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Die Erfindung betrifft einen optischen Positionsencoder mit einer Lichtquelle, einer von der Lichtquelle beleuchteten Maßverkörperung und einem die Maßverkörperung abtastenden Sensor mit mehreren Sensorflächen.
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Derartige Positionsencoder können dazu verwendet werden, um Bewegungen von Bauteilen zu erfassen. Hierbei wird die Maßverkörperung oder der Sensor an dem Bauteil angeordnet, so dass eine Relativbewegung zwischen Maßverkörperung und Sensor entsteht.
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Die Maßverkörperung kann ein periodisches Muster aus hellen und dunklen Bereichen aufweisen, insbesondere ein Strichmuster. Bei einer Bewegung der Maßverkörperung können abwechselnd die hellen und dunklen Bereiche von den Sensorflächen erfasst werden. Die daraus generierten Sinus/Cosinus Signale werden ausgewertet, so dass eine Angabe der Position der Maßverkörperung möglich ist.
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Der Positionsencoder kann als linearer Positionsencoder ausgebildet sein, um eine Linearbewegung des Bauteils zu erfassen. Er kann auch als Rotationsencoder zur Erfassung von Drehbewegungen des Bauteils ausgebildet sein.
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Bei einem Linearencoder umfasst das Muster der Maßverkörperung häufig parallel zu einander angeordnete Striche, wobei die Maßverkörperung eine insgesamt rechteckige Form aufweist. Bei einem Rotationsencoder ist die Maßverkörperung häufig kreisscheibenförmig mit radial verlaufenden Strichen.
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Es sind Durchlichtanordnungen bekannt, bei denen die Maßverkörperung zwischen Lichtquelle und Sensor angeordnet ist. Hierbei werden die Hellflächen zumeist durch schlitzförmige, lichtdurchlässige Bereiche der Maßverkörperung gebildet. Bei einer Reflexionsanordnung befinden sich Lichtquelle und Sensor auf der gleichen Seite der Maßverkörperung, wobei das Licht der Lichtquelle an Hellflächen der Maßverkörperung reflektiert wird und dann zum Sensor gelangt.
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Als Lichtquelle werden häufig LEDs verwendet, da diese eine kleine Baugröße und lange Lebensdauer aufweisen. Die im Stand der Technik verwendeten Lichtquellen emittieren Licht im infraroten oder roten Spektralbereich. Dies bietet den Vorteil, dass die im Regelfall verwendeten Lichtsensoren auf Siliziumbasis in diesem Wellenlängenbereich besonders empfindlich sind und einen hohen Wirkungsgrad aufweisen.
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Aus der
WO 2013/174216 A1 ist zudem bereits ein optischer Positionsencoder bekannt, bei dem eine blaue Lichtquelle zu Einsatz kommt.
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Der Sensor kann als integrierte Schaltung ausgebildet sein und Fotodioden umfassen, deren lichtempfindliche Bereiche die Sensorflächen bilden. Die Sensorflächen können streifenförmig sein. Bei Linearencodern sind die Sensorflächen häufig rechteckig. Bei Rotationsencodern sind die Sensorflächen zur Anpassung an die Rotationskontur häufig entsprechend flächentransformiert und damit speichenförmig.
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Im Stand der Technik wird ein derartiger Encoder in der
EP 0 541 829 B1 gezeigt. Hierin wird auch eine besondere Ausgestaltung der die Lichtwellen empfangenden Sensorflächen beschrieben. Die Sensorflächen können Randlinien aufweisen, welche Ausschnitte einer Sinusfunktion beinhalten, so dass sich ein insgesamt S-förmiger Verlauf der Sensorflächen ergibt. Zur besseren Flächenausnutzung können diese Elemente auch an einer Achse parallel zur Messrichtung gespiegelt und angereiht sein. Diese besonderen Formen der Sensorflächen werden verwendet, um bei Verwendung einer Schlitzblende einen sinusförmigen Signalverlauf mit geringen Oberwellen zu erhalten. Die in der
EP 0 541 829 B1 gezeigten Formen der Sensorflächen können auch bei der vorliegenden Erfindung Anwendung finden.
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Im Stand der Technik besteht der Nachteil, dass gewünschte feine Sensor-Strukturen wie schmale oder spitze Bereiche der Sensorflächen nur ab einer gewissen Mindestgröße zu einem ausreichenden Fotoeffekt führen und damit messbare Beiträge zum sinusförmigen Signalverlauf liefern. Ohne diese Beiträge ergeben sich wieder störende Oberwellen. Dieser Nachteil resultiert aus den verwendeten Verfahren der Fotolithographie und/oder der Ätztechnik.
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Dies hat zur Folge, dass der Sensor bei einer vorgegebenen Sensorflächenform entweder eine entsprechende gewisse Mindestgröße haben muss oder dass bei gleicher Baugröße des Sensors weniger Sensorflächen auf dem Sensor angeordnet werden können, so dass die Sensor-Auflösung verringert wird.
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Die Erfindung hat die Aufgabe, einen Positionsencoder bereitzustellen, dessen Sensor feinere ausleuchtbare Strukturen aufweist, so dass die Sensorgröße verkleinert und/oder die Sensorauflösung vergrößert werden kann.
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Die Aufgabe wird gelöst durch einen optischen Positionsencoder mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Bestandteil der abhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß sendet die Lichtquelle des optischen Positionsencoders der eingangs genannten Art Licht mit einer Wellenlänge von weniger als 500 nm aus. Bevorzugt sendet damit die Lichtquelle, die insbesondere als LED ausgebildet ist, blaues oder ultraviolettes Licht aus.
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Durch die Verwendung von derartigem Licht ist die Möglichkeit gegeben, feinere Sensor-Strukturen auszuleuchten. Derart feine Strukturen im μm-Bereich reichen als dotierte pn-Übergänge bei einem Halbleiter-Substrat mit den entsprechenden Raumladungszonen nur im 100 nm-Bereich in das Substrat hinein. Bei der Beleuchtung mit längerwelligem Licht dringen die Photonen aber tiefer in das Halbleiter-Substrat ein und generieren Ladungsträger in einen Bereich hinter der Raumladungszone, wo sie wenig effektiv getrennt werden und zum Stromfluss beitragen.
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Durch das erfindungsgemäße kürzerwellige Licht dringt dieses nicht mehr so tief in das Halbleiter-Substrat ein. Die Photonen des kürzerwelligen Lichts gelangen damit nur noch in erheblich geringerem Maße in Bereiche hinter der Raumladungszone, so dass auch bei feinen und flachen Sensorstrukturen noch ausreichend Ladungsträger nah und in der Raumladungszone generiert und getrennt werden. Das kürzerwellige Licht kann hier durch blaues Licht realisiert werden.
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Bevorzugt umfasst der Sensor ein Halbleiter-Substrat auf Siliziumbasis. Das Halbleiter-Substrat kann auch aus einem eher blauempfindlichen Material bestehen und/oder Zusätze aufweise, die das Halbleiter-Substrat, insbesondere die Fotodioden, blauempfindlicher machen.
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Der Sensor kann über den lichtempfindlichen Flächen einen Filter aufweisen, das bevorzugt oder ausschließlich das Licht im ausgesendeten Wellenlängenbereich durchlässt. Bevorzugt wird ein Blaufilter verwendet.
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Durch die erfindungsgemäße Verwendung von Licht mit einer Wellenlänge von weniger als 500 nm ist es damit möglich, feinere Strukturen auszubilden und zu nutzen. Die Sensorflächen können kleinere Abmessungen haben und/oder spitzere Bereiche, wie spitze Ecken und/oder spitze Einkerbungen, aufweisen.
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Bevorzugt beträgt die Wellenlänge des ausgesendeten Lichtes weniger als 480 nm. Ferner kann die Wellenlänge des ausgesendeten Lichtes größer als 400 nm, bevorzugt größer als 425 nm und besonders bevorzugt größer als 450 nm sein. Das ausgesendete Licht erstreckt sich somit auch in den grünen Bereich des sichtbaren Spektrums des Lichts.
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Der Form der Sensorflächen kann bei der Verwendung von blauem oder ultraviolettem Licht eine besondere Bedeutung zukommen:
Die Sensorflächen umfassen erfindungsgemäß mehrere Teilflächen. Diese Teilflächen können symmetrisch zueinander angeordnet sein. Bei einem linearen Positionsencoder können die Teilflächen spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet sein. Bei einem Rotationsencoder können die Sensorflächen ebenfalls symmetrisch zueinander angeordnet sein, wobei die Symmetrie die Ausgestaltung der Sensorflächen für eine Rotationsanordnung berücksichtigt.
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Die Symmetrieachse kann in beiden Fällen in Messrichtung verlaufen. Die Messrichtung ist bei einem linearen Encoder eine Gerade. Bei einem Rotationsencoder ist die Messrichtung eine Kreislinie, wobei der Mittelpunkt der Kreislinie insbesondere in der Drehachse des Sensors oder der Maßverkörperung liegt.
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Die Sensorflächen können zwei oder mehr Teilflächen umfassen, die in der beschriebenen Art jeweils aneinander folgend gespiegelt angeordnet werden. So ist eine Ausgestaltung mit zwei, drei, vier oder mehr übereinander angeordneten Teilflächen möglich. Hierdurch werden schmale, längliche Sensorflächen gebildet, so dass eine hohe Packungsdichte (Füllfaktor) für die ausgeleuchtete Fläche erreicht werden kann.
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Die Form der Teilflächen wird durch deren Randlinien bestimmt:
Die Teilflächen können jeweils mindestens eine in Messrichtung verlaufende Randlinie aufweisen. Bei einem Linearencoder ist diese Randlinie damit gerade, bei einem Rotationsencoder gebogen. Ferner können die Teilflächen jeweils zudem eine gegenüberliegende in Messrichtung verlaufende Randlinie aufweisen.
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Besonders bevorzugt schließen die Teilflächen an der in Messrichtung verlaufenden Randlinie aneinander an. Die Teilflächen können sich berühren. Bei einer derartigen nahtfreien Anordnung der Teilflächen hat die entstehende Sensorfläche auf Grund der Verschmelzung der Teilflächen an dieser Stelle keine sichtbare Randlinie mehr.
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Erfindungsgemäß weisen die Teilflächen jeweils zwei schräg zur Messrichtung verlaufende, gegenüberliegende Randlinien auf. Diese schrägen Randlinien, die unter einem Winkel zur Messrichtung verlaufen, können bevorzugt einer Sinusviertelperiode entsprechen. Sie können bogenförmige Endabschnitte aufweisen. Diese können in Richtung der in Messrichtung verlaufenden Randlinien hin gebogen sein.
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Aufgrund der gewünschten Verkleinerung der Strukturen können die insbesondere zusammengesetzten Sensorflächen spitze, nach innen oder außen gerichtete Bereiche aufweisen. Diese können im Rahmen der Fertigung problematisch sein, da sie so klein sind, dass ein Verschleifen der Strukturen auftreten kann. Diese Probleme sind fotolithographisch und/oder ätztechnisch bedingt. Ein solches Verschleifen kann Oberwellen im Signal erzeugen und zu Problemen bei der Messgenauigkeit führen.
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Aus diesem Grund sieht die Erfindung vor, dass in einem Endbereich einer in Messrichtung verlaufenden Randlinie die angrenzende schräge Randlinie derart verschoben sein, dass ein spitzer Bereich aufgeweitet ist. Die Verschiebung kann im Wesentlichen in einer Richtung senkrecht zur Messrichtung erfolgen. Durch dieses definierte Verschieben und Aufweiten werden die Probleme beim Verschleifen erheblich verringert, wobei die Verschiebung bei der Verarbeitung und/oder Auswertung der Messsignale berücksichtigt werden kann.
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Besonders bevorzugt wird allerdings die gegenüberliegende schräge Randlinie an der gleichen Stelle bezüglich der Messrichtung abstandstreu verschoben.
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Durch diese gleichförmige Verschiebung der gegenüberliegenden Randlinien heben sich die Folgen der Verschiebung auf. Die Verschiebung sollte um den gleichen Betrag sowie in der gleichen Richtung erfolgen. Durch eine derartige Parallelverschiebung wird eine Flächenkonstanz der Sensorfläche zu allen Positionen der Abtastung der streifenförmigen Maßverkörperung in Messrichtung erreicht.
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Durch eine derartige geometrische Flächenverschiebung können spitze Bereiche und Winkel an Stoßstellen und Ecken vermieden werden, die sonst durch die scharfe Abbildung im kurzwelligen Licht zu verzerrten Fotoströmen führen. Damit wird zwar der sonst bei Nutzung der Mindestabstände zwischen den Fotodioden mögliche Füllfaktor verkleinert, dafür wird aber die Signalqualität deutlich erhöht.
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Durch die Verschiebung ist es beispielsweise möglich, einen Zwickelbereich, insbesondere im Bereich der aneinander grenzenden Teilflächen, derart zu verändern, dass dieser nicht mehr spitz zulaufend ist und zu einer entsprechenden spitzen Einbuchtung der Sensorfläche führt.
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Der Sensor kann mehrere Sensorflächen aufweisen, die bevorzugt wie folgt angeordnet werden:
Es können mehrere Sensorflächen des Sensors verschachtelt in Messrichtung hintereinander liegen. Es kann sich damit eine chevronförmige Anordnung der Sensorflächen ergeben. Damit kann eine hohe Flächenausnutzung erreicht werden.
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Die einzelnen Sensorflächen können periodisch miteinander elektrisch verbunden sein. Beispielsweise kann jede Sensorfläche mit der darauffolgenden fünften Sensorfläche kontaktiert sein, so dass sich ein Sinus/Kosinus mit 90° Phasendifferenz ergibt. Es ist auch eine Kontaktierung jeder Sensorfläche mit der darauffolgenden vierten Sensorfläche möglich, was zu Sinus-Signalen mit 120° Phasendifferenz führt.
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Durch die Erfindung ist es möglich, dass die Strukturen sehr klein werden können. Damit ist es möglich, dass die Breite der Sensorfläche an der schmalsten Stelle in Messrichtung weniger als 20 μm, bevorzugt weniger als 10 μm und besonders bevorzugt weniger als 5 μm beträgt. In entsprechender Weise kann die Breite der Sensorfläche an der breitesten Stelle in Messrichtung weniger als 30 μm, bevorzugt weniger als 15 μm, besonders bevorzugt weniger als 7 μm betragen.
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Die Maßverkörperung kann wie eingangs beschrieben ein Streifenmuster umfassen. Das Streifenmuster kann aus periodisch angeordneten Streifen bestehen. Bei einer Durchlichtanordnung werden die hellen Bereiche des Streifenmusters durch Schlitze gebildet. Diese können mit einem transparenten Material gefüllt sein. Bei einer Reflexionsanordnung sind die hellen Bereiche reflektierend oder streuend ausgebildet.
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Durch die Erfindung ist es möglich, nicht nur die Sensorstrukturen zu verkleinern, sondern damit einhergehend auch die Strichbereite des Streifenmusters zu verringern. Die Strichbreite des Streifenmusters beträgt insbesondere weniger als 90 μm, bevorzugt weniger als 45 μm, besonders bevorzugt weniger als 20 μm.
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Der Sensor kann wie eingangs beschrieben als integrierte Schaltung ausgestaltet sein. Hierbei können lichtempfindliche Bereiche in dem Halbleiter-Substrat sein und Fotodioden bilden. Die Oberflächen der lichtempfindlichen Bereiche können die Sensorflächen bilden.
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Besonders bevorzugt aber ist zur Bildung einer Sensorfläche eine Blende, insbesondere aus Metall, bevorzugt in einer Metallisierungsebene der integrierten Schaltung, über einem lichtempfindlichen Bereich des Halbleiter-Substrats angeordnet.
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Hierbei kann die Blende die bereits beschrieben Randlinien aufweisen. Die Randlinien beschreiben die Form der Blendenöffnung. Durch die Blende wird die aktive Sensorfläche definiert, da nur durch die Blendenöffnung Licht auf den lichtempfindlichen Bereich des Substrates gelangen kann. Die Flächen der lichtempfindlichen Bereiche können dann etwas größer sein als die Blendenöffnungen bzw. die Sensorflächen. Sie sollten hinsichtlich der Form aber im Wesentlichen der Form der Blendenöffnung entsprechen, damit eine hohe Flächennutzung erreicht wird.
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Mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt. Es zeigen:
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1 einen optischen Positionsencoder in schematischer Darstellung;
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2 einen Ausschnitt der Blende des Sensors aus 1;
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3 einen Ausschnitt der lichtempfindlichen Sensorbereiche aus 1;
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4 einen Ausschnitt der Blende gemäß 2;
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5 den Ausschnitt gemäß 4 ohne Verschiebungstransformation;
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6 eine Blende für einen Rotationsencoder und
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7 eine Darstellung zur Flächentransformation.
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Die 1 zeigt einen schematischen Aufbau eines optischen Positionsencoders 1. Der Positionsencoder 1 umfasst mindestens eine blau leuchtende LED 2, die eine Maßverkörperung 3 beleuchtet. Die Maßverkörperung 3 ist als geschlitzte Platte ausgebildet oder als maskiertes Glas. Sie weist ein periodisches Strichmuster auf. Das von der Lichtquelle 2 ausgesendete Licht kann durch die Schlitze 20 der Maßverkörperung 3 hindurchtreten und auf den Sensor 4 treffen.
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Der Sensor 4 umfasst eine integrierte Schaltung und ist als Chip ausgebildet. Auf dem Halbleiter-Substrat 5 mit lichtempfindlichen Bereichen ist eine metallene, intransparente Blende 6, bevorzugt aus Aluminium, angeordnet, die Aussparungen als Blendenöffnungen aufweist, durch die das Licht hindurchtreten kann.
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Die Maßverkörperung 3 kann an einem linear bewegten Bauteil angeordnet werden, so dass bei einer Bewegung in der Messrichtung x des Bauteils auch die Maßverkörperung in der Messrichtung x mit bewegt wird. Über den die Maßverkörperung 3 abtastenden Sensor 4 kann die Position der Maßverkörperung 3 und somit die Position des Bauteils ermittelt werden.
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Die in der 1 gezeigte Anordnung stellt eine Durchlichtanordnung dar. In analoger Weise kann auch eine Reflexionsanordnung verwendet werden, bei der die Lichtquelle 2 und der Sensor 4 auf der gleichen Seite der Maßverkörperung 3 angeordnet ist. Die Maßverkörperung 3 weist dann helle oder reflektierende und dunkle Bereiche als Striche auf, wobei ein heller Bereich einem Schlitz 20 entspricht.
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In analoger Weise kann die Anordnung zudem als rotatorischer Positionsencoder 1 für die Erfassung von Drehbewegungen aufgebaut sein. Hierbei kann die Maßverkörperung 3 als Scheibe ausgebildet sein. Auf der Maßverkörperung können radial verlaufende Schlitze angeordnet sein, die das Strichmuster bilden.
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Die Schlitze 20 der Maßverkörperung 3 können sehr fein ausgeführt sein. Die Breite B eines Schlitzes 20 und damit eines Striches kann weniger als 90 μm, bevorzugt weniger als 45 μm, besonders bevorzugt weniger als 20 μm, betragen. Als Mindeststrichgröße kann eine Breite B von 1 μm angegeben werden.
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Der Positionsencoder 1 liefert ein sinusförmiges Signal. Dieses kann in einer Auswerteschaltung, die im Chip 5 integriert sein kann, ausgewertet werden, so dass eine Positionsangabe möglich ist.
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Zur Interpolation mit Richtungserkennung werden die Signale Sin, Cos, Nsin und Ncos mit entsprechend periodisch versetzt angeordneten zugehörigen Sensorflächen 7 erzeugt. Diese werden im Folgenden beschrieben:
In der 2 ist ein Ausschnitt der metallenen Blende 6 dargestellt, die über den lichtempfindlichen Bereichen des Halbleiter-Substrats 5 angeordnet ist. Die Blende 6 weist mehrere in Messrichtung x angeordnete Sensorflächen 7 auf. Die Sensorflächen 7 sind von gleicher Form und verschachtelt in Messrichtung x aneinander gereiht. Damit ergibt sich eine hohe Packungsdichte. Durch die Verschachtelung wird zudem der Gleichlauf der Signale und eine Mittelung bezüglich lokaler Intensitätsunterschiede der Beleuchtung erreicht.
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Jede Sensorfläche 7 besteht aus zwei Teilflächen 8. Jede Teilfläche 8 wird durch vier Randlinien 10, 11, 12 und 13 begrenzt. Hierbei sind zwei in Messrichtung x verlaufende Randlinien 10 und 11 gegenüberliegend angeordnet. Zudem sind zwei schräg zur Messrichtung x verlaufende Randlinien 12 und 13 gegenüberliegend angeordnet. Die Randlinien 12 und verlaufen zudem schräg zu der zur Messrichtung x senkrechten Richtung y.
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Die beiden Teilflächen 8 einer Sensorfläche 7 sind spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet. Die Spiegelachse entspricht der in Messrichtung x verlaufenden Randlinie 10. Dadurch, dass die beiden Teilbereiche 8 an der Randlinie 10 unmittelbar aneinander angrenzen, ist die Randlinie 10 auf der Blende 6 nicht als Kante zu sehen. Der Winkel zwischen Messrichtung x und schräger Randlinie liegt bevorzugt im Bereich von 50° bis 80°.
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Durch die Verwendung einer Lichtquelle 2, die Licht mit einer Wellenlänge von weniger als 500 nm aussendet, ist es möglich, die Sensorflächen 7 sehr schmal und mit feinen Strukturen auszuführen. So beträgt die Breite D1 der Sensorfläche 7 an der schmalsten Stelle in Messrichtung x weniger als 20 μm, bevorzugt weniger als 10 μm, besonders bevorzugt weniger als 5 μm. Die Breite D2 der Sensorfläche 7 an der breitesten Stelle in Messrichtung x beträgt weniger als 30 μm, bevorzugt weniger als 15 μm, besonders bevorzugt weniger als 7 μm. Als untere Grenze für die Breite D1 und D2 kann 1 μm angesehen werden.
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Die feinen Strukturen sind noch auswertbar, obwohl die Raumladungszonen nicht sonderlich tief in der Richtung z im Substrat 5 liegen, nämlich im Bereich von 100 nm. Die Photonen des kurzwelligen Lichts dringen ebenfalls nur flach in Richtung z in das Substrat 5 ein, so dass sich ein guter Ausnutzungsgrad ergibt, der zu einem auswertbaren Fotostrom führt. Bevorzugt sollten LEDs mit hohem Wirkungsgrad verwendet werden, damit der in diesem Wellenlängenbereich niedrige Wirkungsgrad der Fotodioden, z. B. aus Silizium, kompensiert wird.
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Die Blende 6 kann über die Kontaktierungsbereiche 16 elektrisch kontaktiert und auf ein vorbestimmtes Potenzial gebracht werden.
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Ein Ausschnitt des Halbleiter-Substrats 5, über dem die Blende 6 angeordnet ist, ist in 3 dargestellt ist. Das Halbleiter-Substrat 5 weist lichtempfindliche Bereiche 9 auf, die als Fotodioden ausgebildet sind. Die lichtempfindlichen Bereiche 9 können über die Kontaktbereiche 17 unter dem Kontaktierungsbereich 16 in 2 kontaktiert werden.
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Die lichtempfindlichen Bereiche 9 weisen eine ähnliche Form wie die darüber liegenden Aussparungen der Blende 6 auf. Die lichtempfindlichen Bereiche 9 sind allerdings etwas größer dimensioniert als die Aussparungen der Blende 6 und herstellungstechnisch etwas gröber geformt als die Aussparungen der Blende 6. Die Aussparungen der Blende 6 bilden mit den lichtempfindlichen Bereichen 9 die aktiven Sensorflächen 7 des Sensors 4.
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Von der Erfindung mitumfasst ist allerdings auch eine Ausgestaltung, bei der über den lichtempfindlichen Bereichen 9 des Halbleiter-Substrates 5 keine Blende 6 angeordnet ist. In diesem Fall stellen die Oberflächen der lichtempfindlichen Bereiche 9 die Sensorflächen 7 dar.
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Im Folgenden werden die Teilflächen 8 genauer beschrieben:
Die Berandung der Teilflächen 8 beruht auf einer mathematischen Vorgabe, damit ein weitestgehend idealer sinusförmiger Signalverlauf ohne Oberwellen erhalten werden kann. Die Teilflächen 8 weisen jeweils zwei in Messrichtung x verlaufende gerade Randlinien 10 und 11 auf. Zudem weisen die Teilflächen jeweils zwei gegenüberliegende schräg zur Messrichtung x verlaufende Randlinien 12 und 13 auf. Die Randlinien 12 und 13 verlaufen weitgehend entsprechend einem Sinusabschnitt, insbesondere einer Sinusviertelperiode. Die Randlinien 12 und 13 haben daher jeweils an einem Endbereich einen bogenförmigen Abschnitt 19. Im Bereich des Endes des bogenförmigen Abschnittes 19 ist die schräge Randlinie 12, 13 mit der in Messrichtung x verlaufenden Randlinie 10, 11 verbunden.
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Aufgrund der sehr kleinen Strukturen können bei der Herstellung Schwierigkeiten im Berührbereich der beiden Teilflächen 8 auftreten. Da in diesem Bereich zwei bogenförmige Abschnitte 19 der Teilflächen 8 zu der geraden Randlinie 10 zusammenlaufen, entsteht ein Zwickelbereich 14. Entsprechend weist die Sensorfläche 7 damit an dieser Stelle einen spitzen Bereich 21, nämlich eine spitze, nach innen gerichtete Einkerbung auf.
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Eine solche spitze Formgebung ist sowohl auf der Ebene der Blende 6 als auch auf der Ebene des Halbleiter-Substrates 5 dennoch problematisch in der Herstellung. Es kann eine Verschleifung auftreten mit dem Resultat, dass die Form des Spitzenbereiches „verwäscht” und unscharf wird. Eine derart ungenau hergestellte feine Struktur kann zu unerwünschten Oberwellen in dem Messsignal führen. Überdies können an derart feinen Strukturen unerwünschte Beugungserscheinungen auftreten. Zur Verringerung der Oberwellen sollten die spitzen Bereiche der Sensorflächen 7 daher aufgeweitet werden.
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Die 4 und 5 zeigen vergrößert mögliche Ausgestaltungen des Berührbereiches von zwei Teilflächen 8 einer Sensorfläche 7, wobei bei der 4 Maßnahmen ergriffen sind, um das Problem der herstellbedingten Verschleifung spitzer Winkel zu reduzieren:
In 4 wird gezeigt, dass die schrägen Randlinien 13 erfindungsgemäß um einen vorgegebenen Betrag in einer Richtung y senkrecht zur Messrichtung x verschoben werden. Es ergibt sich eine Unstetigkeitsstelle der Randlinie 12. Die Verschiebung hat zur Folge, dass die Einkerbung 21 nicht mehr so spitz verläuft, wie bei einer entsprechenden Ausgestaltung ohne Versatz, die als Einkerbung 21' in 5 dargestellt ist. Durch Vergleich der 4 mit der 5 ist ersichtlich, dass der Zwickelbereich 14 durch den Versatz der Randlinie 13 in vertikaler Richtung y in 4 nicht mehr so tief als spitze Einkerbung 21 in die Sensorfläche 7 hineinreicht wie der Zwickelbereich 14' in 5.
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Damit der geometrische Versatz der schrägen Randlinien 13 im Zwickelbereich 14 sich nicht nachteilig auf das Messsignal auswirkt, sind die gegenüberliegenden schrägen Randlinie 12 an der gleichen Stelle 15 bezüglich der Messrichtung x ebenfalls in einer Richtung y senkrecht zur Messrichtung x verschoben. Es ergibt sich eine Unstetigkeitsstelle der Randlinie 12. Der Parallel-Versatz der schrägen Randlinie 12 erfolgt abstandstreu gegenüber der schrägen Randlinie 13, so dass eine Flächenverschiebung entsteht. Es wird eine Flächenkonstanz der Teilflächen 8 und damit der Sensorfläche 7 bis zu jeder Position auf der x-Achse erreicht. Die Randlinie 12 wird daher an der Stelle 15 um den gleichen Betrag und die gleiche Richtung verschoben, wie die schräge Randlinie 13 an der entsprechenden Stelle 18.
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Die 2 bis 5 zeigen Ausschnitte des Sensors 4 für einen linearen Positionsencoder 1. Die 6 zeigt eine analoge Ausgestaltung für einen rotatorischen Positionsencoder. Dargestellt ist die entsprechende Blende 6 mit den Sensorflächen 7. Die Sensorflächen 7 bestehen wiederum jeweils aus zwei Teilflächen 8, die ihrerseits jeweils zwei in Messrichtung x verlaufende Randlinien 10 und 11 sowie zwei schräg zur Messrichtung x verlaufende Randlinien 12 und 13 aufweisen. Da der Sensor zur Detektion von Kreisbewegungen dienen soll, sind die Sensorflächen 7 in radialer Richtung auf einer Kreisscheibe angeordnet. Die Messrichtung x entspricht damit einer Kreisbahn. Daher verlaufen auch die in Messrichtung x verlaufenden Randlinien 10 und 11 kreisbahnförmig.
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Die Form der Teilflächen 8 ergeben sich gemäß der in 7 dargestellten flächentreuen Transformation. Die Flächen L der linearen Anordnung werden wie dargestellt in entsprechende Flächen R der Rotationsanordnung überführt. Die Messrichtung xL bezeichnet dabei die Messrichtung der Linearanordnung und die Richtung xR bezeichnet die Messrichtung der Rotationsanordnung.
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Die in 6 dargestellten Teilflächen 8 sind bezüglich dieser Transformation damit jeweils symmetrisch zueinander angeordnet und grenzen an der Randlinie 10 aneinander an.
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In nicht dargestellter Weise kann über den lichtempfindlichen Bereichen 9 ein Filter, insbesondere eine Filterschicht, angeordnet sein, das bevorzugte Licht im Bereich des ausgesendeten Spektrums durchlässt, z. B. ein Blaufilter. Der Filter ist damit an die Lichtquelle 2 angepasst. Der Filter kann oberhalb der Blende 6 oder zwischen Blende 6 und Substrat 5 angeordnet sein. Hierdurch kann die Wirkungsweise der Anordnung verbessert und störendes Fremdlicht herausgefiltert werden.
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Durch die Verwendung von kurzwelligem Licht in der Kombination mit den beschriebenen Maßnahmen zur geometrischen Auslegung der Sensorflächen und der geometrischen Korrekturen ist es möglich, feinere Strukturen der Sensorflächen zu erhalten, so dass eine hohe Auflösung und ein hoher Kontrast sowie eine hohe Interpolierbarkeit auch bei kleinem Geberdurchmesser erreicht wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Positionsencoder
- 2
- Lichtquelle
- 3
- Maßverkörperung
- 4
- Sensor
- 5
- Halbleiter-Substrat
- 6
- metallene Blende
- 7
- Sensorfläche
- 8
- Teilfläche
- 9
- lichtempfindliche Fläche des Substrats
- 10
- gerade Randlinie
- 11
- gerade Randlinie
- 12
- schräge Randlinie
- 13
- schräge Randlinie
- 14
- Zwickelbereich
- 15
- Stelle einer Verschiebung
- 16
- Kontaktierungsbereich
- 17
- Kontaktbereich
- 18
- Stelle einer Verschiebung
- 19
- Bogenabschnitt
- 20
- Schlitz
- 21
- spitzer Bereich
- B
- Strichbreite
- D
- Breite
- L
- Fläche einer Linearanordnung
- R
- Fläche einer Rotationsanordnung
- x
- Messrichtung
- y
- Richtung senkrecht zur Messrichtung
- z
- Tiefenrichtung
