DE19510726A1

DE19510726A1 - Verfahren zur Ausrichtung eines Lichtweges bei einer Optikeinrichtung

Info

Publication number: DE19510726A1
Application number: DE19510726A
Authority: DE
Inventors: Jun Robert J Figueria
Original assignee: Siemens Components Inc
Current assignee: SMI Holding LLC
Priority date: 1994-03-31
Filing date: 1995-03-24
Publication date: 1995-10-05
Anticipated expiration: 2015-03-25
Also published as: US5701007A; JPH0850038A; DE19510726C2

Description

Technisches Gebiet

Eine verwandte Anmeldung mit der Bezeichnung "OPTISCHER KODIERER" von demselben Erfinder wird am selben Tag wie die vorliegende Anmeldung eingereicht und ist unter Bezugnahme hier aufgenommen.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Lichtweges bei einer Optikein richtung, die im wesentlichen keine Fehlausrichtung aufweist.

Stand der Technik

Für Drehwellenlagemessung werden viele gewöhnlich als Weggeber oder Kodierer bekannte Wandlerarten benutzt. In den letzten Jahren sind die klassischen Analogkodierer in den meisten Anwendungen durch Kodierer ersetzt worden, die eine direkte digitale Messung liefern. Unter den Digitalarten haben Kodierer, die zur Auflösung der Lage und Bewegung von Wellen Lichtstrahlen benutzen, d. h. optische Kodierer, besonders gute Akzeptanz auf dem Markt gefunden.

Mit nur einem Ausgang aufgebaute optische Kodie rer können Wellenbewegung, aber nicht -richtung fühlen und werden bei Drehzahlmesseranwendungen zur Bestimmung der Geschwindigkeit benutzt. Mit zwei Ausgängen aufgebaute optische Kodierer, d. h. Inkrementalkodierer, können Wellenbewegung und die Bewegungsrichtung erkennen. Bei einem Inkrementalkodierer kann auch ein Null bezugsausgang oder Indeximpuls genannter dritter Ausgang dazu benutzt werden, eine eindeutige Winkellage der Welle zu lokalisieren und damit einen bekannten Bezugspunkt zum Beginnen einer Operation oder eines Prozesses zu definie ren. Es ist auch möglich, einen optischen Absolutwert geber aufzubauen, bei dem eine Vielzahl von Ausgängen zur Bildung einer Binärdarstellung der absoluten Winkellage der Welle benutzt wird.

Ungeachtet der Art und spezifischen mechanischen Bauweise werden bei optischen Kodierern im allgemeinen dieselben optischen Erfassungsmechanismen und Bauteile benutzt: eine Lichtquelle, ein im Quellenlichtweg befindlicher Lichtmodulator und Lichtdetektoren, die das modulierte Licht aufnehmen und als Reaktion darauf elektrische Signale erzeugen. Die Lichtquelle kann beispielsweise eine Leuchtdiode (LED) sein und kann elektromagnetische Strahlung im Infrarot- bis Ultra violett-Spektralbereich abgeben. Der Lichtmodulator weist gewöhnlich die Form einer zu der sich drehenden Welle konzentrischen dünnen Scheibe beziehungsweise eines dünnen Rades auf, deren bzw. dessen Endflächen senkrecht zum Quellenlichtweg stehen. Das Lichtrad weist ein auf den Endflächen gebildetes Muster von lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Bereichen auf, so daß bei Drehung der Welle das das Rad durchlaufende Quellenlicht entsprechend dem Muster unterbrochen wird. Das vom Rad erleuchtete eindeutige Lichtmuster wird von den Licht detektoren abgefühlt. Als Reaktion darauf erzeugen die Detektoren elektrische Signale, die zwischen einem hohen Spannungspegel und einem niedrigen Spannungspegel wech seln und die als fortlaufende zeitlich veränderliche Rechteckwellen graphisch dargestellt werden können. Bei optischen Inkrementalkodierern wird ein Ausgang von einem Detektor zur Erkennung der Wellenbewegung benutzt und der Phasenunterschied von zwei (von getrennten Detektoren erzeugten) Ausgaben zur Erkennung der Wellenbewegungs richtung benutzt.

Bei einem bestehenden optischen Inkremental kodierer für eine medizinische Infusionspumpenanlage wird ein auf eine erste Leiterplatte aufgelötetes diskretes optisches Bauteil wie eine LED dazu benutzt, als Licht quelle oder Lichtstrahler zu wirken, und drei zusätzliche auf eine zweite Leiterplatte aufgelötete LED werden dazu benutzt, als die Lichtdetektoren zu wirken. Der Kodierer weist auch zwei Blenden und ein im Lichtweg angeordnetes Kodiererrad auf. Die Blenden und das Kodiererrad spalten das Licht vom LED-Strahler in drei Teile auf, so daß von den jeweiligen LED-Detektoren unterschiedliche Licht signale erfaßt werden und drei elektrische Signalausgaben erzeugt werden. Durch das Aufspalten des Quellenlichtes können die Phasen- und Zeitmessungs-Ausgangsverhältnisse erzeugt werden, die von der zugehörigen Detektorschaltung zur Bestimmung der Wellenlage und -bewegung und damit zur Steuerung der Pumpenanlage benutzt werden. Die Lichtwege zwischen dem LED-Strahler und den LED-Detektoren werden durch die relative Lage der LED auf den entsprechenden Platten, die mechanische Ausrichtung der beiden Platten und die Stelle des Chips in jeder Einzel-LED definiert.

Ein Problem des bestehenden Kodierers besteht darin, daß durch die sehr geringen Abmessungen des Kodiererrades und des Radmusters geringe mechanische Ausrichtungsabweichungen die Lichtwege verändern und damit die Genauigkeit der Erfassung des modulierten Lichtes beeinträchtigen. Obgleich bei dem bestehenden Kodierer zwei Justierschrauben dazu benutzt werden, die beiden Leiterplatten und die beiden Blenden miteinander zu verbinden, erfolgt keine direkte Ausrichtung der Blenden, des Kodiererrades und der LED. Infolgedessen sind die Lichtwege zwischen dem LED-Strahler und den LED-Detektoren einer Fehlausrichtung ausgesetzt und erfordern häufige Eichung. Darüber hinaus mangelt es dem bestehenden Kodierer an einem einzelnen Bezugspunkt zur Ausrichtung der Blenden, des Kodiererrades und der LED. Sowohl Ausrichtung als auch Eichung dieser Bauteile ist daher ziemlich umständlich, zeitaufwendig und ungenau.

Bei dem bestehenden Kodierer gibt es ein weiteres Problem in bezug auf seinen optischen Erkennungs mechanismus. Insbesondere ergibt die Aufspaltung des Quellenlichtes durch die beiden Blenden und das Kodiererrad einen bedeutenden Verlust der Lichtmenge vom LED-Strahler zu den LED-Detektoren. Dadurch wird sowohl die Genauigkeit als auch die Leistung des bestehenden Kodierers beeinflußt. Folglich erfordert der bestehende Kodierer zusätzliche Schaltungen zum Kompensieren des Lichtverlustes (beispielsweise durch Verstärkung der erkannten Lichtsignale), wodurch für die Vorrichtung unnötige Kosten und unnötiger Aufwand entstehen.

Infolgedessen besteht ein Erfordernis für einen optischen Kodierer, der einen optischen Erfassungs mechanismus aufweist, der im wesentlichen von Fehlausrichtung und häufiger Eichung frei ist oder selbstausrichtend ist. Auch besteht ein Erfordernis für einen optischen Kodierer, bei dem ein einzelner Bezugs punkt zur Ausrichtung aller Bestandteile des optischen Erfassungsmechanismus benutzt wird. Auch besteht ein Erfordernis für einen optischen Kodierer mit einem verbesserten Lichtweg, der keinem wesentlichen Verlust von Quellenlicht ausgesetzt ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Kurz gesagt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Strahlungsweges bereit, der zwischen einer Strahlungsquelle, einem Strahlungsfühler und einem zwischen diese eingefügten Strahlungsmodulator im wesentlichen keine Fehlausrichtung aufweist, mit folgenden Schritten:

(a) direktes Ausrichten der Quelle, des Modu lators und des Fühlers zueinander;
(b) Positionieren der Quelle, des Modulators und des Fühlers, so daß sie im wesentlichen axial zu einem Bezugspunkt ausgerichtet sind;
(c) Positionieren der Quelle, des Modulators und des Fühlers, so daß sie relativ zum Bezugspunkt im wesentlichen radial zueinander ausgerichtet sind;
(d) Festlegen der Position des Modulators zwischen der Quelle und dem Fühler; und
(e) Befestigen der Quelle und des Fühlers aneinander zur Aufrechterhaltung der axialen und radialen Ausrichtungen der Quelle, des Modulators und des Fühlers.

Der Bezugspunkt kann ein physisch verlängertes Element sein. Weiterhin kann der Schritt des Positionie rens der Quelle, des Modulators und des Fühlers, so daß sie sich im wesentlichen in axialer Ausrichtung befinden, das Ankuppeln der Quelle, des Fühlers und des Modulators an das verlängerte Element umfassen. Auch kann der Schritt des Positionierens der Quelle, des Modulators und des Fühlers, so daß sie sich im wesentlichen in radialer Ausrichtung befinden, das Ankuppeln der Quelle und des Fühlers aneinander umfassen.

Die mit dem Verfahren bereitgestellte Axial- und Drehausrichtung legt vorteilhafterweise alle Strahlungs wege relativ zu einem einzigen Bezugspunkt fest. Infolge dessen unterliegen die Wege keiner Veränderung durch geringe mechanische Abweichungen, obwohl sie Durchführun gen mit sehr kleinen Abmessungen passieren. Statt dessen werden die Wege während des Betriebes der Optikeinrich tung oder zugehörigen Vorrichtung oder Maschine fort laufend aufrechterhalten. Somit ist sichergestellt, daß optische Messungen und Erfassungen genau sind. Darüber hinaus läßt sich die Optikeinrichtung leicht zusammen bauen und die Optikelemente lassen sich genau und wieder holbar ohne Erfordernis einer sekundären Ausrichtung oder Eichung lokalisieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Um ein besseres Verständnis der Erfindung zu erlangen, wird anhand der beiliegenden Zeichnungen auf die folgende Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform derselben Bezug genommen. In den Zeichnungen ist:

Fig. 1 eine aufgelöste isometrische Ansicht eines erfindungsgemäß aufgebauten optischen Kodierers;

Fig. 1a eine Darstellung einer der Seiten einer Strahler-Leiterplatte des optischen Kodierers der Fig. 1;

Fig. 1b eine Darstellung einer der Seiten einer Detektor-Leiterplatte des optischen Kodierers der Fig. 1;

Fig. 1c eine isometrische Ansicht der Innen fläche eines der optischen Blöcke des optischen Kodierers der Fig. 1;

Fig. 1d eine isometrische Ansicht der Außen fläche eines der optischen Blöcke des optischen Kodierers der Fig. 1;

Fig. 2 eine seitliche Schnittansicht des optischen Kodierers der Fig. 1;

Fig. 3 eine Endansicht des optischen Kodierers der Fig. 1; und

Fig. 4 eine aufgelöste isometrische Ansicht eines alternativen erfindungsgemäß aufgebauten optischen Kodierers.

Detallierte Beschreibung

Die Fig. 1 ist eine aufgelöste Ansicht eines erfindungsgemäß aufgebauten optischen Kodierers 10. Der Kodierer 10 ist auf dem Ende einer zu messenden Drehwelle 12 montiert. Die Welle 12 ist ein Teil eines (nicht gezeigten) Motors für eine Maschine, wie beispielsweise eine medizinische Infusionspumpenanlage. Wie dargestellt ist die Welle 12 ein dreiteiliges Element mit einem zylindrischen Hauptabschnitt 12a, bei dem ein Endsegment 12b einen geringeren Querschnitt als der Rest des Haupt abschnittes 12a aufweist. Ein erhabener Rand beziehungs weise eine ringförmige Schulter 12c ist auf dem Hauptab schnitt 12a gebildet, womit das Endsegment 12b vom Rest des Hauptabschnittes 12a getrennt wird. Auf der Ober fläche des Endsegments 12b sind wendelförmige Rippen oder Gewinde ausgebildet, die am freien Ende beginnen und sich entlang eines Teils seiner Länge erstrecken.

Die dreiteilige Welle 12 weist auch eine zylin drische Manschette 12d auf, die für die gleitbare Auf nahme des Gewindeendsegments 12b und das gleichmäßige Anstoßen an die Schulter 12c ausgelegt ist. Der Quer schnitt der Manschette 12d ist derselbe wie der Rest des Hauptabschnitts 12a, so daß die Außenfläche der Man schette 12d bei dem Zusammenbau die Oberfläche des Hauptabschnitts 12a weiterführt (siehe auch Fig. 2). Die Welle 12 weist auch ein zylindrisches Halbwellensegment 12e auf, dessen Länge annähernd dieselbe wie die des Gewindeendsegments 12b ist und an dessen Innenfläche ein Gewinde ausgebildet ist, damit die Halbwelle 12e sicher in das Gewinde des Gewindeendes 12b eingreifen kann. Die Halbwelle 12e weist auch denselben Querschnitt wie der Rest des Hauptabschnittes 12a auf, so daß die Außen flächen der Halbwelle 12e, der Manschette 12d und des Hauptabschnittes 12a bei dem Zusammenbau fluchten (siehe auch Fig. 2).

Der Kodierer 10 umfaßt zwei Leiterplatten, eine Strahler-Leiterplatte 15 und eine Detektor-Leiterplatte 16. Es ist zu bemerken, daß Fig. 1a und 1b Darstellun gen einer der Seiten der Strahler-Leiterplatte 15 beziehungsweise der Detektor-Leiterplatte 16 zeigen, die aus der Fig. 1 nicht leicht ersichtlich sind. Die Strahler-Leiterplatte 15 weist zwei Lichtquellenbauteile wie LED 15a, 15b und zugehörige Strom- und Steuer schaltungen auf, die an einer der Oberflächen angebracht sind. Die beiden LED 15a, 15b dienen wie im einzelnen unten beschrieben als die Lichtquelle für den Kodierer 10 und können Strahlung im nahen Infrarot mit niedriger Leistung abgeben. In die Strahler-Leiterplatte 15 ist zum Fokussieren des Lichtes der ersten LED 15a auch eine einzelne zylindrische Linse 15c eingeformt und zum Fokussieren des Lichtes der zweiten LED 15b eine einzelne sphärische Linse 15d eingeformt. So braucht nur der Chip der jeweiligen LED 15a, 15b auf der Strahler-Leiter platte 15 befestigt zu werden. Anstatt der Kombination eines LED-Chips und eingeformter Linse kann jedoch auch eine bereits mit einer Linse zur Fokussierung abgegebener Strahlung verpackte handelsübliche LED benutzt werden. Die LED 15a, 15b, die LED-Linse 15c, 15d und die zuge hörigen Strom- und Steuerschaltungen können auch in einen einzelnen integrierten Schaltungsbaustein eingebaut werden, der auf der Strahler-Leiterplatte 15 befestigt ist.

Die Detektor-Leiterplatte 16 weist drei lichtem pfindliche Bauteile, wie beispielsweise Photodioden 16a, 16b, 16c, und auf einer der Oberflächen angebrachte zugehörige Strom- und Steuerschaltungen auf. Jede Photodiode 16a, 16b, 16c bildet einen Teil einer eben falls auf der Oberfläche der Detektor-Leiterplatte 16 befestigten Empfängerschaltung 16d, die wie im einzelnen unten beschrieben ein elektrisches Signal erzeugt. Die Photodioden 16a, 16b, 16c sind zur Erfassung der von den zwei LED 15a, 15b der Strahler-Leiterplatte 15 abgegebe nen Strahlung ausgelegt. Handelsübliche Photodioden können ebenfalls benutzt werden. Die Photodioden 16a, 16b, 16c, die Empfängerschaltung 16d und die zugehörigen Strom- und Steuerschaltungen können ebenfalls in einen einzelnen auf der Detektor-Leiterplatte 16 befestigten integrierten Schaltungsbaustein eingebaut werden.

Die Strahler-Leiterplatte 15 und die Detektor- Leiterplatte 16 sind so aufgebaut, daß sie von einem Strahler-Optoblock 20 beziehungsweise einem Detektor- Optoblock 22 aufgenommen und gehalten werden. Der jeweilige Optoblock 20, 22 ist aus hartem Werkstoff wie beispielsweise Kunststoff hergestellt und kann wunschgemäß geformt sein. Wie in der Figur dargestellt weisen die Optoblöcke 20, 22 im allgemeinen zwei Hauptflächen, eine Innenfläche 20a, 22a und eine Außenfläche 20b, 22b auf.

An dem Strahler-Optoblock 20 ist an einem ersten Ende auf der Außenfläche 20b eine Einbuchtung 20c ausge bildet, die zur Aufnahme eines Teils der Strahler-Leiter platte 15 ausgeführt ist. Gleichermaßen ist am Detektor- Optoblock 22 an einem ersten Ende auf der Außenfläche 22b eine Einbuchtung 22c ausgebildet, die zur Aufnahme eines Teils der Detektor-Leiterplatte 16 ausgebildet ist. Die Strahler-Leiterplatte 15 und die Detektor-Leiterplatte 16 sind so in den Optoblöcken 20, 22 positioniert, daß die LED 15a, 15b der Strahler-Leiterplatte 15 und die Photo dioden 16a, 16b, 16c der Detektor-Leiterplatte 16 jeweils einer durch den entsprechenden Block durchlaufenden Lichtdurchführung 20d, 22d gegenüberliegen, die von einem Teil der Hinterwand der Einbuchtung 20c, 22c zur Innen fläche 20a, 22a verläuft. Wie unten im einzelnen ange führt bilden die Lichtdurchführungen 20d, 22d einen Teil eines Weges zwischen den Lichtbauteilen der beiden Leiterplatten, der bei Zusammenbau des Kodierers 10 hergestellt wird.

Die Lichtdurchführungen 20d, 22d brauchen nicht als durch die Optoblöcke 20, 22 ausgebildete Öffnungen ausgebildet zu sein. Statt dessen können die Optoblöcke 20, 22 aus Bandpaß-Filtermaterial aufgebaut sein, das erlaubt, daß nur gewisse Strahlungswellenlängen durchgelassen werden und für alle sonstigen Strahlungen lichtundurchlässig ist. Auf diese Weise können die Blöcke Umgebungsstrahlung aus filtern und nur die von den LED 15a, 15b abgegebene Strahlung übertragen. Die Blöcke 20, 22 können vollständig oder teilweise aus einem solchen Material konstruiert sein. So werden diejenigen Teile der Optoblöcke 20, 22, die einen Teil des Lichtweges für den Kodierer 10 bilden, als "Lichtdurchführungen" erachtet.

Die Strahler-Leiterplatte 15 und die Detektor- Leiterplatte 16 werden von dem entsprechenden Optoblock über ein Paar Leiterplatten-Justierstifte 26, 28 gehalten, die einstückig an der Hinterwand der jeweiligen Einbuchtung 20c, 22c ausgebildet sind. Jedes Paar Leiter platten-Justierstifte 26, 28 steht mit annähernd einem rechten Winkel und einer vorbestimmten Länge von der Außenfläche 20b, 22b des entsprechenden Optoblocks ab. Die Leiterplatten-Justierstifte 26, 28 lassen sich in entsprechende an den Leiterplatten ausgebildete Justier öffnungen 30, 32 einfügen, beispielsweise über Wärmever nietung, so daß die Leiterplatten 15, 16 sicher an den Optoblöcken 20, 22 befestigt sind.

Jeder der Optoblöcke 20, 22 ist an einem zweiten Ende so ausgeführt, daß durch ihn hindurch eine Wellen durchführung 34, 36 gebildet wird, die von der Außen fläche 20b, 22b zur Innenfläche 20a, 22a des Blockes verläuft. Es ist zu bemerken, daß Fig. 1c und 1d die Innenfläche 20a des Strahler-Optoblocks 20 beziehungs weise die Außenfläche 22b des Detektor-Optoblocks 22 zeigen, die aus der Fig. 1 nicht leicht ersichtlich sind. Die Wellendurchführungen 34, 36 sind so ausgeführt, daß entsprechende Präzisionsfutter oder -buchsen 38, 40 darin festgehalten werden. Die Präzisionsbuchsen 38, 40 sind wiederum zur Aufnahme und zum Festhalten der zusammengebauten dreiteiligen Welle 12 bei Einführung der Welle 12 durch die Buchsen 38, 40 (und durch die Wellen durchführungen 34, 36) ausgeführt. Die Buchsen 38, 40 können aus einem beliebigen verschleißfesten Werkstoff mit einem niedrigen Reibungskoeffizienten wie beispiels weise Metall hergestellt sein. Es ist zu bemerken, daß die Längsachsen der Leiterplatten-Justierstifte 26, 28 parallel zur Mittellinie der entsprechenden Wellendurch führung 34, 36 eingestellt sind.

Die Optoblöcke 20, 22 sind zur gegenseitigen Anpassung über eine Stift-Loch-Anordnung ausgeführt. An jedem Optoblock sind am ersten Ende der Innenfläche ein Blockjustierstift 44a, 46a und ein Blockjustierloch 44b, 46b einstückig angeformt. Jeder Blockjustierstift 44a, 46a steht annähernd im rechten Winkel von der ent sprechenden Innenfläche 20a, 22a über eine vorbestimmte Länge ab und weist eine zur Mittellinie der entsprech enden Wellendurchführung 34, 36 parallele Längsachse auf. Jedes Blockjustierloch 44b, 46b ist so ausgeführt, daß es den Blockjustierstift 44a, 46a des anderen Optoblockes sicher aufnehmen und darin festhalten kann.

Die Blockjustierstifte 44a, 46a und Blockjustier löcher 44b, 46b sind an vorbestimmten Stellen an den Innenflächen 20a, 22a relativ zu den Mittellinien der Wellendurchführungen 34, 36 (und damit zu der Achse der durch diese eingefügten Welle 12) ausgebildet. Darüber hinaus sind die Blockjustierstifte 44a, 46a und Block justierlöcher 44b, 46b an entsprechenden Stellen der entsprechenden Innenflächen 20a, 22a ausgebildet. Damit lassen sich die beiden Optoblöcke 20, 22 ausrichten und zusammenpassen, indem der Blockjustierstift eines Blocks beim Zusammenbau des Kodierers 10 sicher vom entsprechen den Blockjustierloch des anderen Blocks aufgenommen und festgehalten wird.

Jeder der Optoblöcke 20, 22 ist auch am ersten Ende so ausgeführt, daß er ein Paar durch ihn hindurch ausgebildete Gewindeöffnungen 48, 50 aufweist, die von der Außenfläche zur Innenfläche verlaufen, wobei jede Öffnung eines Paars an einer unterschiedlichen Seite der Einbuchtung 20c, 22c ausgebildet ist. Die Gewindeöffnun gen 48, 50 sind an entsprechenden Stellen an den ent sprechenden Blöcken ausgebildet. Zusätzlich sind die Gewindeöffnungen 48, 50 zur Aufnahme einer Halteschraube 52, 54 bemessen und geformt (wobei jede Schraube von einer Öffnung eines Blocks und der entsprechenden Öffnung des anderen Blocks aufgenommen werden kann), die die beiden Optoblöcke 20, 22 sicher miteinander verbindet.

Der Kodierer 10 umfaßt auch eine ein Kodiererrad genannte dünne Scheibe 60, die eine diese durchlaufende Mittelöffnung 62 aufweist, in der die dreiteilige Welle 12 sicher aufgenommen und festgehalten werden kann. Das Kodiererrad weist auch eine Reihe langer schmaler Öffnungen oder Schlitze 64 auf, die dieses durchlaufend entlang eines Teils des Umfangs ausgebildet sind (siehe auch Fig. 3). Die langen Schlitze 64 erstrecken sich über eine vorbestimmte Entfernung radial vom Umfang auf die Mittelöffnung 62 zu. Jeder lange Schlitz 64 ist in einem vorbestimmten Abstand von jedem benachbarten langen Schlitz, beispielsweise annähernd 0,75 Grad, ausge bildet. Das Kodiererrad 60 weist auch einen langen gekrümmten Schlitz 66 auf, der dieses durchlaufend zwischen der Mittelöffnung 62 und den Enden der der Mittelöffnung 62 am nächsten gelegenen langen Schlitze 64 ausgebildet ist (siehe auch Fig. 3). Es ist zu bemerken, daß der gekrümmte Schlitz 66 als Bogen einer Kreislinie ausgeführt ist, die zur Mittelöffnung 62 konzentrisch ist und deren Länge annähernd dieselbe wie die von der Reihe von Enden der der Mittelöffnung 62 am nächsten liegenden langen Schlitze 64 gebildeten Länge ist.

Die langen Schlitze 64 und der gekrümmte Schlitz 66 sind so auf dem Kodiererrad 60 positioniert, daß sie ein vorbestimmtes Muster lichtdurchlässiger und lichtun durchlässiger Bereiche bilden. Der Durchmesser des Kodiererrades 60 ist so bemessen, daß die langen Schlitze 64 und der gekrümmte Schlitz 66 beide innerhalb des bei Zusammenbau des Kodierers 10 hergestellten Lichtweges zwischen den beiden Leiterplatten 15, 16 verlaufen und einen Teil desselben bilden. Das Kodiererrad 60 kann aus einem beliebigen harten, nichtlichtreflektierenden Werk stoff bestehen, und sein Querschnittsbereich ist durch die jeweilige Anwendung bestimmt.

Von dem Kodierer 10 wird eine dünne Blende 70 benutzt, die so ausgeführt ist, daß eine erste Fläche 70a derselben gleichmäßig am ersten Ende der Innenfläche 20a des Strahler-Optoblocks 20 anstößt. Dies wird durch in der Blende ausgebildete Blendenöffnungen 70b erreicht, die zur gleitbaren Aufnahme der beiden Blockjustierstifte 44a, 46a und der beiden Halteschrauben 52, 54 bemessen und geformt sind. Die Blende 70 durchlaufend sind auch drei Öffnungen 70c ausgebildet, die sich neben der Lichtdurchführung 20d des Strahler-Optoblocks 20 befinden. Die Öffnungen 70c verlaufen innerhalb des bei Zusammenbau des Kodierers 10 hergestellten Lichtweges zwischen den beiden Leiterplatten 15, 16 und bilden einen Teil desselben. Die Blende 70 kann aus einem beliebigen harten, nichtlichtreflektierenden Werkstoff bestehen, und ihr Querschnittsbereich ist durch die jeweilige Anwendung bestimmt.

Die zweite Endfläche 70d der Blende 70 stößt gleichmäßig an eine erste Endfläche 80a eines Abstands blocks 80 an, durch den, ähnlich der Blende 70, Block öffnungen 80b ausgebildet sind, die zur gleitbaren Aufnahme der beiden Blockjustierstifte 44a, 46a und der beiden Halteschrauben 52, 54 bemessen und geformt sind. Damit kann auch eine zweite Endfläche 80d des Abstands blocks 80 gleichmäßig am ersten Ende der Innenfläche 22a des Detektor-Optoblocks 22 anstoßen. Ungleich der Blende 70 ist jedoch der Abstandsblock 80 nicht so aus geführt, daß er neben der Lichtdurchführung 22d des Detektor-Optoblocks 22 liegt, und so befindet sich der Abstandsblock 80 nicht im Lichtweg zwischen den beiden Leiterplatten 15, 16. Der Abstandsblock 80 kann aus einem beliebigen harten Werkstoff wie beispielsweise Kunststoff hergestellt sein, und sein Querschnittsbereich ist durch die jeweilige Anwendung bestimmt.

Die Fig. 2 ist eine Schnittansicht des zusammen gebauten Kodierers 10. Wie oben im einzelnen angeführt wird die zusammengebaute dreiteilige Welle 12 von den Präzisionsbuchsen 38, 40 in den Wellendurchführungen 34, 36 der Optoblöcke 20, 22 aufgenommen und festgehalten. Das Gewindeendsegment 12b der dreiteiligen Welle 12 ist durch die Manschette 12d abgedeckt, die gleichmäßig an die Schulter 12c des Hauptabschnittes 12a anstößt. Neben der Manschette 12d nimmt das Kodiererrad 60 das Gewin deendsegment 12b sicher innerhalb der Mittelöffnung 62 auf und hält es fest. Die Halbwelle 12e, die an das Endsegment 12b angeschraubt ist, hält sowohl das Kodie rerrad 60 als auch die Manschette 12d an der ringförmigen Schulter 12c fest. Diese Anordnung bewirkt, daß das Kodiererrad 60 mit derselben Geschwindigkeit und in derselben Richtung ohne Schlupf oder dergleichen synchron zur Welle 12 rotiert.

Die Präzisionsbuchsen 38, 40 bieten einen festen Sitz der Welle 12 in den Wellendurchführungen 34, 36 und erlauben eine Toleranz von nur wenigen Tausendstel eines Zolls zwischen der Welle 12 und den Buchsenoberflächen. Damit werden die Mittellinien der entsprechenden Wellen durchführungen 34, 36 mit der Mittellinie der Welle 12 zusammenfallend ausgerichtet und aufrechterhalten. Darüber hinaus wird damit eine konstante axiale Ausrich tung (relativ zur Welle 12) zwischen dem Kodiererrad 60 und den beiden Optoblöcken 20, 22 hergestellt und aufrechterhalten. Folglich sind die Stellungen des Kodiererrades 60 und der Optoblöcke 20, 22 (und der darauf befestigten Lichtbauteile) im wesentlichen von jeglicher Bewegung oder Schwingung der Welle 12 unbeein flußt.

Indem sie in die an den Leiterplatten ausgebilde ten Justieröffnungen 30, 32 eingreifen, befestigen die Leiterplattenjustierstifte 26, 28 die beiden Leiter platten 15, 16 sicher an den entsprechenden Optoblöcken 20, 22 innerhalb der Einbuchtungen. Zusätzlich fixieren die Leiterplattenjustierstifte 26, 28 die LED 15a, 15b der Strahler-Leiterplatte 15 und die Photodioden 16a, 16b, 16c der Detektor-Leiterplatte 16, so daß sie den Lichtdurch führungen 20d, 22d der entsprechenden Optoblöcke gegen überliegen. Darüber hinaus fixieren die Leiterplatten justierstifte 26, 28 die LED 15a, 15b und die Photodioden 16a, 16b, 16c relativ zur Mittellinie der Wellendurch führungen 34, 36 (und daher relativ zur Welle 12).

Mit den Blockjustierstiften 44a, 46a werden die beiden Optoblöcke 20, 22 ausgerichtet und zusammengepaßt, indem erstere in die entsprechenden Blockjustierlöcher 44b, 46b des anderen Blockes eingreifen. Zusätzlich fixieren die Blockjustierstifte 44a, 46a die Blende 70 und den Abstandsblock 80, die zwischen den Strahler- Optoblock 20 und den Detektor-Optoblock 22 eingelegt sind. Es ist zu bemerken, daß sich das Kodiererrad 60 aufgrund der Ausführung des Abstandsblocks 80 (so wie er in Fig. 1 dargestellt ist) frei drehen kann. Gleich den Leiterplattenjustierstiften 26, 28 fixieren die Block justierstifte 44a, 46a die Optoblöcke 20, 22, die Blende 70 und den Abstandsblock 80 relativ zur Mittellinie der Wellendurchführungen 34, 36 (und damit relativ zur Welle 12). Mit den Halteschrauben 52, 54, die innerhalb der Gewindeöffnungen 48, 50 festgehalten werden, werden die beiden Optoblöcke 20, 22, die Blende 70 und der Abstands block 80 sicher zusammengehalten.

Die Leiterplattenjustierstifte 26, 28 und die Blockjustierstifte 44a, 46a fixieren die verschiedenen Kodiererelemente relativ zueinander und insbesondere relativ zur Welle 12. Damit wird unter den den Lichtweg für den Kodierer 10 bildenden Elementen, d. h. der Strah ler-Leiterplatte 15, der Detektor-Leiterplatte 16, den Lichtdurchführungen 20d, 22d, der Blende 70 und dem (an der Welle 12 befestigten) Kodiererrad 60, eine konstante Radial- bzw. Drehausrichtung hergestellt und aufrechter halten. Folglich sind die Lagen der beiden Leiterplatten 15, 16, der Lichtdurchführungen 20d, 22d, der Blende 70 und des Kodiererrades 60 im wesentlichen von der Gesch windigkeit oder Richtung der Drehung der Welle 12 unbeeinflußt. Weiterhin wird damit eine positive Ausrichtung des Lichtweges zwischen den LED 15a, 15b und den Photodioden 16a, 16b, 16c sichergestellt.

Die Fig. 3 ist eine Endansicht des zusammengebauten Kodierers 10 mit einer durchsichtigen Ansicht einiger der Elemente. Wie oben bemerkt sind die Kodiererelemente bei Zusammenbau so ausgerichtet, daß zwischen der Strahler-Leiterplatte 15 und der Detektor-Leiterplatte 16 zwei Lichtwege hergestellt werden. Ein Lichtweg wird zwischen der ersten LED 15a auf der Strahler-Leiterplatte 15 und den ersten und zweiten Photodioden 16a, 16b auf der Detektor-Leiterplatte 16 gebildet. Dieser Lichtweg stellt den Inkrementalzähler kanal bzw. den "A/B"-Kanal dar. Von der ersten LED 15a abgegebene Strahlung wird von der zylindrischen Linse 15c der Strahler-Leiterplatte 15 fokussiert. Danach durch läuft die Strahlung die Lichtdurchführung 20d des Strah ler-Optoblocks 20 und die ersten und zweiten Öffnungen 70c der Blende 70, die um annähernd 0,75 Grad voneinander beabstandet an der Blende 70 ausgebildet sind. Die Blende 70 wird zum Blockieren von gewissen unerwünschten Strahlungen von der ersten LED 15a (und von der zweiten LED 15b) benutzt. Durch Verwendung der ersten und zweiten Öffnungen 70c wird die Strahlung von der ersten LED 15a in zwei Segmente aufgespaltet, ein A-Kanal-Segment und ein B-Kanal-Segment.

Wie unten im einzelnen aufgeführt durchläuft die Strahlung von der ersten Öffnung die langen Schlitze 64 des Kodiererrades 60 (beziehungsweise die A/B-Kanal schlitze 64) und trifft auf die erste Photodiode 16a (bzw. die A-Kanal-Photodiode 16a) auf, und die Strahlung von der zweiten Öffnung durchläuft die A/B-Kanal-Schlitze 64 und trifft auf die zweite Photodiode 16b (bzw. die B- Kanal-Photodiode 16b) auf. Es ist zu bemerken, daß die A-Kanal-Photodiode 16a und die B-Kanal-Photodiode 16b um 0,75 Grad voneinander beabstandet im selben Muster wie die ersten und zweiten Öffnungen 70c der Blende 70 an der Detektor-Leiterplatte 16 angebracht sind.

Zwischen der zweiten LED 15b auf der Strahler- Leiterplatte 15 und der dritten Photodiode 16c auf der Detektor-Leiterplatte 16 wird ein zweiter Weg gebildet. Dieser Weg wird zur Bestimmung der Zeitmessung der Rotationsverlagerung für den Kodierer 10 benutzt und stellt den "C"-Kanal dar. Von der zweiten LED 15b abge gebene Strahlung wird von der sphärischen Linse 15d der Strahler-Leiterplatte 15 fokussiert. Danach durchläuft die Strahlung die Lichtdurchführung 20d des Strahler- Optoblocks 20 und die dritte Öffnung 70c der Blende 70, die von den ersten und zweiten Öffnungen entfernt gelegen ist. Die dritte Öffnung 70c läßt nur eine gewisse Strah lung von der zweiten LED 15b durch. Die Strahlung von der dritten Öffnung durchläuft den gekrümmten Schlitz 66 des Kodiererrades 60 (bzw. den C-Kanal-Schlitz 66) und trifft auf die dritte Photodiode 16c (bzw. die C-Kanal- Photodiode 16c) auf. Es ist zu bemerken, daß die C-Kanal- Photodiode 16c im selben Muster wie die Ausbildung der dritten Öffnung relativ zu den ersten und zweiten Öffnun gen der Blende 70 von den A- und B-Kanal-Photodioden 16a, 16b beabstandet angebracht ist.

Im Betrieb bewirkt die Drehung der Welle 12, daß sich das Kodiererrad 60 in derselben Geschwindigkeit und Richtung dreht. Der Rest des Kodierers 10 (d. h. die Optoblöcke 20, 22, die Blende 70 und der Abstandsblock 80) bleibt stationär. Wenn die zugehörige Steuerschaltung auf der Strahler-Leiterplatte 15 die Drehung der Welle 12 erfaßt, geben die ersten und zweiten LED 15a, 15b Strahlung ab. Wenn die zugehörige Steuerschaltung auf der Detektor-Leiterplatte 16 die Drehung der Welle 12 erfaßt, geben auch die A-Kanal-Photodiode 16a und die B-Kanal- Photodiode 16b ein niederwertiges Stromsignal zur Empfängerschaltung 16d aus. Die abgegebene Strahlung wird wie oben beschrieben von der entsprechenden Linse 15c, 15d fokussiert und durchläuft die Lichtdurchführung 20d des Strahler-Optoblocks 20. Danach durchläuft die Strahlung von der ersten LED 15a die ersten und zweiten Öffnungen der Blende 70 und die Strahlung von der zweiten LED 15b durchläuft die dritte Öffnung 70c.

Bei Drehung des Kodiererrades 60 erlaubt ein erster A/B-Kanal-Schlitz 64 im Kodiererrad 60, daß ihn die Strahlung von der ersten Öffnung durchläuft und auf die A-Kanal-Photodiode 16a auftrifft. Als Reaktion auf die Aufnahme der Strahlung gibt die A-Kanal-Photodiode 16a ein hochwertiges Stromsignal zur Empfängerschaltung 16d aus. Die Strahlung von der zweiten Öffnung wird durch den lichtundurchlässigen Bereich des Kodiererrades 60 blockiert. Die B-Kanal-Photodiode 16b gibt infolgedessen weiterhin ein niederwertiges Stromsignal aus. Die Strah lung von der dritten Öffnung durchläuft den C-Kanal- Schlitz 66 und trifft auf die C-Kanal-Photodiode 16c auf. Als Reaktion darauf gibt die C-Kanal-Photodiode 16c ein hochwertiges Stromsignal zur Empfängerschaltung 16d aus.

Bei fortlaufender Drehung des Kodiererrades 60 wird die Strahlung von der ersten Öffnung durch einen lichtundurchlässigen Bereich am Kodiererrad 60 blockiert. Dadurch gibt die A-Kanal-Photodiode 16a ein niederwerti ges Stromsignal aus, da keine Strahlung empfangen wird. Gleichzeitig bleibt die Strahlung von der zweiten Öffnung blockiert und die B-Kanal-Photodiode 16b gibt weiterhin ein niederwertiges Stromsignal aus. Zusätzlich durchläuft die Strahlung von der dritten Öffnung weiterhin den C-Kanal-Schlitz 66, da der C-Kanal-Schlitz 66 nicht durch lichtundurchlässige Bereiche unterbrochen wird, und die C-Kanal-Photodiode 16c gibt weiterhin ein hochwertiges Stromsignal aus.

Wenn sich das Kodiererrad 60 um 0,75 Grad gedreht hat, durchläuft die Strahlung von der ersten Öffnung einen zweiten A/B-Kanal-Schlitz 64 und die A-Kanal-Photodiode 16a gibt ein hochwertiges Stromsignal aus. Gleichzeitig erlaubt der erste A/B-Kanal-Schlitz 64, daß die Strahlung der zweiten Öffnung das Kodiererrad 60 durchläuft. Wie oben bemerkt sind die A/B-Kanal-Schlitze 64 so auf dem Kodiererrad 60 gemustert, daß sie mit dem Muster der A-Kanal-Photodiode 16a und der B-Kanal-Photodiode 16b auf der Detektor-Leiterplatte 16 zusammenfallen. Infolgedessen trifft die den ersten A/B-Kanal-Schlitz 64 durchlaufende Strahlung auf die B-Kanal- Photodiode 16b auf, die als Reaktion darauf ein hoch wertiges Stromsignal ausgibt. Die C-Kanal-Photodiode 16c gibt weiterhin ein hochwertiges Stromsignal aus.

Bei weiterer Drehung der Welle 12 und des Kodie rerrades 60 wird die Strahlung von den ersten und zweiten Öffnungen wiederum von lichtundurchlässigen Bereichen an dem Kodiererrad 60 blockiert. Dadurch geben die A- und B-Kanal-Photodioden 16a, 16b entsprechende niederwertige Stromsignale aus, da keine Strahlung empfangen wird. Die C-Kanal-Photodiode 16c gibt weiterhin ein hochwertiges Stromsignal aus.

Der Wechsel zwischen niederwertigen und hoch wertigen Stromsignalen von der A-Kanal-Photodiode 16a und der B-Kanal-Photodiode 16b und der hochwertigen Stromausgabe der C-Kanal-Photodiode 16c geht weiter, bis der Kodierer sein Schlitzmuster an den Lichtwegen vorbeirotiert hat. Zu diesem Zeitpunkt geben alle Photo dioden 16a, 16b, 16c niederwertige Stromsignale zur Empfängerschaltung 16d aus. Danach wiederholt sich der gesamte Vorgang bei jeder nachfolgenden Wellendrehung.

Der zeitliche Unterschied zwischen den hoch wertigen Stromsignalausgaben von der A-Kanal-Photodiode 16a und der B-Kanal-Photodiode 16b bewirkt eine Phasen verschiebung zwischen den beiden Ausgangssignalen. Insbesondere sind die A- und B-Kanal-Photodioden 16a, 16b so strukturiert, daß das Ausgangssignal der A-Kanal- Photodiode 16a um 90 Grad zum Ausgangssignal der B-Kanal- Photodiode 16b phasenverschoben ist. Daraus ergibt sich bei Drehung der Welle 12 ein Quadratur-Ausgangssignal zur Empfängerschaltung 16d.

Die Ausgangssignale werden von der Empfänger schaltung 16d zur Bestimmung der Geschwindigkeit und Richtung der Drehung der Welle 12 benutzt. Die Ausgangs signale werden auch dazu benutzt, während jeder Drehung Bezugspunkte zum Starten oder Anhalten einer Operation oder eines Vorgangs wie beispielsweise Bremsen der Welle, Überwachung der Drehungsperiode, Neueinstellung usw. zu definieren. Die Empfängerschaltung 16d ist je nach Anwendung ausgeführt und umfaßt Bauteile, wie Zähler, Speicherschaltungen usw., die normalerweise in Steuer- und Zeitmeßschaltungen zu finden sind.

Die Fig. 4 zeigt eine aufgelöste isometrische Ansicht des optischen Kodierers 10 mit alternativen Ausführungen gewisser Bauteile. Beispielsweise kann die Strahler-Leiterplatte 15 und die Detektor-Leiterplatte 16 als Teil einer einzelnen flexiblen Schaltung 100 statt als zwei getrennte Bestandteile ausgebildet sein. Damit würde ein leichter Zusammenbau und Herstellungsvorgang des Kodierers 10 ermöglicht. In diesem Fall kann eine der Leiterplatten als ein erster Endanschluß 102 der flexiblen Schaltung 100 (beispielsweise die dargestellte Detektor-Leiterplatte 16) ausgebildet sein und die andere Leiterplatte kann als Ausschnitt oder Klappe 104 von der flexiblen Schaltung 100 ausgebildet sein, die am entsprechenden Block in Position gefaltet werden kann (beispielsweise die gezeigte Strahler-Leiterplatte 15). Der andere Endanschluß 106 der flexiblen Schaltung 100 ist mit den externen Strom- und Steuerschaltungen des Motors oder der Maschine verbunden. Wie dargestellt liegt die flexible Schaltung 100 unter den anderen Bauteilen des Kodierers 10, so daß sie nicht die Funktion des Kodierers 10 stört. Bei Verwendung einer solchen flexiblen Schaltung 100 kann die Verwendung von Leiter plattensubstraten unnötig sein, da sich die LED 15a, 15b und die Photodioden 16a, 16b, 16c und die zugehörigen Schaltungen direkt auf der flexiblen Schaltung 100 selbst ausbilden lassen.

Zweitens können die Optoblöcke 20, 22 mit durch diese hindurchführend ausgebildeten Wellendurchführungen 34, 36 ausgeführt sein, in denen entsprechende Präzisionsfutter oder -buchsen 38, 40 nicht gehalten werden. Anstatt dessen kann von den Optoblöcken 20, 22 ein Justierwerkzeug 120 dazu benutzt werden, die Mittellinien der entsprechenden Wellendurchführungen 34, 36 mit der Mittellinie der Welle 12 zusammenfallend auszurichten und aufrechtzuerhalten. Das Werkzeug 120 wird vor Anziehen der Halteschrauben 52, 54 durch die Wellendurchführungen 34, 36 eingeschoben und auf die Welle 12, die ebenfalls in die Durchführungen 34, 36 eingeschoben ist, aufgesteckt. Nach Anziehen der Halte schrauben 52, 54 und Erzielen einer optischen Ausrichtung wird dann das Werkzeug 120 herausgezogen. Das Justier werkzeug 120 ist ein präzisionsgeschliffenes gehärtetes Element, das eine beliebige Ausführung aufweisen kann. Selbst bei Verwendung des Justierwerkzeuges 120 sind die Wellendurchführungen 34, 36 immer noch so ausgeführt, daß sie einen engen Sitz der Welle 12 bieten und aus verschleißfestem Werkstoff mit geringer Reibung (beispielsweise durch Überlagerung) hergestellt sind.

Die hier beschriebenen Ausführungsformen dienen nur als Beispiele für die Grundsätze der vorliegenden Erfindung. Vom Fachmann können verschiedene Modifi kationen an ihnen ausgeführt werden, ohne von dem Rahmen oder Konzept der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann der Kodierer 10 als Durchsteckdrehgeber oder in einer sonstigen beliebigen Konstruktionsart anstatt als einseitiger Drehgeber wie oben beschrieben ausgeführt sein. Weiterhin kann die Welle 12 als Element des Kodierers 10 selbst ausgeführt sein. In diesem Fall wäre es erforderlich, daß der Kodierer 10 mit der zu messenden Welle verbunden ist. Auch können die Welle 12 und die Wellenabschnitte außer der kreisförmigen eine beliebige Querschnittsform aufweisen und sogar unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen. Auch können die Optoblöcke 20, 22 so ausgebildet sein, daß sie in Größe, Form und Flächenaufbau identisch sind. Auch sind die Wellendurch führungen 34, 36 kreisförmig dargestellt, können aber zur ordnungsgemäßen Aufnahme der Welle 12 eine beliebige Form aufweisen.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Strahlungsweges, der zwischen einer Strahlungsquelle, einem Strahlungs fühler und einem zwischen diese eingefügten Strahlungs modulator im wesentlichen keine Fehlausrichtung aufweist, mit folgenden Schritten:

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Bezugspunkt ein verlängertes Element ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Positionierens der Quelle, des Modulators und des Fühlers, so daß sie sich im wesentlichen in axialer Ausrichtung befinden, das Ankuppeln der Quelle, des Fühlers und des Modulators an das verlängerte Element umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Schritt des Positionierens der Quelle, des Modulators und des Fühlers, so daß sie sich im wesentlichen in radialer Ausrichtung befinden, das Ankuppeln der Quelle und des Fühlers aneinander umfaßt.

5. Verfahren zum Ausrichten des Lichtweges einer Optikeinrichtung mit folgenden Schritten:

(a) Festlegen eines einzigen Bezugspunktes außerhalb der Optikeinrichtung;
(b) direktes Ausrichten eines Lichtstrahlers, eines Kollimators, eines Lichtunterbrechungselements und eines Lichtdetektors zueinander, um zwischen diesen einen fortlaufenden Lichtweg zu bilden;
(c) Ausrichten des Lichtstrahlers, des Kolli mators, des Lichtunterbrechungselements und des Licht detektors relativ zum Bezugspunkt und gleichzeitige dauerhafte Aufrechterhaltung des fortlaufenden Lichtweges; und
(d) Festlegen der Positionen des Lichtstrahlers, des Kollimators, des Lichtunterbrechungselements und des Lichtdetektors relativ zum Bezugspunkt.