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DE9321368U1 - Photoelectric length or angle measuring device - Google Patents

Photoelectric length or angle measuring device

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Publication number
DE9321368U1
DE9321368U1 DE9321368U DE9321368U DE9321368U1 DE 9321368 U1 DE9321368 U1 DE 9321368U1 DE 9321368 U DE9321368 U DE 9321368U DE 9321368 U DE9321368 U DE 9321368U DE 9321368 U1 DE9321368 U1 DE 9321368U1
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Germany
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scanning
light
measuring device
angle measuring
another
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DE9321368U
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German (de)
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Dr Johannes Heidenhain GmbH
Original Assignee
Dr Johannes Heidenhain GmbH
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Description

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DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 21. Juni 1993DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 21 June 1993

Lichtelektrische Längen- oder WinkelmeßeinrichtungPhotoelectric length or angle measuring device

Die Erfindung betrifft eine lichtelektrische Längen- oder Winkelmeßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a photoelectric length or angle measuring device according to the preamble of claim 1.

Derartige Meßeinrichtungen werden insbesondere bei Bearbeitungsmaschinen zur Messung der Relativlage eines Werkzeuges bezüglich eines zu bearbeitenden Werkstückes sowie bei Koordinatenmeßmaschinen zur Ermittlung von Lage und Abmessungen von Prüfobjekten eingesetzt.Such measuring devices are used in particular in processing machines to measure the relative position of a tool in relation to a workpiece to be processed and in coordinate measuring machines to determine the position and dimensions of test objects.

Aus der DE 19 05 392 B und der DE 40 06 789 Al7 von der unsere Erfindung ausgeht, ist ein inkrementales lichtelektrisches Meßsystem bekannt, bei dem das Abtastgitter direkt auf die lichtempfindliche Fläche eines Halbleitersubstrates aufgebracht ist. Das Abtastgitter ist direkt auf der ebenen Lichtaufnahmefläche aufgedruckt oder aufgeklebt.From DE 19 05 392 B and DE 40 06 789 A1 7 , from which our invention is based, an incremental photoelectric measuring system is known in which the scanning grid is applied directly to the light-sensitive surface of a semiconductor substrate. The scanning grid is printed or glued directly onto the flat light receiving surface.

■&tgr;■&tgr;

Z. · Z. ·

Weiterhin ist es bekannt, die Gitterlinien des Abtastgitters selbst als Empfangselemente in Form von lichtempfindlichen Streifen zu fertigen. Eine derartige Abtasteinheit ist in der DE 19 62 099 B beschrieben. Die Linien des Abtastgitters sind abwechselnd transparent und nicht transparent ausgebildet, wobei die nicht transparenten Linien auf einer Seite lichtempfindlich sind. Hierzu sind auf einem Substrat streifenförmig positiv und negativ dotierte Halbleiterschichten übereinander aufgebracht. It is also known to manufacture the grid lines of the scanning grid itself as receiving elements in the form of light-sensitive strips. Such a scanning unit is described in DE 19 62 099 B. The lines of the scanning grid are alternately transparent and non-transparent, where the non-transparent lines are light-sensitive on one side. For this purpose, positively and negatively doped semiconductor layers are applied one above the other in strip form on a substrate.

Eine ähnliche Einrichtung ist in der DE 32 09 043 Al beschrieben. Das Abtastgitter ist ein Halbleiterelement auf dem aktive lichtempfindliche Linien als Empfangselemente und lichtabschirmende passive Linien abwechselnd in Meßrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sind.A similar device is described in DE 32 09 043 A1. The scanning grating is a semiconductor element on which active light-sensitive lines as receiving elements and light-shielding passive lines are arranged alternately in the measuring direction.

In vielen Fällen ist es erforderlich, daß zur Bildung eines die aktuelle Position bestimmenden Wertes mehrere gegeneinander phasenverschobene Abtastsignale erzeugt werden müssen. So ist es beispielsweise zur Erkennung der Bewegungsrichtung erforderlieh, daß zumindest zwei um 90° phasenverschobene Abtastsignale gebildet werden. Weiterhin ist es vorteilhaft, daß zu einem Abtastsignal das um 180° dagegen phasenverschobene Abtastsignal erzeugt wird, um aus beiden Abtastsignalen ein nullsymmetrisches Signal zu erhalten. Nach der DE 19 05 392 B sind hierzu vier um 1/4 der Teilungsperiode gegeneinander phasenverschobene Gitterteilungen vorgesehen. Diese Gitterteilungen sind senkrecht zur Meßrichtung übereinander angeordnet. Dies hat den Nachteil, daß jede Öffnung der Gitterteilung nurIn many cases it is necessary to generate several scanning signals that are phase-shifted relative to one another in order to form a value that determines the current position. For example, in order to detect the direction of movement it is necessary that at least two scanning signals that are phase-shifted by 90° are generated. It is also advantageous that a scanning signal that is phase-shifted by 180° is generated for one scanning signal in order to obtain a zero-symmetrical signal from both scanning signals. According to DE 19 05 392 B, four grating divisions that are phase-shifted relative to one another by 1/4 of the division period are provided for this purpose. These grating divisions are arranged one above the other perpendicular to the measuring direction. This has the disadvantage that each opening in the grating division only

einen Bruchteil der Länge eines Maßstabstriches abtastet. Die Intensität der Abtastsignale ist daher sehr gering und partielle Verschmutzungen des Maßstabes verfälschen die Abtastsignale erheblich. 5scans a fraction of the length of a scale line. The intensity of the scanning signals is therefore very low and partial contamination of the scale distorts the scanning signals considerably. 5

Bei der DE 40 06 789 Al sind die Abtastgitter zur Erzeugung von phasenverschobenen Abtastsignalen um einen Bruchteil einer Teilungsperiode gegeneinander versetzt angeordnet. Die den Abtastgittern zugeordneten lichtempfindlichen Flächen sind ebenfalls um diesen Bruchteil einer Teilungsperiode voneinander beabstandet. Diese Anordnung hat bei kleinen Gitterkonstanten den Nachteil, daß durch Übersprechen eine gegenseitige Beeinflussung der Abtastsignale erfolgt, was zu Meßfehlern führt. Weiterhin wird ebenfalls nur ein kleiner Bereich der Teilung des Maßstabes zur Erzeugung eines Abtastsignales herangezogen. In DE 40 06 789 A1, the scanning gratings are arranged offset from one another by a fraction of a graduation period to generate phase-shifted scanning signals. The light-sensitive surfaces assigned to the scanning gratings are also spaced apart from one another by this fraction of a graduation period. With small grating constants, this arrangement has the disadvantage that crosstalk causes the scanning signals to influence one another, which leads to measurement errors. Furthermore, only a small area of the graduation of the scale is used to generate a scanning signal.

Bei inkrementalen Meßsystemen sind die phasenverschobenen Abtastsignale besonders gleichmäßig und unabhängig von partiellen Verschmutzungen des Maßstabes, wenn alle phasenverschobenen Abtastsignale von einem möglichst kleinen Maßstabbereich erzeugt werden. Diese Art der Abtastung wird auch als Einfeldabtastung bezeichnet. Aus der GB-PS 1311275 ist ein derartiges Meßsystem bekannt. Die Abtasteinheit besteht aus mehreren hintereinander angeordneten Gruppen von lichtempfindlichen Streifen als Empfangselemente. Zur Erzeugung gegeneinander phasenverschobener Abtastsignale sind die Streifen innerhalb einer Gruppe phasenversetzt angeordnet. Die jeweils phasengleichen Streifen der Gruppen sind parallel zueinander geschaltet. Diese Anordnung hat den großen Nachteil, daß bei kleinenIn incremental measuring systems, the phase-shifted scanning signals are particularly uniform and independent of partial contamination of the scale if all phase-shifted scanning signals are generated by the smallest possible scale area. This type of scanning is also referred to as single-field scanning. A measuring system of this kind is known from GB-PS 1311275. The scanning unit consists of several groups of light-sensitive strips arranged one behind the other as receiving elements. To generate scanning signals that are phase-shifted relative to one another, the strips within a group are arranged out of phase. The strips of the groups, each of which is in phase, are connected in parallel to one another. This arrangement has the major disadvantage that with small

Gitterkonstanten die Abtastsignale durch Übersprechen verfälscht werden.Lattice constants the scanning signals are distorted by crosstalk.

Bei der DE 33 08 841 bilden mehrere nebeneinanderliegende Empfangselemente mit gleicher Phasenlage eine Gruppe. Mehrere Gruppen unterschiedlicher Phasenlagen sind nach bestimmten Symmetriebedingungen angeordnet. Dies hat den Nachteil, daß Inhomogenitäten der Lichtquelle die Abtastsignale verfälschen können. Demgegenüber hat die Erfindung den Vorteil, daß durch die Anordnung vieler Gruppen hintereinander Inhomogenitäten der Lichtquelle sowie des Maßstabes keinen negativen Einfluß auf die Abtastsignale und somit auf die Meßgenauigkeit haben.In DE 33 08 841, several adjacent receiving elements with the same phase position form a group. Several groups with different phase positions are arranged according to certain symmetry conditions. This has the disadvantage that inhomogeneities in the light source can distort the scanning signals. In contrast, the invention has the advantage that by arranging many groups one after the other, inhomogeneities in the light source and the scale have no negative influence on the scanning signals and thus on the measurement accuracy.

Um ein Übersprechen zu vermeiden, wurde in der DE 33 08 841 Al weiterhin vorgeschlagen, die einzelnen Empfangselemente in einem Abstand anzuordnen, der ein Vielfaches der Teilungsperiode des Maßstabes ist. Dies hat aber den Nachteil, daß die einzelnen Empfangselemente für kleine Gitterkonstanten schwer zu fertigen sind.In order to avoid crosstalk, it was further proposed in DE 33 08 841 A1 to arrange the individual receiving elements at a distance that is a multiple of the graduation period of the scale. However, this has the disadvantage that the individual receiving elements are difficult to manufacture for small grating constants.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Positionsmeßeinrichtung zu schaffen, bei der die Abtastsignale eine hohe Güte aufweisen und somit eine hohe Meßgenauigkeit gewährleistet ist.The invention is based on the object of creating a position measuring device in which the scanning signals have a high quality and thus a high measurement accuracy is guaranteed.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.This object is achieved according to the invention by the features of claim 1.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch eine quasi Einfeldabtastung die phasenverschobenen Signale von einem kleinen Maßstabbereich abgeleitet werden und dadurch partielle Verschmutzungen die Messung nicht verfälschen. Weiterhin wird ein Übersprechen vonThe advantages achieved with the invention are in particular that the phase-shifted signals are derived from a small scale range through a quasi single-field scanning and thus partial contamination does not distort the measurement. Furthermore, crosstalk from

einem Empfangselement zum anderen auch bei sehr kleinen Teilungsperioden verhindert. Durch die direkte Ausbildung des Abtastgitters auf dem Halbleitersubstrat ist eine gute Lichtumwandlung mit einem hohen Wirkungsgrad gewährleistet.from one receiving element to the other, even with very small division periods. The direct formation of the scanning grating on the semiconductor substrate ensures good light conversion with a high degree of efficiency.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawing.

Es zeigtIt shows

Figur 1 schematisch eine lichtelektrische Längenmeßeinrichtung gemäß der Erfindung;Figure 1 shows schematically a photoelectric length measuring device according to the invention;

Figur 2 eine Draufsicht der Abtastplatte nach Figur 1;Figure 2 is a plan view of the scanning plate of Figure 1;

Figur 3 einen Querschnitt der Abtastplatte nach Figur 2;Figure 3 shows a cross-section of the scanning plate according to Figure 2;

Figur 4 eine Draufsicht einer zweiten Ausführungsform der Abtastplatte; Figure 4 is a plan view of a second embodiment of the scanning plate;

Figur 5 einen Querschnitt der Abtastplatte nach Figur 4 undFigure 5 shows a cross-section of the scanning plate according to Figure 4 and

Figur 6 eine weitere schematische Darstellung einer erfindungsgemäß ausgebildeten Längenmeßeinrichtung. Figure 6 shows a further schematic representation of a length measuring device designed according to the invention.

Figur 1 zeigt das Funktionsprinzip einer lichtelektrischen Längenmeßeinrichtung. Diese Längenmeßeinrichtung besteht aus einer Lichtquelle 1, deren Licht von einer Linse 2 gebündelt und auf einen Maßstab 3 gerichtet wird. Der Maßstab 3 ist ein Glaskörper, an dessen Oberfläche eine inkrementale Teilung 4 in Form von lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Strichen aus Chrom aufgebracht ist. Die Breite eines lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Striches wird Teilungsperiode genannt und ist mit Tl bezeichnet. Das Licht von der Lichtquelle 1 fällt durch die lichtdurchlässigen Striche der Teilung 4 auf eine Abtastplatte 5. Der Maßstab 3 ist relativ zur Abtastplatte 5 in Meßrichtung X beweglich, wodurch eine Modulation des Lichtes, das auf die Abtastplatte 5 fällt, erfolgt.Figure 1 shows the functional principle of a photoelectric length measuring device. This length measuring device consists of a light source 1, the light of which is bundled by a lens 2 and directed onto a scale 3. The scale 3 is a glass body, on the surface of which an incremental graduation 4 in the form of transparent and opaque lines made of chrome is applied. The width of a transparent and opaque line is called the graduation period and is designated Tl. The light from the light source 1 falls through the transparent lines of the graduation 4 onto a scanning plate 5. The scale 3 is movable relative to the scanning plate 5 in the measuring direction X, whereby a modulation of the light that falls on the scanning plate 5 occurs.

Die Abtastplatte 5 ist ein Halbleitersubstrat, auf dem mehrere gegeneinander phasenverschobene Abtastteilungen aufgebracht sind. Die Abtastplatte 5 ist in den Figuren 2 und 3 im Detail dargestellt. Die Abtastplatte 5 besteht aus einem Grundkörper 6 aus Glas, Halbleitermaterial oder Metall. Auf diesem Grundkörper 6 ist eine Halbleiterschicht 7 vom N-Typ aufgebracht, in der voneinander beabstandete Bereiche 8 vom P-Typ ausgebildet sind. Durch den so gebildeten PN-Übergang sind diese Bereiche 8 lichtempfindliche Flächenbereiche. Die Breite B eines dieser Flächenbereiche 8 in Meßrichtung X ist so gewählt, daß mit bekannten Verfahren wie Diffussion eine einfache Herstellung möglich ist. Typische Werte für die Breite B liegen im Bereich 20 bis lOOjLzm. Typische Werte für den Abstand A zwischen den einzelnen lichtempfindlichen Flächenbereichen 8 liegen bei 20 bis 50&mgr;&idiagr;&eegr; oder größer, so daß einThe scanning plate 5 is a semiconductor substrate on which several scanning graduations are applied that are phase-shifted with respect to one another. The scanning plate 5 is shown in detail in Figures 2 and 3. The scanning plate 5 consists of a base body 6 made of glass, semiconductor material or metal. An N-type semiconductor layer 7 is applied to this base body 6, in which P-type regions 8 are formed that are spaced apart from one another. Due to the PN junction thus formed, these regions 8 are light-sensitive surface areas. The width B of one of these surface areas 8 in the measuring direction X is selected so that it can be easily manufactured using known methods such as diffusion. Typical values for the width B are in the range 20 to 1000 Lzm. Typical values for the distance A between the individual light-sensitive surface areas 8 are 20 to 50 μm or greater, so that a

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Übersprechen von einem Flächenbereich 8 zum danebenliegenden Flächenbereich 8 ausgeschlossen ist.Crosstalk from one surface area 8 to the adjacent surface area 8 is excluded.

Im gezeigten Beispiel sollen zwei um 180° gegeneinander phasenverschobene Abtastsignale erzeugt werden. Um eine quasi Einfeldabtastung zu erreichen, dient der erste lichtempfindliche Flächenbereich 8.1 zur Bildung des O°-Abtastsignales und der darauffolgende lichtempfindliche Flächenbereich 8.2 zur Bildung des 180°-Abtastsignales. Auf den Flächenbereichen 8 ist jeweils ein Abtastgitter 9 aufgebracht, das aus abwechselnd transparenten und nichttransparenten Bereichen mit der Teilungsperiode T2 besteht. Die nichttransparenten Gitterlinien sind Aluminiumstreifen, die als Elektroden zum Abführen der elektrischen Ladung dienen. Die Breite B der lichtempfindlichen Flächenbereiche 8 beträgt ein Vielfaches der Teilungsperiode T2 des Abtastgitters 9. Typische Werte der Teilungsperiode T2 liegen im Bereich von 4 bis 20&mgr;&idiagr;&eegr;. Die Strukturierung des Abtastgitters 9 ist mit bekannten einfachen Verfahren der Photolithographie möglich. Der Abstand A zwischen den lichtempfindlichen Flächenbereichen 8 beträgt ebenfalls ein Vielfaches der Teilungsperiode T2 des Abtastgitters 9. Der Begriff Vielfaches bedeutet dabei keine Einschränkung auf ganzzahlig Vielfaches.In the example shown, two scanning signals are to be generated that are 180° out of phase with one another. In order to achieve a quasi single-field scanning, the first light-sensitive surface area 8.1 is used to form the 0° scanning signal and the following light-sensitive surface area 8.2 is used to form the 180° scanning signal. A scanning grid 9 is applied to each of the surface areas 8, which consists of alternating transparent and non-transparent areas with the division period T2. The non-transparent grid lines are aluminum strips that serve as electrodes for discharging the electrical charge. The width B of the light-sensitive surface areas 8 is a multiple of the division period T2 of the scanning grid 9. Typical values of the division period T2 are in the range from 4 to 20μηη. The structuring of the scanning grating 9 is possible using known, simple photolithographic processes. The distance A between the light-sensitive surface areas 8 is also a multiple of the division period T2 of the scanning grating 9. The term multiple does not mean a restriction to whole-number multiples.

Damit Abtastsignale hoher Intensität gebildet werden können, sind für jedes Abtastsignal einer bestimmten Phasenlage viele lichtempfindliche Flächenbereiche 8.1, 8.3 bzw. 8.2, 8.4 vorgesehen, die elektrisch miteinander verbunden sind. Dies hat auch den Vorteil, daß eine Mittelung desIn order to be able to form scanning signals of high intensity, many light-sensitive surface areas 8.1, 8.3 or 8.2, 8.4 are provided for each scanning signal of a certain phase position, which are electrically connected to one another. This also has the advantage that an averaging of the

Abtastsignales über einen großen Maßstabbereich erfolgt und somit partielle Verschmutzungen oder Teilungsfehler des Maßstabes 3 das Abtastsignal nicht zu sehr beeinflussen. Im gezeigten Beispiel nach Figur 2 ist die Länge des Abtastbereiches, in dem eine Gruppe lichtempfindlicher Flächenbereiche 8.1 und 8.2 zur Erzeugung gegeneinader phasenverschobener Abtastsignale angeordnet ist, mit C bezeichnet. Auf der Abtastplatte 5 sind zwei Gruppen in Meßrichtung X hintereinander angeordnet.scanning signal takes place over a large scale range and thus partial contamination or division errors of the scale 3 do not influence the scanning signal too much. In the example shown in Figure 2 , the length of the scanning range in which a group of light-sensitive surface areas 8.1 and 8.2 are arranged to generate scanning signals that are phase-shifted with respect to one another is designated by C. On the scanning plate 5, two groups are arranged one behind the other in the measuring direction X.

Die Flächenbereiche 8.1 und 8.2 bilden die erste Gruppe und die Flächenbereiche 8.3 und 8.4 die zweite Gruppe. Die Flächenbereiche 8.1 und 8.3 mit der gleichen Phasenlage sind elektrisch miteinander verbunden. Ebenso die Flächenbereiche 8.2 und 8.4.The surface areas 8.1 and 8.2 form the first group and the surface areas 8.3 and 8.4 form the second group. The surface areas 8.1 and 8.3 with the same phase position are electrically connected to each other. The same applies to the surface areas 8.2 and 8.4.

Das Abtastgitter 9 ist auf den lichtempfindlichen Flächenbereichen 8 innerhalb einer Gruppe jeweils um einen Bruchteil einer Teilungsperiode T2 phasenversetzt aufgebracht.The scanning grating 9 is applied to the light-sensitive surface areas 8 within a group in a phase-shifted manner by a fraction of a graduation period T2.

Eine Gruppe von aufeinanderfolgenden Flächenbereichen kann auch aus mehr als zwei Flächenbereichen bestehen. Beispielsweise aus vier Flächenbereichen zur Erzeugung von um 90° gegeneinander phasenverschobenen Abtastsignalen oder aus drei Flächenbereichen zur Erzeugung von um 120° gegeneinader phasenverschobenen Abtastsignalen. Ebenso sind vorteilhaft mehr als zwei Gruppen aufeinanderfolgend in Meßrichtung X in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat ausgebildet.A group of consecutive surface areas can also consist of more than two surface areas. For example, of four surface areas for generating scanning signals that are phase-shifted by 90° relative to one another, or of three surface areas for generating scanning signals that are phase-shifted by 120° relative to one another. Likewise, more than two groups are advantageously formed consecutively in the measuring direction X in a common semiconductor substrate.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Figuren 4 und 5 gezeigt. DieA particularly advantageous embodiment of the invention is shown in Figures 4 and 5. The

gezeigte Abtastplatte 5 besteht ebenfalls wieder aus Bereichen 8 vom Typ P die in einer Halbleiterschicht 7 vom Typ N ausgebildet sind. Anstelle der in den Figuren 2 und 3 gezeigten Elektroden 9 sind in diesem Fall am Rand der P-Bereiche 8 elektrische Kontakte 10 zum Abführen der elektrischen Ladung vorgesehen. Auf einer folgenden Isolierschicht 11 ist das Abtastgitter 9 als lichtundurchlässige Streifen aus Chrom aufgebracht. Die Abmessungen T2, A, B und C sind identisch mit der Ausführung nach Figur 2. Diese Ausbildung hat den Vorteil, daß ein Standard-Halbleitersubstrat verwendet werden kann, auf das im letzten Arbeitsschritt ein Abtastgitter 9 mit beliebig feiner Teilungsperiode T2 aufgebracht wird.The scanning plate 5 shown also consists of areas 8 of type P which are formed in a semiconductor layer 7 of type N. Instead of the electrodes 9 shown in Figures 2 and 3, in this case electrical contacts 10 are provided at the edge of the P areas 8 to discharge the electrical charge. The scanning grid 9 is applied as opaque strips made of chrome to a subsequent insulating layer 11. The dimensions T2, A, B and C are identical to the design according to Figure 2. This design has the advantage that a standard semiconductor substrate can be used, onto which a scanning grid 9 with any fine graduation period T2 is applied in the last step.

Die lichtempfindlichen Flächenbereiche 8 sind in den gezeigten Beispielen als Photodioden ausgebildet. Durch Ausbilden eines weiteren PN-Überganges in den lichtempfindlichen Flächenbereichen 8 können aber auch Phototransistoren realisiert werden. Nähere Erläuterungen erübrigen sich, da Einzelheiten zur Erzeugung von lichtempfindlichen Flächenbereichen bzw. Elementen im genannten Stand der Technik beschrieben sind.The light-sensitive surface areas 8 are designed as photodiodes in the examples shown. By forming a further PN junction in the light-sensitive surface areas 8, phototransistors can also be realized. Further explanations are unnecessary, since details on the production of light-sensitive surface areas or elements are described in the cited prior art.

In Figur 6 ist ein weiteres Beispiel der Erfindung im Prinzip dargestellt. In diesem Fall wird der Maßstab 3 von einer gitterförmigen Halbleiter-Lichtquelle 12 beleuchtet. Diese Lichtquelle 12 kann ein flächig lichtemittierendes Halbleiterelement sein, auf dem das Gitter 13 aufgebracht ist. Eine derartige Lichtquelle 12 ist in der US-PS 5,155,355 beschrieben. Die Lichtquelle 12 kann aber auch aus einzelnen voneinander beabstandetenFigure 6 shows a further example of the invention in principle. In this case, the scale 3 is illuminated by a grid-shaped semiconductor light source 12. This light source 12 can be a flat light-emitting semiconductor element on which the grid 13 is applied. Such a light source 12 is described in US Pat. No. 5,155,355. The light source 12 can also consist of individual spaced-apart

strichförmigen lichtemittierenden Einzelelementen bestehen, die in einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind.consist of line-shaped light-emitting individual elements that are formed in a semiconductor substrate.

Um bei der Relativbewegung zwischen der Lichtquelle 12, Abtastplatte 5 und des Maßstabes 3 oberwellenfreie Abtastsignale zu erhalten, weicht das "Steg-Lücken" -Verhältnis der Lichtquelle 12 von dem der Abtastplatte 5 ab. Die Verhältnisse sind beispielsweise so gewählt, wie in der DE 12 82 988 B beschrieben. Die Breite L (Lücke) der lichtemittierenden Striche beträgtIn order to obtain harmonic-free scanning signals during the relative movement between the light source 12, scanning plate 5 and scale 3, the "bridge-gap" ratio of the light source 12 differs from that of the scanning plate 5. The ratios are selected, for example, as described in DE 12 82 988 B. The width L (gap) of the light-emitting lines is

L = m2 * - ,L = m2 * - ,

der Abstand S (Steg) der lichtemittierenden Striche beträgt
20
the distance S (bar) of the light-emitting lines is
20

S = ml * - ,
&eegr;
S = ml * - ,
&eegr;

wobei P die Teilungsperiode der Lichtquelle 12, &eegr; die Ordnungszahl einer zu eliminierenden Oberwelle der Abtastsignale und ml sowie m2 ganze Zahlen sind, die der Bedingung ml + m2 = &eegr; genügen. Zur Eliminierung einer weiteren Oberwelle weist das Abtastgitter 9 der Abtastplatte 5 ein davon abweichendes "Steg-Lücken"-Verhältnis auf. Wobei hier als Steg der Abstand K und als Lücke die Breite V der lichtundurchlässigen Streifen des Abtastgitters 9 definiert ist.where P is the division period of the light source 12, η is the ordinal number of a harmonic of the scanning signals to be eliminated and ml and m2 are integers that satisfy the condition ml + m2 = η. To eliminate another harmonic, the scanning grid 9 of the scanning plate 5 has a different "bridge-gap" ratio. Here, the distance K is defined as the bridge and the width V as the gap of the opaque strips of the scanning grid 9.

Das Abtastgitter 5 ist beispielsweiseThe scanning grid 5 is, for example,

K 1
Vl
K1
Vl

geteilt, so daß alle geradzahligen Oberwellen unterdrückt werden. Die Lichtquelle 12 ist beispielsweisedivided so that all even-numbered harmonics are suppressed. The light source 12 is, for example,

S 2S2

L 1L1

geteilt, so daß zusätzlich die 3., 6., 9. usw. Oberwellen unterdrückt werden.so that the 3rd, 6th, 9th, etc. harmonics are additionally suppressed.

Die Erfindung ist bei Längen- und Winkelmeßsystemen einsetzbar.The invention can be used in length and angle measuring systems.

In nicht gezeigter Weise kann das Abtastgitter jedes lichtempfindlichen Bereiches derart ausgebildet sein, daß von jedem Bereich ein oberwellenfreies Abtastsignal erzeugt wird, d.h., daß das Abtastgitter eine Filterfunktion besitzt. Dies kann erreicht werden, indem die Außenkontur der lichtempfindlichen Flächenbereiche sinusförmig begrenzt ist, ähnlich der Frequenzfilterblende gemäß der DE 19 41 731 C. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die lichtundurchlässigen Streifen des Abtastgitters eines Bereiches nach einer sinus-Funktion anzuordnen, wie es im Prinzip aus der EP 0 157 177 Bl und der EP 0 541 827 Al bekannt ist.In a manner not shown, the scanning grid of each light-sensitive area can be designed in such a way that a harmonic-free scanning signal is generated from each area, i.e. that the scanning grid has a filter function. This can be achieved by limiting the outer contour of the light-sensitive surface areas in a sinusoidal manner, similar to the frequency filter aperture according to DE 19 41 731 C. Another possibility is to arrange the opaque strips of the scanning grid of an area according to a sine function, as is known in principle from EP 0 157 177 B1 and EP 0 541 827 A1.

Claims (9)

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 21. Juni 1993 AnsprücheDR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 21 June 1993 Claims 1. Lichtelektrische Längen- oder Winkelmeßeinrichtung zur Positionsbestimmung relativ zueinander verschiebbarer Gitter, bei der eine Abtastplatte zur Erzeugung zumindest eines positionsabhängigen Abtastsignales von einer Lichtquelle beleuchtet wird, wobei die Abtastplatte (5) ein Halbleitersubstrat ist, in dem mehrere in Meßrichtung (X) beabstandete lichtempfindliche Flächenbereiche (8) ausgebildet sind, auf deren Oberfläche jeweils ein Abtastgitter (9) mit mehreren Teilungsperioden (T2) aus abwechselnd transparenten und nicht transparenten Bereichen aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (A) zwischen den einzelnen lichtempfind-1. Photoelectric length or angle measuring device for determining the position of gratings that can be moved relative to one another, in which a scanning plate is illuminated by a light source to generate at least one position-dependent scanning signal, the scanning plate (5) being a semiconductor substrate in which several light-sensitive surface areas (8) spaced apart in the measuring direction (X) are formed, on the surface of each of which a scanning grating (9) with several graduation periods (T2) made up of alternating transparent and non-transparent areas is applied, characterized in that the distance (A) between the individual light-sensitive -|5 liehen Flächenbereichen (8) ein Vielfaches der Teilungsperiode (T2) des Abtastgitters (9) ist.-|5 len surface areas (8) is a multiple of the graduation period (T2) of the scanning grating (9). 2. Lichtelektrische Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere in Meßrichtung (X) aufeinanderfolgende lichtempfindliche Flächenbereiche (8.1, 8.2; 8.3, 8.4) eine Gruppe bilden, die gegeneinander phasenverschobene Abtastsignale erzeugen, und daß in Meßrichtung (X) mehrere dieser Gruppen hintereinander angeordnet sind.2. Photoelectric length or angle measuring device according to claim 1, characterized in that several light-sensitive surface areas (8.1, 8.2; 8.3, 8.4) following one another in the measuring direction (X) form a group which generate scanning signals that are phase-shifted with respect to one another, and that several of these groups are arranged one behind the other in the measuring direction (X). 3. Lichtelektrische Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindlichen Flächenbereiche (8.1, 8.3; 8.2, 8.4) der Gruppen mit gleicher Phasenlage der Abtastgitter (9) zur Bildung eines gemeinsamen Abtastsignales elektrisch miteinander verbunden sind.3. Photoelectric length or angle measuring device according to claim 2, characterized in that the light-sensitive surface areas (8.1, 8.3; 8.2, 8.4) of the groups with the same phase position of the scanning gratings (9) are electrically connected to one another to form a common scanning signal. 4. Lichtelektrische Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beleuchtung der Abtastplatte (5) eine flächig lichtemittierende Halbleiter-Lichtquelle (12) vorgesehen ist, auf deren lichtemittierender Oberfläche ein Gitter (13) mit in Meßrichtung (X) voneinander beabstandeten lichtundurchlässigen Streifen aufgebracht ist.4. Photoelectric length or angle measuring device according to one of the preceding claims 1 to 3, characterized in that a flat light-emitting semiconductor light source (12) is provided for illuminating the scanning plate (5), on the light-emitting surface of which a grid (13) with opaque strips spaced apart from one another in the measuring direction (X) is applied. 5. Lichtelektrische Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beleuchtung der Abtastplatte (5) eine lichtemittierende Halbleiter-Lichtquelle vorgesehen ist, die aus in Meßrichtung (X) voneinander beabstandeten lichtemittierenden streifenförmigen Halbleiterelementen besteht.5. Photoelectric length or angle measuring device according to one of claims 1 to 3, characterized in that a light-emitting semiconductor light source is provided for illuminating the scanning plate (5), which consists of light-emitting strip-shaped semiconductor elements spaced apart from one another in the measuring direction (X). 6. Lichtelektrische Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Breite (S) der nicht lichtemittierenden Streifen zur Breite (L) der lichtemittierenden Streifen der Lichtquelle (12) vom Verhältnis der Breite (V)
der lichtundurchlässigen Streifen zum Abstand
6. Photoelectric length or angle measuring device according to claim 4 or claim 5, characterized in that the ratio of the width (S) of the non-light-emitting strips to the width (L) of the light-emitting strips of the light source (12) depends on the ratio of the width (V)
the opaque strips to the distance
(K) dieser Streifen des Abtastgitters (9) der Abtastplatte (5) abweicht.(K) this strip of the scanning grid (9) of the scanning plate (5) deviates.
7. Lichtelektrische Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis7. Photoelectric length or angle measuring device according to claim 5, characterized in that the ratio SS 11 11 LL 22 11 und das Verhältnisand the relationship VV KK
ist.is.
8. Lichtelektrische Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang zwischen der Lichtquelle (12) und der Abtastplatte (5) ein Maßstab (3) in Meßrichtung X relativ zur Lichtquelle (12) und zur Abtastplatte (5) verschiebbar angeordnet ist.8. Photoelectric length or angle measuring device according to one of claims 4 to 7, characterized in that a scale (3) is arranged in the beam path between the light source (12) and the scanning plate (5) so as to be displaceable in the measuring direction X relative to the light source (12) and the scanning plate (5). 9. Lichtelektrische Längen- oder Winkelmeßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet/ daß ein lichtempfindlicher Flächenbereich und/oder das Abtastgitter eines lichtempfindlichen Flächenbereiches derart ausgebildet ist, daß der lichtempfindliche Flächenbereich und/oder das Abtastgitter eine Filterfunktion zur Filterung von Oberwellen besitzt. 9. Photoelectric length or angle measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that a light-sensitive surface area and/or the scanning grid of a light-sensitive surface area is designed in such a way that the light-sensitive surface area and/or the scanning grid has a filter function for filtering out harmonics.
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