DE102005048449A1 - Träger mit einer durchleuchteten optischen Positionsmarke - Google Patents

Abstract

Ein Träger (2) mit optischen durchleuchtbaren Positionsmarken (3) ist zwischen einer Lichtquelle (5) und einem optischen Detektor (4) positionierbar. Die Positionsmarke (3) ist aus zwei im Strahlengang hintereinanderliegenden Linsen (8, 9) von unterschiedlicher Brennweite gebildet, die die kollimierte Strahlung der Lichtquelle (5) auf ein kollimiertes Strahlenbündel von verkleinertem Querschnitt konzentrieren. Dadurch ist es mit geringem Fertigungsaufwand möglich, eine Messeinrichtung von hoher Funktionssicherheit zu schaffen.

Description

• Träger mit einer durchleuchteten optischen Positionsmarke Die Erfindung bezieht sich auf einen Träger mit zumindest einer optischen durchleuchtbaren Positionsmarke, die zwischen einer Lichtquelle und einem optischen Detektor positionierbar ist.
• Es ist z.B. für die Ermittlung eines Drehwinkels üblich, den als Maske ausgebildeten scheibenförmigen Träger mit periodisch aneinandergereihten durchleuchteten Aussparungen zu versehen, die sich auf dem optischen Detektor in Abhängigkeit von ihrer Relativstellung mit abweichender Intensität abbilden.
• Die Auflösung des Encoders wird u.A. durch die Breite dieser Aussparungen bestimmt. Der Kontrast wird durch die Streu- und Beugungseffekte beeinträchtigt, die eine Mindestbreite der Aussparungen bedingen. Da die Encoderscheibe aus Stabilitätsgründen nicht beliebig dünn werden darf, ist es z.B. stanztechnisch schwierig beliebig kleine Schlitze zu erzeugen. Wegen der Streu- und Beugungseffekte ist es außerdem erforderlich, den Abstand zum Detektor möglichst klein zu halten und präzise einzustellen, was eine stabile Konstruktion mit aufwändiger Montage und Justierung erfordert. Um einen guten Kontrast zu erreichen, muss auch der Abstand zwischen den Aussparungen annähernd gleich deren Breite sein, was einen entsprechend großen Teilungsabstand bedingt. Verschmutzungen z.B. in Form von anhaftenden Partikeln beeinträchtigen die Intensitätsverteilung unmittelbar.
• Durch die JP7167677 ist ein Drehwinkelsensor mit als Positionsmarken dienenden durchleuchtbaren Mikrolinsen bekannt, die zwischen eine Lichtquelle (5) und einen optischen Detektor (4) positionierbar ist. Um einen möglichst starken Kontrast zu erreichen muss die Detektorebene möglichst im Focus der Mikrolinsen liegen, was mit Einschränkung bei der konstruktiven Gestaltung und bei der Fertigung verbunden ist.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Fertigungsaufwand zu verringern und die Funktionssicherheit zu erhöhen.
• Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Durch die Konzentration des kollimierten Strahlenbündels auf eine kleinere Fläche kann eine signifikante Intensitätssteigerung erzielt werden, die sich leicht detektieren lässt. Durch die Parallelisierung des Strahlenbündels wird die Intensitätsverteilung am Detektor weitgehend unabhängig vom Abstand zur Positionsmarke. Wegen dieser Unempfindlichkeit sind die mechanischen und fertigungstechnischen Anforderungen an die Einrichtung gering. Im Falle einer Lagerabnutzung bleiben die optischen Verhältnisse weitgehend unverändert.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Ansprüchen 2 bis 9 gekennzeichneten Merkmalen.
• Durch die Weiterbildung nach Anspruch 2 werden die optischen Anforderungen an die Ausrichtung des Strahlenbündels in einfacher Weise erreicht.
• Die Positionsmarke nach den Ansprüchen 3 und 4 weist besonders günstige optische Eigenschaften auf und lässt sich in einfacher Weise herstellen, wobei mit einer als Parallellichtquelle ausgebildeten Lichtquelle definierte Strahlungsverhältnisse erreicht werden.
• Beim Träger nach Anspruch 5 können die Positionsmarken ohne zusätzliche Fertigungsschritte z.B. in einem Spritzgießvorgang erzeugt werden, wobei die Positionsmarke als partiell kugelartige, zylinderartige oder kegelartige Erhebung ausgebildet sein kann.
• Durch die verschiedenen Materialien nach Anspruch 6 können die geometrischen Anforderungen an die Ausformung der Linsen verringert werden. Dabei ist es auch möglich den Träger aus unterschiedlichen vorzugsweise laminierten Lagen herzustellen.
• Durch die Weiterbildungen nach den Ansprüchen 7 und 8 kann der Teilungsabstand zwischen den Positionsmarken bei hoher Abbildungsschärfe auf ein Minimum reduziert werden.
• Die Weiterbildung nach Anspruch 9 stellt eine besonders günstige Anwendung dar, bei der sich die Positionsmarken auf dem kompakten scheibenartigen Träger mit geringem Aufwand ausbilden lassen. Ein derartiger Encoder kann somit leichter in ein miniaturisiertes Drehmodul integriert werden.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen:
• 1 eine teilweise entlang der Linie I-I in 2 geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Winkelmesseinrichtung,
• 2 eine Draufsicht auf die Winkelmesseinrichtung nach 1,
• 3 einen vergrößerten Teilschnitt durch die Winkelmesseinrichtung entlang der Linie III-III in 1.
• Nach den 1, 2 und 3 besteht eine Winkelmesseinrichtung aus einem stationären Messkopf 1 und einem um eine Achse scheibenartigen drehbaren Träger 2 mit konzentrisch periodisch verteilten, als Zylinderlinsen ausgebildeten Positionsmarken 3, die eine Winkelmessskala bilden. Der Messkopf weist auf einer Seite des Trägers 2 im Bereich der Positionsmarken 3 einen optischen Detektor 4 und auf der gegenüberliegenden Seite eine Lichtquelle 5 auf, die in die Richtung des Detektors 4 strahlt. Die eine Zählskala bildenden Positionsmarken 3 sind am transparenten Träger 2 zu beiden Seiten einstückig als konvexe Erhebungen ausgebildet und mit geringem Teilungsabstand unmittelbar angrenzend aneinandergereiht. Mehrere Spuren der Positionsmarken können mit einem entsprechenden Mehrfachdetektor auch eine kodierte Positionsskala bilden.
• Der Detektor 4 ist mit einem relativ zur Größe der Positionsmarken 3 schmalen, hier nicht dargestellten Detektorfenster für eine genaue Lagezuordnung versehen und ist in der Lage unterschiedliche Lichtintensitäten genau zu unterscheiden. Zur besseren Lagezuordnung und ist es auch möglich, zumindest zwei der Detektoren zu einem ortauflösenden, sich in der Drehrichtung erstreckenden Liniensensor zusammenzufassen.
• Der Träger ist in seinem Zentrum mit einer Nabe 6 zur drehfesten Verbindung mit einer nicht näher dargestellten Welle versehen, deren Winkelstellung oder Winkeländerung überwacht werden soll. Zwischen der Nabe 6 und den Positioniermarken 3 erstrecken sich radial sternförmig angeordnete Verstärkungsrippen 7.
• Am Träger 2 sind die Positionsmarken 3 auf der Seite der Lichtquelle 5 als schwach fokussierende Linsen 8 in flachen konvexen Erhebungen und auf der dem Detektor zugewandten Seite als stark fokussierende Sammellinsen 9 in hohen Erhebungen ausgebildet. Die Brennpunkte der beiden Linsen liegen fallen dabei zusammen und liegen in der Nähe der Sammellinsen, die ein auf eine geringere Fläche konzentriertes kollimiertes Strahlenbündel abstrahlen, das sich präzise auf dem Detektorfenster abbildet.

1

Messkopf

2

Träger

3

Positionsmarke

4

Detektor

5

Lichtquelle

6

Nabe

7

Verstärkungsrippe

8

Linse

9

Sammellinse

Claims (9)

1. Träger mit zumindest einer optischen durchleuchtbaren Positionsmarke (3), die zwischen eine Lichtquelle (5) und einen optischen Detektor (4) positionierbar ist, und die zumindest eine fokussierende Linse (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsmarke (3) als optisches System ausgebildet ist, das von der Lichtquelle (5) ankommende kollimierte Strahlen in ein kollimiertes, auf einen geringere Fläche konzentriertes Strahlenbündel umwandeln kann.
2. Träger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsmarke (3) auf der der Lichtquelle zugewandten Seite eine schwach fokussierende Linse (8) und auf der dem Detektor (4) zugewandten Seite eine stark fokussierende Sammellinse (9) aufweist.
3. Träger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Linse (8) und die Sammellinse zu einem optischen Element an einem gemeinsamen Körper ausgebildet sind.
4. Träger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennpunkte der beiden in einer optischen Achse liegenden Linsen zumindest annähernd, zusammenfallen und innerhalb des Trägers liegen.
5. Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsmarke (3) mit den beiden Linsen am transparenten Träger (2) einstückig ausgeformt ist.
6. Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsmarke (3) aus mehreren Lagen verschiedenerer Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex gebildet ist.
7. Träger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der als Encoder dienende Träger (2) eine Vielzahl der eine Messskala bildenden aneinandergereihten Positionsmarken (3) aufweist.
8. Träger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsmarken (3) am transparenten Träger (2) annähernd abstandslos aneinander gereiht sind.
9. Träger nach Anspruch 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (2) als Spritzgießteil ausgebildet ist und dass die konzentrisch um eine Achse angeordneten Positionsmarken (3) eine Winkelmeßskala bilden.