DE9117200U1

DE9117200U1 - Photoelektrische Positionsmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE9117200U1
Application number: DE9117200U
Authority: DE
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1991-02-11
Filing date: 1991-03-22
Publication date: 1997-01-09
Anticipated expiration: 2001-03-23

Description

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DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH *..' ..' .U ..£ebr.uar..l991

Photoelektrische Positionsmeßeinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine photoelektrische Positionsmeßeinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige Positionsmeßeinrichtungen sind bekannt. So ist es aus der DE-OS 24 16 212 bekannt, bei einer inkrementalen Längen- und/oder Winkelmeßeinrichtung auf einer gesonderten Spur neben der Inkremental-Meßteilung Referenzmarken vorzusehen, die als Absolutwertmarkierungen dienen. Dabei unterscheiden sich die Abstände der einzelnen Referenzmarken vorneinander. Durch Abtastung der inkrementalen Teilung kann der individuelle Abstand zweier Referenzmarken jeweils aus der Summe der Inkremente zwischen zwei Referenzmarken ermittelt werden. Diese durch Auszählung ermittelte Summe stellt die Kennung für die Referenzmarken dar. Zur Ermittlung der Kennzeichnung einer Referenzmarke und ihrer absoluten Position müssen also immer zwei

Referenzmarken bei der Abta«tui>g überfehren·wenden. Dieses Verfahren ist umständlich und zeitraubend, wenn beispielsweise zwei Referenzmarken weit auseinander liegen. Zudem können bei fehlerhafter _ Zählung der Inkremente zwischen zwei Marken falsche Abstände ermittelt und damit falsche Absolutwerte gebildet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Positi- -« onsmeßeinrichtungen mit Referenzmarken so zu verbessern, daß die Auswertung der Referenzmarken erleichtert wird, daß die einzelnen Referenzmarken zuverlässig identifiziert werden können und daß die Positionsmeßeinrichtungen störsicherer werden.

Diese Aufgabe wird durch eine Positionsmeßeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestal- _?Q tungen der Erfindung an.

Die besonderen Vorteile der Erfindung liegen in der sicheren Erkennung der spezifischen Referenzmarke durch die Auswertung der zugehörigen Codierungsmarke. Durch die in der Codierungsmarke enthaltenen Informationsdaten kann die Auswerteeinrichtung die Referenzmarke eindeutig bestimmen.

Nachstehend wird die Erfindung mit Hilfe eines Beispiels anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigt

Figur 1 ein Optikschema einer Vorrichte tung zur Abtastung eines Meß-

teilungsträgers;

Figur 2 DetektbÄplatinaJ. .&Idigr;. ..' *..' Figur 3 einen Meßteilungstrager; Figur 4 ein weiteres Optikschema;

Figur 5 Codefelder auf dem Meßteilungstrager;

Figur 6 eine weitere Detektorplatine;

Figur 7

und Figur 8 verschiedene Codiermarkierungsguerschnitte;

Figur 9 einen Ausschnitt aus einer Maßstabsansicht mit Farbfiltern ;

Figur 10 einen Ausschnitt aus einer Draufsicht auf eine Abtastplatte;

Figur 11 einen Ausschnitt aus einer Draufsicht auf einen Maßstab;

Figur 12 eine weitere Detektorplatine;

Figur 13 einen Meßteilungstrager mit Prismen;

Figur 14 eine Abtastplatte mit Prismen und

Figur 15 eine Durchlicht-Positionsmeßeinrichtung mit polarisations-

r Re

optischer Refer*lnziiarkeÄ-i3aäierung.

Figur 1 zeigt einen Teilungsträger 1, der in nicht näher spezifizierter, nicht dargestellter Weise an einem der Objekte, deren Position gemessen werden soll, befestigt ist. Der Teilungsträger 1 trägt eine Meßteilung 2, die als Phasengitter ausgebildet ist. Entlang der Meßteilung 2 erstreckt sich eine .Q ebenfalls als Phasengitter ausgebildete Umfeldteilung 3, wie aus Figur 3 ersichtlich ist. Die Gitterlinien dieser Umfeldteilung 3 verlaufen senkrecht zu den Gitterlinien der Meßteilung 2.

.c An einer exponierten Stelle - dem sogenannten Eichoder Bezugspunkt der Meßteilung - ist eine Referenzmarke RI innerhalb der Umfeldteilung 3 angebracht. Üblicherweise werden mehrere Referenzmarken auf dem Teilungsträger 1 angeordnet.

Figur 3 zeigt eine vergrößerte Darstellung. Referenzmarken dienen zur Eichung von inkrementalen Meßsystemen, weil durch ihre zur Meßteilung absolut festliegende Lage jederzeit ein Bezugspunkt der

₂c inkrementalen Meßteilung reproduziert werden kann. Eine Referenzmarke RI besteht aus einer Anzahl von Feldern RI-...RI die innerhalb der Umfeldteilung 3 nach einem vorgegebenen Schema angeordnet sind. Näheres über die Ausgestaltung und Anordnung von

,g derartigen Referenzmarken ist in der DE-C2-34 16 864 nachzulesen.

Die Felder RI₁...RI weisen ebenfalls Gitterlinien l &eegr;

auf, die senkrecht zu den Gitterlinien der Meßtei-OC lung 2 verlaufen, also in Meßrichtung. Die Gitter

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der Felder RI₁--.RI_n haSar! ,efine.
lungsperiode.

.be&t iiraai e*.. Te i -

Die Abtastung des Teilungsträgers 1 erfolgt mit Hilfe einer Abtastplatte 4_r die in Figur 1 schematisiert gezeigt ist. Die Abtastplatte 4 weist dazu Meßteilungs-Abtastfelder A2 und Referenzmarken-Abtastfelder ARI auf.

,Q Über dem Meßteilungs-Abtastfeld A2 ist ein quer zur Meßrichtung ablenkendes Prisma 5 angeordnet, durch das eine optische Trennung der Abtaststrahlengänge bei der Abtastung der Meß teilung 2 und der Referenzmarken RI erreicht wird.

Es können auch andere ablenkende Mittel anstelle des Prismas 5 verwendet werden. Auch die Zuordnung des ablenkenden Mittels zum Abtastfeld A2 der Meßteilung 2 ist nicht zwingend erforderlich, denn 2g auch durch Zuordnung des ablenkenden Elementes zum Referenzmarken-Abtastfeld ARI ist eine optische Trennung der Abtaststrahlengänge möglich. Die vorbeschriebenen Variationen wird der Fachmann bei der Realisierung sinnvoll abstimmen.

Figur 2 zeigt die Ansicht einer Platine 6 auf der die Lichtquelle L und Photodetektoren P₁ bis P₀ angeordnet sind. Auf die waagerechte Reihe der Photodetektoren P,, P- und P₃ fallen gebeugte

on Teilstrahlenbündel der Beleuchtungsstrahlung mit einer Phasenverschiebung von jeweils 120° zueinander. Diese Teilstrahlenbündel sind durch Beugung an Gittern gemäß der EP-Bl-O 163 362 entstanden, wie sie durch die Meßteilung 2 und das zugehörige Abtastfeld A2 gebildet werden.

Von der Umfeldteilung 3 geb*e"ug*Ce Te'lü.s'trahlenöündel gelangen auf den Photodetektor P₄, und auf den Photodetektor P₅ treffen die gebeugten Teilstrahlenbündel, die durch die Referenzmarkenfelder ^RIl'**n ^akgebeugt worden sind (selbstverständlich immer im Zusammenwirken mit den zugehörigen Abtastfeldern ARI auf der Abtastplatte 4).

Die Felder Cl, C2, C3 der Codierungsmarke C (Figur -₀ -3) sind als Rechteckphasengitter ausgestaltet und erzeugen zur Lichtquelle (Beleuchtungseinrichtung L) symmetrische Beugungsbilder der + 1. Beugungsordnungen. Diese werden gemäß Figur 2 von Photodetektorpaaren P6, P7 und P8 detektiert. Die nicht näher bezeichnete Auswerteschaltung ist so ausgestaltet, daß die Beaufschlagung des betreffenden Photodetektors mit Licht als logische "1" ausgewertet wird. Wenn auf den betreffenden Photodetektor kein Licht fällt, bedeutet dies logisch "0".

Durch die Parameter der Gitter der Felder Cl, C2, C3 und deren Orientierung kann also die zugehörige Referenzmarke RI binär codiert werden.

-c Mit &eegr; Feldern pro Codiermarke können also mindestens 2ⁿ Referenzmarken auscodiert werden.

Als Beispiel für unterschiedliche Gitterausbildungen nach Gitterkonstante und Orientierung der Git-

₃Q ter soll Figur 5 dienen. Die Codefelder Cl, C2, C3 und Cn befinden sich auf einem Trägerkörper 41, der in dem Optikschema gemäß Figur 4 im Querschnitt dargestellt ist. Auf die Darstellung von Meßteilung, Referenzmarke und Umfeldteilung wurde hier verzichtet, da die vorbeschriebene Art der Codierung von Referenzmarken auch bei inkrementalen

Meßsystemen erfolgen kann," die ke"ine"i>has£ngitter aufweisen.

Das Optikschema aus Figur 4 ist analog zu dem aus _ Figur 1 anzusehen. Es soll aber gezeigt werden, daß mit den beugenden Feldstrukturen der Felder Cl und Cn aus Figur 5 gezielt Detektoren Dl und Dn beaufschlagt werden können. Auch durch unterschiedliche Orientierung der Felder C2, C3 und gleichzeitig .. ₀ unterschiedliche Gitterkonstanten läßt sich die Detektoranordnung gezielt bestimmen, wie Figur 6 zeigt. Dabei müssen die Detektorpaare D2 und D3 keinesfalls unter einem Winkel von 45° zur senkrechten Achse angeordnet sein.

Abgesehen von der Wellenlänge % des verwendeten Lichtes kann also die Lage der Beugungsbilder auch gezielt verändert werden, indem man die Phasengitter entsprechend ausgestaltet, was anhand weiterer Q Ausführungsbeispiele noch näher erläutert werden wird.

In Figur 7 wird im Querschnitt eine Variante mit Echelette-Phasengitter gezeigt, bei der die Felder

_₅ Cl bis C7 unterschiedliche Gitterkonstanten und/ oder Ausrichtung aufweisen. Die Beugungsbilder der Beleuchtung werden der Variation entsprechend abgelenkt, und die den einzelnen Beugungsbildern zugeordneten Photodetektoren entsprechend plaziert.

Dadurch können den einzelnen Referenzmarken Codefelder zugeordnet werden, die unterschiedliche Beugungsbilder erzeugen und durch Abgriff der entsprechenden Photodetektoren einen binären Code für die entsprechende Referenzmarke erzeugen.

Ferner sind gemäß Figur 8 "Romtyinatfibn^n von Rechteck-Phasengittern mit Echelette-Phasengittern gleicher oder unterschiedlicher Gitterkonstanten möglich, wobei auch hier noch die Ausrichtung der :- Phasengitter unterschiedlich gemacht werden kann.

Die Ausgestaltung der Gitter wird der Fachmann den Einsatzbedingungen entsprechend auswählen und kombinieren. Besondere Bedeutung kommt dabei der beliebigen gegenseitigen Neigung der Gitter zu, wodurch man eine günstige räumliche Trennung der Photodetektoren für die Codierungssignale und die Inkrementalsignale erreichen kann.

-c Selbstverständlich ist auch die Verwendung von Amplitudengittern möglich.

Eine weitere Möglichkeit, die Felder von Codierungsmarken auszugestalten, besteht in der Verwendung von Farbfiltern als wellenlängenselsektive Elemente. Dieses Beispiel ist in den Figuren 9 bis 12 schematisch dargestellt.

Ein Maßstab 9 weist eine beliebige Inkrementalteilung 10 auf. Der Inkrementalteilung ist wenigstens eine Referenzmarke RI zugeordnet, die von einer Codiermarke Cl spezifiziert wird. Die Referenzmarke RI ist beliebig ausgebildet, die Codemarkierung Cl besteht aus einem Phasengitter mit der Gitterkon-

,Q stanten d. Eine Indexplatte, auch Abtastplatte 11 genannt, trägt in bekannter Weise ein nicht näher bezeichnetes Abtastfeld für die Inkrementalteilung.

Ferner trägt sie für jede Position, für die die Relativlage von Maßstab 9 und Abtastplatte 11 auscodierbar sein soll, ein Abtastfeld 12, 13, 14 für die Referenzmarke RI.

Mit Hilfe jedes der Abtastfeldsr 12*,* 1*3* und· 14·wird demgemäß ein Referenzimpuls erzeugt, wenn die Abtastplatte 11 gegenüber dem Maßstab 9 verschoben wird.

Jedem der Referenzmarken-Abtastfelder 12, 13, 14 ist ein Farbfilter zugeordnet. Dem Referenzmarken-Abtastfeld 12 ein Rotfilter 12a, dem Referenzmarken-Abtastfeld 13 ein Grünfilter 13a und dem Referenzmarken-Abtastfeld 14 ein Blaufilter 14a.

Eine Platine 15 trägt Photodetektor-Paare 16, 17 und 18, die den Farben Rot, Grün und Blau zugeordnet sind (gleiche Linierung bedeutet gleiche Far-

Bei Beleuchtung mit Weißlicht werden durch die Farbfilter verschiedene diskrete Wellenlängen erzeugt. Durch Beugung an dem Gitter der Codierungsmarke Cl wird nun gerade durch dasjenige Detektorpaar mit Licht beaufschlagt, das einer bestimmten Wellenlänge, und somit einem bestimmten Farbfilter zugeordnet ist- und damit letztendlich einer bestimmten Relativlage von Maßstab und Abtasteinheit

-c entspricht.

Wie zu den anderen Ausführungsbeispielen bereits beschrieben wurde, entspricht Lichteinfall auf einen Photodetektor einer logischen "1" und kein _go Lichteinfall demgemäß einer logischen "0".

Bei Verschiebung der Abtastplatte 11 gegenüber dem Maßstab 9 können also drei verschiedene Relativpositionen dieser Elemente durch eine Referenzmarke ₃t- RI bestimmt werden, die mit Hilfe der den Positionen zugeordneten Farbfiltern 12a, 13a, 14a binär

codiert sind. Der Code g'i'bt "tlabei·· abe jeweilige Relativposition absolut an.

Es versteht sich, daß die vorbeschriebene Anordnung auch mit sinngemäß vertauschten Elementen erfolgreich zu betreiben ist. So können auf einem Maßstab - wie üblich - mehrere Referenzmarken RI und diesen zugeordnet gleichartige Codierungsmarken Cl angeordnet sein, wobei letzteren jedoch verschiedene -Q Farbfilter zugeordnet sind. Auf der Abtastplatte befindet sich außer den Spuren zur Abtastung der Inkrementalteilung und der Referenzmarken lediglich ein transparentes Fenster der Länge der Codierungsmarke Cl, durch das von den Farbfiltern - den -c Codierungs-Feldern Ci des Maßstabes zugeordnet selektierte Teilstrahlenbündel auf zugehörige Photodetektoren gelenkt werden, was wieder zu einer codierten Referenzmarkenbestimmung führt.

_?Q Anstelle von Weißlicht-Beleuchtung und Farbfiltern können auch Lichtquellen mit unterschiedlicher Wellenlänge zur Selektion von einzelnen Referenzmarken verwendet werden.

-&sfgr; ^In Figur 13 ist dargestellt, daß brechende Elemente zur Richtungsselektion durch Prismen 19, 20 realisiert werden können. Die Prismen 19 und 20 können in verschiedenen Kombinationen auf dem reflektierenden Maßstab 21 den hier nicht gezeigten Refe-

_₀ renzmarken zugeordnet werden. Die Prismen können auch wechselweise weggelassen sein. Die Beugungsbilder werden von Photoelementen detektiert, die auf einer Detektorplatine - ähnlich wie in den Figuren 2, 6 und 12 symbolisiert - angeordnet sind.

In Figur 14 ist eine Anordnung *geze*igt,** bei der Prismen 22, 23, 24 und 25 auf einer Abtastplatte 26 angeordnet sind. Am Maßstab 27 sind den Prismen 22, 23, 24 und 25 in bestimmter Weise reflektierende c und absorbierende Bereiche zugeordnet, Die vorbeschriebenen Maßnahmen führen ebenfalls zu einer gezielten Selektion von Beugungsordnungen.

In Figur 15 ist das Schema einer inkrementalen Po- -,Q sitionsmeßeinrichtung gezeigt, die im sogenannten Durchlichtprinzip arbeitet.

Von einer Lichtquelle 28 fällt Licht auf einen Kondensor 29, der es parallel ausrichtet. Das Licht

,c durchtritt einen Glas-Maßstab 30, auf dem eine Meßteilung 31 mit einer Teilungsperiode P aufgebracht ist. Auf dem Maßstab 30 sind ferner Referenzmarken 32 und 33 angeordnet, von denen der einen Referenzmarke 32 Polarisationsfilter 34, 35 und

2Q 36 zur Codierung zugeordnet sind. Durch die unterschiedlich einstellbaren Polarisationsebenen der Polarisationsfilter 34_r 35, 36 kann die Referenzmarke 3 2 auscodiert werden. Die Polarisationsebenen sind durch Pfeile kenntlich gemacht.

Zur Abtastung des Maßstabes 30 dient eine Abtastplatte 37, die alle erforderlichen Abtastfelder enthält. Auf einer nicht dargestellten Detektorplatine befinden sich die Photoelemente für die 2Q Abtastung der Meßteilung, der Referenzmarken und deren Codierung. Sie sind nicht näher bezeichnet, weil sie denen aus den vorangegangenen Beispielen gleichen.

_ &igr; &tgr; _

Im Strahlengang der Lichtquelle 28*^#±st?*eirr»Palarisationsfilter 38 angeordnet, das die Polarisationsebene bestimmt (Pfeilrichtung). Durch die Ausrichtung der Polarisationsfilter 34, 35 und 36 wird nun festgelegt, welches der Photoelemente für die Codierung der Referenzmarke 32 mit Licht beaufschlagt wird, und welches kein Licht erhält. Damit kann - ähnlich wie vorbeschrieben - wieder ein Binärcode gebildet werden, der die jeweilige Referenzmarke auscodiert und dadurch identifiziert.

Claims

DR JOHANNES HEIDENHAIN GmbH '··' ··' •#'lr*Februar"l991 Ansprüche

1. Photoelektrische Positionsmeßeinrichtung mit einer Maßverkörperung und einer relativ zur Maßverkörperung beweglichen Abtasteinrichtung zur Abtastung der MaßVerkörperung, welche eine Meßteilung und Referenzmarken aufweist, wobei jeder Referenzmarke wenigstens eine Codierungsmarke zugeordnet ist, sowie mit einer mit der Abtasteinrichtung in Verbindung stehenden Auswerteeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Codierungsmarke (C) aus Feldern wellenlängenselektiver und/oder richtungsselektiver Elemente besteht.

2. Photoelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Codierungsmarke (C) aus Feldern (Cl...Cn) mit beugender Struktur besteht.

3. Photoelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 2, daß die beugenden Strukturen Gitter sind.

4. Photoelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitter als Amplituden oder Phasengitter ausgebildet sind.

5. Photoelektrische

Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasengitter eine beliebige Profilform aufweisen.

6. Photoelektrische Positionsmeßeinrichtung nach

Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitter (Cl, C2, C3) unterschiedlich ausgerichtet sind.

7. Photoelektrische Positionsmeßeinrichtung nach

Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wellenlängenselektiven Elemente als Filter (12a, 13a, 14a) wie Farbfilter, Interferenz- -i- filter u.s.w. ausgebildet sind.

8. Photoelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Codierungsmarke Felder brechender Struktur

2Q aufweist.

9. Photoelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als brechende Struktur Prismen (19, 20, 22, 23, 24,

25) vorgesehen sind.

10. Photoelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Codierungsmarke aus Feldern (34, 35, 36) mit

2Q polarisationsoptisch wirkenden Elementen besteht.

11. Photoelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Felder als Polarisationsfilter (34, 35, 36) ausgebildet sind.

12. Photoelektrische Posit'ion'smeßeihr'ichtuhg "nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente aus Phasenplatten (A/8; &Aacgr;/4; bestehen.