專利名稱：位置測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及按權(quán)利要求1的前序部分所述的一種位置測量裝置。
背景技術(shù)：
這樣一種位置測量裝置包括有一個沿著一個測量方向延伸的(直線的或彎曲的)測量刻度、一個用于對測量刻度進(jìn)行掃描的掃描單元、以及掃描單元的一個探測機(jī)構(gòu)，該探測機(jī)構(gòu)有許多沿著一個延伸方向周期性地一個接一個布置的探測器元件，所述元件在掃描測量刻度時產(chǎn)生了一個可以輸送給處理單元的輸出信號。這里探測機(jī)構(gòu)的多個相鄰的探測器元件分別如此聯(lián)接成一個探測器組，使得該元件的輸出信號能夠聚集起來，并作為統(tǒng)一的信號輸給處理單元。
由于將相鄰的探測器元件都分別聯(lián)接成一個探測器組，那么應(yīng)該使得具有一個探測機(jī)構(gòu)的、用于掃描一個具有一個第一種細(xì)光柵結(jié)構(gòu)(Gitterstruktur)的周期性測量刻度的掃描單元同時也可以應(yīng)用于掃描一個具有另一種粗光柵結(jié)構(gòu)的測量刻度，參見EP 1 308 700A2。
如果例如所述具有粗光柵結(jié)構(gòu)的測量刻度的光柵常數(shù)(Gitter-konstante)為具有第一種細(xì)光柵結(jié)構(gòu)的測量刻度的n倍，那么例如分別有探測機(jī)構(gòu)的n個相鄰的探測器元件聯(lián)接成一個探測器組，以便用同一個探測機(jī)構(gòu)來掃描具有較大的光柵常數(shù)的測量刻度。
在這種位置測量裝置中測量刻度通常設(shè)計成一種許多沿著測量方向(周期地)一個接一個地布置的劃線形式的刻度線，其中測量方向既可以通過一條直線(線性位置測量系統(tǒng))也可以通過一條彎曲的、尤其成圓弧狀延伸的線(若是一種所謂自動同步發(fā)送機(jī)或者角度測量系統(tǒng))來形成。探測器元件例如設(shè)計成光敏元件，它們對所述測量刻度進(jìn)行光學(xué)掃描，并在此處產(chǎn)生出可以輸送給一個處理單元的電輸出信號。
掃描單元的探測機(jī)構(gòu)的各個探測器元件可以針對其幾何形狀按已知的方式來如此設(shè)計，使得可以在掃描具有第一個細(xì)光柵常數(shù)的測量刻度時進(jìn)行高次諧波的濾波。也就是說，通過選擇探測器元件的適合的輪廓就可以在對具有較小光柵常數(shù)的測量刻度進(jìn)行掃描的情況下消除掉某些可預(yù)先規(guī)定的高次諧波。然而為了對具有較大光柵常數(shù)的較粗的測量刻度進(jìn)行掃描，如果分別有多個相鄰的探測器元件聯(lián)接成一個探測器組的話，那么所述在掃描較粗測量刻度時所產(chǎn)生的輸出信號就具有明顯的高次諧波成分，這種成分可能對于輸出信號的進(jìn)一步加工和分析處理產(chǎn)生不利影響，參見DE 195 05 176A1。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的任務(wù)是提出一種開頭所列種類的位置測量裝置，這種裝置的特征在于改進(jìn)了探測機(jī)構(gòu)的輸出信號的質(zhì)量。
這個問題按照本發(fā)明通過提出一種具有權(quán)利要求1所述特征的位置測量裝置來解決。
據(jù)此將探測機(jī)構(gòu)的探測器元件如此結(jié)合成探測器組，而且它們沿著延伸方向如此一個接一個地布置，使得從探測機(jī)構(gòu)的輸出信號里可以至少消除一種限定的高次諧波。
按本發(fā)明的解決方案基于如下認(rèn)識從輸出信號里消除高次諧波不僅可以通過探測器元件的某種造型，而且(利用已知的濾波函數(shù))也可以通過各個探測器組的某種構(gòu)造以及通過其布局來實現(xiàn)。然后根據(jù)一種所選的濾波函數(shù)將各個探測器元件組合成適合的探測器組，利用這種濾波函數(shù)就應(yīng)該能夠從輸出信號里消除掉某些預(yù)先規(guī)定的高次諧波。
所要掃描的(較粗的)測量刻度的光柵常數(shù)這里最好是探測機(jī)構(gòu)的最小的光柵常數(shù)的整數(shù)倍數(shù)，也就是說不考慮探測器元件的相位和電連接，就是各個探測器元件布置的周期。
同時每個已在探測機(jī)構(gòu)的延伸方向上相互間隔開的探測器組聯(lián)接起來，這些組就產(chǎn)生了一種相位(例如分別為0°，90°，180°或270°)的輸出信號，因而使它們的輸出信號作為統(tǒng)一的信號輸給處理單元。也就是說，每個探測器組都有一個配有一種規(guī)定相位的輸出信號，而且具有同一個相位的輸出信號的探測器組分別聯(lián)接起來，從而使它們的輸出信號作為一個共同的輸出信號輸送給處理單元。
為了借助于一種對此合適的濾波函數(shù)來消除某些設(shè)定的高次諧波，可能必要的是，具有一種相位的輸出信號的各個探測器組所包括的探測器元件的數(shù)量至少對于一部分相位是可以變化的。另外至少對于一部分相位來說，在相同相位的相互相鄰的探測器元件之間的間距可以變化。探測器組沿著延伸方向的布置尤其可以如下進(jìn)行沿著延伸方向分別使由多個探測器組組成的基本單元(最好不是周期性地)一個接一個地布置。所謂探測機(jī)構(gòu)的基本單元在此是指具有最小數(shù)量的探測器元件的一種單元，它可以實現(xiàn)所希望的高次諧波的濾波。按照本發(fā)明的一種實施形式，探測機(jī)構(gòu)的所有探測器組都沿著一個軌跡一個接一個地布置。
按照另一種實施形式，這些探測器組沿著至少兩個垂直于探測機(jī)構(gòu)的延伸方向并排布置的軌跡而布置。
按照一種變型，一個相位的布置在不同軌跡上的探測器組相互偏置某個偏置距離Δx。對于一種規(guī)定的高次諧波的濾波來說，在探測機(jī)構(gòu)的延伸方向上對于沿著延伸方向相鄰的、布置在不同的軌跡上的探測器組來說，偏置間距Δx為Δx＝m*d*(1±1/(2*n))，最好d＝i*gf，其中d是所要掃描的測量刻度的光柵常數(shù)，gf是探測機(jī)構(gòu)的最小的光柵常數(shù)(也就是說明了它的最精細(xì)的、由各個探測器元件所形成的周期性的刻度)，n說明了所要濾過的高次諧波的階，m是一個整數(shù)，i是一個自然數(shù)。
按照另一種變型方案，一種相位的所有探測器組分別布置在一條軌跡上，因而相鄰的軌跡分別只是具有不同相位的探測器組。此處可以規(guī)定在一個對于每個高次波的濾波來說所必要的基本單元里一個接一個地設(shè)有沿著一個軌跡的第一和第二相位(例如0°和180°)的探測器組、以及沿著另一個軌跡在探測機(jī)構(gòu)的延伸方向上一個接一個地設(shè)有第三和第四相位(例如90°和270°)的探測器組。
然而也可以使一個相位的探測器組分別部分地布置在一個軌跡里，并部分地布置在另一個軌跡里。通過探測器組的所述分布-由該探測器組產(chǎn)生了一個相位的信號-不僅沿著探測機(jī)構(gòu)測量方向或延伸方向、而且在至少兩個相鄰的軌跡上都減小了所述布置相對于污染的敏感性。另外在這種情況下，最終的掃描信號并不通過被掃描的測量刻度的可能有的刻度線寬度的變化而受到干擾。
探測器組沿著探測機(jī)構(gòu)的延伸方向的布置分別通過至少一個產(chǎn)生的濾波函數(shù)來確定，該函數(shù)是對每個探測器元件來說的，用這些元件應(yīng)該使相鄰的探測器元件聯(lián)接成一個探測器組。在一種優(yōu)選的改進(jìn)方案中，探測器組沿著延伸方向的布置在這種情況下通過至少兩個生成的濾波函數(shù)的邏輯連接來確定，這些函數(shù)涉及到不同的探測器組和/或一個探測器組的不同的特征。因此在所述由探測器組的組成所導(dǎo)出的探測器布局中可以達(dá)到一種特別高的占位系數(shù)；也就是說，盡可能使許多設(shè)有小的光柵常數(shù)的、用于較細(xì)刻度的掃描的探測器元件用來形成探測器組。
探測器組沿著延伸方向的布置主要通過至少兩個互補(bǔ)的濾波函數(shù)的邏輯連接來確定，這些函數(shù)涉及到不同的探測器組和/或一個探測器組的不同的特征。所謂互補(bǔ)的濾波函數(shù)是指這樣的濾波函數(shù)它們就關(guān)于某些設(shè)定、例如輸出信號中高次諧波成分的最小化的總的濾波作用而言作了補(bǔ)充。適合的互補(bǔ)的濾波函數(shù)的實例將在下面在敘述本發(fā)明的特別的實施形式時進(jìn)行說明。
為了從輸出信號里消除高次諧波，一方面所述的在各自聯(lián)接起來的相位相同的探測器組之間的距離可以沿著延伸方向有變化，其中在相位相同的探測器組的中點(diǎn)(沿著探測機(jī)構(gòu)的延伸方向來看)之間的平均間距最好對應(yīng)于一個常量。
按照一種濾波函數(shù)，在探測器組之間的間距Δx通過以下公式來確定Δx＝m*d*(1±1/(2*n))，最好使d＝i*gf，其中d為所要掃描的測量刻度的光柵常數(shù)，gf是探測器元件的周期性布置的最小光柵常數(shù)，n是所要濾波的高次諧波，m是一個整數(shù)，i是一個自然數(shù)。
另一個濾波函數(shù)的特征在于，分別聯(lián)接起來的相同相位的探測器組的伸長(Ausdehnung)沿著探測機(jī)構(gòu)的延伸方向有所變化，其方法是使各個相同相位的探測器組分別由不同數(shù)量的探測器元件來組成。相同相位的探測器組的平均伸長在這里最好對應(yīng)于相應(yīng)探測器組的輸出信號中基波的周期。
按照一種具體的濾波函數(shù)，探測器組在探測機(jī)構(gòu)的延伸方向上的伸長Δb按以下公式來確定，
Δb＝k*d/n，最好d＝i*gf其中i，k為自然數(shù)，d為所要掃描的測量刻度的光柵常數(shù)，gf為探測器元件的周期布置的最小光柵常數(shù)，n為所要過濾的高次諧波的階。
為了在抑制高次諧波時使占位系數(shù)最大化和錯誤最小化，探測器組沿著探測機(jī)構(gòu)的延伸方向的布置可以通過一個第一生成的濾波函數(shù)與一個第二生成的濾波函數(shù)的邏輯連接來確定；按照第一函數(shù)，相同位相的探測器組的間距在延伸方向上是有變化的；而用第二函數(shù)則規(guī)定了探測器組沿著延伸方向的伸長。
按照本發(fā)明的另一個實施例，探測器組沿著探測機(jī)構(gòu)的延伸方向的布置通過一種反正弦函數(shù)來確定，其中探測器組沿著延伸方向的位置x通過以下函數(shù)來具體描述x＝k*d/(2*π)*arcsin(K/N)最好使d＝i*gf。這里i和N為自然數(shù)；k是一個整數(shù)，小于或等于1；gf表示探測器元件的周期布置的最小光柵常數(shù)；d為所要掃描的測量刻度的光柵常數(shù)。這樣一種反正弦濾波器的濾波函數(shù)越是全面，那么為N所選的值就越大。用這樣一種濾波器就可以得到所有的高次諧波。
按照本發(fā)明的這種實施例的一種改進(jìn)方案，所述探測器組在探測機(jī)構(gòu)的延伸方向上的布置可以通過兩個反正弦函數(shù)的邏輯連接來確定，其中第二反正弦函數(shù)通常為x＝(k+0.5)*d/(2*π)*arcsin(K/N)。
第一和第二反正弦函數(shù)說明了其輸出信號具有相位為0°或180°的那些探測器組的布置。相應(yīng)的公式適合于所述的產(chǎn)生出相位為90°或270°的輸出信號的探測器組的位置，其中在對應(yīng)項的開始處必須分別應(yīng)用表達(dá)式K+0.25或者k+0.75。
此外還可以規(guī)定一個反正弦函數(shù)說明了探測器組沿著一個第一軌跡的布置，而第二反正弦函數(shù)則說明了探測器組沿著一個第二相鄰軌跡的布置。
通常有利的是當(dāng)探測器組沿著延伸方向和/或垂直于探測機(jī)構(gòu)的延伸方向的伸長按照一種三角函數(shù)或測圓的(反三角)函數(shù)、尤其是按照一種正弦-、余弦-、反正弦-或反余弦函數(shù)而變化。因而可以控制住和濾掉所有的高次諧波(尤其也對于較高的諧波)。
本發(fā)明的一種特別優(yōu)選的實施形式規(guī)定了分別使垂直于探測機(jī)構(gòu)延伸方向的、并排布置的探測器元件如此聯(lián)接成探測器組，因而可以從輸出信號里消除掉此處可預(yù)先規(guī)定的高次諧波，其中垂直于所述的延伸方向的探測器組的伸長例如可以按照一種余弦函數(shù)來變化。


本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)都在以下對實施例的說明中根據(jù)附圖而詳細(xì)加以說明。附圖示出圖1用于對一個測量刻度進(jìn)行掃描的一個線性延伸布置的探測機(jī)構(gòu)的第一個實施例，該裝置由許多沿著延伸方向一個接一個地布置的光敏元件形式的探測器元件組成，它們各自聯(lián)接成探測器組；圖2圖1所示裝置的另一種改進(jìn)方案；圖3圖1和2所示裝置的另一種改進(jìn)方案，其中探測器元件和探測器組分布在兩個垂直地橫交于延伸方向而并排布置的相鄰的軌跡上；圖4圖3所示裝置的一種變型，其中探測器組在這兩個軌跡上的分布通過互補(bǔ)的反正弦函數(shù)來確定；圖5a圖3和4所示裝置的一種變型，其中探測器組的伸長橫交于軌跡的延伸方向而變化；圖5b一個類似于圖5a的裝置的詳細(xì)示圖；圖6布置在相鄰軌跡上的同一個相位的探測器組的偏置簡圖；圖7通過一個具有一個探測機(jī)構(gòu)的掃描單元而掃描的、具有一種規(guī)定的光柵常數(shù)的自動同步發(fā)送機(jī)的測量刻度的一個概略圖。
具體實施例方式
圖7概略表示了一種自動同步發(fā)送機(jī)(角度測量系統(tǒng))的一個測量刻度M的一個部分，它由許多沿著測量刻度M的(用一個圓弧限定的)延伸方向R周期性地一個接一個布置的具有光柵常數(shù)為d的分度刻度線T組成。
為了對具有光柵常數(shù)d的測量刻度M進(jìn)行掃描，應(yīng)用了一個掃描單元的探測機(jī)構(gòu)D，它由許多光敏元件形式的探測器元件E組成，這些元件分別沿著測量刻度M的延伸方向R一個接一個地布置在兩個并排布置的軌跡S1、S2上。
各個光敏元件形式的探測器元件E在這里按其大小、按其前后的布置以及其幾何形狀如此選擇，使得它們在對一個具有比圖7所示的測量刻度M小四倍的光柵常數(shù)的自動同步發(fā)送機(jī)的一個測量刻度進(jìn)行掃描時產(chǎn)生出輸出信號，這些信號根據(jù)各個探測器元件E的幾何特性沒有某些預(yù)先規(guī)定的高次諧波。每個單個的探測器元件E同時產(chǎn)生了一個具有某個相位的輸出信號，而且沿著延伸方向R相互間隔開的、產(chǎn)生相同相位的輸出信號的探測器元件E將其各自的輸出信號作為統(tǒng)一的信號輸送給一個處理單元，在這里可以對不同相位的輸出信號進(jìn)行處理，并因而可以確定探測機(jī)構(gòu)D相對于測量刻度M沿著延伸方向或者測量方向R的位置。若測量刻度M和探測機(jī)構(gòu)D配屬于一個機(jī)床的兩個不同的機(jī)器部分并分別與它們相連接，那么這樣就可以檢測到這兩個機(jī)器部分相互之間的相對運(yùn)動。
為了對圖7所示的測量刻度M進(jìn)行掃描-這些刻度的光柵常數(shù)d大于那個對于其掃描來說將各個探測元器E設(shè)計和布置成為這些原始的測量刻度的光柵常數(shù)，為此將探測器元件E結(jié)合成為探測器組G1、G2、G3、G4，這些組分布在兩個軌跡S1、S2上，并在那里分別多重出現(xiàn)。此時有四種不同類型的探測器組G1、G2、G3、G4，其中每種類型G1或G2或G3或G4分別產(chǎn)生某個相位(0°或90°或180°或270°)的輸出信號。
探測器元件E聯(lián)接成探測器組G1、G2、G3、G4如下進(jìn)行一個探測器組G1、G2、G3或G4的探測器元件的輸出信號(在光學(xué)掃描測量刻度M的光敏元件的形式的探測器元件處的電輸出信號)分別一起輸送給配屬的處理單元。一個探測器組G1、G2、G3或G4的探測器元件E也分別電聯(lián)接一起。此外又將那些產(chǎn)生同一個相位的輸出信號的(沿著延伸方向R相互分隔開的)探測器組聯(lián)接一起，從而將一個相位的輸出信號一起輸給處理單元。也就是說使所有產(chǎn)生0°相位的輸出信號的那些探測器組G1電聯(lián)接在一起；將所有產(chǎn)生90°相位的輸出信號的那些探測器組G2電聯(lián)接在一起；所有產(chǎn)生180°相位的輸出信號的那些探測器組G3電聯(lián)接在一起；以及所有產(chǎn)生270°相位的輸出信號的那些探測器組G4電聯(lián)接在一起。
在圖7中可以如此來識別一個探測器組的探測器元件它們具有相同的剖面線。對于這樣的沿著延伸方向R相互間隔開的、產(chǎn)生出具有一致相位的輸出信號的探測器組來說也是這樣。
圖7中可見到的在相鄰的探測器組之間的空缺L分別包括有在生成探測器組時并未應(yīng)用過的那些探測器元件。可替換的是，也可以在空缺L處根據(jù)技術(shù)方面的原因一開始就不設(shè)傳感器。
以下則根據(jù)圖1至6說明并分析按此能夠?qū)蝹€的探測器元件聯(lián)接成探測器組的規(guī)則，以便一方面得到一個盡可能大的占位系數(shù)-也就是說在生成探測器組時應(yīng)用盡可能多的探測器元件，而且另一方面借助于由探測器組所形成的探測機(jī)構(gòu)可以將規(guī)定的高次諧波從輸出信號里過濾出。
對于圖1至3中所示的實施例來說的出發(fā)點(diǎn)分別有如下考慮為了消除探測器組的輸出信號中的高次諧波，一方面適合的有一種所謂雙線濾波器(Zwei-Strichfilter)的定距濾波器(Distanzfilter)，其生成規(guī)則(Erzeugungsregel)為Δx＝m*d*(1±1/(2*n))，其中Δx表示了相鄰探測器組之間的距離，d表示所要掃描的測量刻度的光柵常數(shù)；n表示所要過濾的諧波的階，例如n＝3或n＝5，m是一個整數(shù)。這樣一種濾波器的最小伸長在所要濾波的輸出信號的兩個周期上延伸。
另一種消除高次諧波的方法在于，應(yīng)用一種單縫濾波器(Ein-zelspaltfilter)型式的寬向濾波器(Breitenfilter)，其生成規(guī)則為Δb＝k*d/n，其中Δb表示了各個探測器組的寬度，d表示所要掃描的測量刻度的光柵常數(shù)，n表示所要濾波的諧波。k是自然數(shù)的一個元素。
由所述沿著測量方向或延伸方向R延伸的探測機(jī)構(gòu)D的最細(xì)的刻度gf(對應(yīng)于各個探測器元件的最小的光柵常數(shù))出發(fā)，此處得出如下的將探測器元件E結(jié)合成探測器組的規(guī)則、以及它們沿著延伸方向R的分布的規(guī)則，用于對具有一種光柵常數(shù)的測量刻度進(jìn)行掃描，這種光柵常數(shù)大于那個匹配于最細(xì)刻度gf的光柵常數(shù)。
如果d＝i*gf，也就是說所要掃描的測量刻度M的光柵常數(shù)d是探測機(jī)構(gòu)D的最細(xì)刻度gf的一個整數(shù)倍，如以下所述那樣，那么下式成立Δx＝d*(1+1/(2*n))＝i*gf*(1+1/(2*n))一般Δx是模量gf≠0，也就是說按上述生成規(guī)則得出的、在同相的兩個探測器組之間的距離并不是各個探測器元件E的作為基礎(chǔ)的最細(xì)刻度gf的整數(shù)倍數(shù)。這意味著按照定距濾波器的生成規(guī)則所計算出的、位于兩個相同相位的探測器組之間的間距Δx不能使用作為基礎(chǔ)的最細(xì)刻度gf的整數(shù)倍數(shù)來表示。如果選擇了位于實際值的下一個整數(shù)倍數(shù)，那么就得出了與按照生成規(guī)則計算得到的最佳間距Δx的偏差f1、f2(誤差)，它們一般可以如下表示f1＝1-P/2n，和/或f2＝P/2n，其中P∈IR，根據(jù)所述實際上選擇的對應(yīng)于刻度gf的一個整數(shù)倍數(shù)的、位于同相位的探測器組之間的距離是否小于或大于理論值Δx。
對于一種改進(jìn)的(優(yōu)化的)濾波來說然而可以利用以下事實上面所述的偏差f1和f2可以相互補(bǔ)償，也就是說對于總的誤差適合下式∑f＝I1*f1-I2*f2，其中I1，I2 εN1由此對于高次波含量的最小化來說得出2n/k-1＝I2/I1；其中I1，I2εN1，其中和數(shù)I1+I2同時也是所要掃描的光柵常數(shù)d的周期的數(shù)量的一個尺度。這應(yīng)該在下面在一個實例中加以詳細(xì)說明。
用探測機(jī)構(gòu)原始要掃描的測量刻度的光柵常數(shù)df(最細(xì)的光柵常數(shù))為df＝1/2048。每個周期用四個探測器元件(光敏探測器)得出gf＝1/4*df。
用同一種探測機(jī)構(gòu)所要掃描的較粗的測量刻度的較大的光柵常數(shù)應(yīng)為d＝1/512，也就是說應(yīng)該用一種預(yù)先規(guī)定的刻度gf的探測機(jī)構(gòu)附帶地也對具有四倍光柵常數(shù)d＝1/512的一種測量刻度進(jìn)行掃描，其中所述探測機(jī)構(gòu)最初設(shè)計用于對一種具有光柵常數(shù)為df＝1/2048的測量刻度進(jìn)行掃描。按照上面的用于對一種距離濾波器的生成規(guī)則的實施例，對于第三種諧波(也即n＝3)的濾波得出
Δx＝d*(1±1/2*3)＝4*df*(1±1/2*3)＝16*gf*(1±1/6)＝16*(gf±1/6*gf)。
由上述用于使高次諧波含量最小化的總誤差實現(xiàn)最小化的公式，則對于公式的負(fù)分支(Minus-Zweig)還得到I2/I1＝6/4-1＝1/2和I1+I2＝3，其中I1＝2，I2＝1。也就是說，為了平均來說針對同相位的探測器組之間的間距得到理想的力求的值Δx，對于實際間距來說每兩次選一個短出1/3*gf的相同相位的探測器組之間的間距，一次選一個長出2/3*gf的間距，這樣同時將濾波器的最小長度規(guī)定在六個周期上。因而往往加倍地出現(xiàn)短出1/3*gf的間距，正如長出2/3*gf的在相同相位的相互緊隨著的下面的探測器組之間的間距那樣。
如果以探測機(jī)構(gòu)的最細(xì)的刻度gf為單位來表達(dá)，那么就得出以下對于相同相位的其間距可以變化的探測器組來說的平均間距由上述對于一種相位的第三個諧波進(jìn)行濾波用的公式出發(fā)可以得到理想的間距Δx，其值為18.66*gf和13.33*g，這取決于，Δx的公式是否選擇“正的”或“負(fù)的”分支。因而對于理想的探測器布置來說就得到了理想的間距，一方面為19*gf和18*gf，其中首先提到的較大的間距出現(xiàn)的幾率比第二個提到的較小的多一倍；同時另一方面理想間距為13*gf和14*gf，其中首先提到的較小的間距出現(xiàn)的幾率比第二個提到的較大間距多一倍。
上面詳細(xì)說明的對于定距濾波(雙線濾波器)的計算可以類似地轉(zhuǎn)換到對寬向濾波器(單縫濾波器)的處理，其中代替前后緊隨著的同相位的探測器組之間的距離，同相位的探測器組的寬度沿著延伸方向R進(jìn)行變化。
這里根據(jù)上面的公式，在第三種諧波進(jìn)行濾波時相同相位的探測器組的寬度Δb為Δb＝k*d/3＝k*16*gf*1/3＝k*5.33gf由探測器組的理想寬度Δb＝5.33*gf出發(fā)，在理想的布置情況下某個相位的寬度Δb＝5*gf的探測器組出現(xiàn)的頻度為相應(yīng)的寬度Δb＝6*gf的探測器組的兩倍。
圖1表示了兩種前面所述的、用于濾除第三種諧波(也即n＝3)的濾波方法(定距濾波和寬向濾波)的組合，用所述方法可以實現(xiàn)對余弦信號的濾波，也就是說，輸出信號的相位為0°的探測器組G1以及輸出信號的相位為180°的探測器組G3按上述規(guī)則進(jìn)行電連接，其中首先提到的探測器組G1在寬度恒定時承受定距濾波器的作用(針對距離來說，這是在延伸方向R看的位于各個相互緊隨著的探測器組G1的中心點(diǎn)之間的距離)，而第二次提到的探測器組G3為了實現(xiàn)為Δb＝5.33*gf的平均寬度而具有不同的寬度5*gf和6*gf。
在圖1所示的布置中，除了上面所述的余弦信號的濾波之外，只可能對相位為90°和270°的正弦信號進(jìn)行有限的濾波。為了能使余弦信號和正弦信號同樣地進(jìn)行濾波，對圖1所示的裝置進(jìn)行了如圖2所示的改進(jìn)。
按照圖2所示，分別由兩個濾波周期(d)、也就是說由32個探測器元件E組成的探測器塊交替地用于余弦信號的濾波和用于正弦信號的濾波。在這里用于對余弦信號濾波的塊分別包含有產(chǎn)生具有相位為0°或180°的輸出信號的那些探測器組G1、G3。應(yīng)用于正弦信號濾波的探測器塊包括有分別產(chǎn)生具有相位為90°和270°的輸出信號的探測器組G2，G4。
同時要考慮到在所述用于對余弦信號進(jìn)行濾波或者對正弦信號進(jìn)行濾波的探測器塊中分別交替地使一個探測器組G1或G3或者G2或G4承受一個定距濾波器和一個寬向濾波器的作用。因此在圖2中在第一個探測器塊中產(chǎn)生出相位為0°的輸出信號的探測器組G1的寬度分別為8個探測器元件。分別產(chǎn)生出相位為180°的輸出信號的兩個探測器組G3的寬度相位地一次為十一個探測器元件，一次為五個探測器元件。在所述第一個探測器塊里那些產(chǎn)生出具有0°相位的輸出信號的探測器組G1在寬度恒定時經(jīng)受一個定距濾波器的作用，而產(chǎn)生出具有180°相位的輸出信號的那些探測器組G3則經(jīng)受一種寬向濾波器的作用。在所述第三個又包括有產(chǎn)生出具有0°相位或180°相位的輸出信號的探測器組G1、G3的探測器塊里則恰好與這情況相反。那些產(chǎn)生出具有180°相位的輸出信號的探測器組G3在那里具有八個探測器元件的一個恒定寬度，而另一種探測器組G1具有十或六個探測器元件的寬度。
相同的情況存在于分別包含有產(chǎn)生出相位為90°或270°的輸出信號的探測器組G2，G4里。在第二探測器塊里產(chǎn)生出相位為90°的輸出信號的探測器組G2分別具有八個探測器元件的恒定寬度；而兩個另外的探測器組G4在一種情況下具有十個探測器元件的寬度，在另一種情況下具有六個探測器元件的寬度。在第四探測器塊里情況又是相反的這里產(chǎn)生出相位為270°的輸出信號的探測器組G4具有八個探測器元件的一種恒定寬度，而另一種探測器組G2在一種情況下具有十一個探測器元件的寬度，在另一種情況下具有五個探測器元件的寬度。
無論是對用于余弦信號濾波的探測器塊來說、還是對用于正弦信號濾波的探測器塊來說，在經(jīng)受一個定距濾波器作用的探測器組之間的間距是變化的。在圖2所示的探測器塊中它局部達(dá)到18個以及局部19個探測器元件。同樣在寬向濾波器里有一種變化，這種寬向濾波器在一部分探測器塊里通過寬度為11個探測器元件的探測器組與寬度為5個探測器元件的組合而形成，而在另外的探測器塊里則通過寬度為10個探測器元件的探測器組與寬度為6個元件的探測器組的組合。這是由于上述所述的使裝置的總誤差最小化以便使濾波效果最佳化的原因。
圖2所示裝置的特點(diǎn)在于一種改善的對稱，它既在一方面針對余弦信號濾波，在另一方面針對正弦信號濾波；而且在一方面針對在各個探測器塊里寬向濾波器的使用，另一方面針對在各個探測器塊里定距濾波器的使用。這尤其改善了裝置對污染的不靈敏性。圖2所示的探測器組的結(jié)構(gòu)和裝置G1、G2、G3和G4雖然既能對正弦信號又能對余弦信號進(jìn)行同類的濾波，但是這種裝置的缺點(diǎn)在于損失了掃描的分格特性(Einfeldcharakter)，也就是說所有四個相位從一個信號周期里獲得。
為了彌補(bǔ)這種缺點(diǎn)，按照圖3所示使掃描軌跡加倍，因而探測機(jī)構(gòu)D就包括有兩個垂直于其延伸方向R(測量方向)并排布置的軌跡S1、S2，其中在每個軌跡里分別交替地布置了具有用于對余弦信號進(jìn)行濾波的探測器組G1、G3的探測器塊，以及具有用于對正弦信號進(jìn)行濾波的探則組G2、G4的探測器塊。橫交于延伸方向R并排布置的探測器塊各自用于對不同的信號進(jìn)行濾波，也就是說除了一種布置在軌跡S1里對余弦信號進(jìn)行濾波的濾波器塊之外(包括具有相位為0°和180°的輸出信號的探測器組G1，G3)，在另一個軌跡S2里分別布置有一個探測器塊，用于對正弦信號濾波(該探測器塊包括有產(chǎn)生90°和270°相位的輸出信號的探測器組G2和G4)，并且反之亦然。
在這種情況下一個既用于對余弦信號也對正弦信號進(jìn)行濾波的、并為此既包括有寬向濾波器又有定距濾波器的基本單元沿著延伸方向R只有32個探測器元件的長度(相當(dāng)于所要掃描的測量刻度的兩個光柵常數(shù)d)。因而圖3所示的具有并排地相互平行地沿著延伸方向R布置的軌跡S1、S2的裝置布置的另一個優(yōu)點(diǎn)在于，減小了掃描長度。
在圖2和3中位于相鄰探測器元件E之間的空缺L分別在生成探測器組G1、G2、G3和G4時對應(yīng)于探測機(jī)構(gòu)的未使用的探測器元件。這些對應(yīng)的未使用的探測器元件并不與處理單元相連接，也就是尤其不與其它用于形成探測器組的探測器元件進(jìn)行電連接。但是這里也可以指由于技術(shù)原因反正不含有探測器元件的空缺L。
對應(yīng)于上面專門為第三種諧波的濾波而描述的方法，可以通過適合地結(jié)合一個探測機(jī)構(gòu)D的各個探測器元件E以及通過適合地布置這樣形成的探測器組G1、G2、G3、G4一個接一個地從探測機(jī)構(gòu)的輸出信號里同時地既消除其它高次諧波也消除多種高次諧波，也就是在另外上面所描述的基于一種定距濾波器以及一種寬向濾波器的過濾功能的基礎(chǔ)上。
對于一種盡可能緊湊設(shè)計的、用于濾波的布置來說，原始的最細(xì)的結(jié)構(gòu)可以設(shè)計成在多個軌跡里具有最小的光柵gf，以便對于較粗軌跡的濾波來說，用一個較大的刻度達(dá)到一個對于探測器組進(jìn)行最佳分配的附加的自由度，參見DE 100 20 575 A1。
圖4表示一種探測機(jī)構(gòu)D，它具有兩個橫交于延伸方向R(測量方向)并排布置的軌跡S1、S2。這兩個軌跡S1、S2的每一個分別沿著測量方向R延伸布置。第一軌跡S1在此由產(chǎn)生相位為0°或180°的輸出信號的探測器組G1、G3形成，而第二軌跡S2由產(chǎn)生相位為90°或270°的輸出信號的探測器組G2、G4所形成。
此外涉及到應(yīng)用互補(bǔ)的濾波結(jié)構(gòu)用于表面濾波的第二種實施例。在根據(jù)圖1至3所示的實施例中，一種定距濾波器和一種寬向濾波器已用作互補(bǔ)的濾波器，而在圖4所示的實施例中則兩個互補(bǔ)的反正弦濾波器則用作探測器組位置狀況的產(chǎn)生者。相位為0°或180°的輸出信號的探測器組G1、G3的位置狀況的理想位置由這生成規(guī)則描述X0k=k*d2*πarcsin(kN),]]>其中k＝-N...N和N＝3，5，7...
對此互補(bǔ)的(補(bǔ)充的)一種濾波函數(shù)的生成規(guī)則為x180k=(k+0.5)*d2*πarcsin(kN),]]>在圖4中表示了探測器組G1、G2、G3、G4的理想的布置。對應(yīng)于上面根據(jù)圖1至3所描述的實施例這里也存在以下問題所述由理想的探測器元件(在圖4中為了清楚起見未一起表示出)所形成的探測器組并不正好具有由產(chǎn)生的濾波函數(shù)規(guī)定的位置狀況和伸長。與此對應(yīng)地，這里也必須通過合適地布置這些各自與理想的探測器組具有偏差的探測器組使整個誤差最小化、盡可能消除掉。這根據(jù)同樣的原理，即在通過一種定距濾波器和一種寬向濾波器對高次諧波進(jìn)行濾波時另外上面的對于誤差f1和f2所闡述的原理。
按照本發(fā)明的另一種實施形式，各個探測器組的特征在于，其橫交于延伸方向R的伸長有特點(diǎn)地進(jìn)行變化。
由一種探測機(jī)構(gòu)出發(fā)-在這種裝置里橫交于延伸方向R(測量方向)并排布置了多數(shù)的光敏元件-也可以通過合適地沿著一個橫交于探測機(jī)構(gòu)D的延伸方向或測量方向的方向Q電連接各個探測器元件來實現(xiàn)對用于較粗測量刻度的掃描而設(shè)計的探測機(jī)構(gòu)的濾波函數(shù)。這就是說，針對作為基礎(chǔ)的測量刻度M(比較圖7)在測量刻度M的刻度線T的刻線方向上使探測器元件實現(xiàn)電連接。這當(dāng)然如上所述，只有當(dāng)沿著橫交方向Q(垂直于延伸方向R)并排布置了足夠數(shù)量的探測器元件才可能。
另一種可選方案可以規(guī)定相應(yīng)的軌跡一開始就具有探測器元件，它們的伸長沿著橫交方向Q而變化，其中只需要使沿著延伸方向R并排布置的在橫交方向Q上不同伸長的探測器元件相互錯連接起來，以便構(gòu)成所希望的探測器組。
與以下事實無關(guān)各個并排布置在延伸方向R上的、并且沿著橫交方向Q分別具有不同伸長的探測部位是否通過那些沿著橫向方向Q反正具有不同伸長的探測器元件所構(gòu)成，或者通過沿著橫向方向Q的小探測器元件的電連接而形成，這些探測部位各自還必須在延伸方向R上進(jìn)行電連接以便用于形成探測器組。
圖5a表示了具有兩個并排布置的軌跡S1、S2的一種這樣的裝置，其中一個軌跡S1具有探測器組G1、G3，它們產(chǎn)生出具有相位為0°或180°的輸出信號，而另一個相鄰的軌跡S2則包含有探測器組G2、G4，它們則產(chǎn)生具有相位為90°或270°的輸出信號。
圖5a中所述的裝置的濾波函數(shù)-通過該裝置用于確定橫向于延伸方向R的探測器元件的電連接-如下所述y0k＝h*|cos(π*k/N)|，和y180k＝h*(1-|cos(π*k/N)|)，此處指明了各個軌跡S1、S2的高度(橫向于延伸方向上的伸長度)；N表示所要掃描的測量刻度的每個分度周期內(nèi)的探測器的數(shù)量，k＝-N...N(也就是說k假定是一個位于-N和N之間的整數(shù)值)。此處則是指分別自基于一種余弦函數(shù)的互補(bǔ)濾波函數(shù)。
圖5b舉例表示了一種用實線表示的理想的濾波函數(shù)如何能夠根據(jù)一個正弦函數(shù)或余弦函數(shù)近似地通過將橫交于探測機(jī)構(gòu)的延伸方向的探測器元件電連接進(jìn)行理解，也就是說例如對于相位為0°或180°的探測器組G1、G3。
在圖5a和5b里各個探測器部位的伸長沿著垂直于延伸方向R的一個橫向方向進(jìn)行變化，這些部位一方面可以通過將各自沿著橫向方向Q并排布置的探測器元件進(jìn)行合適的電連接來實現(xiàn)，另一方面可以通過使最終沿著延伸方向R電連接成探測器組G1、G2、G3、G4的各個探測器元件一開始就沿著橫向方向Q具有不同的伸長來達(dá)到。
圖6最后表示了對于兩個相鄰的、分別具有所有四種相應(yīng)的相位(0°，90°，180°，270°)的探測器組來說一個相位(0°，90°，180°，270°)的探測器組的偏置距離離Δx，但是布置在不同的軌跡S1或S2上，所述偏置距離用下式表達(dá)Δx＝m*d*(1±1/(2*n))，且d＝i*gf其中n表示所要濾波的高次諧波；n是一個整數(shù)；gf是周期布置的探測器元件的光柵常數(shù)。另外d是所要掃描的測量刻度的光柵常數(shù)；i是一個自然數(shù)。
在這種變型方案中也要考慮到Δx一般并不是gf的整數(shù)倍，因此即使這里所述只能通過gf的整數(shù)倍而形成的探測器組的事實上的偏置距離Δx也與Δx的理論值有偏差。這里又對總誤差進(jìn)行了最小化，例如另外上面在寬向濾波器和定距濾波器的例子中所述的那樣。
權(quán)利要求
1.位置測量裝置，該裝置具有-一個沿著一個測量方向延伸的測量刻度，-一個用于掃描該測量刻度的掃描單元和-所述掃描單元的一個探測機(jī)構(gòu)，該探測機(jī)構(gòu)包括有許多沿著一個延伸方向周期性地一個接一個布置的探測器元件，在掃描所述測量刻度時這些元件產(chǎn)生出可以輸送給一個處理單元的輸出信號；其中分別有多個相鄰的探測器元件如此聯(lián)接成一個探測器組，使得其輸出信號聚集起來并且能夠作為統(tǒng)一的信號輸送給所述處理單元，其特征在于，探測器元件(E)如此結(jié)合成探測器組(G1，G2，G3，G4)而且這些探測器組(G1，G2，G3，G4)如此沿著延伸方向(R)一個接一個地布置，使得能從輸出信號里消除掉至少一種規(guī)定的高次諧波。
2.按權(quán)利要求1所述的位置測量裝置，其特征在于，分別有多個在延伸方向(R)上相互間隔開的探測器組(G1，G2，G3，G4)如此聯(lián)接起來，使得它們的輸出信號結(jié)合起來并作為統(tǒng)一的信號輸送給處理單元。
3.按權(quán)利要求2所述的位置測量裝置，其特征在于，聯(lián)接起來的探測器組(G1，G2，G3，G4)分別產(chǎn)生一個相位(0°，90°，180°，270°)的輸出信號。
4.按權(quán)利要求3所述的位置測量裝置，其特征在于，組成一種相位(0°，90°，180°，270°)的探測器組(G1，G2，G3，G4)的探測器元件(E)的數(shù)量沿著探測機(jī)構(gòu)(D)的延伸方向(R)進(jìn)行變化。
5.按權(quán)利要求1所述的位置測量裝置，其特征在于，這樣來選擇將要分別電連接成一個探測器組(G1，G2，G3，G4)的探測器元件(E)的形式，使得可以對于通過掃描具有另一種分度周期(df)的測量刻度而得出的至少另一種高次諧波進(jìn)行濾波。
6.按權(quán)利要求1至7中任意一項所述的位置測量裝置，其特征在于，探測器組(G1，G2，G3，G4)沿著至少兩條垂直于延伸方向(R)并排布置的軌跡(S1，S2)而設(shè)置。
7.按權(quán)利要求1所述的位置測量裝置，其特征在于，探測器組(G1，G2，G3，G4)的布置沿著延伸方向(R)通過至少一個生成的濾波函數(shù)來確定，它對于每個探測器元件(E)說明了與那些相鄰的探測器元件(E)聯(lián)接起來。
8.按權(quán)利要求7所述的位置測量裝置，其特征在于，探測器組(G1，G2，G3，G4)沿著延伸方向(R)的布置通過至少兩個生成的濾波函數(shù)的邏輯連接來確定，這些函數(shù)涉及不同的探測器組和/或涉及一種探測器組的不同特征。
9.按權(quán)利要求8所述的位置測量裝置，其特征在于，探測器組(G1，G2，G3，G4)沿著延伸方向(R)的布置通過至少兩個互補(bǔ)的濾波函數(shù)的邏輯連接來確定，這些函數(shù)涉及不同的探測器組和/或一個探測器組的不同的特征。
10.按權(quán)利要求6所述的位置測量裝置，其特征在于，各個相位(0°，90°，180°，270°)的探測器組(G1，G2，G3，G4)在不同的軌跡(S1，S2)上沿著延伸方向(R)相互偏置一個確定的偏置距離(Δx)地進(jìn)行布置。
11.按權(quán)利要求10所述的位置測量裝置，其特征在于，一種相位(0°，90°，180°，270°)的探測器組(G1，G2，G3，G4)的偏置距離(Δx)用下式表達(dá)Δx＝m*d*(1±1/(2*n))，最好d＝i*gf，其中d為所要掃描的測量刻度的光柵常數(shù)；gf為各個探測器元件(E)的周期性布置的光柵常數(shù)；n表示所要濾除的高次諧波；m是一個整數(shù)；i是一個自然數(shù)。
12.按權(quán)利要求1所述的位置測量裝置，其特征在于，為了消除高次諧波，位于探測器組(G1，G2，G3，G4)之間的間距沿著延伸方向(R)進(jìn)行變化。
13.按權(quán)利要求12所述的位置測量裝置，其特征在于，探測器組(G1，G2，G3，G4)之間的間距Δx按以下規(guī)則確定Δx＝m*d*(1±1/(2*n))，最好d＝i*gf，其中d表示所要掃描的測量刻度的光柵常數(shù)；gf為各個探測器元件(E)的周期性布置的光柵常數(shù)；n表示所要濾除的高次諧波；m是一個整數(shù)；i是一個自然數(shù)。
14.按權(quán)利要求1所述的位置測量裝置，其特征在于，為了消除高次諧波，探測器組(G1，G2，G3，G4)沿著延伸方向(R)的伸長是變化的。
15.按權(quán)利要求14所述的位置測量裝置，其特征在于，探測器組(G1，G2，G3，G4)在延伸方向(R)上的伸長Δb按以下規(guī)則來確定Δb＝k*d/N，最好使d＝i*gf，其中i、k為自然數(shù)；d為所要掃描的測量刻度的光柵常數(shù)；gf為各個探測器元件(E)的周期性布置的光柵常數(shù)；n為所要濾除的高次諧波。
16.按權(quán)利要求11所述的位置測量裝置，其特征在于，探測器組(G1，G2，G3，G4)沿著延伸方向(E)的布置通過第一個生成的濾波函數(shù)與第二個生成的濾波函數(shù)的邏輯連接來確定；按照第一個函數(shù)，探測器組(G1，G2，G3，G4)在延伸方向(R)上的間距是變化的；而按照第二個函數(shù)，探測器組(G1，G2，G3，G4)在延伸方向(R)上的伸長是變化的。
17.按權(quán)利要求1所述的位置測量裝置，其特征在于，探測器組(G1，G2，G3，G4)沿著延伸方向(R)的布置按照一種反正弦函數(shù)來進(jìn)行。
18.按權(quán)利要求17所述的位置測量裝置，其特征在于，探測器組(G1，G2，G3，G4)的位置x由以下函數(shù)來確定x＝k*d/(2*π)*arcsin(K/N)，最好使d＝i*gf，其中i和N為自然數(shù)；k是量值小于或等于N的整數(shù)(k＝-N...N)；d是所要掃描的測量刻度的光柵常數(shù)；gf是各個探測器元件(E)的周期性布置的光柵常數(shù)。
19.按權(quán)利要求11所述的位置測量裝置，其特征在于，探測器組(G1，G2，G3，G4)在延伸方向(R)上的布置通過兩個反正弦函數(shù)的邏輯連接來確定。
20.按權(quán)利要求1所述的位置測量裝置，其特征在于，探測器組(G1，G2，G3，G4)垂直于延伸方向(R)的伸長是變化的。
21.按權(quán)利要求20所述的位置測量裝置，其特征在于，探測器組(G1，G2，G3，G4)垂直于延伸方向(R)的伸長按照一個余弦函數(shù)或者一個正弦函數(shù)而變化。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種位置測量裝置，它具有一個沿著一個測量方向y延伸的測量刻度、一個用于對測量刻度和掃描單元的一個探測機(jī)構(gòu)進(jìn)行掃描的掃描單元－該探測機(jī)構(gòu)有許多沿著延伸方向周期性地一個接一個地布置的探測器元件，該元件在掃描所述測量刻度時產(chǎn)生了可輸送給一個處理單元的輸出信號，其中分別有多個相鄰的探測器元件如此聯(lián)接成一個探測器組，使得它們的輸出信號可以聚集起來并作為統(tǒng)一的信號輸送給處理單元。按照本發(fā)明，將探測器元件如此聯(lián)接成探測器組并以所述探測器組的形式沿著延伸方向一個接一個地如此布置，使得至少一個規(guī)定的高次諧波從所述輸出信號里去除掉。
文檔編號G01D5/36GK1584492SQ20041005676
公開日2005年2月23日 申請日期2004年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月18日
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