DE69222072T2

DE69222072T2 - Messanordnung zur Bestimmung einer absoluten Position eines bewegbaren Elements und Skalenteilungselement zur Verwendung in einer derartigen Messanordnung

Info

Publication number: DE69222072T2
Application number: DE69222072T
Authority: DE
Inventors: Joannes Gregorius Bremer
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1991-03-12
Filing date: 1992-03-04
Publication date: 1998-03-05
Anticipated expiration: 2012-03-05
Also published as: EP0503716A1; DE69222072D1; JP3308579B2; EP0503716B1; US5279044A; JPH0571984A

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung zur Bestimmung einer absoluten Position eines bewegbaren Elements, mit einem Skalenteilungselement mit einer Anzahl Spuren und einem Aufnehmer, der eine der Anzhl Spuren entsprechende Anzahl Abtastelemente umfaßt, wobei die Abtastelemente mit Sensoren versehen sind und die genannten Spuren eine Inkrementalspur und eine Absolutspur enthalten und als eine Aufeinanderfolge streifenförmiger Teile gebildet sind, die jeweils eine von den Sensoren detektierbare Eigenschaft haben, die vön der Lage auf dem Skalenteilungselement abhängt, und auch mit einem Signalverarbeitungssystem zur Bestimmung der absoluten Position des bewegbaren Elements aus einer Kombination von einerseits aus den Sensoren des zur Absolutspur gehörenden Abtastelements stammenden Signalen und von andererseits aus den Sensoren des zur Inkrementalspur gehörenden Abtastelements stammenden Signalen.
Die Erfindung betrifft auch ein Skalenteilungselement zur Verwendung in einer derartigen Meßeinrichtung.
Eine Meßeinrichtung dieser Art ist aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 246 404 A2 bekannt. Die genannte Anmeldung beschreibt eine Meßeinrichtung zur Bestimmung der relativen Position zweier Objekte, unter Verwendung eines Skalenteilungselements in Form eines Meßlineals, auf dem einerseits eine Inkrementalteilung und andererseits eine Teilung von Bezugsmarken vorgesehen ist, denen eine absolute Position zugeordnet ist. Dies hat den Nachteil, daß es nicht möglich ist, die absolute Position zu bestimmen, ohne den Aufnehmer zumindest bis zur nächsten absoluten Bezugsmarke zu verlagern. Das Abtasten der Inkrementalspur liefert ein absolutes Maß innerhalb eines Mittenabstandes, aber die Auflösung der Bestimmung des absoluten Wertes auf dem Meßlineal wird durch die Codierung der Bezugsmarken und den zwischen diesen Marken minimal erreichbaren Abstand begrenzt.
Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine absolute Meßeinrichtung zu verschaffen, die eine hohe Auflösung hat und mit der der absolute Meßwert ohne Verlagerung des Aufnehmers bestimmt werden kann.
Hierzu ist die erfindungsgemäße Meßeinrichtung dadurch gekennzeichnet, daß die Inkrementalspur und die Absolutspur auf dem Skalenteilungselement zu einer einzigen zusammengesetzten Spur kombiniert sind, in der die Mittellinien der streifenförmigen Teile auf gleichem Abstand voneinander liegen und daß die detektierbare Eigenschaft auf der zusammengesetzten Spur pseudozufällig über die streifenförmigen Teile verteilt ist, wobei die Kombination von Signalen für einen Mittenabstand der zusammengesetzten Spur einen für diesen Mittenabstand spezifischen Wert hat, wobei ungefähr 75% der Mittenabstände der zusammengesetzten Spuren, die von dem Abtastelement gelesen werden, Inkrementalinformation repräsentieren.
Somit ist jeder Mittenabstand der Inkrementalspur einmalig codiert. Durch Kombination des absoluten Maßes innerhalb eines Mittenabstandes und des einmaligen Codes des betreffenden Mittenabstandes kann ein absoluter Meßwert generiert werden.
Wenn die Inkrementalspur und die Absolutspur auf dem Skalenteilungselement kombiniert werden, um eine zusammengesetzte Spur zu bilden, wird die Herstellung des Skalenteilungselements somit vereinfacht, und zudem genügt die Verwendung eines einzigen Aufnehmers.
Wenn die Mittellinien der streifenförmigen Teile der Absolutspur auf gleichem Abstand voneinander liegen, wird die Herstellung des Meßlineals wesentlich vereinfacht.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die detektierbare Eigenschaft zweiwertig ist. Eine zweiwertige Eigenschaft läßt eine einfache Realisierung der Spuren und der Abtastelemente zu.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemaßen Meßeinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß das zu der zusammengesetzten Spur gehörende Abtastelement ein Array aus lichtempfindlichen Sensoren umfaßt. Die Verwendung eines Arrays aus Sensoren ermöglicht eine große Zahl von Kombinationen der zweiwertigen Eigenschaft. Im wesentlichen bestimmt die Anzahl Sensoren die Anzahl möglicher Kombinationen in der Pseudozufallsverteilung.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen absoluten Meßeinrichtung,
Fig. 2 schematisch eine Ausführungsform eines mit einer Inkrementalspur und einer Absolutspur versehenen erfindungsgemäßen Skalenteilungselements,
Fig. 3 schematisch eine Ausführungsform eines mit einer zusammengesetzten Spur versehenen erfindungsgemäßen Skalenteilungselements.
Die in Fig. 1 gezeigte absolute Meßeinrichtung 1 umfaßt ein Skalenteilungselement 3, einen Aufnehmer 5 mit zwei Abtastelementen 4, 6 und ein Signalverarbeitungssystem 7. Jedes der Abtastelemente 4, 6 ist mit einer Anzahl Sensoren 8 versehen, die für jeden Aufnehmer 4, 6 unterschiedlich sein können. Bei der Messung werden das Skalenteilungselement 3 und der Aufnehmer 5 relativ zueinander in einer durch den Pfeil 12 angegebenen Richtung verlagert. Die beiden Abtastelemente 4 und 6 liegen über bzw. unter der Zeichenebene.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform eines Skalenteilungselements 3. Das Skalenteilungselement 3 setzt sich aus einer Inkrementalspur 9 zusammen, die aus streifenförmigen Teilen 11 besteht. Die kombinierte Breite zweier aufeinanderfolgender streifenförmiger Teile 11 bestimmt den Mittenabstand 17. Die Verlagerungsrichtung des Skalenteilungselements 3 wird wieder mit dem Pfeil 12 angegeben.
Auf dem Skalenteilungselement 3 ist auch eine Absolutspur 13 vorgesehen. Die Spur 13 setzt sich auch aus streifenförmigen Teilen 15 zusammen. Wie bei Inkrementalspuren üblich, liegen Mittellinien 10 der streifenförmigen Teile 11 in zueinander gleichem Abstand auf der Inkrementalspur 9. In der dargestellten Ausführungsform gilt dies auch für die streifenförmigen Teile 15 auf der Absolutspur 13. Auf beiden Spuren 9, 13 verlaufen die streifenförmigen Teile 11, 15 in einer Richtung quer zur Ungsrichtung und zur Verlagerungsrichtung 12 des Skalenteilungselements 3. Die streifenförmigen Teile 11, 15 können auch unter anderem Winkel zur Bewegungsrichtung 12 verlaufen.
Über die streifenförmigen Teile 11, 15 wird eine von den Sensoren 8 der Abtastelemente 4, 6 detektierbare Eigenschaft verteilt, die von der Lage auf dem Skalenteilungselement 3 abhängig ist. Der Einfachheit der Zusammensetzung der Spuren und der gesamten Meßeinrichtung 1 halber ist diese Eigenschaft vorzugsweise zweiwertig, wie in der vorliegenden Ausführungsform Daher sind Eigenschaften wie beispielsweise reflektierend oder nicht, lichtdurchlässig oder nicht, der Magnetisierungszustand und elektrisch leitend oder nicht, hierfür besonders geeignet. In Farben ausgedrückt, könnte man dies mit schwarz und weiß vergleichen. Eine andere Möglichkeit ist das in mehr oder weniger starkem Maße Vorhandensein einer bestimmten Eigenschaft, entsprechend Grauwerten im Farbbild. Weiterhin kann die Eigenschaft auch mehrwertig sein, was einer Anzahl verschiedener Farben entspricht.
Auf der Inkrementalspur 9 ist die Verteilung der Eigenschaft über die streifenförmigen Teile 11 so, daß jeder streifenförmige Teil 11 eine Eigenschaft hat, die von der Eigenschaft seiner direkt benachbarten streifenförmige Teile abweicht. Auf der Absolutspur 13 ist das Vorhandensein bzw. Nichtvorhandensein der Eigenschaft pseudozufällig über die streifenförmigen Teile 15 verteilt. Unter einer Pseudozufallsverteilung soll eine solche Verteilung verstanden werden, daß eine Verlagerung des Aufnehmers 5 um einen einzigen Mittenabstand 17 der Inkrementalspur 9 immer einen speziellen Code für jeden Mittenabstand 17 erzeugt. Kombination dieses Aspekts mit dem durch Abtasten der Inkrementalspur 9 erhaltenen absoluten Maß innerhalb eines Mittenabstandes liefert einen absoluten Meßwert für die Position. Bei der vorliegenden Ausführungsform haben die streifenförmigen Teile 15 der Absolutspur 13 die gleiche Breite wie die streifenförmigen Teile 11 der Inkrementalspur 9. Dies ist jedoch nicht notwendig. Die Forderung, daß eine Verlagerung um genau einen Mittenabstand 17 der Inkrementalspur 9 einen einmaligen Code erzeugen muß, kann unter anderem auch erfüllt werden, wenn ein streifenförmiger Teil 15 der Absolutspur 13 zweimal so breit ist wie ein streifenförmiger Teil 11 auf der Inkrementalspur 9.
Wenn sich die zweiwertige Eigenschaft auf eine optische Eigenschaft bezieht, beispielsweise lichtdurchlässig oder reflektierend, werden die Spuren 9, 13 auf dem Skalenteilungselement 3 beleuchtet. Eine erste Möglichkeit in diesem Zusammenhang besteht darin, daß jede Spur 9, 13 mit einer gesonderten Lichtquelle 19 beleuchtet wird. Eine zweite Möglichkeit besteht darin, daß am Ort jeder Spur 9, 13 ein Lichtablenkelement 21 (siehe Fig. 1) vorgesehen wird, wobei das aus einer einzigen Lichtquelle 19 stammende Licht zu jeder mittels der genannten Elemente 21 zu beleuchtenden Spur 9, 13 hin geleitet wird. Das Lichtablenkelement 21 kann beispielsweise ein Prisma sein. Die Lichtquelle 19 kann beispielsweise eine Leuchtdiode sein. Die Lichtquelle 9 und die Ablenkelemente 21 sind starr mit dem Aufnehmer 5 verbunden und liegen somit unter und über der Zeichenebene am Ort der jeweiligen Abtastelemente 4 und 6.
Nach Einfall des Lichtes auf die Spuren 9, 13, durch das Prisma 21 hindurch, werden die Spuren 9, 13 mit Hilfe der zum Aufnehmer 5 gehörenden Abtastelemente 4, 6 gemessen.
Wenn die Eigenschaft Lichtdurchlässigkeit betrifft, liegt das Skalenteilungselement 3 zwischen dem Beleuchtungsabschnitt 19, 21 und dem Aufnehmer 5. Bei Reflexion liegen der Beleuchtungsabschnitt 19, 21 und der Aufnehmer 5 auf der gleichen Seite des Skalenteilungselements 3.
Das Abtastelement 4 für die Inkrementalspur 9 kann beispielsweise eine Mehrfach-Photozelle sein, die aus einer Reihe linienförmiger Dioden besteht, wie in der US-Patentschrift US-A 3.973.119 (PHN 7442) beschrieben. Das Abtastelement 6 der Absolutspur 13 kann auch beispielsweise eine Reihe linienförmiger Dioden oder ein Array aus lichtempfindlichen Sensoren sein (beispielsweise Typnummer TC 103, Texas Instruments).
In der vorliegenden Ausführungsform umfaßt das Array zweiundzwanzig Sensoren. Diese Anzahl bestimmt in hohem Maße die Anzahl möglicher Kombinationen in einer Folge streifenförmiger Teile 15 mit der zweiwertigen Eigenschaft, um eine Pseudozufallsverteilung zu erzeugen.
Eine solche Pseudozufallsverteilung kann beispielsweise mit Hilfe einer Kombinationsreihe, wie sie aus der Veröffenffichung "A survey of full length non-linear shift register cycle algorithms" von Harold Fredricksen in SIAM Review, Bd. 24, Nr. 2, April 1982, bekannt ist, erzeugt werden. Die Länge einer solchen Kombinationsreihe wird gegeben durch:
M(k,n) = [(k-1)!]kn-1 kkn-1-n
M(k,n) ist eine kontinuierliche Reihe, die die Anzahl möglicher Kombinationen aus einer Menge von n Zahlen enthält, wobei jede der n Zahlen k Werte annehmen kann. Die Zunahme der Länge der Reihe erfolgt umso schneller, je größer n ist. Bei einer zweiwertigen Eigenschaft und einem Abtastelement 6 mit 22 Sensoren ist k = 2 und n = 22. Dies führt zu einer sehr großen Reihe.
Eine Möglichkeit, die Pseudozufallsverteilung dieser Reihe zu nutzen, soll anhand eines numerischen Beispiels erläutert werden. Wenn beispielsweise ein Meßlineal mit einer länge von 12,8 m alle 0,2 mm (= Mittenabstand 17) mit einem einmaligen Code versehen werden soll, muß es 64.000 verschiedene Codes geben. Bei Verwendung von 22 Sensoren und einer zweiwertigen Eigenschaft enthält die Reihe jedoch viel mehr Möglichkeiten. Falls erwünscht, können 64.000 aufeinanderfolgende Zahlen aus der Reihe gewählt werden, wobei es möglich ist, innerhalb der Mengen von 22 Zahlen bestimmte Bedingungen zu stellen. Diese Bedingungen können beispielsweise beinhalten, daß eine Untergrenze für die Anzahl aktiver streifenförmiger Teile 15 der Absolutspur 13 festgelegt wird; auch kann der Wunsch nach Detektierbarkeit und Korrigierbarkeit eventueller Detektionsfehler in der Pseudozufallsverteilung vorliegen.
Die Zusammensetzung einer solchen Reihe soll anhand eines Beispiels erläutert werden, bei dem n = 4 ist. Aus der obengenannten Formel folgt, daß es im Prinzip 16 Möglichkeiten gibt. Die Forderung, daß 0 oder 1 einander höchstens zweimal folgen dürfen, erzeugt die folgende Reihe:
0010
0100
1001
0011
0110
1100
Eine andere mögliche Reihe ist:
0010
0101
1010
0100
1001
0011
0110
1101
1011.
Dies zeigt, daß die Wahl der Zahlen pro Menge die länge der Reihe beeinflußt. Die aus dem zur Inkrementalspur 9 gehörenden Abtastelement 4 stammenden Signale und die aus dem zur Absolutspur 13 gehörenden Abtastelement 6 stammenden Signale werden in bekannter Weise in dem Signalverarbeitungssystem 7 kombiniert, um einen absoluten Meßwert zu bilden, der in ein paralleles oder ein serielles Ausgangssignal umgesetzt wird. Die Abtastelemente 4, 6 und das (oder ein Teil des) Signalverarbeitungssystem(s) 7 können zusammen auf einer üblichen Printplatte (PCB) (nicht abgebildet) montiert werden.
Das bisher beschriebene Skalenteilungselement 3 setzt sich aus zwei separaten Spuren zusammen: einer Inkrementalspur 9 und einer Absolutspur 13. Die Inkrementalspur 9 wird von dem Aufnehmer 5 über eine Anhhl Mittenabstände 17 gleichzeitig abgetastet. Dies geschieht, um beim Mitteln kleine Ungenauigkeiten in dem Muster zu entfernen. Das bedeutet jedoch, daß ein solcher Aufnehmer 5 auch die Absolutspur 13 abtasten kann. Daher können die Inkrementalspur 9 und die Absolutspur 13 zu einer einzigen zusammengesetzten Spur 23 kombiniert werden. Eine hierbei zu erfüllende Bedingung besteht darin, daß eine genügende Anzahl Mittenabstände, beispielsweise 75%, zur Verfügung stehen muß, um dafür zu sorgen, daß die in der zusammengesetzten Spur vorhandene Inkrementalinformation noch immer erkannt werden kann. Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform einer zusammengesetzten Spur 23. In diesem Fall können, falls gewünscht, die beiden Abtastelemente 4, 6 durch ein einziges Abtastelement ersetzt werden. Funktionsmäßig bleiben jedoch zwei Spuren bestehen.
Deutlich wird sein, daß die vorstehende Beschreibung der Messung linearer Verlagerungen auch auf die Messung von Winkeln anwendbar ist.

Claims

1. Meßelnrichtung (1) zur Bestimmung einer absoluten Position eines bewegbaren Elements, mit einem Skalenteilungselement (3) mit einer Anzahl Spuren (9,13) und einem Aufnehmer (5), der eine der Anzahl Spuren entsprechende Anzahl Abtastelemente (4,6) umfaßt, wobei die Abtastelemente (4,6) mit Sensoren (8) versehen sind und die genannten Spuren (9,13) eine Inkrementalspur (9) und eine Absolutspur (13) enthalten und als eine Aufeinanderfolge streifenförmiger Teile (11), (15) gebildet sind, die jeweils eine von den Sensoren (8) detektierbare Eigenschaft haben, die von der Lage auf dem Skalenteilungselement (3) abhängt, und auch mit einem Signalverarbeitungssystem (7) zur Bestimmung der absoluten Position des bewegbaren Elements aus einer Kombination von einerseits aus den Sensoren des zur Absolutspur (13) gehörenden Abtastelements stammenden Signalen und von andererseits aus den Sensoren des zur Inkrementalspur (9) gehörenden Abtastelements stammenden Signalen, dadurch gekennzeichnet, daß die Inkrementalspur (9) und die Absolutspur (13) auf dem Skalenteilungselement (3) zu einer einzigen zusammengesetzten Spur (23) kombiniert sind, in der die Mittellinien (10) der streifenförmigen Teile (15) auf gleichem Abstand voneinander liegen und daß die detektierbare Eigenschaft auf der zusammengesetzten Spur (23) pseudozufällig über die streifenförmigen Teile (15) verteilt ist, wobei die Kombination von Signalen für einen Mittenabstand (17) der zusammengesetzten Spur (23) einen für diesen Mittenabstand (17) spezifischen Wert hat, wobei ungefähr 75% der Mittenabstände (17) der zusammengesetzten Spuren (23), die von dem Abtastelement gelesen werden, Inkrementalinformation repräsentieren.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die detektierbare Eigenschaft zweiwertig ist.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zu der zusammengesetzten Spur (23) gehörende Abtastelement ein Array aus lichtempfindlichen Sensoren umfaßt.

4. Skalenteilungselement (3) zur Verwendung in einer Meßeinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer Inkrementalspur (9) und einer Absolutspur (13), wobei die Spuren (9,13) als eine Aufeinanderfolge streifenförmiger Teile (11), (15) gebildet sind, die jeweils eine von einem Sensor (8) detektierbare Eigenschaft haben, dadurch gekennzeichnet, daß die Inkrementalspur (9) und die Absolutspur (13) auf dem Skalenteilungselement (3) zu einer einzelnen zusammengesetzten Spur (23) kombiniert werden, in der die Mittellinien (10) der streifenförmigen Teile (15) auf gleichem Abstand voneinander liegen und daß die detektierbare Eigenschaft pseudozufällig über die streifenförmigen Teile (15) verteilt ist, so daß ungefähr 75% des von einem Abtastelement zu lesenden Spurteus mit Inkrementalinformation versehen ist.