Instalación óptica de medición de la posición.

Instalación óptica de medición de la posición para la detección de la posición de dos objetos móviles relativamente entre sí a lo largo de al menos una dirección de medición

(x) con

- una incorporación de medición (10), que está conectada con uno de los dos objetos y comprende una división incremental (12) que se extiende en la dirección de medición (x),

- una unidad de exploración (20), que está conectada con el otro de los dos objetos y comprende una fuente luminosa (23), una o varias rejillas así como una disposición de detectores (27; 127), en la que

- la disposición de detectores (27; 127) está constituida por varios grupos de elementos detectores (27.1 - 27.4; 127-1 - 127.4) dispuestos en un plano de detección, a través de los cuales se pueden generar en el caso del movimiento relativo de los dos objetos a partir de la exploración de un patrón de franjas periódico que resulta en el plano de detección varias señales de exploración desfasadas, en función de la posición y los elementos detectores (27.1 - 27.4; 127.1 - 127.4) con señales de exploración en concordancia de fase, respectivamente, un grupo,

- la suma de las superficies de los elementos detectores (27.1 - 27.4; 127.1 - 127.4) de un grupo es idéntica con la suma de las superficies de los elementos detectores (27.1 - 27.4; 127.1 - 127.4) de cada uno de los otros grupos y

- el centro de gravedad de los elementos detectores (27.1 - 27.4; 127.1 - 127.4) de un grupo es idéntico con el centro de gravedad de las superficies de los elementos detectores (27.1 - 27.4; 127.1 - 127.4) de cada uno de los otros grupos y

- delate de las superficies foto sensibles de los elementos detectores (27.1 - 27.4; 127.1 - 127.4) están dispuestas unas estructuras de pantallas periódicas (29; 129) y

- las estructuras de pantallas periódicas (29; 129) están constituidas por zonas transparentes y zonas opacas dispuestas alternando al menos en la dirección de medición, cuya periodicidad es menor que la dilatación de los elementos detectores (27.1 - 27.4; 127.1 - 127.4) en la dirección de medición (x).

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E12164250.

Solicitante: DR. JOHANNES HEIDENHAIN GMBH.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

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

Inventor/es: HERMANN, MICHAEL.

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... > G01D5/347 (que utilizan escalas de codificación de desplazamiento)

PDF original: ES-2538704_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Instalación óptica de medición de la posición

La invención se refiere a una instalación óptica de medición de la posición.

Los dispositivos ópticos de medición de la posición conocidos para la detección de la posición de dos objetos móviles relativamente entre sí a lo largo de al menos una dirección de medición están constituidos por una incorporación de medición, que está conectada con uno de los dos objetos, así como por una unidad de exploración, que está conectada con el otro de los dos objetos. La incorporación de medición comprende en este caso una división incremental que se extiende en la dirección de medición; la unidad de exploración presenta una fuente de luz, una o varias rejillas así como una disposición de detectores. En el lado de la disposición de detectores están previstos varios grupos de elementos detectores dispuestos en un plano de detección. En el caso del movimiento relativo de los dos objetos, a partir de la exploración de un patrón de rayas periódicas que resultan en el plano de detección sobre los elementos detectores se pueden generar varias señales de exploración desfasadas dependientes de la posición. Los elementos detectores con señales de exploración en concordancia de fase forman, respectivamente, un grupo. Típicamente, para una llamada exploración de un campo para la generación de cuatro señales de exploración desfasadas 90°, respectivamente, dentro de un periodo del patrón de rayas están previstos cuatro elementos detectores con preferencia rectangulares en la disposición de detectores. Una exploración de un campo de este tipo se ha revelado como ventajosa también en condiciones de funcionamiento no-ideales, como por ejemplo en el caso de eventuales contaminaciones de la incorporación de medida explorada, puesto que solamente resulta una consideración reducida de la forma de la señal ideal de las señales de exploración.

A medida que se incrementa la resolución de tales aparatos de medición de la posición se reducen cada vez más los periodos del patrón de franjas resultante en el plano de detección. Con respecto a los elementos detectores existen, por otra parte limitaciones tecnológicas con respecto a su anchura mínima posible. A una distancia prevista de elementos detectores vecinos de 5 pm y una anchura mínima posible de elemento detector de 5 pm, no se puede explorar ya de esta manera ningún periodo de patrón de franjas por debajo de 40 pm a través de una exploración de un campo convencional de este tipo. Además, en estructuras de elementos detectores cada vez más pequeñas se eleva la porción de las capacidades marginales en la capacidad general de los elementos detectores respectivo. Por lo tanto, se plantea el problema de indicar medidas adecuadas también para instalaciones ópticas de medición de la posición de alta resolución, para garantizar una buena calidad de la señal también en condiciones de funcionamiento no ideales.

Para la solución de esta problemática se conoce emplazar delante de la disposición de detectores estructuras de pantallas con zonas transparentes dispuestas periódicamente, cuya periodicidad es menor que la dilatación de un elemento detector individual en la dirección de medición. Por ejemplo, a este respecto se remite a las figuras 2 y 3 en la publicación J. Carr y col. con el título "Miniaturised optical encoder for ultra precisión metrology systems" en Precisión Engineering 33 (2009), páginas 263 - 267. Sin embargo, en este modo de proceder es problemático que las estructuras de pantalla deben alinearse con alta precisión con respecto a los elementos detectores, cuando los elementos detectores son pequeños. En otro caso, resultan señales de exploración de baja calidad, es decir, con grado de modulación más reducido y, por lo tanto, con amplitud más reducida de la señal. En cambio, en el caso de elementos detectores mayores, el ajuste de las estructuras de las pantallas no es crítico, pero en condiciones de funcionamiento no ideales, no se puede garantizar ya una buena calidad de la señal.

El documento EP 2 233 892 A1 publica una instalación óptica de medición de la posición para la detección de la posición relativa de dos objetos móviles rotatorios entre sí. Uno de los objetos está conectado con una incorporación de medición cilindrica, la otra está conectada con una disposición de detectores y con un disco, que presenta otra rejilla de forma cilindrica. La disposición de detectores comprende varios elementos detectores en forma de sector para la detección de señales de exploración desfasadas, de manera que los elementos detectores con señales de exploración desfasadas están asociados, respectivamente, a un grupo. Las sumas de las superficies de diferentes grupos son idénticas, respectivamente; además, los centros de gravedad de las superficies de los elementos detectores de los diferentes grupos son idénticos.

El cometido de la presente invención es indicar una instalación óptica de medición de la posición de alta resolución, que garantiza también en componentes alineados entre sí de forma no ideal en la trayectoria de los rayos de exploración o en condiciones de funcionamiento no ideales la mejor calidad posible de las señales de exploración resultantes.

Este cometido se soluciona por medio de una instalación de medición de la posición con las características según la reivindicación 1.

Las formas de realización ventajosas de la instalación óptica de medición de la posición se deducen a partir de las medidas en las reivindicaciones dependientes.

La Instalación óptica de medición de la posición de acuerdo con la invención para la detección de la posición de dos

objetos móvil relativamente entre sí a lo largo de al menos una dirección de medición comprende, por una parte, una incorporación de medición, que está conectada con uno de los dos objetos y presenta una división incremental que se extiende en dirección de medición. Además, la instalación de medición de la posición comprende una unidad de exploración, que está conectada con el otro de los dos objetos y una fuente de luz, una o varias rejillas asi como una disposición de detectores. La disposición de detectores está constituida por varios grupos de elementos detectores dispuestos en un plano de detección, a través de los cuales se pueden generar en el caso del movimiento relativo de los dos objetos a partir de la exploración de un patrón de franjas periódico que resulta en el plano de detección varias señales de exploración desfasadas, dependientes de la posición. Los elementos detectores con señales de exploración en concordancia de fase forman, respectivamente, un grupo. En este caso, las sumas de las superficies de los elementos detectores de un grupo son idénticas con las sumas de las superficies de los elementos detectores de cada uno de los otros grupos. Además, el centro de gravedad de la superficie de los elementos detectores de un grupo es idéntico con el centro de gravedad de los elementos detectores de cada uno de los otros grupos. Delante de las superficies foto sensibles de los elementos detectores están dispuestas estructuras de pantalla periódicas.

Con preferencia, las estructuras de pantallas periódicas están constituidas por zonas transparentes y opacas dispuestas al menos alternando en la dirección de medición, cuya periodicidad es menor que la dilatación de los elementos detectores en la dirección de medición.

Por lo tanto, es posible que

la suma de las superficies de las zonas transparentes de las estructuras de pantallas, que están asociadas a un grupo de elementos detectores, sea idéntica con la suma de las superficies de las zonas transparentes de las estructuras de pantallas, que están asociadas a cada... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1- Instalación óptica de medición de la posición para la detección de la posición de dos objetos móviles relativamente entre sí a lo largo de al menos una dirección de medición (x) con

una incorporación de medición (10), que está conectada con uno de los dos objetos y comprende una división ¡ncremental (12) que se extiende en la dirección de medición (x),

una unidad de exploración (20), que está conectada con el otro de los dos objetos y comprende una fuente luminosa (23), una o varias rejillas así como una disposición de detectores (27; 127), en la que

la disposición de detectores (27; 127) está constituida por varios grupos de elementos detectores (27.1 - 27.4; 127-1 - 127.4) dispuestos en un plano de detección, a través de los cuales se pueden generar en el caso del movimiento relativo de los dos objetos a partir de la exploración de un patrón de franjas periódico que resulta en el plano de detección varias señales de exploración desfasadas, en función de la posición y los elementos detectores (27.1 - 27.4; 127.1 - 127.4) con señales de exploración en concordancia de fase, respectivamente, un grupo,

la suma de las superficies de los elementos detectores (27.1 - 27.4; 127.1 - 127.4) de un grupo es idéntica con la suma de las superficies de los elementos detectores (27.1 - 27.4; 127.1 - 127.4) de cada uno de los otros grupos y

el centro de gravedad de los elementos detectores (27.1 - 27.4; 127.1 - 127.4) de un grupo es idéntico con el centro de gravedad de las superficies de los elementos detectores (27.1 -27.4; 127.1 - 127.4) de cada uno de los otros grupos y

delate de las superficies foto sensibles de los elementos detectores (27.1 - 27.4; 127.1 - 127.4) están dispuestas unas estructuras de pantallas periódicas (29; 129) y

las estructuras de pantallas periódicas (29; 129) están constituidas por zonas transparentes y zonas opacas dispuestas alternando al menos en la dirección de medición, cuya periodicidad es menor que la dilatación de los elementos detectores (27.1 -27.4; 127.1 - 127.4) en la dirección de medición (x).

2.- Instalación óptica de medición de la posición de acuerdo con la reivindicación 1, en la que

la suma de las superficies de las zonas transparentes de las estructuras de pantallas (29; 129), que están asociadas a un grupo de elementos detectores (27.1 - 27.4; 127.1 - 127.4) es idéntica con la suma de las superficies de las zonas transparentes de las estructuras de pantallas (29; 129), que están asociadas a cada uno de los otros grupos de elementos detectores (27.1 - 27.4; 127.1 - 127.4), y

los centros de gravedad de las zonas transparentes de las estructuras de pantallas (29; 129), que están asociados a un grupo de elementos detectores (27.1 - 27.4; 127.1 - 127.4), son idénticos con los centros de gravedad de las zonas transparentes de las estructuras de pantallas (29; 129), que están asociados a cada uno de los otros grupos de elementos detectores (27.1 - 27.4; 127.1 - 127.4).

3.- Instalación óptica de medición de la posición de acuerdo con la reivindicación 2, en la que

los diferentes grupos de elementos detectores (27.1 - 27.4; 127.1 - 127.4) presentan, además, los mismos valores de los tres componentes del segundo momento de sensibilidad superficial, y

las zonas transparentes de las estructuras de pantallas (29; 129), que están asociadas a diferentes grupos de elementos detectores (27.1 - 27.4; 127.1 - 127.4), presentan valores iguales de los tres componentes del segundo momento de sensibilidad superficial.

4.- Instalación óptica de medición de la posición de acuerdo con la reivindicación 3, en la que

los diferentes grupos de elementos detectores (27.1 - 27.4; 127.1 - 127.4)presentan, además, valores iguales de todos los otros momentos de sensibilidad superficial y

las zonas transparentes de las estructuras de pantallas (29; 129), que están asociadas a diferentes grupos de elementos detectores (27.1 - 27.4; 127.1 - 127.4), presentan, además, valores ¡guales de todos los otros momentos de sensibilidad superficial.

5.- Instalación óptica de medición de la posición de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones 1 a 4, en la que

las estructuras de pantallas (29; 129) están configuradas sobre una placa de exploración (24) y la placa de exploración (24) está dispuesta por encima de la disposición de detectores (27; 127) en la unidad de

exploración (20) o

las estructuras de pantallas están configuradas como capa de metalización con zonas transparentes sobre los elementos detectores (27.1 -27.4; 127.1 - 127.4).

6.- Instalación óptica de medición de la posición de acuerdo con la reivindicación 1, en la que la dilatación de las estructuras de pantallas (29; 129) en la dirección de medición (x) se selecciona según d = 1/2 PD o según d = 1/3 - PD, siendo d = anchura de las estructuras de pantallas en la dirección de medición x, Pd = periodicidad de las zonas transparentes de las estructuras de pantallas.

7 - Instalación óptica de medición de la posición de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones anteriores, en la que las estructuras de pantallas (129) están dispuestas dependiendo de una función de ponderación solamente sobre una parte de los elementos detectores (127.1 - 127.4).

8.- Instalación óptica de medición de la posición de acuerdo con la reivindicación 7, en la que las estructuras de pantallas (29) solamente pueden estar dispuestas sobre elementos detectores (127.1 - 125.4) de la disposición de detectores (127), que forman conjuntamente aproximadamente una zona cuadrada.

9.- Instalación óptica de medición de la posición de acuerdo con al menos una de las reivindicaciones anteriores, en la que la disposición de detectores (27; 127) puede estar configurada en forma de un segmento circular y puede comprender varios sectores circulares, en los que están dispuestos, respectivamente, varios elementos detectores (27.1 - 27.4; 127.1 - 127.4) en varias pistas (S1 - S4) en forma de anillo circular radialmente adyacentes.

10.- Instalación óptica de medición de la posición de acuerdo con la reivindicación 9, en la que la disposición de detectores (27; 127) se puede configurar en este caso en forma de semicírculo.

11.- Instalación óptica de medición de la posición de acuerdo con la reivindicación 9, en la que los elementos detectores (27.1 -27.4; 127.1 - 127.4) de pistas vecinas, que generan señales de exploración en concordancia de fase, están conectados eléctricamente entre sí a través de conexiones de contacto (27.1a, 27.2a, 27.3a, 27.4a) que se extienden diagonalmente.

12.- Instalación óptica de medición de la posición de acuerdo con la reivindicación 9, en la que los elementos detectores (27.1 - 27.4; 127.1 - 127.4) de un grupo pueden estar conectados en los cantos extremos de las disposiciones de detectores (27; 127) en forma de segmento circular a través de conexiones de contacto (27.1b, 27.2b, 27.3b, 27.4b) con elementos de procesamiento de señales dispuestos a continuación.

13.- Instalación óptica de medición de la posición de acuerdo con la reivindicación 9, en la que la disposición de detectores (27; 127) está dispuesta adyacente a la fuente luminosa (23) en la unidad de exploración (20), estando dispuesto en el plano de detección un diodo de protección (22.1), que rodea cerrado la fuente luminosa (23).

14.- Instalación óptica de medición de la posición de acuerdo con la reivindicación 9, en la que la configuración geométrica de la pista (S4) radialmente más interna de los elementos detectores (27.1 - 27.4; 127.1 - 127.4) se desvía de la configuración geométrica de la pista (S3) adyacente en dirección radial.