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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine optische Positionsmesseinrichtung nach dem Oberbegriff des
Anspruches 1.
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Aus
4a der
EP 0 548 848 B1 ist
eine gattungsgemäße optische
Positionsmesseinrichtung bekannt, die aus einem Maßstab sowie
einer relativ zum Maßstab
beweglichen Abtasteinheit besteht. Auf Seiten der Abtasteinheit
sind Signalerzeugungsmittel zum Erzeugen verschiebungsabhängiger Abtastsignale
angeordnet. Die Signalerzeugungsmittel umfassen u.a. eine Lichtquelle,
ein Abtastgitter, mehrere optoelektronische Detektorelemente sowie
ein Umlenkelement in Form eines Spiegels zum definierten Beeinflussen
der Ausbreitungsrichtung eines Lichtbündels. Die Lichtquelle, die
Detektorelemente sowie der Spiegel sind gemeinsam in einem Trägergehäuse angeordnet,
das beweglich gelagert und mittels Justiermitteln in Form von Stellschrauben
räumlich justierbar
ist. Über
die Stellschrauben kann das vom Spiegel in Richtung Abtastgitter
umgelenkte Lichtbündel
im Abtaststrahlengang somit bezüglich
des Abtastgitters bzw. des Maßstabes
korrekt ausgerichtet werden. Als nachteilig an der vorgeschlagenen Justierung
des Lichtbündels
auf Seiten der Abtasteinheit ist jedoch anzuführen, dass eine relativ aufwendige
Mechanik hierzu erforderlich ist. Hinzu kommt, dass sich die vorgeschlagene
Variante zur Justage des Umlenkelementes nicht auf beliebige andere
Abastanordnungen übertragen
lässt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es daher, eine optische Positionsmesseinrichtung anzugeben,
die eine flexible und einfache Möglichkeit
zur präzisen
räumlichen
Ausrichtung bzw. Umlenkung eines Lichtbündels im Abtaststrahlengang
besitzt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
eine optische Positionsmesseinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruches 1.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optischen
Positionsmesseinrichtung ergeben sich aus den Maßnahmen, die in den von Anspruch
1 abhängigen
Patentansprüchen
aufgeführt
sind.
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Erfindungsgemäß werden nunmehr die Justiermittel
so ausgebildet, dass darüber
eine alleinige räumliche
Ausrichtung des mindestens einen Umlenkelementes unabhängig von
anderen Signalerzeugungsmitteln möglich ist. Es ist derart eine
besonders einfache Ausbildung der Justiermittel möglich, die
wiederum eine flexible Umlenkung von Strahlenbündeln in der Abtasteinheit
einer Positionsmesseinrichtung ermöglichen, anpassbar an die räumlichen Gegebenheiten
in der jeweiligen Abtasteinheit.
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Mithilfe eines geeigneten Justierwerkzeuges lässt sich
das Umlenkelement präzise
justieren, so dass das auftreffende Lichtbündel in die gewünschte Raumrichtung
umgelenkt wird. Hierbei können
in der Abtasteinheit selbstverständlich
mehrere erfindungsgemäß ausgebildete
Umlenkelemente bzw. Justiermittel vorgesehen sein, etwa für die von
der Lichtquelle emittierten Lichtbündel wie auch für die in Richtung
der Detektorelemente propagierenden Lichtbündel. Die jeweiligen Lichtbündel lassen
sich unabhängig
voneinander in Bezug auf weitere optische Elemente in der Abtasteinheit
bzw. in Bezug auf den Maßstab
justieren, je nach den entsprechenden Anforderungen hinsichtlich
der Ausrichtung.
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Weitere Vorteile sowie Einzelheiten
der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen anhand
der beiliegenden Figuren.
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Dabei zeigt
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1 eine
schematisierte Darstellung des Teil-Abtaststrahlenganges eines Ausführungsbeispieles
der erfindungsgemäßen optischen
Positionsmesseinrichtung;
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2 eine
Teilansicht der Abtasteinheit aus 1;
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3a und 3b jeweils Teilansichten
einer Ausführungsform
eines Umlenkelementes in Verbindung mit Justiermitteln;
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4 eine
räumliche
Darstellung einer weiteren Ausführungsform
eines Umlenkelementes in Verbindung mit Justiermitteln.
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In 1 ist
in einer räumlichen
Darstellung ein Teil eines Ausführungsbeispieles
der erfindungsgemäßen optischen
Positionsmesseinrichtung veranschaulicht. Die optische Positionsmesseinrichtung umfasst
im wesentlichen einen linearen Maßstab 20 mit einer – nicht
dargestellten – Messteilung
sowie eine relativ zum Maßstab
in Messrichtung x verschiebbare Abtasteinheit 10. Mithilfe
der Abtasteinheit 10 und der vorgesehenen Signalerzeugungsmittel
wird im Fall der Relativverschiebung der Abtasteinheit 10 in
Messrichtung x die Messteilung des Maßstabes 20 abgetastet
und positionsabhängige Abtastsignale
erzeugt. Die derart generierten Abtastsignale werden in einer nachgeordneten – nicht
dargestellten – Folgeelektronik
weiterverarbeitet.
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Über
die erfindungsgemäße optische
Positionsmesseinrichtung ist somit die präzise Erfassung der Relativposition
zweier in Messrichtung x zueinander beweglicher Objekte möglich, von
denen eines mit der Abtasteinheit 10 verbunden ist, das
andere mit dem Maßstab 20.
Selbstverständlich
können
die nachfolgend erläuterten
Maßnahmen
auch in Positionsmesseinrichtungen eingesetzt werden, die rotatorische
Relativbewegungen erfassen.
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Im Gehäuse 11 der Abtasteinheit 10 ist
im dargestellten Beispiel lediglich ein Teil der verschiedenen Signalerzeugungsmittel
angeordnet, die zur Erzeugung der positionsabhängigen Abtastsignale genutzt
werden. Neben den nachfolgend noch detailliert zu erläuternden
vier Umlenkelementen inklusive Justiermitteln, die zur gezielten
Beeinflussung der Strahlausbreitungsrichtung der verschiedenen propagierenden
Strahlenbündel 12a, 12b, 12c in
der Abtasteinheit 10 dienen, sind ferner noch mehrere – nicht
dargestellte – Abtastgitter
und weitere optische Elemente zur Strahlführung etc. auf Seiten der Abtasteinheit 10 vorgesehen;
hierzu gehört
im vorliegenden Beispiel u.a. auch ein retroreflektierendes Umlenkprisma.
Außerhalb
des Gehäuses 11 der
Abtasteinheit 10 ist eine geeignete Lichtquelle angeordnet,
deren Strahlung über
eine lichtleitende Faser 15 der Abtasteinheit 10 zugeführt wird.
Weiterhin räumlich
getrennt von der Abtasteinheit 10 sind mehrere – ebenfalls
nicht dargestellte – optoelektronische
Detektorelemente platziert, die zur Erfassung der verschiebungsabhängigen Abtastsignale
dienen; über mehrere
lichtleitende Fasern in einem Kabelstrang 16 werden die
zu detektierenden Strahlenbündel
diesen Detektorelementen zugeführt.
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Auf den in diesem Ausführungsbeispiel
verwendeten Abtaststrahlengang sei an dieser Stelle nicht näher eingegangen,
sondern lediglich auf die internationale Patentanmeldung WO 02/23131
der Anmelderin verwiesen. Grundsätzlich
können
die nachfolgend noch detailliert erläuterten Maßnahmen selbstverständlich in
Verbindung mit verschiedensten optischen Abtastprinzipien bzw. Abtaststrahlengängen in
entsprechenden Abtasteinheiten eingesetzt werden.
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Um den gewünschten Abtastrahlengang in einer
kompakt bauenden Abtasteinheit 10 zu realisieren, sind
im Gehäuse 11 der
Abtasteinheit 10 diverse Umlenkungen der dort propagierenden
Strahlenbündel 12a, 12b, 12c erforderlich,
im konkreten Beispiel zwei 90°-Umlenkungen
des eintretenden Strahlenbündels
und zwei 90°-Umlenkungen
des austretenden Strahlenbündels.
In diesem Zusammenhang sei ergänzend
auf die räumliche
Darstellung in 2 verweisen,
die einen Ausschnitt der Abtasteinheit 10 aus 1 in einer vergrößerten Ansicht
zeigt. Wie erkennbar, erfährt
das in die Abtasteinheit 10 eintretende, von der Lichtquelle
kommende Strahlenbündel 12a an
einem ersten als Spiegel 14.1 ausgebildeten Umlenkelement
eine erste horizontale Umlenkung um 90° relativ zur Einfallsrichtung;
an einem zweiten Umlenkelement respektive Spiegel 14.2 erfolgt
die erste Umlenkung in vertikaler Richtung um 90° in Richtung des bereits oben
erwähnten,
nunmehr erkennbaren Umlenkprismas 17 bzw. Maßstabes 20. Über einen
dritten Spiegel 14.3 wird das aus Richtung des Maßstabes 20 kommende
Strahlenbündel wiederum
um 90° vertikal
umgelenkt, trifft anschließend
auf den vierten Spiegel 14.4 und wird von diesem in seiner
Ausbreitungsrichtung erneut um 90° horizontal
umgelenkt und wird als Strahlenbündel 12b wie
oben erläutert über verschiedene
lichtleitende Fasern im Kabelstrang 16 den Detektorelementen zugeführt.
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Im vorliegenden Beispiel resultieren über die als
Spiegel 14.1–14.4 ausgebildeten
Umlenkelemente somit insgesamt vier Umlenkvorgänge um jeweils 90° in Bezug
auf die jeweilige Einfallsrichtung des auf die Spiegel 14.1–14.4 auftreffenden
Strahlenbündels.
Je nach vorgesehenem Abtaststrahlengang kann in alternativ ausgebildeten
Abtasteinheiten hierbei selbstverständlich sowohl die Zahl der
Umlenkvorgänge
wie auch die jeweilige Umlenkrichtung variieren.
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Um die verschiedenen, in der Abtasteinheit propagierenden
Strahlenbündel 12a, 12c in
Bezug auf die anderen zur Signalerzeugung erforderlichen optischen
Komponenten – wie
z.B. in Richtung des Umlenkprismas 17 – auszurichten, sind erfindungsgemäß ausgebildete
Justiermittel für
die Spiegel 14.1–14.4 bzw.
Umlenkelemente in der Abtasteinheit 10 vorgesehen. Hierbei fungieren
in diesem Ausführungsbeispiel
jeweils zylinderförmig
ausgebildete Trägerelemente 13.1–13.4 als
Justiermittel. Zur näheren
Erläuterung
der Justiermittel sei in diesem Zusammenhang auch auf die 3a und 3b verwiesen, die jeweils eine Seitenansicht
des ersten Trägerelementes 13.1 in
Verbindung mit dem ersten Spiegel 14.1 zeigen; die weiteren
drei Systeme aus Trägerelement 13.2, 13.3, 13.4 und
Spiegel 14.2, 14.3, 14.4, die in den 1 und 2 in der Abtasteinheit 10 angeordnet
sind, sind grundsätzlich
identisch hierzu ausgebildet.
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Das in 3a und 3b dargestellte Trägerelement 13.1 ist
im wesentlichen zylinderförmig
ausgebildet und weist an einem Längsende
eine Abschrägung
auf. Auf der Abschrägung
ist passgenau der Spiegel 14.1 angeordnet, vorzugsweise
aufgeklebt. Hierbei ist in dieser Variante der Spiegel 14.1 mit
seiner reflektierenden Seite vom Trägerelement 13.1 abweisend
auf der Abschrägung
angeordnet ist. Um die im vorliegenden Beispiel erforderliche 90°-Umlenkung
des einfallenden Strahlenbündels 12a sicherzustellen
ist die Abschrägung
am Längsende des
Trägerelementes 13.1 unter
einem Winkel von 45° zu
einer Senkrechten auf den Zylindermantel angeordnet; im Fall von
evtl. erforderlichen anderen Umlenkwinkeln wäre entsprechend auch der Abschrägungswinkel
zu modifizieren.
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Wie ebenfalls aus den 3a und 3b erkennbar, ist an der unteren Begrenzungsseite
der Abschrägung
eine Anschlagfläche 18.1 in
Form einer Anschlagkante vorgesehen, an der der Spiegel 14.1 bündig anliegt.
Die Anschlagfläche 18.1 dient
zur erleichterten Ausrichtung des Spiegels 14.1 auf der
Abschrägung
des Trägerelementes 13.1.
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Das Trägerelement 13.1 weist
im Bereich unterhalb der Abschrägung
mehrere Aussparungen 19.1a, 19.1b auf, in die
ein geeignetes Justierwerkzeug eingreifen kann. Im vorliegenden
Beispiel handelt es sich bei den Aussparungen um jeweils eine durchgehende
kreisförmige
Bohrung, die im 90° Winkel
zueinander orientiert sind. Es liegen somit über den Zylinderumfang vier
derartige Aussparungen vor. Als Material für die Trägerelemente 13.1–13.4 kann beispielsweise
nichtrostender Stahl verwendet werden.
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Ferner weist das zylinderförmige Trägerelement 13.1 eine
weitere, um den Zylinderumfang verlaufende Anschlagkante 21 auf,
die im Fall der Verschiebung des Trägerelementes 13.1 in
Richtung der Trägerelement-Längsachse
L eine Beschädigung des
Spiegels 14.1 verhindert.
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Im Hinblick auf die eingesetzten
Spiegel 14.1–14.4 ist
zu erwähnen,
dass vorzugsweise Spiegel 14.1–14.4 verwendet werden,
die hinsichtlich der umgelenkten Strahlenbündel nur eine geringe Phasenverschiebung
in den umgelenkten Strahlenbündeln
verursachen. Ferner ist im erläuterten
Beispiel aufgrund der Gegebenheiten des verwendeten Abtastprinzips
sicherzustellen, dass auch nach der erfolgten zweimaligen Umlenkung
die umgelenkten Strahlenbündel
ihren Polarisationszustand beibehalten, d.h. im vorliegenden Fall
auch nach den Umlenkungen jeweils linear polarisiertes Licht vorliegt.
Im Hinblick auf die verwendeten Spiegel bedeutet dies, dass die
Spiegel sowohl bei der Reflexion von p-polarisiertem Licht wie auch
bei der Reflexion von s-polarisiertem Licht möglichst gleiche Reflektivitäten aufweisen
und möglichst
gleiche Phasenverzögerungen verursachen
sollten. Daraus wiederum resultieren in beiden Fällen annähernd gleiche Eindringtiefen
in die jeweiligen Spiegelobertlächen.
Vorzugsweise werden daher im vorliegenden Beispiel dielektrische Spiegel
verwendet, die weder bei der Reflexion von p-polarisiertem Licht
noch bei der Reflexion von s-polarisiertem Licht eine bedeutende
Transmission bzw. Absorption zeigen. Alternativ können aber
auch andere Spiegel eingesetzt werden, die den jeweiligen Polarisationszustand
beibehalten, wie etwa metallische Spiegel etc.; dies ist letztlich
aufgrund der im Beispiel vorgesehenen zweifachen 90°-Umlenkung möglich.
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Wie in 1 durch
die dem Spiegel 14.3 bzw. dem Trägerelement 13.3 zugeordneten
Pfeile veranschaulicht werden soll, sind alle Trägerelemente 13.1–13.4 im
Gehäuse 11 der
Abtasteinheit 10 sowohl um wie auch entlang der jeweiligen
Trägerelement-Längsachse
L beweglich gelagert. Dies bedeutet, dass zu Justagezwecken zum
einen eine Verschiebung des jeweiligen Trägerelementes 13.1–13.4 entlang
der Trägerelement-Längsachse
L wie auch eine Rotation um die Trägerelement-Längsachse
L möglich
ist. Die präzise
Endjustage erfolgt letztlich mit Hilfe eines geeigneten Justierwerkzeuges,
beispielsweise eines Dorns oder eines dünnen Stiftes, das zu diesem
Zweck in die oben erwähnten Aussparungen
des jeweiligen Trägerelementes 13.1–13.4 eingreift. Über die
erläuterten
erfindungsgemäßen Maßnahmen
ist somit eine alleinige räumliche
Justage lediglich der Spiegel 14.1–14.4 möglich, d.h.
ohne das weitere Signalerzeugungsmittel auf Seiten der Abtasteinheit 10 ebenfalls
in ihrer räumlichen
Lage depositioniert werden.
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Die erwähnten Pfeile, die die bewegliche
Lagerung um bzw. entlang der Trägerelement-Längsachse
L veranschaulichen, sind in 1 aus
Gründen
der Übersichtlichkeit
nur in Verbindung mit dem Trägerelement 13.3 dargestellt,
selbstverständlich weisen
im vorliegenden Beispiel alle Trägerelemente 13.1–13.4 eine
derartige bewegliche Lagerung im Gehäuse 11 der Abtasteinheit 10 auf.
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Wie aus 2 ersichtlich, liegen die beiden Trägerelemente 13.1, 13.4 in
halbkreisförmigen
Ausnehmungen des Gehäuses 11 der
Abtasteinheit 10 auf und können darin sowohl um als auch
entlang der jeweiligen Trägerelement-Längsachse
L bewegt werden. Nach der erfolgten Justierung werden die Trägerelemente 13.1, 13.4 in
der gewünschten
räumlichen Position über geeignete
Arretierungsmittel arretiert. Dies erfolgt im vorliegenden Beispiel
durch eine Umfangsklemmung mittels eines Gegenstückes 19.1, 19.4,
das oberhalb des Trägerelementes 13.3, 13.4 am
Gehäuse 10 angeordnet
und durch eine geschlitzte Lagerstelle im Gehäuse ausgebildet wird und mithilfe
einer Schraube 20.2 fixierbar ist.
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Auch die beiden anderen Trägerelemente, 13.2, 13.3 sind über geeignete
Arretierungsmittel, die in 2 nicht
dargestellt sind, in der gewünschten Position
fixierbar. Als Arretierungsmittel kommen hierbei verschiedenste
Klemm-Mechanismen etc. in Betracht.
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Eine alternative Ausgestaltung des
Trägerelementes,
auf dem das Umlenkelement, respektive der Spiegel, angeordnet ist,
sei anhand der 4 erläutert, wobei
lediglich auf die Unterschiede zur oben erläuterten Variante eingegangen
sei. In dieser Ausführungsform
ist nunmehr ein Trägerelement 33 vorgesehen,
das zwar wiederum zylinderförmig
ausgebildet ist, jedoch im Inneren hohl bzw. als zylinderförmiger Hohlkörper ausgebildet
ist. Der Strahlengang des umzulenkenden Strahlenbündels 32 verläuft demzufolge
im Inneren des zylinderförmigen
Hohlkörpers.
Entsprechend zu dieser Variante muss der zur Strahlumlenkung erforderliche
Spiegel 34 mit seiner reflektierenden Seite in Richtung
des Zylinder-Hohlraumes orientiert sein. In Bezug auf die weitere
Ausgestaltung des Trägerelementes 33 sei
auf die obigen Ausführungen
verwiesen.
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In einer weiteren – nicht
dargestellten – Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung kann das jeweilige Umlenkelement in das
beweglich gelagerte Trägerelement
integriert werden, so dass eine Fläche des Trägerelementes als Umlenkelement
fungiert und das beweglich gelagerte Trägerelement als Justiermittel
dient. Hierzu kann analog zum obigen Beispiel das Trägerelement
zylinderförmig
ausgebildet sein und an mindestens einem Längsende eine Abschrägung aufweisen,
die dann unmittelbar als Umlenkelement fungiert. Beispielsweise
könnte
in diesem Fall das Trägerelement
aus Glas bestehen und die Abschrägung
geeignet poliert oder vergütet sein,
um eine hinreichende Reflektivität
zu gewährleisten.
Alternativ wiederum könnte
auch wieder ein geeignetes Metall verwendet werden, das hinreichende
Reflexionseigenschaften besitzt etc.
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In einer weiteren – ebenfalls
nicht dargestellten – Ausführungsvariante
weist das Trägerelement eine
alternative Aussparung auf, in die ein geeignetes Justiennrerkezeug
zur präzisen
Ausrichtung eingreift. So kann etwa an der Unterseite des Trägerelementes
eine kegelförmige
Senkung mit einem Innen-Gewinde an der Innenseite des Trägerelementes
vorgesehen sein, in der ein Justagewerkezeug mit einem entsprechenden
Gegenkegel fixiert wird. Das Justagwerkzeug greift somit in Verlängerung
der Drehachse bzw. Längsachse
des Trägerelementes an
und nicht senkrecht zur Drehachse wie im obigen Beispiel.
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Neben den erläuterten Varianten existieren im
Rahmen der vorliegenden Erfindung selbstverständlich noch weitere alternative
Ausgestaltungsmöglichkeiten.