專利名稱：光學位置測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學位置測量裝置，該裝置適用于確定兩個相互運 動物體的相對位置并在沿測量距離的至少一個參考位置上提供一個參 考脈沖信號。
背景技術(shù)：
確定兩個相互運動物體的相對位置用的熟知的增量位置測量裝置 在比例尺兩側(cè)設(shè)有一條增量分度跡線。該增量分度跡線通過一個相對于 該比例尺在至少一個測量方向內(nèi)運動的掃描單元進行掃描而產(chǎn)生增量 信號。此外，為了建立一個絕對基準，這類位置測量裝置可在沿規(guī)定或 預先給定的參考位置上產(chǎn)生參考脈沖信號。為此，比例尺的例如與增量 分度跡線相鄰的兩側(cè)在預先給定的一個或多個參考位置上設(shè)置有另一 條帶有參考標志的跡線。這種參考標志一般由許多非周期性設(shè)置在測量
方向內(nèi)的帶有不同光學特性的區(qū)段組成。在反射光掃描的情況中，這例 如指的是不同反射性的區(qū)段，而在透射光掃描的情況中，這些區(qū)段則具 有不同的透光性。
在相對于比例尺測量方向內(nèi)運動的掃描單元與相應(yīng)物體連接并包 括一個光源、 一個參考脈沖探測裝置以及必要時用于產(chǎn)生增量信號的其 他元件，但后者對這里討論的問題無關(guān)緊要。參考脈沖探測裝置由單個 光電探測元件組成，這些探測元件的幾何配置必須與參考標志匹配，以 便產(chǎn)生參考脈沖信號。參考脈沖探測裝置 一般具有像參考標志那樣的相 同結(jié)構(gòu)。
在這種位置測量裝置中，在通過參考標志時在相應(yīng)參考位置上產(chǎn)生 參考脈沖信號的信號最大值，在鄰接該參考位置的區(qū)域內(nèi)存在著或多或 少的參考脈沖信號的明顯的輔助最大值。在特別明顯的輔助最大值情況 中，由于在信號基本電平和信號最大值之間的減少了的信噪比而在該參 考位置上對本來的信號最大值的探測產(chǎn)生一定的不可靠性。
為了解決這個問題，US 4 451 731或DE20 2005 002 622 Ul提出了 在比例尺上設(shè)置別的結(jié)構(gòu)元素或附加結(jié)構(gòu)來抑制與本來的參考標志相鄰的要產(chǎn)生參考脈沖信號的輔助最大值。為此使用的附加結(jié)構(gòu)由鄰接參 考標志的不反射或不透明的刻度組成，并在一定的掃描結(jié)構(gòu)的情況下保 證了參考脈沖信號的輔助最大值的減幅。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出這樣一種位置測量裝置，該裝置可在沿測量距 離的一個或多個參考位置上實現(xiàn)參考脈沖信號的更好的產(chǎn)生并保證其 可靠的探測。
這個任務(wù)是通過具有權(quán)利要求1所述特征的位置測量裝置來實現(xiàn)的。
本發(fā)明位置測量裝置的諸多有利結(jié)構(gòu)型式可從各項從屬權(quán)利要求 中所述的措施得知。
根據(jù)本發(fā)明，抑制輔助最大值用的附加結(jié)構(gòu)包括至少兩條具有第一 光學特性的跡線，在這兩條跡線之間配有一個帶有第二光學特性的在測 量方向內(nèi)延伸的區(qū)段。在透射光系統(tǒng)的情況中，光學特性可選擇不透光
的(第一光學特性)或透光的(第二光學特性)；而在同樣可能的反射 光系統(tǒng)中，則光學特性可選用低反射的(第 一光學特性)或高反射的(第 二光學特性)。
本發(fā)明提出的光學位置測量裝置用于確定兩個在測量方向內(nèi)相互 運動的物體的相對位置，其中可在至少一個^L定的參考位置上產(chǎn)生一個 參考脈沖信號。該位置測量裝置包括一個比例尺，該比例尺與這兩個物 體之一連接并在該參考位置上具有一個參考標志，該參考標志由許多非 周期性設(shè)置在測量方向(x)內(nèi)的帶有不同光學特性的區(qū)段組成。在測 量方向內(nèi)，鄰接該參考標志分別設(shè)置有若干附加結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)在測量 方向內(nèi)延伸并把要產(chǎn)生的參考脈沖信號的輔助最大值減少到最低限度。 此外，該位置測量裝置包括一個在比例尺對面在測量方向內(nèi)運動的掃描 單元，該掃描單元與另一物體連接并帶有一個光源和一個由單個纟冢測元 件組成的參考脈沖探測裝置，這些探測元件的幾何配置與參考標志匹 配，以便產(chǎn)生參考脈沖信號。這些附加結(jié)構(gòu)包括至少兩條具有第一光學 特性的跡線，其間配有一個在測量方向內(nèi)延伸的帶有第二光學特性的區(qū) 段。
在測量方向內(nèi)延伸的這個區(qū)段最好這樣設(shè)置在這兩個跡線之間，即通過該區(qū)段可把光線加到該參考脈沖^:測裝置的探測元件上。
光學特性可接下列兩個方案之一進行選擇
a) 第一光學特性透光的；第二光學特性不透光的；
b) 第一光學特性高反射性的；第二光學特性低反射性的。 比例尺可設(shè)計成分度盤，該分度盤至少具有一條設(shè)置其上的圓環(huán)形
增量分度跡線以及一條與之同心設(shè)置的參考標志跡線，其中在該參考標 志跡線內(nèi)的至少一點上設(shè)置參考標志，并在該參考標志跡線的其余區(qū)域 設(shè)置兩條不透光的跡線，其間又設(shè)置一個在測量方向延伸的透光區(qū)段。
此外，還可把帶有第一光學特性的多個矩形減幅區(qū)嵌入跡線中，這 些減幅區(qū)垂直于測量方向延伸。
在這種情況中，嵌入跡線中的減幅區(qū)可與參考標志鏡像對稱布置。
附加嵌入跡線中的減幅區(qū)最好這樣設(shè)置，使要產(chǎn)生的參考脈沖信號 的輔助最大值進一步減小。
不言而喻，本發(fā)明的措施既適用于直線的位置測量裝置，又適用旋 轉(zhuǎn)的位置測量裝置。同樣地，既可實現(xiàn)反射光掃描，又可實現(xiàn)透射光掃 描。在全部情況中都可產(chǎn)生帶極小輔助最大值的參考脈沖信號且其信號 最大值可在參考位置上被可靠地探測。
本發(fā)明位置測量裝置的其他優(yōu)點和細節(jié)可從結(jié)合附圖的一個實施 例的下列說明中得知。


圖1 本發(fā)明光學位置測量裝置實施例的掃描光路的示意剖面圖； 圖2a 圖1位置測量裝置的分度盤的俯視圖； 圖2b 圖2a的分度盤的放大部分詳圖3 圖1位置測量裝置的探測平面的俯視圖包括產(chǎn)生參考脈沖 用的示意接線；
圖4a 4e不同信號與本發(fā)明參考脈沖信號產(chǎn)生的關(guān)系。
具體實施例方式
下面借助圖1的示意剖面圖結(jié)合圖2a、 2b和3來說明設(shè)計成旋轉(zhuǎn) 式透射光系統(tǒng)的本發(fā)明位置測量裝置實施例的掃描光路；后面的附圖同 樣以示意的形式表示比例尺的視圖或部分視圖以及圖1位置測量裝置的探測平面。
所示的位置測量裝置用于產(chǎn)生一個圍繞軸31旋轉(zhuǎn)的物體的相對運 動有關(guān)的位置信息，該物體在附圖中未示出。這種裝置例如可用于機床 或電驅(qū)動并在該處為前置控制單元提供該旋轉(zhuǎn)物體的有關(guān)位置信息。
在旋轉(zhuǎn)式位置測量裝置的所示實施例中，該裝置包括一個分度盤形 式的比例尺10,在該分度盤上設(shè)置有一個圍繞軸31布置的呈一條增量 分度跡線11的圓環(huán)形增量測量分度11.1以及在至少一個參考位置Xref 上在參考標志跡線12內(nèi)設(shè)置有一個參考標志12.1。參考標志跡線12相 對于軸31與增量分度跡線11同心布置。
測量分度ll.l由具有不同光學特性的、分別設(shè)計成矩形的、交替配 置的區(qū)段組成。在透射光掃描的所示例子中，這些區(qū)段是透光的(第一 光學特性)和不透光的(第二光學特性)。在圖中的不透光區(qū)段用陰影 線標出，而透光的區(qū)段則沒有陰影線。不透光的區(qū)段例如涂覆一層鉻涂 層，而透光的區(qū)段則設(shè)計成玻璃襯底的相應(yīng)窗口段。測量方向x內(nèi)的兩 個相鄰的分度區(qū)(透光的、不透光的)的寬度叫做測量分度11.1的分度 間隔TPM。該分度盤居中布置在一根圍繞旋轉(zhuǎn)軸31旋轉(zhuǎn)的軸30上并用 玻璃或塑料制成。軸30與一個不斷旋轉(zhuǎn)的物體例如與電驅(qū)動裝置的軸 連接。
此外，所示的位置測量裝置包括一個掃描單元20，該掃描單元在所 示例子中固定布置在相對于圓周方向或測量方向x旋轉(zhuǎn)的分度盤10的 對面。掃描單元20包括一個帶有前置準直儀光學裝置24的光源23以 及一個增量信號探測裝置21和一個參考脈沖探測裝置22。兩個探測裝 置21、 22按通常方式集成在一個所謂的光學專用集成電路中，在該電 路中，除了進行信號探測外，還進行別的信號處理。
在用所謂誘射光掃描的所示實施例中，帶增量標志跡線和參考標志 跡線ll、 12的分度盤10布置在光源23和探測裝置21、 22之間。在增 量標志跡線和參考標志跡線的結(jié)構(gòu)透射后，在探測平面內(nèi)產(chǎn)生陰影投射 的相應(yīng)圖形，這些圖形通過增量信號探測裝置21和參考脈沖探測裝置 22進行探測并轉(zhuǎn)換成可繼續(xù)處理的信號。
在增量信號產(chǎn)生的情況中，以熟知的方式方法在探測平面內(nèi)產(chǎn)生周 期性的條形圖，該圖通過帶有光電二極管陣列的增量信號探測裝置21 進行探測并轉(zhuǎn)換成一對相互90。相位移的、根據(jù)位移調(diào)節(jié)的增量信號INCA、 INCB。
此外，為了在位置測量時建立一個絕對基準，在至少一個規(guī)定的參 考位置xref上在參考標志跡線12內(nèi)設(shè)置一個參考標志12.1。在參考位 置X戰(zhàn)f上產(chǎn)生一個參考信號RI,然后，較高分辨率的(相對的)增量 信號INCa、 INCB與該參考信號發(fā)生關(guān)系。
如圖2b部分放大圖所示，在參考位置xref上的參考標志12.1由多 個在測量方向x內(nèi)非周期性布置的帶有不同的第一和第二光學特性的區(qū) 段組成。在透射光掃描的所示例子中，參考標志12.1的圖示無陰影線的 區(qū)段是透光的，而分度盤10上的虛線區(qū)和區(qū)段則是不透光的。在鄰接 參考標志12.1的兩側(cè)的參考標志跡線12中設(shè)置有本發(fā)明的其他附加結(jié) 構(gòu)14，其具體結(jié)構(gòu)尚待下面詳細i兌明。
當然，沿著相應(yīng)的測量距離或沿著被掃描的分度盤圓周還可在鄰接
增量分度11.1的一定位置上設(shè)置更多的這種參考標志12.1,例如可設(shè)置 所謂的掃描編碼的參考標志，等等。
在匹配比例尺側(cè)的參考標志12.1的相應(yīng)結(jié)構(gòu)時，在參考脈沖探測裝 置22中這樣考慮探測元件的幾何配置，使這些探測元件與參考標志12.1 的結(jié)構(gòu)匹配。圖3表示共帶有9個矩形探測元件22.1 22.9的探測平面 的視圖，其布置與比例尺或分度盤〗0上的參考標志12.1的透光區(qū)段的 布置相當。在探測元件22.1~22.9上得出的部分信號被輸入圖3所示的 電流電壓互感器25的一個輸入端；在電流電壓互感器25的第二輸入端 上有一個參考電壓VREF。在電流電壓互感器25的輸出端上產(chǎn)生參考脈 沖信號RI。
所以在通過參考位置xref時，分度盤IO上的參考標志12.1的透光
區(qū)段與參考脈沖探測裝置22的幾何上一致對應(yīng)的探測元件22.1 22.9對
準。于是在參考位置X貼f上產(chǎn)生一個信號最大值，該信號最大值作為參
考脈沖信號ri進行分析和繼續(xù)處理。
圖4a表示在參考位置XREF上在理想情況中產(chǎn)生的參考脈沖信號 RI。此外，在圖4a中標出了用于從參考脈沖信號RI中產(chǎn)生可繼續(xù)處理 的信號的開關(guān)門限S以及對參考脈沖信號RI的可靠探測有作用的不同 參數(shù)E、 F、 H,這尚待下面詳述。其中對參考脈沖信號RI的可靠探測 起決定性作用的是參考位置XREF上的信號最大值比相鄰的輔助最大值 足夠大，即特別是數(shù)值E和F足夠大，或存在E/H或F/H的有利比。在圖4a的理想化的情況中，E/H=l5/25=0.60和F/H=l7/25=0.68。
圖4b表示在參考位置XREF范圍內(nèi)的參考脈沖信號Rl的變化曲線， 如果在分度盤IO上鄰接參考標志12.1沒有設(shè)置附加結(jié)構(gòu)14,則該曲線
是真實的。從圖4b可以看出，由于鄰接參考位置XREF帶有鐘形包絡(luò)線
的輔助最大值的形狀，與圖4a的理想情況相比，數(shù)值F-13小于圖4a 的理想情況，在這種情況中，F(xiàn)/H=13/25=0.52比理想情況小，因而比理 想情況不利。所以實際上會導致參考脈沖信號R1的探測可靠性的降低。
所以本發(fā)明建議，在分度盤IO上與參考標志12.1鄰接的兩側(cè)設(shè)置 業(yè)已述及的附加結(jié)構(gòu)14,這種附加結(jié)構(gòu)特別是在輔助最大值的范圍內(nèi)對 參考脈沖信號R1的信號波號產(chǎn)生有利影響。
從圖2a可看出，附加結(jié)構(gòu)14在此例中包括參考標志跡線12的兩 條不透光的跡線14.1、 14.2,其間設(shè)置一個在圓周方向或測量方向延伸 的透光區(qū)段14.3。透光區(qū),爻14.3居中設(shè)置在兩條不透光跡線14.1、 14.2 之間。原則上在設(shè)置透光區(qū)段14.3時應(yīng)注意使其與參考脈沖信號探測裝 置22的探測元件22.1 22.9對準，這樣，在鄰接參考位置XREF的區(qū)域內(nèi)， 光線可通過透光區(qū),殳14.3到達這些4冢測元件22.1 22.9。
圖4e表示參考脈沖信號RI的信號變化曲線，該曲線是在帶有這種 附加結(jié)構(gòu)14的位置測量裝置按上述方式得出的。從圖4c可清楚看出， 在輔助最大值的區(qū)域內(nèi)避免了以前不利的鐘形信號變化曲線，與圖4b 比較，可達到有利的E/H=0.65。如果參考脈沖信號RI用電子方式放大， 則在這個部位再次達到改善的信號波形；用這種方式方法特別可放大要 產(chǎn)生的信號的數(shù)值E+F,這導致探測可靠性的進一步提高。
在圖1 3所示實施例中，對迄今所述的本發(fā)明措施即設(shè)置附加結(jié)構(gòu) 14進行了補充，即在鄰接參考標志12.1的這些附加結(jié)構(gòu)的區(qū)域內(nèi)在 跡線14.1、 14.2或區(qū)段14.3中嵌入多個矩形的不透光減幅區(qū)15,它們 垂直于圓周方向或測量方向延伸。減幅區(qū)15設(shè)置到附加結(jié)構(gòu)14中就可 用一種理想化的方法來確定必須在哪個部位嵌入這些附加的減幅區(qū)15, 以保證再次改善參考脈沖信號RI的信號波形或其探測可靠性；這可參 閱圖2b放大圖示出的參考標志12.1的區(qū)域。通過這些措施產(chǎn)生的參考 脈沖信號RI如圖4b所示。在這里，由于附加的減幅區(qū)15,使參考脈沖 信號RI的不希望的輔助最大值進一步減幅或減少到最低，這可通過比 圖4c的信號變化曲線得出了較有利的F/H=9.5/18.5=0.51來說明。而已經(jīng)通過設(shè)置附加結(jié)構(gòu)14獲得的最佳E/H=0.65則保持不變。減幅區(qū)15 通常相對于參考位置X戰(zhàn)F鏡像對稱布置。
最后，圖4e表示參考脈沖信號RI的再一次的優(yōu)化信號變化曲線。 這里，按圖1~3的實施例從一個參考標志獲得的信號RI再一次以電子 方式放大，從而總體上可獲得參數(shù)E、 F和H的較大值，并由此可保證 再一次的最佳探測可靠性。
當然，在本發(fā)明的范圍內(nèi)還有許多別的實施方案。
例如所示例子也可以是外跡線14.1、 14.2估支成透光的，而居中的分 段14.3則做成不透光的。
此外，原則上本發(fā)明的考慮也可用于反射光掃描。此時，例如一個 相應(yīng)測量分度的區(qū)段是低反射性的(第一光學特性)和高反射性的(第 二光學特性)。相應(yīng)地，附加結(jié)構(gòu)的跡線做成低反射性的，居中的區(qū)段 做成高反射性的；附加的減幅區(qū)則由低反射性區(qū)段構(gòu)成。在這種情況中， 附加跡線以及居中的區(qū),殳也可改變。
同樣地，也可不做成旋轉(zhuǎn)式位置測量的而做成長度測量儀，如此等等。
權(quán)利要求
1. 光學位置測量裝置用于確定兩個在測量方向(x)內(nèi)相互運動的物體的相對位置，其中在至少一個規(guī)定的參考位置(XREF)上可產(chǎn)生一個參考脈沖信號(RI)，且該位置測量裝置包括下列組成部分-一個與兩物體之一連接的并在參考位置(XREF)上有一個參考標志(12.1)的比例尺(10)，該參考標志由許多在測量方向(x)非周期設(shè)置的帶有不同光學特性的區(qū)段組成，其中在測量方向(x)內(nèi)鄰接參考標志(12.1)兩側(cè)分別設(shè)置有附加結(jié)構(gòu)(14)，這種結(jié)構(gòu)在測量方向(x)內(nèi)延伸并把要產(chǎn)生的參考脈沖信號(RI)的輔助最大值降到最低；-一個在比例尺(10)對面在測量方面(x)內(nèi)運動的掃描單元(20)，該掃描單元與另一物體連接并帶有-一個光源(23)，-一個由單個探測元件(22.1～22.9)組成的參考脈沖探測裝置(22)，這些元件的幾何配置與參考標志(12.1)匹配，以便產(chǎn)生參考脈沖信號(RI)，其特征為，附加結(jié)構(gòu)(14)包括至少兩條帶有第一光學特性的跡線(14.1、14.2)，其間設(shè)置一個在測量方向(x)內(nèi)延伸的帶有第二光學特性的區(qū)段(14.3)。
2. 按權(quán)利要求1的光學位置測量裝置,其特征為，在測量方向(x) 內(nèi)延伸的區(qū)段(14.3)是這樣設(shè)置在兩條跡線(14.1、 14.2)之間的，即 通過區(qū)段(14.3)可把光線加到參考脈沖探測裝置(22)的探測元件(22.1~22.9)上。
3. 按權(quán)利要求1的光學位置測量裝置，其特征為，按下列兩個方案 之一選擇光學特性a) 第一光學特性是透光的；第二光學特性是不透光的；b) 第一光學特性是高反射性的；第二光學特性是低反射性的。
4. 按權(quán)利要求2的光學位置測量裝置，其特征為，該比例尺(IO) 做成分度盤，該分度盤至少具有一條設(shè)置在其上的圓環(huán)形增量分度跡線(n)以及一條與之同心設(shè)置的參考標志跡線(12),其中在參考標志 跡線(12)的至少一點設(shè)置有參考標志(12.1 ),并在參考標志跡線(12.1 ) 的其余區(qū)域設(shè)置兩條不透光的跡線(14.1、 14.2),其間又設(shè)置一個在 測量方向(x)內(nèi)延伸的區(qū)段(14.3)。
5. 按前述權(quán)利要求至少一項的光學位置測量裝置，其特征為，在跡線(14.1、 14.2、 14.3)中還嵌入了一些帶有第一光學特性的矩形減幅區(qū) (15),它們垂直于測量方向(x)延伸。
6. 按權(quán)利要求5的光學位置測量裝置，其特征為，嵌入跡線(14.1、 14.2、 14.3)中的區(qū)域(15)與參考標志(12.1 )鏡像對稱布置。
7. 按權(quán)利要求5或6的光學位置測量裝置，其特征為，附加嵌入跡 線(14.TU 14.2、 14.3)的減幅區(qū)(15)是這樣布置的，即可使要產(chǎn)生的 參考脈沖信號(Ri)的輔助最大值進一步減幅。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學位置測量裝置，該裝置用于確定兩個在測量方向(x)內(nèi)相互運動的物體的相對位置，其中在至少一個規(guī)定的參考位置上可產(chǎn)生一個參考脈沖信號。該位置測量裝置包括一個與兩個物體之一連接的并在該參考位置上具有一個參考標志的比例尺，該參考標志由許多在測量方向內(nèi)非周期設(shè)置的帶有不同光學特性的區(qū)段組成，在測量方向內(nèi)鄰接該參考標志兩側(cè)分別設(shè)置有附加結(jié)構(gòu)，這種附加結(jié)構(gòu)在測量方向內(nèi)延伸并把要產(chǎn)生的參考脈沖信號的輔助最大值降到最低。此外，該位置測量裝置包括一個在比例尺對面在測量方向內(nèi)運動的掃描單元，該掃描單元與另一物體連接并帶有一個光源和一個由單個探測元件組成的探測裝置。
文檔編號G01B11/00GK101441062SQ20081018216
公開日2009年5月27日 申請日期2008年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月23日
發(fā)明者J·瓦格納, S·格里斯 申請人:約翰尼斯海登海恩博士股份有限公司