DE9305151U1 - Photoelectric length or angle measuring device - Google Patents
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Description
DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 1. April 1993DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 1 April 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 eingesetzt
.
10Such measuring devices are used in particular in processing machines for measuring the relative position of a tool with respect to a workpiece to be machined as well as in coordinate measuring machines.
10
Aus der EP-O 231 385 Al ist bereits eine lichtelektrische Winkelmeßeinrichtung bekannt, die an einer Antriebseinheit elektrisch isoliert befestigt ist. Die Abtasteinrichtung und das Gehäuse der Winkelmeßeinrichtung ist mit dem Massepotential der Auswerteeinheit verbunden. Auf der Platine der Abtasteinrichtung sind zur weiteren Abschirmung an den Oberflächen großflächige Erdungsmuster ausgebildet.A photoelectric angle measuring device is already known from EP-O 231 385 A1, which is attached to a drive unit in an electrically insulated manner. The scanning device and the housing of the angle measuring device are connected to the ground potential of the evaluation unit. Large-area grounding patterns are formed on the scanning device's circuit board for further shielding on the surfaces.
Davon beabstandet sind die Photoelemente angeordnet. Die Signalleitungen der Photoelemente verlaufen in einer Ebene zwischen den Erdungsmustern der Platine, die als Multilayer-Platine ausgeführt ist.The photoelements are arranged at a distance from this. The signal lines of the photoelements run in a plane between the grounding patterns of the circuit board, which is designed as a multilayer circuit board.
In der US-PS 5,030,825 ist eine Winkelmeßeinrichtung beschrieben, bei der zur Abtastung der Inkrementalteilung einer Codescheibe mehrere Photoelemente vorgesehen sind. Zwischen der Codescheibe und den Photoelementen ist eine Abtastplatte angeordnet. Diese Abtastplatte ist aus einem elektrisch leitenden Material gefertigt und am Massepotential angeschlossen, sie soll dadurch als Abschirmung der Photoelemente gegen elektromagnetische Störfelder wirken.US Patent 5,030,825 describes an angle measuring device in which several photoelements are provided for scanning the incremental division of a code disk. A scanning plate is arranged between the code disk and the photoelements. This scanning plate is made of an electrically conductive material and connected to ground potential; it is therefore intended to act as a shield for the photoelements against electromagnetic interference fields.
Diese bekannten Maßnahmen können Photodetektoren nicht ausreichend von elektromagnetischen Störfeldern abschirmen. Aber gerade die lichtempfindliche Oberfläche eines Photodetektors muß gegen Störfelder gut abgeschirmt sein, da Potentialunterschiede zwischen diesen Oberflächen und elektrisch leitenden Teilen der Umgebung zu einer Entladung führt, die vom Photodetektor verstärkt (Transistoreffekt) und über Signalleitungen der Auswerteeinheit zugeführt wird. Bei inkrementalen Meßsystemen führen diese Spannungs-Entladungen zu Zählimpulsen und somit zu Zählfehlern.These known measures cannot adequately shield photodetectors from electromagnetic interference fields. However, the light-sensitive surface of a photodetector must be well shielded from interference fields, since potential differences between these surfaces and electrically conductive parts of the environment lead to a discharge that is amplified by the photodetector (transistor effect) and fed to the evaluation unit via signal lines. In incremental measuring systems, these voltage discharges lead to counting pulses and thus to counting errors.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine lichtelektrische Längen- oder Winkelmeßeinrichtung so auszubilden, daß Störfelder keinen Einfluß auf die Photodetektoren und somit auf die Ausgangssignale haben, d. h. die Störsicherheit (elektromagnetische Verträglichkeit) soll verbessert werden.The invention is based on the object of designing a photoelectric length or angle measuring device in such a way that interference fields have no influence on the photodetectors and thus on the output signals, i.e. the interference immunity (electromagnetic compatibility) is to be improved.
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.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.
Die Vorteile der Erfindung liegen darin, daß mit einfachen Mitteln die Photodetektoren einer Längenoder Winkelmeßeinrichtung vor Störfeldern abgeschirmt werden können. Durch die vorgeschlagene Maßnahme werden die Ausgangssignale der Photodetektor nicht von äußeren Störfeldern beeinflußt.The advantages of the invention are that the photodetectors of a length or angle measuring device can be shielded from interference fields using simple means. The proposed measure means that the output signals of the photodetectors are not influenced by external interference fields.
Mit Hilfe von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. The invention is explained in more detail below with the help of exemplary embodiments and with reference to the drawings.
Es zeigtIt shows
Figur 1 eine lichtelektrische inkrementaleFigure 1 a photoelectric incremental
Langenmeßeinrichtung im Prinzip;Length measuring device in principle;
Figur 2 einen Teil der Abtasteinrichtung der Langenmeßeinrichtung nach Figur 1 mit einer Abschirmung;Figure 2 shows a part of the scanning device of the length measuring device according to Figure 1 with a shield;
Figur 3 eine weitere Ausgestaltung der Abschirmung im Schnitt.Figure 3 shows a further design of the shield in section.
Die Figur 1 zeigt eine lichtelektrische inkrementale Langenmeßeinrichtung mit einem Maßstab 1 als Meßverkörperung, der relativ zu einer Abtasteinrichtung 2 in Meßrichtung X verschiebbar ist. Auf dem Maßstab 1 ist eine Inkrementalteilung 3 sowie eine Teilung 4 mit Referenzmarken aufgebracht. Zur lichtelektrischen Abtastung der Teilungen 3 und 4Figure 1 shows a photoelectric incremental length measuring device with a scale 1 as the measuring embodiment, which can be moved relative to a scanning device 2 in the measuring direction X. An incremental graduation 3 and a graduation 4 with reference marks are applied to the scale 1. For the photoelectric scanning of the graduations 3 and 4
ist die feststehende Abtasteinrichtung 2 vorgesehen. Diese umfaßt eine Lichtquelle 5, deren Licht von einem Kollimator 6 gebündelt und auf die Teilungen 3 und 4 gerichtet wird. Das Licht fällt durch die transparenten Bereiche der Teilungen 3 und 4 sowie durch eine Abtastplatte 7 auf Photoelemente 8.1, 8.2, 8.3, 8.4, 8.5. Bei der lichtelektrischen Abtastung werden von den Photoelementen 8.1 bis 8.4 periodische analoge elektrische Abtastsignale erzeugt, die in bekannter Weise einer Auswerteeinheit zur Triggerung und Bildung von zählbaren Rechtecksignalen zugeführt werden. Diese Rechtecksignale werden in einem Zähler richtungsabhängig gezählt und einer Anzeigeeinheit oder einer numerischen Steuerung zugeführt. Die Triggerung der analogen Abtastsignale kann auch mit einer Schaltung erfolgen, die sich in der Abtasteinrichtung auf der Platine 9 der Photoelemente 8.1 bis 8.5 befindet.the fixed scanning device 2 is provided. This comprises a light source 5, the light of which is bundled by a collimator 6 and directed onto the divisions 3 and 4. The light falls through the transparent areas of the divisions 3 and 4 and through a scanning plate 7 onto photoelements 8.1, 8.2, 8.3, 8.4, 8.5. During photoelectric scanning, the photoelements 8.1 to 8.4 generate periodic analog electrical scanning signals, which are fed in a known manner to an evaluation unit for triggering and forming countable square-wave signals. These square-wave signals are counted in a counter depending on the direction and fed to a display unit or a numerical control. The analog scanning signals can also be triggered using a circuit located in the scanning device on the board 9 of the photoelements 8.1 to 8.5.
Zur Abschirmung der Photoelemente 8 ist ein elektrisch leitender transparenter Körper 10 vorgesehen. Diese Abschirmung ist in Figur 2 im Detail dargestellt. Der Abschirmkörper 10 ist in Form einer Schutzhaube über alle Photoelemente 8 gestülpt. Der Abschirmkörper 10 ist ein tiefgezogenes Formteil aus einem transparenten Kunststoff, der eine elektrisch leitfähige Beschichtung aufweist. Diese leitfähige Beschichtung kann eine dünne transparente Metallschicht z.B. aus Gold, Silber, Titan oder Kupfer sein, die durch Aufdampfen oder Kathodenzerstäubung auf ein Trägermaterial aufgebracht ist. Als Trägermaterial ist Polyester empfehlenswert, aber es können auch andere glasklare MaterialienAn electrically conductive transparent body 10 is provided to shield the photo elements 8. This shielding is shown in detail in Figure 2. The shielding body 10 is placed over all photo elements 8 in the form of a protective cover. The shielding body 10 is a deep-drawn molded part made of a transparent plastic that has an electrically conductive coating. This conductive coating can be a thin transparent metal layer, e.g. made of gold, silver, titanium or copper, which is applied to a carrier material by vapor deposition or cathode sputtering. Polyester is recommended as a carrier material, but other crystal-clear materials can also be used.
Verwendung finden. Bei derart beschichteten Folien liegt die Lichttransmission je nach Beschichtungsmaterial bei etwa 85%. Derartige Folien werden unter der Bezeichnung EX-Clear von der Firma EMI-tec Elektronische Materialien GmbH angeboten.are used. Depending on the coating material, the light transmission of films coated in this way is around 85%. Such films are offered under the name EX-Clear by the company EMI-tec Elektronische Materialien GmbH.
Der transparente Abschirmkörper 10 ist mit dem Massepotential OV verbunden, so daß elektromagnetische Felder nicht zu einer elektrischen Aufladung des Abschirmkörpers 10 führen, sondern daß die Ladungen abfließen können und nicht auf die lichtempfindlichen Oberflächen der Photoelemente 8 einwirken.The transparent shielding body 10 is connected to the ground potential OV so that electromagnetic fields do not lead to an electrical charge of the shielding body 10, but rather the charges can flow away and do not affect the light-sensitive surfaces of the photoelements 8.
Besonders vorteilhaft ist dabei die in Figur 2 dargestellte Maßnahme. Die Platine 9 ist als Multilayer-Platine ausgeführt. Die Leiterbahnen für die Signalleitungen der Photoelemente 8 sind in einer mittleren Leiterbahnen-Schicht 9.1 eingebettet. Auf beiden Seiten dieser mittleren Leiterbahnen-Schicht 9.1 ist jeweils eine Isolierschicht 9.2 und 9.3 angeordnet. An den nach außen weisenden Flächen dieser Isolierschichten 9.2 und 9.3 sind großflächige, vorzugsweise ganzflächige Metallschichten 9.4 und 9.5 aufgebracht.The measure shown in Figure 2 is particularly advantageous. The board 9 is designed as a multilayer board. The conductor tracks for the signal lines of the photoelements 8 are embedded in a middle conductor track layer 9.1. An insulating layer 9.2 and 9.3 is arranged on both sides of this middle conductor track layer 9.1. Large-area, preferably full-area metal layers 9.4 and 9.5 are applied to the outward-facing surfaces of these insulating layers 9.2 and 9.3.
Diese Metallschichten 9.4 und 9.5 sind ebenfalls mit dem Massepotential OV elektrisch verbunden und dienen daher für die Leiterbahnen-Schicht 9.1 als Abschirmung gegen elektromagnetische Störfelder.These metal layers 9.4 and 9.5 are also electrically connected to the ground potential OV and therefore serve as a shield for the conductor layer 9.1 against electromagnetic interference fields.
Der Abschirmkörper 10 ist im gezeigten Beispiel nach Figur 2 elektrisch leitend mit der Metallschicht 9.5 verbunden. Hierzu dient einIn the example shown in Figure 2, the shielding body 10 is electrically connected to the metal layer 9.5. This is done by a
elektrisch leitender Klebstoff 11. Es sind aber auch andere elektrisch leitende Verbindungen realisierbar, beispielsweise eine Lötverbindung. Je großflächiger die Verbindung ist, desto wirksamer ist auch die Abschirmung.electrically conductive adhesive 11. However, other electrically conductive connections can also be made, for example a soldered connection. The larger the connection, the more effective the shielding is.
In Figur 3 ist eine weitere Ausgestaltung der transparenten Abschirmung der Photoelemente 8 gezeigt. Zum mechanischen Schutz der Photoelemente 8 ist um die Photoelemente 8 ein Rahmen 12 vorgesehen. Der Rahmen 12 ist vorzugsweise ein Metallkörper, der mit Massepotential OV verbunden ist. Denkbar ist aber auch hier die Verwendung eines Kunststoffkörpers, der mit einem elektrisch leitenden Material beschichtet ist. Auf dem Rahmen 12 ist ein transparenter Abschirmkörper 210 angebracht, der elektrisch leitend ist und mit dem Massepotential OV verbunden ist. Der Abschirmkörper 210 besteht aus dem gleichen Material, wie es bei Figur 2 beschrieben wurde. Gleichartig ausgebildete Teile werden in allen Beispielen mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Figure 3 shows a further embodiment of the transparent shielding of the photo elements 8. For mechanical protection of the photo elements 8, a frame 12 is provided around the photo elements 8. The frame 12 is preferably a metal body that is connected to ground potential OV. However, the use of a plastic body that is coated with an electrically conductive material is also conceivable here. A transparent shielding body 210 is attached to the frame 12, which is electrically conductive and connected to ground potential OV. The shielding body 210 consists of the same material as described in Figure 2. Parts of the same design are provided with the same reference numerals in all examples.
Die dargestellten transparenten Abschirmungen der Photoelemente 8 haben den weiteren Vorteil, daß die Photoelemente 8 sicher vor Feuchtigkeit und mechanischer Beschädigung geschützt sind.The transparent shields of the photoelements 8 shown have the further advantage that the photoelements 8 are safely protected from moisture and mechanical damage.
Bei allen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist wesentlich, daß sich der transparente Abschirmkörper 10, 210 zumindest im Bereich der auf die lichtempfindlichen Flächen der Photoelemente 8 treffenden Lichtstrahlenbündel befindet.In all embodiments according to the invention, it is essential that the transparent shielding body 10, 210 is located at least in the area of the light beams striking the light-sensitive surfaces of the photoelements 8.
In nicht dargestellter Weise kann die Abtastplatte auf dem Abschirmkörper ausgebildet sein. BesondersThe scanning plate can be formed on the shielding body in a manner not shown.
vorteilhaft ist es dabei, die Abtastplatte auf einer Oberfläche des Abschirmkörpers auszubilden oder zu befestigen. Ebenso ist es auch bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Abtasteinrichtung möglich, daß um die gesamte Abtasteinrichtung ein weiterer elektrisch leitender Abschirmkörper vorge-It is advantageous to form or attach the scanning plate to a surface of the shielding body. It is also possible with the design of the scanning device according to the invention that a further electrically conductive shielding body is provided around the entire scanning device.
sehen ist, der mit dem Massepotential OV verbunden ist. Dieser weitere Abschirmkörper kann das Gehäuse der Abtasteinrichtung sein, wie es bei der Winkelmeßeinrichtung gemäß der EP-O 231 385 Al offenbart ist.which is connected to the ground potential OV. This further shielding body can be the housing of the scanning device, as is disclosed in the angle measuring device according to EP-0 231 385 A1.
Die in den Figuren 1 bis 3 beschriebenen Abtasteinrichtungen können auch bei lichtelektrischen Winkelmeßeinrichtungen zur Abtastung einer Teilscheibe eingesetzt werden. Ebenso ist die Erfindung nicht auf die beschriebene inkrementale Meßeinrichtung beschränkt, sie ist beispielsweise auch bei absoluten Meßsystemen einsetzbar. In den beschriebenen Beispielen werden Photoelemente als Photodetektoren eingesetzt. Es können aber auch andere Photodetektoren erfindungsgemäß eingesetzt und abgeschirmt werden.The scanning devices described in Figures 1 to 3 can also be used in photoelectric angle measuring devices for scanning a graduated disk. Likewise, the invention is not limited to the incremental measuring device described, it can also be used in absolute measuring systems, for example. In the examples described, photoelements are used as photodetectors. However, other photodetectors can also be used and shielded according to the invention.
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