DE9007614U1 - Winkelmeßeinrichtung - Google Patents

Description

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 23. April 1990

Winkelmeßeinrichtung

Die Erfindung betrifft eine lichtelektrische Winkelmeßeinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Winkelmeßeinrichtungen werden insbesondere bei Bearbeitungsmaschinen zur Messung der Relativlage eines Werkzeugs bezüglich eines zu bearbeitenden Werkstückes eingesetzt.

Eine einfach aufgebaute und damit preiswert herzustellende Winkelmeßeinrichtung mit geringen Abmessungen ist in der DE-C2-36 33 574 beschrieben. Die dort offenbarte Winkelmeßeinrichtung ist unempfindlich gegen Taumelfehler des Teilungsträgers und Exzentrizitätsfehler werden eliminiert.

Gegenstand des Hauptpatentes ... (Patentanmeldung P 38 36 703.3-52) ist demgegenüber eine

hochauflösende Winkelmeßeinrichtung mit noch kleinerer Bauform und noch einfacherem Aufbau, deren Meßgenauigkeit und Betriebssicherheit die von herkömmlichen Winkelmeßeinrichtungen übersteigt.

Ein integriert-optischer Drehgeber, wie er dort vorgeschlagen wird, benötigt Koppelgitter, die die an der Meßankörperung gebeugten Strahlenbündel korrekt in geeignete Wellenleiter-Strukturen einkoppein. Die Form der Gitterlinien solcher Koppelgitter wird durch komplizierte mathematische Ausdrücke beschrieben. Aufgrund der extremen Feinheit dieser Koppelgitter (Gitterkonstante < 0.5 um) lassen sich diese nur unter äußersten Schwierigkeiten mit der erforderlichen Genauigkeit herstellen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Winkelmeßeinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Koppelelemente 0 für die Einkopplung und/oder Auskopplung gebeugter Strahlenbündel in integriert-optische Strukturen einfacher herstellbar sind.

Diese Aufgabe wird von einer Winkelmeßeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Die Vorteile der Erfindung liegen in der - durch die Auflösung komplizierter Koppelelemente in jeweils zwei einfache Gitter - unproblematischen Fertigung der Abtasteinrichtung für die Winkelmeßeinrichtung.

Mit Hilfe einer stark schematisierten Darstellung wird die Erfindung anhand der Zeichnung noch näher

erläutert.

Bei einer in der Figur schematisch dargestellten Winkelmeßeinrichtung 1 fällt an einem ersten Abtastbereich Licht eines Lasers 2 auf eine Kreisteilung 3 einer Teilscheibe 4. An der als Phasengitter ausgebildeten Kreisteilung 3 wird das Licht gebeugt und zwei Teilstrahlenbündel +1 und -1 erster Beugungsordnung werden erzeugt. Weitere Beugungsordnungen werden nicht ausgewertet.

Eine nicht näher bezeichnete Abtasteinrichtung weist ein Substrat 5 auf, welches eine monolithisch integrierte optische Struktur 6 trägt.

Die durch Beugung am Phasengitter der Kreisteilung 3 erzeugten Teilstrahlenbündel +1 und -1 der positiven ersten Beugungsordnung und der negativen ersten Beugungsordnung treffen auf Korrekturgitter 7 0 und 8 von denen sie so abgelenkt werden, daß sie senkrecht und mit gerader Wellenfront in das Substrat 5 eintreten. Die Korrekturgitter 7 und 8 können auf der Unterseite des Substrates 5 angeordnet sein und weisen eine ganz einfache Gitterstruktur, unter Umständen sogar die der radialen Kreisteilung 3 auf. Die Korrekturgitter 7 und 8 weisen Gitterkonstanten in der Größenordnung wie die Kreisteilung 3 ( 5um) auf und lassen sich relativ einfach herstellen. Die von den Korrekturgittern 7 und 8 abgelenkten Teilstrahlenbündel +1 und -1 treffen in der integriert-optischen Struktur 6 auf Einkoppelgitter 9 und 10, die als einfache Linear- oder Zirkulargitter ausgebildet sind. Durch die Einkoppelgitter 9 und 10 werden die Teilstrahlenbündel +1 und -i in Schichtwellenleiter 11 und 12

eingespeist und zu diametral angeordneten Auskoppelgittern 13 und 14 geleitet.

Die Auskoppelgitter 13 und 14 lenken die Teilstrahlenbündel +1 und -1 über weitere Korrekturgitter 15 und 16 wieder auf die Kreisteilung 3, wo sie zur Interferenz gebracht und von nicht dargestellten Detektoren erfaßt werden. Aufgrund der Relativbewegungen zwischen dem Substrat 5 und der &ogr; Teilscheibe 4 ändern sich in bekannter Weise die Phasenlagen der an der Kreisteilung 3 zweimal gebeugten Strahlenbündel, so daß von den Detektoren Signale erzeugt werden, deren Perioden einem Viertel der Teilungsperiode der Kreisteilung 3 entsprechen.

Durch die doppelte Abtastung an diametralen Abtastbereichen wird - falls vorhanden - Exzentrizität

eliminiert.
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Die in dem Ausführungsbeispiel gezeigte Bauform und geometrische Anordnung sind selbstverständlich stark schematisiert, da sich die tatsächlichen Verhältnisse in optisch-integrierten Bausteinen zeichnerisch kaum realistisch darstellen lassen.

Abweichend vom erläuterten Ausführungsbeispiel müssen die erwähnten Gitter nicht als Phasengitter ausgebildet sein, dies ist nur eine bevorzugte Aus-0 führungsform.

Claims (3)

DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH 23. April 1990 Ansprüche

1. Lichtelektrische Winkelmeßeinrichtung interferentieller Art, mit einem eine Kreisteilung tragenden Teilungsträger, einer Abtasteinrichtung mit integriert-optischer Struktur zum diametralen Abtasten der Kreisteilung, Koppelelementen zum Ein- und/oder Auskoppeln von gebeugten Strahlenbündeln in die und/oder aus der integriert-optischen Struktur, nach Hauptpatent ... (Patentanmeldung P 38 36 703.3-52) dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelelemente als Einkoppelgitter (9, 10) mit vorgeschaltetem Korrekturgitter (7, 8) und/oder als Auskoppelgitter (13, 14) mit nachgeschaltetem Korrekturgitter (15, 16) ausgebildet sind.

2. Lichtelektrische Winkelmeßeinrichtung interferentieller Art nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturgitter (7) so ausgebildet ist, daß ein einzukoppelndes Strahlen-0 bündel (+1) senkrecht und mit gerader Wellenfront auf das als Lineargitter (9) ausgebildete Einkoppelgitter fällt.

3. Lichtelektrische Winkelmeßeinrichtung interferentieller Art nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Korrekturgitter (7) als

ein mit dem Radialgitter der Kreisteilung (3) identisches Gitter ausgebildet ist.