DE102004048317A1 - Codierte Abtastscheibe für einen Drehgeber - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit Vorrichtung zur Herstellung einer codierten Abtastscheibe für einen Drehgeber zur optischen Signalgebung, wobei die Abtastscheibe einen nichtmetallischen Werkstoff aufweist und die Erfassung eines Lichtsignals im Durchlichtverfahren ausgeführt wird und die Abtastscheibe auf ihrer Oberfläche eine Maßverkörperung aufweist, in welcher mindestens eine radial verlaufende Vertiefung und/oder Rippe angeordnet ist, und in der radial verlaufenden Vertiefung und/oder Rippe mindestens eine schräg verlaufende Seitenfläche und/oder eine parallel zur Oberfläche der Abtastscheibe verlaufende Grundfläche angeordnet ist. DOLLAR A Die Erfindung hat die Aufgabe, ein Verfahren zur Herstellung von nichtmetallischen Abtastscheiben für einen Drehgeber mit einer Maßverkörperung für die optische Signalgebung zu schaffen, welche die vorgenannten Nachteile nicht aufweisen, sondern eine preiswerte, schnelle und individuelle Herstellung von Abtastscheiben auch bei kleineren Losgrößen erlaubt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit Vorrichtung zur Herstellung von nichtmetallischen Maßverkörperungen von codierten Abtastscheiben für Drehgeber mittels einem Spritzgussverfahren, die optisch abtastbar sind, nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Maßverkörperungen zur Codierung einer rotierenden Abtastscheibe für Drehgeber werden bereits in der Technik weit verbreitet angewendet. Diese Maßverkörperungen auf den rotierenden Scheiben dienen zur optischen Signalisierung, um zum Beispiel Winkelstellungen, Umdrehungen oder Strecken über optische Systeme zu erfassen.
  • Die optische Erfassung eines codierten Signals basiert auf zwei verschiedenen Verfahren, dem Durchlichtverfahren und dem Reflektionsverfahren.
  • Das erstgenannte Verfahren ist in der Druckschrift DE 100 63 899 A1 beschrieben. In dieser vorbenannten Druckschrift wird ein optisches Winkelmesssystem offenbart, welches aus einer Lichtquelle, einem photoelektrischen Abtaster und einer relativ dazu beweglichen, separat angeordneten Maßverkörperung auf einem rotierenden Abtastkörper besteht.
  • Zusätzlich ist der Maßverkörperung eine Fresnel-Linse vorgeschaltet, die zur Kollimation des auf die Maßverkörperung emittierten Lichtes dient. Die hier ausgebildete Maßverkörperung weist diffraktive Bereiche auf, die das Licht der Lichtquelle mittels Fresnel-Linse kollimiert, das kollimierte Licht über die diffraktiven Bereiche der Maßverkörperung auf entsprechende Bereiche des photoelektrischen Abtasters leitet.
  • Maßverkörperungen die zur Signalgebung einer rotierenden Scheibe im Durchlichtverfahren abgetastet werden, werden z. B. mittels Tampondruck auf die plane Oberseite einer Codescheibe aufgebracht, welche zuvor durch ein separat angefertigtes Spritzwerkzeug erstellt wird. Die Maßverkörperung wird hierbei von einem zusätzlich angefertigten Klischee abgenommen. Das Herstellverfahren dieser Maßverkörperungen ist somit aufwendig, weist zudem relativ hohe Herstellkosten auf und stellt somit einen wesentlichen Nachteil hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahren dar.
  • Die nach dem Reflektionsverfahren arbeitenden Maßverkörperungen sind aus der Druckschrift DE 195 18 714 A1 zu entnehmen. Hier ist die Lichtquelle (Sender) sowie der Empfänger (lichtsensitives gerastertes Empfangsfeld) auf gleicher Seite der Maßverkörperung angeordnet. Die Maßverkörperung weist eine Mikrostruktur auf, die mittels diftraktiver optischer Mittel auf den lichtsensitiven Raster im Empfänger abgebildet werden, wobei das diftraktive optische Mittel in die Maßverkörperung integriert ist. Die Mikrostruktur wird ebenfalls mittels Spitzguss- oder Prägeverfahren in einem zusätzlichen Arbeitsgang hergestellt.
  • Die Herstellung der Mikrostruktur mit den diftraktiven Bereichen erfolgt in mehreren Arbeitsgängen, wobei diese Verfahren entsprechend teuer sind. Ebenso erfordert die Herstellung der Mikrostruktur über ein Prägeverfahren teure Werkzeuge, und ist deshalb lediglich für große Serien in Betracht zu ziehen.
    •
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von nichtmetallischen Abtastscheiben für einen Drehgeber mit einer Maßverkörperung für die optische Signalgebung zu schaffen, welches die vorgenanten Nachteile nicht aufweist, sondern eine preiswerte, schnelle und individuelle Herstellung von Abtastscheiben auch bei kleineren Losgrößen erlaubt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Vorrichtung auch durch die Merkmale der Unteransprüche in vorteilhafter Weise ausgestaltet wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet grundsätzlich im Durchlichtverfahren. Auf der Maßverkörperung, zum Beispiel einer Abtastscheibe für Drehgeber wird mit der Herstellung dieser Abtastscheibe im Spritzgussverfahren gleichzeitig eine Mikrostruktur integriert, welche keilförmige Vertiefungen und/oder Rippen als Maßverkörperung aufweist. Im Gegensatz zu den konkav ausgeformten Zylinderflächen in herkömmlichen Maßverkörperungen weisen die keilförmigen Vertiefungen und/oder Rippen eine Totalreflexion von Licht beim Übergang von einem optisch dichteren Medium, wie zum Beispiel Glas oder Kunststoff, in ein optisch dünneres Medium, wie zum Beispiel Luft, auf. Diese Totalreflexion an der Oberfläche der keilförmigen Vertiefungen und/oder Rippen ist auf die refraktiven Bereiche an der Oberfläche dieser keilförmigen Vertiefungen und/oder Rippen zurückzuführen.
  • Trifft ein einfallender Lichtstrahl auf die Oberfläche einer keilförmigen Vertiefung und/oder Rippe, so wird dieser durch die refraktiven Bereiche an der Oberfläche reflektiert, wobei diese Reflektion als Totalreflexion auftritt, da der Lichtstrahl von einem optisch dichteren Medium in ein optisch dünneres Medium übergeht. Aufgrund der nachfolgenden Reflektion an einer benachbarten schiefen Ebene wird dieser Lichtstrahl unter Ausnutzung der Totalreflexion aus dem Bereich der Vertiefungen und/oder Rippen herausgeleitet und tritt nicht durch das Material der Abtastscheibe hindurch auf einen nachgeschalteten Sender.
  • Trifft jedoch ein Lichtstrahl auf eine parallel zur Oberfläche der Abtastscheibe angeordnete Fläche (nicht keilförmige Vertiefungs- und/oder Rippenoberfläche), so wird dieser Lichtstrahl aufgrund der Materialeigenschaften der Abtastscheibe (Glas oder Kunststoff) nur im geringen Maße reflektiert, tritt durch die Abtastscheibe hindurch, und wird von dem nachfolgenden Sensor für die nachfolgende Signalisierung erfasst.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Sensoren direkt über den Bereich der Keilspitze der keilförmigen Vertiefungen und/oder Rippen angeordnet. Um die Totalreflexion durch eine eventuell schlechte Qualität der Codescheibe nicht zu beeinträchtigen, wird in einer weiteren Ausführungsform eine einzige schiefe Ebene pro Spur verwendet. Damit das gesamte Funktionsprinzip der Abtastscheibe aufrechterhalten bleibt, sind benachbarte Codespuren in verschiedenen Ebenen angeordnet. Die Anordnung der keilförmigen Vertiefungen und/oder Rippen in verschiedenen Ebenen führt dazu, dass die Abtastscheibe für eine Vielzahl optisch abtastbarer Signale verwendet werden kann.
  • Der große Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass die codierte Mikrostruktur der Abtastscheibe für einen Drehgeber mit der Herstellung der Abtastscheibe in einem einzigen Arbeitsgang erfolgen kann. Die damit verbundenen Herstellkosten und Anzahl der Arbeitsgänge kann somit relativ gering gehalten werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Oberflächen der keilförmigen Vertiefungen und/oder Rippen einer Abtastscheibe für Drehgeber aus einem Kunststoffmaterial galvanisch behandelt werden (verchromen). Dies hat zur Folge, dass eine Strahlumlenkung in den refraktiven Bereichen der keilförmigen Vertiefungen und/oder Rippen auftritt. Der zusätzliche Arbeitsschritt für den galvanischen Überzug (z. B. Chrom) wird durch den Vorteil einer Verbesserung der Verschleißfestigkeit der Abtastscheibe kompensiert.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Codierung der Abtastscheibe für Drehgeber mittels keilförmiger Rippen ausgeführt. Diese Anordnung der keilförmigen Oberflächen nutzt ebenfalls das Funktionsprinzip der Totalreflexion von Licht auf der Oberfläche mittels refraktiver Bereiche aus. Auch hier kann die keilförmige Oberfläche der Rippe zur Verbesserung der Reflektionseigenschaften mit einem galvanischen Überzug (z. B. Chrom) versehen werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren hat weiterhin den großen Vorteil, dass die Abtastscheibe in einem einzigen Arbeitsgang hergestellt werden kann, wobei die keilförmigen Vertiefungen und/oder Rippen im selben Arbeitsgang auf der Abtastscheibe angeordnet werden.
  • Diese erfindungsgemäße Abtastscheibe kann zusätzlich im Randbereich einen radial verlaufenden Zahnkranz aufweisen, welcher eine formschlüssige Verbindungsart zur Verfügung stellt.
    •
  • Das erfindungsgemäße Verfahren mit Vorrichtung zur Herstellung einer Abtastscheibe für Drehgeber wird im Folgenden anhand eines einzelnen Ausführungsbeispiels sowie anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, wobei alle Merkmale aus den Ansprüche, aus den Beschreibungsseiten und den Zeichnungen, sowie deren Kombination miteinander erfindungsgemäß beansprucht werden.
  • Es zeigt:
  • 1: eine Codierung einer Mikrostruktur auf einer Abtastscheibe für Drehgeber mittels keilförmiger Vertiefungen und/oder Rippen (refraktive Bereiche);
  • 2: eine traditionell hergestellte Codescheibe, welche auf ihrer Oberfläche eine mittels Tampondruck aufgebrachte Maßverkörperung trägt.
  • 3: das Funktionsprinzip eines einfallenden Lichtstrahls auf eine erfindungsgemäße codierte Abtastscheibe aus Kunststoff oder Glas;
  • 4: eine Ausführungsform von keilförmigen Vertiefungen und/oder Rippen in verschiedenen Ebenen einer Abtastscheibe für Drehgeber im Schnitt.
  • 1 zeigt eine Abtastscheibe 1 für Drehgeber, welche auf ihrer Oberfläche eine codierte Mikrostruktur mit radial verlaufenden Vertiefungen 2 zur optischen Signalgebung aufweist. Im äußeren Randbereich ist ein oberer Zahnkranz 3 mit axial verlaufenden Zahnflanken angeordnet, um eine Drehbewegung in einer Drehrichtung 4 aufzunehmen oder auszuführen. Die Abtastscheibe weist auf einer ihrer unteren Oberfläche 9 einen zentrisch angeordneten Kragenbund 6 auf, welcher auf seinem äußeren Umfang einen unteren Zahnkranz 5 mit axial verlaufenden Zahnflanken aufweist. In dem Kragenbund 6 ist eine zylindrische Ausnehmung 7 in axialer Richtung zur Lagerung auf einer Welle angeordnet.
  • Die codierte Mikrostruktur auf der oberen Oberfläche 10 weist radial verlaufende Vertiefungen 2 auf, wobei mindestens eine Seitenfläche der Vertiefung 8 schräg in Richtung der unteren Oberfläche 9 verläuft, wobei diese Vertiefung und/oder Rippe 2, 2a keine parallel zu der unteren Oberfläche 9 verlaufende Grundfläche 12 aufweist. Auf dieser schräg verlaufenden Seitenfläche der Vertiefung 8 wird der einfallende Lichtstrahl 11 aufgrund der refraktiven Bereiche gänzlich reflektiert und als reflektierter Lichtstrahl 14 auf eine benachbarte Seitenfläche 8 reflektiert. Diese refraktiven Bereiche entstehen durch den Übergang eines einfallenden Lichtstrahls 11 von einem optisch dichteren Medium der Abtastscheibe 1 (Kunststoff) in ein optisch dünneres Medium (Luft).
  • 2 zeigt eine traditionelle Abtastscheibe 1 für Drehgeber, welche auf ihrer Oberfläche eine Codierung zur Signalgebung trägt, die mittels Tampondruck aufgebracht wurde. Im äußeren Randbereich ist ein oberer Zahnkranz 3 mit axial verlaufenden Zahnflanken angeordnet, um eine Drehbewegung in einer Drehrichtung 4 aufzunehmen oder auszuführen. Die Abtastscheibe weist auf ihrer unteren Oberfläche 9 einen zentrisch angeordneten Kragenbund 6 auf, welcher auf seinem äußeren Umfang einen unteren Zahnkranz 5 mit axial verlaufenden Zahnflanken aufweist. In dem Kragenbund 6 ist eine zylindrische Ausnehmung 7 in axialer Richtung zur Lagerung auf einer Welle angeordnet.
  • Die Maßverkörperung auf der oberen Oberfläche 10 ist in einem separaten Farbdruckverfahren hergestellt worden (Tampondruck), welches aus dem Stand der Technik bekannt ist.
  • 3 zeigt das Funktionsprinzip der Totalreflexion eines einfallenden Lichtstrahls 11 auf einer schrägen Seitenfläche einer Vertiefung 8. Der nachgeschaltete Sensor 17 ist im Bereich der keilförmigen Spitze 15 der Vertiefung und/oder Rippe 2, 2a angeordnet. Ein einfallender Lichtstrahl 11 tritt in eine radial verlaufende Vertiefung 2 und/oder auf eine Rippe 2a auf der oberen Oberfläche 10 der Abtastscheibe 1 ein. Auf der schrägen Seitenfläche der Vertiefung 8 wird der Lichtstrahl aufgrund der refraktiven Bereiche entweder auf eine benachbarte Seitenfläche der Vertiefung 8 oder einfach zur Seite reflektiert. Der reflektierte Lichtstrahl 14 wird nochmals in einem refraktiven Bereich der benachbarten, schräg verlaufenden Seitenfläche der Vertiefung reflektiert und verlässt als ausfallender Lichtstrahl 13 die Vertiefung. Der ursprünglich einfallende Lichtstrahl trifft nicht auf einen nachgeschalteten Sensor 17 auf. Trifft der einfallende Lichtstrahl 11 in der Vertiefung 8 auf eine parallel zur unteren Oberfläche 9 verlaufenden Grundfläche 12 tritt der einfallende Lichtstrahl 11 über die Grundfläche 12 durch das Scheibenmaterial hindurch und trifft auf einen nachgeschalteten Sensor 17 zur Signalisierung auf. Die parallel zur unteren Oberfläche 9 verlaufende Grundfläche 12 bildet bei Einfall eines senkrecht einfallenden Lichtstrahls 11 keine refraktiven Bereiche aus.
  • 4 zeigt eine Ausführungsform einer Abtastscheibe 1 für einen Drehgeber in einer Schnittdarstellung mit den entsprechenden Ausformungen nach 1. Die ausgebildete Abtastscheibe 1 weist eine Mikrostruktur auf ihrer oberen Oberfläche 10 auf, welche radial angeordnete Vertiefungen 2 mit schräg zur unteren Oberfläche 9 verlaufenden Seitenflächen 8 aufweist. Die schräg verlaufenden Seitenflächen der Vertiefungen 8 sind in unterschiedlichen Ebenen angeordnet, um eine Vielzahl unterschiedlicher Codierungen auf der Abtastscheibe 1 anzuordnen. Darüber hinaus weisen die radial angeordneten Vertiefungen teilweise eine parallel zur unteren Oberfläche 9 verlaufende Grundfläche 12 auf. Diese Grundfläche 12 bildet keine refraktiven Bereiche aus und lässt einen senkrecht einfallenden Lichtstrahl 11 durch das Material (z. B. Kunststoff) der Abtastscheibe 1 hindurchdringen und auf einen nachgeschalteten Sensor 17 auftreffen.
  • Die Erfindung soll nicht nur auf das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt werden, sondern es werden alle Merkmale aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen und deren Kombinationen als erfindungswesentlich beansprucht.
    • 1
    Abtastscheibe
    2
    Vertiefung 2a Rippe
    3
    oberer Zahnkranz
    4
    Drehrichtung
    5
    unterer Zahnkranz
    6
    Kragenbund
    7
    zylindrische Ausnehmung
    8
    Seitenfläche der Vertiefung
    9
    untere Oberfläche
    10
    obere Oberfläche
    11
    einfallender Lichtstrahl
    12
    Grundfläche
    13
    ausfallender Lichtstrahl
    14
    reflektierter Lichtstrahl
    15
    keilförmige Spitze
    16
    durchgehender Lichtstrahl
    17
    Sensor

Claims (12)

  1. Verfahren zur Herstellung einer codierten Abtastscheibe (1) für einen Drehgeber zur optischen Signalgebung, wobei die Abtastscheibe (1) einen nichtmetallischen Werkstoff aufweist und die Erfassung eines Lichtsignals im Durchlichtverfahren ausgeführt ist und die Abtastscheibe (1) auf Ihrer Oberfläche (10) eine Maßverkörperung aufweist, in welcher mindestens eine radial verlaufende Vertiefung (2) und/oder Rippe (2a) angeordnet ist und die radial verlaufende Vertiefung (2) und/oder Rippe (2a) mindestens eine schräg verlaufende Seitenfläche (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastscheibe (1) und die auf ihrer Oberfläche (10) ausgebildete Maßverkörperung in einem Arbeitsgang im Spritzgussverfahren hergestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Seitenfläche in der radial verlaufenden Vertiefung (8) und/oder auf der radial verlaufenden Rippe 2a refraktive Bereiche aufweist, welche einen einfallenden Lichtstrahl (11) auf deren Oberfläche brechen.
  3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der refraktive Bereich an der Oberfläche der Seitenfläche der Vertiefung (8) eine auf der Totalreflektion des einfallenden Lichtstrahls (11) beim Übergang von einem optisch dichteren Medium (Kunststoff oder Glas) in ein optisch dünneres Medium hervorruft.
  4. Codierte Abtastscheibe (1) für einen Drehgeber zur optischen Signalgebung, wobei die Abtastscheibe (1) einen nichtmetallischen Werkstoff aufweist und die Erfassung eines Lichtsignals im Durchlichtverfahren ausgeführt ist und die Abtastscheibe (1) auf Ihrer Oberfläche (10) eine Maßverkörperung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Abtastscheibe (1) mindestens eine radial verlaufende Vertiefung (2) und/oder Rippe (2a) angeordnet ist und die radial verlaufende Vertiefung (2) und/oder Rippe (2a) mindestens eine schräg verlaufende Seitenfläche(8) und/oder eine zur Scheibenoberfläche (9) parallel verlaufende Grundfläche (12) aufweist.
  5. Abtastscheibe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Abtastscheibe (1) in ihren Randbereichen einen Zahnkranz (3) aufweist.
  6. Codierte Abtastscheibe (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastscheibe (1) auf ihrer Oberfläche (9) einen Kragenbund (6) aufweist.
  7. Codierte Abtastscheibe (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragenbund (6) auf seiner radial angeordneten Oberfläche einen Zahnkranz (5) aufweist.
  8. Codierte Abtastscheibe (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragenbund (6) eine mittig angeordnete zylindrische Ausnehmung (7) in axialer Richtung aufweist.
  9. Codierte Abtastscheibe (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine in den Vertiefungen (2) und/oder Rippen (2a) angeordnete schräg verlaufende Seitenfläche (8) einen galvanisch oder chemisch erzeugten Überzug aufweist.
  10. Codierte Abtastscheibe (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der galvanisch oder chemisch erzeugte Überzug auf der mindestens einen Seitenfläche der Vertiefung (2) und/oder Rippe (2a) eine deutlich verbesserte Totalreflektion bzw. Strahlumlenkung des einfallenden Lichtstrahls (11) aufweist.
  11. Codierte Abtastscheibe (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (2) und oder Rippe (2a) eine zur Scheibenoberfläche (9) parallel verlaufende Grundfläche (12) aufweist, welche einen nahezu senkrecht einfallenden Lichtstrahl (11) durch das Material der Abtastscheibe (1) hindurchtreten lässt.
  12. Codierte Abtastscheibe (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die schräg verlaufenden Seitenflächen (8) der radial angeordneten Vertiefungen (2) und/oder Rippen (2a) auf mehreren Ebenen angeordnet sind.
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