专利名称：光学位置测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学位置测量装置，该装置适用于确定两个相互运 动物体的相对位置并在沿测量距离的至少一个参考位置上提供一个参 考脉冲信号。
背景技术：
确定两个相互运动物体的相对位置用的熟知的增量位置测量装置 在比例尺两侧设有一条增量分度迹线。该增量分度迹线通过一个相对于 该比例尺在至少一个测量方向内运动的扫描单元进行扫描而产生增量 信号。此外，为了建立一个绝对基准，这类位置测量装置可在沿规定或 预先给定的参考位置上产生参考脉冲信号。为此，比例尺的例如与增量 分度迹线相邻的两側在预先给定的一个或多个参考位置上设置有另一 条带有参考标志的迹线。这种参考标志一般由许多非周期性设置在测量
方向内的带有不同光学特性的区段组成。在反射光扫描的情况中，这例 如指的是不同反射性的区段，而在透射光扫描的情况中，这些区段则具 有不同的透光性。
在相对于比例尺测量方向内运动的扫描单元与相应物体连接并包 括一个光源、 一个参考脉冲探测装置以及必要时用于产生增量信号的其 他元件，但后者对这里讨论的问题无关紧要。参考脉冲探测装置由单个 光电探测元件组成，这些探测元件的几何配置必须与参考标志匹配，以 便产生参考脉冲信号。参考脉沖探测装置 一般具有像参考标志那样的相 同结构。
在这种位置测量装置中，在通过参考标志时在相应参考位置上产生 参考脉冲信号的信号最大值，在邻接该参考位置的区域内存在着或多或 少的参考脉沖信号的明显的辅助最大值。在特别明显的辅助最大值情况 中，由于在信号基本电平和信号最大值之间的减少了的信噪比而在该参 考位置上对本来的信号最大值的探测产生一定的不可靠性。
为了解决这个问题，US 4 451 731或DE20 2005 002 622 Ul提出了 在比例尺上设置别的结构元素或附加结构来抑制与本来的参考标志相邻的要产生参考脉冲信号的辅助最大值。为此使用的附加结构由邻接参 考标志的不反射或不透明的刻度组成，并在一定的扫描结构的情况下保 证了参考脉冲信号的辅助最大值的减幅。
发明内容
本发明的目的是提出这样一种位置测量装置，该装置可在沿测量距 离的一个或多个参考位置上实现参考脉冲信号的更好的产生并保证其 可靠的探测。
这个任务是通过具有权利要求1所述特征的位置测量装置来实现的。
本发明位置测量装置的诸多有利结构型式可从各项从属权利要求 中所述的措施得知。
根据本发明，抑制辅助最大值用的附加结构包括至少两条具有第一 光学特性的迹线，在这两条迹线之间配有一个带有第二光学特性的在测 量方向内延伸的区段。在透射光系统的情况中，光学特性可选择不透光
的(第一光学特性)或透光的(第二光学特性)；而在同样可能的反射 光系统中，则光学特性可选用低反射的(第 一光学特性)或高反射的(第 二光学特性)。
本发明提出的光学位置测量装置用于确定两个在测量方向内相互 运动的物体的相对位置，其中可在至少一个^L定的参考位置上产生一个 参考脉冲信号。该位置测量装置包括一个比例尺，该比例尺与这两个物 体之一连接并在该参考位置上具有一个参考标志，该参考标志由许多非 周期性设置在测量方向(x)内的带有不同光学特性的区段组成。在测 量方向内，邻接该参考标志分别设置有若干附加结构，这些结构在测量 方向内延伸并把要产生的参考脉沖信号的辅助最大值减少到最低限度。 此外，该位置测量装置包括一个在比例尺对面在测量方向内运动的扫描 单元，该扫描单元与另一物体连接并带有一个光源和一个由单个纟冢测元 件组成的参考脉冲探测装置，这些探测元件的几何配置与参考标志匹 配，以便产生参考脉冲信号。这些附加结构包括至少两条具有第一光学 特性的迹线，其间配有一个在测量方向内延伸的带有第二光学特性的区 段。
在测量方向内延伸的这个区段最好这样设置在这两个迹线之间，即通过该区段可把光线加到该参考脉冲^:测装置的探测元件上。
光学特性可接下列两个方案之一进行选择
a) 第一光学特性透光的；第二光学特性不透光的；
b) 第一光学特性高反射性的；第二光学特性低反射性的。 比例尺可设计成分度盘，该分度盘至少具有一条设置其上的圆环形
增量分度迹线以及一条与之同心设置的参考标志迹线，其中在该参考标 志迹线内的至少一点上设置参考标志，并在该参考标志迹线的其余区域 设置两条不透光的迹线，其间又设置一个在测量方向延伸的透光区段。
此外，还可把带有第一光学特性的多个矩形减幅区嵌入迹线中，这 些减幅区垂直于测量方向延伸。
在这种情况中，嵌入迹线中的减幅区可与参考标志镜像对称布置。
附加嵌入迹线中的减幅区最好这样设置，使要产生的参考脉冲信号 的辅助最大值进一步减小。
不言而喻，本发明的措施既适用于直线的位置测量装置，又适用旋 转的位置测量装置。同样地，既可实现反射光扫描，又可实现透射光扫 描。在全部情况中都可产生带极小辅助最大值的参考脉沖信号且其信号 最大值可在参考位置上被可靠地探测。
本发明位置测量装置的其他优点和细节可从结合附图的一个实施 例的下列说明中得知。
图1 本发明光学位置测量装置实施例的扫描光路的示意剖面图； 图2a 图1位置测量装置的分度盘的俯视图； 图2b 图2a的分度盘的放大部分详图3 图1位置测量装置的探测平面的俯视图包括产生参考脉冲 用的示意接线；
图4a 4e不同信号与本发明参考脉冲信号产生的关系。
具体实施例方式
下面借助图1的示意剖面图结合图2a、 2b和3来说明设计成旋转 式透射光系统的本发明位置测量装置实施例的扫描光路；后面的附图同 样以示意的形式表示比例尺的视图或部分视图以及图1位置测量装置的探测平面。
所示的位置测量装置用于产生一个围绕轴31旋转的物体的相对运 动有关的位置信息，该物体在附图中未示出。这种装置例如可用于机床 或电驱动并在该处为前置控制单元提供该旋转物体的有关位置信息。
在旋转式位置测量装置的所示实施例中，该装置包括一个分度盘形 式的比例尺10,在该分度盘上设置有一个围绕轴31布置的呈一条增量 分度迹线11的圓环形增量测量分度11.1以及在至少一个参考位置Xref 上在参考标志迹线12内设置有一个参考标志12.1。参考标志迹线12相 对于轴31与增量分度迹线11同心布置。
测量分度ll.l由具有不同光学特性的、分別设计成矩形的、交替配 置的区段组成。在透射光扫描的所示例子中，这些区段是透光的(第一 光学特性)和不透光的(第二光学特性)。在图中的不透光区段用阴影 线标出，而透光的区段则没有阴影线。不透光的区段例如涂覆一层铬涂 层，而透光的区段则设计成玻璃衬底的相应窗口段。测量方向x内的两 个相邻的分度区(透光的、不透光的)的宽度叫做测量分度11.1的分度 间隔TPM。该分度盘居中布置在一根围绕旋转轴31旋转的轴30上并用 玻璃或塑料制成。轴30与一个不断旋转的物体例如与电驱动装置的轴 连接。
此外，所示的位置测量装置包括一个扫描单元20，该扫描单元在所 示例子中固定布置在相对于圆周方向或测量方向x旋转的分度盘10的 对面。扫描单元20包括一个带有前置准直仪光学装置24的光源23以 及一个增量信号探测装置21和一个参考脉冲探测装置22。两个探测装 置21、 22按通常方式集成在一个所谓的光学专用集成电路中，在该电 路中，除了进行信号探测外，还进行别的信号处理。
在用所谓诱射光扫描的所示实施例中，带增量标志迹线和参考标志 迹线ll、 12的分度盘10布置在光源23和探测装置21、 22之间。在增 量标志迹线和参考标志迹线的结构透射后，在探测平面内产生阴影投射 的相应图形，这些图形通过增量信号探测装置21和参考脉冲探测装置 22进行探测并转换成可继续处理的信号。
在增量信号产生的情况中，以熟知的方式方法在探测平面内产生周 期性的条形图，该图通过带有光电二极管阵列的增量信号探测装置21 进行探测并转换成一对相互90。相位移的、根据位移调节的增量信号INCA、 INCB。
此外，为了在位置测量时建立一个绝对基准，在至少一个规定的参 考位置xref上在参考标志迹线12内设置一个参考标志12.1。在参考位 置X战f上产生一个参考信号RI,然后，较高分辨率的(相对的)增量 信号INCa、 INCB与该参考信号发生关系。
如图2b部分放大图所示，在参考位置xref上的参考标志12.1由多 个在测量方向x内非周期性布置的带有不同的第一和第二光学特性的区 段组成。在透射光扫描的所示例子中，参考标志12.1的图示无阴影线的 区段是透光的，而分度盘10上的虚线区和区段则是不透光的。在邻接 参考标志12.1的两侧的参考标志迹线12中设置有本发明的其他附加结 构14，其具体结构尚待下面详细i兑明。
当然，沿着相应的测量距离或沿着被扫描的分度盘圆周还可在邻接
增量分度11.1的一定位置上设置更多的这种参考标志12.1,例如可设置 所谓的扫描编码的参考标志，等等。
在匹配比例尺侧的参考标志12.1的相应结构时，在参考脉沖探测装 置22中这样考虑探测元件的几何配置，使这些探测元件与参考标志12.1 的结构匹配。图3表示共带有9个矩形探测元件22.1 22.9的探测平面 的视图，其布置与比例尺或分度盘〗0上的参考标志12.1的透光区段的 布置相当。在探测元件22.1~22.9上得出的部分信号被输入图3所示的 电流电压互感器25的一个输入端；在电流电压互感器25的第二输入端 上有一个参考电压VREF。在电流电压互感器25的输出端上产生参考脉 沖信号RI。
所以在通过参考位置xref时，分度盘IO上的参考标志12.1的透光
区段与参考脉冲探测装置22的几何上一致对应的探测元件22.1 22.9对
准。于是在参考位置X貼f上产生一个信号最大值，该信号最大值作为参
考脉沖信号ri进行分析和继续处理。
图4a表示在参考位置XREF上在理想情况中产生的参考脉冲信号 RI。此外，在图4a中标出了用于从参考脉沖信号RI中产生可继续处理 的信号的开关门限S以及对参考脉沖信号RI的可靠探测有作用的不同 参数E、 F、 H,这尚待下面详述。其中对参考脉沖信号RI的可靠探测 起决定性作用的是参考位置XREF上的信号最大值比相邻的辅助最大值 足够大，即特别是数值E和F足够大，或存在E/H或F/H的有利比。在图4a的理想化的情况中，E/H=l5/25=0.60和F/H=l7/25=0.68。
图4b表示在参考位置XREF范围内的参考脉冲信号Rl的变化曲线， 如果在分度盘IO上邻接参考标志12.1没有设置附加结构14,则该曲线
是真实的。从图4b可以看出，由于邻接参考位置XREF带有钟形包络线
的辅助最大值的形状，与图4a的理想情况相比，数值F-13小于图4a 的理想情况，在这种情况中，F/H=13/25=0.52比理想情况小，因而比理 想情况不利。所以实际上会导致参考脉冲信号R1的探测可靠性的降低。
所以本发明建议，在分度盘IO上与参考标志12.1邻接的两側设置 业已述及的附加结构14,这种附加结构特别是在辅助最大值的范围内对 参考脉冲信号R1的信号波号产生有利影响。
从图2a可看出，附加结构14在此例中包括参考标志迹线12的两 条不透光的迹线14.1、 14.2,其间设置一个在圆周方向或测量方向延伸 的透光区段14.3。透光区,爻14.3居中设置在两条不透光迹线14.1、 14.2 之间。原则上在设置透光区段14.3时应注意使其与参考脉冲信号探测装 置22的探测元件22.1 22.9对准，这样，在邻接参考位置XREF的区域内， 光线可通过透光区,殳14.3到达这些4冢测元件22.1 22.9。
图4e表示参考脉沖信号RI的信号变化曲线，该曲线是在带有这种 附加结构14的位置测量装置按上述方式得出的。从图4c可清楚看出， 在辅助最大值的区域内避免了以前不利的钟形信号变化曲线，与图4b 比较，可达到有利的E/H=0.65。如果参考脉沖信号RI用电子方式放大， 则在这个部位再次达到改善的信号波形；用这种方式方法特别可放大要 产生的信号的数值E+F,这导致探测可靠性的进一步提高。
在图1 3所示实施例中，对迄今所述的本发明措施即设置附加结构 14进行了补充，即在邻接参考标志12.1的这些附加结构的区域内在 迹线14.1、 14.2或区段14.3中嵌入多个矩形的不透光减幅区15,它们 垂直于圆周方向或测量方向延伸。减幅区15设置到附加结构14中就可 用一种理想化的方法来确定必须在哪个部位嵌入这些附加的减幅区15, 以保证再次改善参考脉沖信号RI的信号波形或其探测可靠性；这可参 阅图2b放大图示出的参考标志12.1的区域。通过这些措施产生的参考 脉沖信号RI如图4b所示。在这里，由于附加的减幅区15,使参考脉沖 信号RI的不希望的辅助最大值进一步减幅或减少到最低，这可通过比 图4c的信号变化曲线得出了较有利的F/H=9.5/18.5=0.51来说明。而已经通过设置附加结构14获得的最佳E/H=0.65则保持不变。减幅区15 通常相对于参考位置X战F镜像对称布置。
最后，图4e表示参考脉沖信号RI的再一次的优化信号变化曲线。 这里，按图1~3的实施例从一个参考标志获得的信号RI再一次以电子 方式放大，从而总体上可获得参数E、 F和H的较大值，并由此可保证 再一次的最佳探测可靠性。
当然，在本发明的范围内还有许多别的实施方案。
例如所示例子也可以是外迹线14.1、 14.2估支成透光的，而居中的分 段14.3则做成不透光的。
此外，原则上本发明的考虑也可用于反射光扫描。此时，例如一个 相应测量分度的区段是低反射性的(第一光学特性)和高反射性的(第 二光学特性)。相应地，附加结构的迹线做成低反射性的，居中的区段 做成高反射性的；附加的减幅区则由低反射性区段构成。在这种情况中， 附加迹线以及居中的区,殳也可改变。
同样地，也可不做成旋转式位置测量的而做成长度测量仪，如此等等。
权利要求
1. 光学位置测量装置用于确定两个在测量方向(x)内相互运动的物体的相对位置，其中在至少一个规定的参考位置(XREF)上可产生一个参考脉冲信号(RI)，且该位置测量装置包括下列组成部分-一个与两物体之一连接的并在参考位置(XREF)上有一个参考标志(12.1)的比例尺(10)，该参考标志由许多在测量方向(x)非周期设置的带有不同光学特性的区段组成，其中在测量方向(x)内邻接参考标志(12.1)两侧分别设置有附加结构(14)，这种结构在测量方向(x)内延伸并把要产生的参考脉冲信号(RI)的辅助最大值降到最低；-一个在比例尺(10)对面在测量方面(x)内运动的扫描单元(20)，该扫描单元与另一物体连接并带有-一个光源(23)，-一个由单个探测元件(22.1～22.9)组成的参考脉冲探测装置(22)，这些元件的几何配置与参考标志(12.1)匹配，以便产生参考脉冲信号(RI)，其特征为，附加结构(14)包括至少两条带有第一光学特性的迹线(14.1、14.2)，其间设置一个在测量方向(x)内延伸的带有第二光学特性的区段(14.3)。
2. 按权利要求1的光学位置测量装置,其特征为，在测量方向(x) 内延伸的区段(14.3)是这样设置在两条迹线(14.1、 14.2)之间的，即 通过区段(14.3)可把光线加到参考脉冲探测装置(22)的探测元件(22.1~22.9)上。
3. 按权利要求1的光学位置测量装置，其特征为，按下列两个方案 之一选择光学特性a) 第一光学特性是透光的；第二光学特性是不透光的；b) 第一光学特性是高反射性的；第二光学特性是低反射性的。
4. 按权利要求2的光学位置测量装置，其特征为，该比例尺(IO) 做成分度盘，该分度盘至少具有一条设置在其上的圓环形增量分度迹线(n)以及一条与之同心设置的参考标志迹线(12),其中在参考标志 迹线(12)的至少一点设置有参考标志(12.1 ),并在参考标志迹线(12.1 ) 的其余区域设置两条不透光的迹线(14.1、 14.2),其间又设置一个在 测量方向(x)内延伸的区段(14.3)。
5. 按前述权利要求至少一项的光学位置测量装置，其特征为，在迹线(14.1、 14.2、 14.3)中还嵌入了一些带有第一光学特性的矩形减幅区 (15),它们垂直于测量方向(x)延伸。
6. 按权利要求5的光学位置测量装置，其特征为，嵌入迹线(14.1、 14.2、 14.3)中的区域(15)与参考标志(12.1 )镜像对称布置。
7. 按权利要求5或6的光学位置测量装置，其特征为，附加嵌入迹 线(14.TU 14.2、 14.3)的减幅区(15)是这样布置的，即可使要产生的 参考脉冲信号(Ri)的辅助最大值进一步减幅。
全文摘要
本发明涉及一种光学位置测量装置，该装置用于确定两个在测量方向(x)内相互运动的物体的相对位置，其中在至少一个规定的参考位置上可产生一个参考脉冲信号。该位置测量装置包括一个与两个物体之一连接的并在该参考位置上具有一个参考标志的比例尺，该参考标志由许多在测量方向内非周期设置的带有不同光学特性的区段组成，在测量方向内邻接该参考标志两侧分别设置有附加结构，这种附加结构在测量方向内延伸并把要产生的参考脉冲信号的辅助最大值降到最低。此外，该位置测量装置包括一个在比例尺对面在测量方向内运动的扫描单元，该扫描单元与另一物体连接并带有一个光源和一个由单个探测元件组成的探测装置。
文档编号G01B11/00GK101441062SQ20081018216
公开日2009年5月27日 申请日期2008年11月24日 优先权日2007年11月23日
发明者J·瓦格纳, S·格里斯 申请人:约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司