Dispositivo óptico de medición de la posición.

Dispositivo óptico de medición para la generación de varias señales incrementales desfasadas, en función del desplazamiento

(S_0°, S_90°, S180°, S270°; S_0°, S_120°, 1_240°) con respecto a dos objetos móviles entre sí en una dirección de medición (x), que está constituido por

- una estructura de medición (20) y

- una unidad de exploración (10) con una rejilla de exploración (17; 170; 270; 370) dispuesta en un plano de exploración así como varios elementos detectores (16.1 - 16.8; 160.1 - 160.8; 280.1 - 260.6; 360.1 - 360.6), dispuestos a continuación de la rejilla de exploración (17; 170; 270; 370).

en el que a través de la interacción de los haces de rayos emitidos por una fuente de luz (11) con la estructura de medición (20) y otras rejillas ópticas en la trayectoria de los rayos de exploración en el plano de exploración resulta un patrón de franjas con la periodicidad del patrón de franjas TPS, caracterizado porque

- la rejilla de exploración (17; 170; 270; 370) para la generación de todas las señales incrementales (S_0°, S_90°, S180°, S270°; S_0°, S_120°, 1_240°) está constituida por varios bloques dispuestos periódicamente con la periodicidad de la rejilla de exploración TPAG ≥ TPS en la dirección de medición (x), en la que cada bloque comprende n ≥ 3 o n≥ 4 secciones de rejilla (17.1 - 17.4; 170.1 - 170.4; 270.1 - 270.3; 370.1 - 370.3) dispuestas exclusivamente en la dirección de medición (x) de la anchura bx ≥ TPAG ≥ n y cada sección de rejilla (17.1 - 17.4; 170.1 - 170.4; 270.1 - 270.3; 370.1 - 370.3) presenta una estructura de rejilla periódica, que provoca una desviación de los haces de rayos que se propagan a través de esta sección de rejilla (17.1 - 17.4; 170.1 - 170.4; 270.1 - 270.3; 370.1 - 370.3) en varias direcciones espaciales, en la que las direcciones espaciales resultantes de las secciones de rejilla (17.1 - 17.4; 170.1 - 170.4; 270.1 - 270.3; 370.1 - 370.3) se diferencian en un bloque, y

- en un plano de detección están dispuestos unos elementos detectores (16.1 - 16.8; 160.1 - 160.8; 260.1 - 260.6; 360.1 - 360.6) en las diferentes direcciones espaciales, en la que el plano de detección está en una zona, en la que los haces de rayos que proceden desde la rejilla de exploración (17; 170; 270; 370) están totalmente separados en el espacio.

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E08171105.

Solicitante: DR. JOHANNES HEIDENHAIN GMBH.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: DR. JOHANNES-HEIDENHAIN-STRASSE 5 83301 TRAUNREUT ALEMANIA.

Inventor/es: HERMANN, MICHAEL, SÄNDIG,KARSTEN.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDAS NO ESPECIALMENTE ADAPTADAS A UNA VARIABLE... > Medios mecánicos para la transferencia de la magnitud... > G01D5/38 (mediante rejillas de difracción)

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Fragmento de la descripción:

Dispositivo óptico de medición de la posición La presente invención se refiere a un dispositivo óptico de medición de la posición, que es adecuado para la determinación de la posición relativa de dos objetos móviles entre sí.

En dispositivos ópticos de medición de la posición conocidos, a través de la interacción de un haz de rayos emitido por una fuente de luz con una estructura de medida y, dado el caso, otras rejillas en la trayectoria de los rayos de exploración se generan patrones periódicos de franjas. En el caso del movimiento relativo de determinados componentes del dispositivo de medición de la posición, normalmente de la estructura de medida y de una unidad de exploración, resulta una modulación de la intensidad del patrón de franjas, que puede ser evaluada para la generación de señales incrementales en función del desplazamiento. Una evaluación de este tipo se puede realizar, por ejemplo, a través de los llamados fotodetectores estructurados, que están constituidos por una disposición periódica de fotodiodos. La periodicidad de la disposición de detectores se ajusta de acuerdo con la pluralidad de señales incrementales desfasadas a la periodicidad del patrón de franjas. En el caso de dispositivos ópticos de medición de la posición de alta resolución resultan patrones de franjas cada vez más finos, es decir, que la periodicidad de los mismos se reduce de manera correspondiente; del mismo modo se reduce entonces la anchura necesaria de los fotodiodos en un fotodetector estructurado utilizado para la exploración de tales patrones de franjas. En virtud de las limitaciones condicionadas por la fabricación, la anchura de los fotodiodos en una disposición de este tipo no puede ser inferior a una anchura mínima determinada. A partir de un periodo de patrones de franjas de aproximadamente 40 ï?­m no están disponibles ya fotodetectores estructurados adecuados.

Por lo tanto, ya se conocen soluciones, en las que en el plano de exploración, en el que resulta el patrón periódico de franjas, se dispone una rejilla de exploración, que está constituida por varias secciones diferentes de rejilla. Cada sección de rejilla posee una acción de desviación espacial determinada sobre el haz de rayos que se propaga a través de esta sección de rejilla. En este caso, se diferencian las acciones de desviación de diferentes secciones de rejilla. A las diferentes secciones de rejilla están asociados entonces en la dirección espacial de desviación respectiva en un plano de detección unos elementos detectores, a través de los cuales se pueden detectar las señales incrementales en función del desplazamiento. En conexión con tales soluciones se remite al documento EP 724 713 B1. En la variante conocida a partir del documento EP 724 713 B1 es un inconveniente la elevada sensibilidad frente a contaminaciones de la estructura de medida, en particular frente a contaminaciones en forma de líneas, que se extienden en la dirección de medición así como frente a inhomogeneidades de la estructura de medida, por ejemplo arañazos.

El cometido de la presente invención es indicar un dispositivo óptico de medición de la posición, que posibilita una detección fiable de patrones de franjas finos en un plano de exploración con un alto rendimiento y una insensibilidad lo más grande posible frente a contaminaciones de la estructura de medida.

Este cometido se soluciona por medio de un dispositivo de medición de la posición con las características de la reivindicación 1.

Las formas de realización ventajosas del dispositivo de medición de la posición de acuerdo con la invención se deducen a partir de las medidas en las reivindicaciones dependientes.

De acuerdo con la invención, ahora está prevista, por una parte, una configuración especial de la rejilla de exploración en la trayectoria de los rayos de exploración del dispositivo de medición de la posición. Así, por ejemplo, la rejilla de exploración para la generación de todas las señales incrementales está constituida por varios bloques dispuestos periódicamente con la periodicidad de la rejilla de exploración TPAG = TPS en la dirección de medición. Cada bloque comprende n secciones de rejilla dispuestas exclusivamente en la dirección de medición de la anchura bx = TPAG/n. Cada sección de rejilla presenta una estructura de rejilla periódica, que provoca una desviación de los haces de rayos que se propagan a través de esta sección de rejilla en varias direcciones espaciales. Las direcciones espaciales resultantes de las secciones de rejilla se diferencian en un bloque.

Por otra parte, está previsto disponer en un plano de detección unos elementos detectores en las diferentes direcciones espaciales. El plano de detección se encuentra en una zona, en la que los haces de rayos que proceden desde la rejilla de exploración están totalmente separados en el espacio.

En este caso se ha revelado como especialmente ventajoso que en virtud de la disposición de las secciones de rejilla exclusivamente en la dirección de medición resulta una incidencia de la contaminación más reducida frente al sistema conocido a partir del estado de la técnica. Además, las señales incrementales generadas poseen un grado de modulación más elevado en virtud de la anchura prevista de las secciones de rejilla. Además, hay que indicar que en virtud de la utilización de haces de rayos desviados, respectivamente, en varias direcciones espaciales, se garantiza una alta eficiencia en la generación de las señales.

En virtud de las medidas de acuerdo con la invención ahora se pueden explorar también patrones de franjas muy

finos en un plano de exploración de dispositivos ópticos de medición de la posición de manera fiable con un rendimiento alto.

En una forma de realización posible, el dispositivo óptico de medición de la posición de acuerdo con la invención para la generación de n > 1 señales incrementales desfasadas, en función del desplazamiento con respecto a dos objetos móviles entre sí en una dirección de medición, está constituido por una estructura de medición y una unidad de exploración con una rejilla de exploración dispuesta en un plano de exploración así como por varios elementos detectores disgustos a continuación de la rejilla de exploración, de manera que a través de la interacción de los haces de rayos emitidos por una fuente de luz con la estructura de medición y otras rejillas ópticas en la trayectoria de los rayos de exploración en el plano de exploración resulta un patrón de franjas con la periodicidad del patrón de franjas TPS. La rejilla de exploración para la generación de todas las señales incrementales está constituida por varios bloques dispuestos periódicamente con la periodicidad de la rejilla de exploración TPAG = TPS en la dirección de medición, en la que cada bloque comprende n secciones de rejilla dispuestas exclusivamente en la dirección de medición de la anchura bx = TPAG/n y cada sección de rejilla presenta una estructura de rejilla periódica, que provoca una desviación de los haces de rayos que se propagan a través de esta sección de rejilla en varias direcciones espaciales, en la que las direcciones espaciales resultantes de las secciones de rejilla se diferencian en un bloque. En un plano de detección están dispuestos unos elementos detectores en las diferentes direcciones espaciales, en la que el plano de detección está en una zona, en la que los haces de rayos que proceden desde la rejilla de exploración están totalmente separados en el espacio.

Con preferencia, porque las estructuras de rejilla están constituidas por componentes estructurales dispuestos periódicamente con la periodicidad de la sección de rejilla TPG con propiedades ópticas diferentes... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Dispositivo óptico de medición para la generación de varias señales incrementales desfasadas, en función del desplazamiento (S_0º , S_90º , S180º , S270º ; S_0º , S_120º , 1_240º ) con respecto a dos objetos móviles entre sí en una dirección de medición (x) , que está constituido por -una estructura de medición (20) y -una unidad de exploración (10) con una rejilla de exploración (17; 170; 270; 370) dispuesta en un plano de exploración así como varios elementos detectores (16.1 -16.8; 160.1 -160.8; 280.1 -260.6; 360.1 -360.6) , dispuestos a continuación de la rejilla de exploración (17; 170; 270; 370) .

en el que a través de la interacción de los haces de rayos emitidos por una fuente de luz (11) con la estructura de medición (20) y otras rejillas ópticas en la trayectoria de los rayos de exploración en el plano de exploración resulta un patrón de franjas con la periodicidad del patrón de franjas TPS, caracterizado porque -la rejilla de exploración (17; 170; 270; 370) para la generación de todas las señales incrementales (S_0º , S_90º , S180º , S270º ; S_0º , S_120º , 1_240º ) está constituida por varios bloques dispuestos periódicamente con la periodicidad de la rejilla de exploración TPAG = TPS en la dirección de medición (x) , en la que cada bloque comprende n = 3 o n= 4 secciones de rejilla (17.1 -17.4; 170.1 -170.4; 270.1 -270.3; 370.1 -370.3) dispuestas exclusivamente en la dirección de medición (x) de la anchura bx = TPAG = n y cada sección de rejilla (17.1 -17.4;

170.1 -170.4; 270.1 -270.3; 370.1 -370.3) presenta una estructura de rejilla periódica, que provoca una desviación de los haces de rayos que se propagan a través de esta sección de rejilla (17.1 -17.4; 170.1 -170.4; 270.1 -270.3;

370.1 -370.3) en varias direcciones espaciales, en la que las direcciones espaciales resultantes de las secciones de rejilla (17.1 -17.4; 170.1 -170.4; 270.1 -270.3; 370.1 -370.3) se diferencian en un bloque, y -en un plano de detección están dispuestos unos elementos detectores (16.1 -16.8; 160.1 -160.8; 260.1 -260.6;

360.1 -360.6) en las diferentes direcciones espaciales, en la que el plano de detección está en una zona, en la que los haces de rayos que proceden desde la rejilla de exploración (17; 170; 270; 370) están totalmente separados en el espacio.

2. Dispositivo óptico de medición de la posición de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque las estructuras de rejilla están constituidas por componentes estructurales dispuestos periódicamente con la periodicidad de la sección de rejilla TPG con propiedades ópticas diferentes alternas, que están dispuestos, respectivamente, dentro de una sección de rejilla (17.1 -17.4; 170.1 -170.4; 270.1 -270.3; 370.1 -370.3) bajo el mismo ángulo de giro (ï?¡i) con respecto a un eje (y) perpendicularmente a la dirección de medición (x) .

3. Dispositivo óptico de medición de la posición de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque para n = 4 secciones diferentes de rejilla (17.1 -17.4; 170.1 -170.4) en un bloque se seleccionan dos o cuatro ángulos de giro (ï?¡i) diferentes para los elementos estructurales de las secciones de rejilla (17.1 -17.4; 170.1 -170.4; 270.1 -270.3;

370.1 -370.3) .

4. Dispositivo óptico de medición de la posición de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque -en el caso de dos ángulos de giro (ï?¡i) diferentes previstos, éstos se seleccionan según ï?¡1 = 0º , ï?¡2 = 0º , ï?¡3 = 90º , ï?¡4 = 90º o -en el caso de cuatro ángulos de giro (ï?¡i) diferentes previstos, éstos se seleccionan según ï?¡1 = 0º , ï?¡2 = 30º , ï?¡3 = 90º , ï?¡4 = -30º .

5. Dispositivo óptico de medición de la posición de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque para n = 3 secciones diferentes de rejilla (270.1 -270.3; 370.1 -370.3) en un bloque se seleccionan dos o tres ángulos de giro (ï?¡i) diferentes para los elementos estructurales de las secciones de rejilla (270.3; 370.1 -370.3) .

6. Dispositivo óptico de medición de la posición de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque -en el caso de dos ángulos de giro (ï?¡i) diferentes previstos, éstos se seleccionan según ï?¡1 = 90º , ï?¡2 = 90º , ï?¡3 = 0º , -en el caso de tres ángulos de giro (ï?¡i) diferentes previstos, éstos se seleccionan según ï?¡1 = 90º , ï?¡2 = 20º , ï?¡3 = 20º .

7. Dispositivo óptico de medición de la posición de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las estructuras de rejilla están configuradas como rejillas de fases, en las que diferentes elementos estructurales ejercen, respectivamente, una acción diferente de desfase sobre los haces de rayos incidentes.

8. Dispositivo óptico de medición de la posición de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones 1 a 6, 11 5

caracterizado porque las estructuras de rejilla están configuradas como rejillas de amplitudes, en las que diferentes elementos estructurales poseen, respectivamente, una permeabilidad diferente de desfase sobre los haces de rayos incidentes sobre ellos.

9. Dispositivo óptico de medición de la posición de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los elementos detectores (16.1 -16.8; 160.1 -160.8; 260.1 -260.6; 360.1 -360.6) están configurados de forma rectangular y poseen en la dirección de medición (x) una longitud mayor que en la dirección (y) perpendicular a ella.

10. Dispositivo óptico de medición de la posición de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque las diferentes secciones de rejilla (17.1 -17.4; 370.1 -370.3) presentan la misma periodicidad de la sección de rejilla (TPG) .

11. Dispositivo óptico de medición de la posición de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado porque los centros de gravedad geométricos de los elementos detectores (16.1 -16.8; 360.1 -360.6) están dispuestos en el plano de detección sobre un círculo con el radio R.

12. Dispositivo óptico de medición de la posición de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque las diferentes secciones de rejilla (17.1 -17.4; 370.1 -370.3) presentan diferente periodicidad de la sección de rejilla (TPG, i) .

13. Dispositivo óptico de medición de la posición de acuerdo con la reivindicación 12, caracterizado porque los centros de gravedad geométricos de los elementos detectores (160.1 -160.8; 260.1 -260.6) están disgustos sobre dos círculos con radios diferentes (R1, R2) .

14. Dispositivo óptico de medición de la posición de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la unidad de exploración está configurada de tal forma que los haces de luz emitidos por una fuente de luz (11)

- inciden una primera vez sobre la estructura de medición (20) , donde tiene lugar una disociación en dos haces parciales de rayos reflejados de retorno hacia la unidad de exploración (10) , que corresponden a dos disposiciones de difracción diferentes, -los dos haces parciales de rayos reflejados de retorno en la unidad de exploración (10) experimentan a través de un elemento retro reflector una reflexión en la dirección de la estructura de medición (20) , de manera que los haces parciales de rayos atraviesan, respectivamente, dos veces la rejilla (14.1, 14.2, 14.3, 14.4) , -los haces parciales de rayos que inciden una segunda vez sobre la estructura de medición (20) experimentan una nueva difracción y reflexión en la dirección de la unidad de exploración (10) .

- en la unidad de exploración (10) al menos una pareja de haces parciales de rayos reflejados incide bajo ángulos simétricos (ï?¡1, ï?¡2) al eje óptico (OA) en el mismo lugar sobre la rejilla de exploración (17) .

15. Dispositivo óptico de medición de la posición de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque entre la rejilla de exploración (17) y los elementos detectores (16.1 â?" 16.8) dispuestos a continuación está dispuesta una óptica de enfoque (18) , a través de la cual se realiza un enfoque de los haces parciales de rayos desviados en las diferentes direcciones espaciales sobre los elementos detectores (16.1 â?" 16.8) .