EP0735346A2

Opto-electrical position-measuring device

Abstract

Light from a light source (8) is modulated by several grids (4,1) which can be displaced relative to one another causing deflected light beams to interfere with one another. Several photo-detectors (6,7) are used to form signals phase displaced from one another and at least one of the grid has several diagonal grid zones arranged one behind the other (2,3) with identical or only insignificantly different diagonal pitch periods (TT). Each of the grid zones has periodic markings spaced diagonally apart and the grid zones are arranged phase displaced from one another across the direction of measurement. This phase displacement differs from 180 degrees and the part beams diagonally deflected at these markings are directed at the photo-detectors.

EP0735346A2, drawing sheet 1
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21 claims: 21 independent, 0 dependent

  1. 1
    Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung, bei der Licht einer Lichtquelle (8) von mehreren in Meßrichtung (X) relativ zueinander verschiebbaren Gittern (4, 1, 10, 20, 30, 40, 51, 52, 80, 50, 90, 151, 152) positionsabhängig moduliert wird, indem gebeugte Lichtstrahlenbündel miteinander interferieren und mehrere Fotodetektoren (6, 7, 61, 62, 63, 64, 65, 71, 72, 73, 74, 75) zur Bildung positionsabhängiger, gegeneinander phasenverschobener Signale vorgesehen sind, wobei zumindest eines der Gitter (1, 10, 20, 30, 40, 51, 52, 80, 50, 90, 151, 152) mehrere in Meßrichtung (X) hintereinander angeordnete transversale Gitterbereiche (2, 3, 11 bis 14, 21 bis 24, 31, 32, 41, 42, 53 bis 56, 81, 82, 91, 92, 153 bis 156) gleicher oder nur unwesentlich unterschiedlicher transversaler Teilungsperiode (TT, TT1, TT2) aufweist, indem jeder dieser Gitterbereiche (2, 3, 11 bis 14, 21 bis 24, 31, 32, 41, 42, 53 bis 56, 81, 82, 91, 92, 153 bis 156) periodische Markierungen besitzt, die im wesentlichen transversal beabstandet sind, und die Gitterbereiche (2, 3, 11 bis 14, 21 bis 24, 31, 32, 41, 42, 53 bis 56, 81, 82, 91, 92, 153 bis 156) quer zur Meßrichtung gegeneinander phasenverschoben angeordnet sind, wobei diese Phasenverschiebung von 180° abweicht, und daß an diesen Markierungen transversal gebeugte Teilstrahlenbündel auf die Fotodetektoren (6, 7, 61 bis 65, 71 bis 75) gerichtet sind. Photoelectric position measuring device, in the light of a light source (8) from a plurality of gratings (4, 1, 10, 20, 30, 40, 51, 52, 80, 50, 90, 151, 152) which are displaceable relative to one another in a position-dependent manner is modulated by diffracted light beams interfering with one another and a plurality of photodetectors (6, 7, 61, 62, 63, 64, 65, 71, 72, 73, 74, 75) are provided to form position-dependent signals which are phase-shifted with respect to one another, wherein at least one of the gratings (1, 10, 20, 30, 40, 51, 52, 80, 50, 90, 151, 152) has a plurality of transverse grating regions (2, 3, 11 to 14, 21) arranged one behind the other in the measuring direction (X) to 24, 31, 32, 41, 42, 53 to 56, 81, 82, 91, 92, 153 to 156) has the same or only slightly different transverse division period (TT, TT1, TT 2) by each of these grid areas (2nd , 3, 11 to 14, 21 to 24, 31, 32, 41, 42, 53 to 56, 81, 82, 91, 92, 153 to 156) has periodic marks that are substantially transversely spaced and the grating areas (2, 3, 11 to 14, 21 to 24, 31, 32, 41, 42, 53 to 56, 81, 82, 91, 92, 153 to 156) are arranged out of phase with respect to one another transversely to the measuring direction, this phase shift deviating from 180 °, and in that transversely diffracted partial beams are directed at the photodetectors (6, 7, 61 to 65, 71 to 75) at these markings.
  2. 2
    Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierungen eines Gitterbereiches (2, 3, 11 bis 14, 21 bis 24, 53 bis 56, 81, 82, 91, 92, 153 bis 156) parallele Gitterstriche sind, die mit der Meßrichtung (X) einen Winkel von 0° einschließen. Photoelectric position measuring device according to claim 1, characterized in that the markings of a grating region (2, 3, 11 to 14, 21 to 24, 53 to 56, 81, 82, 91, 92, 153 to 156) are parallel grating lines which correspond to the Measuring direction (X) enclose an angle of 0 °.
  3. 3
    Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterbereiche (2, 3, 11 bis 14, 21 bis 24, 53 bis 56, 81, 82, 91, 92, 153 bis 156) in Form eines Amplitudengitters oder Phasengitters ausgebildet sind. Photoelectric position measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that the grating regions (2, 3, 11 to 14, 21 to 24, 53 to 56, 81, 82, 91, 92, 153 to 156) are in the form of an amplitude grating or phase grating are.
  4. 4
    Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterbereiche (2, 3, 11 bis 14, 21 bis 24, 53 bis 56, 81, 82, 91, 92, 153 bis 156) ein Phasengitter bilden, dessen Parameter derart gewählt sind, daß die nullte transversale Beugungsordnung (0.) unterdrückt wird. Photoelectric position measuring device according to claim 3, characterized in that the grating regions (2, 3, 11 to 14, 21 to 24, 53 to 56, 81, 82, 91, 92, 153 to 156) form a phase grating, the parameters of which are selected in this way that the zeroth transverse diffraction order (0) is suppressed.
  5. 5
    Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den transversal versetzt angeordneten Gitterbereichen (2, 3, 53 bis 56) jeweils Teilstrahlenbündel in +1. und -1. Beugungsordnung erzeugt werden und ein Fotodetektor (6, 61) zur Erfassung der +1. und ein weiterer Fotodetektor (7, 71) zur Erfassung der -1. Beugungsordnungen vorgesehen ist, und daß die Signale der beiden Fotodetektoren (6, 7;61, 71) gegeneinander phasenverschoben sind. Photoelectric position measuring device according to one of Claims 1 to 4, characterized in that partial beam bundles in +1 each are arranged on the grating regions (2, 3, 53 to 56) arranged transversely offset. and -1. Diffraction order are generated and a photodetector (6, 61) for detecting the +1. and a further photodetector (7, 71) for detecting the -1. Diffraction orders are provided, and that the signals of the two photodetectors (6, 7;61, 71) are out of phase with one another.
  6. 6
    Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Gitterbereiche (2, 3, 11 bis 14, 21 bis 24, 31, 32, 41, 42, 53 bis 56, 81, 82, 91, 92) mit transversalen Markierungen gleicher Teilungsperiode (TT, TT1, TT2) vorgesehen sind, die quer zur Meßrichtung (X) um 1/4 der transversalen Teilungsperiode (TT, TT1, TT2) versetzt sind. Photoelectric position measuring device according to one of claims 1 to 5, characterized in that two grating regions (2, 3, 11 to 14, 21 to 24, 31, 32, 41, 42, 53 to 56, 81, 82, 91, 92) with transverse markings of the same division period (TT, TT1, TT2) are provided, which are offset transversely to the measuring direction (X) by 1/4 of the transverse division period (TT, TT1, TT2).
  7. 7
    Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Gitterbereiche (91, 92, 153 bis 156) mit transversalen Markierungen gleicher Teilungsperiode (TT) vorgesehen sind, die quer zur Meßrichtung (X) um etwa 2/3 der transversalen Teilungsperiode (TT) zueinander versetzt angeordnet sind. Photoelectric position measuring device according to one of claims 1 to 5, characterized in that two grating regions (91, 92, 153 to 156) are provided with transverse markings of the same division period (TT), which are transverse to the measuring direction (X) by approximately 2/3 of the transverse ones Division period (TT) are arranged offset from each other.
  8. 8
    Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Markierungen der transversal zueinander versetzten Gitterbereiche (2, 3, 11 bis 14, 21 bis 24, 31, 32, 41, 42, 53 bis 56, 81, 82) in Meßrichtung X gleich ist. Photoelectric position measuring device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the width of the markings of the transversely offset grating regions (2, 3, 11 to 14, 21 to 24, 31, 32, 41, 42, 53 to 56, 81, 82) in the measuring direction X is the same.
  9. 9
    Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Breiten der Markierungen der transversal zueinander versetzten Gitterbereiche (91, 92, 153 bis 156) in Meßrichtung (X) 2 zu 1 ist. Photoelectric position measuring device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the ratio of the widths of the markings of the transversely offset grating regions (91, 92, 153 to 156) in the measuring direction (X) is 2 to 1.
  10. 10
    Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Gitterbereiche (91, 92 bzw. 153 bis 156) mit gleicher transversaler Teilungsperiode (TT) quer zur Meßrichtung (X) um etwa 2/3 der transversalen Teilungsperiode (TT) gegeneinander versetzt sind. Photoelectric position measuring device according to claim 9, characterized in that the two grating regions (91, 92 or 153 to 156) with the same transverse division period (TT) are offset from one another transversely to the measuring direction (X) by approximately 2/3 of the transverse division period (TT) .
  11. 11
    Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1, 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung der Markierungen quer zur Meßrichtung (X) kontinuierlich, insbesondere sinusförmig verläuft. Photoelectric position measuring device according to one of Claims 1, 3 to 10, characterized in that the phase shift of the markings runs continuously, in particular sinusoidally, transversely to the measuring direction (X).
  12. 12
    Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1, 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (b) der transversalen Markierungen senkrecht zur Meßrichtung abhängig vom Weg (X) variiert. Photoelectric position measuring device according to one of Claims 1, 3 to 11, characterized in that the width (b) of the transverse markings varies perpendicular to the measuring direction depending on the path (X).
  13. 13
    Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die lokale transversale Teilungsperiode (TT) der transversalen Gitterbereiche (81, 82) in Abhängigkeit vom Weg (Y) quer zur Meßrichtung (X) stetig variiert, wobei die dadurch unterschiedlich stark abgelenkten Teilstrahlenbündel vorgegebener Beugungsordnung (±1.) von einem gemeinsamen Fotodetektor (6, 7) erfaßt werden. Photoelectric position measuring device according to one of Claims 1 to 13, characterized in that the local transverse division period (TT) of the transverse grating regions (81, 82) varies continuously as a function of the path (Y) transversely to the measuring direction (X), the result being different degrees deflected partial beams of predetermined diffraction order (± 1.) can be detected by a common photo detector (6, 7).
  14. 14
    Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Gitterbereiche (53 bis 56) unterschiedlicher transversaler Teilungsperiode (TT1, TT2) vorgesehen sind, wobei die Gitterbereiche (53, 54;55, 56) mit der gleichen Teilungsperiode (TT1, TT2) jeweils eine Gruppe bilden, und daß die Gitterbereiche (53, 54) einer Gruppe gegenüber den Gitterbereichen (55, 56) einer anderen Gruppe um einen Bruchteil oder einem Bruchteil zuzüglich einem Vielfachen einer longitudinalen Teilungsperiode (TA) in Meßrichtung (X) phasenverschoben angeordnet sind. Photoelectric position measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of grating regions (53 to 56) of different transverse division periods (TT1, TT2) are provided, the grating regions (53, 54;55, 56) with the same division period (TT1, TT2) each form a group, and that the grid areas (53, 54) of one group compared to the grid areas (55, 56) of another group by a fraction or a fraction plus a multiple of one longitudinal division period (TA) in the measuring direction (X) are arranged out of phase.
  15. 15
    Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Gitterbereiche (153 bis 156) als Echelettegitter mit unterschiedlichem Blaze-Winkel (φ1) vorgesehen sind, wobei die Gitterbereiche (153, 154 bzw. 155, 156) mit dem gleichen Blaze-Winkel (φ1) jeweils eine Gruppe bilden, und daß die Gitterbereiche (153, 154) einer Gruppe gegenüber den Gitterbereichen (155, 156) einer anderen Gruppe um einen Bruchteil oder einen Bruchteil zuzüglich einem Vielfachen einer longitudinalen Teilungsperiode (TA) in Meßrichtung (X) phasenverschoben angeordnet sind. Photoelectric position measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of grating regions (153 to 156) are provided as echelette grids with different blaze angles (φ1), the grating regions (153, 154 or 155, 156) with the same blaze angle (φ1) each form a group, and that the grating regions (153, 154) of one group compared to the grating regions (155, 156) of another group by a fraction or a fraction plus a multiple of one longitudinal division period (TA) in the measuring direction (X) are arranged out of phase.
  16. 16
    Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Gruppen vorgesehen sind, die in Meßrichtung (X) um (m+1/4)TA mit m = 0, 1, 2, ... angeordnet sind. Photoelectric position measuring device according to claim 14 or 15, characterized in that two groups are provided which move in the measuring direction (X) (m + 1/4) TA with m = 0, 1, 2, ... are arranged.
  17. 17
    Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß an ersten transversal gegeneinander versetzten Gitterbereichen (53, 54 bzw. 153, 154) gleicher erster Teilungsperiode (TT1) oder erstem Blaze-Winkel (φ1) erste gebeugte Lichtstrahlenbündel auf mehrere Fotodetektoren (61, 71 bzw. 74, 75) gerichtet sind und erste gegeneinander phasenverschobene Abtastsignale erzeugt werden, und daß weitere transversal zueinander versetzte Gitterbereiche (55, 56 bzw. 155, 156) vorgesehen sind, dessen Teilungsperiode (TT2) und/oder Blaze-Winkel (φ1) von den ersten Gitterbereichen (53, 54 bzw. 153, 154) abweicht, wobei an diesen zweiten Gitterbereichen (55, 56 bzw. 155, 156) zweite gebeugte Lichtstrahlenbündel auf weitere Fotodetektoren (6, 7 bzw. 64, 65) gerichtet sind und zumindest ein weiteres, gegenüber zumindest einem der ersten Abtastsignale phasenverschobenes Abtastsignal erzeugt wird. Photoelectric position measuring device according to one of claims 14 to 16, characterized in that at first grating regions (53, 54 or 153, 154) of the same first division period (TT1) or first blaze angle (φ1) which are offset transversely with respect to one another, first diffracted light beams on a plurality of photodetectors (61, 71 or 74, 75) are directed and first mutually phase-shifted scanning signals are generated, and that further transversely offset grating regions (55, 56 and 155, 156) are provided, the division period (TT2) and / or blaze angle (φ1) of the first grating regions (53, 54 or 153, 154) deviates, second diffracted light beams being directed onto further photodetectors (6, 7 or 64, 65) and at least one further scanning signal which is phase-shifted with respect to at least one of the first scanning signals is generated.
  18. 18
    Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht der Lichtquelle (8) mittels einer Linse (9) kollimiert auf eine Abtastplatte (19, 59) mit einem Abtastgitter (1, 51, 52) trifft, daß nach der Abtastplatte (19, 59) ein Maßstabgitter (4) vorgesehen ist und vom Maßstabgitter (4) transmittierende Teilstrahlenbündel mittels einer weiteren Linse (5) auf mehrere Fotodetektoren (6, 7, 61, 71) fokussiert werden, wobei das Abtastgitter (1, 51, 52) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist. Photoelectric position measuring device according to claim 1, characterized in that the light from the light source (8) collimates by means of a lens (9) on a scanning plate (19, 59) with a scanning grating (1, 51, 52) that after the scanning plate (19 , 59) a scale grating (4) is provided and partial beams of rays transmitted by the scale grating (4) are focused on a plurality of photo detectors (6, 7, 61, 71) by means of a further lens (5), the scanning grating (1, 51, 52) is designed according to one of the preceding claims.
  19. 19
    Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht der Lichtquelle (8) mittels einer Linse (9) kollimiert auf eine Abtastplatte (59, 99) mit einem Abtastgitter (51, 52, 90) trifft, daß nach der Abtastplatte (59, 99) ein reflektierendes Maßstabgitter (4) vorgesehen ist und die reflektierten Teilstrahlenbündel wieder durch das Abtastgitter (51, 52, 90) gebeugt werden und mittels der Linse (9) auf mehrere Fotodetektoren (6, 7, 61, 71, 62, 63) fokussiert werden, wobei das Abtastgitter (51, 52, 90) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist. Photoelectric position measuring device according to claim 1, characterized in that the light from the light source (8) collimates by means of a lens (9) on a scanning plate (59, 99) with a scanning grating (51, 52, 90) that after the scanning plate (59 , 99) a reflecting scale grating (4) is provided and the reflected partial beams are again diffracted by the scanning grating (51, 52, 90) and onto several photodetectors (6, 7, 61, 71, 62,) by means of the lens (9). 63) are focused, the scanning grating (51, 52, 90) being designed according to one of the preceding claims.
  20. 20
    Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung, nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Maßstabgitter (4) und das Abtastgitter (1, 51, 52) in Meßrichtung (X) die gleiche Teilungsperiode (TM=TA) aufweisen. Photoelectric position measuring device according to claim 18 or 19, characterized in that the scale grating (4) and the scanning grating (1, 51, 52) in the measuring direction (X) have the same division period (TM = TA) exhibit.
  21. 21
    Lichtelektrische Positionsmeßeinrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Maßstabgitter (4) ein Amplituden- oder Phasengitter ist. Photoelectric position measuring device according to claim 20, characterized in that the scale grating (4) is an amplitude or phase grating.
Independent claims21