DE19614466B4 - Signal processing arrangement for a position measuring device - Google Patents

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Abstract

Eine Signalverarbeitungsanordnung für eine Positionsmeßeinrichtung weist Signalerzeugungsmittel auf, die mindestens zwei periodische optische Signale liefern sowie Wandlermittel, um aus den periodischen Signalen mindestens ein Paar abgeleiteter periodischer Ausgangssignale zu erzeugen, die jeweils einen definierten Phasenversatz zueinander aufweisen. Die Wandlermittel umfassen hierbei parallel und/oder antiparallel geschaltete optoelektronische Detektorelemente, denen ein oder mehrere Strahlteilungselemente vorgeordnet sind, die eine Aufteilung zumindest eines Teiles der der periodischen optischen Signale in Teilsignale bewirken.A signal processing arrangement for a position measuring device has signal generating means which supply at least two periodic optical signals and converter means to generate at least one pair of derived periodic output signals from the periodic signals, each having a defined phase offset from one another. The converter means here comprise optoelectronic detector elements connected in parallel and / or anti-parallel, which are preceded by one or more beam splitting elements which cause at least a part of the periodic optical signals to be divided into partial signals.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Positionsmeßeinrichtung.The present invention relates to a position measuring device.

Eine Signalverarbeitungsanordnung für eine Positionsmeßeinrichtung ist beispielsweise aus der EP 0 271 549 bekannt. Darin wird vorgeschlagen, bei einer Positionsmeßeinrichtung die auszuwertenden drei oder mehr periodischen Funktionen jeweils in ein Paar von ebenfalls periodischen, abgeleiteten Funktionen umzuformen, welche eine Phasendifferenz von 90° zueinander aufweisen. Die ausgangsseitig resultierenden Signale können dann in bekannter Art und Weise zur Positionsbestimmung ausgewertet werden, beispielsweise innerhalb eines inkrementalen Positionsmeßsystems. Das Umformen der eingangsseitig anliegenden drei oder mehr periodischen Signale erfolgt mit Hilfe von Wandlermitteln, die durch Multiplizieren von mindestens drei anliegenden Eingangssignalen mit Nicht-Null-Koeffizienten und anschließende additive bzw. subtraktive Kombinationen derselben die gewünschten Ausgangssignale mit einem Phasenversatz von 90° erzeugen. Die eigentliche Signal-Wandlung erfolgt bei der vorgeschlagenen Lösung mittels bekannter elektronischer Bausteine wie Differenzverstärkern und geeignet damit verschalteten elektrischen Widerständen. Bei dieser Art der Umwandlung der anliegenden Eingangssignale resultiert demzufolge ein gewisser schaltungstechnischer Aufwand aufgrund der erforderlichen Wandler-Elektronik.A signal processing arrangement for a position measuring device is, for example, from EP 0 271 549 known. It is proposed to transform in a position measuring the evaluated three or more periodic functions each in a pair of also periodic, derived functions having a phase difference of 90 ° to each other. The signals resulting at the output can then be evaluated in a known manner for position determination, for example within an incremental position measuring system. The conversion of the three or more periodic signals applied on the input side takes place by means of converter means which generate the desired output signals with a phase offset of 90 ° by multiplying at least three applied input signals with non-zero coefficients and subsequent additive or subtractive combinations thereof. The actual signal conversion takes place in the proposed solution by means of known electronic components such as differential amplifiers and thus electrically connected electrical resistors. In this type of conversion of the applied input signals therefore results in a certain circuit complexity due to the required converter electronics.

Eine grundsätzlich ähnliche Problematik liegt vor, wenn beispielsweise lediglich zwei periodische optische Signale innerhalb eines inkrementalen Positionsmeßsystems geliefert werden, die einen Phasenversatz zueinander aufweisen, der von den gewünschten 90° abweicht. Dies kann durch verschiedenste Einflüsse bei der Signalerzeugung, z. B. ungenau gefertigte Maßstabsteilungen etc., verursacht werden. Auch in einem derartigen Fall ist es erforderlich, die definierte Phasenbeziehung zwischen den vorliegenden Signalen herzustellen, um eine zuverlässige Signal-Weiterverarbeitung sicherzustellen.A fundamentally similar problem exists when, for example, only two periodic optical signals are supplied within an incremental position measuring system which have a phase offset from one another which deviates from the desired 90 °. This can be due to a variety of influences in the signal generation, z. B. inaccurately manufactured scale divisions, etc., caused. Even in such a case, it is necessary to establish the defined phase relationship between the present signals to ensure reliable signal processing.

Aus der EP 0 548 848 B1 ist eine interferentielle optische Positionsmesseinrichtung mit drei durchlaufenen Gittern bekannt, die ausgangsseitig vier Inkrementalsignale liefert, die bereits den gewünschten Phasenversatz zueinander aufweisen. Eine nochmalige Umformung dieser Signale ist nicht erforderlich.From the EP 0 548 848 B1 is an interferential optical position measuring device with three continuous grids known, the output side provides four incremental signals, which already have the desired phase offset to each other. A further transformation of these signals is not required.

Die WO 89/05440 als auch die US 4,983,828 offenbaren jeweils weitere interferentielle optische Positionsmesseinrichtungn mit mehreren durchlaufenen Gittern. Die ausgangsseitig resultierenden drei, um 120° phasenverschobenen Signale werden jeweils wiederum mittels einer Wandler-Elektronik in ein Paar von Ausgnagssignalen transformiert, das den gewünschten Phasenversatz von 90° besitzt.The WO 89/05440 as well as the US 4,983,828 In each case further interferential optical position-measuring devices with a plurality of gratings passed through are disclosed. The output side resulting three, 120 ° out of phase signals are in turn each transformed by means of a transducer electronics in a pair of Ausgnagssignalen having the desired phase offset of 90 °.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Positionsmeßeinrichtung zu schaffen, in der der schaltungstechnische Aufwand zur Umwandlung von mindestens zwei periodischen Signalen in mindestens ein Paar von definiert phasenversetzten Signalen reduziert werden kann.The object of the present invention is therefore to provide a position measuring device in which the circuitry complexity for converting at least two periodic signals into at least one pair of defined phase-offset signals can be reduced.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Positionsmeßeinrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 This object is achieved by a position measuring device having the features of claim 1

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die üblicherweise erforderliche Wandler-Elektronik zur Verarbeitung der zwei oder mehr auszuwertenden periodischen, optischen Signale durch eine Anordnung von geeignet verschalteten optoelektronischen Detektorelementen zu ersetzen. Die Wandlermittel umfassen hierzu u. a. die entsprechend verschalteten optoelektronischen Detektorelemente. Demzufolge kann auch der schaltungstechnische Aufwand dahingehend reduziert werden, daß die bislang hierfür eingesetzte, zusätzlich erforderliche Wandler-Elektronik vollkommen überflüssig wird. Ausgangsseitig liegen bei der Signalverarbeitungsanordnung der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung bereits die beiden interessierenden periodischen, definiert phasenversetzten Signale an, wobei der übliche Phasenversatz dieser Signale 90° beträgt. Die derart aufbereiteten Signale können anschließend in Interpolations- und Auswerteelektroniken zur Positionsbestimmung in bekannter Art und Weise weiterverarbeitet werden.According to the invention, the conventionally required converter electronics for processing the two or more periodic optical signals to be evaluated are replaced by an arrangement of suitably interconnected optoelectronic detector elements. The converter means include this u. a. the corresponding interconnected optoelectronic detector elements. Consequently, the circuit complexity can be reduced to the effect that the previously used for this purpose, additionally required converter electronics is completely superfluous. On the output side, in the signal processing arrangement of the position measuring device according to the invention, the two periodic, phase-shifted signals of interest are already present, the usual phase offset of these signals being 90 °. The thus prepared signals can then be further processed in interpolation and evaluation electronics for position determination in a known manner.

Neben der Reduzierung des schaltungstechnischen Aufwandes ist aufgrund der nunmehr entfallenden Wandler-Elektronik anzuführen, daß die erfindungsgemäße Lösung ferner eine äußerst kompakte Auslegung einer damit ausgestatteten Positionsmeßeinrichtung ermöglicht.In addition to the reduction of circuit complexity is due to the now attributable converter electronics quote that the inventive solution also allows an extremely compact design of a position measuring device equipped therewith.

Darüber hinaus erlaubt die erfindungsgemäße Positionsmeßeinrichtung eine Reihe von vielfältigen Ausgestaltungs-Varianten, je nachdem worauf seitens des Anwenders Wert gelegt wird. So lassen sich in Abhängigkeit von der gewählten Verschaltung der optoelektronischen Detektorelemente etwa möglichst offsetfreie Ausgangssignale oder aber ein möglichst präziser Phasenversatz einstellen.In addition, the position measuring device according to the invention allows a number of various design variants, depending on what is important on the part of the user. Thus, depending on the selected interconnection of the optoelectronic detector elements, it is possible to set output signals which are as offset-free as possible, or else a phase offset which is as precise as possible.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der der vorliegenden Erfindung kann ferner das vorgesehene Strahlteilungselement so dimensioniert werden, daß die auf die optoelektronischen Detektorelemente auftreffenden Signalintensitäten definiert-vorgegebenen Werten entsprechen; eine ggf. separat erforderliche Signalmultiplikation entfällt in diesem Fall.In an advantageous embodiment of the present invention, the proposed beam splitting element can further be dimensioned such that the signal intensities incident on the optoelectronic detector elements correspond to defined-predefined values; Any separately required signal multiplication is omitted in this case.

Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Figuren. Further advantages and details of the position measuring device according to the invention will become apparent from the following description of embodiments with reference to the accompanying figures.

Dabei zeigtIt shows

1A und 1B jeweils eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Signalverarbeitungsanordnung der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung in einer verschiedenen Ansicht; 1A and 1B in each case a schematic representation of an embodiment of the signal processing arrangement of the position measuring device according to the invention in a different view;

2A ein Vektordiagramm einer Möglichkeit der Kombination von drei periodischen optischen Signale; 2A a vector diagram of a way of combining three periodic optical signals;

2B zwei Schaltungsanordnungen mit optoelektronischen Detektorelementen, die eine Signalverarbeitung auf Grundlage des Vektordiagramms aus 2A gewährleisten; 2 B two circuit arrangements with optoelectronic detector elements, the signal processing based on the vector diagram from 2A guarantee;

Anhand der schematischen Darstellungen der 1A und 1B soll zunachst der prinzipielle Aufbau der Signalverarbeitungsanordnung innerhalb einer erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung erläutert werden. Hierbei zeigt 1A eine Seitenansicht und 1B eine Draufsicht der Positionsmeßeinrichtung mit der Signalverarbeitungsanordnung. Eine derart ausgeführte Positionsmeßeinrichtung kann beispielsweise in einer Werkzeugmaschine eingesetzt werden, um die Relativposition eines Werkzeuges und eines Werkstückes hochgenau zu ermitteln.Based on the schematic representations of 1A and 1B should first be explained the basic structure of the signal processing arrangement within a position measuring device according to the invention. This shows 1A a side view and 1B a plan view of the position measuring device with the signal processing arrangement. A position measuring device embodied in this way can be used, for example, in a machine tool in order to determine the relative position of a tool and a workpiece with high precision.

Die Positionsmeßeinrichtung umfaßt Signalerzeugungsmittel (1), die in der dargestellten Ausführungsform mindestens drei periodische optische Signale (R, S, T) liefern, die zur Bestimmung des Relativ-Versatzes von zwei zueinander beweglichen Teilen auswertbar sind. Hierbei weisen die gelieferten Signale (R, S, T) einen gegenseitigen Phasenversatz von vorzugsweise 120° zueinander auf. Die Signalerzeugungsmittel (1) sind als sogenannter Dreigittergeber bzw. interferentielles Meßsystem ausgeführt, wie es beispielsweise aus der EP 163 362 bekannt ist; ferner sei zu derartigen Meßsystemen etwa auf die Veröffentlichung „Längen in der Ultrapräzisionstechnik messen” von A. Spies in Feinwerktechnik & Meßtechnik 98 (1990) 10, S. 406–410 verwiesen. Auf die Art und Weise der Signalerzeugung innerhalb eines solchermaßen ausgeführten Signalerzeugungsmittels (1) sei deshalb auf die erwähnten Publikationen verwiesen; an dieser Stelle wird lediglich kurz darauf eingegangen.The position measuring device comprises signal generating means ( 1 ), which in the illustrated embodiment provide at least three periodic optical signals (R, S, T), which are evaluable for determining the relative displacement of two mutually movable parts. Here, the supplied signals (R, S, T) have a mutual phase offset of preferably 120 ° to each other. The signal generating means ( 1 ) are designed as a so-called three-grid or interferential measuring system, as for example from the EP 163 362 is known; Further, such measurement systems, for example, refer to the publication "Measure lengths in ultraprecision technology" by A. Spies in Feinwerktechnik & Meßtechnik 98 (1990) 10, pp. 406-410. In the manner of signal generation within such a signal generating means ( 1 ) should therefore refer to the publications mentioned; At this point, it will be discussed shortly.

Es sei zudem an dieser Stelle betont, daß das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Prinzip wie bereits erwähnt auch in analoger Weise bei lediglich zwei periodischen optischen Eingangssignalen realisierbar ist. So kann es erforderlich sein, zwei vorhandene Eingangssignale derart aufzubereiten, daß diese einen definierten Phasenversatz von 90° zueinander aufweisen. Die Signalerzeugungsmittel liefern in diesem Fall demnach nicht die Signale mit der nötigen Phasenbeziehung.It should also be emphasized at this point that the principle underlying the present invention, as already mentioned, can also be implemented in an analogous manner with only two periodic optical input signals. Thus, it may be necessary to prepare two existing input signals such that they have a defined phase offset of 90 ° to each other. The signal generating means in this case therefore do not provide the signals with the necessary phase relationship.

In den 1A und 1B ist ein Dreigittergeber, basierend auf einem interferentiellen Meßprinzip, mit dem schematisch skizzierten Strahlverlauf in einer gestreckten Darstellung gezeigt. Das von einer Lichtquelle (1.1), z. B. von einer LED, emittierte Lichtbündel gelangt über eine nicht dargestellte Kondensor-Optik als ebene Welle auf eine erste Abtastteilung (1.2) und wird hiervon in hauptsächlich drei unterschiedliche Raumrichtungen gebeugt. An einer relativ zur ersten Abtastteilung (1.2) verschiebbaren Maßstabsteilung (1.3) erfolgt eine weitere Beugung der auftreffenden Wellenzüge, bevor die Teilstrahlenbündel an einer weiteren, zweiten Abtastteilung (1.4) noch einmal gebeugt werden. Nach Passieren der zweiten Abtastteilung (1.4) interferieren die Wellenzüge gleicher Raumrichtung, wobei die Intensitäten der drei interferierenden Strahlenbündel von der Phasenverschiebung abhängen, die aus der Relativ-Verschiebung von Maßstabs- (1.3) und Abtastteilung (1.2, 1.4) resultiert. Im Fall der Verschiebung von Maßstabs- (1.3) und Abtastteilung (1.2, 1.4) ergeben sich demzufolge drei periodische, intensitätsmodulierte Signale In the 1A and 1B is a three-emitter, based on an interferential measuring principle, shown with the schematically sketched beam path in a straight line. That of a light source ( 1.1 ), z. B. from an LED, emitted light beam passes through a condenser optics, not shown, as a plane wave to a first scanning graduation ( 1.2 ) and is diffracted by mainly three different spatial directions. At a relative to the first scanning ( 1.2 ) displaceable scale division ( 1.3 ), a further diffraction of the impinging wave trains takes place before the partial beams at a further, second scanning graduation ( 1.4 ) are bent once more. After passing the second scanning graduation ( 1.4 ) interfere the wave trains of the same spatial direction, the intensities of the three interfering beams depending on the phase shift, which from the relative displacement of scale ( 1.3 ) and scan division ( 1.2 . 1.4 ) results. In the case of the shift of scale ( 1.3 ) and scan division ( 1.2 . 1.4 ) result in three periodic, intensity modulated signals

Grundsätzlich sind auch bei der Ausbildung der Signalerzeugungsmittel (1) als Dreigittergeber verschiedenste Ausführungsvarianten realisierbar, das heißt neben der dargestellten Transmissions-Anordnung mit zwei vorgesehenen Abtastteilungen (1.2, 1.4) kann selbstverständlich auch eine Reflexions-Anordnung realisiert werden. Hierbei wäre dann eine reflektierende Maßstabsteilung einzusetzen, während lediglich eine einzige Abtastteilung erforderlich ist, von der die auftreffenden Lichtbündel zweimal gebeugt werdenBasically, also in the formation of the signal generating means ( 1 ) as a tri-grating device a wide variety of embodiments can be realized, that is, in addition to the illustrated transmission arrangement with two scanning graduations provided ( 1.2 . 1.4 ), of course, a reflection arrangement can be realized. In this case, a reflective graduation scale would then be used, while only a single scanning graduation is required, from which the incident light bundles are diffracted twice

Nach der erneuten Beugung an der zweiten Abtastteilung (1.4) wird über eine nachgeordnete Linse (1.5) ein Bild der interferierenden drei Teilstrahlenbündel in der Brennebene der Linse (1.5) erzeugt. In der Brennebene sind bei den bislang bekannten Dreigittergebern üblicherweise drei Photoelemente als optoelektronische Detektorelemente angeordnet, die die intensitätsmodulierten, periodischen optischen Signale (R, S, T), die einen gegenseitigen Phasenversatz von 120° zueinander aufweisen, in weiterverarbeitbare Signalströme umsetzen. Zur Signal-Auswertung mittels üblicher Interpolationseinheiten, Folgeelektroniken etc. sind jedoch zwei zueinander um 90° phasenverschobene Signale erforderlich.After re-diffraction at the second scanning graduation ( 1.4 ) is transmitted via a downstream lens ( 1.5 ) an image of the interfering three partial beams in the focal plane of the lens ( 1.5 ) generated. In the focal plane usually three photoelectric elements are arranged as optoelectronic detector elements in the previously known Dreigittergebern, which convert the intensity modulated, periodic optical signals (R, S, T), which have a mutual phase shift of 120 ° to each other in further processable signal streams. For signal evaluation by means of conventional interpolation units, subsequent electronics, etc., however, two mutually phase-shifted by 90 ° signals are required.

Anstelle einer sogenannten Anpaß- oder Wandlerelektronik, die bislang zwischen die Signalerzeugungsmittel (1) und die nachgeordnete Auswerte-Einheit (2) geschaltet wird, wird nunmehr die Signalverarbeitungsanordnung gemäß der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung eingesetzt. Instead of a so-called matching or converter electronics, which so far between the signal generating means ( 1 ) and the downstream evaluation unit ( 2 ) is switched, the signal processing arrangement is now used according to the position measuring device according to the invention.

Hierzu umfaßt diese ein schematisch dargestelltes Strahlteilungselement (3), auf das die von den Signalerzeugungsmitteln (1) gelieferten optischen Signale (R, S, T) in Form von drei Teilstrahlenbündeln auftreffen. Als mögliche Ausführungsformen geeigneter Strahlteilungselemente (3) kommen beispielsweise Phasengitter oder aber Teilerspiegel-Anordnungen in Betracht, die eine Aufteilung zumindest eines Teiles der eintreffenden optischen Signale in jeweils mindestens zwei Teilsignale bewirken. Im Fall von eingesetzten Phasengittern sind diese bei einer gewünschten Aufteilung der einfallenden Lichtbündel in je zwei Teilstrahlenbündel optisch beispielsweise so auszulegen, daß eine Beugung hauptsächlich in zwei Raumrichtungen erfolgt.For this purpose, this comprises a schematically illustrated beam splitting element ( 3 ) to which the signal generating means ( 1 ) supplied optical signals (R, S, T) in the form of three partial beams impinge. As possible embodiments of suitable beam splitting elements ( 3 ) come into consideration, for example, phase grating or divider mirror arrangements, which cause a division of at least a portion of the incoming optical signals in at least two partial signals. In the case of phase gratings used, they are optically designed, for example, with a desired division of the incident light bundles into two partial beams so that diffraction takes place mainly in two spatial directions.

Selbstverständlich ist es dabei auch möglich, anstelle eines einzigen Strahlteilungselementes (3) auch mehrere Strahlteilungselemente zu diesem Zweck innerhalb der Signalverarbeitungsanordnung vorzusehen.Of course, it is also possible, instead of a single beam splitting element ( 3 ) also provide a plurality of beam splitting elements for this purpose within the signal processing arrangement.

In der dargestellten Ausführungsform der 1A und 1B ist die Aufteilung der gelieferten drei periodischen optischen Signale (R, S, T) in je zwei Teilsignale (R', R'', S', S'', T', T'') vorgesehen, d. h. es liegen anschließend sechs Teilsignale (R', R'', S', S'', T', T'') vor. Grundsätzlich kann je nach Ausführung der nachfolgenden Schaltungsanordnung auch eine Aufteilung in mehr als zwei Teilsignale (R', R'', S', S'', T', T'') erfolgen. Ebenso kann es durchaus ausreichen, lediglich einen Teil der einfallenden optischen Signale in mindestens zwei Teilsignale aufzuteilen, beispielsweise eine Aufteilung zweier optischer Signale vorzunehmen und das dritte unverändert zu belassen usw.. Entsprechend sind hierzu das oder die Strahlteilungselemente (3) optisch auszuführen bzw. zu dimensionieren.In the illustrated embodiment of the 1A and 1B is the division of the delivered three periodic optical signals (R, S, T) in two sub-signals (R ', R'',S', S '', T ', T'') provided, ie there are then six sub-signals (R ', R'',S', S '', T ', T''). In principle, depending on the design of the subsequent circuit arrangement, a division into more than two partial signals (R ', R ", S', S", T ', T ") can also be carried out. Likewise, it may well be sufficient to divide only a portion of the incident optical signals into at least two sub-signals, for example to divide two optical signals and leave the third unchanged, etc. Accordingly, the beam splitting element or elements ( 3 ) visually execute or to dimension.

Die derart erzeugten Teilsignale (R', R'', S', S'', T', T'') beaufschlagen nachgeordnete optoelektronische Detektorelemente (DR', DR'', DS', DS'', DT', DT''), wobei für jedes erzeugte Teilsignal (R', R'', S', S'', T', T'') ein separates optoelektronisches Detektorelement (DR', DR'', DS', DS'', DT', DT'') erforderlich ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind aufgrund der erfolgten Aufteilung in sechs Teilsignale (R', R'', S', S'', T', T'') demzufolge sechs optoelektronische Detektorelemente (DR', DR'', DS', DS'', DT', DT'') innerhalb der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung vorgesehen.The partial signals (R ', R' ', S', S '', T ', T' ') generated in this way act on downstream optoelectronic detector elements (DR', DR '', DS ', DS' ', DT', DT '). '), wherein a separate optoelectronic detector element (DR', DR ", DS ', DS", DT ', DT' ') is required. In the illustrated embodiment, six optoelectronic detector elements (DR ', DR' ', DS', DS ') are therefore due to the division into six partial signals (R', R '', S ', S' ', T', T ''). ', DT', DT '') provided within the position measuring device according to the invention.

Die Anordnung der optoelektronischen Detektorelemente (DR', DR'', DS', DS'', DT', DT'') erfolgt hierbei vorzugsweise in der Brennebene der Linse (1.5). Als optoelektronische Detektorelemente (DR', DR'', DS', DS'', DT', DT'') eignen sich etwa bekannte Photodioden oder Photoelemente.The arrangement of the optoelectronic detector elements (DR ', DR ", DS', DS", DT ', DT ") preferably takes place in the focal plane of the lens (FIG. 1.5 ). Optoelectronic detector elements (DR ', DR ", DS', DS", DT ', DT ") include, for example, known photodiodes or photoelements.

Die für die weitere Signalverarbeitung erforderliche Umwandlung der ursprünglich anliegenden drei, um 120° phasenversetzten periodischen optischen Signale in ein Paar von um 90° phasenversetzten Ausgangssignalen erfolgt erfindungsgemäß durch die geeignete Verschaltung der optoelektronischen Detektorelemente (DR', DR'', DS', DS'', DT', DT''), d. h. die entsprechend gewählte Detektorelement-Anordnung fungiert nunmehr als Wandlermittel für die Eingangssignale. Die hierfür erforderliche parallele und/oder antiparallele Verschaltung der optoelektronischen Detektorelemente (DR', DR'', DS', DS'', DT', DT'') ist in den 1A und 1B lediglich schematisiert über eine entsprechende Verschaltungsanordnung (4) angedeutet. Ein konkretes Ausführungsbeispiel einer geeigneten Verschaltungsanordnung (4) wird im nachfolgenden Verlauf der Beschreibung noch näher erläutert. Für die Verschaltung und Kombination der Eingangssignale existieren hierbei eine Reihe von Möglichkeiten.The conversion of the initially applied three 120 ° phase-shifted periodic optical signals into a pair of output signals phase-shifted by 90 ° takes place according to the invention by the appropriate interconnection of the optoelectronic detector elements (DR ', DR ", DS', DS '). ', DT', DT ''), ie the appropriately selected detector element arrangement now acts as a conversion means for the input signals. The requisite parallel and / or antiparallel interconnection of the optoelectronic detector elements (DR ', DR', DS ', DS'',DT', DT '') is in the 1A and 1B only schematized via a corresponding interconnection arrangement ( 4 ) indicated. A concrete embodiment of a suitable interconnection arrangement ( 4 ) will be explained in more detail in the following course of the description. There are a number of possibilities for the interconnection and combination of the input signals.

Ausgangsseitig resultieren bei der Signalverarbeitungsanordnung der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung schließlich die beiden um 90° phasenversetzten Teilsignale T0 und T90, die in der nachgeordneten Auswerte-Einheit (2) in bekannter Art und Weise zur Positionsbestimmung verarbeitbar sind.On the output side, in the case of the signal processing arrangement of the position measuring device according to the invention, the two partial signals T0 and T90, which are phase-shifted by 90 °, ultimately result in the downstream evaluation unit (FIG. 2 ) are processable in a known manner for position determination.

Die Aufteilung zumindest eines Teiles der von den Signalerzeugungsmitteln (1) gelieferten periodischen Signale (R, S, T) in jeweils mindestens zwei Teilsignale (R', R'', S', S'', T', T'') kann wie bereits angedeutet in vielfältigster Art und Weise erfolgen. Darüber hinaus kann über die Wahl und optische Dimensionierung der Strahlteilungselemente (3) auch eine definierte Aufteilung der erforderlichen Signalintensitäten in den einzelnen Teilsignalen (R', R'', S', S'', T', T'') erfolgen. Alternativ hierzu ist es möglich, die Einstellung der gewünschten Signalintensitäten für die einzelnen Teilsignale (R', R'', S', S'', T', T'') vorzunehmen, indem vor den optolektronischen Detektorelementen (DR', DR'', DS', DS'', DT', DT'') Filter mit bestimmten Durchlaß-Charakteristiken angeordnet werden. Ferner können zur definierten Einstellung der Teilsignal-Intensitäten auch die Empfindlichkeiten der Detektorelemente (DR', DR'', DS', DS'', DT', DT'') geeignet gewählt werden. Die Aufteilung der Signalintensitäten ist hierbei jeweils abhängig von der gewünschten Verschaltung der optoelektronischen Detektorelemente (DR', DR'', DS', DS'', DT', DT''), wie nachfolgend noch detailliert ausgeführt wird.The division of at least part of the signal generating means ( 1 ) delivered periodic signals (R, S, T) in each case at least two partial signals (R ', R'',S', S '', T ', T'') can be carried out in a variety of ways as already indicated. In addition, the choice and optical dimensioning of the beam splitting elements ( 3 ) also a defined division of the required signal intensities in the individual sub-signals (R ', R'',S', S '', T ', T'') take place. Alternatively, it is possible to adjust the desired signal intensities for the individual sub-signals (R ', R'',S', S '', T ', T'') in front of the optoelectronic detector elements (DR', DR '). ', DS', DS '', DT ', DT'') filters with certain transmission characteristics are arranged. Furthermore, the sensitivities of the detector elements (DR ', DR ", DS', DS", DT ', DT ") can also be suitably selected for the defined adjustment of the sub-signal intensities. The division of the signal intensities in each case depends on the desired interconnection of the optoelectronic detector elements (DR ', DR ", DS', DS", DT ', DT "), as will be explained in more detail below.

Eine Möglichkeit zur geeigneten Verschaltung der optoelektronischen Detektorelemente innerhalb der in 1A und 1B lediglich schematisiert angedeuteten Verschaltungs-Anordnung (4) und zur Erzeugung der um 90° phasenversetzten Signale T0 und T90 sei nunmehr anhand der 2A und 2B erläutert. Unabhängig von der im folgenden beschriebenen Signalkombination bzw. Verschaltung der optoelektronischen Detektorelemente existieren selbstverständlich weitere Möglichkeiten, die sich analog zum beschriebenen Beispiel auf Grundlage der Lehre der vorliegenden Erfindung realisieren lassen. One possibility for suitable interconnection of the optoelectronic detector elements within the in 1A and 1B only schematically indicated interconnection arrangement ( 4 ) and for generating the 90 ° out of phase signals T0 and T90 will now be based on the 2A and 2 B explained. Regardless of the signal combination or interconnection of the optoelectronic detector elements described below, there are, of course, further possibilities that can be realized analogously to the described example on the basis of the teaching of the present invention.

2A zeigt ein Vektordiagramm eines Ausführungsbeispieles mit den drei zu verarbeitenden, um 120° phasenversetzten, periodischen optischen Signalen R, S und T, die von den Signalerzeugungsmitteln geliefert werden. Für die Signalauswertung in den nachgeordneten, üblichen Auswerte-Einheiten ist jedoch ein Paar möglichst offsetfreier Signale T0, T90 erforderlich, die einen Phasenversatz von 90° zueinander aufweisen. Um eine derartige Umwandlung vorzunehmen sind bestimmte Umformoperationen mit den drei Signalen R, S und T erforderlich. Hierbei existieren eine Reihe von Möglichkeiten, wie derartige Umformoperationen innerhalb der Signalverarbeitungsanordnung der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung erfolgen können. Die jeweils vorgesehenen Umformoperationen werden schaltungstechnisch über die entsprechende Parallel- und/oder Antiparallel-Schaltung der optolektronischen Detektorelemente vorgenommen. 2A Fig. 12 shows a vector diagram of an embodiment with the three 120 ° out of phase, periodic optical signals R, S and T to be processed provided by the signal generating means. For the signal evaluation in the downstream, usual evaluation units, however, a pair of possible offset-free signals T0, T90 is required, which have a phase offset of 90 ° to each other. In order to make such a conversion certain forming operations with the three signals R, S and T are required. Here are a number of ways in which such deformation operations can take place within the signal processing arrangement of the position measuring device according to the invention. The deformation operations provided in each case are made by circuitry via the corresponding parallel and / or anti-parallel circuit of the optoelectronic detector elements.

Im Ausführungsbeispiel der 2A ergibt sich eines der beiden Ausgangssignale, nachfolgend als Signal T90 bezeichnet, aus der subtraktiven Kombination der beiden Signale T' und S', das heißt T90 ≔ T' – S'. Aufgrund der durchgeführten Signalsubtraktion liegt mit T90 auch bereits ein offsetfreies Signal vor, da die beiden Teilsignale T' und S' mit dem gleichen Offset behaftet waren. Die Amplitude A des Signales T90 beträgt im Fall dieser Kombination bei identischen, auf 1 normierten Amplituden A0 der Signale R, S und T dann 0,866 A0, d. h. A (T90) = 0,866 A0 In the embodiment of 2A results in one of the two output signals, hereinafter referred to as signal T90, from the subtractive combination of the two signals T 'and S', that is T90 ≔ T '- S'. Due to the signal subtraction carried out, an offset-free signal is already present with T90 since the two partial signals T 'and S' were subject to the same offset. The amplitude A of the signal T90 is in the case of this combination with identical normalized to 1 amplitudes A 0 of the signals R, S and T then 0.866 A 0 , ie A (T90) = 0.866 A 0

Ein hierzu um 90° phasenversetztes Signal T0 erhält man durch die Subtraktion der beiden Signalkombinations-Terme (R' + R'') und (T'' + S''), das heißt T0 ≔ (R' + R'') – (T'' + S'') = R – (T'' + S''). Wie aus diesem Beispiel hervorgeht, muß demnach nicht jedes optische Signal (R, S, T) in mindestens zwei Teilsignale aufgeteilt werden; das Signal R kann vielmehr unverändert in der erläuterten Signalkombinations-Variante verwendet werden. Es ist demzufolge für dieses Signal auch lediglich ein einziges optoelektronisches Detektorelement DR erforderlich.A signal T0 phase-shifted by 90 ° is obtained by subtracting the two signal combination terms (R '+ R' ') and (T' '+ S' '), ie T0 ≔ (R' + R ''). (T '' + S '') = R - (T '' + S ''). As can be seen from this example, therefore, not every optical signal (R, S, T) must be divided into at least two sub-signals; Rather, the signal R can be used unchanged in the illustrated signal combination variant. It is therefore necessary for this signal, only a single optoelectronic detector element DR.

Auch das zweite Ausgangssignal T0 ist aufgrund der durchgeführten Subtraktions-Operation offsetfrei. Die Amplitude A des Signales T0 ergibt sich bei der dargestellten Signalkombination und identischen, normierten Amplituden A0 der Signale R, S und T als A(T0) = 1,5 A0.Also, the second output signal T0 is offset-free due to the subtraction operation performed. The amplitude A of the signal T0 results in the illustrated signal combination and identical, normalized amplitudes A 0 of the signals R, S and T as A (T0) = 1.5 A 0 .

Die beiden Ausgangssignale T0 und T90 sind demnach bei einer derartigen Verarbeitung offsetfrei, weisen jedoch unterschiedliche Amplituden auf. Werden auswerteseitig identische Amplituden der Signale T0 und T90 gewünscht, so ist es zum Amplitudenabgleich möglich, bei der Erzeugung des größeren der beiden Signale, d. h. im vorliegenden Beispiel für T0, bei den einzelnen hierfür herangezogenen Teilsignalen eine entsprechende Abschwächung der Amplituden vorzunehmen, so daß ausgangsseitig identische Amplituden für T0 und T90 resultieren. Dies kann bereits bei der Aufteilung in die optischen Teilsignale erfolgen, wozu dann die optischen Strahlteilungselemente entsprechend dimensioniert werden. Alternativ können jedoch auch Filterelemente vor den optoelektronischen Detektorelementen angeordnet sein, die diese Abschwächung selektiv bewirken bzw. die Empfindlichkeiten der Detektorelemente entsprechend gewählt werden. Es resultiert jeweils eine definiert-vorgegebene Signalintensität für die verschiedenen Teilsignale derart, daß sich bei der jeweils gewählten Signalkombination amplitudengleiche Signale T0 und T90 ergeben.Accordingly, the two output signals T0 and T90 are offset-free in such a processing, but have different amplitudes. If, on the evaluation side, identical amplitudes of the signals T0 and T90 are desired, it is possible to adjust the amplitude in the generation of the larger of the two signals, ie. H. in the present example for T0, make a corresponding attenuation of the amplitudes in the individual sub-signals used for this purpose so that the outputs result in identical amplitudes for T0 and T90. This can already take place during the division into the partial optical signals, for which purpose then the optical beam splitting elements are dimensioned accordingly. Alternatively, however, filter elements can also be arranged in front of the optoelectronic detector elements which selectively effect this attenuation or the sensitivities of the detector elements are selected accordingly. This results in each case a defined-predetermined signal intensity for the various sub-signals such that result in the signal combination selected in each case the same amplitude signals T0 and T90.

Um eine derartige Kombination der ursprünglich drei Signale R, S und T zu ermöglichen, ist demnach eine Aufteilung zumindest eines Teiles dieser Signale (R, S, T) in mehrere Teilsignale (S', S'', T', T'') erforderlich, wie dies im vorab beschriebenen Ausführungsbeispiel der 1A und 1B über ein oder mehrere Strahlteilungselemente (3) erfolgt, die den optoelektronischen Detektorelementen (DS', DS'', DT', DT'') vorgeordnet sind. Wie bereits oben angedeutet kann für diese Signalkombinationsvariante eine Aufteilung des Signales R unterbleiben, d. h. es ist lediglich ein einziges optoelektronisches Detektorelement DR hierfür nötig.In order to enable such a combination of the originally three signals R, S and T, a division of at least a part of these signals (R, S, T) into several partial signals (S ', S'',T', T '') is therefore required. required, as in the previously described embodiment of 1A and 1B via one or more beam splitting elements ( 3 ), which are arranged upstream of the optoelectronic detector elements (DS ', DS'',DT', DT ''). As already indicated above, a splitting of the signal R can be omitted for this signal combination variant, ie only a single optoelectronic detector element DR is required for this purpose.

Die zur Erzeugung der beiden Signale T0 und T90 geeigneten Schaltungsanordnungen der optoelektronischen Detektorelemente (DR, DS', DS'', DT', DT'') für eine Variante gemäß 2A sind in 2B dargestellt.The circuit arrangements of the optoelectronic detector elements (DR, DS ', DS'',DT', DT ') suitable for generating the two signals T0 and T90 for a variant according to FIG 2A are in 2 B shown.

Das Signal T90 ergibt sich hierbei aus der Antiparallelschaltung der beiden optoelektronischen Detektorelemente DT' und DS' für die Teilsignale T' und S'. Um das zweite Ausgangssignal T0 zu erzeugen, ist die untere Schaltungsanordnung aus 2B geeignet, d. h. eine Parallelschaltung der Detektorelemente DT'' und DS'' sowie einem hierzu antiparallel verschalteten Detektorelement DR.The signal T90 results here from the anti-parallel connection of the two optoelectronic detector elements DT 'and DS' for the sub-signals T 'and S'. To generate the second output signal T0, the lower circuitry is off 2 B suitable, that is, a parallel connection of the detector elements DT '' and DS '' and a purpose antiparallel connected detector element DR.

Neben dem dargestellten Ausführungsbeispiel bzw. den hierfür geeigneten Schaltungsanordnungen existieren selbstverständlich eine Vielzahl weiterer Varianten der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung zur Kombination der anliegenden periodischen optischen Signale, um die erforderlichen Ausgangssignale (T0, T90) mit 90° Phasenversatz zu erzeugen. Beispielsweise können auch mehr als drei periodische optische Signale anliegen, welche durch entsprechend dimensionierte Strahlteilungselemente auf eine erforderliche Anzahl von Detektorelementen aufgeteilt werden Mindestens zwei der anliegenden optischen Signale liegen hierbei jeweils in periodischer Form vor.In addition to the illustrated embodiment and the circuitry suitable for this purpose, of course, a variety of other variants of the position measuring device according to the invention for combining the applied periodic optical signals to produce the required output signals (T0, T90) with 90 ° phase offset. For example, more than three periodic optical signals can be present, which are divided by a correspondingly sized beam splitting elements to a required number of detector elements. At least two of the adjacent optical signals are present in each case in periodic form.

Ferner ist es denkbar, eine Aufteilung über die Strahlteilungselemente nicht nur in zwei resultierende Teilsignale vorzunehmen, sondern beispielsweise drei oder auch mehr Teilsignale zu erzeugen. Es ist demzufolge ein flexible Anpassung der erfindungsgemäßen Positionsmeßeinrichtung an unterschiedlichste Anforderungen möglich.Furthermore, it is conceivable to make a division over the beam splitter elements not only into two resulting sub-signals, but to produce, for example, three or more sub-signals. It is therefore possible a flexible adaptation of the position measuring device according to the invention to a wide variety of requirements.

Claims (8)

Positionsmeßeinrichtung mit einer Maßstabsteilung (1.3) und mindestens einer relativ hierzu verschiebbaren Abtastteilung (1.2, 1.4), – wobei das von einer Lichtquelle (1.1) emittierte Lichtbündel über eine Kondensor-Optik als ebene Welle auf eine erste Abtastteilung (1.2) gelangt und hiervon in hauptsächlich drei unterschiedliche Raumrichtungen gebeugt wird und – an der relativ zur ersten Abtastteilung (1.2) verschiebbaren Maßstabsteilung (1.3) eine weitere Beugung der auftreffenden Wellenzüge erfolgt, – bevor die Teilstrahlenbündel an einer weiteren, zweiten Abtastteilung (1.4) noch einmal gebeugt werden und – nach dem Passieren der zweiten Abtastteilung (1.4) die Wellenzüge gleicher Raumrichtung interferieren, so dass die Intensitäten der drei interferierenden Teilstrahlenbündel von der Phasenverschiebung abhängen, die aus der Relativ-Verschiebung von Maßstabs- (1.3) und Abtastteilung (1.2, 1.4) resultiert und sich im Fall der Verschiebung von Maßstabs- (1.3) und Abtastteilung (1.2, 1.4) drei periodische, intensitätsmodulierte Signale ergeben, die einen gegenseitigen Phasenversatz von 120° zueinander aufweisen und – wobei die drei interferierenden Teilstrahlenbündel Strahlteilungselementen (3) zugeführt werden, die jeweils eine Aufteilung der einzelnen Teilstrahlenbündel in zwei Teilstrahlenbündel mit Teilsignalen (R', R'', S', S'', T', T'') bewirken und die einzelnen, aufgeteilten Teilstrahlenbündel mehrere nachgeordnete, optoelektronische Detektorelemente (DR', DR'', DS', DS'', DT', DT'') beaufschlagen, wobei für jedes erzeugte Teilsignal (R', R'', S', S'', T', T'') ein separates optoelektronisches Detektorelement (DR', DR'', DS', DS'', DT', DT'') erfoderlich ist und die Detektorelemente (DR', DR'', DS', DS'', DT', DT'') derart parallel und/oder antiparallel geschaltet sind, dass ausgangsseitig ein Paar von um 90° phasenversetzten Ausgangssignalen (T0, T90) resultiert.Position measuring device with a graduation scale ( 1.3 ) and at least one relatively shiftable graduation ( 1.2 . 1.4 ), - that of a light source ( 1.1 ) emitted light beam via a condenser optics as a plane wave to a first scanning ( 1.2 ) and diffracts thereof into mainly three different spatial directions and - at the relative to the first scanning graduation ( 1.2 ) displaceable scale division ( 1.3 ) a further diffraction of the impinging wave trains occurs, - before the partial beams at a further, second scanning graduation ( 1.4 ) are diffracted again and after passing the second scanning graduation ( 1.4 ) the wave trains of the same spatial direction interfere, so that the intensities of the three interfering partial beams depend on the phase shift resulting from the relative displacement of scale ( 1.3 ) and scan division ( 1.2 . 1.4 ) and in the case of the shift of scale ( 1.3 ) and scan division ( 1.2 . 1.4 ) yield three periodic, intensity-modulated signals which have a mutual phase offset of 120 ° to one another and - wherein the three interfering partial beams bundle beam splitting elements ( 3 ), each of which causes a division of the individual partial beams into two partial beams with partial signals (R ', R'',S', S '', T ', T'') and the individual, divided partial beams of several subordinate, optoelectronic detector elements (DR ', DR ", DS', DS", DT ', DT "), whereby for each generated partial signal (R', R", S ', S ", T', T" ) a separate optoelectronic detector element (DR ', DR ", DS', DS", DT ', DT ") is required and the detector elements (DR', DR", DS ', DS ", DT', DT '') are connected in parallel and / or in antiparallel in such a way that, on the output side, a pair of output signals (T0, T90) phase-shifted by 90 ° results. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei als Strahlteilungselement (3) mindestens ein Phasengitter vor den optoelektronischen Detektorelementen (DR', DR'', DS', DS'', DT', DT'') angeordnet ist.Position measuring device according to claim 1, wherein as a beam splitting element ( 3 ) at least one phase grating in front of the optoelectronic detector elements (DR ', DR', DS ', DS'',DT', DT '') is arranged. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei als Strahlteilungselement (3) mindestens ein Teilerspiegel vor den optoelektronischen Detektorelementen (DR', DR'', DS', DS'', DT', DT'') angeordnet ist.Position measuring device according to claim 1, wherein as a beam splitting element ( 3 ) at least one divider mirror in front of the optoelectronic detector elements (DR ', DR', DS ', DS'',DT', DT '') is arranged. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei die vorgesehenen Strahlteilungselemente (3) optisch derart dimensioniert sind, daß die resultierenden optischen Teilsignale (R', R'', S', S'', T', T'') eine definiert-vorgegebene Signalintensität aufweisen.Position measuring device according to claim 1, wherein the provided beam splitting elements ( 3 ) are optically dimensioned such that the resulting optical sub-signals (R ', R'',S', S '', T ', T'') have a defined-predetermined signal intensity. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 4, wobei vor den optoelektronischen Detektorelementen (DR', DR'', DS', DS'', DT', DT'') mindestens ein Phasengitter als Strahlteilungselement (3) angeordnet ist, das die auftreffenden Lichtbündel in verschiedene, gebeugte Teil-Strahlenbündel (R', R'', S', S'', T', T'') unterschiedlicher und definiert-vorgegebener Intensität aufteilt.Position measuring device according to claim 4, wherein in front of the optoelectronic detector elements (DR ', DR ", DS', DS", DT ', DT ") at least one phase grating as beam splitter element (US Pat. 3 ) is arranged, which divides the incident light beams into different, diffracted partial beams (R ', R ", S', S", T ', T ") of different and defined-predetermined intensity. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 4, wobei vor mindestens einem optoelektronischen Detektorelement (DR', DR'', DS', DS'', DT', DT'') ein Filterelement angeordnet ist, das eine definiert-vorgegebene Reduzierung der Signalintensitat der optischen Teilsignale (R', R'', S', S'', T', T'') bewirkt.Position measuring device according to claim 4, wherein in front of at least one optoelectronic detector element (DR ', DR ", DS', DS", DT ', DT ") a filter element is arranged, which defines a predetermined predetermined reduction of the signal intensity of the optical component signals ( R ', R' ', S', S '', T ', T' ') causes. Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, wobei durch die Parallel- und/oder Antiparallel-Schaltung der optoelektronischen Detektorelemente (DR, DS', DS'', DT', DT'') aus drei gelieferten periodischen optischen Signalen R, S und T, von denen zwei Signale S, T in Paare von Teilsignalen S', S'', T', T'' aufgespalten wurden, das Ausgangssignal-Paar T0 ≔ R – (T'' + S''), T90 ≔ T' – S'. resultiert.Position measuring device according to claim 1, wherein by the parallel and / or anti-parallel circuit of the optoelectronic detector elements (DR, DS ', DS'',DT', DT '') of three supplied periodic optical signals R, S and T, of which two signals S, T have been split into pairs of sub-signals S ', S ", T', T", the output signal pair T0 ≔ R - (T '' + S ''), T90 ≔ T '- S'. results. Positionsmesseinrichtung nach Anspruch 1, wobei die Maßstabsteilung als reflektierende Maßstabsteilung ausgebildet ist und die erste und zweite Abtastteilung als einzige Abtastteilung ausgebildet ist, von der die auftreffenden Lichtbündel zweimal gebeugt werden.Position measuring device according to claim 1, wherein the scale graduation is formed as a reflective graduation scale and the first and second scanning graduation is formed as a single scanning graduation, from which the incident light beams are diffracted twice.
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