DE3382706T2

DE3382706T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Relativwegmessung.

Info

Publication number: DE3382706T2
Application number: DE83109286T
Authority: DE
Inventors: Yasuo Kita
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1982-09-20
Filing date: 1983-09-19
Publication date: 1993-11-25
Anticipated expiration: 2003-09-20
Also published as: EP0111642A3; EP0111642A2; US4654524A; EP0111642B1; DE3382706D1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen einer Versetzung eines Bauteiles gegenüber einem anderen und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen einer sehr kleinen Rotationsversetzung eines drehbaren Bauteils oder einer sehr kleinen geraden Versetzung eines linear beweglichen Bauteils gegenüber einem feststehenden Bauteil
Die GB 946 772 zeigt einen elektrostatischen Kapazitätsresolver, der die Winkelposition einer drehbaren Welle in eine Wechselspannung umwandeln kann, deren Phase zum Berechnen der Winkelposition verwendet werden kann. Überdies wird ein Resolver der Gattung gezeigt, die zwei relativ zueinander drehbare Bauteile, das Antriebsbauteil und das Kopplungsbauteil aufweist, die beide aus einem nicht leitenden Material gefertigt sind und durch einen kleinen Luftspalt voneinander getrennt sind, wobei die einander gegenüberliegenden Oberflächen mit metallischen Angularbeschichtungen versehen sind, die zur Rotationsachse koaxial sind.
Darüberhinaus verwendet ein bekanntes Verfahren zum Messen eines sehr kleinen Drehwinkels eines drehbaren Körpers eine Vielzahl von Zahnrädern zur mechanischen Vergrößerung der Drehbewegung des drehbaren Körpers Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß die Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens einen komplizierten Aufbau hat und groß ist. Ein weiterer Nachteil ist, daß Spiel, Teilungsfehler oder Unrundheit der Vergrößerungszahnräder Fehler beim Meßergebnis verursachen.
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen eines sehr kleinen Drehwinkels eines drehbaren Körpers zu schaffen, die relativ einfach sind und eine genaue Messung ermöglichen.
Zum Messen einer sehr kleinen linearen Versetzung, wie einer durch eine mechanische Spannung verursachten Verformung, sind verschiedene Verfahren, wie das Moir - Verfahren oder das Laser-Interferenz-Verfahren, bekannt.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen einer sehr kleinen linearen Versetzung eines Objekts zu schaffen, die relativ einfach sind und eine genaue Messung ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Messen einer Versetzung eines Bauteiles gegenüber einem anderen geschaffen, bei dem ein erstes Bauteil mit einer Vielzahl von Elementen A geschaffen wird, die entlang eines vorbestimmten Weges einer Länge D angeordnet werden, die in n gleiche Teile geteilt wird, wobei n eine positive ganze Zahl ist und jedes der Elemente A sich an einem der Teilungspunkte der Länge D befindet, und ein zweites Bauteil mit einer Vielzahl von Elementen B geschaffen wird, die entlang eines vorbestimmten Weges von einer mit der Länge D identischen Länge angeordnet werden, die in n ± m gleiche Teile geteilt wird, wobei n eine positive ganz Zahl ist und m eine positive Zahl, die wesentlich kleiner als n ist, und jedes der Elemente B sich an einem der Teilungspunkte der Länge D befindet,
das erste und das zweite Bauteil so angeordnet werden, daß sie relativ zueinander bewegbar sind,
von jedem der zu einem der Bauteile gehörenden Elemente jeweils Signale erhalten werden, die in Abhängigkeit von der relativen Stellung des ersten und zweiten Bauteils verschiedene Amplitudenpegel aufweisen,
die Amplituden der Signale statistisch analysiert werden, um sie an eine gespeicherte Kurvenform eines Standards anzupassen und dadurch die wahrscheinlichste Phasenlage der Kurvenform zu bestimmen, wodurch die Stellung eines Bauteils relativ zu dem anderen repräsentiert ist,
die von der Relativbewegung des Bauteils herrührende Änderung hinsichtlich der Phasenlage der Kurvenform bestimmt wird, und davon ausgehend das Ausmaß der relativen Bewegung erfaßt wird.
Darüberhinaus wird eine Vorrichtung zum Messen einer Versetzung eines Bauteiles gegenüber einem anderen geschaffen, die
ein erstes Bauteil, das eine Vielzahl von Elementen A aufweist, die entlang eines vorbestimmten Weges einer Länge D angeordnet sind, die in n gleiche Teile geteilt ist, wobei n eine positive ganze Zahl ist, und jedes der Elemente A sich an einem der Teilungspunkte der Länge D befindet,
ein zweites Bauteil, das eine Vielzahl von Elementen B aufweist, die entlang eines vorbestimmten Weges von einer mit der Länge D identischen Länge angeordnet sind, die in n ± m gleiche Teile geteilt ist, wobei n eine positive ganze Zahl ist und m eine positive Zahl, die wesentlich kleiner als n ist, und jedes der Elemente B sich an einem der Teilungspunkte der Länge D befindet,
wobei das erste und das zweite Bauteil so angeordnet sind, daß sie relativ zueinander bewegbar sind, und in solch einer zusammenwirkenden Beziehung zueinander stehen, daß zu einem der Bauteile gehörende Elemente A oder B einzeln jeweils Signale erzeugen, die in Abhängigkeit von deren relativen Stellungen nacheinander verschiedene Amplitudenpegel aufweisen;
eine Vorrichtung, die die Amplituden der Signale statistisch analysiert, um sie an eine gespeicherte Kurvenform eines Standards anzupassen und dadurch die wahrscheinlichste Phasenlage der Kurvenform zu bestimmen, und
Vorrichtungen, die die Phasenänderung der Kurvenform erfassen, um dadurch das Ausmaß der relativen Bewegung zu messen, enthält.
Diese Erfindung soll unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlich beschrieben werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer drehbaren Scheibe und einer feststehenden Scheibe, die entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Messen eines Drehwinkels eines drehbaren Bauteils verwendet werden.
Fig. 2 ist ein Kurvenformdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Vorrichtung nach Fig. 1.
Fig. 3 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer linear beweglichen Platte und einer feststehenden Grundplatte, die entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Messen einer linearen Versetzung verwendet werden.
Fig. 4 ist ein Kurvenformdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Vorrichtung nach Fig. 3, und
Fig. 5 ist ein Kurvenformdiagramm, das ein Verfahren zeigt, mit dem die Position der größten Wahrscheinlichkeit der in Fig. 2 oder 4 gezeigten Kurve ermittelt wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Erfindungsgemäß werden zwei relativ zueinander bewegliche Bauteile geschaffen. Eines der beiden Bauteile ist mit einer ersten Gruppe von Elementen A versehen, die in regelmäßigen Abständen entlang einer vorbestimmten geraden oder kreisförmigen Länge oder Distanz D angeordnet sind, während das andere der beiden Bauteile mit einer zweiten Gruppe von Elementen B versehen ist, die in regelmäßigen Abständen entlang einer mit der vorgenannten Länge D identischen Länge oder Distanz angeordnet sind.
Die Länge D auf einem der beiden Bauteile ist durch n in gleiche Teile geteilt, und jedes der Elemente A befindet sich auf einem der Teilungspunkte oder an einer der Teilungspositionen der Länge D. Die Länge D auf dem anderen der beiden Bauteile ist durch n ± m in gleiche Teile geteilt, und jedes der Elemente B befindet sich auf einem der Teilungspunkte oder an einer der Teilungspositionen der Länge D. Hier ist n eine positive ganze Zahl, während in eine positive Zahl ist, die in genügendem Maße kleiner als n ist. Wenn die Länge D kreisförmig ist, ist m auch eine positive ganze Zahl. Wenn die Länge D gerade ist, kann in nicht nun eine positive ganze Zahl sein, sondern auch eine Bruch oder ein gemischter Bruch.
Die beiden Bauteile sind so angeordnet, daß sie relativ zueinander linear oder in Form einer Drehbewegung bewegbar sind und daß die Elemente A oder B über eine Wechselwirkung der Elemente A und B einen wechselnden Betrag an Informationen erzeugen.
Die von den Elementen A und B erzeugten Informationsbeträge werden gegen die in der linearen oder kreisförmigen Anordnung aufeinanderfolgenden Positionen der Elemente aufgetragen, wo daß eine periodische Kurve erhalten wird, deren Phase sich ändert, wenn die beiden Bauteile mit ihren jeweiligen Elementen A und B darauf linear oder durch eine Drehbewegung gegeneinander versetzt werden. Eine sehr kleine Versetzung von einem der beiden Bauteile relativ zu dem- anderen wird vergrößert, um eine große Veränderung hinsichtlich der Phase der periodischen Kurve zu erzeugen. Durch Messen der Phasenänderung ist es möglich, die relative Versetzung der beiden Bauteile zu messen, und durch statistische Verarbeitung der von den Elementen erhaltenen Informationsbeträge ist es möglich, bei der Messung einen sehr hohen Genauigkeitsgrad zu erreichen, ohne, daß das Anwenden komplizierter mechanischer Vorrichtungen nötig wäre.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

In Fig. 1 ist eine feststehende Grundplatte oder Scheibe 10 gezeigt, auf der viele, beispielsweise 998, Elemente A in Form von Photodetektoren 11&sub1; bis 11&sub9;&sub9;&sub8; äquidistant auf einem Kreis nahe des Kreisumfangs der Scheibe angeordnet sind. Der feststehenden Scheibe 10 gegenüber, mit einem kleinen Spalt dazwischen, liegt eine drehbare Platte oder Scheibe 20, auf der viele, beispielsweise 1000, Elemente B in Form von schmalen Öffnungen oder Schlitzen 21&sub1; bis 21&sub1;&sub0;&sub0;&sub0; äquidistant auf einem Kreis mit demselben Radius wie der, auf dem die Photodetektoren auf der feststehenden Scheibe 10 angeordnet sind, gebildet sind. Wie leicht einzusehen ist, ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 die zuvor genannte Zahl n 998, während die Zahl m 2 (zwei) ist.
In der folgenden Beschreibung werden die Photodetektoren und die Schlitze jeweils durch die Bezugszeichen 11 und 21 allein, ohne die Indizes, bezeichnet, außer diese werden für die Identifizierung von einzelnen Elementen benötigt.
Die Scheibe 10 wird mittels einer dafür geeigneten Vorrichtung unbeweglich gehalten, während die drehbare Scheibe 20 an einer drehbaren Welle 30 zur gleichzeitigen Drehung mit derselben befestigt ist.
Eine nicht gezeigte geeignete Lichtquelle, die oberhalb der drehbaren Scheibe 10 angebracht ist, wirft parallele Lichtstrahlen auf die Scheibe 20, so daß die Photodetektoren 11 auf der feststehenden Scheibe 10 das durch die Schlitze 21 gehende Licht empfangen und Ausgangssignale erzeugen, wie in Fig. 2 durch Punkte gezeigt ist, wobei die Ausgangssignale der Photodetektoren 11 bis 11&sub9;&sub9;&sub8; entlang der Ordinate und ihre innerhalb der kreisförmigen Anordnung aufeinanderfolgenden Positionen, die jeweils mit 1 bis 998 bezeichnet sind, entlang der Abszisse aufgetragen sind.
Wie leicht einzusehen ist, ist, falls einer der 1000 Schlitze 21 auf der drehbaren Scheibe 20, beispielsweise der Schlitz 21&sub1;, mit einem der 998 Photodetektoren 1 auf oder feststehenden Scheibe 10, beispielsweise dem Photodetektor 11&sub1; vertikal ausgerichtet ist, der 501. Schlitz 21&sub5;&sub0;&sub1;, der diametral gegenüber dem Schlitz 21&sub1; liegt, mit dem 500. Photodetektor 11&sub5;&sub0;&sub0;, der diametral gegenüber dem Photodetektor 11&sub1; liegt, vertikal ausgerichtet, so daß die beiden Photodetektoren 11&sub1; und 11&sub5;&sub0;&sub0; die ,maximale Menge an Licht empfangen, das durch die jeweiligen Schlitze 21&sub1; und 21&sub5;&sub0;&sub1; geht, während die verbleibenden Schlitze gegenüber den darunterliegenden Photodetektoren nacheinander um einen unterschiedlichen Abstand versetzt sind, so daß diese Photodetektoren nacheinander unterschiedliche Lichtmengen empfangen und Ausgangssignale von nacheinander unterschiedlichem Pegel erzeugen. Demzufolge bilden die Ausgangssignale der Photodetektoren 11 eine periodische Kurve W&sub1; mit zwei Perioden, die gemäß Fig. 2 zwei Maximalwerte P&sub1; und P&sub2; und zwei mit diesen abwechselnde Minimalwerte Q&sub1; und Q&sub2; aufweist.
Wenn die drehbare Scheibe 20 relativ zu der feststehenden Scheibe 10 um einen sehr kleinen Winkel gedreht wird, ändert sich die Lichtmenge, die von jedem der Photodetektoren 11 empfangen wird, so daß die Ausgangssignale der Photodetektoren 11 sich ändern, wie in Fig. 2 durch weiße Kreise angedeutet ist. Das bedeutet, daß die Phase der periodischen Kurve W&sub1; versetzt wird oder fortschreitet, wie durch eine gestrichelt gezeichnete Kurve W&sub2; gezeigt ist, die die weißen Kreise verbindet. Eine kleine Drehversetzung der drehbaren Scheibe 20 verursacht eine große Phasenänderung der periodischen Kurve, die von den durch die Photodetektoren 11 erzeugten Ausgangssignalen mit nacheinander unterschiedlichen Pegeln gebildet wird.
Da die Differenz zwischen der Anzahl der Schlitze 21 auf der drehbaren Scheibe 20 und der der Photodetektoren 11 auf der feststehenden Scheibe 10 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei ist (1000-998 = 2), schreitet, wenn die drehbare Scheibe 20 um einen Teilungsabstand innerhalb der kreisförmigen Anordnung der Schlitze 21 oder um einen Winkel R zwischen zwei benachbarten Schlitzen gedreht wird, die Phase der vorgenannten periodischen Kurve W&sub1; um 180 Grad fort. Da auf dem ganzen Kreisumfang der drehbaren Scheibe 1000 Schlitze in gleichen Winkelabständen angeordnet sind, beträgt der Winkel R 360º/1000. Deshalb ändert sich die Phase der vorgenannten Kurve, die durch die nacheinander unterschiedlichen, sich verändernden Ausgangssignale der Photodetektoren 11 gebildet wird, um ein 500-faches des Drehwinkels R der drehbaren Scheibe 20.
Durch statistische Verarbeitung der Ausgangssignale der Photodetektoren 11, wodurch der Wert der größten Wahrscheinlichkeit des Ausgangssignals eines jeden Photodetektors erhalten wird, ist es möglich, die Phase der vorgenannten, durch die Ausgangssignale der Photodetektoren gebildeten Kurve mit einer Genauigkeit in der Größenordnung eines Zehntels des Teilungsabstandes der Photodetektoren zu berechnen.
Für die vorgenannte statistische Verarbeitung und Berechnung können die Ausgangssignale der Photodetektoren 11 über eine geeignete Signalverarbeitungsschaltung SP einem elektronischen Computer CP zugeführt werden. Eine Anzeige-Einheit und/oder ein Registriergerät UN können zur Darstellung und/oder Aufzeichnung der durch den Computer bereitgestellten Daten vorhanden sein.
Fig. 5 zeigt ein Verfahren zum Ermitteln der Position der größten Wahrscheinlichkeit der vorgenannten periodischen Kurve. In Fig. 5 sind die Positionen einiger Photodetektoren 11 innerhalb der kreisförmigen Anordnung auf der feststehenden Scheibe 10 mit i-3, . . . , i, . . . , i+4 bezeichnet und entlang der Abszisse aufgetragen, und die Ausgangssignale der Photodetektoren sind entlang der Ordinate aufgetragen.
Das Muster der vorgenannten Kurve, das mit der höchsten Wahrscheinlichkeit auftritt, beispielsweise die durch eine strichpunktierte Linie in Fig. 5 gezeigte Kurvenform, wird im voraus ermittelt. Durch Anwenden des vorgenannten Musters auf eine periodische Kurve, deren Phase gemessen werden soll, ist es möglich, die Position der größten Wahrscheinlichkeit der Kurve zu erhalten. Beispielsweise ist es, selbst wenn die Kurve zwischen dem i-ten und dem (i+1)-ten Photodetektor eine Spitze hat, wobei i eine positive ganze Zahl ist, möglich, die Phase der durch die nacheinander unterschiedlichen Ausgangssignale der Photodetektoren gebildeten Kurve mit einer höheren Genauigkeit als ein Zehntel des Teilungsabstandes der Photodetektoren zu berechnen.
Selbst wenn die Position von einem der Photodetektoren, beispielsweise dem (i-2)-ten Photodetektor, auf Grund eines mechanischen Fehlers gegenüber seiner richtigen Position so versetzt ist, daß das Ausgangssignal des Photodetektors größer als sein richtiger Wert ist, wie bei p in Fig. 5 gezeigt ist, ist es möglich, den richtigen Wert abzuschätzen und dadurch einen durch den mechanischen Fehler bei der Anordnung der Photodetektoren verursachten Fehler bei dem berechneten Wert zu reduzieren.
Die Genauigkeit, mit der der Drehwinkel der drehbaren Scheibe 20 bestimmt werden kann, soll nun unter Bezugnahme auf konkrete Zahlenwerte erläutert werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel) bei dem 998 photodetektoren auf der feststehenden Scheibe 10 vorhanden sind und 1000 Schlitze auf der drehbaren Scheibe 20 gebildet sind, wird die Verschiebung der Phase der vorgenannten periodischen Kurve auf ein 500-faches des Drehwinkels der drehbaren Scheibe 20 vergrößert, und die Phase der Kurve wird durch die statistisch ermittelten Werte der größten Wahrscheinlichkeit der Ausgangssignale der 998 Photodetektoren bestimmt, so daß die Genauigkeit bei der Bestimmung höher als 360º/(998·10) ist. Deshalb kann der Drehwinkel der drehbaren Scheibe 20 relativ zu der feststehenden Scheibe 10 mit einer Genauigkeit, höher als 0,25'' bestimmt werden, was sich aus folgender Gleichung ergibt:
360º·60'·60''/500·998·10 0.25''
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird, da die Differenz zwischen der Zahl der Photodetektoren 11 und der der Schlitze 21 eine gerade Zahl (2) ist, der Fehler, der verursacht würde, wenn die drehbare Scheibe 20 in Bezug auf die feststehende Scheibe 10 exzentrisch wäre, wesentlich reduziert.
Die Basisscheibe 10 kann durch maschinelle Bearbeitung einer größeren kreisförmigen Platte und Anordnen einer Reihe von Photodioden oder Phototransistoren auf dem Umkreis der Platte gebildet werden. Durch Bildung einer kreisförmigen Anordnung von Photodioden auf einer Grundplatte mittels des Verfahrens der Halbleiterelementherstellung ist es möglich, die Basisscheibe 10 sehr klein und kompakt zu machen. Die drehbare Scheibe 20 kann durch Beschichten einer dünnen Glasplatte mit einem dünnen Abdeckfilm und Bildung einer kreisförmigen Anordnung von Schlitzen mittels Photoätzen gebildet werden.
In Fig. 3, die ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, wird eine feststehende Basisplatte 40 gezeigt, auf der viele, beispielsweise 249, Elemente A in Form von Photodetektoren 41&sub1; bis 41&sub2;&sub4;&sub9; äquidistant auf einer geraden Strecke oder Distanz D von beispielsweise 25 mm angeordnet sind. Der Grundplatte 40 gegenüber, mit einem kleinen Spalt dazwischen, liegt eine bewegbare Platte 50, auf der viele, beispielsweise 252, Elemente B in Form von schmalen Schlitzen 51&sub0;, 51&sub1;, . . . , 51&sub2;&sub5;&sub0;, 51&sub0;&sub0; äquidistant angeordnet sind. Außer dem ersten und dem letzten Schlitz- 51&sub0; und 51&sub0;&sub0;, die auf entgegengesetzten Seiten liegen, sind die anderen 250 Schlitze 51&sub1; bis 51&sub2;&sub5;&sub0; entlang der gleichen Strecke, wie die vorgenannte Strecke D auf der feststehenden Platte 40, das heißt entlang einer 25 mm langen Strecke, angeordnet. Es ist leicht einzusehen, daß bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 die im vorangehenden genannte Zahl n 248 und die Zahl m 1 (eins) ist.
Der Einfachheit der Beschreibung halber werden die Photodetektoren und Schlitze jeweils nur durch die Bezugszeichen 41 und 51, ohne die Indizes, bezeichnet, außer diese werden für die Identifizierung von einzelnen Elementen benötigt.
Die Grundplatte 40 wird unbeweglich gehalten, während die bewegbare Platte 50 an einem nicht gezeigten, linear bewegbaren Bauteil zur gleichzeitigen linearen Bewegung mit demselben befestigt ist.
Eine nicht gezeigte, geeignete Lichtquelle, die oberhalb der bewegbaren Platte 50 angebracht ist, wirft parallele Lichtstrahlen auf die Platte 50, so daß die Photodetektoren 41 auf der Grundplatte 40 das durch die Schlitze 51 hindurchgehende Licht empfangen und Ausgangssignale erzeugen, wie in Fig. 4 durch Punkte gezeigt ist, wobei, wie bei Fig. 2, die Ausgangssignale der Photodetektoren entlang der Ordinate und die Positionen der Photodetektoren entlang der Abszisse aufgetragen sind.
Wie leicht zu verstehen ist, empfangen, wenn die beiden Schlitze 51&sub1; und 51&sub2;&sub5;&sub0; innerhalb der geraden Anordnung von Schlitzen jeweils mit den Photodetektoren 41&sub1; und 41&sub2;&sub4;&sub9; an den entgegengesetzten Enden der geraden Anordnung von Photodetektoren vertikal ausgerichtet sind, die beiden Photodetektoren 41&sub1; und 41&sub2;&sub4;&sub9; die maximale Menge an Licht, das durch die jeweiligen Schlitze 51&sub1; und 51&sub2;&sub5;&sub0; hindurchgeht, während die verbleibenden Schlitze 51&sub2; bis 51&sub2;&sub4;&sub9; gegenüber den darunterliegenden Photodetektoren 41&sub2; bis 41&sub2;&sub4;&sub8; nacheinander um einen unterschiedlichen horizontalen Abstand versetzt sind, so daß diese Photodetektoren nacheinander verschiedene Lichtmengen empfangen und Ausgangssignale von nacheinander unterschiedlichem Pegel erzeugen. Demzufolge bilden die Ausgangssignale der Photodetektoren 51 eine periodische Kurve W&sub1; mit einer Periode, die gemäß Fig. 4 zwei Maximalwerte P&sub1;' und P2t' an entgegengesetzten Enden und einen Minimalwert Q&sub1;' in der Mitte hat.
Wenn die bewegbare Platte 50 um einen sehr kleinen horizontalen Abstand relativ und parallel zu der feststehenden Platte 40 bewegt wird, ändert sich die Lichtmenge, die von jedem der Photodetektoren 41 erhalten wird, so daß die Ausgangssignale der Photodetektoren 41 sich ändern, wie durch weiße Kreise angedeutet ist. Das bedeutet, daß die Phase der Kurve W&sub1; versetzt wird oder fortschreitet, wie in Fig. 4 durch eine gestrichelt gezeichnete Kurve W&sub2;' gezeigt ist, die die weißen Kreise verbindet. Eine kleine lineare Versetzung der bewegbaren Platte 50 verursacht eine große Phasenänderung der periodischen Kurve, die von den durch die Photodetektoren 41 erzeugten Ausgangssignalen mit nacheinander unterschiedlichen Pegeln gebildet wird.
Da die Differenz zwischen der Anzahl der Schlitze 51&sub1; bis 51&sub2;&sub5;&sub0; auf der bewegbaren Platte 50 und der der Photodetektoren 41&sub1; bis 41&sub2;&sub4;&sub9; auf der feststehenden Platte 40 innerhalb der gleichen Distanz D bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eins (1) ist, schreitet, wenn die bewegbare Platte 50 um einen Teilungsabstand der geraden Anordnung der Schlitze 51 oder um 0,1 mm bewegt wird, die Phase der vorgenannten periodischen Kurve W&sub1;' um eine Distanz, die einer Periodenlänge entspricht, das heißt um 25 mm, fort.
Durch statistische Verarbeitung der Ausgangssignale der Photodetektoren 41, wodurch die Position der größten Wahrscheinlichkeit des Ausgangssignals eines jeden Photodetektors erhalten wird, ist es möglich, die Phase der vorgenannten, durch die Ausgangssignale der Photodetektoren gebildeten Kurve mit einer Genauigkeit zu berechnen, die höher als ein Zehntel des Teilungsabstandes der Photodetektoren ist. Eine solche statistische Verarbeitung und Berechnung kann wie bei dem zuvor beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung mittels eines elektronischen Computers CP ausgeführt werden.
Die Position der größten Wahrscheinlichkeit der vorgenannten, durch die Ausgangssignale der Photodetektoren 41 gebildeten Kurve, kann durch das im wesentlichen gleiche Verfahren erhalten werden, wie es zuvor unter Bezugnahme auf Fig. 5 bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert wurde.
Es ist ebenfalls möglich, einen durch den mechanischen Fehler bei der Anordnung der Photodetektoren verursachten Fehler bei dem berechneten Wert der Phase auf dieselbe Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung zu reduzieren.
Die Genauigkeit, mit der die lineare Versetzung der bewegbaren Platte 50 bestimmt werden kann, soll nun unter Bezugnahme auf konkrete Zahlenwerte erläutert werden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem 249 Photodetektoren 41 entlang einer vorbestimmten Strecke D auf der feststehenden Platte 40 angeordnet sind und 250 Schlitze 51 entlang der gleichen Strecke D auf der beweglichen Platte 50, ist die Phasenverschiebung der vorgenannten periodischen Kurve auf ein 250-faches der linearen Versetzung der bewegbaren Platte 50 vergrößert, und die Phase der Kurve wird durch die statistisch ermittelten Werte der größten Wahrscheinlichkeit der Ausgangssignale der 249 Photodetektoren bestimmt, so daß die Genauigkeit bei der Bestimmung höher als 25 mm/(249·10) ist. Deshalb kann die lineare Versetzung der bewegbaren Platte 50 relativ zu der feststehenden Platte 40 mit einer Genauigkeit, höher als 0,04 um, bestimmt werden, wie sich aus der folgenden Berechnung ergibt:
25 mm/250·249·10 0.04 um
Die Grundplatte 40 kann eine Platte sein, die mit einer linearen Anordnung von. Photodioden versehen ist, welche mittels des Verfahrens der Halbleiterelementherstellung gebildet ist. Die bewegbare Platte 50 kann durch Beschichten einer dünnen Glasplatte mit einem dünnen Abdeckfilm und Bildung einer geraden Anordnung von Schlitzen mittels Photoätzen gebildet werden.
Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen der Erfindung sind die auf der feststehenden Platte 40 oder der feststehenden Seheibe 10 angeordneten Elemente A Photodetektoren, und die Elemente B auf der linear bewegbaren Platte 50 oder der drehbaren Scheibe 20 sind schmale Schlitze. Die Elemente A und B können durch irgendwelche anderen geeigneten Elemente, die miteinander wechselwirken ersetzt werden. Beispielsweise können die Elemente A und B Elektroden sein, deren elektrostatische Kapazität gemessen wird. Die Elemente A können auch magnetische Detektoren, wie Hall-Elemente sein, während die Elemente B magnetische Nord- oder Südpole sein können.
Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Differenz m zwischen der Zahl n + m der Schlitze und der Zahl n der Photodetektoren, die auf der gleichen Länge D vorhanden sind, nach Fig. 3 eins (1) oder nach Fig. 1 zwei (2). Die Differenz m kann auch drei (3) oder größer als drei sein. Durch Wählen der Differenz ist es möglich, die Vergrößerung bei der Messung zu verändern.
Wenn die Strecke D kreisförmig ist, wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1, ist die Zahl m eine positive ganze Zahl. Wenn die Strecke D gerade ist, wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3, ist die Zahl m nicht nur eine ganze Zahl, sondern kann auch ein Bruch oder ein gemischter Bruch sein. In jedem Fall ist die Zahl n eine positive ganze Zahl.
Das Meßgerät kann erfindungsgemäß, da keine mechanische Vergrößerung der linearen Bewegung oder der Drehbewegung des linear bewegbaren oder drehbaren Bauteils nötig ist, einfach aufgebaut und kompakt sein. Das Gerät ist frei von mechanischen Fehlern, die beispielsweise durch Spiel von Zahnrädern oder Spiel zwischen verbundenen Bauteilen verursacht werden, so daß eine genaue und präzise Messung einer linearen Versetzung oder einer Drehversetzung sichergestellt ist.
Falls beide feststehenden Bauteile 10 oder 40 und das drehbare Bauteil 20 oder das linear bewegbare Bauteil 50 aus einem Material hergestellt sind, das denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, wird eine thermische Ausdehnung von einem der beiden Bauteile durch eine entsprechende thermische Ausdehnung des anderen Bauteils ausgeglichen, so daß die Fehler, die ansonsten bei den Meßergebnissen durch eine Temperaturänderung verursacht würden, im wesentlichen beseitigt werden können und dadurch die Genauigkeit der Messung verbessert werden kann.
Erfindungsgemäß ist es, da die von den Elementen, wie beispielsweise den Photodetektoren, bereitgestellten, nacheinander verschiedenen Informationsbeträge, beispielsweise unter Verwendung einer Regressionslinie statistisch verarbeitet werden, möglich, Fehler zu kompensieren, die durch ungenaue Anordnung der mechanischen Positionen der Elemente und/oder Unterschieden bei der Empfindlichkeit der einzelnen Elemente verursacht werden.

Claims

1. Verfahren zum Messen einer Versetzung eines Bauteiles gegenüber einem anderen, bei dem

ein erstes Bauteil (10; 40) mit einer Vielzahl von Elementen A (11; 41) geschaffen wird, die entlang eines vorbestimmten Weges einer Länge D angeordnet werden, die in n gleiche Teile geteilt wird, wobei n eine positive ganze Zahl ist und jedes der Elemente A sich an einem der Teilungspunkte der Länge D befindet, und ein zweites Bauteil (20; 50) mit einer Vielzahl von Elementen B (21; 51) geschaffen wird, die entlang eines vorbestimmten Weges von einer mit der Länge D identischen Länge angeordnet werden, die in n ± m gleiche Teile geteilt wird, wobei n eine positive ganze Zahl ist und m eine positive Zahl, die wesentlich kleiner als n ist, und jedes der Elemente B sich an einem der Teilungspunkte der Länge D befindet;

das erste und das zweite Bauteil (10, 20; 40, 50) so angeordnet werden, daß sie relativ zueinander bewegbar sind;

von jedem der zu einem der Bauteile gehörenden Elemente jeweils Signale erhalten werden, die in Abhängigkeit von der relativen Stellung des ersten und zweiten Bauteils verschiedene Amplitudenpegel aufweisen;

die Amplituden der Signale statistisch analysiert werden, um sie an eine gespeicherte Kurvenform eines Standards anzupassen und dadurch die wahrscheinlichste Phasenlage der Kurvenform zu bestimmen, wodurch die Stellung eines Bauteils relativ zu dem anderen repräsentiert ist;

die von der Relativbewegung des Bauteils herrührende Änderung hinsichtlich der Phasenlage der Kurvenform bestimmt wird, und davon ausgehend das Ausmaß der relativen Bewegung erfaßt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die als Bezug dienende Kurvenform von den physikalischen und geometrischen Daten der Elemente A und B und deren Anordnung abhängt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die als Bezug dienende Kurvenform durch statistisches Verarbeiten der nacheinander verschiedene Pegel aufweisenden Signale der Elemente A oder B erhalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zum ersten oder zum zweiten Bauteil (10, 20; 40, 50) gehörenden Elemente magnetische Detektoren und die zu dem jeweils anderen Bauteil (10, 20; 40, 50) gehörenden Elemente Magnetpole sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Elemente A (11; 41) Photodetektoren und die Elemente B (21; 51) schmale Schlitze sind.

6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Elemente A und B (11, 21; 41, 51) Elektroden sind und zusätzlich eine elektrostatische Kapazität zwischen den Elektroden gemessen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Bauteil eine feststehende Scheibe (10) ist, auf der die Elemente A (11) in gleichen Winkelabständen auf einem Kreis angeordnet sind, und das zweite Bauteil eine koaxial zu der feststehenden Scheibe angeordnete drehbare Scheibe (20) ist, auf der die Elemente B (21) in gleichen Winkelabständen auf einem Kreis angeordnet sind, der den gleichen Radius wie der Kreis auf der feststehenden Scheibe hat.

8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Bauteil eine feststehende Platte (40) ist, auf der die Elemente A (41) entlang einer geraden Strecke äquidistant angeordnet sind, und das zweite Bauteil eine Platte (50) ist, die mit einem Zwischenraum im wesentlichen parallel zu der feststehenden Platte angeordnet und relativ zu der feststehenden Platte linear bewegbar ist, und auf der die Elemente B (51) entlang der gleichen geraden Strecke, wie vorstehend genannte gerade Strecke, äquidistant angeordnet sind.

9. Vorrichtung zum Messen einer Versetzung eines Bauteiles gegenüber einem anderen mit:

einem ersten Bauteil (10; 40), das eine Vielzahl von Elementen A (11; 41) aufweist, die entlang eines vorbestimmten Weges einer Länge D angeordnet sind, die in n gleiche Teile geteilt ist, wobei n eine positive ganze Zahl ist, und jedes der Elemente A sich an einem der Teilungspunkte der Länge D befindet;

einem zweiten Bauteil (20; 50), das eine Vielzahl von Elementen B (21; 51) aufweist, die entlang eines vorbestimmten Weges von einer mit der Länge D identischen Länge angeordnet sind, die in n + in gleiche Teil-e geteilt ist, wobei n eine positive ganze Zahl ist und m eine positive Zahl, die wesentlich kleiner als n ist, und

jedes der Elemente B sich an einem der Teilungspunkte der Länge D befindet;

wobei das erste und das zweite Bauteil (10, 20; 40, 50) so angeordnet sind, daß sie relativ zueinander bewegbar sind, und in solch einer zusammenwirkenden Beziehung zueinander stehen, daß zu einem der Bauteile gehörende Elemente A oder B einzeln jeweils Signale erzeugen, die in Abhängigkeit von deren relativen Stellungen nacheinander verschiedene Amplitudenpegel aufweisen;

einer Vorrichtung (CP), die die Amplituden der Signale statistisch analysiert, um sie an eine gespeicherte Kurvenform eines Standards anzupassen und dadurch die wahrscheinlichste Phasenlage der Kurvenform zu bestimmen; und

Vorrichtungen (SP, CP) die die Phasenänderung der Kurvenform (W&sub1;, W&sub2;; W&sub1;', W&sub2;') erfassen, um dadurch das Ausmaß der relativen Bewegung zu messen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Elemente A (11; 41) Photodetektoren und die Elemente B (21; 51) schmale Schlitze sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Elemente A und B (11, 21; 41, 51) Elektroden sind, zwischen denen die elektrostatische Kapazität gemessen wird.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die zum ersten oder zum zweiten Bauteil (10, 20; 40, 50) gehörenden Elemente magnetische Detektoren sind und die zu dem jeweils anderen Bauteil (10, 20; 40, 50) gehörenden Elemente Magnetpole.

13. Vorrichtung. nach Anspruch 9, wobei das erste Bauteil eine feststehende Scheibe (10) ist, auf dem die Elemente A (11) in gleichen Winkelabständen auf einem Kreis angeordnet sind, und das zweite Bauteil eine koaxial zu der feststehenden Scheibe angeordnete drehbare Scheibe (20) ist, auf der die Elemente B (21) in gleichen Winkelabständen auf einem Kreis angeordnet sind, der den gleichen Radius wie der Kreis auf der feststehenden Scheibe hat.

14. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das erste Bauteil eine feststehende Platte (40) ist, auf der die Elemente A (41) entlang einer geraden Strecke äquidistant angeordnet sind, und das zweite Bauteil eine Platte (50) ist, die mit einem Zwischenraum im wesentlichen parallel zu der feststehenden Platte angeordnet und relativ zu der feststehenden Platte linear bewegbar ist, und auf der die Elemente B (51) entlang der gleichen geraden Strecke, wie vorstehend genannte gerade Strecke, äquidistant angeordnet sind.