DE3640413A1

DE3640413A1 - Messanordnung

Info

Publication number: DE3640413A1
Application number: DE19863640413
Authority: DE
Inventors: Norio Kimizuka; Mituyosi Abo
Original assignee: Futaba Corp
Current assignee: Sumtak Corp
Priority date: 1985-12-04
Filing date: 1986-11-26
Publication date: 1987-06-11
Anticipated expiration: 2006-11-27
Also published as: JPS62132104A; US4785181A; DE3640413C2; JPH0518364B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßanordnung zum Messen einer Relativbewegung zwischen zwei Objekten und insbesondere auf eine derartige Meßanordnung, die geeignet ist, eine verbesserte Auflösung zu erreichen.

Bei einer Werkzeugmaschine oder ähnlichem ist eine genaue Messung der Relativbewegung eines Werkzeugs zu einem Werkstück, das ein zu bearbeitendes Objekt dargestellt, von höchster Wichtigkeit für die Präzisionsbearbeitung des Werkstücks. In entsprechender Weise ist bei einem industriellen Aufzeichnungsgerät oder ähnlichem eine genaue Messung der Relativbewegung zwischen dem Aufzeichnungsmedium und einem Aufzeichnungskopf erforderlich, um die Bewegung des Aufzeichnungskopfs relativ zu einem Aufzeichnungsmedium in Abhängigkeit von einem Eingangssignal genau zu steuern.

Um eine derartige Forderung zu erfüllen, wurden verschiedene Systeme für die Messung der Bewegung zwischen zwei Objekten, die relativ zueinander bewegt werden, vorgeschlagen und in die Praxis umgesetzt.

Ein derartiges System, das vorgeschlagen wurde, ist eine Meßanordnung, die ein durch die Überlagerung von zwei optischen Rastern gebildetes Moir´muster benutzt. Im einzelnen ist die Meßanordnung, wie in Fig. 7 gezeigt, derart ausgebildet, daß eine Hauptskala 101, die ein optisches Raster 102 mit durchlässigen und undurchlässigen Teilen enthält, die wechselweise mit einer vorgegebenen Teilung angeordnet sind, und eine Indexskala 103, die mit einem optitschen Raster 104 derselben Teilung versehen ist, einander gegenüberliegend derart angeordnet werden, daß ein sehr kleiner Zwischenraum dazwischen auftritt, und die beiden optischen Raster sind gegeneinander mit einem sehr kleinen Winkel verdreht. Die Meßanordnung enthält auch eine Lichtquelle 105, die auf der einen Seiten angeordnet ist, und eine Photozelle 106, die an der anderen Seite derart angeordnet ist, daß sich die beiden Skalen 101 und 103 dazwischen befinden. Das von der Lichtquelle 105 durch beide Skalen 101 und 103 hindurchdringende Licht bildet ein Moir´muster, das dann durch die Photozelle 106 erkannt wird.

Bei der oben beschriebenen Meßanordnung bewirkt eine Relativbewegung zwischen den beiden Skalen 101 und 103, daß sich das Moir´muster selbst ebenfalls bewegt. Auch verändert sich die Bewegungsrichtung des Moir´musters in Abhängigkeit von der Richtung der Realtivbewegung zwischen den beiden Skalen 101 und 103. Die Anordnung verwendet ein derartiges Phänomen, um dessen Moir´muster an Stellen auszulesen, die gegeneinander hinsichtlich der Phase um 90° versetzt sind, um die Richtung und den Betrag der Bewegung des Moir´musters zu zählen, um dadurch die Relativbewegung zwischen den beiden Skalen 101 und 103 zu erkennen. Zwei Signale, die infolge des Auslesens erhalten werden, werden als "A-Phasen-Signal" bzw. "B-Phasen-Signal" bezeichnet. Im einzelnen werden, wie es in Fig. 8 gezeigt ist, das A- Phasen-Signal und das B-Phasen-Signal, die von der Photozelle 106 erzeugt werden, Verstärkern 107 A und 107 B zugeführt und dann Wellenformungskreisen 108 A bzw. 108 B zugeführt. Dann werden die Signale einem Richtungserkennungskreis 109 zugeführt, der dann die Bewegungsrichtung des Moir´musters erkennt und entweder Aufwärtszählimpulse UP erzeugt, wenn das Moir´muster nach rechts bewegt wird, oder Abwärtszählimpulse DOWN erzeugt, wenn es nach links bewegt wird. Die auf diese Weise erzeugten Impulse UP oder DOWN werden in einem Zähler 110 gezählt.

Ein anderes herkömmliches Meßsystem enthält ein System, das magnetische Raster und ein System vom elektrischen Induktionstyp und ähnliches benutzt.

Eine Verbesserung der Auflösung bei der oben beschriebenen Meßanordnung, die optische Skalen benutzt, wird im allgemeinen dadurch erreicht, daß die Teilung jedes der beiden optischen Raster 102 und 104 verkleinert wird.

Jedoch hat die Verkleinerung der Teilung ihre Grenze. Beispielsweise begrenzen sogar Photoätztechniken die Verkleinerung bis auf wenige Mikrons.

Im Hinblick auf das Vorangegangene wurde eine Erhöhung der Auflösung einer derartigen Meßanordnung entsprechend einem sogenannten Interpolationsverfahren durchgeführt, das eine Addition oder eine Subtraktion des A-Phasen-Signals und des B-Phasen-Signals durchführt, um ein Mehrfachphasensignal zu erhalten. Das Interpolationsverfahren teilt die Teilung des Moir´musters in acht oder sechzehn Teile, um die Auflösung zu verbessern.

Jedoch teilt das Interpolationsverfahren grundsätzlich einen Spannungspegel sowohl des A- als auch des B-Phasen- Signals bei jeder Phase, so daß die Anzahl der Teilungen einer Beschränkung unterworfen ist. Insbesondere ist es im wesentlichen nicht möglich, einen Pegel sowohl des A- als auch des B-Phasen-Signals mit einem Scheitelwert von etwa 1 bis 2 Volt für die Erkennung in beispielsweise 100 Teile zu teilen.

Neuerdings ist es wünschenswert, verschiedene Arten von industriellen Maschinen mit einer genügenden Meßmöglichkeit zu versehen, so daß sie eine größere Genauigkeit erreichen können. Beispielsweise wurde gefordert, daß eine Meßanordnung in derartige Maschinen installiert werden soll, die die Fähigkeit hat, eine Auflösung von mindestens 0,1 µm zu erreichen oder ein Aufwärtszähl- oder einen Abwärtszählimpuls zu erzeugen, wenn die relative Bewegung zwischen den beiden Skalen 101 und 103 mit einer Entfernung von 0,1 µm ausgeführt wird. Unglücklicherweise ist ein Verfahren zum Reduzieren oder zum Verkleinern der Teilung eines optischen Rasters und ein obenbeschriebenes elektrisches Interpolationsverfahren nicht in der Lage, eine Skala zur Verfügung zu stellen, die in der Praxis derartige Forderungen erfüllt.

Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung anzugeben, die in der Lage ist, eine erhöhte Auflösung durch Erkennung eines Moir´musters zu erreichen, das durch zwei Skalen als A- und B-Phasen-Signale erzeugt wird, die eine gegenseitige Phasendifferenz von 90° aufweisen, und durch Umsetzen sowohl des A- als auch des B-Phasen-Signals in ein frequenzmoduliertes Signal mittels eines Trägers mit einer vorgegebenen Periodendauer, um die Abweichung einer Phase, die mit der Relativbewegung zwischen den Skalen verändert wird, digital auszulesen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei der Meßanordnung der eingangs genannten Art durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei der vorliegenden Erfindung ist eine Meßanordnung vorgesehen, die einen Bezugstaktgenerator enthält, der eine Frequenz aufweist, die wesentlich größer ist als die der A- und B-Phasen-Signale, einen Modulations- und Additionskreis enthält zum Modulieren eines Ausgangssignals des Bezugstaktgenerators oder eines Signals, das durch Teilung des Ausgangssignals erhalten wird, als ein Träger durch sowohl das A- als auch das B-Phasen-Signal, und zum Durchführen einer Addition des Ausgangssignals, einen Zählerteil enthält zum Entfernen der höherharmonischen Komponenten aus dem modulierten Signal, um einen Wellenformung des Signals durchzuführen und zum Zählen der Anzahl der Bezugstakte, die in einer Periodendauer des geformten Signals enthalten sind, und einen Vergleicher enthält zum Vergleichen eines Zählergebnisses des Zählerteils mit der Anzahl der Bezugstakte, die beim Anhalten der beiden Skalen erreicht werden, um die Richtung und die Entfernung der Relativbewegung zwischen den beiden Skalen zu erhalten.

Wenn eine Teilung eines Moir´musters, das erzeugt wird, wenn die beiden Skalen, die jeweils mit einem optischen Raster einer gleichen Teilung erzeugt werden, sich einander in einem sehr kleinen Winkel gegenüberliegen, mit P bezeichnet wird und die Relativbewegung (die im nachfolgenden auch als "Abweichung" bezeichnet wird) zwischen den beiden Skalen mit x bezeichnet wird, werden die A- und B-Phasen- Signale, die jeweils eine Amplitude e ₀ haben, folgendermaßen dargestellt:

A = e ₀ sin (2π · x/P) (1)
B = e ₀ cos (2π · x/P) (2)

Ein moduliertes Signal S, das dadurch erhalten wird, daß die A- und B-Phasen-Signale durch Träger e ₁sinω t bzw. e ₁cosω t einer symmetrischen Modulation unterworfen werden, und addiert werden, wird folgendermaßen dargestellt:

S = e ₀ e ₁sin(2π · x/P)sinω t + e ₀ e ₁cos(2π · x/P)cosω t
= e ₀ e ₁/2{cos(ω t - 2π · x/P) - cos(ω t + 2π · x/P) + cos(ω t - 2π · x/P) + cos(ω t + 2π · x/P)}
= Kcos(ω t - 2f · x/P) (3)

wobei K = e ₀ e ₁/2.

Wenn im einzelnen die A- und B-Phasen-Signale einer symmetrischen Modulation durch die Träger mit einer Winkelfrequenz von ω t und einer Addition unterworfen werden, erzeugt die Abweichung x einer Phasenkomponente des modulierten Signals S, so daß die Phase des durch die Gleichung (3) dargestellten modulierten Signals in Abhängigkeit von der Abweichung x verschoben wird.

Unter der Annahme, daß ein Bezugstakt mit der Frequenz f ₀ einer 1/N-Teilung unterworfen wird, um einen Träger zu erzeugen, sind N Bezugstakte in einer Periodendauer des Trägers enthalten. Wenn somit die Abweichung x Null ist, ist die Phasenkomponente in der Gleichung (3) Null, so daß die Anzahl der Takte, die in einer Periodendauer des modulierten Signals S enthalten ist, N ist.

Jedoch bewirkt die Relativbewegung zwischen den beiden Skalen, daß die Phasenkomponente in der Gleichung (3) nicht Null ist, was zur Folge hat, daß die Phase des modulierten Signals S abweicht. In diesem Fall wird die Bewegungsrichtung des Moir´musters in Abhängigkeit von der Richtung der Relativbewegung zwischen den beiden Skalen verändert, wie es zuvor im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschrieben wurde. Somit ist der Wert der Phasenkomponente 2f · x/P in der Gleichung (3) positiv oder negativ in Abhängigkeit von der Richtung der Relativbewegung zwischen den beiden Skalen.

Unter der Annahme, daß die gezählte Anzahl der Bezugstakte, die in einem Zyklus des durch die Gleichung (3) dargestellten modulierten Signals enthalten ist, (N ± α) ist, kann die Abweichung x durch Zählen von ±α-Bezugstakten ermittelt werden.

Wenn im einzelnen beide Skalen relativ zueinander bewegt werden, um eine Abweichung x zu bewirken, die gleich ist der Teilung P des Moir´musters, bedeutet dies, daß die Phasenkomponente 2π · x/P in der Gleichung (3) sich um 2π (eine Periodendauer) verschiebt. Während der einen Periodendauer werden N Bezugstakte erzeugt, so daß die Abweichung, bezogen auf einen Bezugstakt, P/N ist. Somit wird die Abweichung x durch Zählen der Anzahl der Abweichungen der Bezugstakte ±α von N Bezugstakten pro Periodendauer des modulierten Signals wie folgt dargestellt:

x = ± P/N (4)

Somit besteht die vorliegende Erfindung darin, die Modulation und die Addition der A- und B-Phasen-Signale, die von den Skalenteilen erzeugt werden, durchzuführen, die Träger einer Art von Frequenzmodulation zu unterwerfen, auf diese Weise Daten aufgrund der Relativbewegung zwischen den beiden Skalen in der Form der Phasenkomponente der modulierten Welle zu erhalten. In diesem Fall wird die Auflösung der Messung in Abhängigkeit von einem Teilungsverhältnis des Bezugstakts bestimmt.

Somit wird die Messung mit einer hohen Auflösung dadurch erreicht, daß das Teilungsverhältnis erhöht wird.

Auch ist die vorliegende Erfindung geeignet, die Anzahl der Abweichungen der Bezugstakte ±α mit N Bezugstakten in dem Fall zu vergleichen, daß die Abweichung x Null ist, um die Differenz zu zählen. Somit bewirkt die digitale Verarbeitung von ±α, daß die Messung mit höherer Genauigkeit ausgeführt werden kann.

Ausführungsbeispiele einer Meßanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben, bei denen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile kennzeichnen.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild, das eine Ausführungsform einer Meßanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 2 ein Schaltbild, das einen Schaltkreis in einem wesentlichen Teil der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform zeigt;

Fig. 3 ein Funktionsdiagramm, das die Funktion der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform zeigt;

Fig. 4 ein Schaltbild, das eine Abänderung eines Schaltkreises in einem wesentlichen Teil der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform zeigt;

Fig. 5 und

Fig. 6 Funktionsdiagramme, die die Funktion der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform zeigen;

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht, die einen Skalenteil der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform zeigt; und

Fig. 8 ein Blockschaltbild, das den Stand der Technik zeigt.

Die Fig. 1 ist ein Blockschaltbild, das einen allgemeinen Aufbau einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

Eine Meßanordnung der gezeigten Ausführungsform enthält ein Skalenteil, das eine Hauptskala 1 und eine Indexskala 2 enthält, die jeweils mit einem optischen Raster derselben Teilung versehen sind. Die Anordnung enthält auch eine Lichtquelle 5 und photoelektrische Übertragungsglieder 6 A und 6 B wie Photozellen oder ähnliches, die derart angeordnet sind, daß die Skalen 1 und 2 dazwischen liegen. Ein A- Phasen-Signal und ein B-Phasen-Signal werden von den photoelektrischen Übertragungsgliedern 6 A und 6 B ausgegeben und durch Verstärker 7 A bzw. 7 B verstärkt.

Die verstärkten A-und B-Phasen Signale werden einem Modulations- und Additionskreis 8 zugeführt.

Der Modulations- und Additionskreis 8 bildet einen Teil eines Merkmals der vorliegenden Erfindung und ist mit dem Ausgang eines Trägergeneratorkreises verbunden, der einen Taktgenerator 9 und einen Teiler 10 enthält. Insbesondere ist der Modulations- und Additionskreis 8 derart ausgebildet, daß er in Form von Trägern Taktimpulse aufnimmt, die durch Teilung durch 1/N durch den Teiler 10 erzeugt werden, und das Ausgangssignal des Taktgenerators 9, der Bezugstaktimpulse erzeugt, die eine Frequenz f ₀ aufweisen, und eine symmetrische Modulation der Taktimpulse durchführt.

Ein Beispiel des Modulations- und Additionskreises 8 ist in Fig. 2 dargestellt. Zunächst wird das A-Phasen-Signal, das dem Modulations- und Additionskreis 8 zugeführt wird, um Signale mit einander entgegengesetzten Phasen zum Zweck der symmetrischen Modulation zu erzeugen, Operationsverstärkern OP 1 und OP 2 zugeführt, so daß ein positives Phasensignal und ein negatives Phasensignal durch die Umsetzung erzeugt werden können, die dann in einem Widerstandsnetzwerk RT 1 derart eingestellt werden, daß sie dieselbe Spannung aufweisen, und sie werden dann einem Modulationskreis AM 1 zugeführt.

Mit den Operationsverstärkern OP 1 und OP 2 verbundene Widerstände R sind Eingangswiderstände und Rückführungswiderstände.

Die Mehrfachteilung der positiven und negativen Phasensignale, die aus dem A-Phasen-Signal bei dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel abgeleitet werden, dient dem Zweck, eine höherharmonische Komponente in dem modulierten Signal zu vermindern. Insbesondere bewirkt im allgemeinen die symmetrische Modulation des A-Phasen-Signals (e ₀sin2π · x/P) mittels eines als rechteckförmige Welle ausgebildeten Trägers, daß eine höherharmonische Komponente ungerader Ordnung darin enthalten ist. Wenn im Gegensatz hierzu wie bei dem Beispiel in Fig. 2 ein Zyklus des Trägers in acht Teile für die symmetrische Modulation geteilt wird, wird eine höherharmonische Komponente der dritten und fünften Ordnung unterdrückt, was zur Folge hat, daß nur diejenigen der siebten, neunten, --- Ordnung darin verbleiben.

Dies bewirkt, daß die Entfernung einer höherharmonischen Komponente mittels eines unten beschriebenen Tiefpaßfilters erleichtert wird.

Wenn andererseits der Träger in acht Teile geteilt wird, ist das symmetrische modulierte Signal 1, 1/2, 0, und -1 mal so groß wie das A-Phasen-Signal und somit ist es erforderlich, das Widerstandsnetzwerk RT vorzusehen, um die Spannung dafür zu erzeugen.

Der Modulationskreis AM 1 hat Eingangsanschlüsse (0) bis (7), denen die positiven und negativen Signale des A-Phasen-Signals über das Widerstandsnetzwerk RT 1 zugeführt werden, und Eingangsanschlüsse C 1 bis C 3, denen Trägersignale zugeführt werden, die durch Teilung der Bezugstaktimpulse durch 1/N erzeugt werden. Der Modulationskreis AM 1 dient dazu, aufeinanderfolgend das den Eingangsanschlüssen (0) bis (7) zugeführte A-Phasen-Signal durch einen Schaltvorgang aufeinanderfolgend zu schalten, und führt es seinem Ausgangsanschluß t0 zu und kann beispielsweise einen analogen Multiplexer enthalten. Das Schalten des Modulationskreises AM 1 wird mittels eines den Eingangsanschlüssen C 1 bis C 3 zugeführten Trägersignals erreicht. Bei der dargestellten Ausführungsform werden beispielsweise ein Träger und Impulse mit zwei- und viermal so großen Zyklusdauern wie der Träger den Eingangsanschlüssen C 1 bis C 3 zugeführt, um den Schaltvorgang der den Eingangsanschlüssen (0) bis (7) zugeführten Eingangssignale entsprechend einem oktobinären Zählvorgang durchzuführen. Insbesondere werden ein in Fig. 3 (b) gezeigter Träger und Impulse, die in den Fig. 3 (c) und (d) gezeigte Periodendauern aufweisen, den Eingangsanschlüssen C 1 bis C 3 zugeführt, um die oktalen Zahlen zu dekodieren, die (0) bis (7) bilden, wie es in Fig. 3 (e) gezeigt ist, um ein oktales Signal zu erreichen, das benutzt wird, um das Schalten des A-Phasen-Signals auszuführen, wie es in Fig. 3 (a) gezeigt ist, um eine symmetrisch modulierte Welle zu erhalten.

Somit wird ein moduliertes Wellensignal S mit e ₀ e ₁sin (2π · x/P)sinω t, das in der obenbeschriebenen Gleichung (3) enthalten ist, an dem Ausgangsanschluß t ₀ erhalten. Das modulierte Wellensignal S enthält tatsächlich eine höherharmonische Komponente, die durch ein Tiefpaßfilter LP 1 entfernt wird.

In entsprechender Weise wird das B-Phasen-Signal über die Operationsverstärker OP 3 und OP 4 einem Modulationskreis AM 2 zugeführt. Jedoch werden den Eingangsanschlüssen (0) bis (7) des Modulationskreises AM 2 Signale zugeführt, deren Phase um 90° von derjenigen der dem Modulationskreis AM 1 zugeführten Signale verschieden ist.

Die den Eingangsanschlüssen C 1 bis C 3 des Modulationskreises AM 2 zugeführten Signale sind dieselben wie diejenigen, die dem Modulationskreis AM 1 zugeführt werden. Jedoch wird den Eingangsanschlüssen (0) bis (7) das B-Phasen-Signal zugeführt, bei dem eine Trägersignalkomponente hinsichtlich der Phase um 90° verschieden ist von der in dem Modulationskreis AM 1, und somit führt der Modulationskreis AM 2 im wesentlichen einen Modulationsvorgang von e ₀ e ₁cos(2π · -x/P)cosω t durch. Dies hat zur Folge, daß eine modulierte Welle mit e ₀ e ₁cos(2π · x/P)cosω t, die in der obenbeschriebenen Gleichung (3) enthalten ist, an einem Ausgangsanschluß t ₀ des Modulationskreises AM 2 erhalten wird.

Die auf diese Weise erzeugte modulierte Welle wird einem Tiefpaßfilter LP 2 zugeführt, um eine höherharmonische Komponente von dieser zu entfernen.

Die Addition der wie oben beschrieben erzeugten modulierten Wellen in einem Additionskreis AD bewirkt, daß das modulierte Signal S = Kcos(ω t - 2π · x/P), das durch die Gleichung (3) dargestellt wird, erzeugt wird. In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen ER eine Bezugsspannungsquelle für die Operationsverstärker.

Der in Fig. 2 gezeigte Modulations- und Additionskreis 8 ist geeignet, die Addition nach einer vorhergehenden Modulation der Trägersignale durch die entsprechenden A- und B-Phasen-Signale durchzuführen. Dies erfordert das Vorhandensein von jeweils zwei Widerstandsnetzwerken, Modulationskreisen und Tiefpaßfiltern. Jedoch sollte dies vorzugsweise vermieden werden, da derartige Tiefpaßfilter sehr teuer sind und eine derartige Anordnung bewirkt, daß der Schaltkreis sehr aufwendig und hinsichtlich seines Aufbaus kompliziert ist. Im Hinblick darauf kann die vorliegende Erfindung derart abgeändert werden, daß das Mischen und Teilen der A- und B-Phasen-Signale in dem Widerstandsnetzwerk und dann die Modulation und das Filtern das Vorhandensein nur eines Widerstandsnetzwerks, Modulationskreises und Tiefpaßfilters ermöglicht.

Die Fig. 4 zeigt eine derartige obengenannte Abänderung. Insbesondere ist die in Fig. 4 dargestellte Modifikation geeignet, die Mischung und die Addition eines A-Phasen- Signals, eines A-Phasen-Signals mit einer Phase, die der des A-Phasen-Signals entgegengesetzt ist, eines B-Phasen- Signals und eines B-Phasen-Signals, dessen Phase der des B-Phasen-Signals entgegengesetzt ist, in einem Widerstandsnetzwerk RT durchzuführen, um eine Mischung von Signalen mit entgegengesetzten Phasen und derselben Spannung durchzuführen. Dann wird die Mischung der Signale einem Modulationskreis AM zugeführt, der einem Schalten oder einer symmetrischen Modulation durch Pulssignale (Fig. (b) bis (d)) unterworfen ist, die den Eingangsanschlüssen C 1 bis C 3 zugeführt werden, und dann durch ein Tiefpaßfilter LP hindurchgeschickt, so daß dasselbe Signal wie bei der Verarbeitung in dem Schaltkreis nach Fig. 2 erzeugt werden kann.

Somit weist der Modulations- und Additionskreis 8 das modulierte Signal S auf, das durch die Gleichung (3) dargestellt wird, die die Abweichung x der Skalen 1 und 2 als deren Phasenkomponente enthält, die an dem Ausgangsanschluß erzeugt wird.

Nun wird der obenbeschriebene Vorgang unter Bezugnahme auf die Fig. 5 im einzelnen näher beschrieben.

Zuerst erzeugen die Verstärker 7 A und 7 B derartige A- und B-Phasen-Signale, wie sie in den Fig. 5 (a) und 5 (b) gezeigt sind. Bei den Fig. 5 (a) und 5 (b) zeigt ein Intervall T 1 an, daß die Skala 2 relativ zur Skala 1 nach links bewegt wird, ein Intervall T 2 zeigt das Anhalten der Skala 2 an, und ein Intervall T 3 zeigt die Bewegung der Skala 2 relativ zu der Skala 1 nach rechts an.

Der in Fig. 1 gezeigte Taktgenerator 9 erzeugt derartige Bezugstakte mit einer vorgegebenen Zykluszeit (Frequenz f ₀), wie sie in Fig. 5 (c) gezeigt sind, die einer 1/N Teilung durch den Teiler 10 unterworfen sind und in Form von Trägern dem Modulations- und Additionskreis 8 zugeführt werden.

Bei diesem Beispiel wird eine Zunahme in der Auflösung durch Erhöhen der Frequenz f ₀ der Bezugstaktimpulse und durch Erhöhen der Teilungszahl N erreicht. Jedoch wird es vorgezogen, daß die Frequenz f ₀ und die Teilungszahl N derart festgelegt werden, daß sie wegen der Beschränkungen des Schaltkreises im Bereich von einigen KHz bis einigen MHz bzw. einigen Zehn bis Hundert liegen. In Fig. 5 wird die Teilungsanzahl aus Gründen der Einfachheit auf Acht festgelegt.

Wenn die Trägersignale, die dadurch erreicht werden, daß die Bezugstaktimpulse einer Teilung 1/N unterworfen werden, durch die A- und B-Phasen-Signale moduliert werden und dann der Addition unterworfen werden, wird ein derartiges moduliertes Signal S erzeugt, wie es durch die Gleichung (3) dargestellt ist, das eine konstante Amplitude K(= e ₀ e ₁/2) und eine Phasenkomponente hat, die in Abhängigkeit von der Abweichung x verändert wird. Wenn das modulierte Signal S im Zusammenhang mit dem Stopintervall T 2 vergrößert wird, hat es eine derartige Wellenform Tw hinsichtlich der Periodendauer und K hinsichtlich der Amplitude, wie es in Fig. 5 (d) dargestellt ist.

Die Abweichung x ist Null in dem Stopintervall T 2 und somit wird die Phasenkomponente in der Gleichung (3) Null, was zur Folge hat, daß S = K{cosω t - 1/7cos7ω t - 1/9cos ω t---} ist. Dies zeigt an, daß acht Bezugstaktimpulse in einer Periodendauer der modulierten Welle enthalten sind.

In ähnlicher Weise wird sowohl in dem in der Bewegung nach links zugeordneten Intervall T 1 und in dem der Bewegung nach rechts zugeordneten Intervall T 3 die Frequenzmodulation in Beträgen durchgeführt, die der Abweichung x entsprechen, so daß ein moduliertes Signal S erhalten werden kann, bei dem die Anzahl der Bezugstakte, die in einer Periodendauer enthalten sind, von Acht abweichen.

Somit wird die modulierte Welle, die die Bezugstaktimpulskomponente enthält, durch das Tiefpaßfilter LP verarbeitet, um eine höherharmonische Komponente zu entfernen, wie es in Fig. 5 (e) gezeigt ist.

Der Modulations- und Additionskreis 8 erzeugt ein derartiges moduliertes Signal S, wie es in Fig. 5 (e) gezeigt ist. Das Signal S wird dann einem in Fig. 1 gezeigten Wellenformungsteil 11 zugeführt, um es in eine rechteckförmige Welle mit einer Periodendauer Tw umzusetzen, wie es in Fig. 5 (f) gezeigt ist, und dann einem nachfolgenden Zählerkreis zugeführt.

Der Zählerkreis enthält einen Impulszähler 12, einen Vergleichszähler 13, einen Vergleicher 14 und einen Korrekturimpulsgenerator 15. Dem Impulszähler 12 werden vom Taktgenerator 9 Bezugstaktimpulse zugeführt.

Nun wird die Funktion des dem Impulszähler nachfolgenden Zählerkreises unter Bezugnahme auf Fig. 6 beschrieben.

Die Fig. 6 (a) zeigt die Bezugstaktimpulse, die von dem Taktgenerator 9 ausgegeben werden. In Fig. 6 kennzeichnet T 2 ein Stopintervall der beiden Skalen 1 und 2, kennzeichnet T 5 ein einer Bewegung nach rechts zugeordnetes Intervall und T 6 kennzeichnet ein einer Bewegung nach links zugeordnetes Intervall.

Der Impulszähler 12 erkennt einen Zyklus eines von dem Wellenformungsteil 11 zugeführten Signals und zählt die in einem Zyklus enthaltenen Bezugstaktimpulse. Insbesondere erkennt der Impulszähler 12 das in Fig. 6 (b) gezeigte Ansteigen des Ausgangs des Wellenformungsteils 11, um das Zählen der Bezugstaktimpulse zu starten. Wenn acht Bezugstaktimpulse in dem Anhalteintervall T 4 gezählt wurden, wie es in Fig. 6 (b) gezeigt ist, steigt die Ausgangswellenform des Wellenformungsteils 11 erneut an, wie es in Fig. 6 (b) gezeigt ist. Der Impulszähler 12 überträgt einen in Fig. 1 gezeigten sich ergebenden Zählwert, der in Fig. (d) gezeigt ist, um seinen Zählwert zurückzusetzen, wie es in Fig. 6 (b) gezeigt ist. Das Rücksetzen des Impulszählers 12 kann dadurch durchgeführt werden, daß ein Rücksetzsignal synchron mit dem Beenden der Taktierung der Übertragung zu dem Vergleichszähler 13 erzeugt wird. Es ist auch möglich, es durch Empfangen eines Rücksetzsignals von dem Vergleichszähler 13 durchzuführen.

Der Vergleichszähler 13 enthält einen reversiblen Zähler, der in der Lage ist, einen Zählwert einzustellen, und er wird auf den Zählwert des Impulszählers 12 eingestellt, der einem Rücksetzeingangsanschluß ST zugeführt wird. Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 wird ein Zählwert Acht eingestellt, wie es in Fig. 6 (d) gezeigt ist.

Dann wird ein Zählwert D des Vergleichszählers 13 dem Vergleicher 14 zugeführt. In dem Vergleicher 14 wurde zuvor ein Bezugswert N eingestellt, der ein Ausgangssignal eines Einstellkreises 16 ist. Insbesondere wurde die Teilungszahl N der Bezugstaktimpulse (die Anzahl der Bezugstaktimpulse, die in einem Zyklus der modulierten Welle bei x = 0 oder während der Zeit des Anhaltens der Skalen 1 und 2 enthalten sind) vorher als ein Bezugswert in dem Vergleicher 14 eingestellt und ein Vergleich zwischen dem Bezugswert N und dem Zählwert D wird in dem Vergleicher durchgeführt. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Teilungszahl N der Bezugstaktimpulse Acht, was zur Folge hat, daß in dem Anhalteintervall T 4 N = D ist, und damit werden keine Ausgangssignale an den Ausgangsanschlüssen t ₁ und t ₂ des Vergleichers 14 erzeugt.

In dem der Bewegung nach rechts zugeordneten Intervall T 5 zählt der Impulszähler 12 zehn Bezugstaktimpulse von einem Ansteigen bis zum nächsten Ansteigen in dem Wellenformungsteil 11, wie es in Fig. 6 (b) dargestellt ist. Der auf diese Weise erzeugte Zählwert Zehn wird zu dem Vergleichszähler 13 übertragen und erneuert und beibehalten, wie es in Fig. 6 (d) gezeigt ist. Somit stimmt der Zählwert D nicht mit dem Bezugswert N in dem Vergleicher überein, was zur Folge hat, daß D ≦λτ N.

In diesem Beispiel wird an dem Ausgangsanschluß t ₁ des Vergleichers 14 ein Ausgangssignal erzeugt, das in Fig. 6 (e) dargestellt ist.

Der Korrekturimpulsgenerator 15 wird von dem Taktgenerator 9 mit Bezugstaktimpulsen versorgt. Unter der Annahme, daß die Bewegung der Skala nach rechts eine Bewegung in positiver Richtung ist, empfängt der Korrekturimpulsgenerator 15 die an dem Ausgangsanschluß t ₁ des Vergleichers 14 erzeugten Ausgangssignale, um die Bezugstaktimpulse, die aufeinanderfolgend zugeführt werden, einem Aufwärtszähleingang UP zuzuleiten, wie es in Fig. 6 (g) gezeigt ist. Ein in Fig. 6 (g) gezeigter Aufwärtszählimpuls wird einem (nicht gezeigten) Zählerkreis zugeführt. Dies hat zur Folge, daß angenommen wird, daß die Skalen 1 und 2 relativ zueinander nach rechts bewegt werden, so daß das Aufwärtszählen des Zählwerks ausgeführt werden kann.

Wie oben beschrieben wurde, wird ein Bezugstaktimpuls dadurch erhalten, daß die Teilung des Moir´musters einer Teilung durch N unterworfen wird, und das Moir´muster selbst wird durch Vergrößerung des optischen Rasters der Skalen 1 und 2 erhalten. Somit entspricht ein vom dem Korrekturimpulsgenerator 15 erzeugter Bezugstaktimpuls einer Verschiebung, die durch Teilung des optischen Rasters in N gleiche Teile erreicht wird.

Bei der dargestellten Ausf+hrungsform ist N gleich Acht. Unter der Annahme, daß die Teilung des optischen Rasters jeder der Skalen 1 und 2 40 µm ist, wird angenommen, daß der Skalenteil um 5 µm (40 µm/8) bei jeder Erzeugung eines Bezugsimpulses an dem Aufwärtszählanschluß UP des Korrekturimpulsgenerators 15 nach rechts verschoben wird. Die Auflösung kann bei einer derartigen Messung durch Erhöhen der Teilungszahl N erhöht werden. Falls beispielsweise N auf 200 eingestellt wird, wird eine Auflösung von 0,2 µm bei einer Skala erreicht, die eine Teilung von 40 µm aufweist.

Der an dem Aufwärtszähleingang UP des Korrekturimpulsgenerators 15 erzeugte Bezugstaktimpuls wird dem Abwärtszähleingang DN des Vergleichszählers 13 zugeführt, der dann ein Abwärtszählen der Bezugstaktimpulse durchführt. Wenn somit zwei derartige Bezugstaktimpulse dem Abwärtszähleingang DN des Vergleichszählers 13 zugeführt wird, erzeugt der Vergleichszähler 13 einen Zählwert Acht, wie es in Fig. 6 (d) gezeigt ist. Dies hat zur Folge, daß D = N und daß auch in dem Vergleicher 14 bewirkt wird, daß das Ausgangssignal am Ausgangsanschluß C 1 gelöscht wird, um dadurch zu verhindern, daß der Korrekturimpulsgenerator 15 Bezugstaktimpulse ausgibt.

Es werden auch dem der Bewegung nach links zugeordneten Intervall T 6 sechs Bezugstaktimpulse durch den Impulszähler 12 während eines Zyklus des Wellenformungskreises 11 gezählt, wie es in Fig. 6 (c) dargestellt ist, und ein auf diese Weise erreichter Zählwert Sechs wird zu dem Vergleichszähler 13 (Fig. 6 (d)) übertragen. Dann wird der Zählwert D des Vergleichszählers 13 mit dem Bezugswert N in dem Vergleicher 14 verglichen, was N ≦λτ D zum Ergebnis hat, so daß an dem Ausgangsanschluß t ₂ des Vergleichers 14 ein Ausgangssignal erzeugt werden kann. (Fig. 6 (f)). Der Korrekturimpulsgenerator 15 empfängt das Ausgangssignal des Ausgangsanschlusses t ₂, um einen in Fig. 6 (a) gezeigten Bezugstakt an dem Abwärtszählanschluß DN zu erzeugen, und führt dann den Bezugstakt einem (nicht dargestellten) Zählerkreis zu, um die Bewegung des Skalenteils nach links zu messen.

Gleichzeitig werden die Bezugstakte auch dem Aufwärtszählanschluß UP des Vergleichszählers 13 zugeführt, um ein Aufwärtszählen des Zählwerts D durchzuführen, wie es in Fig. 6 (d) gezeigt ist. In diesem Fall führt das Zuführen von zwei derartigen Bezugstakten zu D = 8, so daß die Bedingung D = N in dem Vergleicher 14 erfüllt werden kann, um zu bewirken, daß das Ausgangssignal am Ausgangsanschluß t ₂ des Vergleichers 14 gelöscht wird.

Somit wird die Anzahl der Bezugstakte während eines Zyklus des Ausgangs des Wellenformungskreises 11, die in dem Impulszähler 12 gezählt wurde, über den Vergleichszähler 13 dem Vergleicher 14 zugeführt, der die Anzahl mit dem Bezugswert N vergleicht, um die Differenz zu zählen (entsprechend a in der obenbeschriebenen Gleichung (4)). Der oben beschriebene Vorgang wird bei jedem Zyklus des Ausgangs des Wellenformungskreises 11 durchgeführt, um auf diese Weise die Bewegung des Skalenteils zu messen.

Auch wird bei der Ausführungsform der Zählwert des Impulszählers 12 einmal zu dem Vergleichszähler 13 übertragen und wenn der Vergleicher 14 erkennt, daß der Zählwert nicht mit dem Bezugswert N übereinstimmt, wird ein Aufwärtszähl- oder ein Abwärtszählvorgang an dem Vergleichszähler 13 durchgeführt, bis die Übereinstimmung zwischen beiden erreicht ist. Die Anzahl der Bezugstakte zum Aufwärtszählen und Abwärtszählen des Vergleichszählers 13 dient als ein Meßimpuls.

Somit wird festgestellt, daß die Ausführungsform die gesamte Verarbeitung auf digitale Weise ausführt, so daß ein genauer Meßvorgang erreicht werden kann. In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 17 einen Wellenformumsetzerkreis, der in Abhängigkeit von der Signalverarbeitung einer ein von der Meßanordnung nach der Ausführungsform erzeugtes Signal, wie beispielsweise einer NC-Vorrichtung oder ähnlichem, vorgesehen und dazu geeignet ist, den Aufwärts- oder Abwärtszählbezugstakt oder den Meßbezugstakt des Vergleichszählers 13, der vom Korrekturimpulsgenerator 15 erzeugt wurde, zu empfangen, um die A- und B-Phasen-Signale zu erzeugen, die hinsichtlich der Phase um 90° gegeneinander verschoben sind.

Wie aus dem Vorhergehenden ersehen werden kann, ist die Meßanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung derart ausgebildet, daß sie eine symmetrische Modulation der A- und B-Phasen-Signale durchführt, die eine Phasendifferenz von 90° aufweisen und die von dem Skalenteil durch Träger erzeugt werden, die dadurch erhalten werden, daß der Bezugstakt einer 1/N Division unterworfen wird und die Addition durchführt. Damit ist das sich ergebende modulierte Signal ein Signal, das frequenzmoduliert ist in Abhängigkeit von der Bewegung des Skalenteils, die als eine Phasenkomponente darin enthalten ist.

Die Anzahl der Bezugstakte, die in einem Zyklus des modulierten Signals enthalten ist, wird mit dem Bezugswert N oder Anzahl der Bezugstakte in dem Fall verglichen, daß das Skalenteil angehalten wird, um eine Differenz zwischen diesen zu erhalten, die die Phasenkomponente der modulierten Welle anzeigt, so daß die Bewegung des Skalenteils gezählt werden kann.

Somit wird eine Erhöhung der Auflösung der Messung durch Erhöhung der Frequenz des Bezugstakts und durch Erhöhen der Teilungszahl N ausgeführt. Beispielsweise kann unter der Annahme, daß die Frequenz f ₀ des Bezugstaktes 8 Mhz beträgt und die Teilungszahl N 200 ist, eine Meßauflösung von 1 µm selbst dann erreicht werden, wenn die Teilung des optischen Rasters des Skalenteils derart festgelegt ist, daß es 200 µm beträgt, was für eine Erleichterung der Bearbeitung ausreichend ist.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht auch eine Auflösung von 0,1 µm, wenn Skalen mit einem optischen Raster mit einer Teilung von 20 µm verwendet werden, die nach dem Stand der Technik hergestellt werden können.

Weiterhin kann die vorliegende Erfindung in hohem Maße die Einstellung der gewünschten Auflösung durch Verändern der Frequenz f ₀ des Taktgenerators und des Teilungsverhältnisses des Teilers erleichtern.

Claims

1. Meßanordnung zum Zählen von zwei mit einer Phasendifferenz von 90° versehenen Ausgangssignalen, die von einem Skalenteil erzeugt werden, das bei jeder Bewegung eines zu messenden Objekts um eine Längeneinheit ein Signal erzeugt, um damit den Betrag und die Richtung der Bewegung dieses Objekts zu ermitteln, gekennzeichnet durch eine Trägergenerator (9, 10) zum Erzeugen eines Trägersignals mit einer Frequenz, die größer als die des Ausgangssignals des Skalenteils (1, 2), einen Modulations- und Additionskreis (8) zum Durchführen einer Modulation der beiden von dem Skalenteil (1, 2) erzeugten Ausgangssignale mittels des in dem Trägergenerator (9, 10) erzeugten Trägersignals und zum Addieren der Ausgangssignale, um ein moduliertes Signal zu erzeugen, das den Betrag der Bewegung des Objekts als Phasenkomponente enthält, und einen Zählerkreis zum Zählen der Anzahl von Takten mit einer vorgegebenen Periodendauer, die in einer Periodendauer des von dem Modulations- und Additionskreis (8) erzeugten modulierten Signals enthalten ist.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägergenerator (9, 10) einen Taktgenerator (9) zum Erzeugen eines Bezugstakts mit einer vorgegebenen Periodendauer und einen Teiler (10) zum Teilen des von den Taktgenerator (9) erzeugten Bezugstakts enthält.

3. Meßanordnung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zählerkreis einen Impulszähler (12) zum Zählen der Anzahl der Bezugstakte, die in einer Periodendauer des von dem Modulations- und Additionskreis (8) erzeugten modulierten Signals enthalten sind, und einen Vergleicherkreis zum Vergleichen eines durch den Impulszähler (12) gezählten Werts mit einem Bezugswert enthält.

4. Meßanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleicherkreis einen Vergleichszähler (13) mit einem umkehrbaren Zähler, in dem der durch den Impulszähler (12) gezählte Wert einstellbar ist, einen Vergleicher (14) zum Vergleichen des Zählwertes mit dem Bezugswert und einen Korrekturimpulsgenerator (15) zum Zuführen des Bezugstaktes als einen Aufwärts- oder Abwärtszählimpuls an den Vergleichszähler (13) in Abhängigkeit von einem von dem Vergleicher (14) erhaltenen Vergleichsergebnis enthält.

5. Meßanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugswert die Teilungszahl (n) des Teilers (10) ist.