DE19646391A1 - Inkrementales Meßsystem mit Absolutmarken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein inkrementales Meßsystem nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus CH 586 892 ist ein Winkel- oder Längenmeßgerät vom inkrementalen Typ mit einem Absolut-Bezug bekannt, das ohne zusätzliche Bezugsskala, Detektoren usw. auskommt. Eine Codierung mit Längs-Modulation des Maßstabs bewirkt eine überhöhte Signalamplitude an der Bezugsmarke.

US 4,628,609 zeigt beispielhaft eine inkrementale Maßstabsab­ tastung mit Absolut- und Randmarke auf einer zweiten Spur mit getrenntem Detektor. Auch die Gewinnung von sin/cos-Signalen und die Richtungsidentifizierung (Quadratursignal) ist beschrieben.

CH 511 422 zeigt eine Abtastvorrichtung zur meßtechnischen Erfassung von Bewegungen mit einer Teilung vom inkrementellen Typ, bei der zusätzlich die Lichtdurchlässigkeit der Skalen­ teile codiert ist, nämlich die Stegbreite in Längsrichtung zur Skalenmitte linear fällt, so daß durch Auswertung der Intensität/Amplitude mit dem gleichen Detektor zusätzlich überall der Absolutwert gewonnen wird.

Im Forschungsbericht BMFT-FB T 80-139 J. Willhelm et al. "Meßsysteme für Präzisionsfertigung und Produktionskontrolle" Dezember 1980, Seiten 18-20, Kap. 2.4 wird aufgezeigt: ". . ."Nullimpuls-Signale" können prinzipiell auf zweierlei Weise gewonnen werden:

• - aus Überlagerungen innerhalb der Inkremental-Spur;
• - durch eine zusätzliche Nullimpuls-Spur . . .".

Die beschriebenen Ausführungen sehen jeweils eine Codierung über mehrere Gitterperioden und in Längsrichtung des Maßstabs, sowie die Verwendung eines Referenzgitters vor. Die Ausführungen mit nur einer Spur werden als nachteilig beschrieben.

US 5,274,229 beschreibt einen Absolut-Positionsgeber, dessen Maßstabsmarken in Längsrichtung völlig gleichbleibend sind, aber quer dazu in Schritten unterschiedlich lang sind, ein Detektorarray ist vorgesehen. Jeder Detektor ist so beschaltet, daß entsprechende Intensitätsstufen unterschieden werden. Statt einer oder mehreren einzelnen Referenzmarken ist vorgesehen, den gesamten Maßstab so absolut zu codieren. Homogene Beleuchtung des ganzen Maßstabs ist vorgesehen.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines inkrementalen Meßsystems mit Absolutmarken, das einfach, kompakt, robust und preiswert ist.

Gelost wird diese Aufgabe durch ein Meßsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Die Erfindung verzichtet gegenüber dem bekannten Stand der Technik auf die durchgehende Absolutcodierung, sondern erzeugt nur einzelne Referenzmarken.

Durch eine Breitenänderung des Gitters quer zur Meßrichtung wird die eigentliche inkrementale Abtastung nicht gestört. Nur einzelne, insbesondere zwei Amplituden- bzw. Breitenstufen werden benötigt, so daß die Auswerteelektronik sehr einfach wird.

Die Beschränkungen des Anteils der Bereiche mit abweichender Lichtmenge, wie auch der Zahl der verschiedenen Lichtmengen stellt klar, daß keine Absolutcodierung vorliegt.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteran­ sprüche 2-6.

Nach Anspruch 2 sind mehrere Teilungen vorgesehen mit denen dann eine entsprechende Binärzahl von Absolutmarken möglich ist. Nach Anspruch 3 sind das bevorzugt zwei Teilungen, die für die Gewinnung von Quadratursignalen geeignet sind.

Die bevorzugte Ausführung nach Anspruch 4 besagt, daß Trans­ missions- oder Reflexionsgitter vorgesehen sind, deren Teilung in Längsrichtung nicht moduliert ist. Neben der Höhe der Schlitze kann auch ihr Transmissionsgrad oder Reflexionsgrad bei den ausgezeichneten Bereichen verändert sein.

Anspruch 5 zeigt, daß die Auswerteelektronik sehr einfach auf­ gebaut sein kann.

Zur Endabschaltung unter Ausnutzung des Inkrementalgebers kann nach Anspruch 6 eine Ausführung mit Endbereichen mit abweichender Codierung vorgesehen werden.

Bevorzugte Anwendung findet die Erfindung nach Anspruch 7 in einem Positionsgeber für einen Scanspiegel.

Näher erläutert wird die Erfindung anhand der Zeichnung.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Überblick über die Gesamt­ anordnung;

Fig. 2 zeigt schematisch die Ansicht eines Paares von Inkrementalmaßteilungen für Quadratursignale mit drei Absolutmarken;

Fig. 3 zeigt typische Signalverläufe.

Die Übersicht von Fig. 1 zeigt eine Lichtquelle 1, z. B. mit einer Laserdiode, die ein streifenförmiges Lichtbündel 10 auf einen Umlenkspiegel richtet, der Teil eines Bauteils 2 ist, dessen Lage erfaßt werden soll. Als Bauteil 2 kommt insbesondere ein rotierender oder oszillierender Scanspiegel in Betracht. Ein Teilstrahl 11 gelangt auf den ersten Inkremental­ maßstab 3, der direkt als Transmissionsmaske auf einer längs­ ausgedehnten Fotodiodenanordnung 5 in Dünnfilmtechnik angeordnet ist. Der zweite Teilstrahl 12 gelangt auf den zweiten Inkrementalmaßstab 4 und dadurch auf den Fotodetektor 6. Die zur Bildung der Teilstrahlen 11 und 12 eingezeichneten Strahlteiler 100 und Umlenkspiegel 101 sind eher ungewöhnlich. Im Beispiel sind die beiden Inkrementalmaßstäbe 3, 4 in Längs­ richtung X hintereinander angeordnet, da die folgende Elektronik so klarer dargestellt werden kann. Normal wird man gemäß Fig. 2 die beiden Inkrementalmaßstäbe 3 und 4 neben­ einander anordnen, so daß der schmale Lichtstreifen 10′ zugleich beide beleuchtet.

Eine konventionelle Auswerteelektronik 80 mit Vorverstärkern 61 und 62, Addierer 64 und Subtrahierer 54 sowie vier Torschaltern 63, 65, 53, 55 mit gleichen Schwellwerten L1 erzeugt digitale Quadratursignale, die mit einer Auswertelogik 8 mit Auf-/Ab- Zählern usw . . zu üblichen Positionsdaten X verarbeitet werden.

Erfindungsgemäß ist nach jedem Vorverstärker 61, 51 ein weiterer Torschalter 62, 52 vorgesehen. Die Torschalter 62, 52 haben einen erhöhten Schwellwert L2. Aus ihren beiden Ausgangs­ signalen berechnet eine Stufe 7 das zugeordnete Absolutmaß, das der Auswertelogik 8 zugeführt wird und dort wie andere vorbekannte Absolutmaß-Korrekturen verarbeitet wird.

Fig. 2 zeigt eine Ansicht eines Maßstabs mit zwei Inkrementalteilungen 3 und 4 übereinander. Periodisch angeordnet und mit gleichbleibender Ausdehnung in Längsrichtung X des Maßstabs befinden sich darin Transmissionsöffnungen 30, 31, 32 und 40, 42, 43. Die Transmissionsöffnungen 40, 42, 43 der zweiten Inkrementalteilung 4 sind um eine Viertel-Periode gegen die Transmissionsöffnungen 30, 31 versetzt. Überstreicht das streifenförmige Lichtbündel 10′ die Inkrementalteilung 3, so entsteht am Ausgang des Vorverstärkers 51 das analoge Signal 50, dessen Verlauf über die Länge X in Fig. 3 dargestellt ist. Der Torschalter 53 mit der Schwelle L1 bildet daraus das Digitalsignal 530. Beim Überschreiten der höheren Trans­ missionsöffnungen 31 und 32 wird eine signifikant abweichende Lichtmenge durchgelassen, das Signal 50 überschreitet daher auch die Schwelle L2 des Torschalters 52, so daß auf der Signalleitung 520 ein digitales "high" Signal entsteht.

Die zweite Inkrementalteilung 4 erzeugt mit den Transmissions­ öffnungen 42, 43 den gleichen Effekt am Ausgang des Tor­ schalters 62. An den Ausgängen der Torschalter 52, 62 können also die zweistelligen Binärzahlen dargestellt werden, so daß drei ausgezeichnete Referenzpositionen dargestellt werden können.

An beiden Enden weisen beide Inkrementalteilungen 3, 4 End­ bereiche 35, 36; 45, 46 mit abweichender Periode und abweichender Höhe, also abweichende Intensitätsmodulation. Die Periode ist verdoppelt, es wird keine Dunkelheit erreicht, sondern verschieden hohe Schlitze schließen unmittelbar aneinander an. Bei abweichender Höhe sind für die Auswertung der Endbereiche extra Torschalter erforderlich (in Fig. 1 nicht dargestellt). Mit so gestalteten Endbereichen 35, 36; 45 46 werden ohne zusätzliche Geberelemente Endschalter mit Vor­ anzeiger zum Einleiten von Bremsabläufen realisiert. Dies ist insbesondere bei Positionsgebern für gesteuert verfahrbare Teile von Werkzeugmaschinen, Meßmaschinen, aber auch für Zoom-, AF-Objektive usw. nützlich. Mit der gezeigten, vom Meßbereich abweichenden Phasenverschiebung von 180° der Teilungen in den Endbereichen 35, 36 bzw. 45, 46 der beiden Inkrementalteilungen 3 und 4 kann auch die Ausrichtung des schmalen Lichtbündels 10 genau parallel zu den Flanken der Schlitze 31, 32; 41, 42 einjustiert werden.

Die Amplitudenmodulation der Inkrementalteilungen 3, 4 kann statt über die Höhe der Schlitze auch über den Transmissions­ grad eingestellt werden. Statt Transmissionsgittern können auch Reflexionsgitter vorgesehen werden. Die Detektoren 5, 6 können auch auf die Erfassung nur eines Schlitzes ausgelegt sein, wenn sie stets dem Lichtbündel 10, 11, 12 gegenüberliegen, also z. B. wenn die Inkrementalteilung 3, 4 gegen das ortsfeste Licht­ bündel 10, 11, 12 und dem Detektor 5, 6 verschoben wird.

Im Rahmen der Erfindung gemäß den Ansprüchen liegen auch weitere Variationen.

Claims (7)

1. Inkrementales Meßsystem mit einer Lichtquelle (1), einem Detektor (5, 6) und einer Inkrementalteilung (3, 4) mit periodisch angeordneten Bereichen (30, 31, 32; 40, 42, 43), welche eine bestimmte Lichtmenge zu dem Detektor (5, 6) lassen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Bereich (31, 32; 42, 43) höchstens jedoch ein Prozent aller Bereiche eine signifikant abweichende Lichtmenge zu dem Detektor (5, 6) läßt, und daß nicht mehr als fünf verschiedene Lichtmengen vorgesehen sind.

2. Inkrementales Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Anzahl N von Inkrementalmaßteilungen (3, 4) und zugeordneten Detektoren (5, 6) vorgesehen ist und dabei jede Inkrementalmaßteilung (3, 4) eine Anzahl Bereiche mit signifikant abweichender Lichtmenge (31, 32; 42, 43) aufweist die innerhalb einer Inkrementalmaßteilung (3, 4) gleichbleibend ist, so daß bis zu 2^N - 1 (N- stellige Binärzahl) Positionen ausgezeichnet sind.

3. Inkrementales Meßsystem nach Anspruch 2, mit zwei Inkrementalmaßteilungen (3, 4) die gegeneinander zur Gewinnung von Quadratursignalen phasenverschoben sind und mit drei ausgezeichneten Positionen.

4. Inkrementales Meßsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche (30, 31, 32; 40, 42, 43) welche eine bestimmte Lichtmenge zu dem Detektor (5, 6) lassen, als lichttransmittierende oder lichtreflektierende Schlitze einer Maske ausgeführt sind, die alle in Richtung der Inkrementalmaßstabsteilung (X) gleich ausgedehnt sind.

5. Inkrementales Meßsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Detektor (5, 6) zwei Torschaltungen (51, 52; 61, 62) nachgeordnet sind, deren eine (51, 61) mit einem ersten Schwellwert (L1) die inkrementalen Signale (530) selektiert, und deren andere (52, 62) mit einem zweiten Schwellwert (L2) die Absolutmarken-Signale (520) selektiert.

6. Inkrementales Meßsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Inkrementalmaßteilung (3, 4) an einem oder zwei Enden einen Endbereich (35, 36; 45,46) mit einer Inkrementalteilung mit abweichender Periode und/oder abweichender Intensitätsmodulation aufweist.

7. Scan-Spiegel mit einem Positionsgeber enthaltend ein inkrementales Meßsystem nach mindestens einem der Ansprüche 1-6.