DE3640413C2 - Meßanordnung - Google Patents

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.

Beispielsweise ist bei einer Werkzeugmaschine eine genaue Messung der Relativbewegung eines Werkzeuges zu einem Werkstück, das ein zu bearbeitendes Objekt darstellt, von höchster Wichtigkeit für die Präzisionsbearbeitung des Werkstücks. In entsprechender Weise ist bei einem industriellen Aufzeichnungsgerät 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 z. B. 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 optischen 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 Seite angeordnet ist, und eine Photozellenvorrichtung 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 Photozellenvorrichtung 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 Relativbewegung zwischen den beiden Skalen 101 und 103. Von der Photozellenvorrichtung werden dann 90° zueinander phasenversetzte Ausgangssignale erzeugt, welche als "A-Phasen- Signal" bzw. "B-Phasen-Signal" bezeichnet werden. Im einzelnen werden, wie es in Fig. 8 gezeigt ist, das A- Phasen-Signal und das B-Phasen-Signal, die von der Photozellenvorrichtung 106 erzeugt werden, Verstärkern 107A und 107B zugeführt und dann Wellenformungskreisen 108A bzw. 108B 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.

Ein derartiges Interpolationsverfahren ist beispielsweise aus der DE-OS 27 29 697 bekannt. 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 in beispielsweise 100 Teile zu teilen, das heißt, die Auflösungsgenauigkeit ist insgesamt vor allem dadurch beschränkt, daß die analogen A- und/oder B-Phasen-Signale direkt einer A/D-Wandlung zugeführt werden.

DE 27 03 155 A1 offenbart allgemein ein Verfahren zur Gewichtsmessung mittels eines Moir´musters, ohne daß auf den Aspekt einer höchstgenauen Auflösung eingegangen wird.

CH 412 356 offenbart eine Verschiebebestimmung, wobei eine Relativmessung unabhängig von der äußeren Abmessung des betreffenden Objektes durchgeführt wird. Dazu wird das Objekt markiert (Raster) und das durch die Zusammenwirkung von Raster mit einem Beobachtungsraster bereitgestellte Signal ausgewertet, wobei zur Erhöhung der Auflösung das Mittel der Phasenmodulation eingesetzt und somit die örtliche Verschiebung auf den Zeitmaßstab projeziert wird. Dabei ist der Zusammenhang zwischen Orts- und Zeitmessung überaus kompliziert.

DE 34 23 097 A1 lehrt eine berührungslose Größenbestimmung unter Verwendung eines impulsgetriebenen Drehspiegels, wobei eine Signalverarbeitung mit herkömmlichen digital arbeitenden Komponenten vorgesehen ist, die empfindlich beispielsweise auf eine Änderung der Frequenz der Signale ist, wodurch die Meßgenauigkeit beeinträchtigt werden kann.

Neuerdings wächst der Bedarf, industrielle Maschinen mit einer Meßmöglichkeit zu versehen, so daß eine größere Genauigkeit erreicht werden kann. 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 einen 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 Vorrichtung anzugeben, die in der Lage ist, eine Erhöhung der Auflösung bei der Erkennung der Relativbewegung zweier ein Moir´muster bildender Schalen zu erreichen, wobei zwei als A- und B-Phasen-Signal bekannte Signale erzeugt werden, die eine gegenseitige Phasendifferenz von 90° aufweisen.

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.

Wenn eine Teilung eines Moir´musters, das durch zwei Skalen erzeugt wird, die jeweils mit einem optischen Raster einer gleichen Teilung versehen und in an sich bekannter Weise mit einem sehr kleinen Winkel gegeneinander verdreht sind, 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 e₀ haben, folgendermaßen dargestellt:

A = e₀ sin (2π · x/P) (1)

B = e₀ cos (2π · x/P) (2)

Ein moduliertes Signal S, das dadurch erhalten wird, daß Träger e₁sinΩt bzw. e₁cosΩt durch die A- und B-Phasen- Signale einer symmetrischen Modulation unterworfen und addiert werden, wird folgendermaßen dargestellt:

S = e₀e₁sin(2π · x/P)sinΩt+e₀e₁cos(2π · x/P)cosΩt
= e₀e₁/2{cos(Ωt-2π · x/P) - cos(Ωt+2π · x/P)+cos(Ωt - 2π · x/P)+cos(Ωt+2π · x/P)}
= Kcos(Ωt - 2π · x/P) (3)

wobei K = e₀e₁/2.

Wenn im einzelnen die Träger mit einer Winkelfrequenz von Ωt mit den A- und B-Phasen-Signalen einer symmetrischen Modulation und einer Addition unterworfen werden, bildet die Abweichung x eine 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.

Es wird angenommen, daß ein Bezugstakt des Trägergeneratorkreises mit der Frequenz f₀ einer 1/N-Teilung unterworfen wird, um einen Träger zu erzeugen, d. h. es 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 Bezugstakte, 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 2π · 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 ±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 Skaltenteilen 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 6A und 6B, wie Photozellen oder ähnliches, die derart angeordnet sind, daß die Skalen 1 und 2 dazwischenliegen. Ein A-Phasen-Signal und ein B-Phasen-Signal werden von den photoelektrischen Übertragungsgliedern 6A und 6B ausgegeben und durch Verstärker 7A bzw. 7B verstärkt.

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

Der Modulations- 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 und 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 f₀ 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 OP1 und OP2 zugeführt, so daß ein positives Phasensignal und ein negatives Phasensignal durch die Umsetzung erzeugt werden können, die dann in einem Widerstandsnetzwerk RT1 derart eingestellt werden, daß sie dieselbe Spannung aufweisen, und sie werden dann einem Modulationskreis AM1 zugeführt.

Mit den Operationsverstärkern OP1 und OP2 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 (e₀sind2π · 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 AM1 hat Eingangsanschlüsse (0) bis (7), denen die positiven und negativen Signale des A- Phasen-Signals über das Widerstandsnetzwerk RT1 zugeführt werden und Eingangsanschlüsse C1 bis C3, denen Trägersignale zugeführt werden, die durch Teilung der Bezugstaktimpulse durch 1/N erzeugt werden. Der Modulationskreis AM1 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 AM1 wird mittels eines den Eingangsanschlüssen C1 bis C3 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 C1 bis C3 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) gezeigten Periodendauern aufweisen, den Eingangsanschlüssen C1 bis C3 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 e₀e₁sin(2π · x/P)sinΩt, das in der oben beschriebenen Gleichung (3) enthalten ist, an dem Ausgangsanschluß t₀ erhalten. Das modulierte Wellensignal S enthält tatsächlich eine höherharmonische Komponente, die durch ein Tiefpaßfilter LP1 entfernt wird.

In entsprechender Weise wird das B-Phasen-Signal über die Operationsverstärker OP3 und OP4 einem Modulationskreis AM2 zugeführt. Jedoch werden den Eingangsanschlüssen (0) bis (7) des Modulationskreises AM2 Signale zugeführt, deren Phase um 90° von derjenigen der dem Modulationskreis AM1 zugeführten Signale verschieden ist.

Die den Eingangsanschlüssen C1 bis C3 des Modulationskreises AM2 zugeführten Signale sind dieselben wie diejenigen, die dem Modulationskreis AM1 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 AM1, und somit führt der Modulationskreis AM2 im wesentlichen einen Modulationsvorgang von e₀e₁cos(2π · x/P)cosΩt durch. Dies hat zur Folge, daß eine modulierte Welle mit e₀e₁cos(2π · xP)cosΩt, die in der oben beschriebenen Gleichung (3) enthalten ist, an einem Ausgangsanschluß t₀ des Modulationskreises AM2 erhalten wird.

Die auf diese Weise erzeugte modulierte Welle wird einem Tiefpaßfilter LP2 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(Ωt - 2π · x/P), das durch die Gleichung (3) dargestellt wird, erzeugt wird. In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen ER eine Bezugsspannungquelle 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 Widerstandsnetzwerkes, 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 -Phasen-Signals mit einer Phase, die der des A-Phasen-Signals entgegengesetzt ist, eines B-Phasen- Signals und eines -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. 3(b) bis 3(d)) unterworfen ist, die den Eingangsanschlüssen C1 bis C3 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 erzeugt der Modulations- und Additionskreis 8 an dem Ausgangsanschluß das modulierte Signal S, das durch die Gleichung (3) dargestellt wird und welches die Abweichung x der Skalen 1 und 2 als Phasenkomponente enthält.

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

Zuerst erzeugen die Verstärker 7A und 7B 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 T1 an, daß die Skala 2 relativ zur Skala 1 nach links bewegt wird, ein Intervall T2 zeigt das Anhalten der Skala 2 an, und ein Intervall T3 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 f₀), 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 f₀ der Bezugstaktimpulse und durch Erhöhen der Teilungszahl N erreicht. Jedoch wird es vorgezogen, daß die Frequenz f₀ 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(=e₀e₁/2) und eine Phasenkomponente hat, die in Abhängigkeit von der Abweichung x verändert wird. Wenn das modulierte Signal S im Zusammenhang mit dem Stopintervall T2 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 T2, und somit wird die Phasenkomponente in der Gleichung (3) Null, was zur Folge hat, daß S = K{cosΩt-1/7cos7Ωt-1/9cos9Ωt---} ist. Dies zeigt an, daß acht Bezugstaktimpulse in einer Periodendauer der modulierten Welle enthalten sind.

In gleicher Weise wird sowohl in dem in der Bewegung nach links zugeordneten Intervall T1 und in dem der Bewegung nach rechts zugeordneten Intervall T3 die Modulation durchgeführt, wodurch ein moduliertes Signal S erhalten wird, dessen Phasenverschiebung der Abweichung x entspricht, so daß die Anzahl der Bezugstakte, die in einer Periodendauer enthalten sind, von Acht abweicht.

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 T4 ein Stopintervall der beiden Skalen 1 und 2, kennzeichnet T5 ein einer Bewegung nach rechts zugeordnetes Intervall und T6 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 T4 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. 6(c) gezeigten sich ergebenden Zählwert, der in Fig. 6(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 Rücksetzsignales 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 T4 N=D ist, und damit werden keine Ausgangssignale an den Ausgangsanschlüssen t₁ und t₂ des Vergleichers 14 erzeugt.

In dem der Bewegung nach rechts zugeordneten Intervall T5 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, das D<N.

In diesem Beispiel wird an dem Ausgangsanschluß t₁ 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 t₁ 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 von dem Korrekturimpulsgenerator 15 erzeugter Bezugstaktimpuls einer Verschiebung, die durch Teilung des optischen Rasters in N gleiche Teile erreicht wird.

Bei der dargestellten Ausführungsform 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.

Wie in Fig. 1 zu sehen, wird der an dem Aufwärtszähleingang UP des Korrekturimpulsgenerators 15 erzeugte Bezugstaktimpuls 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 Vergleich 14 bewirkt wird, daß das Ausgangssignal am Ausgangsanschluß t1 gelöscht wird, um dadurch zu verhindern, daß der Korrekturimpulsgenerator 15 Korrekturimpulse ausgibt.

Es werden auch dem der Bewegung nach links zugeordneten Intervall T6 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 < D zum Ergebnis hat, so daß an dem Ausgangsanschluß tz des Vergleichers 14 ein Ausgangssignal erzeugt werden kann (Fig. 6(f)). Der Korrekturimpulsgenerator 15 empfängt das Ausgangssignal des Ausgangsanschlusses t₂, um einen in Fig. 6(h) gezeigten Korrekturtakt an dem Abwärtszählanschluß DN zu erzeugen, und führt dann den Korrekturakt einem (nicht dargestellten) Zählerkreis zu, um die Bewegung des Skalenteils nach links zu messen.

Gleichzeitig werden die Korrekturtakte auch dem Aufwärtszählanschluß UP des Vergleichszählers 13 zugeführt, um ein Aufwärtzählen des Zählwerts D durchzuführen, wie es in Fig. 6(d) gezeigt ist. In diesem Fall führt das Zuführen von zwei derartigen Korrekturtakten zu D=8, so daß die Bedingung D=N in dem Vergleicher 14 erfüllt werden kann, um zu bewirken, daß das Ausgangssignal am Ausgangsanschluß t₂ 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 Vergleichzähler 13 dem Vergleicher 14 zugeführt, der die Anzahl mit dem Bezugswert N vergleicht, um die Differenz zu zählen (entsprechend α in der oben beschriebenen 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 Bezugstaktes und durch Erhöhen der Teilungszahl N ausgeführt. Beispielsweise kann unter der Annahme, daß die Frequenz f₀ 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 f₀ des Taktgenerators und des Teilungsverhältnisses des Teilers erleichtern.

Claims (4)

1. Meßanordnung zur Erhöhung der Auflösung eines lichtelektrischen, inkrementalen Meßsystems, in dem durch die relative Bewegung zweier übereinanderliegender, mit der gleichen Teilung versehener optischer Raster ein Moir´muster entsteht, das so abgetastet wird, daß zwei um 90° phasenversetzte periodische A- und B-Signale gemessen werden, wobei die Meßanordnung enthält:

• - eine Modulationsvorrichtung zur Modulationsrichtung eines Trägersignals mittels der A- und B-Signale und
• - eine Detektoreinrichtung zur Auswertung des modulierten Trägersignals und des Modulationssignals,
• - einen Trägergenerator (9, 10) mit einem Taktgenerator (9) zum Erzeugen eines Bezugstaktes mit einer vorgegebenen Periodendauer und einem Teiler (10) zum Teilen des von dem Taktgenerator erzeugten Bezugstaktes, zum Erzeugen des Trägersignals mit einer Frequenz, die wesentlich größer ist als die der A- und B-Phasen-Signale, einen Additionskreis (8) zum Addieren der Ausgangssignale der Modulationsvorrichtung, um ein moduliertes Signal zu erzeugen, das den Betrag der Bewegung des Objekts als Phasenkomponente enthält, wobei als Detektoreinrichtung ein Zählerkreis zum Zählen der Anzahl von Bezugstakten, die in einer Periodendauer des von dem Modulations- und Additionskreis (8) erzeugten modulierten Signals enthalten ist, vorgesehen ist.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, 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.

3. Meßanordnung nach Anspruch 2, 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- und Abwärtszählimpuls an den Vergleichszähler (13) in Abhängigkeit von einem von dem Vergleicher (14) erhaltenen Vergleichsergebnis enthält.

4. Meßanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugswert die Teilungszahl (n) des Teilers (10) ist.