DE29624420U1

DE29624420U1 - Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE29624420U1
Application number: DE29624420U
Authority: DE
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1996-04-26
Filing date: 1996-04-26
Publication date: 2003-05-15
Anticipated expiration: 2006-04-27

Description

Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung

Die Erfindung betrifft eine lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige Meßeinrichtungen werden zur inkrementalen oder absoluten Positionsbestimmung bei Bearbeitungsmaschinen sowie bei Koordinatenmeßmaschinen eingesetzt.

Bei lichtelektrischen Positionsmeßeinrichtungen wird ein Maßstab berührungslos mittels einer Lichtquelle und Photodetektoren abgetastet. Die dabei erzeugten elektrischen Signale sind relativ klein und daher störempfindlich.

In der US-PS 5,030,825 ist eine Winkelmeßeinrichtung beschrieben, bei der zur Abtastung eines Maßstabes mehrere Photodetektoren vorgesehen sind. Zwischen dem Maßstab und den Photodetektoren ist eine Abtastplatte angeordnet. Diese Abtastplatte ist aus einem elektrisch leitenden Material gefertigt und am Bezugspotential (Erde) angeschlossen; sie soll dadurch eine Abschirmung der Photodetektoren gegen elektromagnetische Störfelder bewirken.

Diese Maßnahme hat den Nachteil, daß die Abtastplatte nicht aus transparentem Material hergestellt werden kann, auf die durch bekannte Methoden sehr fein strukturierte Abtast-Markierungen aufgebracht werden können. Weiterhin hat sich gezeigt, daß auch durch den Maßstab Störsignale erzeugt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer lichtelektrischen Positionsmeßeinrichtung die Störsicherheit zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
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Die Vorteile der Erfindung liegen darin, daß die positionsabhängigen Abtastsignale nicht von statischen Aufladungen des Maßstabes beeinflußt werden.

Mit Hilfe von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt

Figur 1 eine lichtelektrische inkrementale Längenmeßein

richtung mit einem ersten Maßstab im Teilschnitt,

Figur 2 eine Draufsicht des ersten Maßstabes,

Figur 3 eine Draufsicht eines zweiten Maßstabes,

Figur 4 eine Draufsicht eines dritten Maßstabes und

Figur 5 eine Draufsicht eines vierten Maßstabes.

Die Figur 1 zeigt eine lichtelektrische inkrementale Längenmeßeinrichtung bestehend aus den beiden in Meßrichtung X relativ zueinander verschiebbaren Hauptkomponenten Gehäuse 1 und Mitnehmer 2. Das Gehäuse 1 ist an einem ersten Maschinenteil 3 und der Mitnehmer 2 an einem zweiten Maschinenteil 4 befestigt. Das Gehäuse 1 ist aus Metall, in der Regel aus Aluminium und somit elektrisch leitend. Innerhalb des Gehäuses 1 ist ein Maßstab 5 aus Glas befestigt. Die Befestigung erfolgt an einer Fläche des Gehäuses 1 mittels einer elastischen Klebstoffschicht 6. Diese Klebstoffschicht

6 ist elektrisch isolierend. Durch die elastische Klebstoffschicht 6 kann sich der Maßstab 5 bei Temperaturänderungen unabhängig vom Gehäuse 1 frei ausdehnen. Es werden keine Zwangskräfte auf den Maßstab 5 übertragen. Auf dem transparenten Maßstab 5 ist eine Inkrementalteilung 7 aus lichtundurchlässigen Chrom-Markierungen 8 aufgebracht. Diese Inkrementalteilung

7 wird von einer am Mitnehmer 2 befestigten Abtasteinrichtung 9 abgetastet. Diese umfaßt eine Lichtquelle 10 sowie mehrere Photodetektoren 11. Das Licht der Lichtquelle 10 fällt durch die transparenten Bereiche der Teilung 7 und gelangt auf die Photodetektoren 11, wodurch periodische analoge elektrische Abtastsignale erzeugt werden, die in bekannter Weise einer Auswerteeinheit zur Bildung von zählbaren Rechtecksignalen zugeführt werden. Die Abtasteinrichtung 9 stützt sich über Kugellager 12 auf der die Teilung 7 tragenden Oberfläche des Maßstabes 5 federnd ab.

Durch äußere elektrische Felder sowie durch das Abrollen und Gleiten der Kugellager 12 kann sich die Oberfläche des Maßstabes 5 elektrisch aufladen, wodurch ein Potentialunterschied dieser Oberfläche und anderen elektrisch leitenden Teilen der Längenmeßeinrichtung entsteht, der zu einer impulsartigen Entladung führen kann. Diese Entladungen werden den elektrischen Abtastsignalen überlagert, was bei inkrementalen Meßsystemen zu Zählimpulsen und somit zu Zählfehlern oder zu anderen, die Auswerteeinheit störenden Signalen führt.

Um diese elektrischen Aufladungen von der Oberfläche des Maßstabes 5 über die gesamte Länge des Maßstabes 5 abzuführen, ist bei diesem ersten Ausführungsbeispiel eine Schicht 13 aus Chrom auf der Maßstab-Oberfläehe aufgebracht, welche die Markierungen 8 der inkrementalen Teilung 7 elektrisch miteinander verbindet. Diese elektrisch leitende Schicht 13 ist an

einem Maßstabende mit dem Gehäuse 1 elektrisch leitend verbunden. Hierzu ist ein Blechteil 14 vorgesehen, das mit der Schicht 13 durch Klemmung am Maßstab 7 oder durch Kleben mit elektrisch leitendem Klebstoff am Maßstab 7 sowie am Gehäuse 1 befestigt ist. Dieses Blechteil 14 stellt die elektrische Verbindung der Schicht 13 mit einem Bezugspotential 15 her, da das elektrisch leitende Gehäuse 1 am ersten Maschinenteil 3 elektrisch leitend befestigt ist und das erste Maschinenteil 3 wiederum an das Bezugspotential (Erde, Masse) 15 angeschlossen ist. Um eine gute elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Maßstab 5 und dem Gehäuse 1 aus AIuminium herzustellen, ist es erforderlich, das Blechteil 14 an einem nicht eloxierten Bereich mit dem Gehäuse 1 in Kontakt zu bringen.

Um eine elektrische Aufladung der Kugellager 12 zu vermeiden, sind im dargestellten Beispiel auch die Kugellager 12 über den elektrisch leitenden Mitnehmer 2 und dem zweiten Maschinenteil 4 mit dem Bezugspotential 15 verbunden. Die Kugellager 12 rollen außerhalb der Schicht 13 ab, um eine Zerstörung der Schicht 13 durch Abrieb zu verhindern.

Figur 2 zeigt eine Draufsicht des Maßstabes 5 der Längenmeßeinrichtung gemäß Figur 1. Die Markierungen 8 sowie die verbindende Schicht 13 wurde in einem gemeinsamen Beschichtungsverfahren auf die Oberfläche aufgebracht. Bei diesem, sowie bei den nachfolgend beschriebenen Beispielen werden die Markierungen 8 im Durchlichtverfahren abgetastet. Wenn die Markierungen 8 reflektierend ausgebildet sind, ist auch eine Auflicht-Abtastung möglich. Desweiteren kann die verbindende Schicht 13 auch ein aufgewalzter oder anderweitig mit der Maßstaboberfläche innig in Kontakt gebrachter Metallstreifen sein. Ist diese Schicht 13 oder der Streifen hart genug, können auch die Kugellager 12 darauf abrollen. Die elektrische Verbindung zwischen dem Blechteil 14 und dem Bezugspotential 15 ist nur schematisch dargestellt.

Bei allen Figuren 1 bis 5 werden gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Gemäß Figur 3 sind in der über die gesamte Meßlänge reichenden Schicht 13 die Referenzmarken 16 als transparente Fenster eingebracht. Mit einem

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einzigen Lithographie- und Beschichtungsprozeß lassen sich somit die Markierungen 8, die Referenzmarken 16 sowie die verbindende elektrisch leitende Schicht 13 herstellen.

Die Schicht 13 gemäß Figur 4 ist großflächig über die gesamte Oberfläche des Maßstabes 5 aufgebracht und leitet somit die elektrische Ladung besonders gut zu dem Blechteil 14 und somit zu dem Bezugspotential 15 ab.

Bei dem Beispiel nach Figur 5 sind in der Schicht 13 zwei Spuren 17 frei gelassen, auf denen die Kugellager 12 abrollen können. Um die elektrische Ladung auch von den Spuren 17 ableiten zu können, sind die Spuren 17 möglichst schmal.

In nicht gezeigter Weise kann anstelle einer Metallschicht 13 auch eine elektrisch leitende transparente Schicht auf den Maßstab 5 aufgebracht werden. Dies hat den Vorteil, daß diese Schicht die Markierungen 8 optisch nicht stört und somit großflächig auch unter oder über die Markierungen 8 aufgebracht - insbesondere aufgedampft - werden kann.

Die Erfindung ist besonders vorteilhaft bei den dargestellten elektrisch nicht leitenden Maßstäben 5 einsetzbar. Besteht der Maßstab aus elektrisch leitendem Material und ist dieser Maßstab elektrisch isolierend an einem Trägerkörper - z.B. einem Gehäuse - befestigt, kann auch hier die Erfindung vorteilhaft eingesetzt werden, indem der Maßstab mit dem Bezugspotential elektrisch leitend verbunden wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die elektrisch leitende Verbindung 14 zwischen dem Maßstab 5 und einem relativ dazu stationären Teil 1 hergestellt wird. Diese Verbindung 14 kann besonders stabil, elektrisch gut leitend und daher sicher realisiert werden. Die Verbindung kann aber auch zwischen dem Maßstab 5 und der Abtasteinrichtung 9 bzw. dem Mitnehmer 2 erfolgen, indem ein federnder Schleifkontakt am Mitnehmer 2 befestigt ist, welcher an einem Ende mit dem Bezugspotential 15 verbunden ist und mit dem anderen Ende mit der Oberfläche des Maßstabes 5 in elektrischem Kontakt steht, insbesondere auf den in den Figuren 1 bis 5 dargestellten Schichten 13 schleift.

Anstelle des Blechteiles 14 kann auch ein anderes elektrisch leitendes Verbindungselement eingesetzt werden.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen inkrementalen Meßsysteme beschränkt, sondern auch bei absoluten Positionsmeßsystemen einsetzbar.

Claims

1. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung mit einem Maßstab (5), welcher über elektrisch isolierende Mittel (6) an einem Trägerkörper (1) befestigt ist und Markierungen (8) aufweist, welche von einer in Meßrichtung X relativ dazu bewegbaren Abtasteinrichtung (9) lichtelektrisch abtastbar sind, um positionsabhängige Abtastsignale zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisch leitendes Verbindungselement (14) zwischen dem Maßstab (5) und einem Bezugspotential (15) vorgesehen ist.

2. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Maßstab (5) aus elektrisch nicht leitendem Material besteht, von dem eine Oberfläche über den gesamten Meßbereich ununterbrochen mit einem elektrisch leitenden Material (13) in elektrischen Kontakt steht, und daß dieses elektrisch leitende Material (13) mit dem Bezugspotential (15) elektrisch leitend verbunden ist.

3. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Material eine elektrische Schicht (13) insbesondere eine Metallschicht ist.

4. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtelektrisch abtastbaren Markierungen (8) eine Folge von in Meßrichtung X voneinander beabstandeten und hintereinander angeordneten elektrisch leitenden Bereichen einer Schicht (13) sind, und daß diese Bereiche (8) über den gesamten Meßbereich miteinander sowie mit dem Bezugspotential (15) elektrisch leitend verbunden sind.

5. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Abtasteinrichtung (9) über Gleit- oder Rollelemente (12) auf einem Oberflächenbereich des Maßstabes (5) abstützt, und daß dieser Oberflächenbereich oder zumindest ein nahe daneben angeordneter Oberflächenbereich des Maßstabes (5) mit einer elektrisch leitenden Schicht (13) versehen ist, die über das elektrisch leitende Verbindungselement (14) mit dem Bezugspotential (15) elektrisch leitend verbunden ist.

6. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitende Schicht eine transparente Schicht ist.

7. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Maßstab (5) aus Glas oder Glaskeramik besteht, der über eine elektrisch isolierende Schicht (6) an einem Trägerkörper (1) befestigt ist.

8. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Maßstab aus elektrisch leitendem Material besteht, der über eine elektrisch isolierende Schicht an einem Trägerkörper befestigt ist.

9. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch isolierende Schicht eine elastische Klebstoffschicht (6) ist.

10. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Verbindungselement (14) zwischen dem Maßstab (5) und dem elektrisch leitenden Trägerkörper (1) angeordnet ist, und daß der elektrisch leitende Trägerkörper (1) mit dem Bezugspotential (15) elektrisch leitend verbunden ist.

11. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper das Gehäuse (1) des Maßstabes (5) ist.

12. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Verbindungselement ein Blechteil (14) ist, das mit einer Fläche an der elektrisch leitenden Oberfläche des Maßstabes (5) und mit einer weiteren Fläche an dem Trägerkörper (1) elektrisch leitend befestigt ist.

13. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung mittels elektrisch leitfähigem Klebstoff oder durch Klemmung erfolgt.

14. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Verbindungselement zwischen dem Maßstab und einem Mitnehmer angeordnet ist, wobei am Mitnehmer die Abtasteinrichtung befestigt ist und der Mitnehmer elektrisch leitend mit dem Bezugspotential in Kontakt steht.

15. Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrisch leitende Verbindungselement ein Schleif- oder Bürstenkontakt ist, welcher an der Abtasteinrichtung oder an dem Mitnehmer befestigt ist und während der Abtastung entlang des Meßbereiches mit der elektrisch leitenden Schicht des elektrisch nicht leitenden Maßstabes oder mit einer Oberfläche des elektrisch leitenden Maßstabes in Kontakt steht.