DE4323624A1 - Lichtelektrische Längen- oder Winkelmeßeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine lichtelektrische Län­ gen- oder Winkelmeßeinrichtung gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruches 1.

Derartige Meßeinrichtungen werden insbesondere bei Bearbeitungsmaschinen zur Messung der Relativlage eines Werkzeuges bezüglich eines zu bearbeitenden Werkstückes sowie bei Koordinatenmeßmaschinen zur Ermittlung von Lage und Abmessungen von Prüfobjek­ ten eingesetzt.

Aus der DE 19 05 392 B und der DE 40 06 789 A1, von der unsere Erfindung ausgeht, ist ein inkrementales lichtelektrisches Meßsystem bekannt, bei dem das Abtastgitter direkt auf die lichtempfindliche Fläche eines Halbleitersubstrates aufgebracht ist. Das Abtastgitter ist direkt auf der ebenen Licht­ aufnahmefläche aufgedruckt oder aufgeklebt.

Weiterhin ist es bekannt, die Gitterlinien des Ab­ tastgitters selbst als Empfangselemente in Form von lichtempfindlichen Streifen zu fertigen. Eine der­ artige Abtasteinheit ist in der DE 19 62 099 B be­ schrieben. Die Linien des Abtastgitters sind ab­ wechselnd transparent und nicht transparent ausge­ bildet, wobei die nicht transparenten Linien auf einer Seite lichtempfindlich sind. Hierzu sind auf einem Substrat streifenförmig positiv und negativ dotierte Halbleiterschichten übereinander aufge­ bracht.

Eine ähnliche Einrichtung ist in der DE 32 09 043 A1 beschrieben. Das Abtastgitter ist ein Halblei­ terelement auf dem aktive lichtempfindliche Linien als Empfangselemente und lichtabschirmende passive Linien abwechselnd in Meßrichtung aufeinanderfol­ gend angeordnet sind.

In vielen Fällen ist es erforderlich, daß zur Bil­ dung eines die aktuelle Position bestimmenden Wer­ tes mehrere gegeneinander phasenverschobene Abtast­ signale erzeugt werden müssen. So ist es beispiels­ weise zur Erkennung der Bewegungsrichtung erforder­ lich, daß zumindest zwei um 90° phasenverschobene Abtastsignale gebildet werden. Weiterhin ist es vorteilhaft, daß zu einem Abtastsignal das um 180° dagegen phasenverschobene Abtastsignal erzeugt wird, um aus beiden Abtastsignalen ein nullsymme­ trisches Signal zu erhalten. Nach der DE 19 05 392 B sind hierzu vier um 1/4 der Teilungsperiode ge­ geneinander phasenverschobene Gitterteilungen vor­ gesehen. Diese Gitterteilungen sind senkrecht zur Meßrichtung übereinander angeordnet. Dies hat den Nachteil, daß jede Öffnung der Gitterteilung nur einen Bruchteil der Länge eines Maßstabstriches abtastet. Die Intensität der Abtastsignale ist da­ her sehr gering und partielle Verschmutzungen des Maßstabes verfälschen die Abtastsignale erheblich.

Bei der DE 40 06 789 A1 sind die Abtastgitter zur Erzeugung von phasenverschobenen Abtastsignalen um einen Bruchteil einer Teilungsperiode gegeneinander versetzt angeordnet. Die den Abtastgittern zugeord­ neten lichtempfindlichen Flächen sind ebenfalls um diesen Bruchteil einer Teilungsperiode voneinander beabstandet. Diese Anordnung hat bei kleinen Git­ terkonstanten den Nachteil, daß durch Übersprechen eine gegenseitige Beeinflussung der Abtastsignale erfolgt, was zu Meßfehlern führt. Weiterhin wird ebenfalls nur ein kleiner Bereich der Teilung des Maßstabes zur Erzeugung eines Abtastsignales heran­ gezogen.

Bei inkrementalen Meßsystemen sind die phasenver­ schobenen Abtastsignale besonders gleichmäßig und unabhängig von partiellen Verschmutzungen des Maß­ stabes, wenn alle phasenverschobenen Abtastsignale von einem möglichst kleinen Maßstabbereich erzeugt werden. Diese Art der Abtastung wird auch als Ein­ feldabtastung bezeichnet. Aus der GB-PS 1311275 ist ein derartiges Meßsystem bekannt. Die Abtasteinheit besteht aus mehreren hintereinander angeordneten Gruppen von lichtempfindlichen Streifen als Em­ pfangselemente. Zur Erzeugung gegeneinander phasen­ verschobener Abtastsignale sind die Streifen inner­ halb einer Gruppe phasenversetzt angeordnet. Die jeweils phasengleichen Streifen der Gruppen sind parallel zueinander geschaltet. Diese Anordnung hat den großen Nachteil, daß bei kleinen Gitterkonstanten die Abtastsignale durch Überspre­ chen verfälscht werden.

Bei der DE 33 08 841 bilden mehrere nebeneinander­ liegende Empfangselemente mit gleicher Phasenlage eine Gruppe. Mehrere Gruppen unterschiedlicher Pha­ senlagen sind nach bestimmten Symmetriebedingungen angeordnet. Dies hat den Nachteil, daß Inhomogeni­ täten der Lichtquelle die Abtastsignale verfälschen können. Demgegenüber hat die Erfindung den Vorteil, daß durch die Anordnung vieler Gruppen hintereinan­ der Inhomogenitäten der Lichtquelle sowie des Maß­ stabes keinen negativen Einfluß auf die Abtastsi­ gnale und somit auf die Meßgenauigkeit haben.

Um ein Übersprechen zu vermeiden, wurde in der DE 33 08 841 A1 weiterhin vorgeschlagen, die einzelnen Empfangselemente in einem Abstand anzuordnen, der ein Vielfaches der Teilungsperiode des Maßstabes ist. Dies hat aber den Nachteil, daß die einzelnen Empfangselemente für kleine Gitterkonstanten schwer zu fertigen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Po­ sitionsmeßeinrichtung zu schaffen, bei der die Ab­ tastsignale eine hohe Güte aufweisen und somit eine hohe Meßgenauigkeit gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merk­ male des Anspruches 1 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch eine quasi Einfeld­ abtastung die phasenverschobenen Signale von einem kleinen Maßstabbereich abgeleitet werden und da­ durch partielle Verschmutzungen die Messung nicht verfälschen. Weiterhin wird ein Übersprechen von einem Empfangselement zum anderen auch bei sehr kleinen Teilungsperioden verhindert. Durch die di­ rekte Ausbildung des Abtastgitters auf dem Halb­ leitersubstrat ist eine gute Lichtumwandlung mit einem hohen Wirkungsgrad gewährleistet.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine lichtelektri­ sche Längenmeßeinrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Draufsicht der Abtastplatte nach Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt der Abtast­ platte nach Fig. 2;

Fig. 4 eine Draufsicht einer zweiten Ausführungsform der Abtastplat­ te;

Fig. 5 einen Querschnitt der Abtast­ platte nach Fig. 4 und

Fig. 6 eine weitere schematische Dar­ stellung einer erfindungsgemäß ausgebildeten Längenmeßeinrich­ tung.

Fig. 1 zeigt das Funktionsprinzip einer lichtelek­ trischen Längenmeßeinrichtung. Diese Längenmeßein­ richtung besteht aus einer Lichtquelle 1, deren Licht von einer Linse 2 gebündelt und auf einen Maßstab 3 gerichtet wird. Der Maßstab 3 ist ein Glaskörper, an dessen Oberfläche eine inkrementale Teilung 4 in Form von lichtdurchlässigen und licht­ undurchlässigen Strichen aus Chrom aufgebracht ist. Die Breite eines lichtdurchlässigen und lichtun­ durchlässigen Striches wird Teilungsperiode genannt und ist mit T1 bezeichnet. Das Licht von der Licht­ quelle 1 fällt durch die lichtdurchlässigen Striche der Teilung 4 auf eine Abtastplatte 5. Der Maßstab 3 ist relativ zur Abtastplatte 5 in Meßrichtung X beweglich, wodurch eine Modulation des Lichtes, das auf die Abtastplatte 5 fällt, erfolgt.

Die Abtastplatte 5 ist ein Halbleitersubstrat, auf dem mehrere gegeneinander phasenverschobene Abtast­ teilungen aufgebracht sind. Die Abtastplatte 5 ist in den Fig. 2 und 3 im Detail dargestellt. Die Abtastplatte 5 besteht aus einem Grundkörper 6 aus Glas, Halbleitermaterial oder Metall. Auf diesem Grundkörper 6 ist eine Halbleiterschicht 7 vom N- Typ aufgebracht, in der voneinander beabstandete Bereiche 8 vom P-Typ ausgebildet sind. Durch den so gebildeten PN-Übergang sind diese Bereiche 8 licht­ empfindliche Flächenbereiche. Die Breite B eines dieser Flächenbereiche 8 in Meßrichtung X ist so gewählt, daß mit bekannten Verfahren wie Diffusion eine einfache Herstellung möglich ist. Typische Werte für die Breite B liegen im Bereich 20 bis 100 µm. Typische Werte für den Abstand A zwischen den einzelnen lichtempfindlichen Flächenbereichen 8 liegen bei 20 bis 50 µm oder größer, so daß ein Übersprechen von einem Flächenbereich 8 zum dane­ benliegenden Flächenbereich 8 ausgeschlossen ist.

Im gezeigten Beispiel sollen zwei um 180° gegenein­ ander phasenverschobene Abtastsignale erzeugt wer­ den. Um eine quasi Einfeldabtastung zu erreichen, dient der erste lichtempfindliche Flächenbereich 8.1 zur Bildung des 0°-Abtastsignales und der darauffolgende lichtempfindliche Flächenbereich 8.2 zur Bildung des 180°-Abtastsignales. Auf den Flä­ chenbereichen 8 ist jeweils ein Abtastgitter 9 auf­ gebracht, das aus abwechselnd transparenten und nichttransparenten Bereichen mit der Teilungsperio­ de T2 besteht. Die nichttransparenten Gitterlinien sind Aluminiumstreifen, die als Elektroden zum Ab­ führen der elektrischen Ladung dienen. Die Breite B der lichtempfindlichen Flächenbereiche 8 beträgt ein Vielfaches der Teilungsperiode T2 des Abtast­ gitters 9. Typische Werte der Teilungsperiode T2 liegen im Bereich von 4 bis 20 µm. Die Strukturie­ rung des Abtastgitters 9 ist mit bekannten ein­ fachen Verfahren der Photolithographie möglich. Der Abstand A zwischen den lichtempfindlichen Flächen­ bereichen 8 beträgt ebenfalls ein Vielfaches der Teilungsperiode T2 des Abtastgitters 9. Der Begriff Vielfaches bedeutet dabei keine Einschränkung auf ganzzahlig Vielfaches.

Damit Abtastsignale hoher Intensität gebildet wer­ den können, sind für jedes Abtastsignal einer be­ stimmten Phasenlage viele lichtempfindliche Flä­ chenbereiche 8.1, 8.3 bzw. 8.2, 8.4 vorgesehen, die elektrisch miteinander verbunden sind. Dies hat auch den Vorteil, daß eine Mittelung des Abtastsignales über einen großen Maßstabbereich erfolgt und somit partielle Verschmutzungen oder Teilungsfehler des Maßstabes 3 das Abtastsignal nicht zu sehr beeinflussen. Im gezeigten Beispiel nach Fig. 2 ist die Länge des Abtastbereiches, in dem eine Gruppe lichtempfindlicher Flächenbereiche 8.1 und 8.2 zur Erzeugung gegeneinander phasen­ verschobener Abtastsignale angeordnet ist, mit C bezeichnet. Auf der Abtastplatte 5 sind zwei Grup­ pen in Meßrichtung X hintereinander angeordnet.

Die Flächenbereiche 8.1 und 8.2 bilden die erste Gruppe und die Flächenbereiche 8.3 und 8.4 die zweite Gruppe. Die Flächenbereiche 8.1 und 8.3 mit der gleichen Phasenlage sind elektrisch miteinander verbunden. Ebenso die Flächenbereiche 8.2 und 8.4.

Das Abtastgitter 9 ist auf den lichtempfindlichen Flächenbereichen 8 innerhalb einer Gruppe jeweils um einen Bruchteil einer Teilungsperiode T2 phasen­ versetzt aufgebracht.

Eine Gruppe von aufeinanderfolgenden Flächenberei­ chen kann auch aus mehr als zwei Flächenbereichen bestehen. Beispielsweise aus vier Flächenbereichen zur Erzeugung von um 90° gegeneinander phasenver­ schobenen Abtastsignalen oder aus drei Flächenbe­ reichen zur Erzeugung von um 120° gegeneinander phasenverschobenen Abtastsignalen. Ebenso sind vor­ teilhaft mehr als zwei Gruppen aufeinanderfolgend in Meßrichtung X in einem gemeinsamen Halbleiter­ substrat ausgebildet.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Er­ findung ist in den Fig. 4 und 5 gezeigt. Die gezeigte Abtastplatte 5 besteht ebenfalls wieder aus Bereichen 8 vom Typ P die in einer Halbleiter­ schicht 7 vom Typ N ausgebildet sind. Anstelle der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Elektroden 9 sind in diesem Fall am Rand der P-Bereiche 8 elektrische Kontakte 10 zum Abführen der elektrischen Ladung vorgesehen. Auf einer folgenden Isolierschicht 11 ist das Abtastgitter 9 als lichtundurchlässige Streifen aus Chrom aufgebracht. Die Abmessungen T2, A, B und C sind identisch mit der Ausführung nach Fig. 2. Diese Ausbildung hat den Vorteil, daß ein Standard-Halbleitersubstrat verwendet werden kann, auf das im letzten Arbeitsschritt ein Abtastgitter 9 mit beliebig feiner Teilungsperiode T2 aufge­ bracht wird.

Die lichtempfindlichen Flächenbereiche 8 sind in den gezeigten Beispielen als Photodioden ausgebil­ det. Durch Ausbilden eines weiteren PN-Überganges in den lichtempfindlichen Flächenbereichen 8 können aber auch Phototransistoren realisiert werden. Nä­ here Erläuterungen erübrigen sich, da Einzelheiten zur Erzeugung von lichtempfindlichen Flächenberei­ chen bzw. Elementen im genannten Stand der Technik beschrieben sind.

In Fig. 6 ist ein weiteres Beispiel der Erfindung im Prinzip dargestellt. In diesem Fall wird der Maßstab 3 von einer gitterförmigen Halbleiter- Lichtquelle 12 beleuchtet. Diese Lichtquelle 12 kann ein flächig lichtemittierendes Halbleiterele­ ment sein, auf dem das Gitter 13 aufgebracht ist. Eine derartige Lichtquelle 12 ist in der US-PS 5,155,355 beschrieben. Die Lichtquelle 12 kann aber auch aus einzelnen voneinander beabstandeten strichförmigen lichtemittierenden Einzelelementen bestehen, die in einem Halbleitersubstrat ausgebil­ det sind.

Um bei der Relativbewegung zwischen der Lichtquelle 12, Abtastplatte 5 und des Maßstabes 3 oberwellen­ freie Abtastsignale zu erhalten, weicht das "Steg- Lücken"-Verhältnis der Lichtquelle 12 von dem der Abtastplatte 5 ab. Die Verhältnisse sind beispiels­ weise so gewählt, wie in der DE 12 82 988 B be­ schrieben. Die Breite L (Lücke) der lichtemittie­ renden Striche beträgt

der Abstand S (Steg) der lichtemittierenden Striche beträgt

wobei P die Teilungsperiode der Lichtquelle 12, n die Ordnungszahl einer zu eliminierenden Oberwelle der Abtastsignale und m1 sowie m2 ganze Zahlen sind, die der Bedingung m1 + m2 = n genügen. Zur Eliminierung einer weiteren Oberwelle weist das Abtastgitter 9 der Abtastplatte 5 ein davon abwei­ chendes "Steg-Lücken"-Verhältnis auf. Wobei hier als Steg der Abstand K und als Lücke die Breite V der lichtundurchlässigen Streifen des Abtastgitters 9 definiert ist.

Das Abtastgitter 5 ist beispielsweise

geteilt, so daß alle geradzahligen Oberwellen un­ terdrückt werden. Die Lichtquelle 12 ist beispielsweise

geteilt, so daß zusätzlich die 3., 6., 9. usw. Oberwellen unterdrückt werden.

Die Erfindung ist bei Längen- und Winkelmeßsystemen einsetzbar.

In nicht gezeigter Weise kann das Abtastgitter je­ des lichtempfindlichen Bereiches derart ausgebildet sein, daß von jedem Bereich ein oberwellenfreies Abtastsignal erzeugt wird, d. h., daß das Abtastgit­ ter eine Filterfunktion besitzt. Dies kann erreicht werden, indem die Außenkontur der lichtempfindli­ chen Flächenbereiche sinusförmig begrenzt ist, ähn­ lich der Frequenzfilterblende gemäß der DE 19 41 731 C. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die lichtundurchlässigen Streifen des Abtastgitters eines Bereiches nach einer sinus-Funktion anzuord­ nen, wie es im Prinzip aus der EP 0 157 177 B1 und der EP 0 541 827 A1 bekannt ist.

Claims (9)

1. Lichtelektrische Längen- oder Winkelmeßeinrich­ tung zur Positionsbestimmung relativ zueinander verschiebbarer Gitter, bei der eine Abtastplatte zur Erzeugung zumindest eines positionsabhängi­ gen Abtastsignales von einer Lichtquelle be­ leuchtet wird, wobei die Abtastplatte (5) ein Halbleitersubstrat ist, in dem mehrere in Meß­ richtung (X) beabstandete lichtempfindliche Flä­ chenbereiche (8) ausgebildet sind, auf deren Oberfläche jeweils ein Abtastgitter (9) mit meh­ reren Teilungsperioden (T2) aus abwechselnd transparenten und nicht transparenten Bereichen aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (A) zwischen den einzelnen lichtempfind­ lichen Flächenbereichen (8) ein Vielfaches der Teilungsperiode (T2) des Abtastgitters (9) ist.

2. Lichtelektrische Längen- oder Winkelmeßeinrich­ tung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere in Meßrichtung (X) aufeinanderfol­ gende lichtempfindliche Flächenbereiche (8.1, 8.2; 8.3, 8.4) eine Gruppe bilden, die gegen­ einander phasenverschobene Abtastsignale erzeu­ gen, und daß in Meßrichtung (X) mehrere dieser Gruppen hintereinander angeordnet sind.

3. Lichtelektrische Längen- oder Winkelmeßeinrich­ tung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindlichen Flächenbereiche (8.1, 8.3; 8.2, 8.4) der Gruppen mit gleicher Phasen­ lage der Abtastgitter (9) zur Bildung eines ge­ meinsamen Abtastsignales elektrisch miteinander verbunden sind.

4. Lichtelektrische Längen- oder Winkelmeßeinrich­ tung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beleuch­ tung der Abtastplatte (5) eine flächig licht­ emittierende Halbleiter-Lichtquelle (12) vorge­ sehen ist, auf deren lichtemittierender Ober­ fläche ein Gitter (13) mit in Meßrichtung (X) voneinander beabstandeten lichtundurchlässigen Streifen aufgebracht ist.

5. Lichtelektrische Längen- oder Winkelmeßeinrich­ tung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beleuchtung der Abtast­ platte (5) eine lichtemittierende Halbleiter- Lichtquelle vorgesehen ist, die aus in Meßrich­ tung (X) voneinander beabstandeten lichtemit­ tierenden streifenförmigen Halbleiterelementen besteht.

6. Lichtelektrische Längen- oder Winkelmeßeinrich­ tung nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Breite (S) der nicht lichtemittierenden Streifen zur Breite (L) der lichtemittierenden Streifen der Lichtquelle (12) vom Verhältnis der Breite (V) der lichtundurchlässigen Streifen zum Abstand (K) dieser Streifen des Abtastgitters (9) der Abtastplatte (5) abweicht.

7. Lichtelektrische Längen- oder Winkelmeßeinrich­ tung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis und das Verhältnis ist.

8. Lichtelektrische Längen- oder Winkelmeßeinrich­ tung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang zwischen der Lichtquelle (12) und der Abtastplatte (5) ein Maßstab (3) in Meßrichtung X relativ zur Licht­ quelle (12) und zur Abtastplatte (5) verschieb­ bar angeordnet ist.

9. Lichtelektrische Längen- oder Winkelmeßeinrich­ tung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein lichtempfindli­ cher Flächenbereich und/oder das Abtastgitter eines lichtempfindlichen Flächenbereiches derart ausgebildet ist, daß der lichtempfindliche Flä­ chenbereich und/oder das Abtastgitter eine Fil­ terfunktion zur Filterung von Oberwellen be­ sitzt.