DE4244126C1

DE4244126C1 - Längen- oder Winkelmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE4244126C1
Application number: DE4244126A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl Ing Michel; Walter Dipl Ing Huber; Wolfgang Dipl Phys D Holzapfel
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1992-12-24
Filing date: 1992-12-24
Publication date: 1994-03-24
Anticipated expiration: 2012-12-25

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Längen- oder Winkelmeßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspru ches 1.

Herkömmliche Meßeinrichtungen der gattungsgemäßen Art sind empfindlich gegenüber Verkippungen der Abtast einheit in Bezug auf die Maßverkörperung.

Beim Anbau einer herkömmlichen Abtasteinheit ge genüber einem Maßstab müssen bestimmte Toleranzen eingehalten werden. Besonders eng sind diese Tole ranzen bezüglich einer Kippung um eine senkrecht auf dem Maßstab stehende Drehachse ("Moir´-Kip pung"). Die Empfindlichkeit der Meßeinrichtungen über einer Moir´-Kippung hängt von der Ausleuchtung der Strukturelemente des Maßstabes (z. B. Striche, Kreissegmente) senkrecht zur Meßrichtung ab. Je größer diese im Vergleich zur Signalperiode ist, desto genauer muß die Moir´-Kippung eingestellt werden. In herkömmlichen Meßeinrichtungen besitzt die Ausleuchtung des Maßstabes senkrecht zur Meßrich tung eine Ausdehnung in der Größenordnung von 1000 Signalperioden und es ergibt sich eine Toleranz bezüglich , Moir´-Verkippung im Bereich 1 mrad und darunter. Die Meßeinrichtung wird dadurch auch schwin gungsempfindlich. Es ist eine aufwendige Kippmecha nik erforderlich, die mit Hilfe geeigneter Meßge räte, z. B. Oszilloskop, genau justiert werden muß.

Dies ist insbesondere dann unerwünscht, wenn der Anbau der Abtasteinheit vom Anwender erfolgen soll.

Über die Ausleuchtung von Teilungsstrichen mittels anamorphotischer Optiken wird in der DE-AS 11 53 544 berichtet.

In der DE 37 37 278 C2 ist ein optischer Codierer mit mehreren Spuren beschrieben, die mit Hilfe von Zylinderoptiken abgetastet werden, deren Strich fokus quer zur Abtastrichtung orientiert ist.

Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Meßeinrich tung der eingangs genannten Art zu schaffen, die in weiten Grenzen unempfindlich gegenüber einer Moi r´-Kippung ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Meßeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst, wobei die Ausgestaltung gemäß der Unteransprüche erfolgen soll.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung liegen in der Unempfindlichkeit gegenüber Verkip pungen zwischen Abtasteinheit und Maßstab.

Anhand der Zeichnungen soll die Erfindung noch nä her erläutert werden.

Es zeigt:

Fig. 1 den Querschnitt einer Meßeinrich tung;

Fig. 2 den Querschnitt einer weiteren Meß einrichtung;

Fig. 3 ein Signaldiagramm;

Fig. 4 ein weiteres Signaldiagramm.

Eine in Fig. 1 dargestellte Meßeinrichtung 1 be sitzt innerhalb einer Abtasteinheit eine Beleuch tungseinheit, bestehend aus Lichtquelle 2 und Ab bildungsoptik 3, die so ausgelegt ist, daß die aus geleuchtete Fläche eines Maßstabes 4 parallel zur Meßrichtung X - die senkrecht zur Zeichnungsebene verläuft - eine große Länge und senkrecht dazu eine möglichst geringe Breite aufweist. Dadurch läßt sich die Empfindlichkeit gegenüber einer sogenann ten Moir´-Kippung erheblich verringern, ohne daß sich lokale Unregelmäßigkeiten der Maßstabsteilung 5 stark auf die von der Abtasteinrichtung geliefer ten Signale auswirken. Die Beleuchtungseinheit kann aus einer rechteckförmigen Lichtquelle 2 (LED) mit sehr großem Seitenverhältnis (Länge : Breite) be stehen, die durch ein Linsensystem auf den Maßstab abgebildet wird. Im Falle der Verwendung einer rechteckförmigen Lichtquelle muß diese so ausge richtet sein, daß deren Längsrichtung parallel zur Meßrichtung verläuft. Als derartige Lichtquellen können auch Laserarrays eingesetzt werden, die im wesentlichen aus linear angeordneten Einzel-Lasern bestehen. Zylinderlinsen können hier entfallen.

Ebenso kann auch eine Lichtquelle mit kleiner, strahlender Fläche über eine astigmatische Abbil dungsoptik auf den Maßstab abgebildet werden, wobei sich eine astigmatische Abbildungsoptik dadurch auszeichnet, daß sie unterschiedliche Brennweiten für zwei unterschiedliche Richtungen aufweist. Als derartige Lichtquelle können Laserdioden oder LEDs mit einem Abbildungsmaßstab von 1 senkrecht zur Meßrichtung verwendet werden.

Das Licht einer Lichtquelle 2 wird demgemäß durch eine Kondensorlinse 3a kollimiert und durch eine Zylinderlinse 3b senkrecht zur Meßrichtung X auf den Maßstab 4 fokussiert. Ist die Brennweite der Zylinderlinse 3b kleiner als die des Kondensors 3a, so wird die Lichtquelle 2 senkrecht zur Meßrichtung X verkleinert auf den Maßstab 4 abgebildet und es ergibt sich eine besonders geringe Breite der aus geleuchteten Maßstabsfläche. Damit das in nullter, resultierender Beugungsordnung zurücklaufende Strahlenbündel nicht wieder auf die Lichtquelle 2 abgebildet wird, werden zusätzliche, optische Ele mente wie Strahlteiler 6 oder ein Prisma vorgese hen, damit die zurücklaufenden Strahlenbündel auf Photoelemente 7 gelenkt werden.

Eine entsprechende Wirkung wird auch durch eine sogenannte Anamorphotische Abbildung erzielt, die durch gekreuzte Zylinderlinsen oder entsprechende Prismen realisiert werden kann. Bezüglich der De finition und Darstellung dieser Abbildungsmethode wird auf das Buch "Bauelemente der Optik; Naumann, Helmut; 1987; Hanser-Verlag" verwiesen.

In Fig. 2 ist die Variante dargestellt, bei der das zusätzliche optische Element durch ein Prisma 62 realisiert ist. Auf zusätzliche optische Mittel kann verzichtet werden, wenn die Lichtquelle in Meßrichtung zur optischen Achse versetzt angeordnet wird. In diesem Fall fällt das in nullter resul tierender Beugungsordnung zurücklaufende Strahlen bündel nicht wieder auf die Lichtquelle zurück.

Da im übrigen gleichwirkende Bauelemente in geeig neter Form vorliegen, sind sie sinngemäß mit glei chen Bezugszeichen versehen, denen die Figurenbe zifferung als Index nachgestellt ist.

In Fig. 3 ist ein Signaldiagramm dargestellt, das den Modulationsgrad m in Abhängigkeit von der Moi r´-Kippung Δk veranschaulicht. Bei diesem Signal diagramm gemäß dem Stand der Technik hat die ausge leuchtete Fläche am Maßstab etwa die Größe von 10 mm in der Länge und 3 mm in der Breite. Der Maßstab hat eine Teilungsperiode von 8 µm; die Signalperiode beträgt 4 µm.

In Fig. 4 ist ein Signaldiagramm dargestellt, wel ches bei einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung ermittelt wurde. Bei sonst gleichen Parametern be trägt hier die Breite der ausgeleuchteten Fläche am Maßstab - also quer zur Meßrichtung - nur 0,2 mm. Es ist ersichtlich, daß die Abhängigkeit von der Moi r´-Kippung Δk um ein Vielfaches abgenommen hat.

Diesen Vorteil erzielt man mit optischen Mitteln, die die Eigenschaften aufweisen, wie sie in den An sprüchen 1 und 9 aufgeführt sind.

Diese Art von Abbildungsoptik konzentriert das Licht in Strichrichtung auf den Maßstab, dadurch wird eine hohe Intensität am Maßstabs-Abtastort erzielt, was letztlich zu größeren Detektorsignalen führt.

Eine schlitzförmige Blende würde hingegen einen großen Teil des Lichtes absorbieren, so daß die Intensität am Maßstabs-Abtastort erheblich geringer wäre.

Grundsätzlich gilt, daß jede der erwähnten Beleuch tungen durch beliebig angeordnete Faseroptiken oder sonstige Lichtwellenleiter realisiert werden kann.

Bei Radialteilungen wird der Fachmann die Abtast einheit entsprechend gestalten.

Claims

1. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung mit wenigstens einer als Gitter ausgebildeten inkrementalen Maßverkörperung, die von einer in Meßrichtung relativ zur Maßverkörperung beweglichen, in einer Abtasteinheit befindlichen Teilung abge lesen wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abtasteinheit optische Mittel (3; 32) vorgesehen sind, die die Ausleuchtung des Abtastbereiches auf der Maßverkörperung (4; 42) begrenzen, indem sie den Strahlengang quer zur Meßrichtung (X) bündeln, jedoch im Verhältnis dazu in Meßrich tung (X) ausgedehnt lassen.

2. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß als optische Mittel astigma tisch wirkende optische Mittel (3; 32) vorgese hen sind.

3. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die astigmatisch wirkenden optischen Mittel (3; 32) eine Zylinderlinse (3b; 32b), deren Brennlinie parallel zur Meßrichtung (X) verläuft und einen Kondensor (3a; 32a) um fassen, der den Strahlengang in Meßrichtung (X) kollimiert.

4. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß als optische Mittel anamor photisch abbildende optische Mittel vorgesehen sind.

5. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß als anamorphotisch abbildende optische Mittel gekreuzte Zylinderlinsen oder Prismen vorgesehen sind.

6. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß zusätzliche optische Mittel (6; 62) vorgesehen sind, die das rücklaufende Strahlenbündel auf Photoelemente (7; 72) lenken.

7. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß das zusätzliche optische Mit tel ein Strahlteiler (6) ist.

8. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß das zusätzliche optische Mit tel ein Prisma (62) ist.

9. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung mit wenigstens einer Meßtei lungsspur auf einer Maßverkörperung, die von einer in Meßrichtung relativ zur Maßverkörperung beweglichen Abtasteinheit abgelesen wird, da durch gekennzeichnet, daß in der Abtasteinheit eine Lichtquelle mit stark unterschiedlichem Verhältnis von Länge zu Breite vorgesehen ist, deren Längsrichtung parallel zur Meßrichtung ausgerichtet ist, und die auf dem Maßstab abge bildet wird.

10. Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, daß die rechteckförmige Licht quelle insbesondere eine LED oder ein Laserarray ist.