DE10346380B4

DE10346380B4 - Positionsmesseinrichtung

Info

Publication number: DE10346380B4
Application number: DE10346380.1A
Authority: DE
Inventors: Dr. Sändig Karsten
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2003-09-26
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2014-01-16
Anticipated expiration: 2023-09-27
Also published as: US7196319B2; SG110131A1; US20050067561A1; DE10346380A1; CN100385206C; CN1601233A

Abstract

Positionsmesseinrichtung zur Erzeugung von Messsignalen mit – einer Spur (12), die eine entlang einer Messrichtung (x) erstreckte Inkrementalteilung (13, 14) mit einer definierten Teilungsperiode (TPINC) aufweist, – mindestens einer Unstetigkeit der Inkrementalteilung (13, 14) an einer Referenzposition (xREF) zur Erzeugung eines Referenzsignales (REF) und – einer entlang der Messrichtung (x) relativ zu der Spur (12) beweglichen Abtasteinheit (2) zur Abtastung der Inkrementalteilung (13, 14) durch Strahlungsbündel (S), wobei die mindestens eine Unstetigkeit durch eine Modifikation einer senkrecht zur Messrichtung (x) erstreckten Transversal-Substruktur der Inkrementalteilung (13, 14) gebildet wird, die von der Abtasteinheit (2) stammende Strahlungsbündel (S) ablenkt, wobei die Ablenkrichtung an der Unstetigkeit von der Ablenkrichtung in anderen Bereichen der Inkrementalteilung (13, 14) abweicht und wobei die Abtasteinheit (2) mindestens ein Referenzimpuls-Detektorelement (25.1, 25.2; 25.4, 25.5) aufweist, das zum Empfang eines der Strahlungsbündel (ST1, ST2) mit unterschiedlicher Ablenkrichtung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Referenzimpuls-Detektorelement (25.1, 25.2; 25.4, 25.5) mindestens eine Abbildungsoptik (20) in dem Strahlengang des jeweiligen abgelenkten Strahlungsbündels (ST1, ST2) angeordnet ist und dass die Abbildungsoptik (20) mindestens eine Zylinderlinse zur Abbildung der jeweils mittels der Abtasteinheit (2) bestrahlten Bereiche der Spur (12) auf eine vorgegebene Abbildungsebene umfasst, wobei in der Abbildungsebene mindestens ein Spalt (23.2) vorhanden ist, auf den die Strahlung zweier Strahlungsbündel (ST1, ST2) unterschiedlicher Ablenkrichtung auftrifft und der die Strahlung aus Strahlungsbündeln (ST1, ST2) mit unterschiedlicher Ablenkrichtung unterschiedlichen Referenzimpuls-Detektorelementen (25.1, 25.2; 25.4, 25.5) zuführt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Positionsmesseinrichtung zur Erzeugung von Messsignalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Positionsmesseinrichtung umfasst eine Spur, die eine entlang einer Messrichtung erstreckte Inkrementalteilung mit einer definierten Teilungsperiode aufweist, welche an mindestens einer Referenzposition mit einer Unstetigkeit zur Erzeugung eines Referenzsignals versehen ist, sowie eine entlang der Messrichtung relativ zu der Spur bewegliche Abtasteinheit zur (fotoelektrischen) Abtastung der Spur. Dabei wird die Unstetigkeit durch Modifikation einer senkrecht zur Messrichtung erstreckten Transversal-Substruktur der Inkrementalteilung gebildet, die von der Abtasteinheit stammende Strahlungsbündel (durch Beugung) mit einer Komponente senkrecht zur Messrichtung (transversal) ablenkt, wobei die Ablenkrichtung an der Unstetigkeit von der Ablenkrichtung in den anderen Bereichen der Inkrementalteilung abweicht und wobei die Abtasteinheit mindestens ein Referenzimpuls-Detektorelement, vorzugsweise mindestens zwei Referenzimpuls-Detektorelemente aufweist, die zum Empfang von Strahlungsbündeln mit unterschiedlicher Ablenkrichtung vorgesehen sind.
Die senkrechte Erstreckung der Transversal-Substrukturen bezüglich der Messrichtung bedeutet dabei nicht zwingend, dass die Transversal-Substrukturen genau senkrecht zur Messrichtung verlaufen müssen. Vielmehr ist lediglich erforderlich, dass die Transversal-Substrukturen in ihrem Verlauf zumindest eine Komponente senkrecht zur Messrichtung aufweisen.
Eine Positionsmesseinrichtung der genannten Art ist aus der WO 03/021185 A1 bekannt. Die bekannte Positionsmesseinrichtung besteht zur Erzeugung periodischer inkrementalsignale sowie mindestens eines Referenzimpulssignals aus einem Maßstab mit einer Spur, in der eine periodische Inkrementalteilung mit einer bestimmten Inkremental-Teilungsperiode ausgebildet ist, die sich entlang einer Messrichtung erstreckt und die an mindestens einer definierten Referenzposition eine Unstetigkeit bezüglich einer optischen Eigenschaft zur Erzeugung eines Referenzimpulssignals aufweist, sowie aus einer Abtasteinheit, die relativ zum Maßstab in Messrichtung über eine bestimmte Messstrecke beweglich ist und die neben einer Lichtquelle mehrere Detektorelemente zur fotoelektrischen Abtastung der Inkrementalteilung umfasst. Dabei besitzt die Inkrementalteilung in einem ersten Abschnitt der Messstrecke eine erste Transversal-Substruktur, die auftreffende Strahlungsbündel in mindestens eine erste Raumrichtung ablenkt; und sie besitzt in einem zweiten Abschnitt der Messstrecke eine zweite Transversal-Substruktur, die auftreffende Strahlungsbündel in mindestens eine zweite Raumrichtung ablenkt, die von der ersten Raumrichtung verschieden ist, so dass im Übergangsbereich zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt eine Unstetigkeit hinsichtlich der optischen Ablenkwirkung der Transversal-Substruktur der Inkrementalteilung vorliegt. Dabei sind in den verschiedenen Raumrichtungen auf Seiten der Abtasteinheit jeweils Referenzimpuls-Detektorelemente angeordnet, an denen Referenzimpuls-Teilsignale anliegen, aus deren Verarbeitung das Referenzimpulssignal resultiert.
Alternativ zu der Verwendung mehrerer (mindestens zweier) Referenzimpuls-Detektorelemente, wobei jedem der Strahlungsbündel unterschiedlicher Ablenkrichtung ein Referenzimpuls-Detektorelement zugeordnet ist, kann eine Positionsmesseinrichtung der vorbeschriebenen Art auch mit einem Referenzimpuls-Detektorelement betrieben werden, das einem der Strahlungsbündel mit unterschiedlicher Ablenkrichtung zugeordnet ist. Anhand der Beleuchtung bzw. Nichtbeleuchtung dieses einzelnen Referenzimpuls-Detektorelementes kann dann festgestellt werden, ob die Referenzposition gerade überfahren wird.
Bei der bekannten Positionsmesseinrichtung wird die Erzeugung eines Referenzimpulssignals aus einer in die Inkrementalspur integrierten Referenzmarke abgeleitet. Hierzu weisen die Teilungsstriche der abzutastenden Inkrementalteilung entlang ihrer Erstreckungsrichtung (senkrecht zur Messrichtung) eine transversale Strukturierung (so genannte Transversal-Substrukturen) auf. Speziell sind die seitlichen Begrenzungslinien der Teilungsstriche in Längsrichtung mit einer definierten transversalen Teilungsperiode periodisch moduliert. An der mindestens einen Referenzposition ändert sich die transversale Teilungsperiode und die Referenzmarke wird durch diese Sprungstelle definiert.
Die Transversal-Substrukturen bewirken eine Ablenkung der darauf auftreffenden Strahlungsbündel (durch Beugung) auch in transversaler Richtung (senkrecht zur Messrichtung). Der Grad der Ablenkung hängt hierbei von der jeweiligen transversalen Teilungsperiode ab und ändert sich demnach an der durch eine Sprungstelle der Teilungsperiode gebildeten Referenzposition. Den unterschiedlichen transversalen Teilungsperioden ist jeweils ein bestimmtes Detektorelement in Form eines Fotoelementes räumlich zugeordnet. Im Fall des Überfahrens der Referenzposition bei einer Relativbewegung des Maßstabes bezüglich der Abtasteinheit der Positionsmesseinrichtung ändert sich die Ablenkwirkung auf die Strahlungsbündel derart, dass nunmehr das jeweils andere Detektorelement beaufschlagt wird. Aus dem Signalverlauf (Verlauf der Referenzimpuls-Teilsignale) an den mindestens zwei Detektorelementen lässt sich dann durch Signalverschaltung ein Referenzimpulssignal ableiten, wie in der WO 03/02 1185 A1 erläutert.
Der Vorteil der Integration einer Referenzmarke in die Inkrementalspur liegt darin, dass größere Anbautoleranzen bei der Montage der entsprechenden Positionsmessgeräte zugelassen werden können. Dabei wird durch die aus der WO 03/021185 A1 bekannte Anordnung sicher gestellt, dass das Inkrementalsignal durch die Referenz-Marke nicht gestört wird.
Aus der US 5 260 568 A , der US 4 948 968 A und der US 4 979 827 A ist es jeweils bekannt, im Strahlengang einer Abbildungsoptik, die zur Abtastung einer Spur einer Positionsmesseinrichtung dient, eine Abschirmplatte anzuordnen, die nur bestimmte Anteile der Strahlung zur weiteren Verarbeitung zulässt.
In der DE 1 523 231 A ist eine Winkelmesseinrichtung mit einer reinen Inkrementalspur beschrieben, in deren Abtasteinheit eine Blende oder Bahn angeordnet ist, mittels der die Menge des auf eine nachgeordnete Fotozelle auftreffenden Lichtes gesteuert wird.
Die US 5 073 710 A betrifft ebenfalls eine Winkelmesseinrichtung mit reiner Inkrementalspur, wobei im Strahlengang eines Strahlungsbündels drei Schlitze nebeneinander angeordnet sind, die das Strahlungsbündel in unterschiedlicher Weise beeinflussen.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Positionsmesseinrichtung der eingangs genannten Art im Hinblick auf die räumliche Auflösung des Referenzimpulssignals zu verbessern.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Schaffung einer Positionsmesseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Danach ist vorgesehen, im Strahlengang der (transversal) abgelenkten, der Referenzimpulssignalerzeugung dienenden Strahlungsbündel eine Abbildungsoptik anzuordnen.
Hierdurch lässt sich die räumliche Auflösung bei der Referenzimpulssignalerzeugung derart verbessern, dass sie der räumlichen Auflösung bei der Inkrementalsignal-erzeugung entspricht.
Die Abbildungsoptik dient zur Abbildung der jeweils mittels der Abtasteinheit beleuchteten Bereiche der die Inkrementalteilung aufweisenden Spur auf eine vorgebbare Abbildungsebene und weist hierzu mindestens eine Zylinderlinse, vorzugsweise in Form einer Fresnel-Zylinderlinse, auf einer ersten Abtastplatte auf. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung können hierfür auch zwei im Strahlengang der abgelenkten Strahlungsbündel hintereinander angeordnete Zylinderlinsen vorgesehen sein, die ein Zylinderteleskop bilden, so dass ein entsprechend großer Abbildungsmaßstab erreicht werden kann.
In der Abbildungsebene ist auf einer zweiten Abtastplatte mindestens ein Spalt vorgesehen, auf den die Strahlung der einzelnen Strahlungsbündel (nach Wechselwirkung mit der mindestens einen ((Fresnel-)Zylinderlinse) auftrifft und der die Strahlung aus Strahlungsbündeln mit unterschiedlicher Ablenkrichtung (durch Beugung) unterschiedlichen Referenzimpuls-Detektorelementen zuführt.
Dabei trifft die Strahlung unterschiedlich abgelenkter Strahlungsbündel – in Erstreckungsrichtung des jeweiligen Spaltes betrachtet – an unterschiedlichen Stellen des mindestens einen Spaltes auf, wobei sich der mindestens eine Spalt senkrecht zur Messrichtung erstreckt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Abbildungsebene von den Referenzimpuls-Detektorelementen beabstandet im Strahlengang der Strahlungsbündel angeordnet. Gemäß einer anderen Ausführungsform liegen die Referenzimpuls-Detektorelemente im Wesentlichen in der Abbildungsebene, so dass der entsprechende Spalt bzw. die entsprechenden Spalte unmittelbar über den Fotoelementen (beispielsweise mit diesen körperlich verbunden) anzuordnen sind.
Die Inkrementalteilung selbst wird bevorzugt durch periodisch hintereinander angeordnete und durch Zwischenbereiche voneinander getrennte Markierungen (in Form von Teilungsstrichen) gebildet. Unter einer periodischen Anordnung wird hierbei eine solche Anordnung der Markierungen verstanden, dass diese beispielsweise einen konstanten (durch die Teilungsperiode definierten) Mittenabstand oder sonstigen eindeutig definierbaren, sich periodisch wiederholenden Abstand aufweisen. Der Begriff Periodizität ist demgegenüber in diesem Zusammenhang nicht so zu verstehen, dass die Inkrementalteilung insgesamt – unter Einschluss der Form der einzelnen Markierungen – ein vollständig periodisches Muster entlang der Messrichtung bilden müsste. Denn eine solche Periodizität kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung schon deshalb nicht vorliegen, weil ja zur Bildung einer Referenzmarke an mindestens einer Referenzposition entsprechende Unstetigkeitsstellen in der Inkrementalteilung vorgesehen sein müssen.
Die einzelnen Markierungen der Inkrementalteilung erstrecken sich (als Teilungsstriche) bevorzugt in einer Richtung senkrecht zur Messrichtung und sind entlang der Messrichtung hintereinander angeordnet.
Die Transversal-Substruktur wird bevorzugt durch Modulation der Längsseiten der Markierungen gebildet, insbesondere in der Weise, dass sich eine (periodische) Breitenmodulation der Markierungen ergibt, und zwar besonders bevorzugt auf der Basis einer Sinus-Funktion.
Die Modifikation der Transversal-Substruktur, um unterschiedlich abgelenkte Strahlungsbündel zu erhalten, kann in der Weise erfolgen, dass die Modulation mindestens einer Längsseite einer Markierung, verglichen mit weiteren Markierungen, variiert wird, insbesondere durch Änderung der Periode einer periodischen Modulation.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist genau eine Markierung der Inkrementalteilung eine Transversal-Substruktur auf, die von der Transversal-Substruktur der anderen Markierungen abweicht und die zur Bildung einer Referenzmarke bzw. zur Erzeugung eines Referenzsignalimpulses an der Referenzposition eine Unstetigkeit definiert.
Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind zur Bildung der Unstetigkeit in der Umgebung der Referenzposition mehrere Markierungen mit einer Transversal-Substruktur vorgesehen, die von der Transversal-Substruktur der übrigen Markierungen der Inkrementalteilung abweicht, wobei sich die Abstände zwischen benachbarten Markierungen mit abweichender Transversal-Substruktur derart unterscheiden, dass nicht mehrfach ein und derselbe Abstand zwischen benachbarten Markierungen mit abweichender Transversal-Substruktur auftritt. Bei dieser Ausführungsform entspricht die Anzahl der Spalte in der Abbildungsebene bevorzugt der Anzahl der Markierungen mit abweichender Transversal-Substruktur. Der Abstand zwischen den einzelnen Spalten wird dabei in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen den besagten Markierungen unter Berücksichtigung sonstiger geometrischer Größen der Abbildungsoptik, wie zum Beispiel der Brennweite, bestimmt.
Nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung weist die mittels der Abtasteinheit abzutastende und die Inkrementalteilung aufweisende Spur mindestens zwei Sektoren auf, wobei in jedem der mindestens zwei Sektoren eine andere Transversal-Substruktur vorgesehen ist. In diesem Fall ist die Unstetigkeit an der mindestens einen Referenzposition definiert durch den Übergang von einem Sektor zu einem anderen Sektor der Spur.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können zur Bildung einer Codespur mit absoluter Positionsinformation entlang der Messrichtungen Markierungen mit abweichender Transversal-Substruktur derart verteilt sein, dass sich ein Code entsprechend eines PRC-Codes ergibt. Dabei ist jeweils allen Längsseiten von Markierungen, die eine übereinstimmende Transversal-Substruktur aufweisen, ein bestimmtes Detektorelement zugeordnet. Werden also beispielsweise zur Bildung des Codes lediglich zwei unterschiedliche Typen von Transversal-Substrukturen verwendet, die entsprechend auf die (Längsseiten der) einzelnen Markierungen verteilt werden, so sind zwei Detektorelemente erforderlich, von denen jedes einem der beiden Typen von Transversal-Substrukturen zugeordnet ist.
Die zugeordneten Detektorelemente werden in diesem Fall bevorzugt durch jeweils eine periodische Anordnung aktiver Flächen gebildet, die zum Empfang der jeweiligen Strahlungsbündel ausgebildet sind.
Bei allen Ausführungsformen der Erfindung werden die unterschiedlichen Referenzimpuls-Detektorelemente bevorzugt im Gegentakt miteinander verschaltet, um aus den Ausgangssignalen an den einzelnen Referenzimpuls-Detektorelemente (Referenzimpuls-Teilsignalen) ein weiterzuleitendes Referenzimpulssignal zu bilden.
Da aufgrund der transversalen Ablenkwirkung der Transversal-Substrukturen das abgelenkte Licht auch hinsichtlich positiver und negativer Beugungsordnungen (und nicht nur hinsichtlich der Art der am jeweiligen Ort vorgesehenen Transversal-Substruktur) aufgespalten wird, ergeben sich zwei Beugungsäste, in denen bevorzugt jeweils eine Abbildungsoptik der vorstehend beschriebenen Art vorzusehen ist.
Dabei werden die in dem einen Beugungsast verlaufenden Strahlungsbündel – je nach Ablenkrichtung, hervorgerufen durch unterschiedliche Transversal-Substrukturen – auf eines von mehreren hierfür vorgesehenen Referenzimpuls-Detektorelementen geleitet. Im anderen Beugungsast werden demgegenüber sämtliche Strahlungsbündel – unabhängig von ihrer Ablenkrichtung – einem einheitlichen Detektorelement zugeführt, das zur Erzeugung eines Gleichlichtpegels konstanter Intensität dient. Das letztgenannte Detektorelement muss dabei nicht zwingend durch eine einzige körperliche Detektionseinrichtung gebildet werden. Entscheidend ist vielmehr, dass das entsprechende Detektorelement so ausgebildet ist, dass es aus den auftreffenden Strahlungsbündeln ein Signal erzeugt, welches der gesamten Strahlung der entsprechenden Strahlungsbündel – unabhängig von der räumlicher Verteilung – entspricht und nicht etwa von der räumlichen Verteilung der Strahlungsbündel abhängt, wie es im anderen Beugungsast der Fall ist.
Das von dem letztgenannten Detektorelement erzeugte Gleichlichtsignal wird zur Bildung des Referenzimpulssignals mit den Ausgangssignalen (Referenzimpuls-Teilsignalen) der einzelnen Referenzimpuls-Detektorelemente verknüpft, beispielsweise mittels eines Komparators.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren deutlich werden.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung einer Positionsmesseinrichtung mit einem als Teilscheibe ausgebildeten Maßstab und einer Abtasteinheit zur fotoelektrischen Abtastung des Maßstabes, einschließlich der bei der Abtastung erzeugten Strahlungsbündel;
2a einen Ausschnitt aus einer auf der Teilscheibe vorgesehenen Spur mit einer Inkrementalteilung;
2b eine Abtastplatte der Positionsmesseinrichtung zur Verwendung bei einer Spur der in 2a dargestellten Art;
3a eine erste Abwandlung der Spur aus 2a;
3b eine Abtastplatte der Positionsmesseinrichtung zur Verwendung bei einer Spur gemäß 3a;
4a eine zweite Abwandlung der Spur aus 2a;
4b eine Abtastplatte der Positionsmesseinrichtung zur Verwendung bei einer Spur gemäß 4a;
5 eine Prinzipdarstellung einer Positionsmesseinrichtung gemäß 1 in schematischer Seitenansicht;
6a bis 6c unterschiedliche Referenzimpulssignale, die mit den Anordnungen aus den 1 bis 5 erzeugt werden können;
7 eine Schaltungsanordnung zur Verschaltung von Detektorelementen der Positionsmesseinrichtung;
8 ein Detektorelement zur Verwendung bei Ausbildung einer Spur der Positionsmesseinrichtung als Codespur mit absoluter Positionsinformation;
9a eine Weiterbildung der Spur aus 4a;
9b eine Abtastplatte zur Verwendung bei einer Positionsmesseinrichtung mit einer Spur gemäß 9a;
10 ein Referenzimpuls-Summensignal, das mittels einer Positionsmesseinrichtung bei Verwendung einer Spur gemäß den 9a und 9b erzeugbar ist;
11 eine Abwandlung der Abtastplatten aus den 2b, 3b, 4b und 9b, welche Fresnel-Zylinderlinsen enthält.
In 1 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Positionsmesseinrichtung dargestellt, die als Winkelmesseinrichtung zur Erfassung rotatorischer Bewegungen (also des Drehwinkels) zweier um eine Drehachse 10 zueinander verdrehbarer Objekte dient. Die Positionsmesseinrichtung umfasst einen Maßstab 1 sowie eine zugeordnete Abtasteinheit 2, die mit jeweils einem der beiden zueinander verdrehbaren Objekte zu verbinden sind. Die Messrichtung x, entlang der die beiden Objekte relativ zueinander beweglich (also vorliegend verdrehbar) sind, verläuft vorliegend kreisförmig, nämlich rotationssymmetrisch zur Drehachse 10.
Der Maßstab 1 ist als Teilscheibe ausgebildet, die aus einem scheibenförmigen Trägerelement 11 aus Glas besteht, auf dem eine Spur 12 mit einer Inkrementalteilung kreisförmig in Umfangsrichtung angeordnet ist. Die Inkrementalteilung besteht aus einer Vielzahl entlang der Messrichtung x mit einer Inkrementalteilungsperiode periodisch hintereinander angeordneten Markierungen 13, die sich von den jeweils zwischen zwei Markierungen 13 liegenden Zwischenbereichen 14 in ihren optischen Eigenschaften (z. B. der Durchlässigkeit für Licht) unterscheiden. Die Markierungen 13 und die dazwischen liegenden Zwischenbereiche 14 besitzen jeweils eine Längsausdehnung entlang einer radial zur Drehachse 10 verlaufenden Richtung y, die sich senkrecht zur Messrichtung x erstreckt.
Vorliegend ist die durch die Markierungen 13 und die dazwischen liegenden Zwischenbereiche 14 gebildete Inkrementalteilung als Durchlicht-Phasenteilung ausgebildet, d. h., die aufeinanderfolgenden Markierungen 13 und Zwischenbereiche 14 weisen jeweils eine unterschiedliche phasenverschiebende optische Wirkung auf durchtretende Strahlungsbündel auf. Alternativ zu einer Phasenteilung kann zur Bildung einer Inkrementalteilung (für Auflicht oder Durchlicht) auch eine sogenannte Amplitudenteilung dienen.
Die am anderen der beiden zueinander beweglichen (insbesondere zueinander verdrehbaren) Objekte angeordnete Abtasteinheit 2 weist eine Strahlungsquelle in Form einer Lichtquelle 21 auf sowie ferner eine Abbildungsoptik 20, mittels der von der Lichtquelle 21 ausgesandte Strahlung S nach der Wechselwirkung mit der Spur 12 der Teilscheibe 1 auf unterschiedliche Detektorelemente 24.1, 24.2, 25.1, 25.2, 25.3 geleitet wird, die zur Erzeugung von Abtastsignalen dienen.
Zur Erfassung des bei der Wechselwirkung des kollimierten Strahlungsbündels S (in Form eines von einer Laserdiode als Lichtquelle 21 erzeugten Laserstrahles) mit der Inkrementalteilung der Spur 12 erzeugten periodischen Inkrementalsignales dienen drei Inkrementalsignal-Detektorelemente, von denen in 1 lediglich zwei Inkrementalsignal-Detektoren 24.1, 24.2 erkennbar sind. Die Inkrementalsignal-Detektorelemente 24.1, 24.2 können in bekannter Weise als sogenannte strukturierte Detektoren ausgebildet sein oder alternativ als eine Anordnung einer Mehrzahl einzelner Fotoelemente.
Mit Hilfe der drei Inkrementalsignal-Detektorelemente (u. a. 24.1, 24.2) werden in bekannter Art und Weise drei um jeweils 120° zueinander phasenverschobene Inkrementalsignale erzeugt, die wiederum zu zwei um 90° zueinander verschobenen Inkremental-Ausgangssignalen verschaltet werden. Nachfolgend wird der Einfachheit halber durchgängig von (periodischen) Inkrementalsignalen gesprochen werden.
Bei den weiteren Detektorelementen 25.1, 25.2, 25.3, handelt es sich um Referenzimpuls-Detektorelemente, an denen Referenzimpuls-Teilsignale REF₁, REF₂ bzw. REF₃ anliegen, aus denen in nachfolgend noch zu erläuternder Weise ein Referenzimpulssignal erzeugt wird. Die Referenzimpuls-Detektorelemente 25.1, 25.2, 25.3 sind vorzusweise als Fotoelemente ausgebildet.
Die von der Positionsmesseinrichtung erzeugten Inkrementalsignale und Referenzimpulssignale werden einer in 1 nicht dargestellten Auswerteeinheit, z. B. einer Steuerung einer numerischen Werkzeugmaschine, zur Weiterverarbeitung zugeführt.
Die Funktion der in 1 dargestellten Positionsmesseinrichtung wird nachfolgend näher erläutert werden.
Ein von der Strahlungsquelle 21 in Form einer Laserdiode erzeugtes Strahlungsbündel S in Form eines kollimierten Laserstrahles trifft auf dem als Teilscheibe ausgebildeten Maßstab 1 auf die Spur 12 mit der Inkrementalteilung 13, 14. Zur Erzeugung der Inkrementalsignale wird das auftreffende Strahlungsbündel S durch Beugung an der Inkrementalteilung in zwei Teilstrahlungsbündel S₊₁ und S_–1 (in 2 nicht erkennbar) in Messrichtung x (longitudinal) aufgespalten, die der ersten und minus ersten Beugungsordnung entsprechen und die sich in zwei unterschiedlichen Raumrichtungen ausbreite. Auf Seiten der Abtasteinheit treffen die beiden Teilstrahlungsbündel S₊₁ und S_–1 auf jeweils eine Abtastteilung 22.1, 22.2 einer ersten Abtastplatte 22 in Form eines Abtastgitters (1:1 geteilt; 180° Phasenhub). Von den Abtastteilungen 22.1, 22.2 der ersten Abtastplatte 22 werden die beiden Teilstrahlungsbündel S₊₁ und S_–1 erneut durch Beugung abgelenkt, so dass sie in der Ebene einer zweiten Abtastplatte in Form eines Abtastgitters auf eine Abtastteilung 23.1 (1:1 geteilt; 120° Phasenhub) zusammentreffen. Dort werden die jeweiligen ersten Beugungsordnungen miteinander sowie jeweils eine nullte mit einer zweiten Beugungsordnung überlagert. Die drei hieraus resultierenden Teilstrahlungsbündel treffen auf jeweils ein Detektorelement 24.1, 24.2 (drittes Detektorelement in 1 verdeckt) in Form eines Fotoelementes. Die Phasenlagen der interferierenden ersten Beugungsordnungen sowie der interferierenden nullten und zweiten Beugungsordnungen sind dabei jeweils um 120° versetzt. So entstehen bei einer Relativbewegung des Maßstabes 1 in Form einer Teilscheibe bezüglich der Abtasteinheit 2, drei um 120° zueinander phasenverschobene Signals, die elektronisch so verschaltet werden, dass hieraus ein Sinus-Signal sowie ein Cosinus-Signal gewonnen wird.
Für weitere Einzelheiten zu einer derartigen Positionsmesseinrichtung sei auf die WO 03/021185 A1 verwiesen, auf die diesbezüglich voll inhaltlich Bezug genommen wird.
Neben den vorstehend erläuterten periodischen Inkrementalsignalen lässt sich mittels der in 1 dargestellten Positionsmesseinrichtung auch an mindestens einer durch eine Unstetigkeit gebildeten Referenzposition entlang der Spur 12 ein Referenzimpulssignal erzeugen. Mit Hilfe dieses Referenzimpulssignals kann während der Messung ein Absolutbezug hergestellt werden, auf den dann eine nachfolgende Inkrementalmessung bezogen werden kann.
Zu diesem Zweck ist eine solche Ausbildung der Inkrementalteilung 13, 14 vorgesehen, um durch mindestens eine Unstetigkeit bezüglich einer optischen Eigenschaft an mindestens einer Referenzposition ein Referenzimpulssignal erzeugen zu können.
Vorliegend besteht die Inkrementalteilung 13, 14, wie anhand 1 in Verbindung mit 2a erkennbar, aus periodisch mit einer Inkremental-Teilungsperiode TP_INC in Messrichtung x hintereinander angeordneten Markierungen 13 mit dazwischen angeordneten Zwischenbereichen 14, die sich in bestimmten optischen Eigenschaften von den Markierungen 13 unterscheiden. Die Markierungen 13 und die dazwischen liegenden Zwischenbereiche 14 sind nach Art von Teilungsstrichen längserstreckt entlang einer senkrecht zur Messrichtung x verlaufenden (radialen) Richtung y ausgebildet.
Aus einer Spur 12 mit einer derartigen Inkrementalteilung 13, 14 soll vorliegend ein Referenzimpuls gewonnen werden, der auch bei großen Anbautoleranzen in radialer Richtung zuverlässig einer bestimmten (der korrekten) Signalperiode Inkrementalsignales zugeordnet werden kann. Hierzu muss das Referenzimpulssignal auf dem als Teilscheibe ausgebildeten Maßstab 1 an der gleichen Stelle abgegriffen werden wie das Inkrementalsignal, ohne dass die Stärke des Inkrementalsignals TP_INC durch die Bildung des Referenzimpulssignals beeinflusst (moduliert) wird.
Dies lässt sich erreichen durch die Erzeugung eines Referenzimpulssignals mittels periodisch modulierter Markierungen und Zwischenbereiche 13, 14, wie in den 1 und 2a dargestellt. Dementsprechend weisen die einzelnen Markierungen 13 und auch die Zwischenbereiche 14 jeweils eine im Wesentlichen sinusförmige Breitenmodulation mit einer Periode TP_TRANS,1 auf. Die Breitenmodulation der Markierungen 13 und der Zwischenbereiche 14 bewirkt, dass ein Teil der Strahlung (in Form von Licht) der ersten und minus ersten Beugungsordnung in Längsrichtung y der Markierungen 13 und Zwischenbereiche 14 („transversal”) abgelenkt wird, d. h. senkrecht zu der logitudinalen Richtung, entlang der die Strahlung S für die Gewinnung des Inkrementalsignals in zwei Teilstrahlungsbündel S₊₁ und S_–1 aufgespalten wird. Der Winkel, unter dem das Licht in transversaler Richtung gebeugt wird, hängt dabei von der Periodenlänge TP_TRANS,1 der Breitenmodulation ab.
In der in 2a dargestellten einfachsten Ausführungsform wird eine Längsseite einer Markierung 13' und dem entsprechend eine Längsseite eines unmittelbar daran anschließenden Zwischenraumes 14' mit einer abweichenden Periodenlänge TP_TRANS,2 moduliert. In diesem Fall entspricht das longitudinale Beugungsbild in der ersten transversalen Beugungsordnung im Wesentlichen dem Beugungsbild eines Spaltes, dessen Breite 2·a_mod doppelt so groß ist wie die Amplitude a_mod der Breitenmodulation der Markierungen 13 und Zwischenbereiche 14. Hierbei handelt es sich um ein Kontinuum von Beugungsordnungen, also einen entsprechend aufgefächerten Strahl, welcher auf der ersten Abtastplatte 22 einer Fresnel-Zylinderlinse 22.3 zugeführt wird. Hierdurch wird das den aufgefächerten Strahl bildende Kontinuum von Beugungsordnungen in der Ebene der zweiten Abtastplatte 23 wieder überlagert.
Die beiden Abtastplatten 22 und 23 können dabei auf der Vorder- und Rückseite ein und desselben Substrates vorgesehen sein.
Je nach dem, ob die zunächst aufgefächerten und dann mittels der Fresnel-Zylinderlinse 22.3 wieder zusammengeführten Strahlen durch Wechselwirkung mit Markierungen 13 bzw. Zwischenbereichen 14 mit einer Breitenmodulation der üblichen Periode oder durch Wechselwirkung mit der einen Markierung 13' bzw. dem einen Zwischenbereich 14' mit einer abweichenden Periode TP_TRANS,2 der Breitenmodulation in transversaler Richtung abgelenkt wurden, treffen die entsprechenden Strahlen S_T1 bzw. S_T2 in einer ersten Hohe h, oder einer zweiten Höhe h₂ auf die zweite Abtastplatte 23 auf. Unter der Hohe h₁ bzw. h₂ wird dabei jeweils der Abstand von dem ursprünglichen Strahlungsbündel S in Form eines Laserstrahles senkrecht zu dessen Ausbreitungsrichtung verstanden.
Somit entstehen die Spaltbilder solcher Markierungen 13 und Zwischenbereiche 14, die mit der üblichen Periode TP_TRANS,1 breitenmoduliert sind, in einer ersten Höhe h, und das Bild desjenigen Spaltbildes, welches durch die abweichende Periode TP_TRANS,2 an einer Längsseite einer Markierung 13 bzw. des zugeordneten Zwischenbereiches 14' hervorgerufen wird, in einer hiervon abweichenden zweiten Höhe h₂ auf der zweiten Abtastplatte 23.
In 1 ist dabei der Übersichtlichkeit halber zwischen dem als Teilscheibe ausgebildeten Maßstab 1 und der ersten Abtastplatte 22 die Aufspaltung des ursprünglichen, von der Lichtquelle 21 in Form einer Laserdiode erzeugten Strahlungsbündels S in zwei Strahlungsbündel S_T1, S_T2 – in Abhängigkeit davon, ob die soeben abgetastete Signalperiode der Inkrementalteilung eine Unstetigkeit aufweist – nicht mit dargestellt. Hierzu wird auf die schematische Seitenansicht in 5 verwiesen, die den Verlauf der jeweiligen Strahlungsbündel S_T1, S_T2 zwischen dem Maßstab 1 und dem jeweiligen Detektorelement 25.1, 25.2 zeigt.
Selbstverständlich ist im tatsächlichen Betrieb der Positionsmesseinrichtung jeweils nur eines der beiden abgelenkten Strahlungsbündel S_T1, S_T2 vorhanden, je nach dem, ob der aktuell abgetastete Abschnitt der Inkrementalteilung eine Unstetigkeit aufweist oder nicht. In den 1 und 5 sind beide Strahlungsbündel S_T1, S_T2 gemeinsam dargestellt, um die Funktion der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung zu verdeutlichen, insbesondere hinsichtlich der unterschiedlichen Ablenkung der beiden Strahlungsbündel S_T1, S_T2.
Auf der zweiten Abtastplatte 23 ist ein Spalt 23.2 vorgesehen, welcher derart auf der zweiten Abtastplatte 23 angeordnet ist und sich dort mit einer solchen Länge erstreckt, dass auf diesen sowohl die in der ersten Hohe h₁ auftreffenden Strahlen S_T1 als auch die in der zweiten Höhe h₂ auftreffenden Strahlen S_T2 treffen. Mittels dieses Spaltes 22.3 wird die Strahlung derart transversal gebeugt, dass ein erstes Detektorelement 25.1 in Form eines Fotoelementes nur von den Strahlen S_T1 erreicht wird, die auf eine Wechselwirkung an dem Maßstab 1 in Form einer Teilscheibe mit den Markierungen 13 und Zwischenbereichen 14 der üblichen, ersten Transversalperiode TP_TRANS,1 zurückgehen, während zu dem weiteren Detektorelement 25.2 in Form eines Fotoelementes nur diejenigen Strahlen S_T2 gefangen, die auf eine Wechselwirkung mit der einen Markierung 13' bzw. dem zugeordneten Zwischenbereich 14' zurückgehen, an deren einer Längsseite eine abweichende Transversalperiode TP_TRANS,2 der Breitenmodulation vorgesehen ist. Mit anderen Worten ausgedrückt, wird das erste Detektorelement 25.1 immer dann durch Strahlen S_T1 beleuchtet, wenn sich der Maßstab 1 in einer Position befindet, in der die Markierung 13' und der zugeordnete Zwischenbereich 14' mit der abweichenden Transversalperiode TP_TRANS,2 an einer Längsseite nicht beleuchtet sind. Das zweite Detektorelement 25.2 wird demgegenüber immer dann beleuchtet, wenn genau diese eine Markierung 13' bzw. der zugeordnete Zwischenbereich 14' mit einer abweichenden Transversalperiode TP_TRANS,2 (an einer Längsseite) beleuchtet sind.
Durch Gegentaktverschaltung der beiden Detektorelemente 25.1 und 25.2 entsteht beim Überfahren der Referenzposition x_REF, neben der sich die Längsseite der Markierung 13' mit abweichender Transversalperiode TP_TRANS,2 erstreckt, ein charakteristischer, in 6a dargestellter Signalverlauf.
Sofern die erste Abtastplatte 22 und die zweite Abtastplatte 23 auf der Vorderseite und der Rückseite ein und desselben, aus Glas bestehenden Substrates ausgebildet sind, lassen sich konkrete Bedingungen für das Erreichen der vorstehend beschriebenen Verhältnisse an den Detektorelementen 25.1, 25.2 wie folgt mathematisch formulieren. Die Brennweite der Anordnung wird so dimensioniert, dass sie der Abbildung eines Spaltes im Abtastbereich des als Teilscheibe ausgebildeten Maßstabes 1 auf den Spalt 23.2 der zweiten Abtastplatte 23 entspricht, d. h.
Dabei sind a und b die mittleren Abstände, welche die durch Beugung transversal abgelenkten Strahlen S_T1 bzw. S_T2 von dem als Teilscheibe ausgebildeten Maßstab 1 bis zu der Fresnel-Zylinderlinse 22.3 auf der ersten Abtastplatte 22 bzw. von der Fresnel-Zylinderlinse 22.3 auf der ersten Abtastplatte 22 bis zu dem Spalt 23.2 auf der zweiten Abtastplatte 23 zurücklegen. Die Parameter a und b lassen sich aus der Wellenlänge des durch Laserstrahlung gebildeten ursprünglichen Strahlungsbündels S, aus dem Abstand d₁ zwischen dem als Teilscheibe ausgebildeten Maßstab 1 und der ersten Abtastplatte 22 sowie aus dem Abstand zwischen der ersten Abtastplatte 22 und der zweiten Abtastplatte 23 wie folgt berechnen:
Weiterhin folgt, dass der longitudinale Abbildungsmaßstab –b/a beträgt.
Damit die erzeugten Signale möglichst frei von periodischen Störsignalen mit der Signalperiode (halbe Teilungsperiode) des Inkrementalsignales sind, wird die Breite des Spaltes 23.2 auf der zweiten Abtastplatte 23 bevorzugt wie folgt gewählt: B_Spalt = P_sig·b/a, wobei P_sig die besagte Signalperiode angibt.
Gemäß einer Weiterbildung des vorstehend anhand der 1, 2a, 2b, 5 und 6a beschriebenen Ausführungsbeispiels einer Positionsmesseinrichtung können mehrere Markierungen 13'' einer Inkrementalteilung 13, 14 jeweils an einer Längsseite eine abweichende Transversalperiode TP_TRANS,2 aufweisen, vergleiche 3a, wo dies bei drei Markierungen 13'' der Fall ist. Das Bild auf der zweiten Abtastplatte 23 entspricht dann in der zweiten Höhe h₂ dem Beugungsbild einer Anzahl Spalte, die mit der Anzahl der Längsseiten mit abweichender Transversalperiode TP_TRANS,2 übereinstimmt. Auf der ersten Höhe h₁ werden dabei in Messrichtung x diejenigen Positionen beleuchtet, die in der zweiten Höhe h₂ unbeleuchtet bleiben, und umgekehrt.
Die Abstände n·SP zwischen den Längsseiten von Markierungen 13'' mit abweichender Transversalperiode TP_TRANS,2 werden so gewählt, dass zwischen benachbarten Längsseiten mit abweichender Transversalperiode TP_TRANS,2 jeweils unterschiedliche Abstände bestehen, also ein und derselbe Abstand nicht mehrfach auftritt, vergleiche 3a.
Gemäß 3b befindet sich auf der zweiten Abtastplatte eine Mehrzahl Spalte 23.2, die mit der Anzahl an Längsseiten abweichender Transversalperiode TP_TRANS,2 übereinstimmt. Die Abstände zwischen benachbarten Spalten 23.2 auf der zweiten Abtastplatte 23 entsprechen dabei dem –b/a-fachen der entsprechenden Abstände zwischen benachbarten Längsseiten mit abweichender Transversalperiode Befindet sich der als Teilscheibe ausgebildete Maßstab 1, bezogen auf die Lage der Abtasteinheit 2, innerhalb der Signalperiode, in der das Referenzsignal erzeugt wird, dann werden alle Spalte 23.2 der zweiten Abtastplatte 23 in der Höhe h₂ beleuchtet und das durch die Spalte 23.2 transmittierte Licht fällt auf das zugeordnete Detektorelement 25.2. Das andere Detektorelement 25.1 wird nicht beleuchtet. In allen anderen Signalperioden wird in der zweiten Höhe h₂ maximal ein Spalt beleuchtet, d. h., es fällt nur solche Strahlung auf das entsprechende Detektorelement 25.2, welche zuvor an der Spur 12 mit höchstens einer Längsseite mit abweichender Transversalperiode TP_TRANS,2 wechselwirkte, während die verbleibende Strahlung auf das andere Detektorelement 25.1 trifft. Hierdurch erhöht sich die Größe des Nutzsignals um den Faktor j-1, wobei j die Anzahl der Längsseiten mit abweichender Transversalperiode TP_TRANS,2 bzw. die Anzahl der Spalte 23.2 auf der zweiten Abtastplatte 23 angibt. Für Werte von j, die größer oder gleich 3 sind, kann das Referenzimpulssignal auch dann noch zuverlässig erkannt werden, wenn eine der Längsseiten der Markierungen 13'' mit abweichender Transversalperiode TP_TRANS,2 verschmutzt ist. Ein sich für j = 3 ergebender Signalverlauf ist in 6b dargestellt.
In 4a ist ein Ausführungsbeispiel hinsichtlich der Bildung der Spur 12 aus breitenmodulierten Markierungen 13a, 13b dargestellt, das neben der Erzeugung von Referenzimpulssignalen auch die Bildung eines sogenannten Homingsignals erlaubt, um nach dem Einschalten der Positionsmesseinrichtung eine bestimmte, vorgegebene Drehrichtung für eine Referenzfahrt auswählen zu können. Danach umfasst der durch eine Teilscheibe gebildete Maßstab 1 mindestens zwei in Umfangsrichtung hintereinander angeordnete Sektoren 1a, 1b, die sich in der Transversalperiode TP_TRANS,1 bzw. TP_TRANS,2 ihrer jeweiligen Markierungen und Zwischenbereiche 13a, 14a bzw. 13b, 14b unterscheiden. Die transversal gebeugte Strahlung von Markierungen 13a und 13b sowie Zwischenbereichen 14a und 14b unterschiedlicher Sektoren 1a bzw. 1b wird von unterschiedlichen Detektorelementen 25.1 oder 25.2 (vergleiche 1 und 5) detektiert. Am Übergang zwischen den beiden Sektoren 1a und 1b entsteht der anhand 6c konstruierte Signalverlauf, wenn man die beiden als Fotoelemente ausgebildete Detektorelemente 25.1 und 25.2 im Gegentakt miteinander verschaltet.
Gemäß 4b umfasst bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die zweite Abtastplatte 23 einen Spalt 23.2, der mit dem entsprechenden Spalt 23.2 aus dem anhand 2 erläuterten Ausführungsbeispiel übereinstimmt.
Die erwähnte Schaltung ist, wie auch bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, jeweils in der Weise ausgebildet, dass die beiden Detektorelemente 25.1 und 25.2 als Fotoelemente ausgebildet und im Gegentakt miteinander verschaltet sind. Den beiden Detektorelementen 25.1, 25.2 sind ein Strom-/Spannungs-Wandler 28.1 sowie ein Verstärker 29.1 nachgeschaltet, dessen Ausgangssignal (erzeugt aus den Referenzimpuls-Teilsignalen REF₁, REF₂ der beiden Detektorelemente 25.1, 225.2) als Referenzimpuls-Summensignal REF_S einem Komperator 30 zugeführt wird. Andererseits wird dem Komperator 30 ein von einem weiteren Detektorelement 25.3 in Form eines Gleichlicht-Fotoelementes (mit einem Ausgangssignal REF₃) erzeugtes und durch einen nachgeordneten Strom-/Spannungs-Wandler 28.3 und einen Verstärker 29.3 aufbereitetes Gleichlicht-Signal REF_G zugeführt. Hierdurch wird die Höhe des Triggerpunktes des Komperators 30 reguliert.
Hinsichtlich der Erzeugung des Gleichlicht-Signals REF_G mittels des Gleichlichtdetektorelementes 25.3 lässt sich den 1 bis 5 entnehmen, dass die vorstehend erläuterten Strahlungsbündel S_T1, S_T2, die jeweils in einer ersten Höhe h₁ oder einer zweiten Höhe h₂ auf die zweite Abtastplatte 23 im Bereich mindestens eines Spaltes 23.2 auftreffen und die anschließend zu dem einen oder anderen der beiden zugeordneten Detektorelemente 25.1, 25.2 geleitet werden, – wegen des symmetrischen Aufbaus der Anordnung – zu beiden Seiten der Teilstrahlungsbündel S₊₁ sowie S_–1, weiche zur Erzeugung des Inkrementalsignales dienen, auftreten. Während auf der einen Seite, wie vorstehend beschrieben, die von Markierungen mit unterschiedlichen Transversalperioden TP_TRANS,1 bzw. TP_TRANS,2 stammenden Strahlungsbündel S_T1 bzw. S_T2 zu unterschiedlichen Detektorelementen 25.1 und 25.2 geleitet werden, werden auf der anderen Seite die entsprechenden Strahlungsbündel mittels einer Fresnel-Zylinderlinse 22.4 der ersten Abtastplatte 22 und mindestens eines nachgeordneten Spaltes 23.3 der zweiten Abtastplatte einem einzelnen Detektorelement 25.3 in Form des Gleichlicht-Detektorelementes zugeführt, um das besagte Gleichlicht-Signal REF_G zu erzeugen. Mit anderen Worten ausgedrückt sind in einem der beiden entstehenden Beugungsäste zwei Detektorelemente 25.1, 25.2 vorgesehen, die den unterschiedlichen Transversalperioden TP_TRANS,1 und TP_TRANS,2 zugeordnet sind; im anderen Beugungsast ist demgegenüber ein einziges flächiges Detektorelement 25.3 vorgesehen, das zur Erzeugung eines Gleichlicht-Signals REF_G in Form eines Gleichlichtpegels konstanter Intensität dient, welches gemäß 7 im Komperator 30 mit dem durch die erstgenannten Detektorelemente 25.1, 25.2 erzeugten Referenzimpuls-Summensignal REF_S verknüpft wird.
Aus dieser Verknüpfung wird letztlich das gewünschte Referenzimpulssignal REF erzeugt, wie beispielhaft in 6c für den Fall einer Unterteilung des durch eine Teilscheibe gebildeten Maßstabes 1 in mindestens zwei Sektoren 1a, 1b dargestellt. Befindet sich hierbei das Referenzimpuls-Summensignal REF_S zwischen den Werten, die für die Transversalperiode TP_TRANS,1 in dem einen Sektor 1a zu erwarten sind bzw. für die Transversalperiode TP_TRANS,2 in dem anderen Sektor 1b zu erwarten sind, dann gibt der Komperator 30 ein entsprechendes Referenzimpulssignal REF aus, welches signalisiert, dass sich die Position des Maßstabes 1 relativ zu der Abtasteinheit 2 in der durch den Übergang vom einen Sektor 1a in den anderen Sektor 1b charakterisierten Signalperiode befindet.
Auch hierbei ist es möglich, die Größe des Nutzsignals zu erhöhen. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in den 9a und 9b dargestellt. Dabei sind im Übergangsbereich zwischen den beiden Sektoren 1a, 1b des als Teilscheibe ausgebildeten Maßstabes 1 zwei Markierungen 13'' vorgesehen, die jeweils eine Längsseite mit der ersten Transversalperiode TP_TRANS,1 und eine Längsseite mit der zweiten Transversalperiode TP_TRANS,2 aufweisen.
Es ist den Markierungen 13a, 13b mit unterschiedlichen Transversalperioden TP_TRANS,1 bzw. TP_TRANS,2 sowie den beiden Längsseiten einer Markierung 13'', welche auf jeder Längsseite eine andere Transversalperiode TP_TRANS,1 bzw. TP_TRANS,2 aufweist, in dem einen Beugungsast jeweils ein anderes der beiden Detektorelemente 25.1 und 25.2 zugeordnet. Damit das entsprechende Referenzimpuls-Summensignal REF_S, dessen Verlauf in 10 dargestellt ist, außerhalb des Übergangsbereiches zwischen den beiden Sektoren 1a, 1b nicht die Schwelle überschreitet, die für die Transversalperiode TP_TRANS,1 des einen Sektors 1a gilt, bzw. nicht die Schwelle unterschreitet, die für die Transversalperiode TP_TRANS,2 des anderen Sektors 1b gilt, weist die Abtastplatte neben den entsprechenden Spalten 23.2 angeordnete Fenster 23.4 bzw. 23.5 auf, welche noch weitere Strahlung (hervorgegangen aus der Wechselwirkung mit weiteren Markierungen, z. B. drei Längsseiten von Markierungen 13a, 13b der Spur 12) hindurchlassen.
Die Größe der Fenster 23.4, 23.5 sowie deren Lage bezüglich des jeweiligen Spaltes 23.2, in Abhängigkeit von der Signalperiode SP der Inkrementalteilung, ist den 9a und 9b entnehmbar.
Indem das Referenzimpulssignal bildenden Übergangsbereich zwischen den beiden Sektoren 1a, 1b trifft also auf der einen Seite das transversal gebeugte Licht mindestens zweier Längsseiten von Markierungen mit der ersten Transversalperiode TP_TRANS,1 auf das erste Detektorelement 25.1 auf, während auf der anderen Seite das transversal gebeugte Licht mindestens zweier Längsseiten von Markierungen mit der zweiten Transversalperiode TP_TRANS,2 auf das zweite Detektorelement 25.2 trifft. Der sich hieraus ergebende Signalverlauf des Referenzimpuls-Summensignals REF_S ist in 10 dargestellt.
Abweichend von den zuvor dargestellten Ausführungsbeispielen ist es möglich, die Markierungen mit unterschiedlicher Transversalperiode TP_TRANS,1 bzw. TP_TRANS,2 nicht auf die zweite Abtastplatte 23, sondern auf eine beliebige andere Ebene abzubilden, insbesondere auch auf die Ebene, in der sich die Detektorelemente 25.1, 25.2 befinden. In diesem Fall ist es vorteilhaft, auf der zweiten Abtastplatte 23 anstelle mindestens eines Spaltes 23.2 zur Beugung des transversal abgelenkten Lichtes gemäß 11 eine zweite Fresnel-Zylinderlinse 23.4 anzuordnen. Die beiden Fresnel-Zylinderlinsen 22.3, 23.4 bilden dann ein Zylinderteleskop, mit dem sich ein großer Abbildungsmaßstab bei einer Abbildung auf die Ebene der Detektorelemente 25.1, 25.2 erreichen lässt.
Die Funktion des mindestens einen Spaltes 23.2, der in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen jeweils auf der zweiten Abtastplatte 23 vorgesehen war, übernimmt dann mindestens ein Spalt unmittelbar über den Detektorelementen 25.1, 25.2. in entsprechender Weise kann die Blendenfunktion durch einen geeignet strukturierten Sensor übernommen werden. Die Form von dessen aktiver Fläche gleicht dann der Form des jeweiligen Spaltes 23.2 bzw. der jeweiligen Spalte 23.2 in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen. Hierdurch können Positionsmessgeräte mit kleiner Bauform auch bei Verwendung vergleichsweise grober Detektorstrukturen realisiert werden.
Symmetrisch zu der vorhergehend beschriebenen Anordnung verläuft auch in diesem Fall ein Strahlengang zur Gewinnung eines Gleichlicht-Signals, wobei auch in diesem Strahlengang zwei Fresnel-Zylinderlinsen 22.4, 23.5 hintereinander angeordnet sind und diesem Strahlengang ein eigenes Fotoelement 25.3 zugeordnet ist, auf das beide Beugungsäste des entsprechenden Strahlenganges auftreffen.
Ferner ist auf der Grundlage der vorstehend beschriebenen Ausbildung von Markierungen 13 und Zwischenbereichen 14 einer Inkrementalteilung unter Verwendung unterschiedlicher Transversalperioden TP_TRANS,1 und TP_TRANS,2 die Konstruktion eines Positionsmessgerätes mit absoluter Positionsinformation möglich. Hierzu werden entsprechend einem PRC-Code entlang der Messrichtung x bestimmte Längsseiten von Markierungen mit mindestens einer abweichenden Transversalperiode TP_TRANS,2 versehen, während die übrigen Längsseiten die übliche Transversalperiode TP_TRANS,1 aufweisen. Die Bilder der Spalte, die durch die abweichende Transversalperiode TP_TRANS,2 erzeugbar sind, werden mit der weiter oben beschriebenen Teleskop-Optik auf der Basis zweier im Strahlengang hintereinander angeordneter Fresnel-Zylinderlinsen auf einen ASIC abgebildet, wie in 8 dargestellt. Längsseiten von Markierungen mit der einen, üblichen Transversalperiode TP_TRANS,1 werden auf erste aktive Flächen 25.4 des ASIC abgebildet, während die Längsseiten mit der abweichenden Transversalperiode TP_TRANS,2 moduliert auf zweite aktive Flächen 25.5 des ASIC abgebildet werden. Die ersten und zweiten aktiven Flächen 25.4, 25.5 des ASIC werden im Gegentakt zueinander verschaltet.
Die ersten und zweiten aktiven Flächen 25.4, 25.5 bestehen dabei jeweils aus periodisch mit einer Periode P hintereinander angeordneten Teilflächen. Die entsprechende Periode P ergibt sich dabei aus dem Produkt des Abbildungsmaßstabes der verwendeten Teleskop-Optik mit der Signalperiode. Aus den Ausgangssignalen der Gegentaktverschalteten aktiven Flächenpaare wird über eine Tabelle die jeweilige Absolutposition des Maßstabes 1 bezüglich der Abtasteinheit 2 ermittelt.
Gemäß einer weiteren Variante können die die Inkrementalspur bildenden Markierungen auch mit drei oder mehr unterschiedlichen Transversalperioden versehen sein. Hierdurch kann ein absoluter Code auf zwei Spuren verteilt werden. Dies ermöglicht die Codierung vergleichsweise langer Messwege sowie die Erzeugung einer erhöhten Redundanz für eine Verbesserte Zuverlässigkeit.
Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Inkrementalteilung jeweils als Durchlichtteilung bzw. Phasengitter ausgebildet. Alternativ können im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch Amplitudengitter bzw. -strukturen verwendet werden. Ebenso ist es möglich, anstelle eines Durchlichtsystems ein Auflichtsystem zu realisieren.
Die transversale Substruktur der Inkrementalteilung wird in allen beschriebenen Fällen durch die Breitenmodulation der Markierungen 13 und Zwischenbereiche 14 gebildet. Diese weisen an ihren Längsseiten jeweils eine periodische, sinusförmige Konturbegrenzung entlang ihrer jeweiligen Längsrichtung y auf. Die Periodizität der Konturbegrenzungen entspricht den jeweiligen Transversalperioden TP_TRANS,1 und TP_TRANS,2. Aufgrund dieser transversalen Substruktur resultiert neben der longitudinalen Ablenkung bzw. Aufspaltung der zur Inkrementalsignalerzeugung verwendeten Strahlungsbündel in Messrichtung x auch die zur Erzeugung des Referenzimpulssignals REF erforderliche transversale Ablenkung.
Der besondere Vorteil einer sinusförmigen Konturbegrenzung liegt dabei darin, dass die Intensität des Inkrementalsignals durch die Erzeugung des Referenzimpulssignals nicht so stark beeinträchtigt wird. Der Grund hierfür ist die geringe Feldstärke der ersten und minus ersten longitudinalen Beugungsordnung an den Orten der transversalen Gitterstrukturen. Die Ausdehnung der sinusförmigen Konturbegrenzungen in Messrichtung x, d. h. die Modulationsamplitude der jeweiligen Sinusfunktion, bestimmt die Aufteilung der Lichtintensitäten für die herangezogenen Teilstrahlungsbündel der Referenzmarken- und Inkrementalsignalabtastung. Dieses Aufteilungsverhältnis lässt sich durch die Wahl der Modulationsperiode der Sinusfunktion einstellen.
Abweichend von sinusförmig gestalteten Konturbegrenzungen können auch andere periodische, transversale Substrukturen eingesetzt werden, bei der die Längsseiten der Markierungen (Konturbegrenzungen) beispielsweise dreieckförmig ausgebildet sind. Ferner kann die Modulationsamplitude der Konturbegrenzungen bzw. Längsseiten der Markierungen so groß gewählt werden, dass sich in Messrichtung x benachbarte Markierungen berühren und ein Kreuzgitter mit rautenförmigen Strukturen resultiert.
Weiterhin kann eine Transversal-Substruktur der einzelnen Markierungen, insbesondere im Hinblick auf sehr kurze Modulationsperioden, dadurch gebildet werden, dass die Markierungen entlang ihrer Längsrichtung y (quer zur Messrichtung x) aus einer Mehrzahl entlang der Längsrichtung y hintereinander angeordneter Teilmarkierungen gebildet werden. Im Fall einer Durchlicht-Teilung würden dann beispielsweise in Längsrichtung y der jeweiligen Markierung periodisch (alternierend) hintereinander angeordnete lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Teilmarkierungen aufeinander folgen. Auch dadurch ließe sich der angestrebte Modulationseffekt quer zur Messrichtung x erreichen.

Claims

Positionsmesseinrichtung zur Erzeugung von Messsignalen mit – einer Spur (12), die eine entlang einer Messrichtung (x) erstreckte Inkrementalteilung (13, 14) mit einer definierten Teilungsperiode (TP_INC) aufweist, – mindestens einer Unstetigkeit der Inkrementalteilung (13, 14) an einer Referenzposition (x_REF) zur Erzeugung eines Referenzsignales (REF) und – einer entlang der Messrichtung (x) relativ zu der Spur (12) beweglichen Abtasteinheit (2) zur Abtastung der Inkrementalteilung (13, 14) durch Strahlungsbündel (S), wobei die mindestens eine Unstetigkeit durch eine Modifikation einer senkrecht zur Messrichtung (x) erstreckten Transversal-Substruktur der Inkrementalteilung (13, 14) gebildet wird, die von der Abtasteinheit (2) stammende Strahlungsbündel (S) ablenkt, wobei die Ablenkrichtung an der Unstetigkeit von der Ablenkrichtung in anderen Bereichen der Inkrementalteilung (13, 14) abweicht und wobei die Abtasteinheit (2) mindestens ein Referenzimpuls-Detektorelement (25.1, 25.2; 25.4, 25.5) aufweist, das zum Empfang eines der Strahlungsbündel (S_T1, S_T2) mit unterschiedlicher Ablenkrichtung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Referenzimpuls-Detektorelement (25.1, 25.2; 25.4, 25.5) mindestens eine Abbildungsoptik (20) in dem Strahlengang des jeweiligen abgelenkten Strahlungsbündels (S_T1, S_T2) angeordnet ist und dass die Abbildungsoptik (20) mindestens eine Zylinderlinse zur Abbildung der jeweils mittels der Abtasteinheit (2) bestrahlten Bereiche der Spur (12) auf eine vorgegebene Abbildungsebene umfasst, wobei in der Abbildungsebene mindestens ein Spalt (23.2) vorhanden ist, auf den die Strahlung zweier Strahlungsbündel (S_T1, S_T2) unterschiedlicher Ablenkrichtung auftrifft und der die Strahlung aus Strahlungsbündeln (S_T1, S_T2) mit unterschiedlicher Ablenkrichtung unterschiedlichen Referenzimpuls-Detektorelementen (25.1, 25.2; 25.4, 25.5) zuführt.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zylinderlinse eine Fresnel-Zylinderlinse (22.3, 23.4) ist.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsoptik (20) mindestens zwei im Strahlengang der abgelenkten Strahlungsbündel (S_T1, S_T2) hintereinander angeordnete Zylinderlinsen umfasst.
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung unterschiedlich abgelenkter Strahlungsbündel (S_T1, S_T2) an unterschiedlichen Stellen des Spaltes (23.2) auftrifft.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die unterschiedlich abgelenkten Strahlungsbündel (S_T1, S_T2) entlang der Erstreckungsrichtung (y) des Spaltes (23.2) an unterschiedlichen Stellen (h₁, h₂) auftreffen.
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der mindestens eine Spalt (23.2) in einer Richtung (y) senkrecht zur Messrichtung (x) erstreckt.
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildungsebene von dem mindestens einen Referenzimpuls-Detektorelement (25.1, 25.2; 25.4, 25.5) beabstandet im Strahlengang der Strahlungsbündel (S_T1, S_T2) liegt.
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Referenzimpuls-Detektorelement (25.1, 25.2; 25.4, 25.5) im Wesentlichen in der Abbildungsebene liegt.
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Referenzimpuls-Detektorelemente (25.1, 25.2; 25.4, 25.5) für Strahlungsbündel (S_T1, S_T2) mit unterschiedlicher Ablenkrichtung vorhanden sind und dass die Referenzimpuls-Detektorelemente (25.1, 25.2; 25.4, 25.5) bevorzugt in einer Ebene angeordnet sind.
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Inkrementalteilung (13, 14) durch periodisch hintereinander angeordnete Markierungen (13) gebildet wird, zwischen denen jeweils Zwischenbereiche (14) vorhanden sind.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierungen (13) sich in einer Richtung (y) im Wesentlichen senkrecht zur Messrichtung (x) erstrecken.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Transversal-Substrukturen durch Modulation der Längsseiten der Markierungen (13) gebildet sind.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Transversal-Substrukturen eine Breitenmodulation der Markierungen (13) bewirken.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation periodisch ist.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulation gemäß einer trigonometrischen Funktion, insbesondere einer Sinus-Funktion, ausgebildet ist.
Positionsmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Modifikation mindestens einer Transversal-Substruktur zur Bildung einer Unstetigkeit durch veränderte Modulation mindestens einer Längsseite einer Markierung (13', 13'', 13a, 13b) gebildet ist.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 14 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Modifikation durch Änderung der Periode (TP_TRANS,1, TP_TRANS,2) der Transversal-Substruktur bewirkt ist.
Positionsmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass genau eine Markierung (13') eine Transversal-Substruktur aufweist, die von der Transversal-Substruktur der anderen Markierungen (13) abweicht und die die Unstetigkeit an der Referenzposition (x_REF) definiert.
Positionsmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in der Umgebung der mindestens einen durch die Unstetigkeit definierten Referenzposition (x_REF) eine Mehrzahl (j) von Markierungen (13'') mit einer Transversal-Substruktur angeordnet ist, die von der Transversal-Substruktur der übrigen Markierungen abweichen und die die Unstetigkeit an der Referenzposition (x_REF) definieren.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen benachbarten Markierungen (13'') mit abweichender Transversal-Substruktur jeweils unterschiedliche Abstände (2·SP, 3·SP) vorgesehen sind.
Positionsmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Spalte (23.2) der Anzahl der Markierungen (13', 13'') mit abweichender Transversal-Substruktur entspricht.
Positionsmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Spur (12) mindestens zwei Sektoren (1a, 1b) aufweist, wobei in jedem Sektor (1a, 1b) eine andere Transversal-Substruktur der Inkrementalteilung (13a, 14a; 13b, 14b) vorhanden ist.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Unstetigkeit durch den Übergang von einem Sektor (1a) mit einer ersten Transversal-Substruktur zu einem Sektor (1b) mit einer anderen Transversal-Substruktur gebildet ist.
Positionsmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Messrichtung (x) Markierungen mit abweichender Transversal-Substruktur derart verteilt sind, dass diese eine Code-Spur mit absoluter Positionsinformation bilden.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass den Markierungen mit übereinstimmender Transversal-Substruktur jeweils ein bestimmtes Detektorelement (25.4, 25.5) zugeordnet ist.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektorelemente (25.4, 25.5) jeweils durch eine periodische Anordnung aktiver Flächen gebildet sind, die zum Empfang der jeweiligen abgelenkten Strahlungsbündel ausgebildet sind.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 9 oder einem der Ansprüche 10 bis 26, soweit rückbezogen auf Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzimpuls-Detektorelemente (25.1, 25.2; 25.4, 25.5) im Gegentakt miteinander verschaltet sind.
Positionsmesseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die senkrecht zur Messrichtung (x) erstreckte Transversal-Substruktur aus dem von der Abtasteinheit (2) ausgesandten Strahlungsbündel (S) zwei Beugungsäste gebildet werden, wobei die in dem einen Beugungsast enthaltenen, von der Transversal-Substruktur abgelenkten Strahlungsbündel (S_T1, S_T2) einem der Referenzimpuls-Detektorelemente (25.1, 25.2; 25.4, 25.5) zugeführt werden und wobei die in dem anderen Beugungsast enthaltenen Strahlungsbündel einheitlich einem weiteren Detektorelement (25.3) zugeführt werden.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das eine weitere Detektorelement (25.3) zur Erzeugung eines Gleichlichtpegels dient.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssignale (REF₁, REF₂) der Referenzimpuls-Detektorelemente (25.1, 25.2) zur Erzeugung eines Referenzimpulssignals (REF) mit dem Ausgangssignal (REF₃) des einen weiteren Detektorelementes (25.3) verknüpft sind.
Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Verknüpfung mittels eines Komparators (30) erfolgt.
Positionsmesseinrichtung nach einem der Ansprüche 28 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang beider Beugungsäste eine Abbildungsoptik (20) vorhanden ist.