DE19921309A1 - Abtasteinheit für eine optische Positionsmeßeinrichtung - Google Patents

Abstract

Es wird eine Abtasteinheit für eine optische Positionsmeßeinrichtung angegeben, über die neben Inkrementalsignalen auch Referenzimpulssignale erzeugbar sind, um derart einen Absolutbezug der Positionsmessung herstellen zu können. Hierzu wird ein Maßstab abgetastet, der mindestens eine Inkrementalteilungsspur sowie zwei seitlich benachbart angeordnete Referenzmarkierungen an mindestens einer definierten Referenzposition umfaßt. Zur Abtasteinheit gehört neben einer Lichquelle eine symmetrisch um die Lichtquelle angeordnete Anordnung aus mehreren Inkrementalsignal-Detektorelementen. Diese sind jeweils derart zueinander angeordnet, daß damit phasenversetzte Teil-Inkrementalsignale aus der Abtastung der Inkrementalteilungsspur erzeugbar sind. Ferner umfaßt die Abtasteinheit mindestens zwei Referenzimpuls-Detektorelemente, die senkrecht zur Meßrichtung und jeweils benachbart zur Anordnung der Inkrementalsignal-Detektorelemente angeordnet sind und zur Erzeugung eines Ausgangs-Referenzimpulssignals dienen (Figur 1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abtasteinheit für eine optische Positi­ onsmeßeinrichtung. Die Abtasteinheit ist hierbei neben der Erzeugung von Inkrementalsignalen insbesondere auch für die Erzeugung von Referenzim­ pulssignalen geeignet.

Bekannte inkrementale Positionsmeßeinrichtungen bieten neben der Erzeu­ gung positionsabhängiger Inkementalsignale zumeist auch die Möglichkeit, an ein oder mehreren definierten Stellen entlang der Meßstrecke soge­ nannte Referenzimpulssignale zu erzeugen. Mit Hilfe der Referenzimpuls­ signale kann dann in bekannter Art und Weise ein Absolutbezug bei der Po­ sitionsmessung hergestellt werden.

Auch die in der Veröffentlichung von R. Burgschat mit dem Titel "Die neue Dimension der Weg- und Winkelmeßtechnik" in F & M 104 (1996) 10, S. 752-756 beschriebene Abtasteinheit einer inkrementalen Positionsmeßein­ richtung bietet die Möglichkeit, Referenzimpulssignale an ein oder mehreren Stellen der Meßstrecke zu detektieren. Die Abtasteinheit umfaßt hierbei ein erstes Fotodiodenarray, das zur Erzeugung der Inkrementalsignale dient; eine Beschreibung dieses Fotodiodenarrays findet sich desweiteren auch in der DE 195 27 287 A1. In Meßrichtung beabstandet hiervon und senkrecht zur Meßrichtung versetzt ist ein zweites Fotodiodenarray angeordnet. Das zweite Fotodiodenarry dient zur Erzeugung des Referenzimpulssignales, d. h. damit kann eine Referenzmarkierung auf Seiten eines Maßstabes pho­ toelektrisch erfaßt werden, die seitlich benachbart zur Inkrementalteilungs­ spur in einer Referenzmarkierungsspur angeordnet ist.

Bei einer derartigen Erzeugung des Referenzimpulssignales können nun­ mehr unter bestimmten Umständen Fehlmessungen resultieren. So ist es möglich, daß beispielsweise eine lokale Verschmutzung des Maßstabes im Bereich der Referenzmarkierungsspur zur Erzeugung eines Referenzim­ pulssignales führt. Desweiteren ist im Fall der Dejustage von Abtasteinheit und Maßstab um eine Achse senkrecht zur Maßstabebene keine ortsinvari­ ante Lage des Referenzimpulssignales in Bezug auf die Inkrementalsignale mehr gewährleistet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Abtasteinheit für eine optische Positionsmeßeinrichtung anzugeben, bei der die oben angespro­ chenen Probleme im Zusammenhang mit der Erzeugung von Referenzim­ pulssignalen möglichst vermieden werden. Darüberhinaus ist ein kompakter Aufbau der entsprechenden Abtasteinheit wünschenswert.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Abtasteinheit mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Abtasteinheit erge­ ben sich aus den Maßnahmen, die in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführt sind.

Gegenstand des Anspruches 16 ist ferner eine optische Positionsmeßein­ richtung, die eine erfindungsgemäß aufgebaute Abtasteinheit umfaßt.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen stellen nunmehr sicher, daß eine eventuelle Verdrehung der Abtasteinheit gegenüber dem Maßstab um eine Achse, die senkrecht zur Maßstabebene orientiert ist, nicht zu einer fehler­ haften Bestimmung der Referenzposition führt. Es ist vielmehr auch in die­ sem Fall die stabile Phasenlage des erzeugten Referenzimpulssignales in Bezug auf die Inkrementalsignale gewährleistet.

Desweiteren liegt aufgrund der erfindungsgemäßen Erzeugung des Refe­ renzimpulssignales eine deutlich vergrößerte Verschmutzungsunempfind­ lichkeit vor. Während bei einem System mit lediglich einseitig benachbart zur Inkrementalteilungsspur angeordneten Referenzmarkierungen eine lokale Verschmutzung in diesem Bereich zur fehlerhaften Erzeugung eines Refe­ renzimpuissignales führen kann, ist bei Verwendung der erfindungsgemä­ ßen Abtasteinheit kein Ausgangs-Referenzimpulssignal aufgrund einer eventuellen Verschmutzung des Maßstabes erzeugbar. Grund hierfür ist die Tatsache, daß erfindungsgemäß zwei Referenzmarkierungsspuren benach­ bart zur Inkrementalteilungsspur abgetastet werden; lediglich im Fall der tat­ sächlichen Detektion von Teil-Referenzimpulssignalen in beiden Referenz­ markierungsspuren resultiert überhaupt ein Ausgangs-Referenzimpulssignal.

Darüberhinaus ist aufzuführen, daß nunmehr sowohl für die Abtastung der Inkrementalteilungspur als auch für die Abtastung der Referenzmarkierun­ gen auf dem Maßstab lediglich eine einzige Lichtquelle erforderlich ist. Demgegenüber erforderte die in oben genannter Veröffentlichung beschrie­ bene Variante der Abtasteinheit noch zwei separate Lichtquellen.

Ingesamt ergibt sich aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahmen somit eine äußerst kompakt bauende Abtasteinheit für eine optische Positions­ meßeinrichtung, die auch unter beengten Einbaubedingungen eingesetzt werden kann.

Selbstverständlich ist es möglich, die erfindungsgemäße Abtasteinheit so­ wohl in linearen wie auch in rotatorischen Positionsmeßeinrichtungen zu verwenden.

Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der erfindungsgemäßen Abtasteinheit ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbei­ spieles der erfindungsgemäßen Abtasteinheit sowie mehrerer Auswerte- Schaltungsanordnungen anhand der beiliegenden Zeichnungen.

Dabei zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausfüh­ rungsbeispieles der erfindungsgemäßen Ab­ tasteinheit in Verbindung mit einem abgetaste­ ten Maßstab;

Fig. 2 eine Draufsicht auf den abgetasteten Maßstab aus Fig. 1;

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Detektorebene der er­ findungsgemäßen Abtasteinheit aus Fig. 1;

Fig. 4a ein Blockschaltbild einer ersten Schaltungsan­ ordnung zur Erzeugung des Ausgangs-Refe­ renzimpulssignales aus den erfaßten Signalen;

Fig. 4b ein Blockschaltbild einer zweiten Schaltungs­ anordnung zur Erzeugung des Ausgangs-Refe­ renzimpulssignales aus den erfaßten Signalen;

Fig. 5a-5d verschiedene Darstellungen von Signalen in­ nerhalb der Blockschaltbilder aus den Fig. 4a und 4b, anhand der die erfindungsgemäße Erzeugung von Ausgangs-Referenzimpuls­ signalen erläutert wird.

In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer optischen Positions­ meßeinrichtung gezeigt, die neben der erfindungsgemäßen Abtasteinheit 20 den damit abgetasteten Maßstab 10 umfaßt. Der verwendete Maßstab 10 ist in einer Draufsicht in Fig. 2 gezeigt. Fig. 3 zeigt eine detaillierte Ansicht der Detektorebene der Abtasteinheit 20.

Die Abtasteinheit 20 und der Maßstab 10 sind in der angegebenen Meß­ richtung x relativ zueinander verschiebbar angeordnet; die Meßrichtung x ist damit in Fig. 1 senkrecht zur Zeichenebene orientiert.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel der optischen Positionsmeßeinrich­ tung dient zur Erfassung linearer Relativbewegungen von Abtasteinheit 20 und Maßstab 10. Eine entsprechend ausgebildete Positionsmeßeinrichtung und kann etwa in einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine einge­ setzt werden. Die von der Positionsmeßeinrichtung erzeugten, diversen po­ sitionsabhängigen Abtastsignale werden hierbei zur Weiterverarbeitung an eine nicht dargestellte Auswerteeinheit übertragen, beispielsweise an eine numerische Werkzeugmaschinensteuerung.

Alternativ zur dargestellten Linear-Variante kann die erfindungsgemäße Ab­ tasteinheit 20 selbstverständlich auch in Meßanordnungen zur Erfassung rotatorischer Relativbewegungen eingesetzt werden.

Der abgetastete Maßstab 10 besteht im Ausführungsbeispiel der Fig. 1-3 aus einem Trägerkörper 11, auf dem mittig eine Inkrementalteilungsspur 12 in Meßrichtung x angeordnet ist. In der Inkrementalteilungsspur 12 er­ strecken sich in Meßrichtung x periodisch angeordnete reflektierende Teilbe­ reiche 12.1 und nichtreflektierende Teilbereiche 12.2, deren Längsachsen jeweils in der angegebenen y-Richtung orientiert sind, d. h. senkrecht zur Meßrichtung x. Die Teilungsperiode TP der Inkrementalteilungsspur 12 wird in einer möglichen Ausführungsform z. B. TP = 20 µm gewählt. Als Träger­ körper 11 kann etwa ein Metallband dienen, auf dem im Bereich der Inkre­ mentalteilungsspur 12 die Teilbereiche 12.1, 12.2 mit den entsprechenden optischen Eigenschaften ausgebildet werden.

Die materialmäßige Ausbildung des Maßstabes 10 ist hierbei nicht erfin­ dungswesentlich, d. h. der Maßstab 10 kann grundsätzlich auch alternativ zur angegebenen Ausführungsform realisiert werden.

Seitlich benachbart zur Inkrementalteilungsspur 12 sind im gezeigten Bei­ spiel desweiteren zwei Referenzmarkierungen 13.1, 13.2 an einer Referenz­ position x_REF in zwei Referenzmarkierungsspuren 14.1, 14.2 angeordnet. Mit Hilfe der Referenzmarkierungen 13.1, 13.2 wird somit eine eindeutige Ab­ solutposition entlang der Meßstrecke definiert, über die der Absolutbezug der hochauflösenden Inkrementalmessung in bekannter Art und Weise her­ gestellt werden kann.

Selbstverständlich können auch noch an weiteren Stellen der Referenzmar­ kierungsspuren 14.1, 14.2 derartige Referenzmarkierungen 13.1, 13.2 paar­ weise an entsprechenden Referenzpositionen x_REF des Maßstabes 10 ange­ bracht werden. Ebenso ist es möglich, etwa auch sogenannte abstandsco­ dierte Referenzmarkierungen vorzusehen und erfindungsgemäß abzutasten etc..

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1-3 weisen die beiden seitlich be­ nachbart zur Inkrementalteilungsspur 12 angeordneten Referenzmarkierun­ gen 13.1, 13.2 in Meßrichtung x eine Länge l_x = 200 µm auf; die Länge l_y der Referenzmarkierungen 13.1, 13.2 in Strichrichtung der Inkrementalteilungs­ spur 12 wird beispielsweise l_y = 500 µm gewählt.

Die Referenzmarkierungen 13.1, 13.2 sind in diesem Beispiel als nichtre­ flektierende Bereiche auf dem ansonsten reflektierenden Trägerkörper 12 ausgebildet.

Im Zusammenhang mit den verschiedenen optischen Eigenschaften der Teilbereiche 12.1, 12.2 in der Inkrementalteilungsspur 12 bzw. der Refe­ renzmarkierungen 13.1, 13.2 in den Referenzmarkierungsspuren 14.1, 14.2 sei an dieser Stelle betont, daß eine wie oben spezifizierte Auslegung selbstverständlich nicht zwingend erfolgen muß. Es kann beispielsweise in der Inkrementalteilungsspur 12 ausreichen, Teilbereiche 12.1, 12.2 alternie­ rend mit unterschiedlich hoher Reflektivität auszubilden. Ebenso könnten die Referenzmarkierungen 13.1, 13.2 in den Referenzmarkierungsspuren 14.1, 14.2 hoch reflektierend ausgelegt werden, während die angrenzenden Be­ reiche der Trägerkörper-Oberfläche lediglich gering reflektierend wirken etc.

Wie bereits oben angedeutet bietet eine derartige Anordnung von zwei Refe­ renzmarkierungen 13.1, 13.2 seitlich benachbart zur Inkrementalteilungsspur 12 deutliche Vorteile gegenüber der lediglich einseitigen Anordnung einer Referenzmarkierung. So ist damit praktisch ausgeschlossen, daß etwa eine lokale Verschmutzung, die ebenfalls optisch reflexmindernd wirkt und sich benachbart zur Inkrementalteilungsspur 12 befindet, als Referenzmarkierung interpretiert werden kann. Dies wird durch die nachfolgend noch detailliert zu erläuternde Verarbeitung der resultierenden Abtastsignale aus beiden Refe­ renzmarkierungen 13.1, 13.2 sichergestellt.

Ferner ist auch im Fall einer Verdrehung der Abtasteinheit 20 gegenüber dem Maßstab 10 um die z-Achse sichergestellt, daß die Phasenlage des letztlich erzeugten Ausgangs-Referenzimpulssignales sich gegenüber den Inkrementalsignalen nicht unerwünscht verändert.

Auf Seiten der erfindungsgemäßen Abtasteinheit 20 sind in der schemati­ schen Darstellung der Fig. 1 eine Reihe wichtiger Komponenten erkennbar, die allesamt in einer einzigen Baueinheit angeordnet sind. Im Zusammen­ hang mit der Beschreibung der erfindungsgemäßen Abtasteinheit 20 sei an dieser Stelle auch auf die Fig. 3 verwiesen, die eine Ansicht der Detektor­ ebene in der Abtasteinheit 20 zeigt.

Die erfindungsgemäße Abtasteinheit 20 umfaßt eine zentral angeordnete Lichtquelle 21, beispielsweise eine geeignete LED. Die Lichtquelle 21 dient hierbei sowohl zur Beleuchtung der Inkrementalteilungsspur 12 auf dem Maßstab 10 wie auch zur Beleuchtung der Referenzmarkierungen 13.1, 13.2 auf demselben. Symmetrisch um die Lichtquelle 21 ist eine Anordnung aus mehreren Inkrementalsignal-Detektorelementen 22.1-22.8 vorgesehen, die nachfolgend kurz als Inkrementalsignal-Abtastanordnung bezeichnet sei. Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt die Inkrementalsignal-Abtast­ anordnung der Abtasteinheit 20 insgesamt acht separate, jeweils quadra­ tisch ausgebildete Inkrementalsignal-Detektorelemente 22.1-22.8. Die In­ krementalsignal-Detektorelemente 22.1-22.8 sind hierbei derart zueinan­ der angeordnet, daß bei der entsprechenden Auflicht-Abtastung der Inkre­ mentalteilungsspur 12 auf dem Maßstab 10 phasenversetzte Teil-Inkre­ mentalsignale aus den verschiedenen Inkrementalsignal-Detektorelementen 22.1-22.8 resultieren. Die relativen Phasenlagen der Teil-Inkrementalsi­ gnale aus den verschiedenen Inkrementalsignal-Detektorelementen 22.1-22.8 sind in Fig. 3 jeweils angegeben. Durch die in Fig. 3 angedeutete Gegentaktverschaltung der entsprechenden Detektorelemente läßt sich in bekannter Art und Weise ein Paar um 90° phasenversetzter, sinus- bzw. cosinusförmiger Inkrementalsignale erzeugen.

Weiter sei an dieser Stelle auf die bekannte Art und Weise der Inkremental­ signal-Erzeugung nicht eingegangen; es wird in diesem Zusammenhang auf die oben erwähnte Publikation von R. Burgschat sowie die DE 195 27 287 A1 verwiesen.

Zur photoelektrischen Abtastung der benachbart zur Inkrementalteilungsspur 12 angeordneten Referenzmarkierungen 13.1, 13.2 auf dem Maßstab 10 umfaßt die erfindungsgemäße Abtasteinheit des gezeigten Ausführungsbei­ spiels nunmehr ingesamt vier Referenzimpuls-Detektorelemente 24.1-24.4. Je ein Paar der Referenzimpuls-Detektorelemente 24.1-24.4 dient hierbei zur Abtastung einer der beiden Referenzmarkierungen 13.1, 13.2 bzw. Refe­ renzmarkierungsspuren 14.1, 14.2 auf dem Maßstab 10. Die beiden in Fig. 3 links angeordneten Referenzimpuls-Detektorelemente 24.1, 24.2 dienen zur Abtastung der in Fig. 1 links angeordneten Referenzmarkierungsspur 14.1, die beiden in Fig. 3 rechts angeordneten Referenzimpuls-Detektor­ elemente 24.3, 24.4 werden zur Abtastung der in Fig. 1 rechts angeordne­ ten Referenzmarkierungsspur 14.2 verwendet.

Die vier Referenzimpuls-Detektorelemente 24.1-24.4 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel allesamt identisch rechteckförmig ausgebildet, wobei die Rechteckslängsachsen jeweils in Meßrichtung x orientiert sind. Grund­ sätzlich kann selbstverständlich auch eine andere Geometrie der Refe­ renzimpuls-Detektorelemente gewählt werden.

Die zur Abtastung einer Referenzmarkierung 13.1, 13.2 jeweils vorgesehe­ nen zwei Referenzimpuls-Detektorelemente 24.1 und 24.2 bzw. 24.3 und 24.4 sind in Meßrichtung x versetzt zueinander angeordnet, so daß bei der Abtastung der jeweiligen Referenzmarkierung 13.1, 13.2 zwei phasenver­ setzte Teil-Referenzimpulssignale resultieren. Der Abstand der beiden derart erzeugten Teil-Referenzimpulssignale beträgt in der gezeigten Ausfüh­ rungsform in Meßrichtung x dabei etwa 0.5 mm, was bei einer Teilungsperi­ ode der Inkrementalteilungsspur von TP = 20 µm dann entsprechend 25 Si­ gnalperioden des Inkrementalsignales ausmacht.

Die verschiedenen optoelektronischen Bauelemente wie Lichtquelle und Detektorelemente sind in der Abtasteinheit 20 allesamt auf einer Seite eines Trägerkörpers 25 angeordnet. Über eine oberhalb der Bauelemente ange­ ordnete Glasplatte 26 werden die Bauelemente gegen mechanische Be­ schädigung im Meßbetrieb geschützt.

Im Zusammenhang mit der Verarbeitung der Signale und der Erzeugung des letztlich an die Auswerteeinheit zu übertragenden Ausgangs-Referenzim­ pulssignales sei an dieser Stelle auf die nachfolgende Beschreibung der Schaltungsanordnungen in den Fig. 4a und 4b verwiesen.

Für die Weiterverarbeitung der Teil-Referenzimpulssignale als auch für die Verarbeitung der erzeugten Teil-Inkrementalsignale sind auf Seiten der Ab­ tasteinheit 20 ferner ingesamt vier Kompensations-Detektorelemente 23.1-23.4 vorgesehen. Die Kompensations-Detektorelemente 23.1-23.4 weisen in dieser Ausführungsform jeweils die Form eines gleichschenkligen Dreieckes auf und sind zwischen der Anordnung mit den Inkrementalsignal-De­ tektorelementen 21.1-21.8 und den Referenzimpuls-Detektorelementen 24.1-24.2 angeordnet. Sämtliche Kompensations-Detektorelemente 23.1-23.4 sind wie in Fig. 3 erkennbar seriell miteinander verschaltet.

Es ergibt sich aufgrund der gewählten Anordnung der verschiedenen De­ tektorelemente somit eine äußerst kompakte Ausgestaltung der Abtastein­ heit 20. Gleichzeitig stehen aber detektorseitig hinreichend große Flächen zur Detektion der verschiedenen Abtastsignale zur Verfügung.

Die Kompensations-Detektorelemente 23.1-23.4 werden im Meßbetrieb von reflektiertem Licht aus dem Bereich der Inkrementalteilungsspur 12 be­ aufschlagt. Aufgrund der relativ großen räumlichen Ausdehnung der Kom­ pensations-Detektorelemente 23.1-23.4 in Meßrichtung x und der gewähl­ ten seriellen Verschaltung derselben resultiert bei der Abtastung der Inkre­ mentalteilungsspur 12 daraus ein Kompensationssignal mit weitestgehend gleichbleibendem Signalpegel. Zur Nutzung des Kompensationssignales bei der Erzeugung des Ausgangs-Referenzimpulssignales sei wiederum auf die nachfolgende Beschreibung möglicher Schaltungsanordnungen in den Fig. 4a und 4b verwiesen.

Fig. 4a zeigt hierbei eine erste Ausführungsform einer Schaltungsanord­ nung, mit der eine Erzeugung eines Ausgangs-Referenzimpulssignales H über die oben beschriebene Abtasteinheit möglich ist. Im Rahmen der nachfolgenden Beschreibung dieser Schaltungsanordnung sei auch auf die Fig. 5a-5d verwiesen, die verschiedene Signale A-H im Bereich der zu detektierenden Referenzposition x_REF = 0 veranschaulichen, die bei der Erzeugung des gewünschten Ausgangs-Referenzimpulssignales eine Rolle spielen.

In der Auswertungs-Variante gemäß Fig. 4a gelangen die über die beiden Referenzimpuls-Detektorelemente 24.3, 24.2 erfaßten Teil-Referenzimpuls­ signale auf einen ersten Strom-Spannungs-Wandler 30.1; die über die zwei Referenzimpuls-Detektorelemente 24.4, 24.1 erfaßten Teil-Referenzimpuls­ signale auf einen zweiten Strom-Spannungs-Wandler 30.2. An den Ausgän­ gen der beiden Strom-Spannungs-Wandler 30.1, 30.2 liegen die beiden Si­ gnale A und B an, die in Fig. 5a im Bereich der Referenzposition x_REF = 0 veranschaulicht werden.

Es werden demzufolge jeweils diejenigen Referenzimpuls-Detektorelemente 24.1-24.4 seriell auf den Eingang eines Strom-Spannungs-Wandlers 30.1, 30.2 geschaltet, die sich in der Abtasteinheit senkrecht zur Meßrichtung x direkt gegenüberliegen.

Die über die vier seriell verschalteten Kompensations-Detektorelemente 23.1-23.4 detektierten Teil-Kompensationssignale wiederum gelangen auf einen dritten Strom-Spannungs-Wandler 30.3. An dessen Ausgang resultiert dann das Kompensationssignal C mit nahezu gleichbleibendem Signalpegel, wel­ ches ebenfalls in Fig. 5a dargestellt ist.

Aus den Signalen A, B und C wird nachfolgend durch geeignet beschaltete Operationsverstärker 31.1, 31.2 die Differenz und die Summe aus den bei­ den analogen Signalen A und B gebildet. Am Ausgang des ersten Operati­ onsverstärkers 31.1 liegt dann mit dem Signal D das entsprechende Diffe­ renzsignal aus den beiden Signalen A und B an; am Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 31.2 resultiert das Summensignal E aus den beiden Signalen A und B. Die derart generierten Signale D und E sind in Fig. 5b gezeigt.

Aus den beiden Signalen D und E werden anschließend über die beiden Fensterkomparatoren 32.1, 32.2 entsprechende rechteckförmige Signale F und G erzeugt, die in Fig. 5c veranschaulicht seien.

Daraufhin werden die Signale F und G einer Verknüpfungsstufe 33 zuge­ führt, die eine logische UND-Verknüpfung zwischen diesen Signalen durch­ führt. Nach der entsprechenden UND-Verknüpfung liegt dann am Ausgang der Verknüpfungsstufe 33 schließlich an der Referenzposition x_REF = 0 das gewünschte Ausgangs-Referenzimpulssignal H an, welches wiederum in Fig. 5d dargestellt ist.

Diese Ausführungsform einer möglichen Schaltungsanordnung zur Erzeu­ gung eines Ausgangs-Referenzimpulssignales ist nunmehr insbesondere einfach aufgebaut und umfaßt nur wenige Elektronik-Komponenten.

Desweiteren ist die oben erwähnte Forderung nach Invarianz der Phasen­ beziehung zwischen dem Ausgangs-Referenzimpulssignal und den Inkre­ mentalsignalen im Fall der Verdrehung um die z-Achse gewährleistet.

Eine zweite Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Ausgangs-Referenzimpulssignales aus den verschiedenen Signalen, die über die erfindungsgemäße Abtasteinheit detektiert werden, sei ab­ schließend anhand von Fig. 4b erläutert.

Im Unterschied zum vorherigen Beispiel erfolgt nunmehr eine getrennte Ver­ arbeitung der Teil-Referenzimpulsignale derjenigen Referenzimpuls-Detek­ torelemente, die jeweils auf einer Seite der Abtasteinheit angeordnet und zur Abtastung einer Referenzmarkierung auf dem Maßstab vorgesehen sind. Im dargestellten Beispiel ist demzufolge ein erster Verarbeitungskanal in der gezeigten Schaltungsanordnung vorgesehen, in dem die Teil-Referenzim­ pulssignale der beiden Referenzimpuls-Detektorelemente 24.3, 24.4 verar­ beitet werden, welche aus der Abtastung der ersten Referenzmarkierung 13.1 resultieren; in einem zweiten Verarbeitungskanal werden die Teil-Refe­ renzimpulssignale der beiden Referenzimpuls-Detektorelemente 24.1, 24.2 verarbeitet, die sich aus der Abtastung der zweiten Referenzmarkierung 13.2 ergeben. Pro Verarbeitungskanal werden demzufolge lediglich diejeni­ gen Teil-Referenzimpulssignale von Detektorelementen verarbeitet, die aus der Abtastung der gleichen Referenzmarkierung auf dem Maßstab resultie­ ren. Im jeweils anderen Verarbeitungskanal erfolgt die Signalverarbeitung derjenigen Teil-Referenzimpulssignale, die aus der Abtastung der gegen­ überliegenden Referenzmarkierung resultieren.

Gemeinsam werden hingegen in beiden Verarbeitungskanälen die über die Kompensations-Detektorelemente 23.1-23.4 erzeugten Signale genutzt. Auf die besonderen Vorteile dieser Auswerteanordnung zur Signalverarbei­ tung sei im Verlauf der nachfolgenden Beschreibung noch näher eingegan­ gen.

Die über die vier Referenzimpuls-Detektorelemente 24.1-24.4 erzeugten Teil-Referenzimpulssignale werden nunmehr jeweils einem der ebenfalls vier vorgesehenen Strom-Spannungs-Wandler 300.1-300.4 zugeführt. Im er­ sten Verarbeitungskanal resultieren am Ausgang der Strom-Spannungs­ wandler 300.1, 300.2 die beiden Signale A, B, die in Fig. 5a gezeigt sind. Identisch hierzu werden die Teil-Referenzimpulssignale aus den Referenz­ impuls-Detektorelementen 24.1, 24.2 den beiden Strom-Spannungs-Wand­ lern 300.4, 300.5 im zweiten Verarbeitungskanal zugeführt. An deren Aus­ gängen liegen im Bereich der Referenzposition x_REF = 0 dann ebenfalls die Signale A, B an, die in Fig. 5a gezeigt sind.

Auf einen weiteren Strom-Spannungs-Wandler 300.3 werden die Signale der Kompensations-Detektorelemente 23.1-23.4 geschaltet; das entspre­ chende Kompensationssignal C am Ausgang des Strom-Spannungs-Wand­ lers 300.3 mit nahezu gleichbleibendem Signalpegel ist ebenfalls wieder in Fig. 5a gezeigt. Das derart erzeugte Kompensationssignal C wird nachfol­ gend in beiden Verarbeitungskanälen genutzt.

In beiden Verarbeitungskanälen wird anschließend mit Hilfe des Kompensa­ tionssignales C jeweils die Summe und die Differenz aus den Signalen A und B gebildet. An den Ausgängen der entsprechend beschalteten Operati­ onsverstärker 310.1, 310.3 des ersten Verarbeitungskanales liegt dann mit den Signalen D und E das entsprechende Differenz- und Summensignal an. Die Signale D und E sind wiederum in Fig. 5b gezeigt. Entsprechend er­ folgt auch die Verarbeitung der Signale A und B im zweiten Verarbeitungs­ kanal, in dem dann an den Ausgängen der beiden ensprechend beschalte­ ten Operationsverstärker 310.3, 310.4 das Differenzsignal D sowie das Summensignal E anliegt.

Mit Hilfe nachgeordneter Fensterkomparatoren 320.1-320.4 werden die Summen- und Differenzsignale E, D anschließend in entsprechende recht­ eckförmige Signale G und F umgewandelt, wie sie wiederum in Fig. 5c dargestellt sind.

In jedem der beiden Verarbeitungskanäle erfolgt anschließend über ein Ver­ knüpfungselement 330.1, 330.2 die logische UND-Verknüpfung der beiden Signale F und G. Am Ausgang der Verknüpfungselemente liegt dann in bei­ den Verarbeitungskanälen im Bereich der Referenzposition x_REF = 0 ein Si­ gnal H vor, das in Fig. 5d gezeigt ist.

Über die nochmalige logische UND-Verknüpfung der beiden Signale H aus den zwei Verarbeitungskanälen mit Hilfe eines dritten Verknüpfungsele­ mentes 330.3 wird schließlich das gewünschte Ausgangs-Referenzimpuls­ signal H' erzeugt. Das Ausgangs-Referenzimpulssignal H' ist hierbei im Fall einer korrekten Detektion von Teil-Referenzimpulssignalen auf beiden Sei­ ten der Inkrementalspur identisch mit den Signalen H in den beiden Verar­ beitungskanälen.

Die in Fig. 4b dargestellte Schaltungsanordnung bietet gegenüber der in Fig. 4a erläuterten ersten Schaltungsanordnung einen weiteren Vorteil. So ist hierbei aufgrund der getrennten Verarbeitung der Signale aus den Refe­ renzmarkierungen auf beiden Seiten der Inkrementalspur gewährleistet, daß etwa aus einer eventuellen Verschmutzung auf einer Seite keine fehlerhafte Erzeugung eines Referenzimpulssignales resultiert. Dies wird letztlich durch die abschließend erfolgende logische UND-Verknüpfung der beiden Signale H aus den zwei Verarbeitungskanälen über das Verknüpfungselement 330.3 sichergestellt.

Desweiteren gewährleistet auch diese Variante, daß auch bei einer eventu­ ellen Verdrehung der Abtasteinheit gegenüber dem Maßstab die Phasen­ lage des erzeugten Ausgangs-Referenzimpulssignales H' gegenüber den Inkrementalsignalen erhalten bleibt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß sich die Phasenlage der jeweiligen Signale H aus den gegenüberliegend be­ nachbarten Bereichen in einem derartigen Fall gegensinning zueinander ändert. Aufgrund der ausgangsseitig erfolgenden logischen UND-Verknüp­ fung wiederum bleibt die Phasenlage des derart resultierenden Ausgangs- Referenzimpulssignales H' jedoch erhalten; lediglich die Breite des entspre­ chenden Rechteckpulses H' verändert sich in diesem Fall.

Die in den beiden Schaltungsanordnungen 4a und 4b vorgesehenen Bau­ elemente zur Verarbeitung der von den Referenzimpuls-Detektorelementen erzeugten Teil-Referenzimpulssignale sind vorzugsweise ebenfalls allesamt auf Seiten der Abtasteinheit angeordnet. Dies kann beispielsweise auf dem Trägerkörper 25 erfolgen, auf dem auch die restlichen optoelektronischen Bauelemente angeordnet werden. Ausgangsseitig liefert die erfindungsge­ mäße Abtasteinheit dann neben den Inkrementalsignalen das Ausgangs- Referenzimpulssignal H, H', das in der nachgeordneten Auswerteeinheit weiterverarbeitet werden kann.

Neben den erläuterten Beispielen existieren im Rahmen der vorliegenden Erfindung selbstverständlich noch eine Vielzahl weiterer Ausführungsmög­ lichkeiten.

Claims (16)

1. Abtasteinheit für eine optische Positionsmeßeinrichtung, die zur Abta­ stung eines Maßstabes (10) in einer Meßrichtung (x) geeignet ist, wel­ cher mindestens eine Inkrementalteilungsspur (12) sowie zwei Refe­ renzmarkierungen (13.1, 13.2) an mindestens einer definierten Refe­ renzposition (x_REF) umfaßt und wobei die Abtasteinheit (20) folgende Komponenten umfaßt:

• - eine Lichtquelle (21),
• - eine symmetrisch um die Lichtquelle (21) angeordnete Inkremental­ signal-Abtastanordnung aus mehreren Inkrementalsignal-Detektorele­ menten (22.1-22.8), die jeweils derart zueinander angeordnet sind, daß damit phasenversetzte Teil-Inkrementalsignale aus der Abtastung der Inkrementalteilungsspur (12) erzeugbar sind,
• - mindestens zwei Referenzimpuls-Detektorelemente (24.1-24.4), die senkrecht zur Meßrichtung (x) und jeweils benachbart zur Inkrementalsi­ gnal-Abtastanordnung angeordnet sind und zur Erzeugung eines Aus­ gangs-Referenzimpulssignales (H') dienen.

2. Abtasteinheit nach Anspruch 1, wobei jeweils mindestens zwei Refe­ renzimpuls-Detektorelemente (24.1-24.4) auf einer Seite der Inkre­ mentalsignal-Abtastanordnung angeordnet sind und über jedes der min­ destens vier Referenzimpuls-Detektorelemente (24.1-24.4) ein Teil- Referenzimpulssignal erzeugbar ist.

3. Abtasteinheit nach Anspruch 1, wobei die Referenzimpuls-Detektorele­ mente (24.1-24.4) jeweils rechteckförmig ausgebildet sind und die Rechteck-Längsachse in Meßrichtung (x) orientiert ist.

4. Abtasteinheit nach Anspruch 2, wobei die jeweils zwei Referenzimpuls- Detektorelemente (24.1, 24.2; 24.3, 24.4) auf einer Seite der Inkremen­ talsignal-Abtastanordnung in Meßrichtung (x) beabstandet zueinander angeordnet sind.

5. Abtasteinheit nach Anspruch 1, wobei die Abtasteinheit (20) ferner meh­ rere Kompensations-Detektorelemente (23.1-23.4) umfaßt, die zur Er­ zeugung eines Kompensationssignales (C) mit konstantem Signalpegel dienen.

6. Abtasteinheit nach Anspruch 5, wobei die Kompensations-Detektorele­ mente (23.1-23.4) zwischen der Inkrementalsignal-Abtastanordnung und den Referenzimpuls-Detektorelementen (24.1-24.4) angeordnet und seriell miteinander verschaltet sind.

7. Abtasteinheit nach Anspruch 6, wobei die Abtasteinheit (20) vier Kom­ pensations-Detektorelemente (23.1-23.4) umfaßt, die jeweils die Form eines gleichschenkligen Dreieckes aufweisen und alle Kompensations- Detektorelemente (23.1-23.4) symmetrisch um die Inkrementalsignal- Abtastanordnung plaziert sind.

8. Abtasteinheit nach Anspruch 1, wobei die Abtasteinheit (20) ferner Bau­ elemente zur Verarbeitung der von den Referenzimpuls-Detektorele­ menten (24.1-24.4) erzeugten Teil-Referenzimpulssignale umfaßt.

9. Abtasteinheit nach Anspruch 8, wobei über die Bauelemente die Bildung eines Summen- und eines Differenzsignales (D, E) aus den Teil-Refe­ renzimpulssignalen erfolgt, die an den Ausgängen derjenigen Detektor­ elemente (24.1-24.4) anliegen, die in Meßrichtung versetzt zueinander angeordnet sind und nach Umwandlung der Summen- und Differenzsi­ gnale (D, E) in rechteckförmige Signale (F, G) eine logische UND-Ver­ knüpfung des Summen- und Differenzsignales erfolgt, so daß die logi­ sche UND-Verknüpfung das Ausgangs-Referenzimpulssignal (H, H') lie­ fert.

10. Abtasteinheit nach den Ansprüchen 2 und 8, wobei die Abtasteinheit (20) je einen Verarbeitungskanal mit mehreren elektronischen Bauelementen zur Verarbeitung derjenigen Teil-Referenzimpulssignale umfaßt, die je­ weils auf einer Seite der Inkrementalsignal-Abtastanordnung erzeugbar sind.

11. Abtasteinheit nach Anspruch 10, wobei jedem Verarbeitungskanal die Teil-Referenzimpulssignale der zwei zugeordneten Referenzimpuls-De­ tektorelemente (24.1-24.4) zuführbar sind und am Ausgang jedes Ver­ arbeitungskanales ein Referenzimpulssignal (H) anliegt.

12. Abtasteinheit nach Anspruch 11, wobei die Abtasteinheit (20) ein Ver­ knüpfungselement (330.3) umfaßt, dem die ausgangsseitigen Refe­ renzimpulssignale (H) jedes Verarbeitungskanales zuführbar sind, so daß am Ausgang des Verknüpfungselementes (330.3) das weiterverar­ beitbare Ausgangs-Referenzimpulssignal (H') anliegt.

13. Abtasteinheit nach Anspruch 12, wobei über das Verknüpfungselement (330.3) eine logische UND-Verknüpfung erfolgt.

14. Abtasteinheit nach Anspruch 11, wobei jeder Verarbeitungskanal

• a) Bauelemente (310.1-310.4) zur Summen- und Differenzbildung umfaßt, denen die Teil-Referenzimpulssignale zuführbar sind,
• b) jeweils dem Summen- und Differenzbildung-Bauelementen (310.1-310.4) nachgeordnete Fensterkomparatoren (320.1-320.4) umfaßt, die Eingangssignale in rechteckförmige Ausgangssignale (F, G) umwandeln,
• c) ein den Fensterkomparatoren (320.1-320.4) nachgeordnetes Ver­ knüpfungselement (330.1, 330.2) umfaßt, dem die rechteckförmigen Ausgangssignale (F, G) des Fensterkomparators (320.1-320.4) zuführ­ bar sind, und über das eine logische UND-Verknüpfung erfolgt.

15. Abtasteinheit nach Anspruch 14, wobei den beiden Verarbeitungskanä­ len ein weiteres Verknüpfungselement (330.3) nachgeordnet ist, über das eine logische UND-Verknüpfung der am Ausgang der beiden Verar­ beitungskanäle anliegenden Signale (H) erfolgt.

16. Optische Positionsmeßeinrichtung mit einer Abtasteinheit (20) nach min­ destens einem der vorhergehenden Ansprüche.