DE102004018106B4 - High-precision optical position detector for galvanometer rotary screens - Google Patents

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Abstract

Hochgenauer optischer Positionsdetektor für Galvanometer-Drehantriebe zur präzisen und reproduzierbaren Ablenkung von Laserstrahlen mittels Spiegeln oder dergleichen Elementen, umfassend eine mit dem Antrieb (2) verbundene Blende (6), eine Strahlungsquelle (9), sowie mindestens zwei Strahlungsdetektoren (11), wobei die Blende (6) je nach momentaner Position den Strahlengang zwischen Quelle (9) und Detektoren (11) beeinflusst oder unterbricht, weiterhin
– die Blende (6) koaxial zwischen Strahlungsquelle (9) und Strahlungsdetektoren (11) angeordnet ist, wobei die Blende (6) eine zylindrische Hülsenform (6) mit mehreren umfangsseitig ausgebildeten Fenstern (7) aufweist und die Strahlungsquelle (9) in das Hülseninnere hineinreicht,
– sowie mit der Strahlungsquelle (9) verbunden ein strahlungsleitender und -streuender Stab oder Finger (10) in das Innere der Zylinderhülse (6) hineinreicht, welcher rotationssymmetrisch gleichverteilt Streustrahlung emittiert und eine seitliches Streulicht optimierende Oberflächenstruktur aufweist.
High-precision optical position detector for galvanometer rotary drives for precise and reproducible deflection of laser beams by means of mirrors or similar elements, comprising a diaphragm (6) connected to the drive (2), a radiation source (9) and at least two radiation detectors (11) Aperture (6) depending on the current position, the beam path between the source (9) and detectors (11) influenced or interrupts, continue
- The diaphragm (6) coaxially between the radiation source (9) and radiation detectors (11) is arranged, wherein the diaphragm (6) has a cylindrical sleeve shape (6) with a plurality of circumferentially formed windows (7) and the radiation source (9) in the sleeve interior extends,
- As well as with the radiation source (9) connected to a radiation-conducting and-scattering rod or finger (10) extends into the interior of the cylinder sleeve (6) which emits scattered radiation rotationally symmetrical uniformly distributed and has a lateral scattered light optimizing surface structure.

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Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft einen hochgenauen optischen Positionsdetektor für Galvanometer-Drehantriebe zur präzisen und reproduzierbaren Ablenkung von Laserstrahlen mittels Spiegeln oder dergleichen Elementen, umfassend eine mit dem Antrieb verbundene Blende, eine Strahlungsquelle sowie mindestens zwei Strahlungsdetektoren, wobei die Blende je nach momentaner Position den Strahlengang zwischen Quelle und Detektoren beeinflusst oder unterbricht, gemäß Patentanspruch 1.The The invention relates to a high precision optical position detector for galvanometer rotary actuators for precise and reproducible deflection of laser beams by means of mirrors or the like elements, comprising one connected to the drive Aperture, a radiation source and at least two radiation detectors, the aperture depending on the current position between the beam path Source and detectors affected or interrupted, according to claim 1.

Für Laser-Scanköpfe und dort eingesetzte Spiegel werden Galvanometer-Antriebe eingesetzt. Für derartige Antriebe ist eine exakte Positionserfassung notwendig. Die Genauigkeit muss hier im Bereich von μrad liegen und es soll die Positionserfassungseinrichtung selbst keine oder nur eine geringe Trägheit aufweisen. Weiterhin ist bei derartigen Anordnungen dafür Sorge zu tragen, dass die Messeinrichtung eine ausreichende elektromagnetische Verträglichkeit besitzt bzw. selbst keine nennenswerte Störstrahlung emittiert.For laser scan heads and There mirrors used galvanometer drives are used. For such Drives an exact position detection is necessary. The precision must be in the range of μrad lie and it is the position detection device itself no or just a little inertia exhibit. Furthermore, care is taken in such arrangements to bear that the measuring device has sufficient electromagnetic compatibility owns or even emits no appreciable interference radiation.

Galvanometer-Scanner sind hochdynamische Drehantriebe für optische Anwendungen, die aus einem Motorteil und einem hochgenauen Positionsdetektor bestehen. Das Motorteil basiert bei Lösungen des Standes der Technik z. B. auf der so genannten Moving-Magnet-Technologie. Wie vorerwähnt, ist überwiegendes Einsatzgebiet derartiger Galvanometer-Scanner die schnelle und präzise Positionierung von Spiegeln zur Laserstrahl-Ablenkung.Galvanometer scanner are highly dynamic rotary actuators for optical applications that a motor part and a high-precision position detector. The engine part is based on solutions of the prior art z. B. on the so-called moving magnet technology. As mentioned above, is prevalent Field of application of such galvanometer scanners the fast and precise positioning from mirrors to laser beam deflection.

Bezüglich der Positionsdetektorsysteme sind optische Anordnungen, aber auch kapazitive Lösungen mit Butterfly-Scheibe aus Keramik vorbekannt. Bei einer optischen Sensorik wird z. B. aus einer Kombination einer Butterfly-Blendenscheibe, lichtemittierenden Dioden sowie Fotodioden ausgegangen, wobei letztere in spezieller Segmentierung angeordnet sind.Regarding the Position detector systems are optical arrangements, but also capacitive solutions Previously known with butterfly disc ceramic. In an optical Sensor is z. B. from a combination of a butterfly aperture disc, light-emitting Diodes and photodiodes assumed, the latter in special Segmentation are arranged.

Bei den Positionsdetektoren wird die Aufgabe gelöst, die jeweilige Winkelposition des sich rotatorisch bewegenden Antriebselements zu erfassen, so dass die gewünschte hochdynamische Steuerung des Antriebs mit geeigneten elektronischen Mitteln erfolgen kann.at the position detectors, the task is solved, the respective angular position of the rotationally moving drive element to capture, so that the desired highly dynamic control of the drive with suitable electronic Funds can be done.

Die US 6426 635 B1 zeigt einen Galvanometer-Positionsdetektor auf kapa- zitiver Basis, wobei dort eine Zylinderanordnung vorgestellt wird und eine rohrförmige Signalplatte vorgesehen ist, die eine Vielzahl von symmetrisch gleichverteilten sensitiven Flächen aufweist. Die Positionserfassung wird nun unter Beachtung sich ändernder dielektrischer Verhältnisse bei Ausführung einer Rotationsbewegung vorgenommen.The US 6426 635 B1 shows a galvanometer position detector on a capacitive basis, where a cylinder arrangement is presented there and a tubular signal plate is provided which has a plurality of symmetrically equally distributed sensitive surfaces. The position detection is now carried out under consideration of changing dielectric conditions when performing a rotational movement.

Bezüglich des Standes der Technik optischer Positionsdetektoren sei beispielsweise auf die EP 0 140 574 A1 oder die GB 2 005 407 A1 verwiesen, wobei letztere einen optischen Encoder umfasst.With respect to the prior art optical position detectors is for example on the EP 0 140 574 A1 or the GB 2 005 407 A1 referenced, the latter comprising an optical encoder.

Bei der EP 1 295 090 B1 wird ein Positionsdetektor für eine Abtastvorrichtung beschrieben, welcher ein bewegbares Lichtschild, wenigstens zwei Lichtdetektoren, die hinter dem Lichtschild angeordnet sind und die von dem Lichtschild bei dessen Bewegung mit unterschiedlichen Überdeckungsmaßen abdeckbar sind, und mit wenigstens einer Lichtquelle zum Emittieren von Licht auf die Lichtdetektoren aufweist.In the EP 1 295 090 B1 there is described a position detector for a scanning device comprising a movable light shield, at least two light detectors disposed behind the light shield and coverable by the light shield as it moves with different coverage dimensions, and at least one light source for emitting light to the light detectors ,

Aus den unterschiedlichen Überdeckungsmaßen ist die Position des Lichtschilds bestimmbar. Gemäß dieser Lösung des Standes der Technik ist weiterhin ein Reflektor vorgesehen, der vor dem Lichtschild angeordnet ist, wobei die Lichtquelle zum Emittieren von Licht derart angeordnet ist, dass das von ihr stammende Licht auf den Reflektor gelangt und anschließend vom Reflektor in Richtung auf die Lichtdetektoren eine Umlenkung stattfindet. Die Lichtquelle selbst ist seitlich der Lichtdetektoren zu diesen benachbart angeordnet.Out is the different overlap dimensions the position of the light shield can be determined. According to this solution of the prior art Furthermore, a reflector is provided in front of the light shield is arranged, wherein the light source for emitting light in such a way is arranged that the light emanating from her to the reflector and then from the reflector in the direction of the light detectors a deflection takes place. The light source itself is laterally of the light detectors arranged adjacent to these.

Das Lichtschild gemäß EP 1 295 090 B1 weist eine Butterfly-Form auf und ist insofern nicht vollständig rotationssymmetrisch mit der Folge unerwünschter Masseträgheitsmomente, insbesondere bei einer Bewegungsumkehr des mit dem Lichtschild verbundenen eigentlichen Antriebs. Weiterhin muss bei der Positionsdetektorausbildung gemäß EP 1 295 090 B1 dafür Sorge getragen werden, dass Strahlungsenergie von der Lichtquelle nicht in unerwünschter Weise unmittelbar auf die benachbarten Detektoren gelangt, sondern nur über den quasi Umweg mit Hilfe des als Kappe ausgebildeten Reflektors. Dadurch, dass der Reflektor des Standes der Technik einen gewissen Mindestabstand zum Lichtschild aufweisen muss, ergibt sich zwangsweise eine unerwünschte Vergrößerung des Bauraums bei derartigen Fotodetektoren. Weitere Schwierigkeiten bestehen in der an sich wünschenswerten Integration einer Signalvorverarbeitungs-Elektronik innerhalb des Detektorgehäuses.The light shield according to EP 1 295 090 B1 has a butterfly shape and is therefore not completely rotationally symmetric with the result of undesired moments of inertia, especially in a reversal of motion of the actual drive connected to the light shield. Furthermore, in the position detector training according to EP 1 295 090 B1 Care must be taken to ensure that radiation energy from the light source does not reach the adjacent detectors in an undesired manner, but only via the virtual detour with the aid of the reflector designed as a cap. The fact that the reflector of the prior art must have a certain minimum distance from the light shield, inevitably results in an undesirable increase in the installation space in such photodetectors. Further difficulties exist in the desirable integration of signal preprocessing electronics within the detector housing.

Eine weitere Vorrichtung zur Positionsmessung wird in der WO 98/54548 A1 vorgeschlagen. Diese Apparatur besteht im Wesentlichen aus einem rotierendem Zylinder, in dessen Oberfläche eine Maske integriert ist, welche abwechselnd lichtdurchlässige und -undurchlässige Streifen aufweist. Die Maske bewegt sich folglich mit dem hohlförmigen Zylinder mit. Eine Lichtquelle im Inneren des rotierenden Zylinders strahlt dabei Licht über eine Kollimationslinse auf die Maske. Ein Detektor-Array, welches an der Außenseite des rotierenden Zylinders angebracht ist, empfängt die durch die Maske nach außen dringenden Lichtstrahlen.Another device for position measurement is in the WO 98/54548 A1 proposed. This apparatus consists essentially of a rotating cylinder, in whose surface a mask is integrated, which alternately has light-transmitting and -undurchlässige strips. The mask thus moves along with the hollow cylinder. A light source inside the rotating cylinder emits light via a collimating lens on the mask. A detector array mounted on the outside of the rotating cylinder receives the mask out through the mask urgent rays of light.

Bei der EP 0 874 224 B1 handelt es sich um einen optischen Inkrementgeber, wie er in vielfacher Form, z. B. bei der Steuerung von Druckern oder dergleichen Anwendung findet.In the EP 0 874 224 B1 it is an optical incremental encoder, as it is in many forms, eg. B. in the control of printers or the like application.

Gemäß der dortigen Lehre soll die Erkennung der Drehrichtung des Inkrementrads dadurch möglich sein, dass die als Lichtempfänger vorgesehene Photodioden so angeordnet sind, dass ihnen jeweils über höchstens einen der Durchbrüche des Inkrementrads Licht zugeführt werden kann und sie nicht gleichzeitig ein Helligkeitsmaximum das ihnen über die Durchbrüche zugeführten Lichts der Lichtquelle detektieren.According to the local Doctrine should be the recognition of the direction of rotation of the incremental wheel thereby possible that as a light receiver provided photodiodes are arranged so that they each have at most one of the breakthroughs fed to the increment wheel light and they can not simultaneously have a brightness maximum that to them the breakthroughs supplied Detecting light of the light source.

Die Detektion der vom Inkrementrad ausgehenden Lichtstrahlung durch die angebrachten Photodioden wird durch eine bestmögliche Zuordnung des Abstands und der Breite der Durchbrüche des Inkrementrads bezogen auf die Winkelposition der Strahlungsdetektoren optimiert.The Detection of emanating from the incremental light radiation through the attached photodiodes is characterized by a best possible association of the Distance and the width of the openings of the incremental referred optimized for the angular position of the radiation detectors.

Die DE 41 13 720 A1 offenbart eine Gabellichtschranke, die einen drehbar gelagerten Lichtleiter umfasst, in den von einem stationären Lichtsender Licht eingespeist wird. Der Lichtleiter ist dabei zentrisch mit einem stationären topfförmigen Körper aus lichtleitendem Material angeordnet und wird von einem Zylinder umgeben, der Wanddurchlässe aufweist. An dem oberen Rand des Körpers ist ein Kranz von gleich großen schrägen Flächen angeordnet. Am Boden des Körpers sind zu den schrägen Flächen korrespondierende Fotoelemente vorgesehen. Jedem Fotoelement ist eine bestimmte Winkelstellung des Lichtleiters zugeordnet.The DE 41 13 720 A1 discloses a forked light barrier comprising a rotatably mounted optical fiber into which light is fed by a stationary light emitter. The light guide is arranged centrally with a stationary pot-shaped body of lichtleitendem material and is surrounded by a cylinder having wall passages. At the upper edge of the body, a garland of equal sized oblique surfaces is arranged. At the bottom of the body corresponding photo elements are provided to the inclined surfaces. Each photo element is assigned a specific angular position of the light guide.

Die Detektion des ausgestrahlten Lichtes, welches durch die im Zylinder angebrachte Wanddurchlässe geleitet wird, erfolgt somit durch eine zunächst über die schrägen Flächen des Körperkranzes und anschließend entlang der Seitenflächen des topfförmigen Körpers geführten Leitung des Lichts zu den Fotoelementen. Dies stellt eine relativ komplizierte und umständliche Konstruktion bzgl. der Lichtdetektion dar.The Detection of the emitted light, which by the in the cylinder attached wall outlets is thus carried out by a first on the oblique surfaces of the body ring and subsequently along the side surfaces of the cup-shaped body out Direction of the light to the photo elements. This represents a relative complicated and complicated Construction with respect to the light detection is.

Gemäß der Lehre nach der JP 62 133 314 A handelt es sich um einen Positionsdetektor, bei welchem eine Blende vorhanden ist, die koaxial zwischen Strahlungsquelle und Strahlungsdetektoren angeordnet ist, wobei die Blende eine zylindrische Hülsenform mit einem umfangsseitig ausgebildeten Fenster aufweist. Die Strahlungsquelle ist als fingerähnliches Gebilde in das Hülseninnere dargestellt.According to the teaching of the JP 62 133 314 A it is a position detector in which a diaphragm is provided, which is arranged coaxially between the radiation source and radiation detectors, wherein the diaphragm has a cylindrical sleeve shape with a peripheral window. The radiation source is shown as a finger-like structure in the sleeve interior.

Die Strahlungsdetektoren sind durch einen zylindrischen Photodetektorkörper verwirklicht. Daraus ist zu schließen, dass mit Hilfe des Positonsdetektors der JP 62 133 314 A nur eine integrale Bestimmung der Strahlungsenergie möglich ist, die durch das umfangsseitig ausgebildete Fenster der Blende tritt. Eine Verwendung zur Steuerung hochpräziser Galvanometer-Drehantriebe schließt sich daher aus.The radiation detectors are realized by a cylindrical photodetector body. It can be concluded that with the help of the Positonsdetektors the JP 62 133 314 A only an integral determination of the radiation energy is possible, which occurs through the peripheral window of the diaphragm. A use for controlling high-precision galvanometer rotary actuators therefore excludes.

Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, einen weiterentwickelten hochgenauen optischen Positionsdetektor für Galvanometer-Drehantriebe zur präzisen und reproduzierbaren Ablenkung von Laserstrahlen mittels Spiegeln oder dergleichen Elementen, umfassend eine mit dem Antrieb verbundene Blende, eine Strahlungsquelle sowie mindestens zwei Strahlungsdetektoren anzugeben, wobei die Blende je nach momentaner Position den Strahlengang zwischen Quelle und Detektoren beeinflusst oder unterbricht.Out The above, it is therefore an object of the invention, an advanced High precision optical position detector for galvanometer rotary actuators for precise and reproducible deflection of laser beams by means of mirrors or the like elements, comprising one connected to the drive Aperture, one radiation source and at least two radiation detectors specify the aperture, depending on the current position, the beam path influences or interrupts between source and detectors.

Durch den neuartigen Positionsdetektor soll es möglich werden, die Baulänge von Galvanometer-Drehantrieben zu verkürzen. Weiterhin ist dafür Sorge zu tragen, dass die entsprechenden Baueinheiten vormontierbar und austauschbar sind, d. h. auf kostengünstigem Wege gefertigt werden können.By the novel position detector, it should be possible, the length of Shorten galvanometer rotary actuators. Continue to worry to carry that the appropriate units preassembled and are interchangeable, d. H. be manufactured in a cost effective way can.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einem hochgenauen optische Positionsdetektor für Galvanometer-Drehantriebe gemäß der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen darstellen.The solution The object of the invention is achieved with a high-precision optical Position detector for Galvanometer rotary actuators according to the feature combination according to claim 1, wherein the dependent claims expedient refinements and developments represent.

Es wird vorgeschlagen, einen optischen Finger vorzusehen, der rotationssymmetrisch im wesentlichen gleichverteilt Streustrahlung emittiert, die von einer entsprechenden Emissionseinrichtung, z. B. einer lichtemittierenden Diode bereitgestellt wird.It It is proposed to provide an optical finger which is rotationally symmetrical essentially uniformly distributed scattered radiation emitted by a corresponding emission device, for. B. a light-emitting Diode is provided.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist am Achszapfen des rotierenden Elements, z. B. Magneten des galvanometrischen Antriebs eine mit Fenstern versehene Zylinderhülse fixiert, die bei einer Positionsveränderung als bewegliche Blende fungiert, wobei der Lichtweg zwischen dem Streulichtfinger und bevorzugt rotationssymmetrisch angeordneten Strahlungsdetektoren unterbrochen wird.at an embodiment the invention is at the journal of the rotating element, for. B. Galvanometric drive magnet a windowed cylinder sleeve fixed, which acts as a movable aperture in a position change, wherein the light path between the scattered light finger and preferably rotationally symmetrical arranged radiation detectors is interrupted.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung sind zur Strahlungsbündelung noch Zylinderlinsen vor den Strahlungsdetektoren, die z. B. als Fotoempfängerdioden ausgebildet sind, angeordnet. Die Empfängerdioden können auf einem strahlungsdurchlässigen Material, z. B. ebenfalls einer Hülse angeordnet werden, wobei hier auch eine monolithische oder eine Hybridausbildung vorgesehen ist. Als wesentlicher Vorteil hierbei ergibt sich die thermische Kopplung durch das Hülsenmaterial, so dass eine unerwünschte Drift bei Temperaturveränderungen verhindert werden kann.at An embodiment of the invention are for radiation bundling still cylindrical lenses in front of the radiation detectors z. B. as Photoreceiver diodes are formed, arranged. The receiver diodes can open a radiation-transmissive Material, eg. B. also be arranged a sleeve, wherein here also a monolithic or a hybrid training provided is. The main advantage here is the thermal Coupling through the sleeve material, so that an undesirable Drift at temperature changes can be prevented.

Die vorstehend beschriebene Konfiguration lässt sich auch als Linearanordnung konzentrisch geführter Hülsen ausgestalten, um auf diesem Wege lineare Positionsveränderungen zu erfassen. In diesem Applikationsfall wird eine Verschiebebewegung von der Zylinderhülsenblende ausgeführt.The The configuration described above can also be used as a linear arrangement concentrically guided sleeves designed to linear changes in position in this way capture. In this application case, a displacement movement of the cylinder sleeve cover executed.

Im Unterschied zum Stand der Technik wird nicht mehr von seitlich benachbarter Lichtquelle und Strahlungsdetektor sowie Lichtschild mit vor dem Schild befindlichen Reflektor ausgegangen, sondern vielmehr auf eine Blende abgestellt, die koaxial zwischen Strahlungsquelle und Strahlungsdetektoren angeordnet wird, wobei die Blende die vorerwähnte zylindrische Hülsenform mit umfangsseitig ausgebildeten Fenstern aufweist und die Strahlungsquelle als Finger oder strahlungsleitender Stab in das Hülseninnere hineinreicht. Der Stab oder Finger emittiert Streustrahlung und weist eine seitliches Streulicht optimierende Oberflächenstruktur, hergestellt z. B. durch Ätzen oder Lasergravur, auf.in the Difference to the prior art is no longer from laterally adjacent Light source and radiation detector and light shield with in front of the shield located reflector, but rather on a panel parked coaxially between the radiation source and radiation detectors is, wherein the diaphragm, the aforementioned cylindrical sleeve shape having circumferentially formed windows and the radiation source as a finger or radiation-conducting rod in the sleeve interior extends. The rod or finger emits scattered radiation and has a lateral scattered light optimizing surface structure, manufactured z. B. by etching or laser engraving, on.

Neben der Ausführungsform, wonach an einem zapfenförmigen Ende der Antriebsachse die Zylinderhülse befestigt wird, besteht in Erweiterung des Erfindungsgedankens die Möglichkeit, das zapfenförmige Ende des Antriebs selbst als Hohlzylinder mit entsprechenden Fenstern auszubilden. Dies kann beispielsweise durch Ausdrehen und Fräsen erfolgen.Next the embodiment, after which on a cone-shaped End of the drive axle, the cylinder sleeve is fastened, there is in extension of the inventive idea, the possibility of the pin-shaped end the drive itself as a hollow cylinder with corresponding windows train. This can be done for example by turning and milling.

Am stirnseitigen Ende der Anordnung aus Zapfen und Hülse, im wesentlichen senkrecht zur Antriebsachse orientiert, ist eine Trägerplatte vorgesehen, welche die eigentliche Strahlungsquelle oder eine Anordnung aus mehreren Strahlungsquellen aufnimmt.At the front end of the arrangement of pin and sleeve, in oriented substantially perpendicular to the drive axis, is a support plate provided which the actual radiation source or an arrangement from several radiation sources.

Der lichtleitende Stab oder Finger besteht z. B. aus einem dotierten, lichtleitenden Material. Beispielsweise ist hier ein Acrylmaterial einsetzbar.Of the photoconductive rod or fingers is z. B. from a doped, photoconductive material. For example, here is an acrylic material used.

Die Strahlungsdetektoren können thermisch gekoppelt auf einem gemeinsamen Substrat befindlich sein. Hier ist es denkbar, die Strahlungsdetektoren auf einem Hülsenträger anzuordnen oder in diesen zu integrieren, wobei der Hülsenträger mit der im wesentlichen senkrecht zur Antriebsachse orientierten Trägerplatte beispielsweise durch eine Snap-in-Befestigung verbunden wird.The Radiation detectors can thermally coupled to be located on a common substrate. Here it is conceivable to arrange the radiation detectors on a sleeve carrier or integrate into it, wherein the sleeve carrier with the substantially perpendicular to the drive axis oriented carrier plate, for example by a snap-in attachment is connected.

Der Hülsenträger mit den Strahlungsdetektoren, der Zylinderhülse und dem strahlungsleitenden und -streuenden Stab bzw. Finger können eine konzentrische Anordnung als Baueinheit bilden.Of the Sleeve bearer with the radiation detectors, the cylinder sleeve and the radiation-conducting and scattering rod or fingers can form a concentric arrangement as a structural unit.

Zwischen Blende und Strahlungsdetektoren kann eine Linsenanordnung vorgesehen sein, wobei diese, wie erwähnt, beispielsweise Zylinderlinsen aufweist.Between Aperture and radiation detectors may be provided with a lens arrangement be, with these, as mentioned, For example, has cylindrical lenses.

Die Anordnung aus Trägerplatte, Hülsenträger und/oder Strahlungsdetektoren, Strahlungsquelle und Stab ist bevorzugt als austauschbare Baueinheit ausgeführt und auf diesem Wege vorfertigbar.The Arrangement of support plate, Sleeve carrier and / or Radiation detectors, radiation source and rod is preferred as replaceable unit executed and preparable in this way.

Die Trägerplatte kann beispielsweise als Leiterplatte Baugruppen zur elektronischen Signalverarbeitung aufweisen.The support plate For example, as a circuit board assemblies for electronic Signal processing have.

Mit der Trägerplatte kann darüber hinaus mindestens eine weitere Leiterplatte sandwichartig verbunden sein, wobei diese Leiterplatte Mittel zur elektronischen Kalibrierung der Anordnung aufweist.With the carrier plate can over it In addition, at least one further printed circuit board sandwiched be, this circuit board means for electronic calibration having the arrangement.

Die Kalibrierungsdaten und/oder Kalibrierungsalgorithmen können in einem Speicher abgelegt werden, welcher auf der Leiterplatte angeordnet ist.The Calibration data and / or calibration algorithms can be found in a memory are stored, which is arranged on the circuit board.

Die austauschbare Baueinheit aus Trägerplatte, Hülsenträger und/oder Strahlungsdetektoren, Strahlungsquelle und Stab ist in eine Gehäusekapsel einsetz- und montierbar, wobei die Gehäusekapsel mit der übrigen Antriebsbaugruppe, z. B. durch Kraft- und/oder Formschluss verbunden wird.The exchangeable assembly of carrier plate, Sleeve carrier and / or Radiation detectors, radiation source and rod are inserted into a housing capsule. and mountable, wherein the housing capsule with the rest Drive assembly, z. B. connected by force and / or positive engagement becomes.

Die Strahlungsdetektoren der Anordnung können als Flächen-Fotodioden oder aber auch als CCD-Zeilen- oder Matrixanordnung ausgebildet sein.The Radiation detectors of the arrangement may be as surface photodiodes or else be designed as a CCD line or matrix arrangement.

Wenn z. B. aus Gründen der Auflösung erforderlich, besteht die Möglichkeit, die Zylinderhülse durch eine solche mit geänderter Fensterstruktur auszutauschen, indem eine entsprechende Demontage und Montage am zapfenförmigen Ende der Antriebsachse vorgenommen wird.If z. B. for reasons the resolution required, there is a possibility through the cylinder sleeve one with changed Replace window structure by disassembling accordingly and mounting on the cone-shaped End of the drive axle is made.

Mit der vorstehend erläuterten Positionsdetektor-Anordnung entsteht eine nahezu vollständig rotationssymmetrische Lösung, welche bezogen auf die Blende in zylindrischer Hülsen form, wenn notwendig, in einfacher Weise auswuchtbar ist. In den Bewegungsumkehrpunkten des Antriebs bleiben die Masseträgheitsmomente beschränkt, so dass die Dynamik des Antriebs selbst nicht eingeschränkt wird.With the above explained Position detector arrangement creates an almost completely rotationally symmetric Solution, which form relative to the diaphragm in cylindrical sleeves, if necessary, can be balanced in a simple manner. In the motion reversal points of the drive remain the mass moment of inertia limited, so that the dynamics of the drive itself is not limited.

Bei der koaxialen bzw. konzentrischen Gestaltung des Positionsdetektors ergibt sich als weiterer Vorteil eine Verkürzung der Baulänge und damit des Gesamtbauraums eines mit dem erfindungsgemäßen Positionsdetektor versehenen Galvanometer-Drehantriebs.at the coaxial or concentric design of the position detector results in a further advantage a shortening of the length and so that the total space of one with the position detector according to the invention provided galvanometer rotary drive.

Aufgrund der Anordnung der Strahlungsdetektoren auf einem Hülsenträger ist es möglich, das Temperaturniveau der Detektoren konstant zu halten.by virtue of the arrangement of the radiation detectors on a sleeve carrier is it is possible keep the temperature level of the detectors constant.

Die Baueinheit aus Stab, Hülsenträger mit Strahlungsdetektoren und gegebenenfalls Linsenanordnung sowie Trägerplatte kann fertigungsseitig ohne großen Aufwand als bevorzugt Teil einer Gehäusekapselung montiert und justiert werden. Da sowohl die Strahlungsquelle als auch die Strahlungsdetektoren elektrisch und mechanisch mit der Trägerplatte kontaktiert sind und als Sandwichanordnung weitere Verdrahtungsträger, insbesondere Leiterplatten in der Gehäusekapselung vorgesehen sein können, ist es möglich, die Signalvorverarbeitung detektorintern durchzuführen, wozu auch eine detektorspezifische Kalibrierung oder die Möglichkeit der Analog-Digital-Wandlung der Mess-Signale gehört.The assembly of rod, sleeve carrier with radiation detectors and optionally lens assembly and carrier plate manufacturing side assembled and adjusted without great effort as preferred part of a housing enclosure. Since both the radiation source and the radiation detectors are electrically and mechanically contacted with the carrier plate and as a sandwich arrangement further wiring carriers, in particular printed circuit boards can be provided in the housing encapsulation, it is possible to perform the signal preprocessing within the detector, including a detector-specific calibration or the possibility of analog Digital conversion of the measurement signals heard.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Zuhilfenahme einer Figur näher erläutert werden.The Invention is based on an embodiment and be explained in more detail with the aid of a figure.

Die Figur zeigt hierbei eine Prinzip-Längsschnitt-Darstellung eines detektorseitigen Endes eines Galvanometer-Drehantriebs.The FIG. 1 shows a principle longitudinal section illustration of a Detector end of a galvanometer rotary actuator.

Ein Zapfen 1 des Moving-Magnet-Antriebs 2 wird von einem Lager 3 aufgenommen, das sich in einem Lagerbock 4 befindet.A cone 1 of the moving magnet drive 2 is from a warehouse 3 taken in a bearing block 4 located.

Am stirnseitigen Ende 5 des Zapfens 1 ist eine Blende in zylindrischer Hülsenform (Zylinderhülse 6) befestigt.At the front end 5 of the pin 1 is a diaphragm in cylindrical sleeve shape (cylinder sleeve 6 ) attached.

Umfangsseitig verteilt besitzt die Zylinderhülse 6 Fenster 7, welche eine je nach Anwendungsfall angepasste Struktur hinsichtlich Länge, Breite oder Form aufweisen.Distributed on the circumference has the cylinder sleeve 6 window 7 , which have a structure adapted depending on the application in terms of length, width or shape.

Bei einer Bewegung des Antriebs 2 und des Zapfens 1 wird diese Bewegung auf die Zylinderhülse 6 übertragen mit der Folge einer Positionsveränderung der Fenster 7.During a movement of the drive 2 and the pin 1 This movement is applied to the cylinder sleeve 6 transmitted with the consequence of a change in position of the windows 7 ,

Bei dieser Ausführungsform wird davon ausgegangen, dass die Zylinderhülse 6 als diskretes Bauteil mit dem Ende des Zapfens 1 zu verbinden ist. Alternativ besteht aber auch die Möglichkeit, mittels Sacklochbohrung im stirnseitigen Ende des Zapfens einen Hohlzylinderabschnitt auszubilden. Durch Fräsen können dann in diesen Abschnitt Fenster oder Schlitze analog derjenigen der Zylinderhülse 6 eingebracht werden.In this embodiment, it is assumed that the cylinder sleeve 6 as a discrete component with the end of the pin 1 to connect. Alternatively, it is also possible to form a hollow cylinder section by means of a blind hole in the front end of the pin. By milling then in this section windows or slots analogous to those of the cylinder sleeve 6 be introduced.

Am stirnseitigen Ende der Anordnung aus Zapfen 1 und Zylinderhülse 6, im wesentlichen senkrecht zur Antriebsachse orientiert, ist eine Trägerplatte 8 vorgesehen, welche die Strahlungsquelle 9 aufnimmt.At the front end of the arrangement of pins 1 and cylinder sleeve 6 , oriented substantially perpendicular to the drive axis, is a carrier plate 8th provided which the radiation source 9 receives.

Die Strahlungsquelle 9 kann beispielsweise als lichtemittierende Diode ausgeführt werden, wobei die emittierte Wellenlänge auf die Selektivität der Strahlungsempfänger abzustimmen ist.The radiation source 9 can for example be designed as a light-emitting diode, wherein the emitted wavelength is to be matched to the selectivity of the radiation receiver.

Mit der Strahlungsquelle 9 optisch in Wirkverbindung stehend, ist ein strahlungsleitender und -streuender Stab oder Finger 10 vorgesehen, der in das Innere der Zylinderhülse 6 hineinragt.With the radiation source 9 optically operatively connected is a radiation-conducting and scattering rod or finger 10 provided in the interior of the cylinder sleeve 6 protrudes.

Bei einer Ausführungsform ist die Zylinderhülse 6 so weit an das Befestigungsende des Stabes oder Fingers 10 herangeführt, dass das Austreten eines unerwünschten Streulichts wirksam verhindert werden kann.In one embodiment, the cylinder sleeve 6 so far to the attachment end of the rod or finger 10 introduced that the leakage of an undesirable scattered light can be effectively prevented.

Die Strahlungsdetektoren 11 können z. B. in Form einer Hybridanordnung diskret auf einem Hülsenträger 12 fixiert werden, welcher wiederum mit der Trägerplatte 8 in Verbindung steht.The radiation detectors 11 can z. B. in the form of a hybrid discretely on a sleeve carrier 12 be fixed, which in turn with the support plate 8th communicates.

Alternativ besteht die Möglichkeit, die Strahlungsdetektoren 11 als z. B. Dünnschicht-Fotoelemente auf einem strahlungsdurchlässigen Hülsenträger 12 abzuscheiden, und zwar im Sinne einer monolithischen Detektorenausbildung.Alternatively it is possible to use the radiation detectors 11 as z. B. thin-film photoelements on a radiation-permeable sleeve carrier 12 to separate, in the sense of a monolithic detector training.

Die Trägerplatte 8 kann Baugruppen, z. B. elektronische Schaltkreise, zur Signalverarbeitung aufweisen.The carrier plate 8th can assemblies, eg. B. electronic circuits, for signal processing.

Gemäß der Darstellung nach Ausführungsbeispiel sind mit der Trägerplatte 8 Leiterplatten 13 und 14 quasi sandwichartig verbunden.According to the illustration of the embodiment are with the support plate 8th PCBs 13 and 14 sort of a sandwich.

Diese Leiterplatten 13 und 14 nehmen weitere elektronische Komponenten zur Signalvorverarbeitung und/oder Kalibrierung der Fotodetektoranordnung auf. Auch besteht hier die Möglichkeit, durch Anordnung entsprechender elektronischer Mittel eine Signalwandlung analog/digital vorzunehmen.These circuit boards 13 and 14 take on further electronic components for signal preprocessing and / or calibration of the photodetector array. There is also the possibility here of making a signal conversion analog / digital by arranging corresponding electronic means.

Die Baugruppe aus Trägerplatte 8, den Leiterplatten 13 und 14 sowie den auf der Trägerplatte 8 befindlichen Elementen ist in einer Gehäusekaspel 15 untergebracht, welche z. B. mit Hilfe eines Befestigungsflansches 16 mit dem Antrieb verbindbar ist.The assembly of carrier plate 8th , the circuit boards 13 and 14 as well as on the carrier plate 8th located elements is in a Gehäusekaspel 15 accommodated, which z. B. by means of a mounting flange 16 can be connected to the drive.

Zum Zwecke der Strahlungsbündelung sind zwischen der Zylinderhülse 6 und den Strahlungsdetektoren 11 Zylinderlinsen 17 vorgesehen, die ebenfalls auf der Trägerplatte 8 fixiert werden.For the purpose of radiation bundling are between the cylinder sleeve 6 and the radiation detectors 11 cylindrical lenses 17 provided, which also on the carrier plate 8th be fixed.

Die in der Gehäusekapsel 15 vormontierte Einheit aus Trägerplatte 8 und den dort befindlichen Elementen kann gemäß der Darstellung nach Figur von rechts nach links aufgeschoben und dann unter Nutzung des vorerwähnten Befestigungsflansches 16 befestigt werden.The in the housing capsule 15 preassembled unit of carrier plate 8th and the elements located there can be pushed from right to left as shown in the figure and then using the aforementioned mounting flange 16 be attached.

Im Falle eines notwendigen Austausches von Elementen aufgrund einer Fehlfunktion kann ein Austausch der Gehäusekapsel 15 mit den darin befindlichen Bauteilen vorgenommen werden, und zwar ohne dass in aufwendiger Weise eine Vielzahl von elektrischen oder mechanischen Kontakten bzw. Verbindungen gelöst werden muss.In the case of a necessary replacement of elements due to malfunction may replace the housing capsule 15 be made with the components therein, without consuming a variety of electrical or mechanical contacts or Ver must be solved.

11
Zapfenspigot
22
Moving-Magnet-AntriebMoving magnet drive
33
Lagercamp
44
Lagerbockbearing block
55
stirnseitiges Ende des Zapfensfrontal End of the pin
66
Zylinderhülsecylinder sleeve
77
Fensterwindow
88th
Trägerplattesupport plate
99
Strahlungsquelleradiation source
1010
Stab oder FingerRod or fingers
1111
Strahlungsdetektorenradiation detectors
1212
Hülsenträgersleeve carrier
13, 1413 14
LeiterplattenPCBs
1515
Gehäusekapselhousing capsule
1616
Befestigungsflanschmounting flange
1717
Zylinderlinsecylindrical lens

Claims (17)

Hochgenauer optischer Positionsdetektor für Galvanometer-Drehantriebe zur präzisen und reproduzierbaren Ablenkung von Laserstrahlen mittels Spiegeln oder dergleichen Elementen, umfassend eine mit dem Antrieb (2) verbundene Blende (6), eine Strahlungsquelle (9), sowie mindestens zwei Strahlungsdetektoren (11), wobei die Blende (6) je nach momentaner Position den Strahlengang zwischen Quelle (9) und Detektoren (11) beeinflusst oder unterbricht, weiterhin – die Blende (6) koaxial zwischen Strahlungsquelle (9) und Strahlungsdetektoren (11) angeordnet ist, wobei die Blende (6) eine zylindrische Hülsenform (6) mit mehreren umfangsseitig ausgebildeten Fenstern (7) aufweist und die Strahlungsquelle (9) in das Hülseninnere hineinreicht, – sowie mit der Strahlungsquelle (9) verbunden ein strahlungsleitender und -streuender Stab oder Finger (10) in das Innere der Zylinderhülse (6) hineinreicht, welcher rotationssymmetrisch gleichverteilt Streustrahlung emittiert und eine seitliches Streulicht optimierende Oberflächenstruktur aufweist.High-precision optical position detector for galvanometer rotary drives for precise and reproducible deflection of laser beams by means of mirrors or similar elements, comprising one with the drive ( 2 ) connected aperture ( 6 ), a radiation source ( 9 ), and at least two radiation detectors ( 11 ), whereby the diaphragm ( 6 ) depending on the current position the beam path between source ( 9 ) and detectors ( 11 ) influences or interrupts, furthermore - the diaphragm ( 6 ) coaxial between radiation source ( 9 ) and radiation detectors ( 11 ), wherein the diaphragm ( 6 ) a cylindrical sleeve shape ( 6 ) with several peripheral windows ( 7 ) and the radiation source ( 9 ) extends into the sleeve interior, - as well as with the radiation source ( 9 ) connected a radiation-conducting and-scattering rod or finger ( 10 ) in the interior of the cylinder sleeve ( 6 ), which emits scattered radiation in a rotationally symmetrical and uniform manner and has a surface structure that optimizes the lateral scattered light. Positionsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einem zapfenförmigen Ende der Antriebsachse (5) die Zylinderhülse (6) befestigt ist.Position detector according to claim 1, characterized in that at a pin-shaped end of the drive axle ( 5 ) the cylinder sleeve ( 6 ) is attached. Positionsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass am stirnseitigen Ende der Anordnung aus Zapfen (1) und Hülse (6), im wesentlichen senkrecht zur Antriebsachse orientiert, eine Trägerplatte (8) vorgesehen ist, welche die Strahlungsquelle (9) aufnimmt.Position detector according to claim 2, characterized in that at the front end of the arrangement of pins ( 1 ) and sleeve ( 6 ), oriented substantially perpendicular to the drive axis, a carrier plate ( 8th ) is provided, which the radiation source ( 9 ). Positionsdetektor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der lichtleitende Stab oder Finger (10) aus einem dotierten, lichtleitenden Material besteht.Position detector according to one of the preceding claims, characterized in that the light-conducting rod or finger ( 10 ) consists of a doped, photoconductive material. Positionsdetektor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsdetektoren (11) thermisch gekoppelt auf einem gemeinsamen Substrat befindlich sind.Position detector according to one of the preceding claims, characterized in that the radiation detectors ( 11 ) are thermally coupled on a common substrate. Positionsdetektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsdetektoren (11) auf einem Hülsenträger (12) angeordnet oder in diesen integriert sind, wobei der Hülsenträger (12) mit der im wesentlichen senkrecht zur Antriebsachse orientierten Trägerplatte (8) verbunden ist.Position detector according to claim 5, characterized in that the radiation detectors ( 11 ) on a sleeve carrier ( 12 ) are arranged or integrated in these, wherein the sleeve carrier ( 12 ) with the substantially perpendicular to the drive axis oriented carrier plate ( 8th ) connected is. Positionsdetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hülsenträger (12) mit den Strahlungsdetektoren (11), der Zylinderhülse (6) und dem strahlungsleitenden und -streuenden Stab oder Finger (10) eine konzentrische Anordnung bildet.Position detector according to claim 6, characterized in that the sleeve carrier ( 12 ) with the radiation detectors ( 11 ), the cylinder sleeve ( 6 ) and the radiation-conducting and scattering rod or finger ( 10 ) forms a concentric arrangement. Positionsdetektor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Blende (6) und Strahlungsdetektoren (11) eine Linsenanordnung vorgesehen ist.Position detector according to one of the preceding claims, characterized in that between aperture ( 6 ) and radiation detectors ( 11 ) A lens arrangement is provided. Positionsdetektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsenanordnung Zylinderlinsen (17) aufweist.Position detector according to claim 8, characterized in that the lens arrangement cylindrical lenses ( 17 ) having. Positionsdetektor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (9) aus mindestens einer lichtemittierenden Diode besteht.Position detector according to one of the preceding claims, characterized in that the radiation source ( 9 ) consists of at least one light emitting diode. Positionsdetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung aus Trägerplatte (8), Hülsenträger (12) und/oder Strahlungsdetektoren (11), Strahlungsquelle (9) und Stab oder Finger (10) als eine austauschbare Baueinheit ausgeführt ist.Position detector according to claim 6, characterized in that the arrangement of carrier plate ( 8th ), Sleeve carriers ( 12 ) and / or radiation detectors ( 11 ), Radiation source ( 9 ) and rod or finger ( 10 ) is designed as a replaceable unit. Positionsdetektor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (8) Baugruppen für eine elektronische Signalverarbeitung aufweist.Position detector according to claim 11, characterized in that the carrier plate ( 8th ) Has assemblies for electronic signal processing. Positionsdetektor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Trägerplatte (8) mindestens eine Leiterplatte (13; 14) sandwichartig verbunden ist, wobei diese Leiterplatte (13; 14) Mittel zur elektronischen Kalibrierung der Anordnung aufweist.Position detector according to claim 11 or 12, characterized in that with the carrier plate ( 8th ) at least one printed circuit board ( 13 ; 14 ) is sandwiched, said circuit board ( 13 ; 14 ) Comprises means for electronic calibration of the device. Positionsdetektor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierungsdaten und/oder Kalibrierungsalgorithmen in einem Speicher abgelegt sind, welcher auf der Leiterplatte (13; 14) angeordnet ist.Position detector according to claim 13, characterized in that the calibration data and / or calibration algorithms are stored in a memory which on the circuit board ( 13 ; 14 ) is arranged. Positionsdetektor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die austauschbare Baueinheit aus Trägerplatte (8), Hülsenträger (12) und/oder Strahlungsdetektoren (11), Strahlungsquelle (9) und Stab (10) in eine Gehäusekapsel (15) einsetz- und montierbar ist, wobei die Gehäusekapsel (15) mit der übrigen Antriebsbaugruppe verbindbar ist.Position detector according to claim 11, characterized in that the exchangeable assembly of support plate ( 8th ), Sleeve carriers ( 12 ) and / or radiation detectors ( 11 ), Radiation source ( 9 ) and staff ( 10 ) in a housing capsule ( 15 ) can be inserted and mounted, wherein the housing capsule ( 15 ) is connectable to the rest of the drive assembly. Positionsdetektor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsdetektoren (11) als Flächen-Fotodioden oder als CCD-Zeilen- oder Matrixanordnung ausgebildet sind.Position detector according to one of the preceding claims, characterized in that the radiation detectors ( 11 ) are designed as surface photodiodes or as CCD line or matrix arrangement. Positionsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderhülse (6) durch eine solche mit geänderter Fensterstruktur austauschbar am zapfenförmigen Ende der Antriebsachse (5) befestigt ist.Position detector according to claim 2, characterized in that the cylinder sleeve ( 6 ) by such a changed window structure interchangeable at the pin-shaped end of the drive axle ( 5 ) is attached.
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