detector signals, a high-resolution reference pulse is generated.

Derartige oder vergleichbare Vorrichtungen haben jedoch mehrere Nachteile: Die gechirpte Gitterstruktur ist als diffraktives optisches Element (DOE) ausgelegt und muss mit derselben Präzision gefertigt werden wie das inkrementelle Gitter und dabei eine exakte Lagebeziehung mit engen Fertigungstoleranzen zu diesem aufweisen. Solche Strukturen sind aufwändig und teuer herzustellen. Die Phasenbeziehung des Referenzpulses zum periodischen Signal ist durch seine physische Position in Messrichtung und die Lage der Detektoren bestimmt und lässt sich somit nicht einstellen. Dennoch kann die Lage des Referenzpulses durch das interferometrisch erzeugte Muster sehr anfällig sein gegenüber Schwankungen in der Ausrichtung des Detektors zur Skala und kann sich insbesondere bei Verdrehung des Detektors im Betrieb ändern. Andererseits ist eine gezielte Verstellung der Position und Breite des Referenzpulses nur eingeschränkt möglich. Ferner wird erst durch mehrere elektronische Summenbildungen die gewünschte Form des Signalpulses erzeugt.However, such or comparable devices have several disadvantages: The chirped grating structure is designed as a diffractive optical element (DOE) and must be manufactured with the same precision as the incremental grating and have an exact positional relationship with narrow manufacturing tolerances to this. Such structures are complex and expensive to produce. The phase relationship of the reference pulse to the periodic signal is determined by its physical position in the direction of measurement and the location of the detectors and is therefore not adjustable. Nevertheless, the position of the reference pulse due to the interferometrically generated pattern can be very susceptible to fluctuations in the alignment of the detector to the scale and can change during operation, in particular when the detector is rotated. On the other hand, a targeted adjustment of the position and width of the reference pulse is only possible to a limited extent. Furthermore, the desired shape of the signal pulse is only generated by several electronic summations.

Weiterhin sind Vorrichtungen und Verfahren bekannt, bei denen Referenzmarken als einfache Markierungen ohne besondere Struktur auf der Maßverkörperung angebracht sind. Die Ausdehnung der Referenzmarke in Messrichtung erstreckt sich über mehrere Perioden der inkrementellen Skala. Vergleichbare Vorrichtungen, wie sie beispielsweise in EP 1 050 742 A2 oder in US 2016/0231144 A1 beschrieben sind, umfassen zwei in Messrichtung versetzte Detektoren oder zwei Detektorgruppen zur Detektion der Referenzmarke. Die Detektoren oder Detektorgruppen erzeugen jeweils zwei in Messrichtung versetzte sich überlappende analoge Detektorsignale, deren Breite sehr viel größer ist als eine Periode des periodischen Signals. Aus diesen beiden Signalen wird ein Differenzsignal mit einer typischen Signalform mit einer steilen und geraden Flanke erzeugt (beispielsweise gezeigt in 5B der EP 1 050 742 A2 ). Je nach Verfahren wird nun beispielsweise der Nulldurchgang bestimmt und in Phasenbeziehung zum inkrementellen Signal gesetzt oder mittels zweier fester oder einstellbarer Schwellwerte das Passieren dieser Schwellen ausgewertet und daraus ein logisches High-Low-Signal erzeugt, welches mehrere Flanken und Rechteckpulse unterschiedlicher Breite aufweist. Da das Differenzsignal mit seiner typischen Signalform mehrere Nulldurchgänge aufweist oder die Schwellwerte mehrmalig passiert, ist ein weiteres Fenstersignal nötig, um aus dem High-Low-Signal einen definierten Puls zu selektieren, dessen Breite kleiner ist als eine Periode des inkrementellen Signals. Dazu wird ferner die Summe aus beiden Detektorsignalen gebildet und wiederum mit einem weiteren Schwellwert verglichen, wodurch ein Fenstersignal erzeugt wird, mit dem sich aus dem High-Low-Signal ein definierter Referenzpuls erzeugen lässt.Furthermore, devices and methods are known in which reference marks are attached to the material measure as simple markings without any special structure. The expansion of the reference mark in the measuring direction extends over several periods of the incremental scale. Comparable devices, such as those in EP 1 050 742 A2 or in U.S. 2016/0231144 A1 are described include two detectors offset in the measuring direction or two detector groups for detecting the reference mark. The detectors or detector groups each generate two overlapping analog detector signals offset in the measurement direction, the width of which is much greater than one period of the periodic signal. From these two signals, a difference signal with a typical waveform with a steep and straight edge (e.g. shown in 5B the EP 1 050 742 A2 ). Depending on the process, for example, the zero crossing is now determined and set in phase relation to the incremental signal, or the passing of these thresholds is evaluated using two fixed or adjustable threshold values and a logical high-low signal is generated from this, which has several edges and square-wave pulses of different widths. Since the difference signal with its typical signal form has several zero crossings or passes the threshold values several times, another window signal is required to select a defined pulse from the high-low signal, the width of which is smaller than one period of the incremental signal. For this purpose, the sum of the two detector signals is also formed and again compared with a further threshold value, as a result of which a window signal is generated with which a defined reference pulse can be generated from the high-low signal.

Die Nachteile derartiger und ähnlicher Verfahren und Vorrichtungen sind folgende: Zum einen ist zusätzlich zur Differenzbildung eine Summenbildung nötig, die mittels elektronischer Bauelemente in einer Auswerteeinheit umgesetzt werden muss und verlustbehaftet ist. Weiterhin führen sowohl das Summensignal als auch das Differenzsignal auf dieselben zwei Detektorsignale zurück. Eine Störung im Differenzsignal, beispielsweise eine Änderung des Umgebungslichts, führt automatisch auch zu einer Störung des Summensignals, wodurch sich diese Störung zweifach auswirkt. Schließlich ist die Form und Breite des Summensignals bestimmt durch die physikalische Anordnung und Abmessungen der Detektoren bzw. Detektorgruppen, die auch das Differenzsignal erzeugen. Die Lage und Breite des Fenstersignals kann somit außer durch die Schwellwerthöhe für das Summensignal nicht unabhängig vom und gezielt auf das Differenzsignal abgestimmt werden. Beispielsweise ist es gewünscht, das Fenstersignal möglichst schmal zu machen. Ein entsprechendes Design hätte aber auch schmale Detektorsignale zur Folge, die nicht mehr hinreichend überlappen, um die notwendige typische Form des Differenzsignals zu erzeugen, welches in solch einem Fall einen Sattelpunkt anstelle einer steilen Flanke hätte.The disadvantages of such and similar methods and devices are as follows: On the one hand, in addition to calculating the difference, a summation is necessary, which has to be implemented using electronic components in an evaluation unit and is lossy. Furthermore, both the sum signal and the difference signal lead back to the same two detector signals. A disturbance in the difference signal, for example a change in the ambient light, automatically also leads to a disturbance in the sum signal, as a result of which this disturbance has a double effect. Finally, the shape and width of the sum signal is determined by the physical arrangement and dimensions of the detectors or detector groups, which also generate the differential signal. The position and width of the window signal can therefore not be tuned independently of and in a targeted manner to the difference signal, except by the threshold value for the sum signal. For example, it is desirable to make the window signal as narrow as possible. However, a corresponding design would also result in narrow detector signals that no longer overlap sufficiently to generate the necessary typical shape of the difference signal, which in such a case would have a saddle point instead of a steep edge.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Positionsmesseinrichtung zur Erfassung mindestens einer Referenzposition und ein Verfahren zur Erzeugung mindestens eines Referenzsignals anzugeben, bei denen die Probleme bzw. Einschränkungen der herkömmlichen Ansätze nicht bzw. zumindest in vermindertem Maße auftreten.The present invention is based on the object of specifying a position measuring device for detecting at least one reference position and a method for generating at least one reference signal in which the problems or limitations of the conventional approaches do not occur or at least occur to a lesser extent.

Erfindungsgemäß wird nach einem ersten Aspekt eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung per Erfassung wenigstens einer Referenzmarke einer Maßverkörperung vorgeschlagen, wie sie in Anspruch 1 definiert ist, nämlich mit wenigstens einer Signalquelle, die zum Aussenden eines Abtastungssignals ausgestaltet ist, wenigstens drei Detektoreinheiten, die entlang einer Messrichtung relativ zueinander versetzt und relativ zur Signalquelle an einer jeweiligen vorbestimmten Position angeordnet sind, wobei die Detektoreinheiten jeweils ausgestaltet sind, auf Basis eines von der Referenzmarke in Antwort auf das Abtastungssignal ausgehenden Antwortsignals ein Erfassungssignal auszugeben, wobei die Erfassungssignale voneinander unabhängig sind, und einer Signalverarbeitungseinheit, die ausgestaltet ist, auf Basis zweier der drei Erfassungssignale ein Detektorsignal zu bestimmen und auf Basis des weiteren der drei Erfassungssignale ein Fenstersignal zu bestimmen oder das weitere der drei Erfassungssignale als Fenstersignal zu nutzen, wobei die Signalverarbeitungseinheit ferner dazu ausgestaltet ist, die Position der Referenzmarke auf Basis des Detektorsignals und des Fenstersignals zu bestimmen.According to the invention, according to a first aspect, a device for position determination by detecting at least one reference mark of a material measure is proposed, as defined in claim 1, namely with at least one signal source, which is designed to emit a scanning signal, at least three detector units, which are relatively offset from one another and arranged at a respective predetermined position relative to the signal source, the detector units each being configured to output a detection signal on the basis of a response signal emanating from the reference mark in response to the scanning signal, the detection signals being independent of one another, and a signal processing unit which is designed to determine a detector signal on the basis of two of the three detection signals and to determine a window signal on the basis of the other of the three detection signals or the other of the three detection signals le to use as a window signal, wherein the signal processing unit is further configured to determine the position of the reference mark based on the detector signal and the window signal.

Erfindungsgemäß wird nach einem zweiten Aspekt ein Verfahren zur Positionsbestimmung per Erfassung wenigstens einer Referenzmarke einer Maßverkörperung vorgeschlagen, wie es in Anspruch 16 definiert ist, nämlich mit den Schritten des Aussendens eines Abtastungssignals durch eine Signalquelle einer Vorrichtung zur Positionsbestimmung, des Wechselwirkens des Abtastungssignals mit der Referenzmarke, so dass ein Antwortsignal vorliegt, des Detektierens des Antwortsignals durch wenigstens drei Detektoreinheiten, die entlang einer Messrichtung relativ zueinander versetzt und relativ zur Signalquelle an einer jeweiligen vorbestimmten Position angeordnet sind, um ein jeweiliges Erfassungssignal an eine Signalverarbeitungseinheit auszugeben, des Bestimmens, durch die Signalverarbeitungseinheit, eines Detektorsignals auf Basis zweier der drei Erfassungssignale und eines Fenstersignals auf Basis des weiteren der drei Erfassungssignale bzw. Nutzung des weiteren der drei Erfassungssignale als das Fenstersignal, und des Bestimmens der Position der Referenzmarke auf Basis des Detektorsignals und des Fenstersignals.According to the invention, according to a second aspect, a method for determining a position by detecting at least one reference mark of a material measure is proposed, as defined in claim 16, namely with the steps of emitting a scanning signal through a signal source of a device for determining the position, the interaction of the scanning signal with the reference mark so that a response signal is present, the detection of the response signal by at least three detector units, which are offset relative to one another along a measurement direction and are arranged at a respective predetermined position relative to the signal source, in order to output a respective detection signal to a signal processing unit, the determination by the signal processing unit , a detector signal based on two of the three detection signals and a window signal based on the other of the three detection signals or using the other of the three detection signals as the F window signal, and determining the position of the reference mark on the basis of the detector signal and the window signal.

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass zur Erzeugung eines Fenstersignals ein dritter Detektor verwendet wird, der ein drittes Detektorsignal erzeugt, so dass kein Summensignal erzeugt werden muss, wobei dieses dritte Detektorsignal infolge des separaten Detektors unabhängig von den Signalen der anderen Detektoren ist.One aspect of the present invention is that a third detector is used to generate a window signal, which generates a third detector signal so that no sum signal has to be generated, this third detector signal being independent of the signals from the other detectors as a result of the separate detector.

Ein Teil des Hintergrunds der vorliegenden Erfindung findet sich in den folgenden Überlegungen.Part of the background to the present invention is found in the following considerations.

Wenn die Vorrichtung wenigstens drei Detektoreinheiten aufweist, die jeweils ausgestaltet sind, auf Basis eines von der Referenzmarke in Antwort auf das Abtastungssignal ausgehenden Antwortsignals ein Erfassungssignal auszugeben, wobei die Erfassungssignale voneinander unabhängig sind, und eine Signalverarbeitungseinheit, die ausgestaltet ist, auf Basis zweier der drei Erfassungssignale ein Detektorsignal zu bestimmen und ab Basis des weiteren der drei Erfassungssignale ein Fenstersignal zu bestimmen oder das weitere der drei Erfassungssignale als Fenstersignal zu nutzen, sowie die Position der Referenzmarke auf Basis des Detektorsignals und des Fenstersignals zu bestimmen, kann das Fenstersignal unabhängig von dem Detektorsignal bestimmt werden. Dadurch ist das verwendete Fenstersignal nicht an das Differenzsignal gekoppelt, wodurch der Fehler zur Bestimmung des Fenstersignals verringert werden kann. Durch die Entkopplung des Fenstersignals vom Differenzsignal wird insbesondere eine unabhängige Einstellbarkeit und damit ein vergrößerter Einstellbereich sowie eine verringerte Empfindlichkeit gegenüber Signalstörungen beispielsweise durch Schwankungen des Umgebungslichts erzielt und die Nachteile des Standes der Technik überwunden. Dies führt zu einer Verbesserung der Auflösung der Positionsbestimmung.If the device has at least three detector units, each configured to output a detection signal based on a response signal emanating from the reference mark in response to the scanning signal, the detection signals being independent of one another, and a signal processing unit configured based on two of the three Detection signals to determine a detector signal and to determine a window signal based on the other of the three detection signals or to use the other of the three detection signals as a window signal, as well as to determine the position of the reference mark on the basis of the detector signal and the window signal, the window signal can be independent of the detector signal to be determined. As a result, the window signal used is not coupled to the difference signal, which means that the error in determining the window signal can be reduced. By decoupling the window signal from the differential signal, independent adjustability and thus an enlarged adjustment range as well as reduced sensitivity to signal interference, for example due to fluctuations in the ambient light, is achieved and the disadvantages of the prior art are overcome. This leads to an improvement in the resolution of the position determination.

Die vorliegende Erfindung kann es möglich machen, die Lage mindestens einer Referenzposition in Bezug zur hochaufgelösten inkrementellen Skala möglichst exakt zu bestimmen. Das bedeutet, dass das Referenzsignal sich nicht über mehr als eine Periode des inkrementellen Signals erstreckt. Dadurch wird ein Bezugspunkt für die hochaufgelöste inkrementelle Positionsmessung geschaffen und somit die Bestimmung einer absoluten Position ermöglicht. Hierzu müssen die Signale der Detektoren zur Erfassung der Referenzmarke einer exakten Periode der Signale der Detektoren zur Erfassung der inkrementellen periodischen Skala zugeordnet werden.The present invention can make it possible to determine the position of at least one reference position in relation to the high-resolution incremental scale as precisely as possible. This means that the reference signal does not extend over more than one period of the incremental signal. This creates a reference point for the high-resolution incremental position measurement and thus enables an absolute position to be determined. For this purpose, the signals from the detectors for detecting the reference mark must be assigned to an exact period of the signals from the detectors for detecting the incremental periodic scale.

Grundsätzlich ist aufgrund des Messprinzips die Erfassung der inkrementellen Relativbewegung der periodischen Skala mit einer sehr viel kleineren Auflösung möglich als die Erfassung einer Referenzmarkierung.In principle, due to the measuring principle, the incremental relative movement of the periodic scale can be recorded with a much lower resolution than the recording of a reference marking.

Es ist daher vorteilhaft, eine Lösung vorzustellen, durch die das Referenzsignal einer einzigen Periode des inkrementellen periodischen Signals zugeordnet werden kann, so dass die Absolutposition der Referenzmarke mit derselben Auflösung bestimmt werden kann wie die Relativposition.It is therefore advantageous to present a solution by which the reference signal can be associated with a single period of the incremental periodic signal, so that the absolute position of the reference mark can be determined with the same resolution as the relative position.

Es ist bevorzugt, dass die Vorrichtung eine Signalquelle aufweist, die ein Abtastungssignal aussendet, wobei die wenigstens drei Detektoreinheiten so ausgestaltet sind, dass sie auf Basis des einen Abtastungssignal jeweils ein Antwortsignal erfassen. Alternativ kann die Vorrichtung auch mehr als eine, z.B. zwei oder drei Signalquellen, aufweisen, die mehr als ein, z.B. zwei oder drei, Abtastungssignale aussenden, wobei die wenigstens drei Detektoreinheiten so ausgestaltet sind, dass sie auf Basis der Abtastungssignale jeweils ein Antwortsignal erfassen und jeweils ein Erfassungssignal ausgeben, die unabhängig voneinander sind. Dabei ist es denkbar, dass z.B. im Fall von drei Signalquellen, jeweils ein Abtastungssignal einer Signalquelle jeweils als ein Antwortsignal von einer der mindestens drei Detektoreinheiten erfasst wird oder aber, dass eine Kombination von mehreren Abtastungssignalen der mehreren Signalquellen jeweils als ein Antwortsignal von den mindestens drei Detektoreinheiten erfasst wird, wobei die ausgegebenen Erfassungssignale der mindestens drei Detektoreinheiten unabhängig sind.It is preferred that the device has a signal source that emits a scanning signal, the at least three detector units being designed in such a way that they each detect a response signal on the basis of the one scanning signal. Alternatively, the device can also have more than one, e.g. two or three, signal sources that emit more than one, e.g. two or three, scanning signals, the at least three detector units being designed in such a way that they each detect a response signal on the basis of the scanning signals and each output a detection signal, which are independent of each other. It is conceivable that, e.g. in the case of three signal sources, a scanning signal from a signal source is detected as a response signal from one of the at least three detector units, or that a combination of multiple scanning signals from the multiple signal sources is detected as a response signal from the at least three Detector units is detected, the output detection signals of the at least three detector units are independent.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung ist die Signalquelle zum Aussenden eines elektromagnetischen Abtastungssignals, insbesondere eines optischen Abtastungssignals, zum Aussenden eines elektrischen Abtastungssignals und/oder zum Aussenden eines magnetischen Abtastungssignals ausgestaltet und die Detektoreinheiten sind zur Erfassung eines entsprechenden Antwortsignals ausgestaltet. Vorzugsweise weist das Abtastungssignal elektromagnetische Strahlung auf, wobei die Detektoreinheiten ausgestaltet sind, abhängig von einer Intensität der elektromagnetischen Strahlung ein Antwortsignal zu erfassen und ein Erfassungssignal auszugeben. Alternativ kann das Antwortsignal auch von anderen Eigenschaften der elektromagnetischen Strahlung abhängig sein, z.B. der Phase. Vorzugsweise weist das Abtastungssignal elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen im sichtbaren Bereich des Spektrums auf. Zum Beispiel kann das Abtastungssignal weißes Licht umfassen, d.h. elektromagnetische Strahlung mit einer Vielzahl verschiedener Wellenlängen im sichtbaren Bereich des Spektrums oder auch farbiges Licht, d.h. mit Wellenlängen aus einem kleinen Bereich des sichtbaren Spektrums. In diesen Fällen ist das Abtastungssignal ein optisches Abtastungssignal und die Detektoreinheiten sind vorzugsweise Photodioden, die abhängig von der Intensität des Lichts ein elektrisches Signal, z.B. einen elektrischen Strom, als Erfassungssignal ausgeben. Das Abtastungssignal kann auch elektromagnetische Strahlung aus anderen Bereichen des Spektrums aufweisen, wobei die Detektoreinheiten dann so ausgestaltet sind, dass sie abhängig von dem Wellenlängenbereich sensitiv für das Abtastungssignal sind, d.h. z.B. abhängig von der Intensität der Strahlung ein Antwortsignal erfassen und ein Erfassungssignal ausgeben. Zusätzlich oder alternativ zu einem optischen Abtastungssignal kann auch ein elektrisches oder magnetisches Signal als Abtastungssignal verwendet werden, wobei jeweils die Detektoreinheiten ausgestaltet sind, zusätzlich oder alternativ aus dem elektrischen oder magnetischen Signal ein Antwortsignal zu erfassen und ein Erfassungssignal auszugeben.In an advantageous configuration of one aspect of the invention, the signal source is designed to emit an electromagnetic scanning signal, in particular an optical scanning signal, to emit an electrical scanning signal and/or to emit a magnetic scanning signal, and the detector units are designed to detect a corresponding response signal. The scanning signal preferably has electromagnetic radiation, with the detector units being designed to detect a response signal and to output a detection signal as a function of an intensity of the electromagnetic radiation. Alternatively, the response signal can also depend on other properties of the electromagnetic radiation, for example the phase. Preferably, the scanning signal comprises electromagnetic radiation having wavelengths in the visible range of the spectrum. For example, the scanning signal may comprise white light, ie electromagnetic radiation having a variety of different wavelengths in the visible part of the spectrum, or colored light, ie having wavelengths from a small part of the visible spectrum. In these cases, the scanning signal is an optical scanning signal and the detector units are preferably photodiodes which, depending on the intensity of the light, emit an electrical signal, eg an electrical current, as a detection signal. The scanning signal can also have electromagnetic radiation from other areas of the spectrum, with the detector units then being designed in such a way that they are sensitive to the scanning signal depending on the wavelength range, ie for example detecting a response signal depending on the intensity of the radiation and detecting a detection output a signal. In addition or as an alternative to an optical scanning signal, an electrical or magnetic signal can also be used as the scanning signal, with the respective detector units being designed to additionally or alternatively detect a response signal from the electrical or magnetic signal and to output a detection signal.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung sind die Signalquelle und die Detektoreinheiten relativ zueinander für ein Ausgehen des Antwortsignals von der Referenzmarke auf Basis des Abtastungssignals durch Transmission oder Reflektion angeordnet. Wenn ein Antwortsignal als Antwort auf ein von der Signalquelle ausgesendetes Abtastungssignal durch Transmission an der Referenzmarke eine Detektoreinheit erreicht, sind die Signalquelle und die mindestens drei Detektoreinheiten vorzugsweise so ausgestaltet, dass ein Abtastungssignal von der Signalquelle durch Transmission an der Referenzmarke direkt, d.h. in Ausbreitungsrichtung des Abtastungssignals von der Signalquelle zu den mindestens drei Detektoreinheiten gelangt. Wenn ein Antwortsignal als Antwort auf ein von der Signalquelle ausgesendetes Abtastungssignal durch Reflexion an der Referenzmarke eine Detektoreinheit erreicht, sind die Signalquelle und die mindestens drei Detektoreinheiten vorzugsweise so ausgestaltet, dass ein Abtastungssignal von der Signalquelle durch Reflexion an der Referenzmarke entgegen der Ausbreitungsrichtung des Abtastungssignals von der Signalquelle zu den mindestens drei Detektoreinheiten gelangt. In diesem Fall sind vorzugsweise die Signalquelle und die mindestens drei Detektoreinheiten in einer Ebene relativ zueinander angeordnet. Auch eine Kombination von Reflexion und Transmission ist denkbar, indem ein Teil des Abtastungssignals von der Signalquelle durch Transmission direkt zu einer oder mehrerer Detektoreinheiten gelangt und ein Teil des Abtastungssignals durch Reflexion zu einer oder mehrerer Detektoreinheiten gelangt. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Signalquelle und die mindestens drei Detektoreinheiten relativ zueinander für ein Ausgeben des Antwortsignals von der Referenzmarke auf Basis des Abtastungssignals durch Reflexion angeordnet, wobei weiter bevorzugt wird, dass die Signalquelle und die mindestens drei Detektoreinheiten in einer Ebene angeordnet sind. Dies hat den Vorteil, dass alle Einheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf einer Seite relativ zu einer Referenzmarke angeordnet werden können.In another advantageous embodiment of an aspect of the invention, the signal source and the detector units are arranged relative to one another for the response signal to emanate from the reference mark on the basis of the scanning signal by transmission or reflection. If a response signal as a response to a scanning signal emitted by the signal source reaches a detector unit by transmission at the reference mark, the signal source and the at least three detector units are preferably designed in such a way that a scanning signal from the signal source is transmitted directly to the reference mark, i.e. in the direction of propagation of the Scanning signal from the signal source reaches the at least three detector units. If a response signal in response to a scanning signal emitted by the signal source reaches a detector unit through reflection at the reference mark, the signal source and the at least three detector units are preferably designed in such a way that a scanning signal from the signal source is reflected against the direction of propagation of the scanning signal from the reference mark the signal source reaches the at least three detector units. In this case, the signal source and the at least three detector units are preferably arranged in one plane relative to one another. A combination of reflection and transmission is also conceivable, in that part of the scanning signal from the signal source reaches one or more detector units directly by transmission and part of the scanning signal reaches one or more detector units by reflection. In a preferred embodiment, the signal source and the at least three detector units are arranged relative to one another for outputting the response signal from the reference mark on the basis of the scanning signal by reflection, it being further preferred that the signal source and the at least three detector units are arranged in one plane. This has the advantage that all units of the device according to the invention can be arranged on one side relative to a reference mark.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung sind zwei der drei Detektoreinheiten auf einer Linie angeordnet, die sich in der Messrichtung erstreckt, wobei die weitere der drei Detektoreinheiten gegenüber der Linie versetzt angeordnet ist.In a further advantageous embodiment of an aspect of the invention, two of the three detector units are arranged on a line that extends in the measuring direction, with the other of the three detector units being arranged offset with respect to the line.

In einer bevorzugten Variante der obigen Ausgestaltung ist die Signalverarbeitungseinheit dazu ausgestaltet, das Detektorsignal auf Basis der Erfassungssignale der zwei der drei Detektoreinheiten und das Fenstersignal auf Basis des Erfassungssignals der weiteren der drei Detektoreinheiten zu bestimmen bzw. das Erfassungssignal der weiteren der drei Detektoreinheiten als das Fenstersignal zu nutzen. Diese Anordnung der zwei der drei Detektoreinheiten auf einer Linie hat den Vorteil, dass die zwei Detektoreinheiten bei relativer Bewegung der Vorrichtung in Messrichtung zwei identische Erfassungssignale ausgeben können und ein Detektorsignal auf Basis von zwei identischen Erfassungssignalen bestimmt werden kann. Zusätzlich kann dadurch, dass die weitere der drei Detektoreinheiten gegenüber der Linie versetzt angeordnet ist, das Erfassungssignal, auf dessen Basis das Fenstersignal bestimmt wird, unterschiedliche Eigenschaften haben als das Erfassungssignal, auf dessen Basis das Detektorsignal bestimmt wird. Insbesondere können die zwei Detektoreinheiten so angeordnet sein, dass die zwei zugehörigen Erfassungssignale dafür ausgelegt sind, dass auf deren Basis ein Detektorsignal bestimmt wird und dass weiter die weitere Detektoreinheit so angeordnet ist, dass das zugehörige Erfassungssignal dafür ausgelegt ist, dass auf dessen Basis ein Fenstersignal bestimmt wird. Durch die Verwendung der weiteren Detektoreinheit kann somit über die Anordnung der Detektoreinheiten das jeweilige Erfassungssignal optimiert werden, so dass es entweder zur Bestimmung des Detektorsignals oder zur Bestimmung des Fenstersignals angepasst ist.In a preferred variant of the above embodiment, the signal processing unit is designed to determine the detector signal on the basis of the detection signals of the two of the three detector units and the window signal on the basis of the detection signal of the other three detector units or the detection signal of the other three detector units as the window signal to use. This arrangement of the two of the three detector units on a line has the advantage that the two detector units can output two identical detection signals when the device moves relative in the measuring direction and a detector signal can be determined on the basis of two identical detection signals. In addition, because the other of the three detector units is offset from the line, the detection signal on the basis of which the window signal is determined can have different properties than the detection signal on the basis of which the detector signal is determined. In particular, the two detector units can be arranged in such a way that the two associated detection signals are designed so that a detector signal is determined on the basis thereof, and that the further detector unit is arranged such that the associated detection signal is designed to generate a window signal on its basis is determined. By using the further detector unit, the respective detection signal can thus be optimized via the arrangement of the detector units, so that it is adapted either for determining the detector signal or for determining the window signal.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung sind zwei der drei Detektoreinheiten baugleich ausgestaltet und unterscheiden sich von der weiteren der drei Detektoreinheiten, insbesondere hinsichtlich ihrer Abmessungen. Auch hier ist bevorzugt, das Detektorsignal auf Basis der Erfassungssignale der zwei der drei Detektoreinheiten und das Fenstersignal auf Basis des Erfassungssignals der weiteren der drei Detektoreinheiten zu bestimmen bzw. das Erfassungssignal der weiteren der drei Detektoreinheiten als das Fenstersignal zu nutzen. Auch dieser Aspekt ermöglicht die bessere Anpassung der jeweiligen Erfassungssignale, zum Beispiel abhängig davon, ob sie zur Bestimmung des Detektorsignals oder zur Bestimmung des Fenstersignals verwendet werden. Zum Beispiel können die zwei Detektoreinheiten dieselbe Sensitivität für das Abtastungssignal bzw. das Antwortsignal aufweisen, die sich jedoch von der Sensitivität der weiteren Detektoreinheit unterscheidet. Es kann auch vorteilhaft sein, dass das Erfassungssignal der zwei Detektoreinheiten größer ist als der weiteren Detektoreinheit. Im Fall einer optischen Detektion kann dies realisiert werden, indem die Fläche der zwei Detektoreinheiten größer ist als die der weiteren Detektoreinheit. Auch die Form der Fläche der Detektoreinheiten kann unterschiedlich sein, wobei weiterhin bevorzugt ist, dass die Fläche der zwei Detektoreinheiten formgleich ist. Beispielsweise ist es gewünscht, das Fenstersignal möglichst schmal zu machen, was in dieser Ausführungsform durch eine entsprechende Abmessung der weiteren Detektoreinheit realisiert werden kann ohne das Detektorsignal zu verschmälern. Es ist aber auch denkbar, dass die zwei Detektoreinheiten, auf dessen Basis das Detektorsignal bestimmt wird, oder auch die mindestens drei Detektoreinheiten, sich in Anordnung und Abmessung unterscheiden.In another advantageous embodiment of an aspect of the invention, two of the three detector units are of identical design and differ from the other of the three detector units, in particular with regard to their dimensions. It is also preferred here to determine the detector signal on the basis of the detection signals of the two of the three detector units and the window signal on the basis of the detection signal of the other three detector units or to use the detection signal of the other three detector units as the window signal. This aspect also enables the respective detection signals to be better adapted, for example depending on whether they are used to determine the detector signal or to determine the window signal. For example, the two detector units can have the same sensitivity for the scanning signal and the response signal, respectively, which, however, differs from the sensitivity of the further detector unit. It can also be advantageous for the detection signal of the two detector units to be greater than that of the further detector unit. In the case of an optical detection, this can be realized by the area of the two detector units being larger than that of the others detector unit. The shape of the surface of the detector units can also be different, it also being preferred that the surface of the two detector units is of the same shape. For example, it is desirable to make the window signal as narrow as possible, which can be implemented in this embodiment by appropriately dimensioning the additional detector unit without narrowing the detector signal. However, it is also conceivable that the two detector units, on the basis of which the detector signal is determined, or the at least three detector units, differ in arrangement and dimensions.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung ist die Signalverarbeitungseinheit ausgestaltet, ein Differenzsignal der zwei der drei Erfassungssignale mit einem ersten und einem zweiten Schwellwert zu vergleichen, um das Detektorsignal als ein verknüpftes Komparatorsignal zu bestimmen, wobei die Signalverarbeitungseinheit weiter ausgestaltet ist, das weitere der drei Erfassungssignale mit einem dritten Schwellwert zu vergleichen, um das Fenstersignal zu bestimmen. Durch den Vergleich von einem Signal mit einem Schwellwert können jeweils die Werte der Signale, die häufig eine Verteilung, z.B. eine Normalverteilung, von verschiedenen Werten aufweisen, geordnet werden danach, ob sie den jeweiligen Schwellwert unter- oder überschreiten. Zum Beispiel kann dadurch ein Signal, das durch eine Sinusfunktion beschrieben werden kann, in eine Rechteckfunktion mit zwei Pegeln, z.B. 0 und 1, umgerechnet werden. Das Signal kann sozusagen in ein digitales Signal umgewandelt werden. Im Fall der Berechnung einer Differenz von zwei Erfassungssignalen und dem darauffolgenden Vergleich mit zwei Schwellwerten kann auch eine Funktion mit drei Pegeln bestimmt werden. In einem solchen Fall können zwei der Pegel gleichgesetzt werden. Zum Beispiel ist ein Schwellwert T1 kleiner als ein Schwellwert T2. Dann werden alle Werte des Differenzsignals, die kleiner als T1 sind, einem Pegel 0 zugeordnet, alle Werte, die größer als T1 aber kleiner als T2 sind, einem Pegel 1 zugeordnet und alle Werte, die größer als T2 sind, ebenfalls dem Pegel 0 zugeordnet. Dadurch wird auch nach einem Vergleich des Differenzsignals der zwei Erfassungssignale mit einem ersten und einem zweiten Schwellwert ein rechteckförmiges Signal mit zwei Pegeln bestimmt. Dieses kann dann von der Signalverarbeitungseinheit als Detektorsignal, d.h. als verknüpftes Komparatorsignal verwendet werden, und zusammen mit dem Fenstersignal dazu verwendet werden, eine Position einer Referenzmarke zu bestimmen.In another advantageous embodiment of an aspect of the invention, the signal processing unit is designed to compare a difference signal of the two of the three detection signals with a first and a second threshold value in order to determine the detector signal as a linked comparator signal, the signal processing unit being further designed to further of the three detection signals to a third threshold to determine the window signal. By comparing a signal with a threshold value, the values of the signals, which often have a distribution, e.g. a normal distribution, of different values, can be sorted according to whether they fall below or exceed the respective threshold value. For example, a signal that can be described by a sine function can be converted into a square-wave function with two levels, e.g. 0 and 1. The signal can be converted into a digital signal, so to speak. In the case of calculating a difference between two detection signals and then comparing them with two threshold values, a three-level function can also be determined. In such a case, two of the levels can be equated. For example, a threshold T1 is less than a threshold T2. Then all values of the difference signal which are smaller than T1 are assigned a level 0, all values which are larger than T1 but smaller than T2 are assigned a level 1 and all values which are larger than T2 are also assigned a level 0 . As a result, a square-wave signal with two levels is also determined after a comparison of the difference signal of the two detection signals with a first and a second threshold value. This can then be used by the signal processing unit as a detector signal, i.e. as a linked comparator signal, and used together with the window signal to determine a position of a reference mark.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung sind die Signalquelle, die Detektoreinheiten und die Signalverarbeitungseinheit gemeinsam in einem Messkopf angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Bauteil bereitgestellt werden kann.In a further advantageous embodiment of an aspect of the invention, the signal source, the detector units and the signal processing unit are arranged together in a measuring head. This has the advantage that the device according to the invention can be provided in one component.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung weist die Vorrichtung wenigstens drei zusätzlichen Detektoreinheiten auf, die entlang einer Messrichtung relativ zueinander versetzt und relativ zur Signalquelle an einer jeweiligen vorbestimmten Position angeordnet sind, wobei die zusätzlichen Detektoreinheiten jeweils ausgestaltet sind, auf Basis eines von der Referenzmarke in Antwort auf das Abtastungssignal ausgehenden Antwortsignals ein zusätzliches Erfassungssignal auszugeben, wobei die zusätzlichen Erfassungssignale voneinander unabhängig sind. Dies kann zum Beispiel von Vorteil sein, wenn eine Position von mehr als einer Referenzmarke bestimmt werden soll. In diesem Fall weist die Vorrichtung jeweils wenigstens drei Detektoreinheiten auf, um die Position von jeweils einer Referenzmarke zu bestimmen.In another advantageous embodiment of an aspect of the invention, the device has at least three additional detector units, which are offset relative to one another along a measurement direction and are arranged at a respective predetermined position relative to the signal source, with the additional detector units each being configured on the basis of one of the Reference mark in response to the scanning signal outgoing response signal to output an additional detection signal, the additional detection signals are independent of each other. This can be an advantage, for example, if a position of more than one reference mark is to be determined. In this case, the device has at least three detector units in each case in order to determine the position of a reference mark in each case.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung ist die Vorrichtung Teil eines Systems, das ferner eine Maßverkörperung mit wenigstens einer Referenzmarke aufweist, wobei die Maßverkörperung und die Vorrichtung dazu ausgestaltet sind, dass die Vorrichtung mit einer der drei Detektoreinheiten oder einer weiteren Detektoreinheit bei einer relativen Bewegung von Vorrichtung und Maßverkörperung ein periodisches inkrementelles Signal erfasst. Die Bestimmung der Position der Referenzmarke der Maßverkörperung unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht eine absolute Positionsbestimmung der Vorrichtung in Bezug auf die Maßverkörperung.In another advantageous embodiment of an aspect of the invention, the device is part of a system that also has a measuring standard with at least one reference mark, the measuring standard and the device being designed such that the device is equipped with one of the three detector units or a further detector unit at one relative movement of the device and scale detects a periodic incremental signal. Determining the position of the reference mark of the material measure using the device according to the invention enables an absolute determination of the position of the device in relation to the material measure.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung in Bezug auf das vorgeschlagene System ist das weitere der drei Erfassungssignale schmaler als eine Periode des inkrementellen Signals. Dies kann zum Beispiel durch geeignete Wahl der wenigstens drei Detektoreinheiten erreicht werden. Zum Beispiel können die Abmessung der Detektoreinheit, auf dessen Basis das Fenstersignal bestimmt wird, so gewählt werden, dass das zugehörige Erfassungssignal der Detektoreinheit schmaler als eine Periode des inkrementellen Signals ist. Darüber hinaus, insbesondere davon unabhängig, können die Detektoreinheiten, auf dessen Basis das Detektorsignal bestimmt wird, gewählt werden, z.B. bezüglich deren Anordnung zu einander oder deren Abmessungen. Dadurch wird eine gewisse Einstellbarkeit der drei Erfassungssignale, insbesondere des Erfassungssignals, auf dessen Basis das Fenstersignal bestimmt wird, erreicht. Ein Erfassungssignal, auf dessen Basis das Fenstersignal bestimmt wird, wobei das Erfassungssignal schmaler als eine Periode des inkrementellen Signals ist, führt zu einer Positionsbestimmung der Referenzmarke mit einer verbesserten Auflösung, insbesondere derselben Auflösung, die bei der Vermessung der inkrementellen Skala erreicht werden kann.In an advantageous embodiment of an aspect of the invention relating to the proposed system, the further of the three detection signals is narrower than one period of the incremental signal. This can be achieved, for example, by suitably selecting the at least three detector units. For example, the dimension of the detector unit, on the basis of which the window signal is determined, can be chosen such that the associated detection signal of the detector unit is narrower than a period of the incremental signal. In addition, in particular independently of this, the detector units on the basis of which the detector signal is determined can be selected, for example with regard to their arrangement relative to one another or their dimensions. This achieves a certain adjustability of the three detection signals, in particular of the detection signal on the basis of which the window signal is determined. A detection signal, on the basis of which the window signal is determined, the detection signal being narrower than one period of the incremental signal, leads to a position determination of the reference mark with a improved resolution, particularly the same resolution that can be achieved when measuring the incremental scale.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung in Bezug auf das vorgeschlagene System weist die Maßverkörperung ein periodisches Gitter oder eine periodische Skala auf.In a further advantageous embodiment of an aspect of the invention in relation to the proposed system, the material measure has a periodic grid or a periodic scale.

Das periodische Gitter oder die periodische Skala erlauben vorteilhafterweise eine hochauflösende Erzeugung bzw. Nutzung von Inkrementalsignalen, wobei dieses periodische Gitter oder die periodische Skala selbst nicht für das Dektionssignal oder das Fenstersignal genutzt werden.The periodic grating or the periodic scale advantageously allows high-resolution generation or use of incremental signals, with this periodic grating or the periodic scale itself not being used for the detection signal or the window signal.

In einer weiteren bevorzugten Variante der obigen Ausgestaltung des Systems ist die wenigstens eine Referenzmarke gegenüber dem Gitter oder der Skala quer zur Messrichtung versetzt angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass die Erfassung des Gitters oder der Skala räumlich von der Erfassung der Referenzmarke getrennt werden kann. Dies kann zum Beispiel insofern genutzt werden, dass auch der Detektionsaufbau zur Erfassung des Gitters oder der Skala und der zur Erfassung der Referenzmarke einfach räumlich voneinander getrennt angeordnet werden kann.In a further preferred variant of the above configuration of the system, the at least one reference mark is offset relative to the grid or the scale transversely to the measuring direction. This has the advantage that the detection of the grid or the scale can be spatially separated from the detection of the reference mark. This can be used, for example, to the extent that the detection structure for detecting the grid or the scale and that for detecting the reference mark can also be arranged spatially separate from one another.

Werden mehrere Referenzmarken in Messrichtung verteilt vorgesehen, die als solche mehrere Referenzpositionen darstellen, ergibt sich ein Vorteil dahingehend, dass zum Referenzieren nicht so weit verfahren werden muss, so dass beispielsweise in kürzeren Messabständen eine Absolutposition bestimmt werden kann.If several reference marks are provided distributed in the measuring direction, which as such represent several reference positions, there is an advantage in that referencing does not have to be traversed so far, so that an absolute position can be determined at shorter measuring distances, for example.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können auch mehrere Referenzmarken nacheinander detektiert werden. Die Referenzmarken selbst bilden hierbei allerdings kein periodisches Gitter im Sinne der Inkrementbestimmung.Within the scope of the present invention, several reference marks can also be detected one after the other. However, the reference marks themselves do not form a periodic grid in the sense of the increment determination.

Es kann zudem vorgesehen sein, dass die mehreren Referenzmarken voneinander unterscheidbar ausgestaltet sind, etwa durch zusätzliche Markierungen in der Nähe der jeweiligen Referenzmarke oder auch durch Eigenschaften der Referenzmarken selbst. Es kann allerdings auch vorgesehen sein, dass durch einen Eingriff bzw. eine Dateneingabe von Außen eine Unterscheidung ansonsten identisch ausgestalteter Referenzmarken erreicht wird.It can also be provided that the multiple reference marks are designed to be distinguishable from one another, for example by additional markings in the vicinity of the respective reference mark or by properties of the reference marks themselves. However, it can also be provided that an intervention or data input from the outside a distinction between otherwise identically designed reference marks is achieved.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung in Bezug auf das vorgeschlagene System entspricht ein Abstand zwischen den zwei der drei Detektoreinheiten, deren Erfassungssignale zur Bestimmung des Detektorsignals genutzt werden, in Messrichtung einer einfachen bis zweifachen Ausdehnung der Referenzmarke in Messrichtung. Dies führt zu einer besonders geeigneten Form des Detektionssignals.In another advantageous embodiment of an aspect of the invention in relation to the proposed system, a distance between the two of the three detector units whose detection signals are used to determine the detector signal corresponds in the measuring direction to a one to twofold expansion of the reference mark in the measuring direction. This leads to a particularly suitable form of the detection signal.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung in Bezug auf das vorgeschlagene System weist die Detektoreinheit, deren Erfassungssignal als Fenstersignal oder zur Bestimmung des Fenstersignals genutzt wird, in Messrichtung eine Abmessung auf, die einer halben bis einfachen Ausdehnung der Referenzmarke in Messrichtung entspricht. Dies führt zu einer besonders geeigneten Form des Fenstersignals. Die Lage und Breite des Fenstersignals kann somit außer durch die Schwellwerte auch durch die Abmessung und Position der Detektoreinheit, die das Erfassungssignal ausgibt, auf dessen Basis das Fenstersignal bestimmt wird, gegenüber den zwei Detektoreinheiten, die die Erfassungssignale ausgeben, auf dessen Basis das Detektorsignal bestimmt wird, eingestellt werden. D.h. Eigenschaften wie Abmessungen und/oder Anordnungen der wenigstens drei Detektoreinheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung können jeweils für das Fenstersignal und das Detektorsignal optimal gewählt werden.In another advantageous embodiment of an aspect of the invention in relation to the proposed system, the detector unit, the detection signal of which is used as a window signal or for determining the window signal, has a dimension in the measuring direction that corresponds to a half to one extension of the reference mark in the measuring direction. This leads to a particularly suitable form of the window signal. The position and width of the window signal can thus be determined not only by the threshold values but also by the dimensions and position of the detector unit, which outputs the detection signal, on the basis of which the window signal is determined, relative to the two detector units that output the detection signals, on the basis of which the detector signal is determined will be discontinued. This means that properties such as dimensions and/or arrangements of the at least three detector units of the device according to the invention can be optimally selected for the window signal and the detector signal.

Merkmale vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind insbesondere in den Unteransprüchen definiert, wobei weitere vorteilhafte Merkmale, Ausführungen und Ausgestaltungen für den Fachmann zudem aus der obigen Erläuterung und der folgenden Diskussion zu entnehmen sind.Features of advantageous embodiments of the invention are defined in particular in the dependent claims, with further advantageous features, designs and configurations for the person skilled in the art also being inferred from the above explanation and the following discussion.

Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen weiter illustriert und erläutert. Hierbei zeigt

  • 1 eine schematische Darstellung zur Illustration eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und einer Maßverkörperung,
  • 2 eine schematische Darstellung von drei beispielhaften Erfassungssignalen, die von drei Detektoreinheiten ausgegeben werden,
  • 3 eine schematische Darstellung von einem beispielhaften Erfassungssignal und einem beispielhaften Differenzsignal, das von der Signalverarbeitungseinheit bestimmt wird,
  • 4 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Komparatorsignals, das von der Signalverarbeitungseinheit bestimmt wird,
  • 5 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Schaltungsanordnung einer Signalverarbeitungseinheit und Detektoreinheiten gemäß der erfindungsmäßen Vorrichtung,
  • 6 eine schematische Darstellung zur Illustration eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Maßverkörperung des erfindungsgemäßen Systems,
  • 7 eine schematische Darstellung zur Illustration eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
  • 8 eine schematische Darstellung zur Illustration eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
  • 9 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Positionsbestimmung einer Referenzmarke.
The present invention is further illustrated and explained below with reference to exemplary embodiments shown in the figures. Here shows
  • 1 a schematic representation to illustrate a first exemplary embodiment of the system according to the invention with a device according to the invention and a material measure,
  • 2 a schematic representation of three exemplary detection signals that are output by three detector units,
  • 3 a schematic representation of an exemplary detection signal and an exemplary difference signal that is determined by the signal processing unit,
  • 4 a schematic representation of an exemplary comparator signal that is determined by the signal processing unit,
  • 5 a schematic representation of an exemplary circuit arrangement of a signal processing unit and detector units according to the device according to the invention,
  • 6 a schematic representation to illustrate a further exemplary embodiment of a material measure of the system according to the invention,
  • 7 a schematic representation to illustrate a further embodiment of the device according to the invention,
  • 8th a schematic representation to illustrate a further embodiment of the device according to the invention, and
  • 9 a schematic flowchart of an embodiment of the method according to the invention for determining the position of a reference mark.

In den beiliegenden Zeichnungen sowie den Erläuterungen zu diesen Zeichnungen sind einander entsprechende bzw. in Beziehung stehende Elemente - soweit zweckdienlich - mit jeweils entsprechenden oder ähnlichen Bezugszeichen gekennzeichnet, auch wenn sie in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen zu finden sind.In the accompanying drawings and the explanations of such drawings, where appropriate, corresponding or related elements are designated by corresponding or similar reference characters, even though they may be found in different embodiments.

1 zeigt eine schematische Darstellung zur Illustration eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Systems mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 und einer Maßverkörperung 200. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 umfasst in dieser Ausführungsform einen Messkopf mit einer Signalquelle 110, die in diesem Ausführungsbeispiel eine Lichtquelle ist, eine Detektoranordnung 120 zur Detektion eines hochaufgelösten inkrementellen Signals, drei in Messrichtung versetzte Detektoreinheiten 130, 140 und 150 zur Detektion der Referenzmarke 220 und eine Signalverarbeitungseinheit 160, die in dieser Ausführungsform als Analog-Digital-Signalverarbeitungseinheit ausgestaltet ist. Die Signalverarbeitungseinheit 160 kann dabei in den Messkopf integriert sein, wie in 1 dargestellt, der Messkopf kann aber auch beispielsweise per Kabel mit einer externen Signalverarbeitungseinheit 160 verbunden sein. Die Signalquelle 110 dient zur Erzeugung eines Abtastungssignals 300, das in dieser Ausführungsform als Lichtkegel dargestellt ist, aber alternativ auch z.B. als ein Strahlenbündel realisiert sein kann. Das Abtastungssignal 300, d.h. hier derLichtkegel, wird zur Beleuchtung einer in Richtung x, die einer Messrichtung x entspricht, relativ zum Messkopf beweglichen Maßverkörperung 200 verwendet. Die Maßverkörperung 200 weist eine inkrementellen Skala 210 auf, die als periodisches Gitter ausgeführt ist, und eine Referenzmarke 220, die auf einer separaten Spur aufgebracht ist, die in Richtung y, die transversal zur Messrichtung x verläuft, versetzt zu der inkrementellen Skala 210 ist. 1 shows a schematic representation to illustrate a first embodiment of the system according to the invention with a device 100 according to the invention and a material measure 200. In this embodiment, the device 100 according to the invention comprises a measuring head with a signal source 110, which is a light source in this embodiment, a detector arrangement 120 for detection a high-resolution incremental signal, three detector units 130, 140 and 150 offset in the measuring direction for detecting the reference mark 220 and a signal processing unit 160, which in this embodiment is designed as an analog-digital signal processing unit. The signal processing unit 160 can be integrated into the measuring head, as in 1 shown, but the measuring head can also be connected to an external signal processing unit 160, for example by cable. The signal source 110 is used to generate a scanning signal 300, which in this embodiment is shown as a light cone, but which can alternatively also be implemented, for example, as a bundle of rays. The scanning signal 300, ie the light cone here, is used to illuminate a measuring standard 200 that is movable in direction x, which corresponds to a measuring direction x, relative to the measuring head. The material measure 200 has an incremental scale 210, which is designed as a periodic grating, and a reference mark 220, which is applied to a separate track that is offset from the incremental scale 210 in direction y, which runs transversely to the measuring direction x.

Das Abtastungssignal 300, das von der Signalquelle 110 ausgesendet wird, wird in dieser Ausführungsform von der inkrementellen Skala 210 reflektiert. Das reflektierte Signal gelangt zur Detektoranordnung 120, die bei relativer Bewegung der Maßverkörperung 200 und damit der inkrementellen Skala 210 zum Messkopf periodisch inkrementelle Signale erzeugt. Die Abbildung und Erzeugung der inkrementellen Signale sind beispielsweise in der Anmeldung DE 10 2018 108 347 A1 beschrieben und nicht Gegenstand dieser Erfindung. Die Erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das Verfahren lassen sich außer mit dieser auch in Kombination mit allen Gattungen von Positionsmesseinrichtungen zur Erfassung von inkrementellen Relativbewegungen einer Skala einsetzen.The sample signal 300 emitted by the signal source 110 is reflected off the incremental scale 210 in this embodiment. The reflected signal reaches the detector arrangement 120, which periodically generates incremental signals when the scale 200 and thus the incremental scale 210 move relative to the measuring head. The mapping and generation of the incremental signals are, for example, in the application DE 10 2018 108 347 A1 described and not the subject of this invention. In addition to this, the device according to the invention and the method can also be used in combination with all types of position measuring devices for detecting incremental relative movements of a scale.

Das von der Referenzmarke 220 reflektierte Licht wird von drei Detektoreinheiten 130, 140, 150 in unterschiedlicher Stärke detektiert. Bei Bewegung der Maßverkörperung 200 in Messrichtung x überfährt die Referenzmarke 220 die Mittelpositionen der drei Detektoreinheiten 130, 140, 150 in Richtung x nacheinander. Die Stärke des jeweiligen Erfassungssignals ist dann am größten, wenn die Referenzmarke 220 genau an der jeweiligen Position xj der jeweiligen Detektoreinheit 130, 140, 150 ist. Jede Detektoreinheit 130, 140, 150 ist in dieser Ausführungsform jeweils mit einem Strom-Spannungs-Wandler 611, 612, 613 verbunden, die in 5 dargestellt sind. Bei den Strom-Spannungs-Wandlern 611, 612, 613 kann es sich um Transimpedanzverstärker, Operationsverstärker oder andere geeignete elektronische Bauteile oder Schaltungen handeln. Denkbar ist jedoch auch, dass die Erfassungssignale direkt und ohne Wandlung ausgegeben und von den nachfolgenden Schaltungsbestandteilen weiterverarbeitet werden. Bei einer kontinuierlichen gleichförmigen Bewegung der Maßverkörperung 200 in Messrichtung x werden drei in Messrichtung x versetzte Erfassungssignale erzeugt, die in 2 dargestellt sind.The light reflected from the reference mark 220 is detected by three detector units 130, 140, 150 at different intensities. When the scale 200 moves in the measuring direction x, the reference mark 220 moves over the center positions of the three detector units 130, 140, 150 in the x direction one after the other. The strength of the respective detection signal is greatest when the reference mark 220 is exactly at the respective position x j of the respective detector unit 130, 140, 150. In this embodiment, each detector unit 130, 140, 150 is connected to a respective current-voltage converter 611, 612, 613, which is 5 are shown. The current-to-voltage converters 611, 612, 613 can be transimpedance amplifiers, operational amplifiers or other suitable electronic components or circuits. However, it is also conceivable for the detection signals to be output directly and without conversion and for further processing by the subsequent circuit components. With a continuous, uniform movement of the material measure 200 in the measuring direction x, three detection signals that are offset in the measuring direction x are generated 2 are shown.

2 zeigt eine schematische Darstellung von drei beispielhaften Erfassungssignalen A, B, C, die von drei Detektoreinheiten, z.B. den Detektoreinheiten 130,140,150 ausgegeben werden. Die horizontale Achse in 2 (und auch in den 3 und 4) gibt die Richtung x, d.h. die Messrichtung x an, die vertikale Achse gibt die Stärke U des Erfassungssignals an. Das Erfassungssignal A kann das von der Detektoreinheit 130 erzeugte Signal sein, das Erfassungssignal B das von der Detektoreinheit 140 erzeugte Signal und das Erfassungssignal C das von der Detektoreinheit 150 erzeugte Signal. Alternativ sind die Erfassungssignale A, B und C die von den Strom-Spannungs-Wandlern 611, 612 und 613 gewandelten Spannungssignale. Jedes der drei Erfassungssignale A, B und C ist in Messrichtung x breiter als eine Periode eines inkrementellen Signals. 2 shows a schematic representation of three exemplary detection signals A, B, C, which are output by three detector units, eg the detector units 130,140,150. The horizontal axis in 2 (and also in the 3 and 4 ) indicates the direction x, ie the measurement direction x, the vertical axis indicates the strength U of the detection signal. The detection signal A can be the signal generated by the detector unit 130 , the detection signal B can be the signal generated by the detector unit 140 , and the detection signal C can be the signal generated by the detector unit 150 . Alternatively, the detection signals A, B and C are the voltage signals converted by the current-voltage converters 611, 612 and 613. Each of the three detection signals A, B and C is wider than one period of an incremental signal in the measuring direction x.

3 zeigt eine schematische Darstellung von einem beispielhaften Erfassungssignal und einem beispielhaften Differenzsignal, das von einer Signalverarbeitungseinheit bestimmt wird. Im obigen Teil des Graphen wird das Erfassungssignal B dargestellt, wobei im unteren Teil ein Differenzsignal D dargestellt wird, das z.B. von der Signalverarbeitungseinheit 160, d.h. von einer Analog-Digital-Signalverarbeitungseinheit, bestimmt wird. Das Differenzsignal D kann durch Berechnung der Differenz der Erfassungssignale A und C, z.B. mit der Formel D = A - C, berechnet werden. 3 FIG. 12 shows a schematic representation of an example detection signal and an example difference signal that is determined by a signal processing unit. The detection signal B is shown in the upper part of the graph, with a difference signal D being shown in the lower part, which is determined, for example, by the signal processing unit 160, ie by an analog/digital signal processing unit. The difference signal D can be calculated by calculating the difference of the detection signals A and C, eg with the formula D = A - C.

Wenn die Signalverarbeitungseinheit als Analog-Digital-Signalverarbeitungseinheit ausgestaltet ist, wie sie in 5 dargestellt ist, kann das Differenzsignal D durch ein Schaltungselement 620 gebildet werden. Bei dem Schaltungselement 620 kann es sich beispielsweise um einen Differenzverstärker handeln. Ferner weist die Analog-Digital-Signalverarbeitungseinheit aus 5 einen Komparator 631 auf, in dem das Differenzsignal D mit einem ersten Schwellwert T1 verglichen wird, und einen weiteren Komparator 633, in dem das Differenzsignal D mit einem zweiten Schwellwert T2 verglichen wird, wobei jeder der Komparatoren 631, 633 von dem Vergleich abhängige rechteckförmige Ausgangssignale bereitstellt. Die rechteckförmigen Ausgangssignale der Komparatoren 631, 633 werden in einer ersten Verknüpfungsstufe 641 zusammengeführt, welche eine logische UND-Verknüpfung durchführt und ein verknüpftes Komparatorsignal 410 ausgibt, das in 4 dargestellt ist.If the signal processing unit is designed as an analog-digital signal processing unit, as is shown in 5 is shown, the difference signal D can be formed by a circuit element 620 . The circuit element 620 can be a differential amplifier, for example. Furthermore, the analog-digital signal processing unit 5 a comparator 631 in which the difference signal D is compared to a first threshold value T1, and a further comparator 633 in which the difference signal D is compared to a second threshold value T2, each of the comparators 631, 633 producing square-wave output signals dependent on the comparison provides. The square-wave output signals of the comparators 631, 633 are combined in a first logic stage 641, which performs a logical AND operation and outputs a combined comparator signal 410, which is in 4 is shown.

Die Schwellwerte T1, T2 der Komparatoren 631, 633 bestimmen die Lage des verknüpften Komparatorsignals 410 in Messrichtung x und damit auch die Lage bezüglich des inkrementellen periodischen Signals. Die Schwellwerte T1, T2 können im Betrieb eingestellt werden oder sie können voreingestellt sein. Weiterhin wird durch die Schwellwerte T1, T2 die Breite des mittleren Rechteckpulses im verknüpften Komparatorsignal 410 in Messrichtung x eingestellt und damit die exakte Lagebeziehung zu einer definierten Periode des inkrementellen periodischen Signals.The threshold values T1, T2 of the comparators 631, 633 determine the position of the linked comparator signal 410 in the measuring direction x and thus also the position in relation to the incremental periodic signal. The threshold values T1, T2 can be set during operation or they can be preset. Furthermore, the width of the mean rectangular pulse in the linked comparator signal 410 in the measuring direction x is set by the threshold values T1, T2 and thus the exact positional relationship to a defined period of the incremental periodic signal.

Es wird deutlich, dass eine steile gerade Flanke im Differenzsignal D Voraussetzung ist für eine hinreichende Einstellbarkeit des verknüpften Komparatorsignals 410 mittels der Schwellwerte T1, T2. Die Signalform des Differenzsignals D wird hauptsächlich bestimmt durch die Breite und den Überlapp der Signale A und C, die wiederum bestimmt werden von der Ausdehnung und dem Abstand der zugehörigen Detektoreinheiten, in diesem Beispiel den Detektoreinheiten 130 und 150, in Messrichtung x sowie von der Breite der Referenzmarke 220 in Messrichtung x. Sind die Signale A und C beispielsweise zu schmal oder der Überlapp zu gering, so hat das Differenzsignal D einen Sattelpunkt. Sind die Signale A und C zu breit oder der Überlapp zu groß, hat das Differenzsignal D ebenfalls einen Sattelpunkt oder die Flankensteilheit ist nicht hinreichend.It becomes clear that a steep, straight edge in the difference signal D is a prerequisite for sufficient adjustability of the linked comparator signal 410 by means of the threshold values T1, T2. The signal form of the difference signal D is mainly determined by the width and the overlap of the signals A and C, which in turn are determined by the extension and the distance between the associated detector units, in this example the detector units 130 and 150, in the measuring direction x and by the width of the reference mark 220 in the measuring direction x. If the signals A and C are too narrow, for example, or the overlap is too small, then the difference signal D has a saddle point. If the signals A and C are too wide or the overlap is too large, the difference signal D also has a saddle point or the edge steepness is not sufficient.

Ausführungsbeispiele mit besonders vorteilhaften Verhältnissen der Abmessungen der Detektoren zur Referenzmarke sind weiter unten erläutert.Exemplary embodiments with particularly advantageous ratios of the dimensions of the detectors to the reference mark are explained further below.

4 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften Komparatorsignals 410, das von der Signalverarbeitungseinheit bestimmt wird. Um aus dem verknüpften Komparatorsignal 410 einen Referenzpuls 410.1 zu erzeugen, wird eine Fensterung des verknüpften Komparatorsignals 410 durchgeführt, so dass der mittlere Rechteckpuls aus dem verknüpften Komparatorsignal 410 herausgefiltert werden kann. Hierzu wird das Signal B in einem dritten Komparator 632 mit einem dritten Schwellwert T3 verglichen. Der dritte Komparator 632 generiert das Fenstersignal 420. Eine zweite Verknüpfungsstufe 642 wird mit den Signalen 410 und 420 beaufschlagt. Durch eine logische UND-Verknüpfung wird der Referenzpuls 410.1 erzeugt. 4 FIG. 4 shows a schematic representation of an exemplary comparator signal 410 that is determined by the signal processing unit. In order to generate a reference pulse 410.1 from the linked comparator signal 410, the linked comparator signal 410 is windowed, so that the mean rectangular pulse can be filtered out of the linked comparator signal 410. For this purpose, the signal B is compared in a third comparator 632 with a third threshold value T3. The third comparator 632 generates the window signal 420. The signals 410 and 420 are applied to a second logic stage 642. The reference pulse 410.1 is generated by a logical AND operation.

Anhand von 3 und 4 wird deutlich, dass die Signalhöhe sowie die Breite und Position in Messrichtung x des Signals B maßgeblich sind, für die Position und Breite des Fenstersignals 420 in Relation zum verknüpften Komparatorsignal 410. Das Signal B wird maßgeblich von der Größe der zugehörigen Detektoreinheit, im obigen Beispiel der Detektoreinheit 140, in Messrichtung x in Relation zu der Größe der Referenzmarke 220 bestimmt. Ist das Signal B zu breit, wird mehr als der mittlere Rechteckpuls gefenstert, wodurch der Referenzpuls 410.1 nicht eindeutig wäre. Ist das Signal B zu schmal, wird der Referenzpuls 410.1 künstlich verkleinert oder abgeschnitten. Auch die Lage des Signals B und damit des Fenstersignals 420 in Messrichtung x ist maßgeblich für eine richtige Fensterung.Based on 3 and 4 it becomes clear that the signal level as well as the width and position in the measurement direction x of the signal B are decisive for the position and width of the window signal 420 in relation to the linked comparator signal 410. The signal B is decisive for the size of the associated detector unit, in the example above of the detector unit 140, determined in the measuring direction x in relation to the size of the reference mark 220. If the signal B is too wide, more than the middle rectangular pulse is windowed, as a result of which the reference pulse 410.1 would not be unambiguous. If signal B is too narrow, reference pulse 410.1 is artificially reduced or cut off. The position of the signal B and thus of the window signal 420 in the measurement direction x is also decisive for correct windowing.

Zusammengefasst ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass das Signal B durch eine dritte Detektoreinheit, z.B. der Detektoreinheit 140, erzeugt wird, so dass die Position und Breite in Messrichtung x unabhängig ist von den Signalen A und C, die z.B. von den Detektoreinheiten 130 und 150 erzeugt werden und die das Differenzsignal D ergeben, wodurch das Fenstersignal nicht an das zu fensternde Signal gekoppelt ist.In summary, the device according to the invention is characterized in that the signal B is generated by a third detector unit, e.g. the detector unit 140, so that the position and width in the measuring direction x is independent of the signals A and C, which are generated e.g. by the detector units 130 and 150 are generated and which result in the difference signal D, as a result of which the window signal is not coupled to the signal to be windowed.

5 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Schaltungsanordnung einer Signalverarbeitungseinheit und Detektoreinheiten gemäß der erfindungsmäßen Vorrichtung, wobei 5 bereits im Zusammenhang mit dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist. In dieser Schaltungsanordnung sind die Detektoreinheiten 130, 140, 150 als Photodioden realisiert, die als Abtastungssignal ein Lichtsignal 301 detektieren. 5 shows a schematic representation of an exemplary circuit arrangement of a signal processing unit and detector units according to the device according to the invention, wherein 5 has already been described in connection with the embodiment described above. In this circuit are the Detector units 130, 140, 150 are implemented as photodiodes, which detect a light signal 301 as the scanning signal.

In dem Ausführungsbeispiel in 1 sind die Signalquelle 110 und die Detektoreinheiten 130, 140, 150 auf derselben Seite relativ zu der Maßverkörperung 200 angeordnet. In diesem Fall basiert die Detektion auf einer Reflexion des Abtastungssignals an der Maßverkörperung, insbesondere der inkrementellen Skala 210 und der Referenzmarke 220. Allerdings ist die Erfindung nicht auf reflektierende Messungen beschränkt. Beispielsweise sind aus dem Dokument US 2016/0231144 A1 Vorrichtungen bekannt, bei denen das durch die Maßverkörperung transmittierte Licht detektiert wird. Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, das auf Transmission beruht, kann dadurch gekennzeichnet sein, dass die Detektoreinheiten zur Detektion der Referenzmarke und wahlweise auch die Detektoreinheiten zur Detektion der inkrementellen Skala auf der der Signalquelle gegenüberliegenden Seite der Maßverkörperung angeordnet sind und ein transmittiertes Signal detektieren.In the embodiment in FIG 1 the signal source 110 and the detector units 130, 140, 150 are arranged on the same side relative to the material measure 200. In this case, the detection is based on a reflection of the scanning signal on the material measure, in particular the incremental scale 210 and the reference mark 220. However, the invention is not limited to reflective measurements. For example, from the document U.S. 2016/0231144 A1 Devices are known in which the light transmitted through the material measure is detected. An exemplary embodiment of the device according to the invention, which is based on transmission, can be characterized in that the detector units for detecting the reference mark and optionally also the detector units for detecting the incremental scale are arranged on the opposite side of the measuring scale from the signal source and detect a transmitted signal.

Weiterhin ist die in 1 dargestellte Erfindung nicht auf reflektierende Referenzmarken beschränkt. Die Referenzmarke kann reflektierend auf absorbierendem Hintergrund oder absorbierend auf reflektierendem Hintergrund ausgestaltet sein. Für die Anordnung in Transmission kann die Referenzmarke transmittierend auf reflektierendem oder absorbierendem Hintergrund oder wahlweise reflektierend oder absorbierend auf transmittierendem Hintergrund ausgestaltet sein. Die Erfassungssignale der Detektoreinheiten, z.B. die Signale A, B und C, sind im Falle einer abschattenden oder absorbierenden Referenzmarke invertiert, wodurch sich bei dem Verfahren der Fensterung das Vorzeichen der Schwellwerte, z.B. der Schwellwerte T1, T2 und T3, ändert.Furthermore, the in 1 invention shown is not limited to reflective reference marks. The reference mark can be designed to be reflective on an absorbent background or absorbent on a reflective background. For the arrangement in transmission, the reference mark can be designed to be transmissive on a reflective or absorbent background, or alternatively reflective or absorbent on a transmissive background. The detection signals of the detector units, eg signals A, B and C, are inverted in the case of a shadowing or absorbing reference mark, which changes the sign of the threshold values, eg threshold values T1, T2 and T3, in the windowing process.

Auch lässt sich die Erfindung (Verfahren und Vorrichtung) auf Positionsmessgeräte anwenden, bei denen die Referenzmarke nicht auf einer separaten Spur angeordnet ist, wie es in 1 dargestellt ist, sondern bei denen die Referenzmarke in die inkrementelle Spur eingebettet ist, wie beispielsweise aus der EP 1 766 334 B1 , 9 bekannt.The invention (method and device) can also be applied to position measuring devices in which the reference mark is not arranged on a separate track, as is shown in 1 is shown, but in which the reference mark is embedded in the incremental track, such as from EP 1 766 334 B1 , 9 known.

Überdies lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren auf die eingangs erwähnten Vorrichtungen, bei denen sogenannte gechirpte Referenzmarken detektiert werden, anwenden. Dabei wird auf die Erzeugung eines Summensignals verzichtet und stattdessen wie beschrieben erfindungsgemäß ein Differenzsignal und ein hiervon unabhängiges Fenstersignal erzeugt.In addition, the method according to the invention can be applied to the devices mentioned at the outset, in which so-called chirped reference marks are detected. In this case, a sum signal is not generated and instead, as described, a difference signal and a window signal independent thereof are generated according to the invention.

Eine weitere Ausführungsform, in der als Abtastungssignal Licht verwendet wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Abbildungsoptik oder Kollimationsoptik verwendet werden kann, um das Licht auf die Detektoren abzubilden.A further embodiment in which light is used as the scanning signal is characterized in that imaging optics or collimating optics can be used to image the light onto the detectors.

Ferner ist die Erfindung nicht auf Lichtquellen beschränkt, die einen Lichtkegel oder ein divergentes Strahlenbündel erzeugen. Weitere denkbare Ausführungen sind dadurch gekennzeichnet, dass wahlweise unterschiedliche Lichtquellen verwendet werden, um die Referenzmarke und die inkrementelle Skala zu beaufschlagen, ein oder mehrere Elemente zur Aufspaltung des Lichts in mindestens zwei Teilstrahlbündel verwendet werden, eine Kollimationsoptik verwendet wird, um das Licht zu kollimieren, eine Lichtquelle mit stark kollimierter Abstrahlcharakteristik, insbesondere eine VECSEL oder ein Laser verwendet wird und/oder, wie es beispielsweise in der DE 10 2018 108 347 A1 beschrieben wird, Lichtleiter zur Führung des Lichts verwendet werden.Furthermore, the invention is not limited to light sources that generate a light cone or a divergent bundle of rays. Other conceivable designs are characterized in that different light sources are optionally used to act on the reference mark and the incremental scale, one or more elements are used to split the light into at least two partial beams, collimation optics are used to collimate the light, a light source with a highly collimated emission characteristic, in particular a VECSEL or a laser, is used and/or, as is the case, for example, in DE 10 2018 108 347 A1 is described, light guides are used to guide the light.

Des Weiteren ist die Erfindung wie oben erwähnt nicht auf optische Positionsmesseinrichtungen beschränkt. Die Erfindung oder zumindest das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere anwendbar auf magnetische oder induktive Positionsmesseinrichtungen, bei denen magnetische oder elektrische Detektoren verwendet werden, um anstelle von Lichtsignalen elektrische oder magnetische Signale zu detektieren.Furthermore, as mentioned above, the invention is not limited to optical position measuring devices. The invention or at least the method according to the invention can be applied in particular to magnetic or inductive position measuring devices in which magnetic or electric detectors are used in order to detect electric or magnetic signals instead of light signals.

Insbesondere ist die Erfindung nicht auf eine einzelne Referenzposition beschränkt. Beispielsweise gibt es Maßverkörperungen mit mehreren abstandskodierten Referenzmarken in Messrichtung x. Dabei wird jede Referenzmarke nacheinander detektiert, wie oben für eine einzelne Referenzmarke beschrieben ist.In particular, the invention is not limited to a single reference position. For example, there are material measures with several distance-coded reference marks in the measuring direction x. Each reference mark is detected one after the other, as described above for an individual reference mark.

Des Weiteren ist ein erfindungsgemäßes System nicht auf die Anzahl von einer Referenzspur auf der Maßverkörperung beschränkt. Es kann zum Beispiel vorteilhaft sein, Maßverkörperungen mit zwei Referenzspuren zu verwenden, wie es in 6 dargestellt ist.Furthermore, a system according to the invention is not limited to the number of one reference track on the scale. For example, it can be advantageous to use material measures with two reference tracks, as shown in 6 is shown.

6 zeigt eine schematische Darstellung zur Illustration eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Maßverkörperung des erfindungsgemäßen Systems. 6 ist eine Draufsicht, sozusagen aus Richtung z, eines Ausführungsbeispiels einer Maßverkörperung 200 einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems mit zwei Referenzspuren, die in dieser Ansicht links und rechts neben der inkrementellen Skala 210 angeordnet sind, und jeweils eine Referenzmarke 221,222 aufweisen. 6 shows a schematic representation to illustrate a further exemplary embodiment of a material measure of the system according to the invention. 6 is a top view, so to speak from direction z, of an embodiment of a material measure 200 of an advantageous embodiment of the system according to the invention with two reference tracks, which are arranged left and right next to the incremental scale 210 in this view, and each have a reference mark 221,222.

Zudem ist auch die Anordnung und/oder Abmessung der Detektoreinheiten nicht auf die Anordnung, wie sie im Zusammenhang mit der Ausführungsform aus 1 dargestellt ist, beschränkt.In addition, the arrangement and/or dimensions of the detector units are not limited to the arrangement as indicated in connection with the embodiment 1 is shown, limited.

7 zeigt eine schematische Darstellung zur Illustration eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Besonders vorteilhaft kann die Wahl unterschiedlicher Abmessungen und Abstände der mindestens drei Detektoreinheiten 130, 140 150 sein. Es zeigt 7, sozusagen aus Richtung z, die Draufsicht eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 in Form eines Messkopfes, der eine Signalquelle 110, drei Detektoreinheiten 130, 140, 150 und eine Detektoranordnung 120 umfasst. Die Vorrichtung in 7 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessung der Detektoreinheit 140, die z.B. zur Erzeugung des Signals B verwendet werden kann, sich von der Abmessung der Detektoreinheiten 130, 150 unterscheidet. Ferner kann es vorteilhaft sein, wenn die Detektoreinheit 140 in Messrichtung oder transversal zur Messrichtung gegenüber den beiden anderen Detektoreinheiten 130, 150 versetzt ist. Dadurch unterscheidet sich die Signalhöhe und Signalbreite, z.B. des Signals B, von den Signalhöhen und Signalbreiten, z.B. der Signale A und C. Ebenso können die Detektoreinheiten, z.B. die Detektoreinheit 140, in Messrichtung x versetzt sein. 7 shows a schematic representation to illustrate a further embodiment of the device according to the invention. The selection of different dimensions and distances between the at least three detector units 130, 140, 150 can be particularly advantageous. It shows 7 , so to speak from direction z, the top view of an advantageous embodiment of the device 100 according to the invention in the form of a measuring head, which comprises a signal source 110, three detector units 130, 140, 150 and a detector arrangement 120. The device in 7 is characterized in that the dimension of the detector unit 140, which can be used, for example, to generate the signal B, differs from the dimension of the detector units 130, 150. Furthermore, it can be advantageous if the detector unit 140 is offset in the measuring direction or transversely to the measuring direction in relation to the two other detector units 130, 150. As a result, the signal level and signal width, for example of signal B, differs from the signal levels and signal widths, for example of signals A and C. The detector units, for example detector unit 140, can also be offset in the measuring direction x.

Ohne Einschränkung der Allgemeinheit können die Detektoreinheiten 130, 140, 150 auch als Detektorgruppen ausgeführt sein, die aus mehreren Detektorelementen bestehen oder bei denen mehrere Detektoren seriell zu jeweils einer Gruppe zusammengeschaltet werden.Without restricting generality, the detector units 130, 140, 150 can also be designed as detector groups, which consist of a number of detector elements or in which a number of detectors are connected in series to form a group in each case.

Zum Beispiel zeigt 8 eine schematische Darstellung zur Illustration eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei 8 eine Draufsicht der Vorrichtung aus Richtung z darstellt. Die Vorrichtung 100 aus 8 kann zum Beispiel zur Positionsbestimmung der Referenzmarken 221, 222 der Maßverkörperung 200 in 7 angewendet werden. Die Vorrichtung umfasst neben einer Signalquelle 110 und zwei Detektoranordnungen 121, 122 eine erste Detektorgruppe mit mindestens zwei Detektoreinheiten 131, 132, eine zweite Detektorgruppe mit mindestens zwei Detektoreinheiten 141, 142 sowie eine dritte Detektorgruppe mit mindestens zwei Detektoreinheiten 151, 152 auf zur Detektion von zwei Referenzspuren. Die Detektoranordnungen 121, 122 zur Detektion des inkrementellen Signals können ebenfalls als Detektorgruppen ausgestaltet sein, wobei auch eine Ausführung mit nur einer der Detektoranordnung 121 oder 122 vorstellbar ist.For example shows 8th a schematic representation to illustrate a further embodiment of the device according to the invention, wherein 8th represents a plan view of the device from direction z. The device 100 off 8th can, for example, be used to determine the position of the reference marks 221, 222 of the material measure 200 in 7 be applied. In addition to a signal source 110 and two detector arrangements 121, 122, the device comprises a first detector group with at least two detector units 131, 132, a second detector group with at least two detector units 141, 142 and a third detector group with at least two detector units 151, 152 for detecting two reference tracks. The detector arrays 121, 122 for detecting the incremental signal can also be designed as detector groups, with an embodiment with only one of the detector arrays 121 or 122 being conceivable.

Eine weitere besonders vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich durch geeignete Wahl der Breite und der Abstände der Detektoreinheiten in Messrichtung x. Der Überlapp der Erfassungssignale A und C und damit die Signalform D wird durch die Anordnung und Abmessungen der Detektoreinheiten, die die Erfassungssignale A und C ausgeben, in Bezug zur Breite der Referenzmarke in Messrichtung x bestimmt. Wenn die Anordnung und Abmessung der Detektoreinheiten geeignet gewählt werden, hat die dort dargestellte Signalform eine gerade möglichst steile Flanke. Besonders vorteilhaft ist ein Abstand der Detektoreinheiten, die die Erfassungssignale A und C ausgeben, in Messrichtung x, der der einfachen bis doppelten Ausdehnung der Referenzmarke in Messrichtung x entspricht. Besonders vorteilhaft ist eine jeweilige Breite der Detektoreinheiten, die die Erfassungssignale A und C ausgeben, in Messrichtung x, der der halben bis einfachen Ausdehnung der Referenzmarke in Messrichtung x entspricht. Die Detektoreinheiten sind bevorzugt Dioden, insbesondere Photodioden, die sensitiv für das Abtastungssignal der Signalquelle sind.A further particularly advantageous embodiment results from a suitable selection of the width and the spacing of the detector units in the measuring direction x. The overlap of the detection signals A and C and thus the signal form D is determined by the arrangement and dimensions of the detector units that output the detection signals A and C in relation to the width of the reference mark in the measuring direction x. If the arrangement and dimensions of the detector units are selected appropriately, the signal form shown there has the steepest possible edge. A distance between the detector units, which emit the detection signals A and C, in the measuring direction x, which corresponds to one to twice the extent of the reference mark in the measuring direction x, is particularly advantageous. A particular advantage is a respective width of the detector units, which output the detection signals A and C, in the measuring direction x, which corresponds to half to one time the extension of the reference mark in the measuring direction x. The detector units are preferably diodes, in particular photodiodes, which are sensitive to the scanning signal of the signal source.

Die Erfassungssignale A und C sind diejenigen Signale, auf deren Basis das Detektorsignal bestimmt wird.The detection signals A and C are the signals on the basis of which the detector signal is determined.

9 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Positionsbestimmung einer Referenzmarke. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung eines Fenstersignals ein drittes, von den beiden Erfassungssignalen A und C bezüglich Signalhöhe, Form und Lage in Messrichtung x unabhängiges, Erfassungssignal B verwendet wird. In einem ersten Schritt S1 des Verfahrens sendet eine Signalquelle einer Vorrichtung, z.B. der Vorrichtung 100, zur Positionsbestimmung ein Abtastungssignal aus, das in einem Schritt S2 mit einer Referenzmarke wechselwirkt, so dass ein Antwortsignal vorliegt. Durch wenigstens drei Detektoreinheiten, z.B. den Detektoreinheiten 130, 140, 150, die entlang einer Messrichtung relativ zueinander versetzt und relativ zur Signalquelle an einer jeweiligen vorbestimmten Position angeordnet sind, wird das Antwortsignal in einem Schritt S3 detektiert, um ein jeweiliges Erfassungssignal an eine Signalverarbeitungseinheit, z.B. der Signalverarbeitungseinheit 160, auszugeben. Daraufhin bestimmt die Signalverarbeitungseinheit in einem Schritt S4 ein Detektorsignal auf Basis zweier der drei Erfassungssignale und ein Fenstersignal auf Basis des weiteren der drei Erfassungssignale bzw. nutzt das weitere der drei Erfassungssignale als Fenstersignal und bestimmt in einem Schritt S5 eine Position der Referenzmarke auf Basis des Detektorsignals und des Fenstersignals. 9 shows a schematic flowchart of an embodiment of the method according to the invention for determining the position of a reference mark. The method according to the invention is characterized in that a third detection signal B, which is independent of the two detection signals A and C with regard to signal level, shape and position in the measuring direction x, is used to generate a window signal. In a first step S1 of the method, a signal source of a device, for example the device 100, transmits a scanning signal for position determination, which in a step S2 interacts with a reference mark, so that a response signal is present. The response signal is detected in a step S3 by at least three detector units, e.g. eg the signal processing unit 160 to output. In a step S4, the signal processing unit then determines a detector signal based on two of the three detection signals and a window signal based on the other of the three detection signals or uses the other of the three detection signals as a window signal and determines a position of the reference mark on the basis of the detector signal in a step S5 and the window signal.

Auch wenn in den Figuren verschiedene Aspekte oder Merkmale der Erfindung jeweils in Kombination gezeigt sind, ist für den Fachmann - soweit nicht anders angegeben - ersichtlich, dass die dargestellten und diskutierten Kombinationen nicht die einzig möglichen sind. Insbesondere können einander entsprechende Einheiten oder Merkmalskomplexe aus unterschiedlichen Ausführungsbeispielen miteinander ausgetauscht werden.Even if different aspects or features of the invention are shown in combination in the figures, for the person skilled in the art - unless otherwise stated - it is clear that the combinations shown and discussed are not the only possible ones. In particular, mutually corresponding units or complexes of features from different exemplary embodiments can be exchanged with one another.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Positionsbestimmung per Erfassung wenigstens einer Referenzmarke einer Maßverkörperung. Um eine Lösung vorzustellen, die eine Empfindlichkeit der Erfassung gegenüber Signalstörungen verringert, wird vorgeschlagen, die Positionsbestimmung basierend auf einem Detektorsignal und einem Fenstersignal durchzuführen, die auf mindestens drei Erfassungssignalen basieren, wobei auf Basis zweier der Erfassungssignale das Detektorsignal und auf Basis eines weiteren der Erfassungssignale das Fenstersignal bestimmt wird. Dadurch kann das Fenstersignal unabhängig von dem Detektorsignal bestimmt werden, was zu einer besseren Auflösung der Positionsbestimmung führt.The present invention relates to a device and a method for determining a position by detecting at least one reference mark of a material measure. In order to present a solution that reduces the sensitivity of the detection to signal interference, it is proposed to carry out the position determination based on a detector signal and a window signal, which are based on at least three detection signals, with the detector signal being based on two of the detection signals and the detection signals based on another one the window signal is determined. As a result, the window signal can be determined independently of the detector signal, which leads to better resolution of the position determination.

BezugszeichenlisteReference List

100100
Vorrichtungcontraption
110110
Signalquellesignal source
120, 121, 122120, 121, 122
Detektoranordnungdetector array
130, 131, 132, 140, 141, 142, 150, 151, 152130, 131, 132, 140, 141, 142, 150, 151, 152
Detektoreinheitdetector unit
160160
Signalverarbeitungseinheitsignal processing unit
200200
Maßverkörperungmaterial measure
210210
inkrementelle Skalaincremental scale
220, 221, 222220, 221, 222
Referenzmarkereference mark
300300
Abtastungssignalscanning signal
301301
Lichtsignallight signal
410410
verknüpftes Komparatorsignallinked comparator signal
410.1410.1
Referenzpulsreference pulse
420420
Fenstersignalwindow signal
611, 612, 613611, 612, 613
Strom-Spannungswandlercurrent-voltage converter
620620
Schaltungselementcircuit element
631, 632, 633631, 632, 633
Komparatorcomparator
641641
erste Verknüpfungsstufefirst link level
642642
zweite Verknüpfungsstufesecond link level
A, B, CA, B, C
Erfassungssignaldetection signal
T1, T2, T3T1, T2, T3
Schwellwertthreshold

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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.This list of documents cited by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • US 2016/0231144 A1 [0003, 0008, 0054]US 2016/0231144 A1 [0003, 0008, 0054]
  • DE 102018108347 A1 [0003, 0042, 0059]DE 102018108347 A1 [0003, 0042, 0059]
  • DE 4306634 A1 [0003]DE 4306634 A1 [0003]
  • EP 0361457 B1 [0004]EP 0361457 B1 [0004]
  • US 6175109 B1 [0005]US6175109B1 [0005]
  • EP 2525195 B1 [0006]EP 2525195 B1 [0006]
  • US 2003/0047674 A1 [0006]US 2003/0047674 A1 [0006]
  • EP 1050742 A2 [0008]EP 1050742 A2 [0008]
  • EP 1766334 B1 [0056]EP 1766334 B1 [0056]

Claims (16)

Vorrichtung (100) zur Positionsbestimmung per Erfassung wenigstens einer Referenzmarke (220,221,222) einer Maßverkörperung (200), wobei die Vorrichtung (100) aufweist: wenigstens eine Signalquelle (110), die zum Aussenden eines Abtastungssignals (300) ausgestaltet ist, wenigstens drei Detektoreinheiten (130,140,150), die entlang einer Messrichtung relativ zueinander versetzt und relativ zur Signalquelle (110) an einer jeweiligen vorbestimmten Position angeordnet sind, wobei die Detektoreinheiten (130,140,150) jeweils ausgestaltet sind, auf Basis eines von der Referenzmarke (220,221,222) in Antwort auf das Abtastungssignal (300) ausgehenden Antwortsignals ein Erfassungssignal (A,B,C) auszugeben, wobei die Erfassungssignale (A,B,C) voneinander unabhängig sind, und eine Signalverarbeitungseinheit (160), die ausgestaltet ist, auf Basis zweier der drei Erfassungssignale (A,B,C) ein Detektorsignal zu bestimmen und auf Basis des weiteren der drei Erfassungssignale (A,B,C) ein Fenstersignal (420) zu bestimmen oder das weitere der drei Erfassungssignale (A,B,C) als Fenstersignal (420) zu nutzen, wobei die Signalverarbeitungseinheit (160) ferner dazu ausgestaltet ist, die Position der Referenzmarke (220,221,222) auf Basis des Detektorsignals und des Fenstersignals (420) zu bestimmen.Device (100) for position determination by detecting at least one reference mark (220, 221, 222) of a material measure (200), the device (100) having: at least one signal source (110), which is designed to emit a scanning signal (300), at least three detector units (130,140,150) which are offset relative to one another along a measurement direction and are arranged at a respective predetermined position relative to the signal source (110), the detector units (130,140,150) each being configured on the basis of a response from the reference mark (220,221,222). outputting a detection signal (A,B,C) based on the response signal emanating from the scanning signal (300), the detection signals (A,B,C) being independent of one another, and a signal processing unit (160) which is designed to determine a detector signal on the basis of two of the three detection signals (A,B,C) and to determine a window signal (420) on the basis of the other three detection signals (A,B,C) or to use the other of the three detection signals (A, B, C) as a window signal (420), the signal processing unit (160) also being designed to determine the position of the reference mark (220, 221, 222) on the basis of the detector signal and the window signal (420). . Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die Signalquelle (110) zum Aussenden eines elektromagnetischen Abtastungssignals, insbesondere eines optischen Abtastungssignals, zum Aussenden eines elektrischen Abtastungssignals und/oder zum Aussenden eines magnetischen Abtastungssignals ausgestaltet ist und die Detektoreinheiten (130,140,150) zur Erfassung eines entsprechenden Antwortsignals ausgestaltet sind.Device (100) according to claim 1 , wherein the signal source (110) is designed to emit an electromagnetic scanning signal, in particular an optical scanning signal, to emit an electrical scanning signal and/or to emit a magnetic scanning signal, and the detector units (130, 140, 150) are designed to detect a corresponding response signal. Vorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Signalquelle (110) und die Detektoreinheiten (130,140,150) relativ zueinander für ein Ausgehen des Antwortsignals von der Referenzmarke (220,221,222) auf Basis des Abtastungssignals durch Transmission oder Reflektion angeordnet sind.Device (100) according to one of the preceding claims, wherein the signal source (110) and the detector units (130,140,150) are arranged relative to one another for an emanation of the response signal from the reference mark (220,221,222) on the basis of the scanning signal by transmission or reflection. Vorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zwei der drei Detektoreinheiten (130,140,150) auf einer Linie angeordnet sind, die sich in der Messrichtung erstreckt, wobei die weitere der drei Detektoreinheiten (130,140,150) gegenüber der Linie versetzt angeordnet ist.Device (100) according to one of the preceding claims, wherein two of the three detector units (130,140,150) are arranged on a line extending in the measuring direction, the other of the three detector units (130,140,150) being arranged offset with respect to the line. Vorrichtung (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zwei der drei Detektoreinheiten (130,140,150) baugleich ausgestaltet sind und sich von der weiteren der drei Detektoreinheiten (130,140,150) unterscheiden, insbesondere hinsichtlich ihrer Abmessungen.Device (100) according to one of the preceding claims, wherein two of the three detector units (130,140,150) are of identical design and differ from the other of the three detector units (130,140,150), in particular with regard to their dimensions. Vorrichtung (100) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Signalverarbeitungseinheit (160) dazu ausgestaltet ist, das Detektorsignal auf Basis der Erfassungssignale der zwei der drei Detektoreinheiten (130,140,150) und das Fenstersignal (420) auf Basis des Erfassungssignals der weiteren der drei Detektoreinheiten (130,140,150) zu bestimmen bzw. das Erfassungssignal der weiteren der drei Detektoreinheiten als das Fenstersignal (420) zu nutzen.Device (100) according to claim 4 or 5 , wherein the signal processing unit (160) is designed to determine the detector signal on the basis of the detection signals of the two of the three detector units (130,140,150) and the window signal (420) on the basis of the detection signal of the other three detector units (130,140,150) or to determine the detection signal of the further of the three detector units as the window signal (420). Vorrichtung (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Signalverarbeitungseinheit (160) ausgestaltet ist, ein Differenzsignal der zwei der drei Erfassungssignale (130,140,150) mit einem ersten und einem zweiten Schwellwert (T1,T2) zu vergleichen, um das Detektorsignal als ein verknüpftes Komparatorsignal (410) zu bestimmen, wobei die Signalverarbeitungseinheit (160) weiter ausgestaltet ist, das weitere der drei Erfassungssignale (130,140,150) mit einem dritten Schwellwert (T3) zu vergleichen, um das Fenstersignal (420) zu bestimmen.Device (100) according to one of the preceding claims, wherein the signal processing unit (160) is designed to compare a difference signal of the two of the three detection signals (130,140,150) with a first and a second threshold value (T1,T2) in order to determine the detector signal as a linked To determine the comparator signal (410), the signal processing unit (160) being further configured to compare the other of the three detection signals (130,140,150) with a third threshold value (T3) in order to determine the window signal (420). Vorrichtung (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Signalquelle (110), die Detektoreinheiten (130,140,150) und die Signalverarbeitungseinheit (160) gemeinsam in einem Messkopf angeordnet sind.Device (100) according to one of the preceding claims, wherein the signal source (110), the detector units (130, 140, 150) and the signal processing unit (160) are arranged together in a measuring head. Vorrichtung (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, mit wenigstens drei zusätzlichen Detektoreinheiten, die entlang einer Messrichtung relativ zueinander versetzt und relativ zur Signalquelle (110) an einer jeweiligen vorbestimmten Position angeordnet sind, wobei die zusätzlichen Detektoreinheiten jeweils ausgestaltet sind, auf Basis eines von der Referenzmarke (220,221,222) in Antwort auf das Abtastungssignal (300) ausgehenden Antwortsignals ein zusätzliches Erfassungssignal auszugeben, wobei die zusätzlichen Erfassungssignale voneinander unabhängig sind.Device (100) according to one of the preceding claims, with at least three additional detector units, which are offset relative to one another along a measurement direction and are arranged at a respective predetermined position relative to the signal source (110), wherein the additional detector units are each configured on the basis of one of outputting an additional detection signal from the reference mark (220,221,222) in response to the response signal emanating from the scanning signal (300), the additional detection signals being independent of one another. System mit einer Vorrichtung (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche und einer Maßverkörperung (200) mit wenigstens einer Referenzmarke (220,221,222), wobei die Maßverkörperung (200) und die Vorrichtung (100) dazu ausgestaltet sind, dass die Vorrichtung (100) mit einer der drei Detektoreinheiten (130,140,150) oder einer weiteren Detektoreinheit (131,132,141,142,151,152) bei einer relativen Bewegung von Vorrichtung (100) und Maßverkörperung (200) ein periodisches inkrementelles Signal erfasst.System with a device (100) according to one of the preceding claims and a measuring standard (200) with at least one reference mark (220, 221, 222), wherein the measuring standard (200) and the device (100) are designed so that the device (100) with a the three detector units (130,140,150) or a further detector unit (131,132,141,142,151,152) detects a periodic incremental signal during a relative movement of the device (100) and measuring standard (200). System nach Anspruch 10, wobei das weitere der drei Erfassungssignale schmaler ist als eine Periode des inkrementellen Signals.system after claim 10 , where the other of the three detection signals is narrower than a period of the incremental signal. System nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei die Maßverkörperung (200) ein periodisches Gitter oder eine periodische Skala aufweist.system according to one of the Claims 10 or 11 , wherein the material measure (200) has a periodic grid or a periodic scale. System nach Anspruch 12, wobei die wenigstens eine Referenzmarke (220,221,222) gegenüber dem Gitter oder der Skala quer zur Messrichtung versetzt angeordnet ist.system after claim 12 , wherein the at least one reference mark (220,221,222) is offset relative to the grid or the scale transversely to the measuring direction. System nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei ein Abstand zwischen den zwei der drei Detektoreinheiten (130,140,150), deren Erfassungssignale (A,B,C) zur Bestimmung des Detektorsignals genutzt werden, in Messrichtung einer einfachen bis zweifachen Ausdehnung der Referenzmarke (220,221,222) in Messrichtung entspricht.system according to one of the Claims 10 until 13 , a distance between the two of the three detector units (130,140,150), whose detection signals (A,B,C) are used to determine the detector signal, in the measuring direction corresponding to a one to twofold extension of the reference mark (220,221,222) in the measuring direction. System nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Detektoreinheit, deren Erfassungssignal als Fenstersignal (420) oder zur Bestimmung des Fenstersignals (420) genutzt wird, in Messrichtung eine Abmessung aufweist, die einer halben bis einfachen Ausdehnung der Referenzmarke (220,221,222) in Messrichtung entspricht.system according to one of the Claims 10 until 14 , wherein the detector unit, the detection signal of which is used as a window signal (420) or for determining the window signal (420), has a dimension in the measuring direction that corresponds to a half to one extension of the reference mark (220,221,222) in the measuring direction. Verfahren zur Positionsbestimmung per Erfassung wenigstens einer Referenzmarke (220,221,222) einer Maßverkörperung (200), wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Aussenden eines Abtastungssignals (300) durch eine Signalquelle (110) einer Vorrichtung (100) zur Positionsbestimmung, Wechselwirken des Abtastungssignals (300) mit der Referenzmarke (220,221,222), so dass ein Antwortsignal vorliegt, Detektieren des Antwortsignals durch wenigstens drei Detektoreinheiten (140,150,160), die entlang einer Messrichtung relativ zueinander versetzt und relativ zur Signalquelle (110) an einer jeweiligen vorbestimmten Position angeordnet sind, um ein jeweiliges Erfassungssignal (A,B,C) an eine Signalverarbeitungseinheit (160) auszugeben, Bestimmen, durch die Signalverarbeitungseinheit (160), eines Detektorsignals auf Basis zweier der drei Erfassungssignale (A,B,C) und eines Fenstersignals (420) auf Basis des weiteren der drei Erfassungssignale (A,B,C) bzw. Nutzung des weiteren der drei Erfassungssignale (A,B,C) als das Fenstersignal (420), und Bestimmen der Position der Referenzmarke (220,221,222) auf Basis des Detektorsignals und des Fenstersignals (420).Method for determining the position by detecting at least one reference mark (220, 221, 222) of a material measure (200), the method comprising the steps: Transmission of a scanning signal (300) by a signal source (110) of a device (100) for position determination, Interaction of the scanning signal (300) with the reference mark (220, 221, 222) so that a response signal is present, Detection of the response signal by at least three detector units (140,150,160) which are offset relative to one another along a measurement direction and are arranged at a respective predetermined position relative to the signal source (110) in order to transmit a respective detection signal (A,B,C) to a signal processing unit (160) to spend Determining, by the signal processing unit (160), a detector signal based on two of the three detection signals (A,B,C) and a window signal (420) based on the other of the three detection signals (A,B,C) or using the other of the three detection signals (A,B,C) as the window signal (420), and determining the position of the reference mark (220,221,222) based on the detector signal and the window signal (420).
DE102020134604.2A 2020-12-22 2020-12-22 Device and method for position determination Active DE102020134604B4 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020134604.2A DE102020134604B4 (en) 2020-12-22 2020-12-22 Device and method for position determination

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102020134604.2A DE102020134604B4 (en) 2020-12-22 2020-12-22 Device and method for position determination

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102020134604A1 true DE102020134604A1 (en) 2022-06-23
DE102020134604B4 DE102020134604B4 (en) 2022-07-14

Family

ID=81847064

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102020134604.2A Active DE102020134604B4 (en) 2020-12-22 2020-12-22 Device and method for position determination

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102020134604B4 (en)

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4306634A1 (en) 1992-03-04 1993-09-30 Sony Magnescale Inc Position measurement device e.g. for magnetic linear or rotary encoder - has magnetic scale, movable detector with magnetoresistive sensor arranged at angle to scale
EP0361457B1 (en) 1988-09-30 1993-12-08 Canon Kabushiki Kaisha Method and apparatus for detecting a reference position of a rotating scale
EP1050742A2 (en) 1999-05-07 2000-11-08 Dr. Johannes Heidenhain GmbH Scanning unit for an optical position measuring device
US6175109B1 (en) 1998-12-16 2001-01-16 Renco Encoders, Inc. Encoder for providing incremental and absolute position data
US20030047674A1 (en) 2001-08-30 2003-03-13 Microe Systems, Inc. Reference point talbot encoder
EP1766334B1 (en) 2004-06-21 2014-07-02 Renishaw plc Scale reading apparatus
EP2525195B1 (en) 2011-05-18 2016-01-20 Dr. Johannes Heidenhain GmbH Optical positioning device
US20160231144A1 (en) 2013-10-01 2016-08-11 Renishaw Plc Reference mark detector arrangement
DE102018108347A1 (en) 2018-04-09 2019-10-10 Picofine GmbH Optical encoder and method for detecting a relative movement

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019517004A (en) 2016-05-25 2019-06-20 レニショウ パブリック リミテッド カンパニーRenishaw Public Limited Company Adaptive fiducial mark detection process
EP3623769A1 (en) 2018-09-12 2020-03-18 Renishaw PLC Measurement device

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0361457B1 (en) 1988-09-30 1993-12-08 Canon Kabushiki Kaisha Method and apparatus for detecting a reference position of a rotating scale
DE4306634A1 (en) 1992-03-04 1993-09-30 Sony Magnescale Inc Position measurement device e.g. for magnetic linear or rotary encoder - has magnetic scale, movable detector with magnetoresistive sensor arranged at angle to scale
US6175109B1 (en) 1998-12-16 2001-01-16 Renco Encoders, Inc. Encoder for providing incremental and absolute position data
EP1050742A2 (en) 1999-05-07 2000-11-08 Dr. Johannes Heidenhain GmbH Scanning unit for an optical position measuring device
US20030047674A1 (en) 2001-08-30 2003-03-13 Microe Systems, Inc. Reference point talbot encoder
EP1766334B1 (en) 2004-06-21 2014-07-02 Renishaw plc Scale reading apparatus
EP2525195B1 (en) 2011-05-18 2016-01-20 Dr. Johannes Heidenhain GmbH Optical positioning device
US20160231144A1 (en) 2013-10-01 2016-08-11 Renishaw Plc Reference mark detector arrangement
DE102018108347A1 (en) 2018-04-09 2019-10-10 Picofine GmbH Optical encoder and method for detecting a relative movement

Also Published As

Publication number Publication date
DE102020134604B4 (en) 2022-07-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE3833115C2 (en)
DE4122932C2 (en) Interferential position measuring device
EP1407231B1 (en) Position measuring device
EP2063230B1 (en) Optical positioning device
EP0160811A2 (en) Photoelectric measuring device
DE102007035345A1 (en) Position measuring device
DE102008007319A1 (en) Optical position measuring device
EP1271107B1 (en) Position measuring device
DE19726935B4 (en) Optical position measuring device
AT410485B (en) POSITION MEASURING DEVICE
EP0669519A2 (en) Position measuring device
EP2404143A2 (en) Position measuring device
DE102018202556A1 (en) Optical position measuring device
EP1427985B1 (en) Position measuring system and method for operating such a position measuring system
DE102020134604B4 (en) Device and method for position determination
EP2878930B1 (en) Position measuring device
EP1050742A2 (en) Scanning unit for an optical position measuring device
DE4212281C2 (en)
DE4423877A1 (en) Length or angle measuring device
EP3220106A1 (en) Optical distance sensor and position measuring device comprising such a distance sensor
DE10346380B4 (en) Position measuring device
EP0434973B1 (en) Opto-electronic position measuring device
EP0973013B1 (en) Displacement sensor
DE202005002622U1 (en) Optical position sensor has reference scale with zones of different reflectivity and sensor plate of different transmission to generate reference pulse
DE19936181A1 (en) Optical position measuring device

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final