DE19923505A1

DE19923505A1 - Rotatorische Positionsmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE19923505A1
Application number: DE19923505A
Authority: DE
Inventors: Dieter Michel; Wolfgang Holzapfel
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1998-08-01
Filing date: 1999-05-21
Publication date: 2000-02-03

Abstract

Es wird eine rotatorische Positionsmeßeinrichtung nach dem interferentiellen Wirkungsprinzip angegeben, bestehend aus einem Gehäuse, einer mit dem Gehäuse starr verbundenen Abtastbaueinheit, die eine Lichtquelle sowie mindestens ein Detektorelement umfaßt, einer flächig am schwingungsunempfindlichen Gehäuse angeordneten Reflexions-Abtastteilungsstruktur die gegenüberliegend von der Abtastbaueinheit angeordnet ist sowie einer Teilscheibe, die mit einer drehbaren Welle verbunden ist und eine radiale Tansmissions-Meßteilungsstruktur aufweist, wobei die Teilscheibe drehbar um ihre Symmetrieachse im Gehäuse angeordnet ist, so daß sich die Meßteilungsstruktur zwischen der Abtastbaueinheit und der Abtastteilungsstruktur befindet. Hierbei gelangen die von der Lichtquelle emittierten Strahlenbündel zunächst auf die Meßteilungsstruktur, wo eine Aufspaltung in gebeugte Teilstrahlenbündel verschiedener Ordnungen erfolgt. Die gebeugten Teilstrahlenbündel tretten dann auf die Abtastteilungsstruktur auf, wo unter Reflexion eine erneute Beugung in verschiedene Beugungsordnungen erfolgt und eine Rückreflexion der gebeugten Teilstrahlenbündel in Richtung der Meßteilungsstruktur resultiert, wo die gebeugten Teilstrahlenbündel interferieren und über das mindestens eine Detektorelement erfaßt werden (Figur 1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine rotatorische Positionsmeßeinrichtung basierend auf einem interferentiellen Wirkungsprinzip.

Ein sogenannter interferentieller Dreigittergeber ist beispielsweise aus der EP 0 163 362 B1 oder aber aus der Veröffentlichung "Längen in der Ultra präzisionstechnik messen" von A. Spies in Feinwerktechnik & Messtechnik 98 (1990), 10, S. 406-410 bekannt. Mit Hilfe eines derartigen Dreigitterge bers können verschiebungsabhängig modulierte Inkrementalsignale erzeugt werden, über die die Relativposition zweier zueinander beweglicher Objekte bestimmbar ist. Eines der beiden zueinander beweglichen Objekte ist hierbei mit einer Abtasteinheit verbunden, die unter anderem eine Abtastteilungs struktur umfaßt. Das andere Objekt ist dagegen mit einer Meßteilungsstruk tur verbunden, die von der Abtasteinheit zur Erzeugung der positionsabhän gigen Signale abgetastet wird. Während als Abtastteilungsstruktur ein trans parentes Phasengitter dient, ist ein Reflexions-Phasengitter als Meßteilungs struktur vorgesehen.

Derartige, im Auflicht betriebene interferentielle Dreigittergeber haben nun mehr ihren sogenannten neutralen Drehpunkt üblicherweise in der Ebene der Abtastteilungsstruktur. Hierbei sei unter dem neutralen Drehpunkt derje nige Punkt bezeichnet, um den entweder die Meßteilungsstruktur oder aber die Abtastoptik einschließlich der Abtastteilungsstruktur in einem bestimmten Toleranzbereich gekippt werden kann, ohne daß sich das ausgegebene Po sitionssignal in seiner Lage verändert. Wünschenswert ist aber grundsätz lich, den neutralen Drehpunkt in einen Bereich zu verlegen, in dem eventuell auftretende Schwingungen oder Verkippungen der jeweiligen Struktur im Meßbetrieb einen möglichst geringen Einfluß auf die resultierende Meßge nauigkeit aufweisen. Insbesondere im Fall einer rotatorischen Positions meßeinrichtung basierend auf einem derartigen interferentiellen Wir kungsprinzip wäre wünschenswert, daß der neutrale Drehpunkt in der Ebene der rotierenden Teilungsstruktur bzw. Teilscheibe liegt, da die Teilscheibe grundsätzlich Verkippungen, Taumelbewegungen etc. aufgrund von Lager toleranzen unterliegt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine rotatorische Positi onsmeßeinrichtung nach dem interferentiellen Wirkungsprinzip anzugeben, die im Meßbetrieb möglichst unempfindlich gegenüber Schwingungen des Gehäuses und/oder Verkippungen einer rotierenden Teilscheibe ist.

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

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

Der vorliegenden Erfindung liegt zunächst die Erkenntnis zugrunde, daß der erwähnte neutrale Drehpunkt zur Erfüllung der angegebenen Anforde rungen in der Ebene der rotierenden Teilungsstruktur, d. h. in der Ebene der Teilscheibe liegen muß. Nur derart kann die entsprechende Positions meßeinrichtung unempfindlich gegenüber Taumelbewegungen der Teil scheibe werden, die etwa durch Schwingungen des Gehäuses oder aber Lagertoleranzen verursacht werden. Die oben erwähnte Ausgestaltung des interferentiellen Dreigittergebers mit einer Reflexions-Phasenstruktur als Meßteilungsstruktur muß demzufolge erfindungsgemäß derart abgewandelt werden, daß die rotierende Teilscheibe mit einer transparenten Meßteilungs struktur versehen wird, während die erforderliche reflektierende Abtasttei lungsstruktur stationär angeordnet ist.

Erfindungsgemäß ist nunmehr zum einen vorgesehen, die Meßteilungs struktur als transparentes Phasengitter auszubilden und auf der rotierenden Teilscheibe kreisringförmig anzuordnen. Zum anderen wird die als Refle xions-Phasengitter ausgebildete Abtastteilungsstruktur stationär und flächig unmittelbar am schwingungsunempfindlichen Gehäuse der rotatorischen Positionsmeßeinrichtung angeordnet. Gegenüberliegend zur Abtastteilungs struktur ist eine Abtastbaueinheit ebenfalls stationär am Gehäuse angeord net, die unter anderem eine Lichtquelle sowie ein oder mehrere Detektor elemente umfaßt, über die die positionsabhängig modulierten Signale erfaßt werden.

Über die erfindungsgemäß gewählte Anordnung der Abtastteilungsstruktur unmittelbar am jeweiligen Gehäuse läßt sich in einfachster Art und Weise eine schwingungsunempfindliche Anordnung dieses Teiles der Positions meßeinrichtung sicherstellen. Hierbei existieren eine Reihe von Möglichkei ten, wie letztlich die Anordnung der Abtastteilungsstruktur an dieser Stelle erfolgen kann.

Weniger kritisch im Hinblick auf die Anfälligkeit gegenüber eventuellen Schwingungen und Vibrationen ist hingegen die Lage bzw. Anordnung der Abtastbaueinheit mit der Lichtquelle und den Detektorelementen. Diese Baueinheit wird deshalb erfindungsgemäß auf der dem Gehäuse abge wandten Seite der Teilscheibe bzw. Meßteilungsstruktur angeordnet.

Es resultiert somit eine hochgenaue rotatorische Positionsmeßeinrichtung, basierend auf einem interferentiellen Wirkungsprinzip, die zum einen einfach und kompakt baut und zum anderen unempfindlich gegenüber unvermeidba ren mechanischen Einflüssen ist.

Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der erfindungsgemäßen rotatorischen Positionsmeßeinrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Figuren.

Dabei zeigt

Fig. 1 eine schematische Querschnitts-Darstellung durch ein Ausführungsbeispiel der erfindungs gemäßen rotatorischen Positionsmeßeinrich tung;

Fig. 2 den prinzipiellen Strahlengang innerhalb der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 3a eine Draufsicht auf die Teilscheibe aus dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 mit der radial angeordneten Meßteilungsstruktur;

Fig. 3b eine Schnittdarstellung der Meßteilungsstruktur aus Fig. 3a;

Fig. 4a eine Draufsicht auf die Abtastteilungsstruktur aus dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1;

Fig. 4b eine Schnittdarstellung der Abtastteilungs struktur aus Fig. 4a;

Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht der Abtastbaueinheit aus Fig. 1;

Fig. 6 eine Ansicht der Detektorebene der Abtastbau einheit aus Fig. 5.

Eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen rotatorischen Posi tionsmeßeinrichtung sei nachfolgend anhand der schematischen Quer schnittsdarstellung in Fig. 1 beschrieben. Erkennbar ist im wesentlichen der Flansch des Gehäuses 1 der Positionsmeßeinrichtung, in dem eine Welle 2 drehbar um ihre Längsachse 3 gelagert angeordnet ist. Das Gehäuse 1 ist hierbei zylinderförmig ausgebildet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Welle 3 über zwei Lager 4a, 4b im Gehäuse 1 möglichst reibungsfrei drehbar angeordnet; hierbei sei darauf hingewiesen, daß die Lagerung der Welle 3 im Gehäuse 1 keineswegs erfindungswesentlich ist. Die Welle 3 wiederum ist z. B. über eine geeignete Kupplung mit einem Antrieb, einer Spindel etc. verbunden, deren Rotationsbewegung über die erfindungsge mäße Positionsmeßeinrichtung jeweils erfaßt werden soll. Letztere Elemente sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. An demjenigen Ende der Welle 3, welches der Positionsmeßeinrichtung zugewandt ist, ist symmetrisch zur Längs- bzw. Rotationsachse 3 eine kreisförmige Teil scheine 5 starr befestigt, was z. B. über eine - nicht gezeigte - Schraubver bindung erfolgen kann. Die Teilscheibe 5 trägt zumindest eine Spur mit einer radial angeordneten Meßteilungsstruktur 9, die in der Ansicht von Fig. 1 nur schematisch angedeutet ist und auf die nachfolgend noch näher eingegan gen wird. Die optische Abtastung dieser Spur bzw. Meßteilungsstruktur 9 liefert die gewünschten positionsabhängigen Inkrementalsignale, welche z. B. von einer nachgeordneten numerischen Steuerung in bekannter Art und Weise weiterverarbeitet werden können.

Unmittelbar am Gehäuse 1 der Positionsmeßeinrichtung ist erfindungsge mäß eine Abtastteilungsstruktur 6 flächig angeordnet, was in Fig. 1a ledig lich ebenso schematisch angedeutet wurde wie der eigentliche Abtast- Strahlengang. Details hierzu werden nachfolgend noch näher erläuten. Ge genüberliegend von der Abtastteilungsstruktur 6 ist eine Abtastbaueinheit 7 über eine Platine 8 starr am Gehäuse 1 angeordnet. Die Abtastbaueinheit 7 umfaßt u. a. eine Lichtquelle 7.1, vorzugsweise mehrere optoelektronische Detektorelemente 7.2a, von denen in Fig. 1 lediglich eines angedeutet ist, sowie eine Optik 7.3, die als Kollimator bzw. Kondensor fungiert.

Die Abtastbaueinheit 7 ist hierbei über die seitlichen Gehäuse-Wände mit dem eigentlichen Gehäuse 1 verbunden. Es ergibt sich dadurch eine deutlich schwingungsempfindlichere Anordnung dieses Elementes der erfindungs gemäßen Positionsmeßeinrichtung, da die Gehäuse-Wände in der Regel nicht derart massiv ausgebildet sind, daß Schwingungen der Platine 8 sicher vermieden werden könnten.

Über die Platine 8 erfolgt zum einen die möglichst starre Verbindung der Abtastbaueinheit 7 mit dem Gehäuse 1. Zum anderen werden die in der Ab tastbaueinheit 7 angeordneten Bauelemente über die Platine 8 und die darin befindlichen elektrischen Leiterbahnen kontaktiert. Fig. 1a zeigt den Aufbau der Abtastbaueinheit 7 lediglich in stark schematisierter Form. Eine vergrö ßerte Ansicht hiervon ist etwa in Fig. 5 gezeigt ein Schnitt durch die De tektorebene der Abtastbaueinheit 7 sei nachfolgend anhand von Fig. 6 noch näher beschrieben.

Zwischen der Abtastbaueinheit 7 und der Abtastteilungsstruktur 6 ist dem zufolge die um die Achse 3 rotierende Teilscheibe 5 mit der Meßteilungs struktur 9 angeordnet, aus deren optischer Abtastung letztlich die ge wünschten, positionsabhängig modulierten Signale erzeugt werden, die von den Detektorelementen 7.1 erfaßt werden.

Der grundsätzliche Abtaststrahlengang in der erfindungsgemäßen rotatori schen Positionsmeßeinrichtung ist in Fig. 2 schematisiert dargestellt. Die von einer Lichtquelle LQ emittierten Strahlenbündel gelangen hierbei zu nächst auf die Meßteilungsstruktur 90, die als Transmissions-Phasenstruktur ausgebildet ist. Dort erfolgt eine Aufspaltung der auftreffenden Strahlenbün del in die Teilstrahlenbündel 0. sowie +/- 1. Beugungsordnung. Die Teil strahlenbündel 0, +1 und -1 treffen anschließend auf die stationäre Ab tastteilungsstruktur 60 auf. Die Abtastteilungsstruktur 60 ist als Reflexions- Phasenstruktur ausgebildet, die eine Rückreflexion der auftreffenden Teil strahlenbündel 0, +1, -1 in die +/- 1. Beugungsordnungen und damit zurück in Richtung der beweglichen Meßteilungsstruktur 90 bewirkt. Dort kommen letztlich verschiedene Teilstrahlenbündel +1', -1' zur Interferenz, wobei die resultierenden Interferenzstrahlenbündel durch die Beugungswirkung der Meßteilungsstruktur 90 in die verschiedenen Raumrichtungen abgelenkt werden, in denen die Detektorelemente DET₀, DET₊₁ und DET_-1 angeordnet sind, d. h. demzufolge in die resultierende 0, sowie +/-1. Beugungsordnung. Im Fall der rotatorischen Relativbewegung von Meßteilungsstruktur 90 und Abtastteilungsstruktur 60 resultieren aufgrund der verschiedenen Phasen verschiebungen der an der Interferenz beteiligten Teilstrahlenbündel +1', -1' letztlich intensitätsmodulierte Inkrementalsignale auf Seiten der Detektor elemente DET₀, DET₊₁ und DET_-1, die jeweils um 120° zueinander phasen verschoben sind und zur hochexakten Positionsbestimmung in bekannter Art und Weise genutzt werden können.

Im Gegensatz zur bekannten Ausbildung eines interferentiellen Dreigitterge bers mit einer Reflexions-Phasenstruktur als Meßteilungsstruktur ist erfin dungsgemäß nunmehr vorgesehen, die Meßteilungsstruktur 90 als Trans missions-Phasenstruktur auszubilden. Desweiteren wird erfindungsgemäß die Abtastteilungsstruktur 60 als Reflexions- Phasenstruktur ausgestaltet, während konventionelle interferentielle Dreigittergeber gemäß der EP 0 163 362 B2 immer eine Abtastteilungsstruktur in Form einer Transmissions-Pha senstruktur vorsehen. Aufgrund dieser Maßnahmen wird letztlich erreicht, daß der neutrale Drehpunkt der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrich tung in der Ebene der beweglichen bzw. rotierenden Meßteilungsstruktur 90, d. h. in der Ebene der Teilscheibe liegt. Auch eventuelle Verkippungen oder ein Taumeln der entsprechenden Teilscheibe mit der Meßteilungsstruktur 90 beeinflussen die Lage der positionsabhängigen Signale nun nicht mehr.

Als weiterhin vorteilhaft erweist sich, wenn wie anhand von Fig. 1 erläutert, die Abtastteilungsstruktur 6 möglichst unmittelbar flächig am Gehäuse der Positionsmeßeinrichtung angeordnet wird, so daß eine besonders schwin gungsunempfindliche Anordnung der Abtastteilungsstruktur 6 resultiert. Eventuelle undefinierte Lageänderungen auf Seiten der Abtastteilungsstruk tur 6, etwa verursacht durch Vibrationen etc., hätten zur Folge, daß damit die Positionsmessung verfälscht würde und letztlich auch die Genauigkeit der Positionsbestimmung negativ beeinflußt wird.

Eine Draufsicht auf die verwendete Teilscheibe 5 im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist in Fig. 3a gezeigt. Erkennbar ist hierbei die radialsymmetrische Anordnung der Spur mit der Meßteilungsstruktur 9 um die Rotationsachse 3, wobei wie erwähnt die Meßteilungsstruktur 9 als transparente Phasenstruk tur ausgebildet ist. Zu Details dieser Phasenstruktur sei auf die nachfolgend beschriebene Fig. 3b verwiesen, die eine Schnittansicht der Meßteilungs struktur 9 zeigt. Neben der Spur mit der Meßteilungsstruktur 9 ist im gezeig ten Ausführungsbeispiel noch ein benachbart zu dieser Spur angeordnetes Referenzmarkierungsfeld 10 auf der Teilscheibe 9 erkennbar. Über die opti sche Abtastung des Referenzmarkierungsfeldes 10 läßt sich in bekannter Art und Weise ein Referenzimpulssignal an einer definierten Position erzeugen, d. h. ein Absolutbezug bei der rotatorischen Positionsmessung herstellen.

Neben der dargestellten Variante mit lediglich einem einzigen Referenzmar kierungsfeld 10 bzw. einer einzigen Spur mit einer Meßteilungsstruktur kön nen selbstverständlich auch vielfältigste Abwandlungen von dieser Konfigu ration erfindungsgemäß realisiert werden. So können ggf. auch mehrere gleichbeabstandete Referenzmarkierungsfelder ebenso vorgesehen werden wie z. B. abstandscodierte Referenzmarkierungsfelder. Auch wäre es mög lich, mehrere Meßteilungsstrukturen mit unterschiedlichen Teilungsperioden benachbart zueinander auf der Teilscheibe anzuordnen usw.

Anhand der Schnittansicht in Fig. 3b sei die als transparente Phasenstruk tur ausgebildete Meßteilungsstruktur 9 nachfolgend näher erläutert.

So besteht die Meßteilungsstruktur 9 aus einer Abfolge periodisch bzw. al ternierend angeordneter Stege S_M und Lücken L_M.

Im Hinblick auf die Herstellung der Meßteilungsstruktur gibt es dabei eine Reihe von Möglichkeiten. In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorge sehen, die Meßteilungsstruktur 9 durch Trockenätzen in Quarz herzustellen. Als Trägersubstrat wird hierbei entweder direkt ein Quarz-Substrat verwen det oder aber eine dünne Quarzschicht auf ein transparentes Glas- oder Kunststoff-Trägersubstrat aufgebracht. Das jeweilige Trägersubstrat dient in diesem Fall dann auch als Ätzstop für den Trockenätzprozeß.

Alternativ hierzu wäre eine kostengünstige Fertigung der Meßteilungsstruktur 9 auch über ein Prägeverfahren möglich, ähnlich dem Herstellungsprozeß von CDs.

Die Teilungsperiode TP_M der Meßteilungsstruktur 9 entspricht hierbei der Summe der Breiten b_SM, b_LM eines Steges S_M und einer Lücke L_M, d. h. TP_M = b_SM + b_LM. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wurde die Stegbreite b_SM = 1/3 TP_M gewählt, für die Lückenbreite b_LM gilt dann b_LM = 2/3 TP_M.

Alternativ hierzu wäre es auch möglich die Stegbreite b_SM = 2/3 TP_M zu wäh len; entsprechend würde dann für die Lückenbreite b_LM dann b_LM = 1/3 TP_M geltend.

Die Steghöhe h_SM oder Phasentiefe wird für das gezeigte Ausführungsbei spiel eines Stufenphasengitters vorzugsweise nach folgender Beziehung gewählt:

h_SM (n-1) ≈ λ/3

wobei n den Brechungsindex des Stegmateriales angibt und λ die Wellen länge der eingesetzten Lichtquelle. Die Phasentiefe wird demzufolge abwei chend von 180° gewählt, vorzugsweise 120°. Hierzu ist etwa eine Steghöhe h_SM von λ/6 vorzusehen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen rotatorischen Positionsmeßeinrichtung weist die kreisförmig auf der Teilscheibe angeord nete Meßteilungsstruktur 9 einen Durchmesser von 40 mm auf. Über den kompletten Kreisumfang sind 32768 Teilungsperioden der Meßteilungsstruk tur aufgebracht, so daß pro Umdrehung 65536 Signalperioden der Aus gangssignale resultieren. Für die Teilungsperiode T_PM gilt dann T_PM = 3,83 µm, während b_SM = 1,28 µm, b_LM = 2,55 µm oder aber b_SM = 2,55 µm, b_LM = 1,28 µm gewählt wird. Bei einer Wellenlänge λ = 860 nm und n = 1,5 ergibt sich für die Steghöhe h_SM gemäß den obigen Beziehungen desweiteren h_SM = 0,57 µm.

Über derart gewählte Breiten der Stege S_M und Lücken L_M der transparenten Phasenstruktur bzw. Meßteilungsstruktur 9 sowie der Steghöhe h_SM bzw. Phasentiefe ergibt sich in Verbindung mit der gewählten interferentiellen Signalerzeugung letztlich eine Phasenverschiebung der über die drei De tektorelemente registrierten Signale von 120°.

Anhand der Fig. 4a und 4b sei nachfolgend die Ausbildung der Ab tastteilungsstruktur 6 aus dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 näher erläu tert. Fig. 4a zeigt hierbei eine Draufsicht auf die unmittelbar am Gehäuse 1 bzw. Flansch angeordnete Abtastteilungsstruktur 6, die sich in diesem Aus führungsbeispiel lediglich über ein beschränktes Kreissegment erstreckt. Wie bereits oben erwähnt ist die Abtastteilungsstruktur 6 als Reflexions-Pha sengitter ausgebildet, das in Fig. 4b im Querschnitt gezeigt ist. Die Ab tastteilungsstruktur 6 besteht aus einer periodischen Anordnung von reflek tierenden Stegen S_A, die auf einer ebenfalls reflektierenden Oberfläche eines Trägerkörpers 6.1 aufgebracht werden. Es kann sich hierbei etwa um Stege S_A aus Chrom auf einem Stahl-Trägerkörper 6.1 handeln. Zur Erhöhung der Reflexion kann die Oberseite der Abtastteilungsstruktur 6 desweiteren flä chig mit Aluminium, Aluminiumoxid oder mit Gold beschichtet werden.

Die Breite b_SA der Stege S_A wird hierbei identisch zur Breite b_LA der dazwi schen liegenden Lücken L_A gewählt, d. h. die Breite der Stege und Lücken entspricht jeweils der halben Teilungsperiode T_PA. Die Höhe h_SA bzw. die Phasentiefe der Stege S_A der Abtastteilungsstruktur 6 wird vorzugsweise gemäß

h_SA ≈ λ/4

gewählt, was einer Phasentiefe von 180° entspricht. λ gibt wiederum die Wellenlänge der eingesetzten Strahlung an; für λ = 860 nm resultiert somit im beschriebenen Ausführungsbeispiel eine Steghöhe h_SA = 215 nm. Im Fall der oben erwähnten 32768 Teilungsperioden der Meßteilungsstruktur ist des weiteren b_SA = b_LA = 1,915 µm vorgesehen.

Um eine gute Qualität der resultierenden Abtastsignale sicherzustellen, ist es desweiteren vorteilhaft, wenn eine definierte Blendenstruktur im Abtast strahlengang angeordnet wird. Andernfalls sinkt der Modulationsgrad der Abtastsignale aufgrund von auftretender Störstrahlung. Damit wiederum wird der Offset der einzelnen Abtastsignale beeinträchtigt, da die Störstrahlung über den kompletten Verschiebeweg bzw. die Meßstrecke nicht konstant ist. Vorzugsweise wird deshalb bei der erfindungsgemäßen Positionsmeßein richtung eine Blendenstruktur auf Seiten der Abtastteilungsstruktur 6 vorge sehen, wie dies auch im Ausführungsbeispiel in Fig. 4a angedeutet ist. Dort ist die Oberfläche des Trägerkörpers benachbart zu den beiden Abtast strukturen 6, 11 jeweils stark absorbierend ausgebildet. Dies erfolgt durch Aufbringen einer stark absorbierenden Schicht 20 in den radial und tangen tial zu den beiden Abtaststrukturen 6, 11 benachbarten Bereichen des Trä gerkörpers, so daß diese Bereiche letztlich als Blendenstruktur 20 dienen.

Die neben der Abtastteilungsstruktur 6 vorgesehene zweite Abtaststruktur 11 dient hierbei zur Abtastung des Referenzmarkierungsfeldes neben der Spur mit der Meßteilungsstruktur und damit zur Erzeugung mindestens eines Refe renzimpulssignales. Die zweite Abtaststruktur sei deshalb nachfolgend als Referenzimpuls-Abtaststruktur 11 bezeichnet.

Alternativ hierzu wäre es auch möglich, eine mechanische Blende als Blen denstruktur in geeigneter Form im Strahlengang zwischen der Abtastbauein heit 7 und der Teilscheibe 5 anzuordnen. Grundsätzlich wäre es desweiteren denkbar, die Blendenstruktur auf Seiten der Teilscheibe anzuordnen, was jedoch einen größeren Aufwand erfordert, da die Blendenstruktur dann in einem größeren Bereich vorzusehen wäre als im Fall der Anordnung be nachbart zur Abtastteilungsstruktur, die räumlich lediglich einen kleinen Be reich einnimmt.

In der Ansicht von Fig. 4a ist neben der Abtastteilungsstruktur 6 desweite ren eine Abtaststruktur 11 erkennbar, die zur
In Bezug auf die Abtastung des Referenzmarkierungsfeldes existieren eine Reihe bekannter Möglichkeiten, die allesamt eingesetzt werden können und auf die an dieser Stelle nicht näher eingegangen werden soll. Vorteilhafter weise könnten etwa etwa sog. gechirpte Strukturen zur Erzeugung der Refe renzimpulssignale eingesetzt werden.

Wie bereits mehrfach angedeutet, wird die Abtastteilungsstruktur 6 unmittel bar flächig am Gehäuse 5 der Positionsmeßeinrichtung angeordnet, um der art eine möglichst schwingungsunempfindliche Anordnung derselben sicher zustellen. Dies erfolgt im gezeigten Ausführungsbeispiel derart, daß der Trä gerkörper 6.1 mit den darauf angeordneten Stegen S_A flächig auf das Ge häuse 5 geklebt wird.

Alternativ hierzu wäre auch denkbar, die Abtastteilungsstruktur direkt flächig am Gehäuse anzuordnen, was etwa durch eine geeignete Strukturierung der Oberfläche des Gehäuses erfolgen könnte, z. B. in Form eines geeigneten Ätzprozesses. Die Abtastteilungsstruktur wäre dann integraler Bestandteil des Gehäuses. Diese Anordnung der flächigen Anordnung der Abtasttei lungsstruktur am Gehäuse hätte den Vorteil, daß im Fall einer Erwärmung des Gehäuses auch die Abtastteilung radialsymmetrisch expandiert und da mit die in Winkeleinheiten gemessene Teilungsperiode temperaturunabhän gig bleibt. Da das gleiche auch für die Teilscheibe gilt, treten keine tempera turabhängigen Vernier- und/oder Moiréstreifen auf und die Abtastsignale bleiben stets stabil.

Den gleichen Effekt bzw. Vorteil erzielt man im übrigen auch, wenn die re flektierende Abtastteilungsstruktur auf einem dünnen Trägerkörper aufge bracht wird, der einen kleinen Elastiziätsmodul aufweist und eine hohe Bruchdehnung besitzt. Der Trägerkörper inclusive Abtastteilungsstruktur wird dann durch eine feste, flächige Klebung am Gehäuse befestigt, so daß die Abtastteilungsstruktur damit gezwungenermaßen das gleiche thermische Ausdehnungsverhalten erfährt wie das Gehäuse. So könnte die Abtasttei lungsstruktur etwa als geeignete Prägung auf einer dünnen Kunststoff- oder Metall-Folie als Trägerkörper ausgebildet werden, der vor der Prägung auf das Gehäuse geklebt wird.

Darüberhinaus wäre es auch möglich mehrere separate Abtastteilungs strukturen über den Umfang des Gehäuses verteilt anzuordnen. Hierbei er weist sich ebenfalls als vorteilhaft, wenn zwischen dem Gehäuse und der eigentlichen Abtastteilungsstruktur ein Ausgleichskörper angeordnet wird. Auf dem Ausgleichskörper ist dann die eigentliche Abtastteilungsstruktur auf einem Trägerkörper angeordnet, d. h. der Trägerkörper ist fest und flächig mit dem Ausgleichskörper verbunden. Der Ausgleichskörper ist andererseits mit dem Gehäuse derart verbunden, z. B. durch ein geeignete Klebung, daß die Verdrehsicherheit des Ausgleichskörpers gegenüber dem Gehäuse im Fall thermischer Ausdehnung gewährleistet ist. Trotzdem erfolgt die Befestigung des Ausgleichskörpers dergestalt, daß dieses sich radial verschieben kann.

Als Ausgleichskörper kann beispielsweise eine geeignet dimensionierte Scheibe aus Glas oder Stahl in Frage kommen. Auf diesem wiederum ist die Abtastteilungsstruktur auf einem Glas-Trägerkörper wie beschrieben ange ordnet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist es möglich, die Ab tastteilungsstruktur in Form einer sog. Sol-Gel-Struktur auszubilden und flä chig auf dem Gehäuse bzw. dem Flansch anzuordnen. Derartige Herstel lungsverfahren für feine Strukturen sind z. B. in der WO 93/06508 beschrie ben.

Ein Teil der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung ist in Fig. 5 in einer seitlichen Schnittansicht entlang der tangentialen Richtung vergrößert dargestellt. Erkennbar ist hierbei insbesondere, daß in diesem Ausführungs beispiel die Abtastbaueinheit 7 neben einer Lichtquelle 7.1, vorzugsweise ausgebildet als LED, mehrere Detektorelemente 7.2a-7.2b umfaßt; ein weiteres, drittes Detektorelement befindet sich verdeckt hinter der Licht quelle 7.1 und ist in dieser Ansicht nicht erkennbar. Über die drei Detektor elemente, vorzugsweise ausgebildet als Photoelementewerden demzufolge die verschiebungsabhängig-intensitätsmodulierten Signale detektiert, die nach dem zweiten Durchgang durch die Meßteilungsstruktur 9 in die 0. so wie +/-1. resultierende Beugungsordnung abgelenkt werden, wobei in diesen Raumrichtungen die entsprechenden Detektorelemente 7.2a, 7.2b angeord net sind. Daneben umfaßt die Abtastbaueinheit 7 desweiteren Detektorele mente, welche zur Erzeugung eines Referenzimpulssignales dienen, die aber in der Darstellung der Fig. 5 nicht erkennbar sind. Die weiteren Ele mente der Abtastbaueinheit 7 wurden bereits in der Beschreibung der Fig. 1 erwähnt.

Eine Ansicht der Detektorebene der Abtastbaueinheit 7 ist schließlich in Fig. 6 gezeigt. Neben der Lichtquelle 7.1 sind hierbei zum einen die drei vor her erwähnten, auf der Platine 8 angeordneten Detektorelemente 7.2a, 7.2b, 7.2c erkennbar, über die die von der Meßteilungsstruktur in die 0. sowie +/- 1. Beugungsordnung abgelenkten interferierenden Strahlenbündel detektiert werden. Zum anderen sind in dieser Darstellung noch zwei weitere Detek torelemente 12.1, 12.2 erkennbar, die zur Erzeugung des Referenzimpuls signales dienen und demzufolge den oben erwähnten Referenzimpuls- Strukturen zugeordnet sind. Während hierbei über ein erstes Detektorele ment 12.1 in bekannter Art und Weise ein sogenanntes Takt-Referenzim pulssignal erzeugt wird, dient das zweite Detektorelement 12.2 zur Erzeu gung des Gegentakt-Referenzimpulssignales. Durch die geeignete Ver schaltung dieser beiden Detektorelemente 12.1,12.2 läßt sich ein von Stö rungen weitgehend unbeeinflußtes Referenzimpulssignal an einer definierten Absolutposition erzeugen.

Um dabei die aus der Spur mit der Meßteilungsstruktur kommenden Strah lenbündel von denjenigen Strahlenbündeln zu trennen, die aus dem Refe renzmarkierungsfeld stammen, sind geeignete optische Ablenkelemente zwischen der in Fig. 1 und 5 erkennbaren Optik 7.3 und der Abtastteilungs struktur 6 anzuordnen. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit wurde auf die Darstellung dieser Ablenkelemente jedoch verzichtet. Es kann sich hierbei etwa um geeignete Frismen oder aber Mehrsegment-Linsen mit zu einander verschobenen optischen Achsen handeln.

Neben dem dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen ro tatorischen Positionsmeßeinrichtung sind selbstverständlich auch noch al ternative Varianten im Rahmen der Lehre der vorliegenden Erfindung reali sierbar.

So ist es keineswegs zwingend die Abtastteilungsstruktur lediglich über ein Kreissegment anzuordnen; es kann vielmehr auch eine Anordnung dersel ben über den gesamten Kreisumfang vorgesehen werden.

Daneben könnte auch vorgesehen werden, mehrere Abtastteilungsstruktu ren mit unterschiedlichen Teilungsperioden auf der Gehäuseseite anzuord nen, um auf diese Art und Weise je nach genutzter Abtastteilungsstruktur unterschiedliche Signalperioden der positionsabhängigen Signale zu erzeu gen. Diese könnten dann etwa in verschiedenen Kreissegmentbereichen am Gehäuse angeordnet werden. Auf diese Art und Weise ließen sich standar disierte Gehäuse zur Erzeugung verschiedener Teilungsperioden einsetzen, was eine Reduzierung von Herstellkosten zur Folge hätte.

Desweiteren erweist sich als vorteilhaft, wenn die Richtung der Beleuch tungsachse entsprechend dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 radial nach innen gerichtet gewählt wird und nicht exakt parallel zur Rotationsachse der Teilscheibe oder aber nach außen hin. Auf diese Art und Weise ergeben sich kleinere Phasenverschiebungen zwischen den interferierenden Teilstrahlen bündeln, so daß die die Signalmodulationen vermindernden Moiré- und Ver niereffekte vernachlässigbar klein gehalten werden.

Desweiteren sei schließlich darauf hingewiesen, daß neben dem beschrie benen Ausführungsbeispiel selbstverständlich auch alternative rotatorische Konfigurationen einer Positionsmeßeinrichtung erfindungsgemäß ausge staltet werden können.

Claims

1. Rotatorische Positionsmeßeinrichtung nach dem interferentiellen Wir kungsprinzip, bestehend aus

- einem Gehäuse (1),
- einer mit dem Gehäuse (1) verbundenen Abtastbaueinheit (7), die eine Lichtquelle (7.1) sowie mindestens ein Detektorelement (7.2a, 7.2b, 7.2c; DET₀, DET₊₁, DET_-1) umfaßt,
- einer unmittelbar am schwingungsunempfindlichen Gehäuse (1) an geordneten Reflexions-Abtastteilungsstruktur (6, 60) die gegenüberlie gend von der Abtastbaueinheit (7) angeordnet ist,
- einer Teilscheibe (5), die mit einer drehbaren Welle (2) verbunden ist und eine radiale Tansmissions-Meßteilungsstruktur (9, 90) aufweist, wo bei die Teilscheibe (5) drehbar um ihre Symmetrieachse (3) im Gehäuse (1) angeordnet ist, so daß sich die Meßteilungsstruktur (9, 90) zwischen der Abtastbaueinheit (7) und der Abtastteilungsstruktur (6, 60) befindet und
- die von der Lichtquelle (7.1) emittierten Strahlenbündel zunächst auf die Meßteilungsstruktur (9, 90) gelangen, dort eine Aufspaltung in ge beugte Teilstrahlenbündel (0, +1, -1) verschiedener Ordnungen erfolgt, die gebeugten Teilstrahlenbündel (0, +1, -1) auf die Abtastteilungsstruk tur (6, 60) auftreffen, wo unter Reflexion eine erneute Beugung in ver schiedene Beugungsordnungen erfolgt und eine Rückreflexion der ge beugten Teilstrahlenbündel (+ 1', -1') in Richtung der Meßteilungs struktur (9, 90) resultiert, wo die gebeugten Teilstrahlenbündel (+1', -1') interferieren und über das mindestens eine Detektorelement (7.2a, 7.2b, 7.2c; DET₀, DET₊₁, DET_-1) eine Erfassung der interferierenden Teil strahlenbündel erfolgt.

2. Rotatorische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ab tastteilungsstruktur (6, 60) flächig am Gehäuse (1) befestigt ist.

3. Rotatorische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 2, wobei die Ab tastteilungsstruktur (6, 60) geklebt am Gehäuse (1) befestigt ist.

4. Rotatorische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ab tastteilungsstruktur (6, 60) lediglich in einem Kreissegment angeordnet ist.

5. Rotatorische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ab tastteilungsstruktur kreisringförmig am Gehäuse angeordnet ist.

6. Rotatorische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ab tastteilungsstruktur (6, 60) integraler Bestandteil des Gehäuses (1) ist.

7. Rotatorische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 6, wobei die Ab tastteilungsstruktur (6, 60) als geätzte Struktur am Gehäuse (1) ausge bildet ist.

8. Rotatorische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ab tastteilungsstruktur (6, 60) als Prägung auf einer dünnen Folie ausgebil det ist und die Folie flächig am Gehäuse (1) angeordnet ist.

9. Rotatorische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei benach bart zur Abtastteilungsstruktur (6, 60) eine Blendenstruktur (20) in Form einer absorbierenden Schicht angeordnet ist.

10. Rotatorische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei das Ge häuse (1) zylinderförmig ausgebildet ist und einen Flansch aufweist, an dem die Abtastteilungsstruktur (6, 60) angeordnet ist.

11. Rotatorische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Meßteilungsstruktur (9, 90) als Phasengitter mit alternierend angeord neten Stegen und Lücken (S_M, L_M) ausgebildet ist und für die Stegbreite b_SM entweder b_SM = 1/3 TP_M oder b_SM = 2/3 TP_M gilt, wobei TP_M die Tei lungsperiode des Phasengitters bezeichnet.

12. Rotatorische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 11, wobei für die Steghöhe der Meßteilungsstruktur die Beziehung h_SM(n-1) = λ/3 gilt und n den Brechungsindex des Stegmateriales bezeichnet, während λ die Wellenlänge der eingesetzten Lichtquelle angibt.

13. Rotatorische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 12, wobei die Abtastteilungsstruktur (6, 60) als Phasengitter mit alternierend angeord neten Stegen und Lücken (S_A, L_A) ausgebildet ist und die Stegbreite b_SA der Lückenbreite b_LA entspricht.

14. Rotatorische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 13, wobei für die Steghöhe h_SA der Abtastteilungsstruktur h_SA= λ/4 gilt und λ die Wellen länge der eingesetzten Lichtquelle angibt.

15. Rotatorische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ab tastbaueinheit (7) auf einer kreisförmigen Platine (8) angeordnet ist, die im Flansch des Gehäuses befestigt ist.

16. Rotatorische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ab tastteilungsstruktur auf einem Ausgleichskörper am Gehäuse angeord net ist, der wiederum verdrehsicher und radial mit dem verschiebbar mit dem Gehäuse verbunden ist.