DE3844704C2 - - Google Patents

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DE3844704C2
DE3844704C2 DE3844704A DE3844704A DE3844704C2 DE 3844704 C2 DE3844704 C2 DE 3844704C2 DE 3844704 A DE3844704 A DE 3844704A DE 3844704 A DE3844704 A DE 3844704A DE 3844704 C2 DE3844704 C2 DE 3844704C2
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Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Codierer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, der z. B. zur Positionsmessung bei Werkzeugmaschinen, z. B. Drehmaschinen, Walzanlagen, aber auch bei Anlagen zum Herstellen von Halbleiterbauelementen eingesetzt wird.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel für einen herkömmlichen optischen Absolutwert-Codierer (z. B. US-PS 46 33 224). Dieser Codierer besitzt eine Lichtquelle 11, z. B. eine Leuchtdiode, welche zur Messung dienendes Licht La aussendet, eine Kollimatorlinse 12, die das von der Lichtquelle 11 kommende Licht in paralleles Licht Lb umsetzt, eine erste Skala 13 mit auf der Oberfläche der Skala angeordneten, n (n ist eine natürliche Zahl) Codierspuren t₁, t₂ . . . tn, von denen jede Abschnitte 13A (hier als durchlässige oder transparente Abschnitte bezeichnet), die das parallele Licht Lb von der Kollimatorlinse 12 durchlassen, sowie Abschnitte 13B (hier als nicht-durchlässige Abschnitte oder opake Abschnitte bezeichnet), die das parallele Licht Lb nicht durchlassen, abwechselnd jeweils mit bestimmter Länge (hier auch als Gitterkonstante bezeichnet) enthält. Eine zweite Skala 14 enthält Durchlaßfenster 14A₁, 14A₂ . . . 14An, die durch transparente Abschnitte 13A hindurchgelassenes Licht passieren lassen. Die Fenster sind den einzelnen Codiererspuren t₁, t₂ . . . tn der ersten Skala zugeordnet. Fotoelektrische Wandlerelemente 15-1, 15-2 . . . 15-n sind den jeweiligen Durchlaßfenstern 14A₁, 14A₂ . . . 14An derart zugeordnet, daß sie Lichtstrahlen LC1, LC2 . . . LCn, die die Durchlaßfenster 14A₁ . . . 14An in Signale umsetzen, die den Intensitäten der Lichtstrahlen entsprechen.
Die in der Optik 10 des bekannten optischen Codierers verwendete erste Skala 13 ist mit einem Binärcode (Gray-Code) ausgestattet, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Die Gitterkonstanten P₁, P₂, P₃ . . . Pn-1, Pn zwischen benachbarten Spuren t₁ und t₂; t₂ und t₃ . . .; tn-1 und tn stehen im Verhältnis von 1 : 2. Die durch die transparenten Abschnitte 13A der jeweiligen Spuren t₁, t₂ . . . tn der ersten Skala 13 hindurchgelangten Lichtstrahlen LC1, LC2 . . . LCn, die auch durch die Durchlaßfenster 14A₁, 14A₂ . . . 14An der zweiten Skala 14, die den Spuren t₁ . . . tn der ersten Skala 13 zugeordnet sind, hindurchgetreten sind, fallen auf die den entsprechenden Durchlaßfenstern 14A₁ . . . 14An entsprechenden fotoelektrischen Wandlerelemente 15-1, 15-2 . . . 15-n und die Intensitäten der Lichtstrahlen ändern sich periodisch, da sich die erste Skala 13 in Längsrichtung (in Richtung des Pfeils m) bewegt. Ansprechend auf die Änderungen der Lichtintensitäten ändern sich die durch die fotoelektrischen Wandlerelemente 15-1 . . . 15-n gebildeten elektrischen Signale.
Fig. 3 zeigt diese periodischen Änderungen der elektrischen Signale S₁, S₂ . . . Sn in einer graphischen Darstellung, wobei auf der horizontalen Achse eine Verschiebung ml der ersten Skala 13 aufgezeichnet ist, während auf der vertikalen Achse die von den fotoelektrischen Wandlerelementen 15-1 . . . 15-n erhaltenen Signale S₁ . . . Sn aufgetragen sind.
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm des optischen Absolut-Codierers, bei dem die elektrischen Signale S₁, S₂ . . . Sn von jeweiligen Vergleichern 20 in digitale Signale d₁, d₂ . . . dn umgesetzt werden, und diese digitalen Signale, die Binärcodes darstellen, von einem Decoder 30 in Absolut-Positionsdaten D gewünschter Form, beispielsweise in einen BCD-Code umgesetzt werden.
Es gibt Bemühungen, das Auflösungsvermögen eines solchen optischen Absolut-Codierers zu erhöhen, um sehr feine Lageveränderungen erfassen und Absolutwerte für Stellungen innerhalb eines großen Hubbereichs feststellen zu können. Allerdings ist bei den herkömmlichen optischen Absolut-Codierern der oben erläuterten Art das Auflösungsvermögen dahingehend beschränkt, daß eine feinere Feststellung von Positionen, als sie der die kleinste Teilung aufweisende Gitterkonstante Pn der Spur tn aufweist, unmöglich ist, während der für die Messung insgesamt verfügbare Hub größenordnungsmäßig der Gitterkonstanten P₁ der Spur t₁ entspricht, wo die Unterteilung am gröbsten ist. Machte man den Versuch, das Auflösungsvermögen zu erhöhen und den Meßhub zu erweitern, so müßte unvermeidlich die Anzahl der Spuren zunehmen, so daß die Größe des Codierers ebenfalls zunähme, und man müßte eine größere Anzahl von Bauteilen, beispielsweise fotoelektrischen Wandlern und Vergleichern, vorsehen.
Auf dem Gebiet der Fertigungsmeßtechnik ist es bekannt, zur Positionsbestimmung die Beugung von Lichtstrahlen am Gitter auszunutzen (Fertigungsmeßtechnik, H.-J. Warnecke, Springer Verlag, Berlin 1984, Seiten 181 bis 185). Hierbei wird ein Phasengitter gegenüber einem Beleuchtungsspalt verschoben, wobei die verschiedenen Lichtbündel der einzelnen Beugungsordnungen an einem Photoempfänger eine sinusförmige Änderung der Lichtintensität hervorrufen.
Zur Positionsmessung eines Bauelements kann man einen linearen oder Drehcodierer einsetzen, der ebenfalls mit einem Beugungsgitter arbeitet, und bei dem die auf einen Photoempfänger auftreffenden, bei der Bewegung des zu messenden Teils wandernden Lichtbündel gezählt werden (DE 37 00 906 A1). Dies entspricht einer relativen Positionsbestimmung, gewünscht wird jedoch häufig eine Absolutwert-Positionsangabe.
Aus der US-PS 37 26 595 ist es bekannt, die Lageänderung eines Beugungsgitters dadurch festzustellen, daß die sich ändernden Interferenzmuster ausgewertet werden, die durch die durch die Lichtbündel der Beugungsordnungen in Verbindung mit einem Referenzstrahl erzeugt werden. Das Beugungsgitter ist gleichförmig ausgebildet, ebenso wie bei den oben erläuterten bekannten Codierern, die das Prinzip der Lichtbeugung am Gitter ausnutzen.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines optischen Codierers, der kompakt aufgebaut ist und ein im Vergleich zum Stand der Technik höheres Auflösungsvermögen sowie einen vergrößerten Meßhub bei der Absolut-Positionserfassung aufweist.
Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Patentansprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung in den abhängigen Patentansprüchen angegeben sind.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Optik des Codierers,
Fig. 6 eine Skizze einer Ausführungsform einer Gitterspur des Codierers,
Fig. 7 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer Detektorschaltung des Codierers,
Fig. 8 und 9 Skizzen, die jeweils ein Detektorverfahren veranschaulichen,
Fig. 10 eine perspektivische Skizze einer anderen Ausgestaltung einer Gitterspur des Codierers, und
Fig. 11 eine Skizze zum Erläutern des Grundprinzips der Ausführungsform der Erfindung.
Gemäß Fig. 11 trifft ein Laserstrahl L auf eine Skala 1, die mit einer (Beugungs-)Gitterspur T versehen ist, in der sich transparente Abschnitte und opake Abschnitte mit vorbestimmter Gitterkonstante abwechseln. Das kohärente Licht L tritt durch die transparenten Abschnitte hindurch und wird zu mehreren Beugungslichtstrahlen L₀, L±1 . . . L+n gebeugt (im folgenden werden diese Lichtstrahlen als Beugungslichtstrahlen oder -streifen n-ter Ordnung bezeichnet; n ist eine natürliche Zahl). Von den Beugungslichtstrahlen n-ter Ordnung, L+n und L-n definierte (im folgenden als Beugungswinkel bezeichnete) Winkel ±Rn bezüglich des kohärenten Lichts L lassen sich durch nachstehende Formel (5) ausdrücken, bei der λ die Wellenlänge des kohärenten Lichts L und P die Gitterkonstante der Gitterspur T ist:
Deshalb befinden sich Lichtflecken der positiven und negativen Beugungslichtstreifen L+1 und L-1, die auf einen Schirm 2, der von der Skala 1 einen Abstand S aufweist, projiziert werden, auf eine Linie, die zu der Gitterlinie senkrecht verläuft, und die Lichtflecken haben einen Abstand d₁. Allgemein läßt sich der Abstand dn durch folgende Gleichung (6) ausdrücken:
Wenn das kohärente Licht L in eine Skala eintritt, die mit einer Gitterspur ausgestattet ist, die ortsabhängig unterschiedliche Gitterlinienrichtungen besitzt, erhält man aus willkürlich gewählten positiven und negativen Beugungslichtstrahlen L+n und L-2 gleicher Ordnung Lichtflecken, anhand derer sich die Lagemessung auf der Skala durchführen läßt aufgrund der Winkelbewegung (Drehung) der Lichtflecken.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.
Fig. 5 ist eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Optik eines optischen Absolutwert-Codierers nach der Erfindung. Eine Lichtquelle 301, z. B. eine Laserdiode (LD) gibt kohärentes Licht LI ab, eine Kollimatorlinse 302 bündelt das Licht LI zu einem parallelen Lichtstrahl LJ, ein Schlitz 303 läßt dieses parallele Licht LJ teilweise als Lichtstrahl LK vorbestimmter Breite durch, eine langgestreckte Skala 304 besitzt auf ihrer Oberfläche eine im folgenden als Gitterspur bezeichnete Beugungsgitterspur TC mit Abschnitten, die den Lichtstrahl LK durchlassen, und opakten Abschnitten, die mit den transparenten Abschnitten abwechseln, wobei das gleiche Öffnungsverhältnis und die gleiche Gitterkonstante gegeben sind, jedoch unterschiedliche Richtungen vorliegen; eine Fokussierlinse 305 fokussiert mehrere Beugungslichtstrahlen (nicht gezeigt) nach der Beugung durch die Gitterspur TC, eine Sperrplatte 306 blockiert von den Beugungslichtstrahlen lediglich den Beugungslichtstrahl LL₀ erster Ordnung, und ein Lichtfleckpositions-Detektorelement 307, z. B. ein Bildsensor, erfaßt die Positionen der Lichtflecke LP±1 des positiven und negativen Beugungslichtstrahls gleicher Ordnung (in der Figur handelt es sich um die Lichtstrahlen LM±1 erster Ordnung), die durch die Sperrplatte 306 hindurchgelangt sind, und wandelt die Positionen der Lichtflecken in elektrische Signale um. Lichtquelle 301, Linse 302, Schlitz 303, Fokussierlinse 305 und Sperrplatte 306 sind auf einer Linie ortsfest angeordnet und sind relativ zu der Skala 304 beweglich. In der Zeichnung ist es jedoch so dargestellt, daß die Skala 304 sich linear in Längsrichtung E oder F bewegt.
Wie Fig. 6 zeigt, besitzt die in der Optik 300 des Codierers verwendete Skala 304 eine Gitterspur TC mit gleichem Öffnungsverhältnis und gleicher Gitterkonstante, jedoch mit unterschiedlichen Richtungen der transparenten und opaken Abschnitte in einem Abschnitt lab. Wenn sich die Stelle der Messung in der Reihenfolge k, l, m, n ensprechend der Bewegung der Gitterspur TC bewegt, dreht sich die Orientierung der Gitterlinien im Uhrzeigersinn und kehrt am Punkt o in die gleiche Richtung zurück, die auch beim Punkt k vorliegt. Die Lichtflecke LP+1 und LP-1 der Beugungslichtstrahlen LM±1 erster Ordnung auf dem Detektor 307 drehen sich auf dem Umfang mit dem Durchmesser d₁ des Detektors 307 konstant in einem Intervallwinkel von 180°, wenn sich die Skala 304 in Richtung E oder F bewegt (in Fig. 20 bedeutet die Drehung die Reihenfolge k′, l′, m′, n′, o′). Unter Heranziehung des Drehungswinkels läßt sich die Stellung der Skala 304 ermitteln.
Da die Richtung der Gitterlinien zum Drehen der Lichtflecke verwendet wird, kann man die Richtungsänderung der Gitterlinien in dem Abschnitt lab frei ändern. Die Lage der Skala kann man feststellen unter Verwendung des Drehungswinkels der Lichtflecke irgendwelcher positiver und negativer Beugungslichtstrahler gleicher Ordnung.
Fig. 7 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer Leseeinrichtung, mit deren Hilfe Positionsdaten aus den von dem Lichtfleckpositions-Detektorelement 307 ausgegebenen elektrischen Signalen erhalten werden können. Positive und negative Beugungslichtstrahlen gleicher Ordnung werden herausgegriffen, um diesen Zweck zu erreichen. Z. B. werden die Positionen zweier Lichtflecke LP+1 und LP-1 aus den Beugungslichtstrahlen LM±1 erster Ordnung von dem Lichtfleckpositions-Detektorelement 307 in elektrische Signale (X+1, Y+1) und (X-1, Y-1) umgesetzt, welche die Koordinaten (X, Y) gemäß Fig. 8 darstellen. Subtrahierer 311A und 311B ermitteln die Strecke für die X-Achse (X+1-X-1), sowie die Strecke für die Y-Richtung (Y+1-Y-1) zwischen den Lichtflecken, um die Ergebnisse auf einen Vergleicher 312 und einen Teiler 313 zu geben. Der Vergleicher 312 vergleicht die Strecke und die Strecke (||≧|| oder (||<||), und gibt das Ergebnis auf den Teiler 313. Gilt ||≧||, so berechnet der Teiler 313 /, gilt hingegen ||<||, so berechnet er /, und das Ergebnis wird auf einen Datenumsetzer 314 gegeben.
Fig. 9 zeigt Beispiele für die Beziehung zwischen dem Quotienten / oder / und der Position auf der Skala 304, den Positionen der Lichtflecke auf dem Detektor 307 und das Vergleichsergebnis CR, das von dem Vergleicher 312 ermittelt wird. Die Skala 304 ist hier mit einer Gitterspur TC ausgestattet, gemäß der die Position der Skala 304 proportional ist zu Änderungen der Gitterlinienrichtung. Wenn die Skala 304 ihre Lage ändert, definiert der Quotient / innerhalb des Bereichs ||≧|| eine Tangens-Funktion, während der Quotient / innerhalb des Bereichs ||<|| eine Cotangens-Funktion definiert. Der Datenumsetzer 314 berechnet tan-1 (/), wenn das vom Vergleicher 312 gelieferte Ergebnis ||≧|| ist, und berechnet cot-1 (/), wenn das Ergebnis ||<|| ist, um den Gradienten Φ der die Flecke LP+1 und LP-1 verbindenden geraden Linie zu ermitteln, und er gibt entsprechende Positionsdaten DP aus, die kennzeichnend sind für die Positionen der Skala 304, und die vorab gespeichert wurden. Selbst wenn die Skala 304 mit einer Gitterspur TC ausgestattet ist, bei der die Lage der Skala 304 nicht proportional zu Änderungen der Gitterlinienrichtung ist, lassen sich Positionsdaten DP in einfacher Weise dadurch erhalten, daß vorab solche Positionsdaten für die Skala 304 gespeichert werden, die dem Quotienten / oder / in dem Umsetzer 314 entsprechen.
Anstatt mit Durchlaßlicht kann man auch mit reflektiertem Licht arbeiten. Das an der Skala reflektierte Licht bildet Beugungslichtstrahlen, da Transmissionslicht und reflektiertes Licht sich gleich verhalten. Wird mit reflektiertem Licht gearbeitet, befinden sich Lichtquelle, Kollimatorlinse, Schlitz, Fokussierlinse, Sperrplatte und Lichtfleckpositions-Detektorelement auf der gleichen Seite der Skala, und die Skala enthält Abschnitte, die Licht reflektieren, und Abschnitte, die kein Licht reflektieren. Hat die Skala gemäß Fig. 10 die Form einer Scheibe, so ist die Gitterspur TC ringförmig auf der Oberfläche der Scheibe angeordnet, und wenn sich die Scheibe 308 um ihren Mittelpunkt dreht, lassen sich die Winkel als Absolutwerte feststellen. Während beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel Lichtquelle und Lichtfleckpositions-Detektorelement fest angeordnet sind, während sich die Skala zur Positionsmessung bewegt, kann auch die Skala ortsfest sein, wohingegen Lichtquelle und Detektorelement bewegt werden.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen optischen Codierers läßt sich ein Absolutwert der Lage innerhalb eines großen Meßbereichs in einfacher Weise dadurch erfassen, daß man anstelle mehrerer Codierspuren bei herkömmlichen Codierern lediglich eine Gitterspur vorsieht. Dies minimiert die Größe des Codierers und der zugehörigen Bauteile und reduziert die Herstellungskosten erheblich.

Claims (15)

1. Optischer Codierer mit einer Lichtquelle, die kohärentes, paralleles Licht aussendet, einer Skala (304) die mit einer Spur aus lichtsperrenden und nicht-sperrenden Abschnitten versehen ist, und einer Lichtdetektoreinheit, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
  • - die Spur ist als Bezugsgitterspur (TC) ausgebildet,
  • - deren Abschnitte gleiche Öffnungsverhältnisse und gleiche Gitterkonstante, jedoch unterschiedliche Gitterlinienrichtungen aufweisen,
  • - die Lichtdetektoreinheit ist als Lichtfleckpositions-Detektoreinheit (307) ausgebildet, die positive und negative Beugungslichtstrahlen gleicher Ordnung aus den von der Skala (304) durch Beugung gebildeten Lichtstrahlen empfängt, die Lichtfleckpositionen der positiven und negativen Beugungslichtstrahlen gleicher Ordnung erfaßt und die Lichtfleckpositionen in elektrische Signale umsetzt.
2. Codierer nach Anspruch 1, bei dem die Lichtquelle aufweist: eine kohärentes Licht aussendende Lichtquelle (301), eine das kohärente Licht zu parallelem Licht bündelnde Kollimatorlinse (302), und eine Schlitzblende (303), die das parallele Licht auf eine bestimmte Breite begrenzt.
3. Codierer nach Anspruch 2, bei dem die Lichtquelle eine Laserstrahlquelle ist.
4. Codierer nach Anspruch 1, bei dem die Lichtquelle und die Detektoreinheit (307) auf gegenüberliegenden Seiten der Skala (304) liegen, während die nicht-lichtblockierenden Abschnitte der Skala das von der Lichtquelle kommende, parallele Licht zur Beugung durchlassen.
5. Codierer nach Anspruch 1, bei dem die Lichtquelle und die Detektoreinheit auf der gleichen Seite der Skala angeordnet sind, und daß die nicht-lichtblockierenden Abschnitte der Skala das von der Lichtquelle kommende, parallele Licht zur Beugung reflektieren.
6. Codierer nach Anspruch 1, bei dem die Relativbewegung der Skala gegenüber Lichtquelle und Detektoreinheit durch Bewegen der Skala erfolgt.
7. Codierer nach Anspruch 1, bei dem die Relativbewegung der Skala gegenüber Lichtquelle und Detektoreinheit durch Bewegen von Lichtquelle und Detektoreinheit erfolgt.
8. Codierer nach Anspruch 1, bei dem die Skala eine mit der Gitterspur (TC) ausgestattete längliche Platte ist, während die Relativbewegung linear ist.
9. Codierer nach Anspruch 1, mit einer als Scheibe ausgebildeten Skala, wobei die Relativbewegung eine Drehbewegung ist.
10. Codierer nach Anspruch 1, bei dem die Lichtfleckpositions-Detektoreinheit (307) aufweist: eine Fokussierlinse (305), die die durch die Skala durch Beugung gebildeten Lichtstrahlen fokussiert, eine Sperrplatte (306), die lediglich Beugungslicht nullter Ordnung aus der Fokussierlinse (305) sperrt, und ein Lichtfleckpositions-Detektorelement (307), welches Lichtfleckpositionen von Beugungslichtstrahlen erfaßt, die durch die Sperrplatte (306) hindurchgelangt sind, und die die Lichtfleckpositionen umsetzt in elektrische Signale.
11. Codierer nach Anspruch 10, bei dem das Lichtfleckpositions-Detektorelement ein Bildsensor ist, der Lichtfleckpositionen in elektrische Signale umsetzt.
12. Codierer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine Leseeinrichtung (310), die einen Drehwinkel der Lichtflecke der positiven und der negativen Beugungslichtstrahlen gleicher Ordnung aus den von der Detektoreinheit (307) ausgegebenen Signalen, die sich mit der Relativbewegung der Skala gegenüber der Detektoreinheit ändern, ermittelt, und die den Drehwinkel mit Hilfe einer Umsetzeinrichtung (314) in Positionsdaten der Skala (304) umsetzt.
13. Codierer nach Anspruch 12, bei dem die Leseeinrichtung aufweist: einen Subtrahierer (311A, 311B), der eine Differenz ermittelt zwischen von der Detektoreinheit (307) ausgegebenen Lichtflecken zwischen positiven und negativen Beugungslichtstrahlen gleicher Ordnung auf orthogonalen Koordinaten, um orthogonale Komponenten einer die Lichtflecke verbindenden Linie zu berechnen, einen Vergleicher (312), der die von dem Subtrahierer ermittelten orthogonalen Komponenten vergleicht, einen Teiler (313), der die von dem Subtrahierer kommenden orthogonalen Komponenten und das von dem Vergleicher gelieferte Vergleichsergebnis dividiert, und eine Umsetzeinrichtung (314), die die von dem Teiler (313) gebildeten Quotienten in Positionsdaten der Skala umsetzt.
14. Codierer nach Anspruch 13, bei dem die Umsetzeinrichtung aufweist: einen Speicher, in welchem vorab Drehwinkel der Lichtflecke der positiven und der negativen Beugungslichtstrahlen gleicher Ordnung entsprechend den Mustern der Gitterspur, die sich mit der Relativbewegung der Skala gegenüber Lichtquelle und Detektoreinheit ändern, gespeichert sind, und einen Vergleicher, der die Drehwinkel aus den von dem Teiler gebildeten Quotienten ermittelt, die Drehwinkel in Beziehung setzt zu den in dem Speicher abgespeicherten Drehwinkeln, und entsprechende Positionsdaten der Skala ausgibt.
15. Codierer nach Anspruch 13, bei dem die Umsetzeinrichtung aufweist: einen Speicher, in welchem vorab die Quotienten nach Maßgabe des Musters der Gitterspur, das sich mit der Relativbewegung der Skala gegenüber Lichtquelle und Detektoreinheit ändert, gespeichert sind, und einen Vergleicher, der die von dem Teiler berechneten Quotienten in Beziehung setzt zu in dem Speicher gespeicherten Quotienten, und der entsprechende Positionsdaten der Skala ausgibt.
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