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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung für eine optische Maßverkörperung mit einer Sendelinse zur Lenkung des von einer Lichtquelle ausgestrahlten Lichts auf die Maßverkörperung und einer Empfangslinse zur Abbildung der Maßverkörperung auf einen Lichtsensor.
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Derartige Sensorvorrichtungen können zur Positionsmessung verwendet werden. Positionsmessvorrichtungen wie etwa Längen- oder Winkelmesseinrichtungen, welche zur Bestimmung von Positionen beweglicher Bauteile verwendet werden, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Derartige maßstabsgebundene Positionsmessvorrichtungen werden im Allgemeinen auch als Encoder bezeichnet und weisen neben der Sensorvorrichtung eine mit einer Positionsinformation codierte Maßverkörperung auf, welche von einer Lichtquelle mit Licht bestrahlt und deren Positionscodierung von einem optischen Sensor detektiert wird. Das durch die Maßverkörperung modulierte Licht wird vom Sensor empfangen und mit einer insbesondere integrierten Elektronik in elektrische Ausgangssignale decodiert und kann dann entsprechend weiter verarbeitet werden.
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Bei dem zum Empfangen der Positionscodierung verwendeten Sensor kann es sich um einen aus dem Stand der Technik bekannten Abtastempfänger handeln, beispielsweise ein integrierter Schaltkreis, der einzelne lichtempfindliche Empfängerfelder aufweist, welche jeweils positionsabhängige elektrische Signale generieren. Das modulierte Licht fällt dabei zunächst auf eine oder mehrere Empfangslinsen und wird anschließend auf die Empfängerfelder des Abtastempfängers abgebildet. Um ein ausreichend großes Objektfeld der Maßverkörperung zu erfassen und auf den Sensor abzubilden, werden häufig mehrere in einem mehrdimensionalen Array angeordnete Mikrolinsen als Empfangslinsen, auch als Mikrolinsenarray bezeichnet, verwendet.
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Eine solche Sensorvorrichtung ist aus der
DE 102 17 726 A1 bekannt. Die Sensorvorrichtung weist eine Lichtsensoreinheit auf einer Trägerplatte auf, die schräg zur Ebene der Maßverkörperung angeordnet ist. Auf der Leiterplatte ist zudem eine Lichtquelle angeordnet, deren Strahlung zunächst über eine als Kondensorlinse ausgebildete Sendelinse auf eine reflektierende Wand fällt, von der die Strahlung durch eine Glasplatte auf die Maßverkörperung geleitet wird. Die Strahlung wird an der Maßverkörperung entsprechend der Codierung moduliert und trifft dann auf die über der Lichtsensoreinheit angeordneten, als Linsenarray ausgebildeten Empfangslinsen.
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Derartige Sensorvorrichtungen haben sich im Einsatz durchaus bewährt, jedoch hat sich als nachteilig herausgestellt, dass Störeinflüsse zu einer Verfälschung der Messergebnisse und daraus folgend zu einer falschen Positionsinformation führen.
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Der Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine Sensorvorrichtung bereitzustellen, welche weniger anfällig gegen Störeinflüsse ist.
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Bei einer Sensorvorrichtung der eingangs genannten Art wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass zwischen der Sendelinse und der Empfangslinse ein Störlichtschutz angeordnet ist.
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Es hat sich gezeigt, dass einer der Hauptstöreinflüsse, welche das Empfangssignal verfälschen, unkontrolliertes Störlicht ist. Als Störlicht kann insbesondere Streulicht und/oder Fremdlicht angesehen werden. Der Vorteil eines zwischen der Sendelinse und der Empfangslinse angeordneten Störlichtschutzes ist, dass das sendeseitig generierte Störlicht nicht auf die Empfangslinsen und damit nicht auf die Sensorflächen der Lichtsensoren fällt. Dadurch wird das Messsignal weniger verfälscht.
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Insbesondere ist der Störlichtschutz dabei als eine Art Lichtwall zwischen der Sendelinse und der Empfangslinse angeordnet. Durch eine derartige Anordnung kann der Einfluss des von der Lichtquelle emittierten Lichtes vermindert werden. Es kann eine Abschirmung und eine räumliche Trennung der Sendelinse und der Empfangslinse erreicht werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Störlichtschutz als Haube ausgebildet ist. Die Sendelinse und/oder die Empfangslinse können in oder unter der Haube angeordnet sein. Die Haube kann Trennflächen insbesondere aus einem undurchsichtigen Material aufweisen, welche an die Geometrie der Sendelinse und/oder der Empfangslinse angepasst sind. Derart können sich in der Haube einzelne Bereiche ergeben, welche entweder dem Lichtweg in Richtung der Maßverkörperung oder dem Lichtweg von der Maßverkörperung her kommend zugeordnet sind.
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Ferner kann eine Haube auch den Einfall von Fremdlicht als Störlicht verhindern, da die Komponenten zusätzlich vor Umgebungslichtquellen geschützt angeordnet sind. Zur Herstellung der Haube kann ein lichtundurchlässiges Material, wie zum Beispiel Kunststoff, verwendet werden. Sie kann beispielsweise durch eine Spritzgussfertigung hergestellt werden.
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Die Haube kann über Öffnungen verfügen, welche insbesondere an der Oberseite der Haube angeordnet sind. Durch die Öffnungen kann das Licht aus der Haube aus- und/oder nach der Reflexion und/oder diffusen Streuung und/oder Beugung an der Maßverkörperung wieder in die Haube eintreten.
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Bevorzugt ist die Haube als Aufsatz ausgebildet. Eine solche Haube kann während des Herstellungsprozesses oder nachträglich auf die Sensorvorrichtung aufgesetzt werden. Vorteilhafterweise ist die Befestigung des Aufsatzes entweder eine Klick-, eine Klebelösung oder dergleichen. Eine alternative Ausführung sieht vor, dass die Haube und die Sensorvorrichtung während des Herstellungsprozesses als eine Einheit gefertigt werden.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Sendelinse und/oder die Empfangslinse innerhalb der Haube angeordnet sind. Hierdurch kann die Sendelinse und/oder die Empfangslinse fixiert werden. Ferner kann die Lage der Sendelinse und/oder der Empfangslinse hinsichtlich anderer Elemente der Positionsmessvorrichtung festgelegt werden.
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Im Folgenden werden weitere Einzelheiten der Sensorvorrichtung beschrieben:
Als Lichtquelle kann insbesondere eine LED verwendet werden. Das von der Lichtquelle ausgesendete Licht trifft zunächst auf die Sendelinse und wird in Richtung der Maßverkörperung gelenkt. Es ist hierbei vorteilhaft, wenn die Sendelinse als Bündel- oder Kollimatorlinse ausgebildet ist. Die Sendelinse ist bevorzugt als Kugellinse ausgebildet, da diese einfach herzustellen ist. Es können auch andere Linsenformen wie etwa Sammel- oder Zerstreuungslinsen, auch mit asphärischer Formgebung, verwendet werden.
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Bei der Empfangslinse kann es sich um ein abbildendes System handeln. Es können mehrere Empfangslinsen zu einer Linsenplatte zusammengefasst sein. Diese Linsenplatte kann mindestens eine Mikrolinse als Empfangslinse aufweisen, welche reflektiv und/oder diffraktiv ausgebildet sein kann. Bevorzugt sind mehrere Empfangslinsen in einem Mikrolinsenarray zusammengebracht.
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Die Empfangslinse kann oberhalb des Lichtsensors angeordnet sein, wobei vorteilhafterweise für jeden Lichtsensor eine Empfangslinse vorgesehen ist. Bevorzugt liegt die Empfangslinse in einer zur Maßverkörperung parallelen Ebene. Ferner kann die Empfangslinse die Maßverkörperung, insbesondere deren Positionscodierung, auf die lichtempfindlichen Empfängerflächen des Lichtsensors abbilden.
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Vorteilhaft ist die Empfangslinse, insbesondere die Mikrolinsen der Empfangslinse, atorisch ausgebildet, bevorzugt für mehrspurige Codierungen der Maßverkörperung. Atorische Linsen dienen dabei insbesondere der Vermeidung von Übersprechen. Die atorischen Linsen können refraktiv ausgebildet sind, um einen möglichst guten Abbildungskontrast erzielen zu können. Die Verwendung von diffraktiven Linsen für abbildende Zwecke ist aufgrund der Existenz höherer Beugungsordnungen und somit eines gegenüber refraktiven Linsen erhöhten Störlichtes und des damit einhergehenden geringen optischen Kontrastes eingeschränkt. Vorzugsweise kann eine erste Richtung der atorischen Linse parallel und eine zweite Richtung senkrecht zur Messrichtung der Maßverkörperung verlaufen.
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Die Sendelinse und die Empfangslinse können auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet oder aus einer Einheit gefertigt sein. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung sieht aber vor, dass die Sendelinse getrennt, insbesondere optisch getrennt, von der Empfangslinse angeordnet ist. Vorteilhafterweise sind die Sendelinse und die Empfangslinse dabei nicht auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet oder als eine Einheit gefertigt. Hierdurch kann begünstigt werden, dass die Sendelinse die Empfangslinse nicht auf einem direkten Lichtweg beeinflusst. Durch eine getrennte Anordnung der Komponenten kann es einfacher sein, einen Störlichtschutz in die Sensorvorrichtung einzubringen. Zudem ist es möglich, die Sendelinse und die Empfangslinse getrennt voneinander einzubauen und auszurichten.
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Bevorzugt weist die Sensorvorrichtung mindestens eine Lichtquelle, mindestens eine Sendelinse, mindestens eine Empfangslinse und/oder mindestens einen Lichtsensor auf, besonders bevorzugt mehrere Lichtquellen, mehrere Sendelinsen, mehrere Empfangslinsen und/oder mehrere Lichtsensoren. Ferner kann die Sensorvorrichtung symmetrisch gespiegelt aufgebaut sein, wobei sie zwei Lichtquellen, zwei Sendelinsen und zwei Lichtkanäle aufweist, welche links und rechts der Empfangslinse angeordnet sind. Die Beleuchtung der Maßverkörperung kann durch zwei Lichtquellen von zwei Seiten her erfolgen. Hierzu können die Lichtquellen rechts und links der Lichtsensoren, insbesondere auf einer gemeinsamen Achse mit der Empfangslinse angeordnet sein.
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Die Maßverkörperung kann mehrere Codespuren aufweisen. Die verschiedenen Positionscodierungen der Maßverkörperung können auf zugeordnete Empfangslinsen und/oder Lichtsensoren abgebildet werden.
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Bevorzugt weist die Sensorvorrichtung einen insbesondere plattenförmigen Träger auf. Es können mindestens der Lichtsensor und/oder die Empfangslinse auf dem Träger angeordnet sein. Bevorzugt sind auch die Lichtquelle, die Empfangslinse und/oder der Störlichtschutz auf dem Träger angeordnet.
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Ein solcher Träger kann beispielsweise eine Platine sein, auf der noch weitere Bauelemente angeordnet sein können. Der Träger kann eine Steckverbindung zur Verbindung mit anderen Einrichtungen, insbesondere einer Datenverarbeitungseinheit, aufweisen.
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Durch die Anordnung aller Komponenten in einen Modulbaustein kann die Sensorvorrichtung modular als Zusatz- und/oder Austauschkomponente eingesetzt werden. Bevorzugt ist der Träger Teil des Moduls.
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Um möglichst viel von dem an der Maßverkörperung reflektierten und/oder gebeugten Licht auf den Lichtsensor zu bringen, sollte das von der Lichtquelle emittierte und von der Sendelinse gebrochene Licht schräg auf die Maßverkörperung treffen. Um eine schräge Bestrahlung der Maßverkörperung zu erreichen, kann die Lichtquelle schräg angeordnet sein.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht aber vor, dass die Lichtquelle, insbesondere ein LED-Chip, parallel zum Träger und/oder zur Maßverkörperung angeordnet ist. Durch eine gegenüber dem Träger parallele Anordnung der Lichtquelle kann eine einfach herzustellende Sensorvorrichtung bereitgestellt werden.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass ein Lichtkanal vorhanden ist, über den das Licht der Lichtquelle auf die Maßverkörperung geleitet wird. Die Lichtkanäle können dabei als Teil der Haube ausgestaltet sein, insbesondere als Ausnehmungen in der Haube, oder als zusätzliche Elemente in die Sensorvorrichtung eingebracht werden. Die Form der Lichtkanäle ist dabei nicht festgelegt, beispielsweise können diese einen runden oder einen eckigen Querschnitt aufweisen und/oder gerade oder abknickt verlaufen. Vorteilhafterweise weisen die Wandflächen der Lichtkanäle zusätzlich reflektierende Flächen auf oder können oberflächenstrukturiert sein, so dass Brechungen und/oder Beugungen entstehen, welche eine Weiterleitung des Lichtes zusätzlich unterstützen.
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Es ist ferner vorteilhaft, wenn der Lichtkanal von der Empfangslinse getrennt, insbesondere optisch getrennt, angeordnet ist. Hierdurch kann der Einfluss von aus dem Lichtkanal austretendem Streulicht auf die Empfangslinsen minimiert werden. Auch kann durch eine getrennte Anordnung erreicht werden, dass ein Störlichtschutz an verschiedene Lichtkanalformen angepasst werden kann.
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Der Lichtkanal kann schräg gegenüber der Lichtquelle und/oder dem Träger und/oder der Maßverkörperung angeordnet sein. Durch eine entsprechende Wahl des Winkels, welcher bevorzugt einen Wert zwischen 20° und 80° aufweist, besonders bevorzugt zwischen 30° und 60°, kann die Ausfallrichtung des modulierten Lichtes beeinflusst werden.
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Gemäß einer Ausgestaltung verjüngt sich der Lichtkanal in Richtung der Maßverkörperung. Hierdurch kann das Licht zusätzlich gebündelt werden.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Sendelinse innerhalb des Lichtkanals angeordnet ist. Insbesondere durch die sich verjüngende Form des Lichtkanals kann die Sendelinse innerhalb des Lichtkanals fixiert und somit in einer definierten Position gehalten werden.
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Neben dem Störlicht kann es noch weitere Störeinflüsse auf das Ausgangssignal des Lichtsensors geben, nämlich insbesondere ein Übersprechen. Als Übersprechen wird bezeichnet, wenn Licht, welches für einen Lichtsensor unterhalb einer Empfangslinse bestimmt ist, zusätzlich auch auf Sensoren anderer Empfangslinsen trifft. Ein Übersprechen kann insbesondere dann auftreten, wenn die Maßverkörperung mehrere Codespuren aufweist, welche getrennt voneinander mit derselben Sensorvorrichtung detektiert werden sollen. Zur Vermeidung von Übersprechen kann daher zusätzlich zum Störlichtschutz ein Übersprechschutz vorgesehen sein.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht daher ein Trennelement als Übersprechschutz vor, insbesondere einen Trennsteg. Das Trennelement kann zur Verringerung von Übersprechen zwischen der Maßverkörperung und der Empfangslinse angeordnet sein. Vorteilhafterweise kann das Trennelement als Teil der Haube ausgebildet sein. Das Trennelement kann so angeordnet sein, dass das modulierte Licht der Codespuren nur auf die vorgesehenen Bereiche des Lichtsensors fällt. Es kann parallel zu den Codespuren verlaufen.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass das Trennelement oberhalb der Empfangslinsen im Lichtweg des modulierten Lichtes von der Maßverkörperung her kommend angeordnet ist. Durch eine derartige Positionierung kann erreicht werden, dass das einfallende Licht geeignet auf einen bestimmten Bereich der Empfangslinsen geleitet wird und keine anderen Strukturen des Aufbaus trifft. Das Trennelement kann dabei mittig oberhalb der Empfangslinsen, insbesondere oberhalb der Öffnung für den Lichtweg von der Maßverkörperung kommend, angeordnet sein. Ferner kann das Trennelement eine Dicke aufweisen, welche lediglich einen geringen Bereich der Empfangslinsen überdeckt, insbesondere eine Dicke, die ungefähr dem Übergangsbereich zwischen zwei Empfangslinsen entspricht.
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Ein Übersprechen kann auch allein oder zusätzlich zum Trennelement durch die Ausgestaltung der Empfangslinsen als atorische Linsen verringert werden, mit denen die Abbildung nebeneinander liegender Codespuren auf die zugehörigen Sensoren ohne Überlappungen erfolgt.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Positionsmessvorrichtung umfassend eine Maßverkörperung und eine Sensorvorrichtung der bereits beschriebenen Art.
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Die Maßverkörperung kann reflektiv und/oder diffus streuend und/oder diffraktiv ausgebildet sein, so dass das einfallende Licht an der Maßverkörperung reflektiert und/oder gebeugt wird. Die Maßverkörperung kann ferner mehrere Codespuren aufweisen, die insbesondere parallel bzw. konzentrisch verlaufen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert werden. Hierin zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung in Längsrichtung L einer Positionsmessvorrichtung mit einer Sensorvorrichtung und einer Maßverkörperung,
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2 eine schematische Darstellung des Strahlengangs der Positionsmessvorrichtung nach 1,
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3 eine Schnittdarstellung in Querrichtung Q der Sensorvorrichtung nach 1 durch die Empfangslinse,
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4 eine Schnittdarstellung in Querrichtung Q der Sensorvorrichtung nach 1 durch die Sendelinse,
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5 eine perspektivische Darstellung der Sensorvorrichtung nach 1 und
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6 eine Draufsicht der Sensorvorrichtung nach 1.
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In der 1 ist eine Positionsmessvorrichtung 16 mit einer Sensorvorrichtung 1 und einer Maßverkörperung 2 dargestellt. Die Positionsmessvorrichtung 16 findet beispielsweise zur Längen- und/oder Winkelmessung der Positionen von beweglichen Bauteilen Anwendung und wird auch als Encoder bezeichnet.
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Die Sensorvorrichtung 1 umfasst im Wesentlichen zwei Lichtquellen 4, zwei Sendelinsen 3, vier Empfangslinsen 5, vier Lichtsensoren 6, einen Träger 9 und einen Störlichtschutz 7. Die Sensorvorrichtung 1 ist hinsichtlich der Lichtquellen 4, der Linsen 3 und 5 und der Lichtsensoren 6 symmetrisch gespiegelt ausgeführt. Die Lichtsensoren 6 werden durch unterschiedliche Bereiche eines lichtempfindlichen Sensorchips gebildet.
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Die optische Maßverkörperung 2 ist oberhalb der Sensorvorrichtung 1 an einem nicht dargestellten Bauteil angebracht, um dessen Position messen zu können. Die Maßverkörperung 2 ist partiell diffus streuend ausgebildet, so dass das von einer Lichtquelle 4 ausgestrahlte und an der Maßverkörperung 2 diffus reflektierte Licht auf die dem abgetasteten Bereich auf der Maßverkörperung 2 gegenüberliegende Empfangslinse 5 gelenkt wird. Die Sensorvorrichtung ist derart ausgelegt, dass das von der Maßverkörperung 2 an total reflektierenden Bereichen im Einfallswinkel gespiegelte Licht nicht auf die Empfangslinse 5 trifft.
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In einer alternativen Anordnung kann die Empfangslinse 5 auch gezielt in dem gespiegelten Strahlengang angeordnet werden, um die reflektierenden Bereiche auf der Maßverkörperung 2 von absorbierenden oder diffus streuenden Bereichen zu unterscheiden.
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Die Maßverkörperung 2 ist mit einer Positionscodierung in Form von sich abwechselnden Strukturen versehen. Derartige Strukturen können beispielsweise Hell- und Dunkelfelder in Form von Linien sein. Zusätzlich ist es möglich, dass die Strukturen diffraktiv ausgebildet sind, so dass eine definierte Beugung des einfallenden Lichts an der Maßverkörperung 2 hervorgerufen werden kann. Die Strukturen der Maßverkörperung 2 verlaufen vorzugsweise senkrecht zur Messrichtung, also parallel bei Längenmaßstäben und radial bei Winkelmaßstäben.
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Die Maßverkörperung 2 liegt in einer zum Träger 9 und insbesondere zu den Empfangslinsen 5 parallelen Ebene, welche wiederum senkrecht zur optischen Achse der Empfangslinsen 5 verläuft.
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Zur Beleuchtung der Maßverkörperung 2 wird jeweils eine LED als Lichtquelle 4 verwendet. Insbesondere wird eine im nah-infraroten oder roten Spektrum emittierende LED gewählt. Jedoch können auch andere lichtemittierende Lichtquellen 4 wie etwa Laser oder Glühlampen Anwendung finden. Bei den Lichtquellen 4 und dem Lichtsensoren 6 handelt es sich um chipförmige integrierte Schaltungen.
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Die Lichtquellen 4 sind seitlich, das heißt rechts und links der Empfangslinsen 5 auf dem Träger 9 angeordnet. Hierbei befinden sich die Lichtquellen 4 auf einer gemeinsamen Achse mit dem Lichtsensor 6. Durch eine zweiseitige symmetrische Beleuchtung der Maßverkörperung 2 wird eine erhöhte Homogenität der Ausleuchtung und Abbildung erreicht. Zur Abtastung diffraktiver Maßverkörperungen 2 wird vorzugsweise eine einzige Beleuchtung in einem ausgesuchten Winkel verwendet.
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Oberhalb der Lichtquelle 4 ist jeweils eine Sendelinse 3 angeordnet, die das von der Lichtquelle 4 in Richtung der Sendelinse 3 ausgestrahlte Licht bündelt und lenkt. Die Sendelinse 3 ist dabei vorzugsweise als eine Kugellinse ausgeführt.
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Vorzugsweise ist das durch die Sendelinse 3 gelenkte Licht weitgehend kollimiert, so dass das abgebildete Licht auf die Maßverkörperung 2 unter einem bestimmten Winkel trifft. Reflektierende Bereiche auf der Maßverkörperung 2 spiegeln das Licht an der Empfangslinse 5 vorbei. Das Licht von diffus streuenden Bereichen der Maßverkörperung 2 trifft auch die Empfangslinse 5 und die dahinter angeordneten photoempfindlichen Lichtsensoren 6.
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Ein exemplarischer Strahlengang ausgehend von der Lichtquelle 4, über die Sendelinse 3, über die Maßverkörperung 2 auf die Empfangslinsen 5 und weiter auf die Lichtsensoren 6 ist in der 2 dargestellt.
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Für diffraktive Maßverkörperungen 2 entspricht der Einfallswinkel vorzugsweise einer Beugungsordnung der Maßverkörperung 2. Der Ausfallwinkel des an der Maßverkörperung 2 gebeugten Lichts ist dann derart, dass das modulierte Licht senkrecht auf die Empfangslinsen 5 trifft.
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Die Empfangslinsen 5 sind zu einer Linsenplatte als Linsenarray zusammengesetzt, so dass sich ein flächiges Empfangslinsenfeld, insbesondere ein Feld aus vier Empfangslinsen 5 ergibt. Die Empfangslinsen 5 sind als Mikrolinsen ausgebildet, wobei jeweils zwei der Mikrolinsen für eine der beiden Codespuren der Maßverkörperung 2 vorgesehen sind. Die Empfangslinsen 5 sind derart angeordnet, dass die Abbildungen der einzelnen Empfangslinsen 5 jeweils auf einen bestimmten Bereich des Sensorchips abgebildet werden. Zur Verdeutlichung des Aufbaus zeigt 3 einen Querschnitt durch die Sensorvorrichtung 1 im Bereich der Empfangslinsen 5.
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Die als Mikrolinsen ausgebildeten Empfangslinsen 5 sind zudem atorisch ausgebildet. Diese Form der Empfangslinsen 5 dient zusätzlich zu dem Trennelement 12, welches noch näher beschrieben wird, der Vermeidung von Übersprechen zwischen den einzelnen Codespuren der Maßverkörperung 2.
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Unterhalb der Empfangslinsen 5 sind die Lichtsensoren 6 angeordnet. Bevorzugt ist dabei für jede Empfangslinse 5 ein Lichtsensor 6 vorgesehen, der das auf die Empfangslinse 5 abgebildete und durch die Maßverkörperung 2 modulierte Licht an den jeweiligen Lichtsensor 6 weiterleitet. Dabei sind die Empfangslinsen 5 und die Lichtsensoren 6 in parallelen Ebenen angeordnet.
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Die Empfangslinsen 5 und die Lichtsensoren 6 sind auf dem plattenförmigen Träger 9 befestigt, wobei die Lichtsensoren 6 unterhalb der Empfangslinsen 5 angeordnet sind. Zwischen den Empfangslinsen 5 und den Lichtsensoren 6 können verschiedene weitere Komponenten angeordnet sein, wie etwa eine Aperturblende oder ein Aperturblendenarray. Die Empfangslinsen 5 sind zudem in direkter Nähe zu den noch näher zu beschreibenden Lichteintrittsöffnungen 15 angeordnet.
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In den 5 und 6 ist eine Darstellung der Sensorvorrichtung 1 gezeigt, wobei insbesondere der erfindungsgemäße Störlichtschutz 7 vorteilhaft zu erkennen ist. Als Störlicht kann dabei insbesondere Streulicht und/oder Fremdlicht bezeichnet werden. Der Störlichtschutz 7 ist zwischen der Sendelinse 3 und der Empfangslinse 5 angeordnet, um das Streulicht, welches ohne den Störlichtschutz 7 auf die Empfangslinsen 5 und somit auch auf die Lichtsensoren 6 fallen würde, verhindert wird. Der Störlichtschutz 7 ist dabei insbesondere als eine Haube 8 ausgeführt, welche auf den Träger 9 aufgesetzt werden kann, so dass neben dem Einfluss des Streulichts auch der Einfluss des Fremdlichts minimiert werden kann. Hierzu besteht die Haube 8 aus einem undurchsichtigen Kunststoff.
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Die Haube 8 weist ferner Lichtkanäle 10 auf, welche das Licht der Lichtquelle 4 in Richtung der Maßverkörperung 2 lenken und zusätzlich bündeln. Dabei dienen die Begrenzungen der Lichtkanäle 10 als Trennflächen zwischen den Bereichen der Lichtausstrahlung und des Lichtempfanges. Die Lichtkanäle 10 sind als Ausnehmungen in der Haube ausgeführt. Durch einen abgeschlossenen Lichtkanal 10 kann kein Streulicht nach außen dringen und von außen kein Fremdlicht eindringen. Eine Schnittdarstellung durch einen Lichtkanal 10 und eine Sendelinse 3 ist zur Verdeutlichung des Aufbaus in 4 dargestellt.
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In der Haube 8, nämlich in dem Lichtkanal 10, ist die Sendelinse 3 angeordnet. Diese kann durch den Lichtkanal 10 fixiert und in einer definierten Position gehalten werden, siehe auch 4. Der Lichtkanal 10 erstreckt sich vom unteren Rand der Haube 8, welche auf dem Träger 9 aufliegt, bis zu einem sich verjüngenden Ende 11 an den Lichtaustrittsöffnungen 14.
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Die Lichtquelle 4 ist mittig innerhalb des unteren Endes des Lichtkanals 10 auf dem Träger 9 angeordnet. Der Lichtkanal 10 verläuft schräg gegenüber dem Träger 9 und damit auch schräg gegenüber der Lichtquelle 4. Durch einen schrägen Lichtkanal 10 kann zusätzlich zu den durch die Sendelinse 3 hervorgerufenen Brechungs- und Reflexionseffekten der Einfallswinkel auf die Maßverkörperung 2 beeinflusst werden. Somit kann erreicht werden, dass das Licht geeignet auf die Maßverkörperung 2 gelenkt wird. Auch kann dann die Lichtquelle 4 parallel auf dem Träger 9 angeordnet werden, so dass der Fertigungsaufwand verringert wird.
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Die Lichtquellen 4, die Sendelinsen 3, die Empfangslinsen 5 und die Lichtsensoren 6 sind gemäß 5 durch die Haube 8 abgedeckt. Die Haube 8 kann während des Herstellungsprozesses auf den Träger 9 aufgesetzt werden. Die Befestigung erfolgt über eine Klipp- oder Klebeverbindung. Der Träger 9 weist dazu in Längsrichtung L Aussparungen auf, in denen Fortsätze der Haube 8 einrasten.
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Ebenfalls auf dem Träger 9 angeordnet ist eine Steckverbindung 13, welche es dem Anwender ermöglicht, die Sensorvorrichtung 1 als Modulelement in anderen Anwendungen zu verwenden. Durch eine solche Steckverbindung 13 kann die Sensorvorrichtung 1 elektrisch mit den anderen Einrichtungen verbunden werden und eine Datenübertragung und Stromversorgung hergestellt werden.
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Alternativ kann an dem Träger 9 auch eine flexible Leiterplattenerweiterung, beispielsweise auf Basis von Kunststofffolien, zur Verbindung des Modulelements angeordnet sein.
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Die Empfangslinsen 5 und die Lichtkanäle 10 bzw. die Sendelinsen 3 sind durch den Störlichtschutz 7 voneinander entkoppelt. Durch eine Entkopplung der Komponenten kann erreicht werden, dass sich die einzelnen Bereiche nicht gegenseitig beeinflussen.
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Die Haube 8 weist auf der dem Träger 9 abgewandten Seite Öffnungen 14, 15 auf, durch die das Licht aus- und wieder eintreten kann. Die rechte und die linke Öffnung 14, welche an den Enden eines Trennelements 12 angeordnet sind, dienen dem Lichtaustritt aus der Sensorvorrichtung 1. Das von der Lichtquelle 4 emittierte und von der Sendelinse 3 gebrochene Licht kann über die Öffnungen 14 in Richtung der Maßverkörperung 2 geleitet werden. Die Öffnung 15 ist oberhalb der Empfangslinse 5 angeordnet. Sie dient als Lichteintrittsöffnung 15, durch welche das die Positionscodierung enthaltende, durch die Maßverkörperung 2 modulierte Licht in Richtung der Empfangslinse 5 geleitet werden kann.
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Zusätzlich zu der Öffnung 15 oberhalb der Empfangslinse 5 ist in Längsrichtung L ein als Trennsteg ausgebildetes Trennelement 12 an der Haube 8 angeordnet, das als Übersprechschutz zwischen den einzelnen Empfangslinsen 5 und insbesondere der Lichtsensoren 6 dient.
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Die Maßverkörperung 2 weist mehrere Codespuren auf, welche das einfallende Licht unterschiedlich modulieren. Trifft das Licht der jeweiligen Codespur nicht nur auf die der Codespur zugeordnete Empfangslinse 5, wird dies als Übersprechen bezeichnet. Aufgrund dessen ist auch das am Lichtsensor 6 detektierte Lichtsignal verfälscht, so dass eine fehlerhafte Positionsbestimmung verursacht wird.
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Der Trennsteg 12 ist dabei in Längsrichtung L oberhalb der Empfangslinse 5 angeordnet, so dass sich jeweils links und rechts des Trennstegs 12 zwei Linsen 5 befinden. Das Trennelement 12 trennt die von den Codespuren zu den jeweils zugeordneten Empfangslinsen 5 verlaufenden Lichtwege voneinander.
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Das Trennelement 12 ist als Dreieckkörper ausgeführt, wobei die Basis des Dreiecks in einer zur Oberseite der Haube 8 parallelen Ebene, insbesondere jedoch in einer zum Träger 9 parallelen Ebene der Haube 8 verläuft.
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Zusätzlich ist das Trennelement 12 schmal geformt, so dass es nur sehr kleine Bereiche der einzelnen Empfangslinsen 5 überdeckt. So kann erreicht werden, dass zwar ein Übersprechen verhindert wird, aber dennoch möglichst viel Licht auf die Lichtsensoren 6 fällt. Durch eine dreieckige Form, ist das Trennelement 12 an den Strahlengang der Sensorvorrichtung angepasst und beeinflusst diesen nicht negativ.
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Das Trennelement 12 verläuft zwischen den Öffnungen 14 für den Lichtweg in Richtung der Maßverkörperung 2. Die Kanten den Trennelements 12 fluchten zu den Wänden der Lichtkanäle 10, so dass möglichst viel Licht auf die Maßverkörperung 2 trifft. Das Trennelement 12 verläuft ferner in der Öffnung 15 für den Lichtweg von der Maßverkörperung 2 kommend.
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Die vorgehend beschriebene Sensorvorrichtung 1 weist zusammengefasst einen Störlichtschutz 7 auf, welcher den Einfluss von Streulicht und Fremdlicht insbesondere auf die Empfangslinsen 5 verhindern kann. Durch das Vorsehen von atorischen Empfangslinsen 5 und von Trennelementen 12 kann zusätzlich ein Übersprechen zwischen mehreren Codespuren verhindert werden. Somit kann erreicht werden, dass die Position eines Bauteils sicher gemessen werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensorvorrichtung
- 2
- optische Maßverkörperung
- 3
- Sendelinse
- 4
- Lichtquelle
- 5
- Empfangslinse
- 6
- Lichtsensor
- 7
- Störlichtschutz
- 8
- Haube
- 9
- Träger
- 10
- Lichtkanal
- 11
- verjüngendes Ende
- 12
- Trennelement
- 13
- Steckverbindung
- 14
- Lichtaustrittsöffnung
- 15
- Lichteintrittsöffnung
- 16
- Positionsmessvorrichtung
- L
- Längsrichtung
- Q
- Querrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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