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Die Erfindung betrifft eine Maßverkörperung in
Form eines Amplitudengitters für
eine lichtelektrische Positionsmesseinrichtung gemäß dem Anspruch
1 sowie eine Positionsmesseinrichtung gemäß dem Anspruch 8.
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Ein Amplitudengitter dient als Maßverkörperung
bei einer lichtelektrischen Positionsmesseinrichtung zur Messung
der Relativlage zweier zueinander beweglicher Objekte. Derartige
Amplitudengitter werden in Positionsmesseinrichtungen häufig als
Auflicht-Amplitudengitter eingesetzt. Bei Amplitudengittern liegen üblicherweise
reflektierende Bereiche oder Striche neben nicht reflektierenden
Lücken.
Der Reflexionsgrad der Striche soll dabei möglichst hoch sein, um letztlich
ein starkes Signal zu erhalten und entsprechend klein soll demnach
der Reflexionsgrad der Lücken
sein. Auf diese Weise kann ein hoher Modulationsgrad erreicht werden.
Häufig
werden Amplitudengitter aus einem Stahlband hergestellt, auf welchem
Striche aus gut reflektierenden Gold aufgebracht sind, wobei die
Lücken
aus rau geätztem
Stahl bestehen, welcher über
einen vergleichsweise niedrigen Reflexionsgrad verfügt. Derartige
Maßverkörperungen
weisen aber den Nachteil auf, dass die Lücken ein vergleichsweise schlechtes
Absorptionsvermögen
bzw. einen immer noch relativ hohen Reflexionsgrad haben. Darüber hinaus ist
diese bekannte Bauart nicht unempfindlich gegenüber Verschmutzungen. Unter
Verschmutzungen sind in diesem Fall etwa Tröpfchen aus Kühl-Schmiermitteln oder
beispielsweise Staubkörnchen
zu verstehen.
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In der
EP 0 160 784 A2 der Anmelderin ist ein Phasengitter
beschrieben. Phasengitter, sollen eine hohe Beugungseffizienz, und
damit verbunden einen möglichst
hohen Reflexionsgrad aller darin befindlichen Reflektorschichten
aufweisen, damit in den entsprechenden Positionsmesseinrichtungen
das Messsignal im Verhältnis
zu den Rauschsignalen möglichst
groß ist.
Das Phasengitter besteht aus zwei beabstandeten Reflexionsschichten,
die zu beiden Seiten einer transparenten Abstandsschicht angeordnet sind.
Phasengitter haben den Nachteil, dass sie in der Herstellung und
bezüglich
der Einbindung in eine Positionsmesseinrichtung relativ aufwändig sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
verschmutzungsunempfindliche Maßverkörperung
als Amplitudengitter anzugeben, die kostengünstig herstellbar ist, und
Bereiche mit sehr hohem Reflexionsgrad neben Bereichen mit sehr
niedrigem Reflexionsgrad aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
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Weiterhin soll eine Positionsmesseinrichtung mit
einer derartigen Maßverkörperung
angegeben werden, die wirtschaftlich herstellbar ist und deren Eigenschaften
und Merkmale im Anspruch 8 genannt sind.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile
bestehen insbesondere darin, dass nun Auflicht-Amplitudengitter
erzeugt werden können,
die einen guten Modulationsgrad des eingesetzten Lichtes bzw. einen überaus großen Kontrast
zwischen reflektierenden und nicht reflektierenden Bereichen aufweisen. Darüber hinaus
ist das neuartige Amplitudengitter bzw. die neuartige Positionsmesseinrichtung
sehr unempfindlich gegenüber
Verschmutzungen.
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Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung
entnimmt man den abhängigen
Ansprüchen.
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Der Erfindung liegt insbesondere
der Gedanke zu Grunde, dass durch Aufbringen von teiltransparenten
Bereichen auf einer Abstandsschicht, welche ihrerseits auf einer
reflektierenden Schicht ruht, überaus
niedrige Reflexionsgrade in diesen Bereichen erreichbar sind. Darüber hinaus
ist durch eine geringe Dicke der teiltransparenten Bereiche auch
eine Verschmutzungsunempfindlichkeit festzustellen, weil dadurch
eine nahezu planare Oberfläche
erzeugt wird. Hinzu kommt, dass durch eine derartige Oberfläche eine
leichte Reinigung des Amplitudengitters möglich ist.
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Es zeigte sich, dass die Positionsmesseinrichtung
mit Vorteil ein Amplitudengitter aufweisen sollte, dessen Abstandschicht
dünner
ist als λ/(4⋅n), wobei
unter λ die
Wellenlänge
einer Lichtquelle des Positionsmessgerätes und unter n die Brechzahl
der Abstandsschicht zu verstehen ist.
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Der Reflexionsgrad drückt das
Verhältnis von
reflektierter Lichtenergie zu der auf der Reflektionsschicht auftreffendem
Lichtenergie aus. Der Reflexionsgrad kann also folglich maximal
den Wert 1 beziehungsweise 100% erreichen. Er wird im folgenden
bei einer Lichtwellenlänge
aus dem Bereich zwischen 250 nm und 1600 nm, beispielsweise 670
nm angegeben. Der Einfallswinkel des Lichtes beträgt für die Bestimmung
des Reflexionsgrades 0°,
er ist also senkrecht beziehungsweise orthogonal zur Reflektorebene.
Unter einer reflektierenden Schicht ist im Folgenden eine Schicht
zu verstehen, die einem Reflexionsgrad von mindestens 50%, vorzugsweise mindestens
75% aufweist.
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Als transparente Schichten sind im
Folgenden Schichten gemeint, die beim senkrechtem Durchtritt von
Licht weniger als 30%, mit Vorteil weniger als 10% der Lichtstrahlung
absorbieren.
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Schließlich ist unter einer teiltransparenten Schicht
eine Schicht zu verstehen, welche bei senkrechtem auftreffen eines
Lichtstrahls weniger als 50%, vorzugsweise weniger als 30%, der
Intensität des
Lichtstrahls reflektiert und mehr als 7%, mit Vorteil mehr als 20%
der Intensität
des Lichtstrahles hindurchlässt.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
sowie des erfindungsgemäßen Amplitudengitters
und einer entsprechenden Positionsmesseinrichtung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der
beiliegenden Figuren.
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Es zeigen die
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1 eine
Querschnitt durch ein Amplitudengitter gemäß der Erfindung,
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2 eine
Prinzipdarstellung einer Positionsmesseinrichtung, Gemäß der 1 umfasst ein Amplitudengitter 1 ein
Substrat 1.4, bestehend aus einer 400 μm dicken Stahlschicht, auf dem
eine Reflektorschicht 1.1 aufgebracht ist. Die Reflektorschicht 1.1 besteht
im gezeigten Beispiel aus einer 60 nm dicken Lage aus Gold und weist
einen guten Reflexionsgrad von mehr als 90% auf.
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Darüber hinaus ist durch die Erfindung
auch ein Maßverkörperungsaufbau
abgedeckt, bei dem ganz auf ein Substrat 1.4 verzichtet
wird. Beispielsweise kann die Reflektorschicht 1.1 so dick
ausgestaltet sein, dass diese auch als Trägerkörper dient. Die Reflektorschicht 1.1 würde dann
beispielsweise aus einem polierten Aluminium- oder Stahlband bestehen.
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Auf der Reflektorschicht 1.1 befindet
sich eine Abstandsschicht 1.2, welche transparent ist und hier
als eine 110 nm dicke SiO2 ausgeführt ist.
Die Abstandsschicht 1.2 ist, bedingt durch ihren Werkstoff
und ihrer Dicke, praktisch volltransparent.
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In der 1 sind über der
Abstandsschicht 1.2 teiltransparente Teilungsstriche 1.3 dargestellt, welche
im gezeigten Beispiel aus 4 nm dickem Chrom bestehen. Die Teilungsstriche
sind 10 μm
breit und haben in Messrichtung einen Abstand von ebenfalls 10 μm, so dass
diese Teilungsstriche 1.3 im Prinzip die Messteilung, bzw.
eine gemäß der Messteilung
unterbrochene Schicht darstellen. Die überaus geringe Dicke der Teilungsstriche 1.3 bedingt
deren teiltransparente Eigenschaft und führt gleichzeitig zu einer beinahe
planaren Oberfläche
des Amplitudengitters. Vor allem dadurch, dass die dünnen teiltransparenten
Teilungsstriche 1.3 nur geringfügige Erhebungen auf der Oberfläche hervorrufen,
die in der Regel kleiner sind als die üblichen Rauheitsbedingten Unebenheiten,
ist das Amplitudengitter 1 verschmutzungsunempfindlich
und gegebenenfalls leicht zu reinigen. Darüber hinaus haftet das Chrom der
Teilungsstriche 1.3 derart gut auf der Abstandsschicht 1.2,
dass das Amplitudengitter problemlos mechanisch gereinigt werden
kann, ohne dass die Teilungsstriche 1.3 beschädigt würden.
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In der 2 ist
sind schematisch optische Elemente einer Positionsmesseinrichtung
gezeigt. Demnach umfasst die Positionsmesseinrichtung das Amplitudengitter 1,
eine Lichtquelle 2, einen Kondensor 3, eine Abtastplatte 4 mit
Strichlinien, die zwischen dem Kondensor 3 und dem Amplitudengitter 1 angeordnet
ist, sowie einen Fotodetektor 5. Der Fotodetektor 5 besteht
seinerseits aus fotoelektrischen Sensoren 5.1, im gezeigten
Beispiel auf Halbleiterbasis, und einem Trägersubstrat 5.2, hier
ausgebildet als Leiterplattenmaterial.
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Die Lichtquelle 2 strahlt
im gezeigten Beispiel Licht mit der Wellenlänge λ von etwa 860 nm aus. Die Funktionsweise
der Positionsmesseinrichtung beruht auf einem schattenoptischen
Prinzip. Das Licht wird dabei durch den Kondensor 3 parallel ausgerichtet
und durchstrahlt dann die Abtastplatte 4, die Strichlinien
aufweist. Danach wird das Licht vom Amplitudengitter 1 entsprechend
der Messteilung des Amplitudengitters 1 reflektiert bzw.
absorbiert. Das Amplitudengitter 1 ist, gemäß dem Doppelpfeil
in der 1, gegenüber der
Lichtquelle 2, dem Kondensor 3, der Abtastplatte 4 und
dem Fotodetektor 5 verschiebbar, wobei die Verschiebung
eine positionsabhängige
Modulation des Lichtes bewirkt, welches vom Fotodetektor 5 bzw.
von den fotoelektrischen Sensoren 5.1 in positionsabhängige elektrische
Signale umgewandelt wird.
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Die optische Funktion des Amplitudengitters 1 kann
stark vereinfacht anhand der 1 erläutert werden.
Der Lichtstrahl A trifft auf den teiltranspa renten Teilungsstrich 1.3 und
wird von diesem teilweise reflektiert und teilweise hindurchgelassen.
Im gezeigten Beispiel wird am Teilungsstrich 1.3 25% der
ursprünglichen
Lichtintensität
reflektiert. Beim Durchtritt durch den teiltransparenten Teilungsstrich 1.3 werden
von den verbliebenen, nicht reflektierten, 75% der ursprünglichen
Lichtintensität
etwa 40% absorbiert.
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Wenn das Licht die transparente Abstandsschicht 1.2 durchstrahlt,
tritt praktisch keine Lichtabschwächung ein, so dass etwa 45%
des Lichtes die Reflektorschicht 1.1 erreicht. Die Reflektorschicht 1.1 reflektiert
etwa 90% der einfallenden Lichtintensität, so dass bezogen auf die
ursprüngliche
Lichtintensität nach
der Reflexion noch 40,5% des Lichtes vorhanden ist. Dieses Licht
durchdringt nun wieder die teiltransparente Schicht und verliert
dadurch wieder 40%, so dass der Lichtstrahl A' nur noch 24,3% der ursprünglichen
Lichtintensität
des Lichtstrahles A aufweist. Wie bereits erwähnt, wurden etwa 25% der Lichtintensität des Lichtstrahles
A bereits an dem Teilungsstrich 1.3 reflektiert. Somit
ist die Intensität
des am Teilungsstrich 1.3 reflektierten Lichtes etwa gleich groß wie die
Intensität
des aus dem Teilungsstrich 1.3 heraustretenden Lichtes.
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Allerdings haben diese Strahlen,
der vom Teilungsstrich 1.3 reflektierte und der aus dem
Teilungsstrich 1.3 austretende, eine um 180° versetzte Phase.
Die Größe des Phasenunterschiedes
hängt hauptsächlich von
der Wellenlänge λ der Lichtquelle 2,
der Dicke d2 der Abstandschicht 1.2 und
der Brechzahl n der Abstandschicht 1.2 ab. Darüber hinaus spielen
auch noch der Einfallswinkel des Lichtes auf das Amplitudengitter 1,
die Materialabhängigkeit
des Phasensprunges an der Reflektorschicht 1.1 und der Absorptionsgrad
k der Teilungsstriche 1.3 eine, wenn auch untergeordnete,
Rolle für
die Größe des erzielten
Phasenunterschiedes. Eine Auslöschung
der Lichtstrahlen im Bereich der Teilstriche 1.3 ist dann festzustellen,
wenn die Phasendifferenz zwischen den an den Teilstrichen 1.3 und
den an der Reflektorschicht 1.1 gespiegelten Strahlen 180° oder ein
Vielfaches davon haben. In erster Näherung kann die Dicke d2 der Abstandschicht 1.2 durch den
Zusammenhang d2 = (2m+1)⋅λ/(4⋅n) ermittelt werden, wobei
m ein ganze Zahl von Null bis unendlich sein kann. In einer bevorzugten
Ausfüh rungsform,
wie sie in diesem Beispiel gezeigt ist, wird die Dicke d2 der Abstandschicht 1.2 möglichst
klein gewählt,
so dass m = 0 angesetzt wird. Die möglichst geringe Dicke d2 hat unter anderem Vorteile bezüglich der
Wirtschaftlichkeit des Herstellungsverfahrens (kurze Verweilzeit
im Prozess) und für
die Reduzierung von mechanischen Spannungen im Schichtgefüge des Amplitudengitters 1.
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Bei einer Wellenlänge λ von 860 nm und einer Brechzahl
n = 1,5 der Abstandsschicht 1.2 ergibt sich für die Auslegung
von d2 also in erster Näherung eine Wert von ca. 143
nm. Nach der Korrektur bezüglich
der weiteren oben genannten Einflüsse wurde schließlich eine
optimale Dicke d2 der Abstandschicht 1.2 von
110 nm ermittelt. Dabei ist eine weitgehende Auslöschung im
Bereich der Teilungsstriche 1.3 gegeben, so das der Lichtstrahl
A' eine sehr schwache Intensität
aufweist.
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Demgegenüber tritt der Strahl B mit
voller Intensität
in die transparente Abstandsschicht 1.2 ein und verliert
innerhalb dieser kaum an Energie. Lediglich bei der Reflexion an
der Reflektorschicht 1.1 büßt das Licht etwa 10% seiner
Intensität
ein. Demnach tritt ein Lichtstrahl B' zwischen den Teilungsstrichen 1.3 mit
einer Intensität
von 90%, bezogen auf das einfallende Licht aus. Diese Bereiche erscheinen
daher als sehr hell.
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Nachdem also der Lichtstrahl A' eine
sehr geringe Intensität
aufweist und demgegenüber
der Lichtstrahl B' eine entsprechend hohe Intensität hat, können in
der Positionsmesseinrichtung hochwertige Positionssignale erzeugt
werden, die sehr gut weiterverarbeitet, etwa interpoliert, werden
können,
so dass eine präzise
arbeitende Positionsmesseinrichtung erreicht werden kann.