专利名称：位置测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种按权利要求1所述的用于确定绝对位置的位置测
量装置。
背景技术：
在许多领域中越来越多地使用绝对的位置测量装置，在这种绝对 的位置测量装置中，绝对的位置信息由具有沿测量方向前后布置的码
元的编码通道导出。在此，码元以伪随才几的分布进行i殳置，/人而纟皮此 先后相随的码元的确定的数量分别形成一个位模型。在扫描装置相对 于编码通道移动一个唯一的码元时已经形成了一个新的位模型，并且 一系列不同的位模型具有整个有待绝对检测的测量区域。
这类顺序的编码称作链式编码或者伪随机编码(PRC)。 在由J.T.M. Stevenson和J.R. Jordan在物理E/科学仪器杂志 (Journal of Physics E/Scientific Instruments ) 21 ( 1988 ) No.12中1140 页到1145页发表的公开文献"用编码图的光学检测进行绝对位置测量 (Absolute position measurement using optical detection of coded patterns)"中提出，每个码元由具有互补的光学特性的两个部分区域 的预先给定的顺序组成。
在该公开文献中参考了 GB2 126 444A。在那里，为了在这类曼切 斯特-编码中产生二进制的信息，建议将编码区域的模拟的扫描信号 与预先给定的触发器阈值作比较，并且根据该比较产生二进制信息0 或1。
与预先固定给定的触发器阈值的这种比较具有这样的缺点，即模 拟扫描信号中的波动会导致错误地产生二进制信息。
在DE 102 44 235 Al中同样描述了位置测量装置，该位置测量装 置的绝对编码通道由码元的伪随机的布置组成，该码元具有曼切斯特 -编码。为了确定检测器元件的扫描信号是否具有有效值， 一方面建 议使用相对于绝对的编码通道平行延伸的增量通道的扫描信号用于选 择对于评估绝对通道所需的检测器元件。另一方面，鼓励为了评价检 测器信号的可靠性将检测器元件分成一组具有偶数编号的检测器元件和一组具有奇数编号的检测器元件，并且分别形成每组的直接相互跟 随着的检测器元件的差信号，并且与比较值进行比较。位置值最终由 有效的扫描信号形成，该扫描信号由比较得出。
发明内容
本发明的任务是进一步改善绝对的位置测量装置的可靠性或者说 操作安全性。
该任务通过权利要求1的特征得到解决。
提出了一种位置测量装置，其具有编码和扫描装置，编码由一系 列沿测量方向前后布置的码元组成，其中至少两个相互跟随着的码元 相应地形成具有位置信息的码字，扫描装置具有用于读出编码的至少 两个形成码字的码元的检测器元件以及评估装置，在评估装置中可以 由检测器元件的扫描信号求得具有当前位置信息的码字。扫描装置和 编码沿测量方向可相对运动地进行布置。本发明的特征在于，在相邻 的在过渡区域中具有相同的特性的码元之间插入具有对此互补的特性 的分隔元件。
本发明优选的设计方案在从属权利要求中进行说明。
根据附图对本发明进行详细解释。其中
图1是位置测量装置的示意性视图2是错误检查的原理；
图3是用于按图2进行错误检查的信号；
图4a是按本发明的位置测量装置的第一扫描位置；
图4b是按本发明的位置测量装置的第二扫描位置；
图4c是按本发明的位置测量装置的第三扫描位置；
图4d是按本发明的位置测量装置的第四扫描位置；以及
图5是在按本发明的位置测量装置中检测器元件上的信号曲线。
具体实施例方式
在图1中示意性地示出了按本发明构造的位置测量装置，其中该 位置测量装置在4艮大程度上相应于已经在DE 102 44 235 Al中介绍的 位置测量装置。该位置测量装置根据光学的扫描原理进行工作，其中 以透射光方法对编码C进行扫描。扫描装置AE用于对编码C进行扫 描，该扫描装置AE沿测量方向X相对于编码C可运动地进行布置。编码C由沿测量方向X前后布置的一系列相同长度的码元CI, C2, C3组成。每个码元Cl, C2, C3又由两个相同长度的沿测量方向 X并排地直接依次相随布置的部分区域A和B组成，该部分区域构造 成彼此互补的。在此，互补表示该部分区域具有相反的特性，也就是 说例如在光学的扫描原理中是透明的和不透明的，或者说在反射光扫 描中是反射的或者说不反射的。
顺序的编码C由扫描装置AE进行扫描，该扫描装置包含光源L, 该光源的光通过瞄准仪透镜K照射多个相互连续的码元Cl， C2, C3。 由编码C根据位置对光进行调整，从而在编码C后产生取决于位置的 光分布，该光分布由扫描装置AE的检测器单元D进行检测。
检测器单元D是具有沿测量方向X布置的一系列检测器元件Dl 到Dll的行传感器(Zeilensensor)。由于清晰的缘故，只画出了必要 的数量的检测器元件Dl到Dll在示出的位置中对编码C进行扫描。 为码元Cl, C2, C3的每个部分区域A, B在每个相对位置中明确地配 设了至少一个检测器元件Dl到Dll，从而在检测器单元D相对于编码 C的每个相对位置中从每个部分区域A,B中获得扫描信号S1A到S3B。 将扫描信号S1A到S3B输入评估装置AW,该评估装置AW成对地处 理码元Cl, C2， C3的两个部分区域C1A， C1B; C2A, C2B; C3A, C3B的两个扫描信号S1A, SIB; S2A， S2B; S3A, S3B,并且为每个 码元Cl, C2, C3产生数字值或者说二进制数位B1， B2， B3。 一系列 多个数字值B1， B2， B3给出了码字CW，该码字定义了绝对位置。在 将检测器单元D相对于编码C移动码元C1， C2， C3的宽度或者说长 度时，产生了新的码字CW并且通过有待绝对测量的测量区域形成大 量不同的码字CW。
图1示出了编码C相对于扫描装置AE的瞬时位置。检测器元件 Dl到Dll相互连续地以编码C的部分区域CIA到C3B的一半宽度的 间距进行布置。由此确保在每个位置中至少一个检测器元件Dl到Dll 明确地配属于一个部分区域C1A到C3B,并且不对两个部分区域CIA 到C3B之间的过渡区域进行扫描。在示出的位置中，部分区域CIA由 检测器元件D1扫描，并且部分区域C1B由检测器元件D3扫描。检测 器元件Dl, D3检测光分布，并且根据光强产生与光强成比例的模拟的 扫描信号S1A, S1B。因为相互互补地构造两个部分区域C1A和C1B，所以扫描信号S1A和S1B的强度也是相互相反的，信号电平是远远地 相互间隔开的。
现在利用该信号间距产生二进制信息Bl,方法是检测码元CI的 两个扫描信号SIA, SIB中哪个比较大。该检测可以通过形成商或者 通过形成差来实现。在实施例中使用形成差，为此，按图1的评估装 置AW包含触发器模块Tl， T2, T3形式的比较装置。如此，触发器 才莫块Tl在SIA小于SIB时例如产生Bl= "0",当SIA大于SIB时产 生81= "1"。以相同的方式，通过对码元C2， C3的扫描获得二进制 信息B2和B3，并且通过触发器模块T2， T3获得各个码元C2， C3的 部分区域C2A， C2B; C3A, C3B的模拟的扫描信号S2A, S2B; S3A， S3B的比4支。
因此第一数字值对应于相互互补地构造的部分区域A，B的第一顺 序，并且第二数字值对应于相互互补地构造的部分区域A, B的第二顺 序。在实施例中，值0对应于不透明—透明的顺序，并且值1对应于 透明—不透明的顺序。
因为每个码元Cl， C2， C3的两个部分区域A和B是相互互补的， 所以扫描信号S的信噪比非常大。改变光源L的光强以相同的方式影 响两个部分区域A和B的扫描信号S。
由于码元C1， C2， C3的两个部分区域A， B相应互补地构造，所 以必须在位置测量装置的正确操作方式中通过对该部分区域A,B的扫 描分别产生模拟的扫描信号S，该扫描信号的差值超过预先给定的值。 通过检验该差值可以实现良好的错误检查。该错误检查的基础是在差 值低于预先给定的数值时，二进制信息Bl, B2， B3是不可靠的，并 且因此对该二进制信息Bl, B2, B3产生错误信号F。
在图2中示出了产生错误信号F的原理。将码元Cl的模拟的扫描 信号S1A和S1B输入错误检查装置P。错误检查装置P通过形成差(SI A - S1B )比较S1A和S1B,并且检查差值是否超过预先给定的比较值V。 优选地如此选择比较值V,使得在为了比较而引用的模拟的扫描信号 S1A， S1B之一在数量上下降时已经产生了错误信号F。例如在从码元 Cl, C2, C3的一个部分区域过渡到下一个部分区域时或者在从一个码 元Cl, C2, C3过渡到下一个码元时情况是这样的，如果两个相互连 续的码元在过渡区域中具有不同的特性的话。当差值(S1A-S1B)不超过预先给定的比较值V时，发出错误信号F。在图3中示出了该信 号关系。具体地可以通过对本领域的技术人员公知的窗口比较器形成 错误检查装置P。
错误检查装置P优选地集成到触发器模块中。在此，例如通过单 独的导线发出并且评估错误信号F。但作为其替代方案，也可以如此构 造触发器模块，从而输出端可以表现三种状态，例如正电压对应逻辑 "1"，负电压对应逻辑"0",并且0伏用于表示错误信号F。
按本发明，码元Cl， C2， C3在过渡区域中具有相同的特性，现 在将具有与上述特性互补的特性的分隔元件U1,U2插入沿测量方向X 码元C1， C2, C3;f皮此邻接的;也方。例如在图1中所示，编码C涉及 串行编码，其中各个码元Cl, C2, C3具有曼切斯特-编码，由此， 当出现代码转换时这一直适用，换句话说，即当相应于逻辑"1"的码 元C1， C2, C3跟在相应于逻辑"0"的码元C1， C2, C3后以及相反 时一直适用。
如果使用简单的串行编码C,其中码元Cl, C2, C3仅仅由一个 具有确定特性的区域组成，那么就是这种情况，即两个相同的码元Cl, C2, C3相互紧跟着(没有示出)。
假定在图1中部分区域C1B和C2A在码元Cl和C2之间的过渡 区域中是透明的，那么分隔元件U1具有不透明的特性。同样，在不透 明的部分区域C2B和C3A之间的分隔元件U2在码元C2和C3之间的 过渡区域中具有透明的特性。
在实践中，如由图1的说明可知，通过形成差信号成对地评估检 测器元件。在此，重要的是可以区别哪些检测器元件在扫描单元AE相 对于编码C的相应的相对位置时以差动电路的形式形成有效的位置值 以及哪些检测器元件不形成有效的位置值。
图4a到4d示出了扫描单元AE相对于编码C的四个位置。在该 实施例中，检测器单元D包括十四个4全测器元件Dl到D14,这些4全测 器元件的扫描信号S输入评估装置AW。为了处理扫描信号S，评估装 置包括十二个触发器模块Tl到T12形式的比较装置以及评价单元 BW，将在触发器模块T1到T12中评估的结杲输出到该评价单元上， 并且该评价单元在对输入信号评价后发出由二进制数位Bl， B2， B3 组成的码字CW作为扫描的结果。以哪种形式输出结果对于本发明来说不重要。例如，该输出不仅 可以如所示的那样并行进行，也可以以串行进行。同样，为了输出结
果，例如输出到机床控制装置上，还可以在扫描单元AE中包含其它模 块。为了完整性起见，此外还要提及，扫描单元AE的组成部分也可以 在空间上分开地进行布置。
这里如此选择检测器元件Dl到D14的数目，使得在扫描单元AE 相对于编码C的每个相对位置上可以求得可靠的码字CW。在此，用 触发器模块Tl到T12形成每两个直接相互连接的偶数的检测器元件 D2, D4, D6, D8， D10， D12, D14的差以及每两个奇数的检测器元 件Dl, D3， D5， D7, D9, Dll， D13的差，并且将结杲在数值上与比 较值V进行比较。以此，触发器模块Tl到T12也包括错误检查装置P。 当差信号的数值低于比较值V时，归入无效的，并且相应的触发器模 块T1到T12发出错误信号F。相反地，当差信号的数值达到或者超过 比较值V时，触发器模块Tl到T12给出逻辑值，即根据差信号的极 性给出逻辑"1"或者逻辑"0"。
在图4a中，码元CI的数字值例如可以用比较装置Tl由检测器元 件Dl和D3的扫描信号的差动电路求得，码元C2的数字值用比较装 置T5由检测器元件D5和D7的扫描信号求得，并且码元C3的数字值 用比较装置T9由检测器元件D9和Dll的扫描信号求得。
偶数的才全测器元件D2， D4， D6， D8, D10, D12， D14提供无效 的扫描信号，因为这些检测器元件不是位于两个码元CI, C2， C3之 间的过渡区域中就是位于码元Cl， C2， C3内的两个部分区域CIA， C1B; C2A， C2B; C3A， C3B之间。相应地，评估偶数的检测器元件 D2, D4, D6, D8， D10， D12， D14的偶数的触发器才莫块T2, T4， T6， T8， T10, T12发出错误信号F,因为产生的差信号在数值上分别低于 比较值V。在剩余的用于评估奇数的检测器元件Dl， D3, D5, D7, D9， Dll, D13的剩余组合的触发器模块T3， T7和T11中，评估的结 果取决于编码C的码元Cl， C2, C3顺序。在二进制转换中，也就是 在逻辑"0"跟着逻辑"1"或者相反时，评估的结果同样是错误信号F。 在图4a中，在触发器模块T3和T7中就是这种情况。与之相反，如果 两个相同的码元C1， C2， C3相互跟着，如在跟在码元C3后的码元中 所示，那么用比较装置Tll的评估获得有效的数字值，在示出的情况中为逻辑值"1"。
在该实施例中，4全测器元件Dl到D14沿测量方向X以相应于码 元Cl, C2, C3的部分区域A, B的一半长度的距离进行布置。通过差 值的扫描，为了对码元C1， C2， C3进行扫描根据编码C相对于扫描 单元AE的相对位置产生四个检测器对，参照图4a到4d,例如为了对 码元Cl进行扫描，产生相应于触发器模块Tl到T4的输出信号的检 测器元件Dl — D3 (图4a ) ， D2 — D4 (图4b ) , D3 — D5 (图4c )以 及D4-D6(图4d)。此外，可以将触发器模块T1到T12分成四组， 其中在扫描单元AE相对于编码C的每个相对位置上，至少一组发出 当前的码字CW。相应于图4a到4d，第一组由触发器模块T1， T5, T9组成，第二组由触发器模块T2， T6, T10组成，第三组由触发器模 块T3， T7, Tll组成，以及第四组由触发器模块T4， T8， T12组成。 评价单元BW分别求出输出端具有最少的错误信号F或者根本没有错 误信号F的那一组，并且将其作为位置测量的结果作为码字CW输出。
是否以及何时有多少错误信号F允许出现在一组中出现取决于编 码C。如杲编码C不是构造成冗余的话，就不允许有错误信号F，因 为对于正确的位置确定来说每个码元Cl, C2, C3必须是可以明确识 别的。在冗余地构造的编码C中，允许的错误信号F的数量取决于在 码字CW中有多少有错误的二进制数位可以通过冗余来补偿。
为了进一步说明分隔元件Ul, U2按本发明的布置的优点，在图 4b和4c中在码元Cl的部分区i戈C1A和C1B之间的过渡区域内示出 了脏物颗粒SP。这类脏物会在位置测量装置的使用寿命进程中例如由 磨损材料、润滑剂液滴或者从外面渗入的材料的沉积形成。下面假定， 扫描单元AE相对于编码C从左向右运动，这相应于从图4c到图4b 的转变。此外假定，例如在图1中示出的一样，位置测量装置涉及到 根据透射光原理工作的位置测量装置，其中码元Cl的部分区域C1A 是不透明的，并且码元C1的部分区域C1B是透明的。
因为脏物颗粒SP同样具有不透明的特性，所以不再可以只通过检 测器元件D3的输出信号的评估确定检测器元件D3位于过渡区域中且 对于正确的位置确定来说，为了评估码元Cl的部分区域C1A必须佳: 用检测器元件D2。以此，没有分隔元件U1，比较装置T3在图4b示 出的位置中也会进一步求得有效的数字值，即逻辑"0"。然而，分隔元件Ul导致扫描信号S在检测器元件D5上的下降，并且由此由触发 器单元T3发出错误信号F。
如上面已经描述的，触发器模块Tl到T12也可以在无干扰的运行 时求得有效的数字值，而不允许用该数字值确定当前的码字CW，更 确切地i兌在相互跟着的码元CI, C2, C3具有相同编码时。例如在图 4b中在比较装置T12中情况就是这样的。结合由于污染效应而错误地 获得的数字值提高了在一个时间点出现两个相互不同的码字CW的可 能性。因为在这种情况下不再给出在其上运行位置测量装置的机器的 无错误的并且首先是无危险的运行，所以必须将其停止，例如通过停 止信号HALT,评价单元BW将该停止信号发送到没有示出的上级控 制装置上。通过插入分隔元件Ul, U2,显著地降低了这类失灵的可能 性，并且以此提高了位置测量装置的使用寿命和可靠性。
根据图5应该再一次说明分隔元件Ul, U2的工作原理。示出的曲 线示出了在扫描单元AE相对于编码C沿测量方向X从码元C1的部分 区域C1A相对运动到码元C3的部分区域C3B时在检测器元件Dl到 D14上信号强度的曲线。在根据现有技术没有构造分隔元件Ul, U2 的编码C中，强度曲线在部分区域C1B-C2A或者说C2B-C3A之间 的过渡区域中跟随虚线，并且不能识别该过渡区域。插入分隔元件Ul, U2引起部分区域C1B-C2A之间的过渡区域中显著的信号下降，或者 说引起部分区域C2B-C3A之间的信号上升。由此可以在分别对检测 器元件Dl到D14进行评估时自动检测到过渡区域。如已经描述的那样， 通过检测器元件Dl到D14的差动电路，由分隔元件Ul, U2在识别码 元Cl， C2, C3之间的过渡区域时获得显著更高的可靠性。出现由分 隔元件U1,U2造成的信号下降或者说信号上升的强度在很大程度上取 决于分隔元件Ul, U2关于检测器元件D1到D14的尺寸的尺寸，尤其 取决于检测器元件D1到D14被分隔元件U1， U2遮盖的程度。在实践 中，分隔元件Ul, U2对检测器信号的影响明显地由信号波动显露出， 该信号波动由干扰效应引起，例如由脏物或者信号噪声引起。已经表 明，当如此设计分隔元件Ul， U2的尺寸，使得在检测器元件Dl到 D14被分隔元件Ul, U2遮盖最大时关于检测器信号的最大或者说最小 振幅引起大于或者等于20%的信号下降或者说信号上升时，对于可靠 地识别两个码元之间的过渡区域是有利的，所述两个码元在过渡区域中具有相同的特性。
另一方面，为了可以确保能将分隔元件Ul, U2对检测器元件D1 到D14的影响与码元Cl, C2， C3或者说码元的部分区域C1A到C3B 的影响进行区分，优选地选择使分隔元件Ul, U2的宽度明显小于码元 Cl， C2, C3的宽度。对于实际上的实施方式来说已经表明，特别有利 的是当分隔元件Ul, U2的宽度为码元Cl, C2, C3的宽度的5。/。到8.5 %之间，尤其为7 %到8 %之间。
每个码元Cl, C2, C3的两个部分区域A, B可以构造成可在光学 上扫描的，其中部分区域A对于扫描光来说构造成透明的或者反射的， 且另一个部分区域B构造成不透明的或者不反射的。但是本发明不限 制于光学的扫描原理，本发明尤其也可以应用于磁性的扫描原理。
绝对的位置测量装置可以用于测量线性的或者旋转的运动，其中 编码C安装在活动的物体上，并且扫描装置AE安装在另一个有待测 量的物体上。在此，编码C可以直接安装在有待测量的物体上或者安 装在标尺上，该标尺随后再次与有待测量的物体耦合。
在此，有待测量的物体可以是桌子和机床或者坐标测量机器的滑 座，或者也可以是电动机的转子和定子。
权利要求
1.位置测量装置，该位置测量装置具有-编码(C)，该编码由一系列沿测量方向(X)前后布置的码元(C1，C2，C3)组成，其中至少两个相互跟随着的码元(C1，C2，C3)分别形成具有位置信息的码字(CW)，-扫描装置(AE)，该扫描装置包括具有用于读出编码(C)的至少两个形成码字(CW)的码元(C1，C2，C3)的检测器元件(D1-D14)的检测器单元(D)以及评估装置(AW)，在该评估装置中可以由检测器元件(D1-D14)的扫描信号(S)求得具有当前位置信息的码字(CW)，其中所述扫描装置(AE)和编码(C)沿测量方向(X)可相对运动地进行布置，其特征在于，-所述码元(C1，C2，C3)在过渡区域中具有相同的特性，在相互邻接的码元(C1，C2，C3)之间插入具有与上述特性互补的特性的分隔元件(U1，U2)。
2. 按权利要求l所述的位置测量装置，其特征在于，所述评估装 置(AW)包括用于形成分别沿测量方向(X)直接相互跟随着的偶数 的检测器元件(D2， D4， D6， D8, D10, D12， D14)以及直接相互跟 随着的奇数的检测器元件(Dl， D3， D5， D7, D9， Dll, D13)的模 拟的扫描信号(S)的差的触发器模块(T1-T12)。
3. 按权利要求2所述的位置测量装置，其特征在于，所述触发器 模块(Tl-T12)具有错误检查装置(P),构造该错误检查装置(P) 用于将扫描信号(S)的差与比较值(V)在数值上进行比较，并且在 数值上低于比较值(V)时发出错误信号(F)。
4. 按权利要求3所述的位置测量装置，其特征在于，所述评估装 置(AW)另外还包括评价单元(BW)，在该评价单元(BW)上触 发器模块(Tl - T12)根据扫描信号(S)的差发出逻辑值以及/或者错 误信号(F),并且可以在评价单元(BW)中根据该信息求得所述码 字(CW)。
5. 按权利要求4所述的位置测量装置，其特征在于，在评价单元 (BW)中由触发器模块(T1-T12)的输入信号形成組(T1， T5, T9;T2， T6, T10; T3, T7， Til; T4, T8, T12),并且由具有最少4普误信号(F)的组(Tl， T5， T9; T2, T6， T10; T3， T7， Til; T4, T8， T12)可以求得所述码字(CW)。
6. 按上述权利要求中任一项所述的位置测量装置，其特征在于， 码元(CI, C2, C3)的两个部分区域(A， B)具有相互互补的光学 特性。
7. 按上述权利要求中任一项所述的位置测量装置，其特征在于， 所述才全测器元件(Dl -D14)沿测量方向(X)以相应于部分区域(A, B)的一半长度的间距进行布置。
全文摘要
提出了一种位置测量装置，其具有编码(C)和扫描装置(AE)，编码由一系列沿测量方向(X)前后布置的码元(C1，C2，C3)组成，至少两个相互跟随着的码元分别形成具有位置信息的码字(CW)，扫描装置具有用于读出编码(C)的至少两个形成码字(CW)的码元的检测器元件(D1-D14)以及评估装置(AW)，在评估装置中可以由检测器元件的扫描信号(S)求得具有当前位置信息的码字。扫描装置和编码沿测量方向可相对运动地进行布置。本发明的特征在于，所述码元在过渡区域中具有相同的特性，在相互邻接的码元之间插入具有与上述特性互补的特性的分隔元件(U1，U2)。
文档编号G01B11/00GK101290220SQ20081009157
公开日2008年10月22日 申请日期2008年4月21日 优先权日2007年4月20日
发明者E·迈耶, H·托弗, J·奥伯豪瑟 申请人:约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司