DE10303795B4

DE10303795B4 - Positionsmesseinrichtung

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Publication number: DE10303795B4
Application number: DE10303795A
Authority: DE
Inventors: Walter Dipl.-Ing. Huber (Fh); Wolfgang Dr. Holzapfel; Udo Linnemann
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2010-10-14
Anticipated expiration: 2023-02-01
Also published as: US6943341B2; DE10303795A1; US20040227066A1

Abstract

Positionsmesseinrichtung, bestehend aus einem Maßstab (10) und einer relativ dazu beweglichen Abtasteinheit (20), wobei
– der Maßstab (10) eine Inkrementalteilungsspur mit einer definierten Inkremental-Teilungsperiode (TPM_INC) und an mindestens einer definierten Referenzposition (x_REF) ein Referenzmarkierungsfeld (M_REF) mit einer mittleren Referenzmarkierungs-Teilungsperiode (TPM_REF,m) aufweist, wobei sich die mittlere Referenzmarkierungs-Teilungsperiode (TPM_REF,m) von der Inkremental-Teilungsperiode (TPM_INC) unterscheidet,
– die Abtasteinheit mehrere Abtastelemente zur Erzeugung von Abtastsignalen (A, B, C) aufweist, wobei als Abtastsignale (A, B, C) zumindest zwei phasenverschobene Inkrementalsignale (S₀, S₉₀) erzeugbar sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
– der Abtasteinheit (20) erste Auswertemittel (40) nachgeordnet sind, die geeignet sind zur Bestimmung einer Grob-Referenzposition (x_REF,G) aus dem Maximum der resultierenden Störung in den Abtastsignalen bei einer definierten Relativposition von Maßstab (10) und Abtasteinheit (20) und
– der Abtasteinheit (20) zweite Auswertemittel (50) nachgeordnet sind, die geeignet sind zur Bestimmung einer Schwebungssignal-Phase aus der Differenz eines ganzzahligen Vielfachen der Referenzimpuissignal- Phase und einem...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Positionsmesseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Bekannte Positionsmesseinrichtungen liefern neben Inkrementalsignalen bezüglich des Relativversatzes zweier zueinander beweglicher Teile in der Regel auch sogenannte Referenzimpulssignale. Über die Referenzimpulssignale kann bei einer definierten Relativposition der zueinander beweglichen Teile ein exakter Absolutbezug der Positionsmessung hergestellt werden. Zur Erzeugung der Referenzimpulssignale sind auf Seiten des Maßstabes der Positionsmesseinrichtung an ein oder mehreren Stellen Referenzmarkierungsfelder angeordnet. Die Abtasteinheit der Positionsmesseinrichtung umfasst u. a. mindestens eine Abtastplatte mit ein oder mehreren Abtastteilungen, über die bei der zu detektierenden Relativposition von Maßstab und Abtasteinheit ein entsprechendes Referenzimpulssignal erzeugbar ist.
Bezüglich der Anordnung der Referenzmarkierungsfelder auf dem Maßstab bzw. der zur Abtastung derselben nötigen Abtastteilungen auf Seiten der Abtasteinheit sind eine Reihe verschiedener Möglichkeiten bekannt.
So offenbart beispielsweise die US 4,263,506 , die Referenzmarkierungsfelder auf dem Maßstab seitlich benachbart zur Teilungsspur mit der Inkrementalteilung anzuordnen.
Daneben ist es auch möglich, die Referenzmarkierungsfelder an mindestens einer Referenzposition unmittelbar in die Teilungsspur mit der Inkrementalteilung zu integrieren, wie dies etwa in der US 3,985,448 vorgeschlagen wird. Zu diesem Zweck können an der gewünschten Stelle des Maßstabes in der Inkrementalteilung z. B. ein oder mehrere Stege oder Striche der Inkrementalteilung weggelassen werden.
Weitere Varianten bezüglich der Integration von Referenzmarkierungsfeldern in die Spur mit der Inkrementalteilung sind ferner aus der DE 35 36 466 A1 und aus der US 4,866,269 bekannt. In diesen Druckschriften wird vorgeschlagen, in der Inkrementalteilung die Referenzmarkierungsfelder als aperiodische Strich- oder Stegfolgen auszubilden oder aber Bereiche mit veränderten optischen Eigenschaften als Referenzmarkierungsfelder zu nutzen, die sich von der restlichen Inkrementalteilung unterscheiden.
Insbesondere im Fall von hochauflösenden optischen Positionsmesseinrichtungen, in denen die Abtastsignale basierend auf der Interferenz überlagerter Teilstrahlenbündel erzeugt werden, ergibt sich bei der Erzeugung von Referenzimpulssignalen die Anforderung, möglichst ebenfalls hochauflösende Referenzimpulssignale zu erzeugen.
Die DE 199 36 181 A1 offenbart eine weitere optische Positionsmesseinrichtung zur Bestimmung der Relativposition zweier in Messrichtung zueinander beweglicher Objekte. Zur Erzeugung eines Referenzimpulssignals ist vorgesehen, auf dem Maßstab eine Maßstab- Referenzmarkenstruktur aus mehreren Blöcken anzuordnen, die über eine Abtasteinheit abgetastet wird, die eine Abtast-Referenzmarkenstruktur und mehrere Detektorelemente umfasst. Die Maßstab- und Abtast-Referenzmarkenstrukturen werden geeignet aufeinander abgestimmt. Zur Erzeugung hochauflösender Referenzimpulssignale in interferentiellen optischen Positionsmesseinrichtungen eignet sich diese Variante zur Referenzimpulssignal-Generierung jedoch nicht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Positionsmesseinrichtung anzugeben, mittels der neben hochauflösenden Inkrementalsignalen auch die Erzeugung hochauflösender Referenzimpulssignale möglich ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Positionsmesseinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1.
Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung ergeben sich aus den Maßnahmen, die in den von Anspruch 1 abhängigen Patentansprüchen aufgeführt sind.
Erfindungsgemäß erfolgt nunmehr die Bestimmung der Referenzposition in mehreren Schritten. Hierbei wird zunächst über erste Auswertemittel eine Grob-Referenzposition aus dem Maximum der resultierenden Störung in den Abtastsignalen bei einer definierten Relativposition von Maßstab und Abtasteinheit ermittelt. Über zweite Auswertemittel erfolgt die Bestimmung einer Schwebungssignalphase aus der Differenz eines ganzzahligen Vielfachen der Referenzimpulssignalphase und einem ganzzahligen Vielfachen der Inkrementalsignalphase. Mittels dritter Auswertemittel wird schließlich aus der Grob-Referenzposition und der Schwebungssignalphase eine hochauflösende Fein-Referenzposition abgeleitet.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahmen sind somit über die abtastseitige Detektoranordnung ein oder mehrere phasenverschobene periodische Abtastsignale hoher Auflösung detektierbar, die im Bereich der Referenzposition eine erfassbare Störung aufweisen. Über die Detektion der an dieser Stelle gestörten Abtastsignale lässt sich erfindungsgemäß eine zusätzliche hochauflösende Absolutpositionsbestimmung vornehmen.
Die aus den Referenzimpulssignalen gewonnene Nullage bzw. Referenzposition lässt sich hierbei mit einer derartigen Genauigkeit bestimmen, die ausreichend ist, um eindeutig eine einzelne Inkrementalsignalperiode zu kennzeichnen. Die Reproduzierbarkeit der Positionsmesseinrichtung wird somit allein auf die Reproduzierbarkeit der inkrementalen Positionsbestimmung zurückgeführt.
In Bezug auf die konkrete Ausbildung sowohl des Referenzmarkierungsfeldes auf dem Maßstab wie auch der Abtastplatte in der Abtasteinheit, d. h. demzufolge in Bezug auf den konkreten Abtaststrahlengang, existieren eine Reihe von Möglichkeiten.
So ist es etwa möglich, das abgetastete Referenzmarkierungsfeld in die Inkrementalteilungsspur zu integrieren. Daneben kann aber auch eine Anordnung von ein oder mehreren, geeignet ausgebildeten Referenzmarkierungsfeldern neben der Inkrementalteilungsspur auf dem Maßstab angeordnet werden.
Detektionsseitig kann die Erfassung der resultierenden Abtastsignale derart vorgenommen werden, dass Detektorelemente zur gemeinsamen Detektion eines bzw. mehrerer phasenverschobener Abtastsignale vorgesehen werden, aus denen dann die Inkrementalsignalanteile und die Referenzimpulssignalanteile geeignet zu separieren sind. Alternativ hierzu ist aber auch möglich, separate Detektorelemente für die Erfassung der verschiedenen Abtastsignale in Form von Inkrementalsignalen bzw. Referenzimpulssignalen vorzusehen.
Des Weiteren können beispielsweise entlang der Messstrecke mehrere Referenzmarkierungsfelder vorgesehen werden; diese können hierbei etwa gleichbeabstandet oder aber abstandscodiert vorgesehen werden etc..
Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Figuren.
Hierbei zeigt
1 eine schematisierte Darstellung des entfalteten Abtaststrahlenganges eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung;
2 eine Draufsicht auf den Maßstab aus der Positionsmesseinrichtung aus 1;
3a–3b je eine Darstellung zur beispielhaften Erläuterung der Ausgestaltung eines Referenzmarkierungsfeldes auf dem Maßstab;
4 eine Draufsicht auf die Abtastplatte aus der Positionsmesseinrichtung aus 1;
5 eine Darstellung eines einzelnen resultierenden Abtastsignales, das mit der Positionsmesseinrichtung aus 1 erzeugbar ist;
6 ein Blockschaltbild zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Erzeugung eines hochauflösenden Referenzimpulssignales;
7a–7e jeweils jeweils ein Signaldiagramm zur Erläuterung des Blockschaltbildes in 6;
In 1 ist in schematischer Form der entfaltete Abtaststrahlengang eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung dargestellt. Es sei bereits an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass es neben dem erläuterten Beispiel auch alternative Abtastkonfigurationen bzw. Abtaststrahlengänge gibt, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung realisierbar sind.
Anhand von 1 sei nachfolgend ein sog. interferenzieller Mehrgittergeber erläutert, auf dessen Basis die vorliegende Erfindung realisierbar ist. Als relativ zueinander in Messrichtung x bewegliche Komponenten umfasst die Positionsmesseinrichtung in bekannter Art und Weise einen Maßstab 10 sowie eine Abtasteinheit, die in einem – nicht dargestellten – geeigneten Gehäuse eine Reihe von Abtastelementen zur Erzeugung von Abtastsignalen enthält. Im wesentlichen umfasst die Abtasteinheit hierbei eine Lichtquelle 21, mindestens eine Abtastplatte 22 mit ein oder mehreren Abtastteilungen sowie eine nur schematisch angedeutete optoelektronische Detektoranordnung 23, die ein oder mehrere Detektorelemente umfasst.
In 1 ist der entfaltete Abtaststrahlengang einer im Auflicht betriebenen Variante der erfindungsgemäßen Positionsmessseinrichtung schematisiert dargestellt. Dies bedeutet, dass die von der Lichtquelle 21 emittierten Strahlenbündel S zunächst ein erstes Mal auf den reflektierend ausgelegten Maßstab 10 auftreffen und sich daraufhin als räumlich separierte Teilstrahlenbündel INC₊₁, INC_-1, REF₊₁, REF_-1 in Richtung der Abtastplatte 22 bzw. der darauf angeordneten Abtastteilungen ausbreiten. Im Fall des bevorzugten Auflicht-Systems erfolgt dies durch Beugung in Richtung der +/– 1. Beugungsordnungen am Maßstab 10. An der Abtastplatte 22 werden die Teilstrahlenbündel INC₊₁, INC_-1, REF₊₁, REF_-1 wiederum in die +/– 1. Ordnungen gebeugt, so dass sie sich an der Position x_REF am Maßstab 10 wieder vereinigen. Dort werden sie erneut in +/– 1. Ordnungen gebeugt und propagieren somit als vereinigtes Strahlenbündel D in Richtung der Detektoranordnung 23. Im Strahlenbündel D, das von der Detektoranordnung 23 erfasst wird, sind die Informationen bzgl. einer resultierenden Verschiebung von Maßstab 10 und Abtasteinheit in Form der verschiebungsabhängig miteinander interferierenden Teilstrahlenbündel enthalten. Zu den mittels der Detektoranordnung 23 erfassbaren Informationen in Form eines intensitätsmodulierten Abtastsignals gehören hierbei sowohl Informationen bzgl. der Relativverschiebung wie auch bzgl. einer Absolutposition x_REF entlang der Messtrecke. Die Detektion sowohl des Inkrementalsignals wie auch des mindestens einen Referenzimpulssignals erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel demzufolge über die gemeinsame Detektoranordnung 23.
Grundsätzlich wäre es im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch möglich, getrennte Detektoranordnungen für die Erfassung der Inkremental- und Referenzimpulssignale einzusetzen.
Üblicherweise werden in inkrementalen Positionsmesseinrichtungen mehrere phasenverschobene Abtastsignale erzeugt, die dann in bekannter Art und Weise weiterverarbeitet werden. Zur Erzeugung der phasenverschobenen Abtastsignale sind bzgl. des Strahlenbündels D weitere abtastseitige Maßnahmen erforderlich, die dem einschlägigen Fachmann geläufig sind und deshalb an dieser Stelle nicht weiter erläutert werden. Ergänzend sei in diesem Zusammenhang lediglich auf die WO 02/23131 der Anmelderin hingewiesen.
In 1 sind aus Gründen der besseren Darstellbarkeit durchwegs transmittierende Teilungsstrukturen auf Seiten des Maßstabes 10 sowie der Abtastplatte 22 dargestellt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Maßstab 10 wie bereits erläutert als reflektierende Teilungsstruktur in Form eines Reflexions-Phasengitters ausgebildet, d. h. im Gegensatz zur Darstellung in 1 ist letztlich nur einziger, zweimal beaufschlagter Maßstab 10 vorhanden, der in Reflexion betrieben wird. Da in einem derartigen System von der Abtastplatte 22 in Richtung des Maßstabes 10 gebeugte Teilstrahlenbündel erforderlich sind, kann in einer möglichen Variante die Abtastplatte 22 ebenfalls reflektierend ausgelegt werden. In einer hierzu alternativen Variante werden auf Seiten der Abtasteinheit zwei im Durchlicht verwendete, identisch ausgebildete Abtastplatten 22 eingesetzt, zwischen denen ein geeignetes Umlenkprisma angeordnet ist, über das eine Umlenkung der aufgespaltenen Strahlenbündel in Richtung der zweiten Abtastplatte bzw. des Maßstabes 10 erfolgt. Im Fall einer derartigen Variante liegt demzufolge strenggenommen ein Viergittergeber vor, bei dem das erste und das vierte durchlaufene Gitter dem in Reflexion genutzten Maßstab 10 entsprechen und das zweite und dritte Gitter den jeweils identisch ausgebildeten Abtastplatten 22 entspricht, zwischen denen das Umlenkprisma angeordnet ist. In Bezug auf die letztgenannte Variante und weitere Details eines derartigen Abtaststrahlenganges sei an dieser Stelle ausdrücklich auf die WO 02/23131 der Anmelderin verwiesen.
Nachfolgend sei anhand der 1–4 detailliert die Erzeugung der Abtastsignale bzw. Inkremental- und Referenzimpulssignale mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläutert. Die 2 und 4 zeigen jeweils eine stark schematisierte Ansicht der auf dem Maßstab 10 bzw. auf der Abtastplatte 22 aus 1 vorhandenen Strukturen.
In 2 ist eine Teil-Draufsicht auf den Maßstab 10 dargestellt, in der die Inkrementalteilungsspur erkennbar ist, die aus Inkremental-Bereichen M_INC mit einer definierten Inkremental-Teilungsperiode TPM_INC besteht und aus deren Abtastung ein oder mehrere Inkrementalsignale A, B, C resultieren. An der definiert vorgegebenen Referenzposition x_REF ist zwischen zwei Inkremental-Bereichen M_INC ein Referenzmarkierungsfeld M_REF angeordnet und dient an dieser Stelle zur Erzeugung eines Referenzimpulssignals Z, um auf diese Art und Weise bei der Positionsbestimmung einen eindeutigen Absolutbezug herzustellen.
In den Inkremental-Bereichen M_INC sind Teilbereiche 11.1, 11.2 mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften periodisch mit der Inkremental-Teilungsperiode TPM_INC angeordnet. Im Fall einer Maßstab-Ausbildung als Reflexions-Phasengitter handelt es sich beispielsweise um alternierend angeordnete Teilbereiche 11.1, 11.2, die eine unterschiedliche Phasenverschiebung für die gebeugten Strahlenbündel zur Folge haben. In einer möglichen Ausführungsform beträgt die Inkremental-Teilungsperiode TPM_INC beispielsweise TPM_INC = 2 μm. Aus der Abtastung der Inkremental-Bereiche M_INC resultiert in bekannter Art und Weise mindestens ein hochauflösendes periodisches Inkrementalsignal mit der Inkrementalsignalperiode SP_INC, wie dies etwa in der bereits oben erwähnten WO 02/23131 offenbart ist. Im Fall einer gewählten Inkremental-Teilungsperiode TPM_INC = 2 μm ergibt sich dergestalt etwa eine Inkrementalsignalperiode SP_INC = 0.5 μm. Vorzugsweise werden auf diese Art und Weise zwei oder mehr Inkrementalsignale erzeugt, die einen definierten Phasenversatz zueinander aufweisen, wobei im Fall von zwei bzw. vier Inkrementalsignalen ein Phasenversatz von 90° resultiert, während im Fall von drei Inkrementalsignalen ein Phasenversatz von jeweils 120° zueinander vorgesehen ist.
Unmittelbar in die Inkrementalteilungsspur integriert ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel an der Referenzposition x_REF ein Referenzmarkierungsfeld M_REF angeordnet, das ebenfalls aus einer in Messrichtung x alternierenden Anordnung von Teilbereichen mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften besteht. Dessen Teilungsstruktur unterscheidet sich erfindungsgemäß in definierter Art und Weise von der periodischen Teilungsstruktur in den Inkremental-Bereichen M_INC, um dergestalt an dieser Stelle ein detektierbares Referenzimpulssignal zu erzeugen. In Messrichtung x beträgt die Ausdehnung d_REF des Referenzmarkierungsfelds M_REF in einer konkreten Ausführungsform typischerweise d_REF = 600 μm.
Die Dimensionierung bzw. Ausgestaltung der Teilungsstruktur im Referenzmarkierungsfeld M_REF unterliegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung nunmehr bestimmten Überlegungen. So wird diese dergestalt gewählt bzw. dimensioniert, dass im Bereich des Referenzmarkierungsfeldes M_REF vorteilhafterweise eine Teilungsperiode vorhanden ist, die nachfolgend als mittlere Referenzmarkierungs-Teilungsperiode TPM_REF,m bezeichnet sei. Die Wahl der Referenzmarkierungs-Teilungsperiode TPM_REF,m erfolgt erfindungsgemäß derart, dass sich diese von der Inkremental-Teilungsperiode TPM_INC unterscheidet; ein konkretes Zahlenbeispiel folgt im Verlauf der weiteren Beschreibung. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist das Referenzmarkierungsfeld neben der mittleren Referenzmarkierungs-Teilungsperiode TPM_REF,m des weiteren noch eine zweite Periodizität auf, nämlich die Periodizität der Inkremental-Teilungsperiode TPM_INC.
Das Vorsehen der beiden Periodizitäten in diesem Bereich ist grundsätzlich jedoch nicht erfindungswesentlich, sondern wurde lediglich deshalb im vorliegenden Ausführungsbeispiel gewählt, da keine getrennten Detektorelemente zur Erfassung von Inkrementalsignal und Referenzimpulssignal vorgesehen sind. Es ist daher wünschenswert, dass im Bereich des Referenzmarkierungsfeldes ein möglichst gering gestörtes Inkrementalsignal vorliegt, d. h. dass in diesem Bereich auf jeden Fall auch eine inkrementale Positionsinformation verfügbar ist. Grundsätzlich würde es ohne diese Anforderung jedoch ausreichen, im Bereich des Referenzmarkierungsfeldes lediglich die von der Inkremental-Teilungsperiode TPM_INC abweichende Referenzmarkierungs-Teilungsperiode TPM_REF,m vorzusehen.
Ausgangsseitig resultiert auf Seiten der Abtasteinheit im vorliegenden Ausführungsbeispiel mindestens ein periodisches Inkrementalsignal, das im Bereich der Referenzposition x_REF bzw. im Bereich des Referenzmarkierungs feldes M_REF eine Störung aufweist, die als hochauflösendes Referenzimpulssignal aus dem bzw. den periodischen Inkrementalsignalen extrahierbar ist.
Für Strahlenbündel S, die auf das Referenzmarkierungsfeld M_REF einfallen, ergeben sich im räumlichen Bereich des Referenzmarkierungsfeldes M_REF des Maßstabes 10 demzufolge in diesem Beispiel unterschiedliche räumliche Ablenkwirkungen aufgrund der dort vorhandenen, mindestens zwei unterschiedlichen Teilungsperioden TPM_INC und TPM_REF,m. In einer möglichen Ausführungsform wird beispielsweise die mittlere Referenzmarkierungs-Teilungsperiode TPM_REF,m geringfügig unterschiedlich von der doppelten Inkremental-Teilungsperiode TPM_INC gewählt; grundsätzlich gibt es darüber hinaus jedoch auch vielfältigste andere realisierbare Verhältnisse für die verschiedenen Teilungsperioden TPM_INC und TPM_REF,m, sofern grundsätzlich mehr als nur die Referenzmarkierungs-Teilungsperiode TPM_REF,m im entsprechenden Referenzmarkierungsfeld M_REF vorgesehen werden soll.
In vielen Fällen kann zur Trennung der Beugungsordnungen des Inkrementalsignal-Abtaststrahlenganges und des Referenzimpulssignal-Abtaststrahlenganges eine Grundperiodizität bzw. mittlere Referenzmarkierungs-Teilungsperiode TPM_REF,m im Referenzmarkierungsfeld M_REF zu wählen, die deutlich von der Inkremental-Teilungsperiode TPM_INC abweicht. Die Periodizitäten werden stets so bestimmt, dass im detektierten Abtastsignal ein Schwebungssignalanteil mit einer Schwebungssignalperiode Λ resultiert. Die Schwebungssignalperiode Λ ergibt sich hierbei aus der folgenden Beziehung: 1/λ = |n/SPINC – m/SPREF,m| (Gl. 1)mit
SP_INC: Inkrementalsignalperiode
SP_REF,m: mittlere Referenzimpulssignalperiode
n, m = 1, 2, ...; n, m haben keinen gemeinsamen Teiler
Vorteilhafterweise werden die verschiedenen Periodizitäten SP_INC, SP_REF,m so gewählt, dass für die die resultierende Schwebungssignalperiode Λ in etwa gilt: Λ ≈ (5 – 100)·SPINC (Gl. 2)
In einem konkreten Beispiel wird die Einhaltung dieser Bedingung gewährleistet mit TPM_INC = 2 μm (entspricht SP_INC = 0.5 μm), TPM_REF,m = 4,55 μm (entspricht SP_REF,m = 1.1375 μm), n = 1, m = 2, woraus sich eine Schwebungssignalperiode Λ = 4,1 μm ergibt.
Detailliert wird auf die Bedeutung des resultierenden Schwebungssignales für die vorliegende Erfindung im weiteren Verlauf der Beschreibung eingegangen.
Anhand der 3a–3c sei nachfolgend prinzipiell erläutert, wie beispielsweise die Teilungsstruktur im Bereich des Referenzmarkierungsfeldes M_REF dimensioniert werden kann. In den 3a–3c sind jeweils noch zu erläuternde Gitterstrukturen, bestehend aus Abfolgen von Stegen und Lücken in Seitenansichten inklusive zugehörigen Sinusfunktionen dargestellt, die die Gitterphase an der jeweiligen Position bzw. die Position der Stegkanten der Gitter charakterisieren.
3a zeigt eine erste Gitterstruktur mit einer ersten Teilungsperiode, die beispielsweise der vorgesehenen Inkremental-Teilungsperiode TPM_INC auf einem Maßstab entspricht.
In 3b ist eine zweite Gitterstruktur mit einer zweiten Teilungsperiode dargestellt, die einer gewünschten mittleren Referenzmarkierungs-Teilungsperiode TPM_REF,m entspricht. Im vorliegenden Beispiel erfolgt die Wahl des Verhältnisses für die Referenzmarkierungs- und Inkremental-Teilungsperiode TPM_INC, TPM_REF,m demzufolge wie vorab erläutert, d. h. die mittlere Referenzmarkierungs-Teilungsperiode TPM_REF,m wird geringfügig unterschiedlich von der doppelten Inkremental-Teilungsperiode TPM_INC gewählt.
3c zeigt schließlich die resultierende additive Überlagerung der beiden Gitterstrukturen aus den 3a und 3b. Die Überlagerungsstruktur enthält demzufolge sowohl die erste und die zweite Teilungsperiode TPM_INC, TPM_REF,m, respektive die Inkremental-Teilungsperiode TPM_INC als auch die Referenzmarkierungs-Teilungsperiode TPM_REF,m. Eine derartige, resultierende Gitterstruktur kann dann in einem Referenzmarkierungsfeld M_REF auf dem Maßstab angeordnet werden, wie dies oben in 2 erläutert wurde. In den benachbarten Inkrementalbereichen M_INC der Inkrementalteilungsspur ist die Gitterstruktur gemäß 3a ausgebildet.
Diese Erläuterung der Prinzipien für die Ausgestaltung des Referenzmarkierungsfeldes auf dem Maßstab ist selbstverständlich nur beispielhaft zu verstehen. Es existieren im Rahmen der vorliegenden Erfindung demzufolge vielfältige alternative Ausgestaltungsmöglichkeiten für die jeweilige Ausbildung des Referenzmarkierungsfeldes.
In der Prinzipdarstellung der 1 ist erkennbar, wie sich eine derartige Ausgestaltung der Teilungsstruktur im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Bereich des Referenzmarkierungsfeldes M_REF auf den Abtaststrahlengang auswirkt. So erfolgt in diesem Bereich aufgrund der mindestens zwei vorhandenen Teilungsperioden TPM_INC und TPM_REF,m eine Aufspaltung des von der Lichtquelle 21 her einfallenden Strahlenbündels S in die Teilstrahlenbündel INC₊₁, INC_-1, REF₊₁, REF_-1, die sich in mindestens zwei unterschiedlichen Raumrichtungen +RR1, –RR1, +RR2, –RR2 weiter ausbreiten. Im vorliegenden Beispiel resultiert eine Aufspaltung des einfallenden Strahlenbündels S in insgesamt vier Teilstrahlenbündel INC₊₁, INC_-1, REF₊₁, REF_-1. Hierbei stellen die Teilstrahlenbündel INC₊₁, INC₁ die aufgrund der gewählten Inkremental-Teilungsperiode TPM_INC in die Raumrichtungen +RR1 und –RR1 abgelenkten +/– 1. Beugungsordnungen des einfallenden Strahlenbündels S dar, die Teilstrahlenbündel REF₊₁, REF_-1 hingegen die aufgrund der Referenzmarkierungs-Teilungsperiode TPM_REF,m in die Raumrichtungen +RR2 und –RR2 abgelenkten +/– 1. Beugungsordnungen des einfallenden Strahlenbündels S. Während die Teilstrahlenbündel INC₊₁, INC_-1 dabei abtastseitig zur Erzeugung des mindestens einen Inkrementalsignals beitragen, ver ursachen die lediglich im Bereich des Referenzmarkierungsfeldes M_REF auftretenden Teilstrahlenbündel REF₊₁, REF_-1 eine definierte Störung des Inkrementalsignals an dieser Steile, die sich als Referenzimpulssignal aus dem mindestens einen Inkrementalsignal extrahieren lässt. Im konkreten Beispiel erfolgt im übrigen die Erzeugung von drei um 120° zueinander phasenverschobenen Inkrementalsignalen, nachfolgend als Inkrmentalsignale A, B, C bezeichnet.
Neben den erläuterten Maßnahmen auf der Maßstabseite im Bereich des Referenzmarkierungsfeldes M_REF sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch auf der Seite der Abtasteinheit und der Abtastelemente, d. h. insbesondere auf Seite der Abtastplatte 22 bestimmte Maßnahmen erforderlich. Wie hierbei etwa ebenfalls aus der 1 ersichtlich ist, besitzt die Abtastplatte 22 mindestens eine Teilungsstruktur, die dergestalt ausgebildet ist, dass die darauf aus den verschiedenen Raumrichtungen +RR1, –RR1, +RR2, –RR2 einfallenden Teilstrahlenbündel INC₊₁, INC_-1, REF₊₁, REF_-1 wieder in Richtung des Referenzmarkierungsfeldes M_REF auf dem Maßstab 10 zurück umgelenkt werden. Vom Maßstab 10 wiederum propagiert ein Strahlenbündel D in Richtung der Detektoranordnung 23. Im Strahlenbündel D sind die verschiebungsabhängigen Informationen bzgl. der Inkrementalsignale A, B, C wie auch des Referenzimpulssignals in Form der interferierenden Teilstrahlenbündel INC₊₁, INC_-1, REF₊₁, REF_-1 wie oben erläutert enthalten.
4 zeigt eine Draufsicht auf eine Ausführungsvariante einer geeigneten Abtastplatte 22, die in einer Vorrichtung mit einem Abtaststrahlengang gemäß 1 einsetzbar ist. Wie aus der Darstellung in 4 ersichtlich ist, besitzt die Abtastplatte 22 in diesem Beispiel Abtastteilungen in Form von räumlich voneinander getrennt angeordneten Inkrementalabtastgittern AG_INC und Referenzabtastgittern AG_REF. Die verschiedenen Abtastgitter AG_INC, AG_REF bestehen wiederum aus einer jeweils in Messrichtung x alternierend angeordneten Abfolge von Teilbereichen mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften; im Fall einer im Durchlicht eingesetzten Abtastplatte 22 kann es sich etwa um ein bekanntes Durchlicht-Phasengitter handeln, bei der al ternierend Teilbereiche mit unterschiedlicher phasenschiebender Wirkung angeordnet sind.
Wie aus 1 ersichtlich ist, treffen demzufolge die vom Maßstab 10 im Bereich des Referenzmarkierungsfeldes M_REF weg propagierenden Teilstrahlenbündel INC₊₁, INC_-1 auf die beiden außen auf der Abtastplatte 22 angeordneten Inkrementalabtastgitter AG_INC; die beiden Teilstrahlenbündel REF + 1, REF – 1 hingegen gelangen auf die beiden mittig angeordneten Referenzabtastgitter AG_REF. Die jeweiligen Teilungsperioden TPAG_INC, TPAG_REF der Inkrementalabtastgitter AG_INC und der Referenzabtastgitter AG_REF sind derart gewählt bzw. aufeinander abgestimmt, dass – wie aus 1 ersichtlich – eine Umlenkung der Teilstrahlenbündel aus den verschiedenen Abtastgitterbereichen zurück in Richtung des Referenzmarkierungsfeldes M_REF auf dem Maßstab 10 erfolgt. Im konkreten Beispiel der 4 bedeutet dies etwa, dass die Inkrementalabtastgitter-Teilungsperiode TPAG_INC kleiner als die Referenzabtastgitter-Teilungsperiode TPAG_REF, zu wählen ist, um der erwähnten Anforderung zu genügen.
Nach der zweiten Beugung der Teilstrahlenbündel am Maßstab 10 liegt ein wiedervereinigtes Strahlenbündel D vor, das sich in Richtung der Detektoranordnung ausbreitet und mit den verschiedenen, miteinander interferierenden Teilstrahlenbündeln sowohl die Informationen hinsichtlich der Relativverschiebung wie auch bzgl. einer definierten Referenzposition x_REF beinhaltet. Die Detektion des resultierenden Abtastsignals erfolgt mittels der schematisch angedeuteten Detektoranordnung 23.
Die Abtastsignale, die aus einer derartigen Abtastung im Bereich des Referenzmarkierungsfeldes M_REF im vorliegenden Beispiel resultieren, sind in 5 dargestellt, wobei in 5 lediglich eines der phasenverschobenen Inkrementalsignale veranschaulicht ist. In den detektierten Abtastsignalen repräsentiert der hochfrequente Signalanteil das hochauflösende Inkrementalsignal mit der Signalperiode SP_INC, während im Bereich des Referenzmarkierungsfeldes an der Referenzposition x_REF dem Abtastsignal eine Störung überlagert ist, die zur Erzeugung eines hochauflösenden Referenzimpuls signals aus dem Abtastsignal extrahierbar ist; letzteres wird nachfolgend noch im Detail erläutert.
Im resultierenden Abtastsignal zeigt sich demzufolge aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahmen der Einfluss des Referenzmarkierungsfeldes auf dem Maßstab lediglich in einem sehr begrenzten räumlichen Bereich. Dieser Bereich wird zunächst durch die Abmessungen des Referenzmarkierungsfeldes bestimmt. Besonders vorteilhaft sind hierbei sog. gechirpte Teilungsstrukturen, wie sie in der nachfolgenden Beschreibung noch näher erläutert werden. Sie ermöglichen wesentlich schmälere, räumliche Bereiche, in denen ein Referenzimpulssignal detektiebar ist. Typischerweise lassen sich Bereich von 40 μm erreichen, wenn die oben angegebenen Größenordnungen für die verschiedenen Teilungsperioden etc. eingehalten werden. Es ist demzufolge möglich, trotz einer deutlich größeren räumlichen Ausdehnung des Referenzmarkierungsfeldes auf dem Maßstab ein Referenzimpulssignal geringer Breite, d. h. mit einer sehr hohen räumlichen Auflösung zu erzeugen. Die erreichbare hohe Auflösung bei der Erzeugung des Referenzimpulssignals gestattet insbesondere die Synchronisation mit den ebenfalls hochauflösenden Inkrementalsignalen.
Um beim Einsatz der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung zudem eine hinreichende Unempfindlichkeit gegenüber eventuellen Verkippungen der Abtasteinheit gegenüber dem Maßstab zu gewährleisten, erweist es sich ferner als vorteilhaft, wenn die Größe des Referenzmarkierungsfeldes so gewählt wird, dass diese etwa der Größe des Querschnitts des von der Lichtquelle emittierten Strahlenbündels entspricht.
Anhand der 6 und 7a–7e sei nunmehr nachfolgend an einem Beispiel erläutert, wie die erfindungsgemäße Erzeugung eines hochauflösenden Referenzimpulssignales aus den resultierenden Abtastsignalen erfolgt.
Dargestellt ist zu diesem Zweck in 6 ein stark schematisiertes Blockschaltbild zur Erläuterung der Signalverarbeitung, die nach der Erzeugung der Abtastsignale A, B, C in der Abtasteinheit erfolgt. 6 stellt strengge nommen keine Signalverarbeitungsanordnung dar, sondern dient zur Erläuterung des Algorithmus, über den erfindungsgemäß die hochauflösende Referenzimpulsinformation erzeugt wird. Die verschiedenen Funktionsblöcke und -einheiten müssen demzufolge nicht unbedingt hardwaremäßig ausgebildet sein. Grundsätzlich am vorteilhaftesten erweist es sich, wenn eine derartige Signalverarbeitung, wie sie nachfolgend erläutert wird, in einem digitalen Rechenwerk in Form von ASICs, FPGAs und/oder Signalprozessoren vorgenommen wird.
Die im vorliegenden Beispiel um 120° phasenverschobenen Abtastsignale A, B, C werden zunächst einer Transformationseinheit 31 zugeführt, in der diese Signale A, B, C in bekannter Art und Weise in zwei um 90° phasenversetzte Inkrementalsignale S₀, S₉₀ umgewandelt werden, die im Bereich der Referenzposition x_REF wie oben erläutert eine aufgeprägte Störung aufweisen.
Bevor anschließend im Detail auf die weiteren Funktionsblöcke im Rahmen der durchgeführten Signalverarbeitung eingegangen wird, sei zunächst das grundlegende Prinzip der erfindungsgemäßen Erzeugung einer hochauflösenden Referenzimpulsinformation aus den erzeugten Abtastsignalen erläutert. Im wesentlichen ist hierbei ein mehrschrittiges Vorgehen zum Extrahieren bzg. Generieren dieser Informationen vorgesehen. Hierzu sind im Rahmen der erfolgenden Signalverarbeitung erste Auswertemittel 40 vorgesehen, die geeignet sind zur Bestimmung einer Grob-Referenzposition x_REF,G aus dem Maximum der resultierenden Störung in den Abtastsignalen bei einer definierten Relativposition von Maßstab 10 und Abtasteinheit 20. Ferner. sind zweite Auswertemittel 50 erforderlich, die geeignet sind zur Bestimmung einer Schwebungssignalphase aus der Differenz eines ganzzahligen Vielfachen der Referenzimpulssignalphase und einem ganzzahligen Vielfachen der Inkrementalsignalphase. Des weiteren sind dritte Auswertemittel 60 vorgesehen, die den ersten und zweiten Auswertemitteln 40, 50 nachgeordnet sind und welche geeignet sind, um aus der Grob-Referenzposition x_REF,G eine Schwebungssignalperiode eindeutig zu markieren und aus der Schwebungssignalphase bei Vorliegen einer definierten Phasenlage ein Signal bzw. eine Information bzgl. einer Fein-Referenzposition x_REF,F auszugeben.
Nachfolgend sei nunmehr die Weiterverarbeitung der phasenversetzten Inkrementalsignale S₀, S₉₀ über die verschiedenen Funktionsblöcke im Rahmen der erfolgenden Signalverarbeitung im Detail erläutert.
Die Inkrementalsignale S₀, S₉₀ werden zunächst einer Interpolator- und Zählereinheit 32 zugeführt, die diese Signale S₀, S₉₀ in bekannter Art und Weise verarbeitet. Das heißt, es erfolgt die Unterteilung der Inkrementalsignale und das Zuführen der interpolierten Signale an einen Zähler. Am Ausgang der Einheit 32 resultiert demzufolge ein hochauflösendes Signal S1, bzgl. der jeweiligen Inkrementalposition. In 7a ist der zeitliche Verlauf des entsprechenden Signals im Fall einer gleichmäßigen Bewegung des Maßstabes relativ zur Abtasteinheit dargestellt. In der Darstellung der 7a ist aufgrund der nur geringen resultierenden Störung der Abtastsignale durch die Referenzmarkierung diese Störung nicht erkennbar, d. h. gemäß der Darstellung in 7a resultiert eine lineare Zunahme der Inkrementalposition (Ordinate; y-Achse) mit der Zeit (Abszisse; x-Achse).
Das Signal S1 wird anschließend in einem ersten Verarbeitungszweig einem Filter 33 zugeführt, das als Bandpassfilter ausgebildet ist, welches die Frequenzanteile der Inkrementalsignale aus dem Signal S1 herausfiltert. Das Filter 33 sperrt demzufolge im Frequenzbereich der Inkrementalsignalfrequenz f_INC. Ein entsprechendes, gefiltertes Signal S2, das dann im wesentlichen auf den Einfluss der mittlleren Referenzimpuls-Signalperiode SP_REF,m zurückzuführen ist, ist in 7b dargestellt.
Informationen bzgl. der Amplitude bzw. der Phase des gefilterten Signals S2 werden anschließend in Form der beiden Signale S3 bzw. S4 weiterverwertet. Die Signale S3 bzw. S4 sind wiederum in den 7c und 7d dargestellt.
Das Signal S3 bzgl. der Referenzimpulssignal-Amplitude wird daraufhin einem Maximumdetektor 41 zugeführt, über welches das Amplitudenmaximum des Signales S3 ermittelt wird. Das derart bestimmte Amplitudenmaximum markiert die Grob-Referenzposition x_REF,G, d. h. am Ausgang des Maximumdetektors 41 liegen Informationen bzw. ein Signal S5 bzgl. einer Grob-Referenzposition x_REF,G vor, das nachfolgend weiterverarbeitet wird. Der Maximumdetektor 41 repräsentiert in der obigen Terminologie im übrigen die ersten Auswertemittel, die in der Figur als Funktionsblock mit dem Bezugszeichen 40 bezeichnet sind.
Das am Ausgang der Interpolator- und Zählereinheit 32 resultierende Signal S1 wird als Signal bzgl. der Inkrementalsignalphase desweiteren auch einem Funktionsblock mit dem Bezugszeichen 50 zugeführt, der i. w. die oben erwähnten zweiten Auswertemittel darstellt. Des Weiteren wird den zweiten Auswertemitteln 50 das am Ausgang des Filters 32 anliegende Signal S4 bzgl. der Referenzimpulssignal-Phase zugeführt. Auf Seiten der zweiten Auswertemittel 50 erfolgt eingangsseitig über die Multiplikatoreinheiten 51 und 52 zunächst die Mutltiplikation der jeweiligen Eingangssignale mit den ganzzahligen Faktoren N_RI bzw. N_INC. Am Ausgang der Multiplikatoreinheiten 51, 52 liegen demzufolge jeweils Signale S6, S7 bzgl. ganzzahliger Vielfacher der Referenzimpulssignal-Phase bzw. der Inkrementalsignal-Phase vor. Die Signale S6, S7 werden auf Seiten der zweiten Auswertemittel 50 schließlich den Eingängen einer Differenzbildungseinheit 53 zugeführt. Nach der erfolgten Differenzbildung liegt am Ausgang der Differenzbildungseinheit 53 und damit am Ausgang der zweiten Auswertemittel 50 ein Signal S8 bzgl. einer Schwebungssignal-Phase φ_s vor.
Die an den Ausgängen der ersten und zweiten Auswertemittel 40, 50 resultierenden Signale S5, S8 bzgl. der Grob-Referenzposition x_REF,G und bzgl. der Schwebungssignal-Phase φ_s werden nachfolgend einem Funktionsblock mit dem Bezugszeichen 60 zugeführt, der i. w. die ebenfalls bereits oben erwähnten dritten Auswertemittel darstellt.
Die dritten Auswertemittel umfassen hierbei eine Differenzbildungseinheit 62, über die eine Subtraktion eines festen, wählbaren Phasen-Sollwertes φ_Soll von der Schwebungssignalphase φ_s bzw. dem Signal S8 erfolgt. Es resultiert am Ausgang der Differenzbildungseinheit 62 ein Signal S10 bzgl. einer Schwebungssignalphasendifferenz. Das Signal S10 bzgl. der Schwebungssignalphasendifferenz weist den typischen sägezahnartigen Signalverlauf von Phasensignalen auf – ähnlich 7e – und besitzt Nullstellen im Abstand der Schwebungsperiode.
Das Signal S10 wird ebenso wie das Signal 85 bzgl. der Grob-Referenzposition x_REF,G einem Auswahlmittel 61 zugeführt, das ebenfalls noch Bestandteil der dritten Auswertemittel 60 ist. Über die Auswahlmittel 61 wird derjenige Nulldurchgang der Schwebungssignalphasendifferenz S10 bestimmt, der innerhalb der gleichen Schwebungsperiode liegt wie die Grob-Referenzposition x_REF,G. Der derart ausgewählte Nulldurchgang wird als Signal S11 ausgegegeben und definiert die Fein-Referenzposition x_REF,F.
Über das am Ausgang der dritten Auswertemittel 60 im Fall einer vorliegenden Fein-Referenzposition x_REF,F ausgegebene Signal S11 wird anschließend ein nachgeordneter Speicher 34 angesprochen. Diesem Speicher 34 wird parallel zum Signal S11 laufend der Wert des Signales S1 zugeführt, d. h. die hochaufgelöste Positionsinformation, die am Ausgang der Interpolator- und Zählereinheit 32 verfügbar ist. Diese Positionsinformation, also S1, wird gesteuert vom Signal S11 bei Vorliegen der Fein-Referenzposition x_REF,F in den Speicher 34 geschrieben. Nachfolgend sei diese Positionsinformation als Referenzimpuls-Offset bezeichnet.
Derart wird also die Bestimmung einer Referenzimpulsinformation mit der gleichen Auflösung wie die Inkrementalmessung vorgenommen. Am Ausgang des Speichers 34 liegt demzufolge ein Signal S12 vor, das die Information bzgl. der Fein-Referenzposition x_REF,F mit der gewünschten hohen Auflösung enthält.
In Bezug auf die konkrete Verwertung dieser Information bzw. dieses Signales S12 gibt es verschiedene Möglichkeiten, die in Verbindung mit der Verarbeitung von Referenzimpulsinformationen grundsätzlich bekannt sind und deshalb in der Darstellung der 6 nur in schematischer Form angedeutet sind. So ist es einerseits möglich, über die angedeuteten Ausgabemittel 35 den ermittelten Referenzimpuls-Offset unmittelbar zur Weiterverarbeitung auszugeben. Alternativ können ebenfalls nur schematisch angedeutete Mittel 36 zum Subtrahieren des ermittelten Referenzimpuls-Offsets von der Inkrementalposition vorgesehen sein.
Neben der bislang erläuterten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung selbstverständlich auch alternative Ausführungsformen realisierbar. Insbesondere hinsichtlich des genutzten Abtastrahlenganges zur Erzeugung der Abtastsignale sind hierbei verschiedene Varianten einsetzbar.
So könnte das Referenzmarkierungsfeld auf dem Maßstab auch anders ausgebildet werden, als dies etwa im obigen Beispiel erläutert wurde. Insbesondere kann etwa vorgesehen werden, dass im Referenzmarkierungsfeld neben der Inkrementalteilungsperiode TPM_INC nicht nur eine einzelne weitere Referenzmarkierungs-Teilungsperiode TPM_REF,m enthalten ist, sondern vielmehr ein Spektrum weiterer Referenzmarkierungs-Teilungsperioden TPM_REF, die sich um die mittlere Referenzmarkierungs-Teilungsperiode TPM_REF,m ortsabhängig verteilen. Entsprechend kann in einem derartigen Fall auch die Abtastplatte bzw. die entsprechenden Abtastteilungen ausgebildet sein. Diese umfasst dann ebenfalls ein Spektrum von Referenzabtastgitter-Teilungsperiode TPAG_REF, die sich um eine mittlere Referenzabtastgitter-Teilungsperiode TPAG_REF,m verteilen und entsprechend auf die Referenzmarkierungs-Teilungsperiode TPM_REF,m abgestimmt sind. Eine derartige Ausbildung des Referenzmarkierungsfeldes kann beispielsweise erfolgen, indem die jeweiligen Teilungsstrukturen im Referenzmarkierungsfeld wie auch im Referenzabtastgitter als sog. gechirpte Teilungsstrukturen ausgebildet sind, innerhalb der sich die jeweiligen Teilungsperioden entlang der Messrichtung x stetig und kontinuierlich ändern. Das Verhältnis V der Fre quenzbreite Δf des Spektrums vorhandener Gitterfrequenzen zur mittleren Referenzmarkierungs-Frequenz f_REF,m = 1/TPM_REF,m bestimmt hierbei die Breite der Störung des resultierenden Abtastsignales. Vorteilhafterweise liegt dieses Verhältnis V = Δf/f_REF,m im Bereich zwischen 0.001 und 0.5 Des Weiteren wäre es möglich, die Abtastplatte als Fresnellinse auszubilden, die die Teilungsstruktur des Maßstabs vorteilhafterweise zurück auf den Maßstab abbildet. Eine derartige Fresnellinse kann sowohl symmetrisch (on-axis) als auch asymmetrisch (off-axis) zur optischen Achse des Abtaststrahlenganges angeordnet werden.
Ferner ist es möglich, im Fall einer Maßstabausbildung gemäß 2 auf der Abtastseite respektive auf der Abtastplatte nur eine einzige Abtastteilung vorzusehen, d. h. keine räumlich getrennten Teilbereiche vorzusehen, die jeweils als Inkremental-Abtastgitter und Referenz-Abtastgitter fungieren, sondern die jeweils erforderlichen Ablenkwirkungen mittels einer einzigen Abtastteilung zu realisieren. Zu diesem Zweck sind dann in der entsprechenden Abtastteilung zumindest die erforderliche Referenzabtastgitter-Teilungsperiode TPAG_REF und die Inkrmental-Teilungsperiode TPAG_INC enthalten, die dann eine Umlenkung der aus den verschiedenen Raumrichtungen einfallenden Strahlenbündel in Richtung des Maßstabes bewirken. Diese abtastseitige Ausführungsvariante erweist sich insbesondere dann als sinnvoll, wenn die Abtastplatte sehr nahe am Maßstab angeordnet ist und demzufolge noch keine vollständige räumliche Trennung der aufgespalteten Teilstrahlenbündel aus dem Referenzmarkierungsfeld vorliegt, wie dies etwa im erläuterten Beispiel in 1 der Fall war.
Daneben existieren für den Fachmann selbstverständlich weitere Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung.

Claims

Positionsmesseinrichtung, bestehend aus einem Maßstab (10) und einer relativ dazu beweglichen Abtasteinheit (20), wobei – der Maßstab (10) eine Inkrementalteilungsspur mit einer definierten Inkremental-Teilungsperiode (TPM_INC) und an mindestens einer definierten Referenzposition (x_REF) ein Referenzmarkierungsfeld (M_REF) mit einer mittleren Referenzmarkierungs-Teilungsperiode (TPM_REF,m) aufweist, wobei sich die mittlere Referenzmarkierungs-Teilungsperiode (TPM_REF,m) von der Inkremental-Teilungsperiode (TPM_INC) unterscheidet, – die Abtasteinheit mehrere Abtastelemente zur Erzeugung von Abtastsignalen (A, B, C) aufweist, wobei als Abtastsignale (A, B, C) zumindest zwei phasenverschobene Inkrementalsignale (S₀, S₉₀) erzeugbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass – der Abtasteinheit (20) erste Auswertemittel (40) nachgeordnet sind, die geeignet sind zur Bestimmung einer Grob-Referenzposition (x_REF,G) aus dem Maximum der resultierenden Störung in den Abtastsignalen bei einer definierten Relativposition von Maßstab (10) und Abtasteinheit (20) und – der Abtasteinheit (20) zweite Auswertemittel (50) nachgeordnet sind, die geeignet sind zur Bestimmung einer Schwebungssignal-Phase aus der Differenz eines ganzzahligen Vielfachen der Referenzimpuissignal- Phase und einem ganzzahligen Vielfachen der Inkrementalsignal-Phase und – den ersten und zweiten Auswertemitteln (40, 50) dritte Auswertemittel (60) nachgeordnet sind, die geeignet sind, um aus der Grob-Referenzposition (x_REF,G) eine Schwebungssignalperiode eindeutig zu markieren und aus der Schwebungssignal-Phase bei Vorliegen einer definierten Phasenlage eine Fein-Referenzposition (x_REF,F) auszugeben.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Maßstab (10) und die Abtasteinheit (20) dergestalt ausgebildet sind, dass als Abtastsignale (A, B, C) lediglich zwei oder mehr phasenverschobene Inkrementalsignale (S₀, S₉₀) resultieren, die am Ort der Referenzposition (x_REF) eine Störung aufweisen.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor den ersten Auswertemitteln (40) ein Filter (33) angeordnet ist, dem die Inkrementalsignale (S₀, S₉₀) zuführbar sind und über welches ein Eliminieren des Frequenzanteiles (f_INC) der Inkrementalsignale (S₀, S₉₀) aus den Abtastsignalen erfolgt.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter (33) als Bandpassfilter ausgebildet ist, das im Bereich der Inkrementalsignalfrequenz (f_INC) sperrt.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Auswertemittel (40) Mittel (41) zum Bestimmen des Amplitudenmaximums des Signales (S3) am Ausgang des Filters (33) umfassen, so dass am Ausgang der ersten Auswertemittel (40) ein Signal (S5) bzgl. einer Grob-Referenzposition (x_REF,G) vorliegt.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Auswertemittel (50) – zwei Multiplikatoreinheiten (51, 52) umfassen, über welche die Multiplikation der Eingangssignale bzgl. der Referenzimpulssignalphase (S4) und der Inkrementalsignalphase (S1) mit ganzahligen Faktoren (N_RI, N_INC) erfolgt und – ferner eine Differenzbildungseinheit (53) umfasst, der die Ausgangssignale der Multiplikatoreinheiten (51, 52) zuführbar sind.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dritten Auswertemittel (60) – eine Differenzbildungseinheit (62) umfassen, über die eine Subtraktion eines festen, wählbaren Phasen-Sollwertes (φ_Soll) von der Schwebungssignalphase (S8) erfolgt und – ferner Auswahlmittel (61) umfassen, über welche derjenige Nulldurchgang der Schwebungssignalphasendifferenz (S10) bestimmbar ist, der innerhalb der gleichen Schwebungsperiode liegt wie die Grob-Referenzposition (x_REF,G), so dass ein derart ausgewählter Nulldurchgang als Signal (S11) bzgl. der Fein-Referenzposition (x_REF,F) ausgebbar ist.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein den dritten Auswertemitteln (60) nachgeordneter Speicher (34) für einen Inkrementalzähler-Offset vorgesehen ist, der die aktuelle Inkrementalposition bei Vorliegen der Fein-Referenzposition (x_REF,F) speichert.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Ausgabemittel (35) zur Ausgabe des Inkrementalzähler-Offsets vorgesehen sind.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (36) zum Subtrahieren des Inkrementalzähler-Offsets von der Inkrementalposition vorgesehen sind.
Positionsmesseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzmarkierungsfeld (M_REF) auf dem Maßstab in die Inkrementalteilungsspur integriert ist.
Positionsmesseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzmarkierungsfeld (M_REF) eine Teilungsstruktur dergestalt aufweist, dass darin neben der Referenzmarkierungs-Teilungsperiode (TPM_REF) ferner auch die Inkremental-Teilungsperiode (TPM_INC) enthalten ist, so dass im Bereich des Referenzmarkierungsfeldes (M_REF) mindestens zwei unterschiedliche räumliche Ablenkrichtungen (+RR1, +RR2; –RR1, –RR2) für darauf einfallende Strahlenbündel (S) resultieren.
Positionsmesseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass im Referenzmarkierungsfeld (M_REF) ein Spektrum von mehreren Referenzmarkierungs-Teilungsperioden (TPM_REF) enthalten ist, die sich um die mittlere Referenzmarkierungs-Teilungsperiode (TPM_REF,m) verteilen.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Referenzmarkierungsfeld das Verhältnis aus Frequenzbreite zu mittlerer Referenzmarkierungsfrequenz im Bereich [0.001 ... 0.5] gewählt ist.
Positionsmesseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Referenzmarkierungs-Teilungsperiode (TPM_REF,m) geringfügig unterschiedlich von der doppelten Inkremental-Teilungsperiode (TPM_INC) gewählt ist.
Positionsmesseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 11–15, dadurch gekennzeichnet, dass der Maßstab (10) als Reflexions-Phasengitter ausgebildet ist.
Positionsmesseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1–10, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinheit eine Lichtquelle (21), eine Abtastplatte (22) mit ein oder mehreren Abtastteilungen sowie eine optoelektronische Detektoranordnung (23) umfasst.
Positionsmesseinrichtung nach den Ansprüchen 12 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Abtastteilung eine Teilungsstruktur dergestalt aufweist, dass die aus Richtung des Referenzmarkierungsfeldes (REF) in unterschiedlichen Ablenkrichtungen (+RR1, +RR2; –RR1, –RR2) einfallenden Teilstrahlenbündel (INC₊₁, REF₊₁; INC_-1, REF_-1) wieder eine Umlenkung in Richtung des Referenzmarkierungsfeldes (M_REF) auf dem Maßstab (10) erfahren.
Positionsmesseinrichtung nach den Ansprüchen 12 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastplatte (22) räumlich getrennte Teilbereiche von Abtastteilungen mit Inkrementalabtastgittern (AG_INC) und Referenzabtastgittern (AG_REF) aufweist.
Positionsmesseinrichtung nach den Ansprüchen 12 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastplatte (122) eine einzige Abtastteilung aufweist, die eine Umlenkung der aus unterschiedlichen Richtungen einfallenden Strahlenbündel in Richtung des Referenzmarkierungsfeldes auf dem Maßstab bewirkt.
Positionsmesseinrichtung nach den Ansprüchen 13 und 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastplatte ein oder mehrere Abtastteilungen mit einem Spektrum von Abtast-Teilungsperioden umfasst, das auf das Spektrum von mehreren Referenzmarkierungs-Teilungsperioden auf dem Maßstab abgestimmt ist.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzmarkierungsfeld und die Abtastteilungen jeweils als gechirpte Teilungsstruktur ausgebildet sind, innerhalb der sich die Teilungsperioden stetig und kontinuierlich verändern.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Referenzmarkierungsfeldes (M_REF) der Größe des Querschnitts des von der Lichtquelle (21) emittierten Strahlenbündels (S) entspricht.
Positionsmesseinrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 17–23, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastplatte (22) als Durchlicht-Phasengitter ausgebildet ist.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtasteinheit ferner ein Umlenkprisma umfasst und die verschiedenen Elemente der Abtasteinheit derart angeordnet sind, dass – die von der Lichtquelle emittierten Strahlenbündel zunächst auf den Maßstab auftreffen, wo eine Beugung zurück in Richtung der Abtasteinheit erfolgt, – die zurückgebeugten Lichtbündel in der Abtasteinheit ein erstes Mal die Abtastplatte durchlaufen und sich in Richtung des Umlenkprismas ausbreiten, – über das Umlenkprisma eine Umlenkung in Richtung der Abtastplatte erfolgt, die anschließend ein zweites Mal durchlaufen wird, – die Lichtbündel anschließend ein zweites Mal auf den Maßstab auftreffen und von diesem eine Beugung in Richtung der Detektoranordnung erfolgt.