DE102008053754A1

DE102008053754A1 - Neigungssensor

Info

Publication number: DE102008053754A1
Application number: DE200810053754
Authority: DE
Inventors: Franz Klapper
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-10-28
Filing date: 2008-10-28
Publication date: 2010-04-29

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Neigungssensor mit einer Libelle, welche in einem Gehäuse unter einem Deckglas eine Flüssigkeit und eine Gasblase aufweist, wobei oberhalb des Deckglases eine Lichtquelle angeordnet ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Neigungssensor zu entwickeln, mit dem Richtung und Grad einer Neigung mit hoher Genauigkeit ermittelbar sind, und der für eine automatische Ausrichtung einer mit einem solchen Neigungssensor versehenen Apparatur geeignet ist. Das gewährleistet ein Neigungssensor, bei dem oberhalb des Deckglases (1.3) mindestens zwei Lichtempfänger (2.4.1, 2.4.2 ... 2.4.4) so angeordnet sind, dass von der Lichtquelle (2.3) ausgehendes und bei zentrierter Gasblase (4) totalreflektiertes Licht (L) mittels dieser wenigstens zwei Lichtempfänger (2.4.1, 2.4.2 ... 2.4.4) detektierbar ist, wobei bei unzentrierter Gasblase (4) mittels dieser Lichtempfänger (2.4.1 ... 2.4.4) unterschiedliche Lichtmengen detektierbar sind und die Lichtquelle (2.3) und die Lichtempfänger (2.4) auf einem Chipsubstrat (2.1) angeordnet sind. Gegenüber dieser bekannten Lösung besteht die Aufgabe darin, einen Neigungssensor zu entwickeln, der einen im Durchmesser wesentlich kleineren Lichtempfänger (2.4) benötigt und außerdem einen um mehr als das Doppelte größeren Messbereich für die Verschiebung der Blase aufweist. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine auf die Innenseite des Deckglases eingeprägte Ringstruktur (1.5) gelöst.

Description

Die Erfindung betrifft einen Neigungssensor mit einer Libelle, welche in einem Gehäuse unter einem Deckglas eine Flüssigkeit und eine Gasblase aufweist und auf deren Deckglas sich eine Lichtquelle und ein Lichtempfängereinheit befinden, wodurch ein fotoelektrischer Nachweis der Position der Blase an einer beliebigen Stelle unter dem Deckglas möglich wird. Ist der Sensor an einer Apparatur geeignet angebracht, kann deren Neigung bestimmt werden. Durch den fotoelektrisch elektronischen Nachweis der Blasenposition kann die Apparatur mit Hilfe einer Steuereinrichtung automatisch in Sollposition gebracht werden. Diese wird normalerweise dann erreicht, wenn sich die Blase im Zentrum der Libelle befindet. Die Empfindlichkeit eines Neigungssensors hängt in erster Linie vom Krümmungsradius der Innenseite des Deckglases der Libelle ab. Entscheidend für die Empfindlichkeit ist aber vor allem auch, mit welcher Effektivität das von der Lichtquelle ausgehende Licht für die Lagebestimmung genutzt wird.
Im Stand der Technik sind bereits Neigungssensoren mit fotoelektrischem Nachweis der Blasenposition in einer Libelle bekannt. Im Wesentlichen können insbesondere zwei Lösungen genannt werden, bei denen sich die Beleuchtungseinheit sowie die Empfängereinheit auf der Außenseite des Deckglases befinden und das Signal einmal durch Totalreflexion und zum anderen durch Streulichtreflexion der Strahlung der Lichtquelle an der der Blase und der Libellenflüssigkeit zugewandten Seite des Deckglases entsteht, wobei das Signal die Bestimmung der Blasenposition von der zentralen Lage bis zur Randlage der Libelle ermöglichen soll. Für Neigungssensoren, die diese Eigenschaften erfüllen sollen, sind folgende Lösungen bekannt.
Nach dem Patent WO 2007/059736 A1 (Priorität 23.11.2005) ist ein Neigungssensor bekannt, bei welchem Lichtquelle und Lichtempfänger sich auf dem Deckglas der Libelle befinden und dass das von der Lichtquelle ausgehende Licht an der der Flüssigkeit und Gasblase zugewandten Seite im Bereich der Gasblase durch Totalreflexion zum Lichtempfänger gelangt. Bei geeigneter Größe des Lichtempfängers liefert diese auch noch bei Randlage der Blase ein Signal. Damit wird gewährleistet, dass sich ein solcher Neigungssensor zur Steuerung der Neigung eignet. Nachteil dieser Lösung ist die zur Erfüllung dieser Aufgabe notwendige Größe des Lichtempfängers. So muss beispielsweise bei einer Libelle mit 12 mm Innendurchmesser und einer Dicke des Deckglases von 1,5 mm der Lichtempfänger mindestens einen Durchmesser von ca. 9,5 mm haben, um bei Randlage der Gasblase noch ein Signal von ca. 10% des bei Verschiebung der Blase erreichten Maximalwertes zu erhalten.
Ferner ist aus DE 10 2006 056 072 B3 (Priorität 28.11.2006) ein Neigungssensor bekannt, der im Wesentlichen den gleichen Aufbau hat, wie der, der in WO 2007/059736 A1 angegeben ist. Der Unterschied soll entsprechend dem Hauptanspruch darin bestehen, „dass von der Lichtquelle ausgehendes an der die Gasblase berührenden Fläche des Deckglases gestreute Licht von den Lichtempfängern detektiert wird”. Wird davon ausgegangen, dass unter Streuung Reflexion, Totalreflexion und Transmission (Fresnel'sche Formeln) zu verstehen ist, wird damit das Patent WO 2007/059736 A1 verletzt. Erst wenn im Hauptanspruch des Patents DE 10 2006 056 072 B3 die Eigenschaft der Fläche beschrieben wird, an der die so genannte Streuung erfolgt, nämlich durch eine Mikrorauigkeit, wie es im B. Nebenanspruch heißt, wäre die Eigenständigkeit dieses Patentes erfüllt. Durch die Nennung der Mikrorauigkeit erst im 8. Nebenanspruch muss geschlussfolgert werden, dass im Hauptanspruch von einer glatten Fläche ausgegangenen wird. Diese Tatsache bestätigt nachdrücklich die Verletzung des geschützten Inhalts des Patentes WO 2007/059736 A1 . Selbst wenn die Bedingungen für die Eigenständigkeit des Patentes DE 10 2006 056 072 B3 gegeben wären, gibt es einige Kritikpunkte an einer solchen Lösung. Denkt man sich die rauhe Oberfläche aus Mikroflächen zusammengesetzt, sind deren Neigungswinkel zur Gesamtoberfläche statistisch verteilt. Entsprechend dieser Statistik besteht nur eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass die Mikroflächen einen solchen Neigungswinkel zu dem von der Lichtquelle einfallenden Licht haben, um Totalreflexion zu ermöglichen. Das dann totalreflektierte Licht könnte von den Lichtempfängern detektiert werden, wenn diese eine geeignete Größe haben. Bei dem weitaus größten Teil der Mikroflächen, der den Bedingungen der Totalreflexion nicht genügt, transmittiert das Licht mit über 95% (Fresnel'sche Formeln) in den Blasen- beziehungsweise Flüssigkeitsraum und erzeugt dann für den Messeffekt schädigende Streustrahlung. Weniger als 5% der Strahlung kann in statistischer Verteilung in Richtung der Empfängerebene gelangen. Davon erreicht nur ein geringer Teil die Lichtempfänger selbst. Wegen dieser angeführten Gründe ist der in DE 10 2006 056 072 B3 genannte Vorteil, gegenüber dem Innendurchmesser der Libelle relativ kleine Lichtempfänger benutzen zu können und trotzdem bei Randlage der Blase noch ein für den Nachweis und als Stellgröße für die Neigungssteuerung ausreichendes Signal zu erhalten, äußerst fragwürdig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Neigungssensor der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem Richtung und Grad der Neigung mit hoher Genauigkeit ermittelbar sind, sowie für eine automatische Ausrichtung einer mit einem Neigungssensor versehenen Apparatur geeignet ist und die Voraussetzung geschaffen wird, dass bei einem solchen Neigungssensor ein Lichtempfänger mit wesentlich kleinerem Außendurchmesser einsetzbar ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Neigungssensor gelöst, welcher die im Anspruch 1 genannten Merkmale aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Es wird vorgeschlagen, dass das Deckglas auf der konkaven Innenseite um den Mittelpunkt als Zentrum, eine ringförmige Rasterstruktur aufweist, die in ihrem Querschnitt eine sägezahnähnliche Form hat, und dass die auf den der Lichtquelle zugewandten optisch glatten Flanken der ringförmigen Struktur einen solchen Neigungswinkel aufweisen, dass das von der flächenhaft ausgedehnten Lichtquelle ausgehende Licht in Totalreflexion reflektiert wird, und dass die rückwärtigen Flanken der Struktur so beschaffen sind, dass diese keine Abschattung des Lichtes der von der Lichtquelle ausgehenden Strahlung verursachen.
In einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich auf der konkav geformten Innenseite des Deckglases einer Libelle eine ringförmige im Querschnitt sägezahnähnliche Rasterstruktur um das Zentrum des Deckglases, das in senkrechtem Abstand unter der Mitte der Lichtquelle liegt. Die Struktur beginnt bei einem Abstand r_g vom Zentrum, bei dem entsprechend dem Grenzwinkel ε_g Totalreflexion für die von der Lichtquelle kommende Strahlung beginnt. Die der Lichtquelle zugewandten Flanken der Rasterstruktur sind in Ihrem Neigungswinkel im Sinne der Erfindung so ausgerichtet, dass die von der flächenhaft ausgedehnten Lichtquelle einfallende Strahlung im Winkel ε_g reflektiert wird. Der Neigungswinkel dieser Flanken wächst demnach mit zunehmendem r. Die Wahl für die Breite (r – r_g) der Rasterstruktur ergibt sich aus dem Abstand R vom Zentrum des Deckglases, wo die bei r_g totalrflektierte Strahlung ankommt. Dieses R ist dann identisch mit dem Innenradius R_i der Empfängereinheit. Der Außenradius R_a ist so zu wählen, dass bei Randlage der Blase noch eine für den Nachweis ausreichende Signalgröße erreicht wird. Ziel der Erfindung ist es, den Radius R_a und damit den Durchmesser der Empfängereinheit zu minimieren, weil von deren Größe die Kosten des Neigungssensors wesentlich abhängig sind. Bei der vorteilhaften Ausführung wird die Periodenbreite Δr der einzelnen ringförmigen Strukturen gleich groß gestaltet.
In dem Bereich unter der Lichtquelle, in dem noch keine Totalreflexion an der Innenseite des Deckglases einsetzt, also auf der Kreisfläche dessen Radius kleiner als r_g ist, weist diese Fläche in einer vorteilhaften Ausführungsform eine lichtabsorbierende Schicht auf, da sonst in diesem Bereich die Strahlung der Lichtquelle im Libellengehäuse eine Untergrundstrahlung verursachen würde. Aus gleichem Grund sollte die Innenwand des Libellengehäuses ebenfalls für lichtabsorbierend gestaltet werden, da in dem Teil der Innenseite des Deckglases, der nicht von der Blase bedeckt wird, Strahlung in den Innenraum der Libelle gelangt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:
1 einen Neigungssensor im Querschnitt,
2 dessen Chipsubstrat in der Draufsicht,
3 Draufsicht der Innenseite des Deckglases mit angedeuteter Ringstruktur,
4 Schnittdarstellung der Ringstruktur,
5 Strahlenverläufe der im Bereich der Blase an den Flanken der Ringstruktur totalreflektierten Strahlen,
6 Neigungswinkel der einzelnen Strukturflanken als Funktion des Abstandes von der Mittelachse der Libelle,
7 auf die r-Achse projizierte Länge der einzelnen Strukturflanken,
8 Auftreffpunkt der Strahlung auf der Empfängerebene nach dem Passieren der Rasterstruktur,
9 Verlauf des vom 1. und 3. Quadranten Q1 und Q3 der Empfängereinheit gelieferten Signale I(Q1) und I(Q3) und deren Differenzsignal {I(Q1) – I(Q3)} als Funktion der Blasenposition r₀ und des Empfängerdurchmessers D_QFD für Libellen ohne Rasterstruktur,
10 die mit Rasterstruktur ereichten Signale I(Q1) und I(Q3) und deren Differenzsignale {I(Q1) – I(Q3)}.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Neigungssensor. Er setzt sich zusammen aus einer Libelle 1 und einem Messmodul 2.
Die Libelle in Form einer Dosenlibelle weist ein Gehäuse 1.1 mit einer lichtabsorbierenden Oberfläche 1.2 auf der Innenseite auf. Eine solche Oberfläche 1.2 kann insbesondere durch Beschichtung erzeugt werden. Die Libelle weist einen Durchmesser von beispielsweise D_LIB = 12 mm auf. Das Gehäuse 1.1 ist an der Oberseite mit einem Deckglas 1.3 versehen, welches auf der Innenseite konkav gekrümmt ist und einen Brechungsindex n_G = 1,50 aufweist. Die Krümmung ist im Zeichnungsmaßstab nicht erkennbar. Sie ist zweckmäßigerweise den Anforderungen an die Empfindlichkeit der Libelle 1 angepasst. Im Deckglas ist die erfindungsgemäße Rasterstruktur 1.5 eingeprägt. Das Deckglas 1.3 ist an seiner Unterseite auf einer Fläche mit einem Radius r < r_g mit einer lichtabsorbierenden Schicht 1.4 versehen. In dem Gehäuse 1.1 befindet sich eine Flüssigkeit 3, beispielsweise Wasser mit n_F = 1,33 und eine Gasblase 4. Die Gasblase 4 enthält mit Wasser gesättigte Luft und weist einen Brechungsindex n_L= 1,00 auf. Vorteilhafterweise kann statt Wasser eine Flüssigkeit 3 verwendet werden, bei der an der Grenzfläche von Glas geringere Adhäsionskräfte auftreten. Für die Brechungsindices gilt in jedem Fall n_G > n_F > n_L.
Unter dem Deckglas in 1 befindet sich im Neigungssensors 1 die Gasblase 4 beispielsweise im Bereich der Rasterstruktur 1.5, um deren Auswirkungen auf den Strahlengang zu verdeutlichen.
Das Messmodul 2 weist ein Chipsubstrat 2.1 mit oberflächlichen Vertiefungen 2.2 auf, in welche eine Lichtquelle 2.3 in Form einer LED und Lichtempfänger 2.4.1, 2.4.2, 2.4.3, 2.4.4 in Form von kreisringsegmentförmigen Fotodetektoren integriert sind. Die inneren Ränder der Kreisringsegmente, die vier Quadranten eines zweidimensionalen Raumes abdecken, sind 2,5 mm von der Lichtquelle 2.3 entfernt angeordnet. Die Vertiefungen 2.2 verhindern ein direktes Übersprechen von der Lichtquelle 2.3 zu den Lichtempfängern 2.4. Das Chipsubstrat 2.1 ist in Flip-Chip-Technik mit seiner funktionellen Seite nach unten auf einem Glassubstrat 2.5 als transparenter Schicht angebracht. Die elektrischen Leitungen zu den äußeren Anschlüssen 2.6 der Lichtquelle 2.3 beziehungsweise den Lichtempfängern 2.4 sind auf dem Glassubstrat 2.5 angeordnet und über Anschlussfelder (engl. „bumps”) mit diesen verbunden. Der Anschluss der Lichtquelle 2.3 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Der aus der Kontaktierung resultierende Hohlraum zwischen dem Chipsubstrat 2.1 und dem Glassubstrat 2.5 ist mit Füllmaterial versehen, dessen Brechungsindex und thermische Eigenschaften denjenigen des Glassubstrats 2.5 entsprechen.
In alternativen Ausgestaltungen ist es möglich, auf der Rückseite des Chipsubtrats 2.1 einen Träger mit entsprechenden Leitungsführungen anzuordnen, mit denen die Lichtquelle 2.3 und die Lichtempfänger 2.4 durch Bonden elektrisch verbunden werden.
Das Glassubstrat 2.5 ist mit dem Deckglas 1.3 der Libelle 1 verkittet. Die aus den beiden Gläsern 1.3, 2.5 zusammengesetzte optische Einheit hat eine Dicke von 1,5 mm. Alternativ zum lichtabsorbierenden Bereich 1.4 auf der Unterseite des Deckglases 1.3 könnte ein lichtabsorbierender Bereich zwischen dem Glassubtrat 2.5 und dem Deckglas 1.3 angeordnet sein.
Das Glassubstrat 2.5 kann in besonderen Ausgestaltungen vollständig entfallen. Das Chipsubstrat 2.1 wird dann mit seiner funktionellen Oberseite, an der die Lichtquelle 2.3 und die Lichtempfänger 2.4 angeordnet sind, direkt auf das Deckglas 1.3 aufgebracht, so das der funktionsbedingte Abstand d zwischen Lichtquelle 2.3 und Gasblase 4 ausschließlich von dem Deckglas 1.3 gebildet wird. Bei den weiteren Ausführungen wird deshalb der funktionsbedingte Abstand d als Dicke des Deckglases verstanden.
Die Dicke d des Deckglases 1.3 hat Einfluss darauf, in welcher Entfernung r vom Zentrum des Deckglases 1.3 an der Blase Totalreflexion einsetzt, des weiteren auf den Innen- und Außendurchmesser D_QFD der Empfängereinheit sowie auf die Lichtmenge, die auf die Empfängereinheit 2.4 trifft. Die Dicke d des Deckglases 1.3 kann vorzugsweise zwischen 1 mm und 2 mm liegen. Im Ausführungsfall wurde 1,5 mm gewählt. Die erfindungsgemäße Rasterstruktur 1.5 im Deckglas 1.3 bringt wesentliche Vorteile für die Größe der Empfängereinheit.
In 2 ist das Chipsubstrat 2.1 in der Draufsicht dargestellt. Es enthält die in der Vertiefung 2.2 liegende Lichtquelle 2.3 und die Lichtempfängereinheit 2.4 mit den vier Sektoren 2.4.1; 2.4.2; 2.4.3 und 2.4.4 sowie deren Anschluss 2.6.
3 zeigt die Draufsicht der Innenseite des Deckglases einer Libelle mit einem Durchmesser von D_LIB = 12 mm mit Ringstruktur 1.5, welche für eine Dicke d des Deckglases von 1,5 mm angegeben ist. Die Ringstruktur erstreckt sich von einem Innenradius r_i = 1,5 mm bis Außenradius r_a = 3,5 mm mit einem gegenseitigen Abstand der einzelnen Strukturringe 1.5.1 von beispielsweise Δr = 0,2 mm.
In 4 sind in stark vergrößertem Maßstab Ausschnitte 1.6 aus dem Querschnitt der Ringstruktur 1.5 von dem inneren 1.6.1, dem mittleren 1.6.2 und äußeren Ring 1.6.3 gezeigt. Es wird vorausgesetzt, dass die 10 Ringe die gleiche Breite Δr haben. In dem angenommenen Beispiel gilt Δr = 0,2 mm. Die Länge b der der Lichtquelle zugewandten Flanken 1.7 der einzelnen Ringe 1.5.1 und ihr Neigungswinkel β werden in 6 und 7 als Funktion vom Radius r dargestellt.
Die 5 zeigt die Strahlverläufe der im Bereich der Ringstruktur bei dort anliegender Blase an den Strukturflanken 1.7 totalreflektierten Strahlen. Mit den in 6 angegebenen Winkeln für die der Lichtquelle 2.3 zugewandten Strukturflanken 1.7. gelangt das Licht L1, welches bei r = 3,5 mm totalreflektiert wird, bei etwas weniger als R = 4 mm auf die Ebene der Lichtempfänger 2.4. Im Gegensatz dazu wird bei einer Libelle ohne Raserstruktur mit dem Strahl 12 demonstriert, dass dieser bei einer Libelle mit D_LIB = 12 mm die Lichtempfängerebene nicht mehr erreicht. Bei dieser Libelle wird grade noch der äußerste Rand des Deckglases 1.3 erricht, wenn der Strahl bei r = 3 mm totalreflektiert wird.
6 gibt den berechneten Neigungswinkel β für die der Lichtquelle zugewandten Flanken 1.7 der Rasterstruktur 1.5 als Funktion von r an. Der Neigungswinkel β berechnet sich nach β = arctg(d/r) + εg + 90°dabei ist d die Dicke des Deckgases, r der Auftreffpunkt des von der Lichtquelle ausgehenden Strahls auf der Innenseite des Deckglases und ε_g der Grenzwinkel der Totalreflexion.
7 zeigt als Funktion von r auf die r-Achse projizierte Breite b der Flanken 1.7, die sich nach der Gleichung
beispielsweise für Δr = 0,2 mm berechnen
In 8 wird als Funktion von r der Auftreffpunkt R der Strahlung auf der Empfängerebene dargestellt. Für einen Neigungssensor mit einem Deckglas ohne Rasterstruktur erfolgt die Berechnung von R nach der Gleichung: R = 2r
Für einen Neigungssensor mit Rasterstruktur berechnet sich R nach folgender Gleichung:
Während bei einem Neigungssensor ohne Rasterstruktur bei einem r = 3 mm die Strahlung auf der Empfängerebene am äußersten Rand der Libelle ankommt, erreicht die Strahlung bei einem Neigungssensor mit Rasterstruktur schon bei R = 3,64 mm die Empfängerebene. Das heißt, bei einem Neigungssensor mit Rasterstruktur 1.5 wird mit einem Lichtempfänger 2.4 mit dem Durchmesser D_QFD = 3,64 mm der gleiche Effekt erzielt wie mit einem Lichtempfänger mit einem Durchmesser D_QFD = 12 mm bei einem Neigungssensor ohne Rasterstruktur. Daraus ergibt sich eine deutliche Kostensenkung bei der Fertigung von Neigungssensoren. Bei dem Neigungssensor mit Rasterstruktur ist wegen des kleineren Lichtweges entsprechend dem quadratischen Abstandsgesetz die am Empfänger ankommende Lichtintensität wesentlich größer als bei einem Neigungssensor ohne Rasterstruktur.
9 zeigt die Signale I(Q1, r₀) und I(Q3, r₀) als Funktion der Blasenposition r₀ des 1. und 3. Quadranten Q1 und Q3 der Empfängereinheit. eines Neigungssensors mit dem Innendurchmesser von D_LIB = 12 mm ohne Rasterstruktur für einen Neigungssensor mit dem Empfängerdurchmesser D_QFD von 5,5; 7,5: 9,5 und 11,5 mm bei Verschiebung der Blase von der linken bis zur rechten Außenwand der Libelle. Als Position r₀ der Blase soll die Position des Mittelpunktes der Blase verstanden werden. Bei der Libelle mit einem Sensordurchmesser D_QFD von 9,5 und 11,5 mm zeigen die Signale eine Veränderung der Lageposition r₀ der Blase nur von ca. 1 mm beiderseits des Zentrums des Neigungssensors und gehen dann in einen konstanten Wert über, bei dem eine Veränderung der Lageposition der Blase nicht mehr feststellbar ist. Bei Randlage der Blase liefert die Empfängereinheit mit D_QFD = 9,5 mm nur noch 10% und die Empfängereinheit mit D_QFD = 11,5 mm noch ca. 20% des Maximalwertes des Signals. Bei den Sensordurchmessern von D_QFD = 5,5 und 7,5 mm wird bei Randlage der Blase kein Signal mehr erhalten. Außerdem ist bei diesen Empfängereinheiten die zentrierte Lage r₀= 0 der Blase nicht mehr nachweisbar.
Außerdem wird in 9 das bei Differenzschaltung der Quadranten Q1 und Q3 entstehende Signal {I(Q1) – I(Q3)} als Funktion der Blasenposition r₀ gezeigt. Beim praktischen Einsatz des Neigungssensors wird die Differenzschaltung von zwei gegenüberliegenden Quadranten genutzt, um von den jeweils zwei Quadranten ein durchgehendes Signal zu erhalten. Das ist vorteilhaft für die Signalverarbeitung und die Steuerung der Neigung.
Die in 9 enthaltenen Signale, die mit relativ großem Programmierungs- und Rechenaufwand erhalten wurden, sind der unveröffentlichten Arbeit „Erarbeitung einer umfassenden Theorie und deren praktischen Anwendung bei der Entwicklung von Neigungssensoren", Autor: Dr. Franz Klapper, entnommen worden. Die Signale des Neigungssensors mit Rasterteilung wurden nach der in dieser Arbeit angegebenen „graphischen Methode” ermittelt, welche erlaubt, mit relativ geringen Aufwand den charakteristischen Verlauf der Sensorsignale zu ermitteln. Die graphische Methode wurde bei der Ermittlung der in 10 gezeigten Signale angewandt.
In 10 sind die Signale eines Neigungssensors mit Rasterstruktur 1.5, einem Innendurchmesser der Libelle D_LIB = 12 mm und dem Durchmesser der Empfängereinheit von D_QFD = 6 mm, 7 mm und 8 mm in normierten Größen dargestellt. Bei diesem Signalverlauf, werden die Vorteile sichtbar, die die erfindungsgemäße Rasterstruktur 1.5 hervordringt. Der Sensor mit D_QFD = 8 mm zeigt bei Verschiebung r₀ der Blase bis ca. 2 mm aus der zentralen Lage einen nahezu linearen Verlauf und ist bis über 2 mm nachweisbar. Bei Randlage der Blase hat das Signal noch eine Größe von 30% seines Maximalwertes. Der Messbereich für die Verschiebung ist beim Neigungssensor mit D_QFD = 7 mm schon eingeschränkt. Das Signal zeigt bei Randlage der Blase aber immerhin noch 13% seines Maximalwertes. Der Neigungssensor mit D_QFD = 6 mm ist für eine Anwendung nicht mehr geeignet. In 10 sind zum Vergleich die Signale eines Neigungssensorsensor ohne Rasterstruktur mit D_QFD = 8 mm eingetragen.
Wie bei 9 wurden auch für die Signale der Neigungssensoren mit D_QFD = 6 mm, 7 mm und 8 mm die Differenzsignale ermittelt und in 10 als Funktion von r₀ dargestellt.

1: Libelle
1.1: Gehäuse
1.2: Lichtabsorbierende Oberfläche
1.3: Deckglas
1.4: Lichtabsorbierender Bereich
1.5: Ringstruktur
1.5.1: Ringe der Ringstruktur
1.6: Querschnitt der Ringstruktur
1.6.1: Ausschnitt des 1. Ringes
1.6.2: Ausschnitt des 2. Ringes
1.6.3: Ausschnitt des 3. Ringes
1.7: Der Lichtquelle zugewandte Flanken der Ringstruktur
2: Messmodul
2.1: Chipsubstrat
2.2: Vertiefung
2.3: Lichtquelle
2.4: Lichtempfänger
2.4.1: Erster Lichtempfänger
2.4.2: Zweiter Lichtempfänger
2.4.3: Dritter Lichtempfänger
2.4.4: Vierter Lichtempfänger
2.5: Glassubstrat
2.6: Anschluss
3: Flüssigkeit
4: Gasblase
L1: Strahlengänge mit Ringstruktur
L2: Strahlengänge ohne Ringstruktur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2007/059736 A1 [0003, 0004, 0004, 0004]
- DE 102006056072 B3 [0004, 0004, 0004, 0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Erarbeitung einer umfassenden Theorie und deren praktischen Anwendung bei der Entwicklung von Neigungssensoren”, Autor: Dr. Franz Klapper [0043]

Claims

Neigungssensor mit einer Libelle (1), welche in einem Gehäuse (1.1) unter einem Deckglas (1.3) eine Flüssigkeit (3) und eine Gasblase (4) aufweist, wobei oberhalb des Deckglases (1.3) eine Lichtquelle (2.3) angeordnet ist, dass oberhalb des Deckglases (1.3) mindestens zwei Lichtempfänger (2.4.1, 2.4.2, ... 2.4.4) so angeordnet sind, dass von der Lichtquelle (2.3) ausgehendes und bei zentrierter Gasblase (4) an der Gasblase (4) totalreflektiertes Licht (L) mittels dieser wenigstens zwei Lichtempfänger (2.4.1, 2.4.2 ... 2.4.4) detektierbar ist, wobei bei unzentrierter Gasblase (4) mittels dieser Lichtempfänger (2.4.1 ... 2.4.4) unterschiedliche Lichtmengen detektierbar sind und die Lichtquelle (2.3) und die Lichtempfänger (2.4) auf einem Chipsubstrat (2.1) angeordnet sind. dadurch gekennzeichnet, dass das Deckglas (1.3) auf der konkaven Innenseite um den Mittelpunkt als Zentrum, eine ringförmige Rasterstruktur (1.5) aufweist, die in ihrem Querschnitt (1.6) eine Sägezahn ähnliche Form hat, und dass die auf den der Lichtquelle zugewandten optisch glatten Flanken (1.7) der ringförmigen Struktur einen solchen Neigungswinkel aufweisen, dass von der Lichtquelle (2.3) ausgehende Strahlung in Totalreflexion reflektiert wird, und dass die rückwärtigen Flanken der Rasterstruktur (1.5) so beschaffen sind, dass diese keine Abschattung der von der Lichtquelle (2.3) ausgehenden Strahlung verursachen.
Neigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Ringe 1.5.1 der Ringstruktur 1.5 zueinander den gleichen Abstand Δr haben.
Neigungssensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens vier Lichtempfänger (2.4.1, 2.4.2, 2.4.3, 2.4.4), die so um die Lichtquelle (2.3) angeordnet sind, das von der Lichtquelle (2.3) ausgehendes Licht (L1) von dem Teil der Rasterstruktur, der von der Gasblase überdeckt ist, totalreflektiert wird und je nach Lage der Gasblase (4) von den Lichtempfängern (2.4) detektierbar ist.
Neigungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2.3) bei zentrierter Gasblase (4) zentral über der Gasblase (4) angeordnet ist.
Neigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2.3) und die Lichtempfänger 2.4) auf einem gemeinsamen Chipsubstrat (2.1) angeordnet sind.
Neigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Chipsubstrat (2.1) mit seiner funktionellen Seite auf dem Deckglas (1.3) oder auf einem Glassubstrat (2.5) angeordnet ist, und somit mit dem Deckglas (1.3) eine optische Einheit bildet.
Neigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände zwischen der Lichtquelle (2.3) und jedem der Lichtempfänger (2.4) im Wesentlichen übereinstimmen.
Neigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Lichtquelle (2.3) ein kreisförmiger lichtabsorbierender Bereich (1.4) auf der Innenseite des Deckglases angeordnet ist, dessen Radius kleiner ist als der Radius r_g bei dem an der Grenzfläche Deckglas-Blase Totalreflexion einsetzt.
Neigungssensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1.1) auf der Innenseite eine lichtabsorbierende Oberfläche (2.6) aufweist.