DE19641998A1

DE19641998A1 - Recording element for determining position of element coupled to movable grating

Info

Publication number: DE19641998A1
Application number: DE1996141998
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr Baader
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-10-11
Filing date: 1996-10-11
Publication date: 1998-04-16

Abstract

The element has a light source (6), a movable grating (3) with grating lines (8) arranged across the direction of movement of the grating. In addition it has a stationary grating (4) with a first (11) and a second (12) grating area and a photodetector arrangement consisting of a first (1) and a second (2) photodetector. The light source, movable grating, fixed grating and the photodetector arrangement are positioned relative to one another so that the light falls on the first photodetector through the movable grating and the first grating area and on the second photo detector through the movable grating and the second grating area. Both grating areas and both photodetectors are located next to one another in the direction of movement of the movable grating.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Aufnehmerelement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a sensor element according to the Preamble of claim 1.

Ein solches Aufnehmerelement ist aus der DE 44 41 194 A1 be kannt und umfaßt eine Lichtquelle, ein bewegliches Gitter, das Gitterelemente aufweist, die quer zur Bewegungsrichtung des beweglichen Gitters angeordnet sind, ein ortsfestes Git ter mit einem ersten und einem zweiten Gitterbereich und eine Photodetektoranordnung, die einen ersten und einen zweiten Photodetektor aufweist. Die Lichtquelle, das bewegliche Git ter, das ortsfeste Gitter und die Photodetektoranordnung sind derart zueinander angeordnet, daß von der Lichtquelle abgege benes Licht einerseits über das bewegliche Gitter und den er sten Gitterbereich auf den ersten Photodetektor und anderer seits über das bewegliche Gitter und den zweiten Gitterbe reich auf den zweiten Photodetektor fällt.Such a sensor element is from DE 44 41 194 A1 knows and includes a light source, a movable grating, which has grid elements that are transverse to the direction of movement of the movable grating are arranged, a stationary grit ter with a first and a second grid area and a Photodetector arrangement comprising a first and a second Has photodetector. The light source, the moving git ter, the fixed grid and the photodetector arrangement arranged in such a way that each other away from the light source ben light on the one hand over the movable grille and he Most grid area on the first photodetector and others on the one hand via the movable grille and the second grille falls on the second photodetector.

Mittels dieses bekannten Aufnehmerelements läßt sich auf sehr genaue Art und Weise die Position eines mit dem beweglichen Gitter gekoppelten Elementes erfassen. Des weiteren ist der bekannte Aufnehmer sehr kostengünstig herstellbar. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß ein hoher Anteil der Herstel lungskosten des bekannten Aufnehmerelements für die Justie rung der zusammengebauten Elemente des Aufnehmerelements auf gewendet werden muß.By means of this known pick-up element it can be very easy exact way the position of one with the movable Detect grid of coupled element. Furthermore is the known transducers can be produced very inexpensively. It has it turned out, however, that a high proportion of the manufacturers lungskosten the known transducer element for the Justie tion of the assembled elements of the transducer element must be turned.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, das bekannte Aufnehmerelement derart weiterzubilden, daß dessen Herstellungskosten weiter verringert sind.The invention is based on the object that further develop known sensor element such that its Manufacturing costs are further reduced.

Diese Aufgabe wird durch ein Aufnehmerelement mit den im Pa tentanspruch 1 angegebenen Merkmalen auf besonders vorteil hafte Art und Weise gelöst.This task is performed by a transducer element with the Pa Features specified claim 1 particularly advantageous solved the way.

Bei dem erfindungsgemäßen Aufnehmerelement sind der erste und zweite Gitterbereich und der erste und zweite Photodetektor in Bewegungsrichtung des beweglichen Gitters nebeneinander angeordnet.In the transducer element according to the invention, the first and second grid area and the first and second photodetectors in the direction of movement of the movable grille side by side arranged.

Bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Aufnehmerelement sind dagegen der erste und zweite Gitterbereich und der erste und zweite Photodetektor in eine Richtung quer zur Bewegungs richtung des beweglichen Gitters nebeneinander angeordnet.In the sensor element known from the prior art are the first and second grid areas and the first and second photodetector in a direction transverse to the movement direction of the movable grille arranged side by side.

Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Anordnung ergibt sich ein linearer Zusammenhang zwischen dem Verdrehwinkel bei einer Verdrehung des beweglichen gegenüber dem ortsfesten Gitter um eine auf der Gitterebene senkrecht stehende Achse und der daraus resultierenden Phasenfehlverschiebung zwischen dem Ausgangssignal des ersten und zweiten Photodetektors. Da gegen ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Anordnung zwi schen denselben Größen ein parabelförmiger Verlauf, dessen Minimum bei einem Verdrehwinkel von 0°, also bei Parallelität der Gitterlinien der beiden Gitter, liegt.In the arrangement known from the prior art results there is a linear relationship between the twist angle a rotation of the movable compared to the fixed Grid around an axis perpendicular to the grid plane and the resulting phase misalignment between the output signal of the first and second photodetectors. There against arises in the arrangement according to the invention between parabolic course of the same sizes, whose Minimum at an angle of rotation of 0 °, i.e. with parallelism the grid lines of the two grids.

Die Phasenverschiebung zwischen den Ausgangssignalen des er sten und zweiten Photodetektors beträgt im optimal justierten Zustand 90°. Akzeptiert man, hiervon ausgehend, eine Phasen fehlverschiebung von 30°, so tritt diese bei der bekannten Anordnung bei einem Verdrehwinkel von ca. 0,5° zwischen den Gitterelementen des beweglichen Gitters und den Gitterelemen ten des ortsfesten Gitters auf. Um einen Verdrehwinkel von 0,5° zu unterschreiten, ist eine verhältnismäßig genaue und aufwendige Justierung der Elemente des Aufnehmerelementes erforderlich.The phase shift between the output signals of the er most and second photodetector is optimally adjusted Condition 90 °. If you accept a phase based on this misalignment of 30 °, this occurs with the known Arrangement with an angle of rotation of approx. 0.5 ° between the Grid elements of the movable grid and the grid elements fixed grid. By an angle of rotation of Falling below 0.5 ° is a relatively accurate and elaborate adjustment of the elements of the transducer element required.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung tritt eine entspre chende Phasenfehlverschiebung von 30° erst bei einem Verdreh winkel zwischen den Gitterelementen des ortsfesten Gitters und den Gitterelementen des beweglichen Gitters von 5 bis 10 Winkelgraden auf. Ein Verdrehwinkel von beispielsweise 7° läßt sich aber ohne einen auf den Zusammenbau folgenden Justiervorgang leicht unterschreiten. Das Herstellungsver fahren für das erfindungsgemäße Aufnehmerelement ist somit um die Kosten der für eine Justage erforderlichen Teile und die Kosten des Justiervorganges geringer. Vergleichbare Verhält nisse ergeben sich auch für eine Verdrehung zwischen dem ortsfesten Gitter und der Photodetektoranordnung und zwischen dem beweglichen Gitter und der Photodetektoranordnung.In the device according to the invention occurs a corre appropriate phase misalignment of 30 ° only when twisted angle between the grid elements of the fixed grid and the grid elements of the movable grid from 5 to 10 Degrees. An angle of rotation of, for example, 7 ° can, however, be carried out without one following the assembly Slightly fall short of the adjustment process. The manufacturing ver drive for the transducer element according to the invention is thus around the cost of the parts required for an adjustment and the Lower adjustment costs. Comparable ratio nisse also arise for a twist between the stationary grid and the photodetector arrangement and between the movable grating and the photodetector arrangement.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteran sprüche.Advantageous further developments are the subject of the Unteran claims.

Vorteilhafterweise können die Gitterelemente des ersten bzw. zweiten Gitterbereichs direkt auf dem ersten bzw. zweiten Photodetektor angeordnet sein. In diesem Fall ist sicherge stellt, daß keine Verdrehung des ortsfesten Gitters gegenüber der Photodetektoranordnung auftreten kann.The lattice elements of the first or second grid area directly on the first or second Be arranged photodetector. In this case it is safe represents that no twisting of the fixed grille the photodetector arrangement can occur.

Werden die auf den Photodetektoren angeordneten Gitterele mente aus leitfähigem Material hergestellt, ist es darüber hinaus vorteilhafterweise möglich, diese als Elektroden des ersten und zweiten Photodetektors zu verwenden.Are the grating elements arranged on the photodetectors elements made of conductive material, it is above also advantageously possible to use these as electrodes of the to use first and second photodetectors.

Das erfindungsgemäße Aufnehmerelement kann des weiteren noch einen dritten Photodetektor umfassen, dessen Ausgangssignal zur Regelung der Lichtintensität der Lichtquelle herangezogen wird. Vorteilhafterweise entspricht die Ausdehnung des drit ten Photodetektors in Richtung der Bewegung des beweglichen Gitters einem ganzzahligen Vielfachen der Gitterkonstante. Hierdurch kann sichergestellt werden, daß durch das bewegli che Gitter hindurch unabhängig von dessen Position stets die selbe Lichtmenge auf den dritten Photodetektor fällt.The sensor element according to the invention can still further comprise a third photodetector whose output signal used to regulate the light intensity of the light source becomes. The extension of the third advantageously corresponds th photodetector in the direction of the movement of the movable Grid is an integer multiple of the grid constant. This can ensure that the movable che grid regardless of its position always the same amount of light falls on the third photodetector.

Die Festlegung der Ausdehnung auf ein ganzzahliges Vielfaches der Gitterkonstante umfaßt hinsichtlich der erreichbaren Ge nauigkeit das Problem, daß die Lichtempfindlichkeit des drit ten Photodetektors in verschiedenen Bereichen seiner licht empfindlichen Fläche, vor allem an deren Rändern, variieren kann, so daß sich damit trotz Einhaltung der genannten geo metrischen Abmessungsbedingung ungewollt ein von der Stellung des beweglichen Gitters abhängiges Ausgangssignal des dritten Photodetektors ergeben kann. Ähnliche Probleme ergäben sich aus einer herstellungstoleranzbedingten Abweichung der Aus dehnung des dritten Detektors von einem ganzzahligen Vielfa chen der Gitterkonstante. The determination of the extension to an integer multiple the lattice constant includes the reachable Ge accuracy the problem that the light sensitivity of the third th photodetector in different areas of its light sensitive area, especially at the edges, vary can, so that despite compliance with the geo metric dimension condition unintentionally on of position of the movable grid dependent output signal of the third Photodetectors can result. Similar problems would arise from a manufacturing tolerance-related deviation of the off elongation of the third detector by an integer multiple chen of the lattice constant.

Zur Behebung dieser Nachteile ist der dritt& Photodetektor derart gestaltet, daß er sich in Bewegungsrichtung des beweg lichen Gitters verjüngt, so daß insbesondere seine mittige Fläche zur Regelung der Lichtintensität der Lichtquelle her angezogen wird, während bei Bewegung des beweglichen Gitters bezogen auf die Fläche des dritten Photodetektors ein- oder auslaufende Lichtstreifen durch diese Verjüngung entsprechend reduziertes Gewicht haben und dadurch der Einfluß der Stel lung des beweglichen Gitters auf das Ausgangssignal des dritten Photodetektors stark vermindert wird. Im Hinblick auf die Erlangung eines konstanten Referenzwertes auch während der Bewegung des beweglichen Gitters sollte die Form der wirksamen Fläche des dritten Photodetektors dabei vorzugswei se symmetrisch zu einer durch seinen Schwerpunkt gehenden und auf der Bewegungsrichtung des beweglichen Gitters senkrecht stehenden Linie ausgebildet sein.To remedy these disadvantages is the third & photodetector designed so that it moves in the direction of movement Lichen tapered, so that in particular its central Area for regulating the light intensity of the light source is attracted while moving the movable grille based on the area of the third photodetector leaking strips of light due to this taper reduced weight and therefore the influence of the stel development of the movable grating on the output signal of the third photodetector is greatly reduced. With regard obtaining a constant reference value even during the movement of the movable grille should be the shape of the effective area of the third photodetector is preferably se symmetrical to one going through its center of gravity and perpendicular to the direction of movement of the movable grille standing line.

Sind ferner der erste und zweite sowie in einer bevorzugten Ausführung auch der dritte Photodetektor auf demselben Substrat angeordnet, so ergibt sich eine erhöhte Unempfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen und gegenüber exemplarspezifischen Bauteilunterschieden der Photodetektoren.Are also the first and second as well as in a preferred Execution of the third photodetector on the same Arranged substrate, so there is an increased Insensitivity to temperature fluctuations and compared to the specific component differences of the Photodetectors.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei spiels näher erläutert.The invention is illustrated below with the aid of an embodiment explained in more detail.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsge mäßen Aufnehmerelementes. Fig. 1 shows a schematic representation of the transducer element according to the invention.

Fig. 2 zeigt eine bei dem Aufnehmerelement nach Fig. 1 verwendbare Photodetektoranordnung. FIG. 2 shows a photodetector arrangement that can be used in the sensor element according to FIG. 1.

Fig. 3 zeigt eine bei dem Aufnehmerelement nach Fig. 1 al ternativ verwendbare Photodetektoranordnung. Fig. 3 shows an al alternatively usable photodetector arrangement in the pickup element of Fig. 1.

In der Fig. 1 ist mit 1 ein erster Photodetektor und mit 2 ein zweiter Photodetektor bezeichnet. Das Bezugszeichen 3 be zeichnet ein bewegliches Gitter, und das Bezugszeichen 4 be zeichnet ein ortsfestes Gitter. In Fig. 1, 1 a first photodetector and denoted by 2, a second photodetector. The reference numeral 3 be a movable grid, and the reference numeral 4 be a fixed grid.

Das Bezugszeichen 5 bezeichnet den Abstand zwischen dem be weglichen Gitter und dem ortsfesten Gitter. Mit 6 ist die Lichtquelle bezeichnet. Mit 7 ist die Bewegungsrichtung des beweglichen Gitters bezeichnet. Das Bezugszeichen 8 bezeich net die lichtundurchlässigen Streifen das beweglichen Gitters 3, während das Bezugszeichen 9 die Zwischenräume zwischen den lichtdurchlässigen Streifen bzw. Gitterelementen 8 des beweg lichen Gitters 3 bezeichnet.Reference numeral 5 denotes the distance between the movable grid and the fixed grid. The light source is designated by 6 . With 7 the direction of movement of the movable grating is designated. Reference numeral 8 indicated net the opaque stripes the movable grating 3, while reference numeral 9 denotes the spaces between the translucent stripes or lattice elements 8 of the Move union grating. 3

Das Bezugszeichen 10 bezeichnet die Trennungslinie zwischen einem ersten Gitterbereich 11 des ortsfesten Gitters 4 und einem zweiten Gitterbereich 12 des ortsfesten Gitters 4.Reference numeral 10 denotes the dividing line between a first grid area 11 of the fixed grid 4 and a second grid area 12 of the fixed grid 4 .

Das Bezugszeichen 13 bezeichnet den Zwischenraum zwischen dem ersten Photodetektor 1 und dem zweiten Photodetektor 2, wo hingegen das Bezugszeichen 14 den Abstand zwischen der Mitte des ersten Photodetektors 1 und der Mitte des zweiten Photo detektors 2 bezeichnet.The reference numeral 13 denotes the space between the first photodetector 1 and the second photodetector 2 , whereas, however, the reference numeral 14 denotes the distance between the center of the first photodetector 1 and the center of the second photo detector 2 .

Ferner bezeichnet in der Fig. 2 und der Fig. 3 das Bezugs zeichen 15 den dritten Photodetektor, während in der Fig. 3 das Bezugszeichen 16 den Eintrittswinkel, und das Bezugszei chen 17 den Austrittswinkel des dritten Photodetektors be zeichnet.Furthermore, in FIG. 2 and FIG. 3, the reference character 15 denotes the third photodetector, while in FIG. 3 the reference character 16 denotes the entry angle, and the reference character 17 denotes the exit angle of the third photodetector.

In der Fig. 1 nicht gezeigt sind die Gitterelemente des ortsfesten Gitters 4. Diese verlaufen parallel zu den Gitter elementen des beweglichen Gitters 1.The grid elements of the fixed grid 4 are not shown in FIG. 1. These run parallel to the grid elements of the movable grid 1st

Zur Gewinnung zweier um 90° gegeneinander versetzter elektri scher Ausgangssignale aus einem Inkrementalgeber, wie sie zum Bestimmen von Betrag und Richtung einer Positionsveränderung erforderlich sind, können verschiedene Gitter- und Photode tektoranordnungen benutzt werden.To obtain two electri offset by 90 ° output signals from an incremental encoder, such as those used for Determine the amount and direction of a change in position Different grid and photode can be required tector arrangements are used.

Die bekannten Anordnungen zeigen unterschiedliche Empfind lichkeit gegenüber geometrischen Lagetoleranzen beim Aufbau der Gitteranordnung sowohl bezüglich des Verhältnisses zwi schen der maximalen zur minimalen Lichtintensität an den Pho toempfängern und damit der Amplituden der an den Ausgängen der Photodetektoren erzeugten elektrischen Signale bei Ver schiebung der Gitter gegeneinander, wie auch bezüglich einer ungewollten Veränderung der Phasenverschiebung zwischen den beiden Ausgangssignalen. Die Lagetoleranzen betreffen hierbei vorwiegend den Abstand der Gitter zueinander einerseits, wie eine Verdrehung der Gitter um eine auf ihrer Fläche senkrecht stehende Achse andererseits, durch die die Linien der beiden Gitter nicht der Sollposition entsprechend parallel zueinan der stehen.The known arrangements show different sensations Geometric position tolerances during assembly the grid arrangement both with respect to the ratio between maximum to minimum light intensity at the Pho receivers and thus the amplitudes of the outputs of the photodetectors generated electrical signals at Ver sliding the grids against each other, as well as with respect to one unwanted change in the phase shift between the two output signals. The position tolerances apply here predominantly the distance between the grids on the one hand, such as a rotation of the grids by one perpendicular to their surface standing axis, on the other hand, through which the lines of the two Grid not parallel to each other according to the target position who stand.

Je unempfindlicher die benutzte Inkrementalgeber-Anordnung gegenüber Abweichungen der relativen Stellung der beiden Git ter zueinander ist, das heißt je weniger das Verhältnis von maximaler zu minimaler Lichtintensität an den Photoempfängern und/oder die Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen von Veränderungen dem Position der beiden Gitter zueinander beeinflußt wird, desto geringer sind die Anforderungen an die erforderliche Justage bei der Herstellung und desto geringer ist die Gefahr, daß Positionsveränderungen während der Ge brauchsdauer des Produktes dessen Funktion störend beeinflus sen.The less sensitive the incremental encoder arrangement used versus deviations in the relative position of the two git is to each other, that is, the less the ratio of maximum to minimum light intensity at the photo receivers and / or the phase shift between the two signals of changes in the position of the two grids to each other is influenced, the lower the demands on the adjustment required during manufacture and the less is the danger that position changes during the Ge duration of use of the product interferes with its function sen.

Jede mechanische Justage in der Fertigung wirkt kostenerhö hend, da Justierorgane, wie z. B. Schrauben verwendet und mon tiert werden müssen und dann anschließend deren erforderliche Position in einem Justage-Arbeitsgang eingestellt werden muß. Der Einsatz einer Anordnung, die Lagetoleranzen erlaubt, die bei normaler Fertigungs- und Montagetechnik unmittelbar, also ohne nachfolgende Justage eingehalten werden können, stellt daher ein äußerst wichtiges Ziel dar.Every mechanical adjustment in production has an increased cost hend, since adjusting elements, such as. B. screws used and mon must be tiert and then their required Position must be set in an adjustment operation. The use of an arrangement that allows positional tolerances with normal manufacturing and assembly technology immediately, so can be adhered to without subsequent adjustment therefore an extremely important goal.

Nachstehend wird eine Gitter-/Photodetektoranordnung be schrieben, die sich durch eine besonders geringe Abhängigkeit des erwähnten Intensitätsverhältnisses und der Phasenver schiebung zwischen den beiden Ausgangssignalen von einer Win kel-Fehlstellung zwischen den beiden Gittern und von deren Abstand in Strahlrichtung auszeichnet.A grating / photodetector arrangement will be described below wrote, which is characterized by a particularly low dependency of the mentioned intensity ratio and the phase ver shift between the two output signals from a win misalignment between the two grids and their Distances in the beam direction.

In Fig. 6 der oben genannten Offenlegungsschrift sind die Verhältnisse dargestellt, wenn ein Gitter parallel zur Bewe gungsrichtung des beweglichen Gitters in zwei Teilbereiche unterteilt ist, in denen die Gitterstreifen des einen Berei ches gegenüber denen des anderen Bereiches senkrecht zur Längsrichtung der Streifen um 1/4 der Gitterkonstante ver schoben sind. Die ungewollte Phasenverschiebung, die bei die ser Anordnung zwischen den beiden Ausgangssignalen als Folge einer Winkelverdrehung zwischen den beiden Gittern auftritt, ist beispielsweise um den Faktor 10 bis 20 größer, als bei der hier vorgestellten Anordnung.In Fig. 6 of the above-mentioned publication the conditions are shown when a grating parallel to the direction of movement of the movable grating is divided into two sections in which the grating strips of one area compared to those of the other area perpendicular to the longitudinal direction of the strips by 1 / 4 of the lattice constant are shifted ver. The unwanted phase shift that occurs in this arrangement between the two output signals as a result of an angular rotation between the two gratings is, for example, a factor of 10 to 20 greater than in the arrangement presented here.

Die nachfolgende Beschreibung nimmt Bezug auf Fig. 1.The following description refers to FIG. 1.

Die beiden Photodetektoren 1 und 2 sind die beiden zur Ausle sung des Inkrementalgebers verwendeten Empfänger, die bei Verschiebung des beweglichen Gitters 3 in Richtung des vor wiegend senkrecht auf den Gitterlinien und parallel zur Flä che des Gitters 3 stehenden Doppelpfeiles 7 gegenüber dem vor den Photodetektoren 1 und 2 und relativ zu diesen ortsfest angeordneten zweiten Gitter 4 die beiden zur Signalauswertung benötigten um 90° phasenverschobenen Signale erzeugen. Beide Gitter 3 und 4 tragen auf einem transparenten Träger, z. B. einem Film, zueinander parallele lichtundurchlässige Streifen 8 (Gitterlinien), deren Breite bei allen Streifen gleich und über ihre Länge konstant ist. Die Streifen sind durch eben falls untereinander gleich breite lichtdurchlässige Zwischen räume 9 getrennt, so daß ein regelmäßiges Liniengitter ent steht. Die Summe aus der Breite eines lichtundurchlässigen Streifens 8 und eines lichtdurchlässigen Zwischenraumes 9 ist die Gitterkonstante. Die Gitterkonstanten der beiden Gitter 3 und 4 können je nach angestrebtem Verhalten der Anordnung gleich oder gewollt verschieden sein. Das ortsfeste Gitter 4 ist so angeordnet, daß seine Gitterlinien weitgehend senk recht auf der Verbindungslinie der Mitten der beiden Photode tektoren 1 und 2 stehen. Das bewegliche Gitter 3 hat vom ortsfesten 4 in Strahlrichtung den Abstand 5, die Flächen der beiden Gitter 3 und 4 stehen parallel. Die Gitterlinien 8 der beiden Gitter 3 und 4 sind ebenfalls parallel zueinander aus gerichtet. The two photodetectors 1 and 2 are the two receivers used to read the incremental encoder, which, when the movable grating 3 is displaced in the direction of the perpendicular to the grating lines and parallel to the surface of the grating 3 , double arrow 7 relative to that in front of the photodetectors 1 and 2 and relative to these stationary second grids 4 generate the two signals required for signal evaluation, phase-shifted by 90 °. Both grids 3 and 4 carry on a transparent support, e.g. B. a film, mutually parallel opaque strips 8 (grid lines), the width of all strips is the same and constant over its length. The strips are separated by even if equally wide translucent spaces 9 , so that a regular line grid is ent. The sum of the width of an opaque strip 8 and a translucent space 9 is the lattice constant. The lattice constants of the two lattices 3 and 4 can be the same or intentionally different depending on the desired behavior of the arrangement. The fixed grid 4 is arranged so that its grid lines are largely perpendicular to the connecting line of the centers of the two photodetectors 1 and 2 . The movable grating 3 is at a distance 5 from the stationary 4 in the beam direction, the surfaces of the two grids 3 and 4 are parallel. The grid lines 8 of the two grids 3 and 4 are also directed parallel to each other.

Von der Lichtquelle 6 kommendes Licht durchläuft folglich auf seinem Weg zu einem der Photodetektoren 1 oder 2 nacheinander die beiden Gitter 3 und 4 und die auf den jeweiligen Photode tektor fallende Intensität wird somit abhängig von der Stel lung des beweglichen Gitters 3 in Richtung des Doppelpfeiles 7, da die lichtdurchlässigen Zwischenräume 9 des Gitters 3 durchdringendes Licht je nach Stellung der beiden Gitter ganz, nur teilweise oder nicht auf die lichtdurchlässigen Zwischenräume 9 des Gitters 4 und den jeweils dahinter ange ordneten Photodetektor 1 bzw. 2 trifft. Hat das von der Lichtquelle 6 kommende Licht den (praktisch nicht realisier baren) Bündelöffnungswinkel 0°, oder ist der Abstand 5 der beiden Gitter voneinander gleich Null, dann variiert die das Gitter 4 durchdringende Lichtintensität abhängig von der Ver schiebung des Gitter 3 dreiecksförmig zwischen der Intensität Null und einer hier als 100% bezeichneten Maximalintensität. Die Periodenlänge dieses Dreiecksverlaufes entspricht dabei der Gitterkonstante der beiden Gitter 3 und 4. Ist der Ab stand 5 der beiden Gitter 3 und 4 und gleichzeitig der Bün delöffnungswinkel des von der Lichtquelle 6 kommenden Lichtes größer als Null, dann wird die auf die Photodetektoren fallende Lichtintensität ebenfalls von der Verschiebung des beweglichen Gitters 3 in Richtung des Doppelpfeiles 7 abhän gig mit einer der Gitterkonstante entsprechenden Perioden länge moduliert, wobei allerdings die minimale Intensität größer Null und die Maximalintensität kleiner 100% wird. Die Intensität als Funktion der Verschiebung ähnelt einem Sinus. Um die für die Erkennung der Richtung einer Verschiebung er forderliche Phasenverschiebung zwischen den Signalen aus den beiden Photodetektoren von 90° (bzw. 1/4 der Gitterkonstante) zu erreichen, wird das ortsfeste Gitter 4 längs einer paral lel zu den Gitterlinien verlaufenden Trennungslinie 10 in zwei Hälften 11 und 12 geteilt, wobei das Gitter in einer Hälfte in der Senkrechten zu den Gitterlinien gegenüber der anderen Hälfte um 1/4 der Gitterkonstante versetzt angeordnet ist, so daß die Signale aus den beiden Photodetektoren 1 und 2 bei Verschiebung des durchgehend gleichbleibend geteilten Gitters 3 um 90° (bzw. 1/4 der Gitterkonstante) gegeneinander versetzt sind. Die Trennungslinie 10 verläuft dabei innerhalb des Zwischenraumes 13 zwischen den beiden Photodetektoren 1 und 2.Light coming from the light source 6 consequently passes through the two gratings 3 and 4 on its way to one of the photodetectors 1 or 2 and the intensity falling on the respective photodetector becomes dependent on the position of the movable grating 3 in the direction of the double arrow 7 , since the translucent spaces 9 of the grating 3 penetrating light depending on the position of the two gratings completely, only partially or not on the translucent spaces 9 of the grating 4 and the photodetector 1 or 2 arranged behind them. If the light coming from the light source 6 has the (practically unrealisable) bundle opening angle 0 °, or if the distance 5 of the two grids from one another is zero, then the light intensity penetrating the grating 4 varies depending on the displacement of the grating 3 triangular between the Zero intensity and a maximum intensity referred to here as 100%. The period length of this triangular course corresponds to the lattice constant of the two lattices 3 and 4 . From the stand 5 of the two gratings 3 and 4 and at the same time the bundle opening angle of the light coming from the light source 6 is greater than zero, then the light intensity falling on the photodetectors is also dependent on the displacement of the movable grating 3 in the direction of the double arrow 7 with a period corresponding to the lattice constant, but the minimum intensity is greater than zero and the maximum intensity is less than 100%. The intensity as a function of the shift is similar to a sine. In order to achieve the phase shift required for the detection of the direction of a shift between the signals from the two photodetectors of 90 ° (or 1/4 of the grid constant), the fixed grid 4 is along a line parallel to the grid lines separating line 10 in divided two halves 11 and 12 , with the grating in one half perpendicular to the grating lines offset from the other half by 1/4 of the grating constant, so that the signals from the two photodetectors 1 and 2 when the continuously divided is shifted Grid 3 are offset by 90 ° (or 1/4 of the grid constant). The dividing line 10 runs within the space 13 between the two photodetectors 1 and 2 .

Der Vorteil dieser Anordnung gegenüber der bekannten Anord nung liegt darin, daß die ungewollte Phasenverschiebung zwi schen den beiden Signalen aus den Photodetektoren bei Verdre hung der Gitter 3 und 4 um eine auf den Ebenen der Gitter senkrecht stehende Achse zunächst bei infinitesimaler von der Ideallage ausgehender Verdrehung gleich Null ist und bei grö ßerem Verdrehwinkel bei gleichem Abstand 14 zwischen den Pho todetektoren weitaus kleiner ausfällt (je nach Größe des Ver drehwinkels nur 1/20 bis 1/10 des Wertes), als bei jener An ordnung, bei der die Änderung der Phasenverschiebung bereits bei einem Verdrehwinkel Null beginnend mit maximaler Rate be ginnt. Bei geeigneter Auslegung der Anordnung, d. h. bei ge eigneter Wahl der Gitterkonstante und des Abstandes 14 zwi schen den Mitten der beiden Photodetektoren, jeweils im tech nisch erwünschten und realisierbaren Bereich, kann ein Ver drehwinkel zwischen den beiden Gittern im Bereich von mehre ren Winkelgraden ohne störende Verschiebung der Phasenlage zwischen den beiden Ausgangssignalen erreicht werden. Diese Genauigkeit ist bei technisch üblicher Ausführung der Montage der Einzelteile unmittelbar ohne das Erfordernis einer auf die Montage folgenden Justage erreichbar. Damit bietet die beschriebene Anordnung eine kostengünstige Lösung.The advantage of this arrangement over the known arrangement is that the unwanted phase shift between the two signals between the two signals from the photodetectors when the grids 3 and 4 are rotated about an axis perpendicular to the grating levels, initially with infinitesimal rotation starting from the ideal position is equal to zero and at a larger angle of rotation at the same distance 14 between the photodetectors turns out to be much smaller (depending on the size of the angle of rotation only 1/20 to 1/10 of the value) than with that arrangement in which the change in the phase shift starts at a maximum twist angle starting at zero. With a suitable design of the arrangement, that is, with a suitable choice of the grating constant and the distance 14 between the centers of the two photodetectors, each in the technically desirable and feasible range, a rotation angle between the two grids in the range of several degrees of angle without disruptive Shift of the phase position between the two output signals can be achieved. This accuracy can be achieved with the technically customary execution of the assembly of the individual parts without the need for an adjustment following the assembly. The arrangement described thus offers an inexpensive solution.

Das zur Signalerzeugung benötigte, in seiner Position zu den Photoempfängern 1 und 2 ortsfeste, in die beiden Hälften 11 und 12 wie oben beschrieben geteilte Gitter 4 kann bei der Herstellung der Photodetektoren als auf demselben Chip neben einander angebrachte Halbleiterstrukturen (Photodioden oder Phototransistoren) unmittelbar durch eine entsprechend ausge führte, auf deren Oberfläche aufgebrachte Metallisierung her gestellt werden. Diese Art der Gittererzeugung bietet nicht nur Kostenvorteile, sondern hat darüber hinaus den Vorteil, daß die auf diese Weise erzeugten Gitter maßlich, auch in Be zug auf den jeweiligen Photodetektor, mit höchster Reprodu zierbarkeit hergestellt werden können. Damit kann auch der Zwischenraum 13 zwischen den beiden Photodetektoren, inner halb dessen die Trennungslinie 10 zwischen den beiden Hälften 11 und 12 des Gitters 4 verlauten muß extrem klein ausge führt und damit der Abstand 14 zwischen den Mitten der beiden Photodetektoren minimiert werden. Da die Größe der oben er läuterten ungewollten Phasenverschiebung bei im übrigen glei cher Anordnung proportional zur Größe des Abstandes 14 ist, kann damit der von einer Verdrehung der beiden Gitter 3 und 4 gegeneinander bewirkte Phasenfehler weiter verkleinert wer den. Eine zusätzliche ungewollte Phasenverschiebung kann ent stehen, wenn die Gitterlinien des Gitters 4 nicht senkrecht auf der Verbindungslinie der Mitten der beiden Photodetek toren 1 und 2 stehen. Auch ein Phasenfehler dieses Ursprungs, wie er bei nachträglicher Anbringung des Gitters 4 vor den beiden Photodetektoren 1 und 2 durch Montagetoleranzen ent stehen könnte, wird bei Erzeugung des Gitters 4 in Form der erwähnten Oberflächenmetallisierung bei der Halbleiterher stellung durch die dabei mögliche hohe Reproduzierbarkeit zuverlässig vermieden.The grid 4 , which is required for the signal generation and is stationary in its position in relation to the photodetectors 1 and 2 and divided into the two halves 11 and 12 as described above, can be used directly in the manufacture of the photodetectors as semiconductor structures (photodiodes or phototransistors) arranged next to one another on the same chip a corresponding led out, applied to the surface metallization ago. This type of grid generation not only offers cost advantages, but also has the advantage that the grids produced in this way can be produced with maximum reproducibility, also in relation to the respective photodetector. So that the space 13 between the two photodetectors, within which the dividing line 10 between the two halves 11 and 12 of the grid 4 must be extremely small leads and thus the distance 14 between the centers of the two photodetectors can be minimized. Since the size of the above-mentioned unwanted phase shift with the rest of the same arrangement is proportional to the size of the distance 14 , the phase error caused by a rotation of the two gratings 3 and 4 against one another can be further reduced. An additional unwanted phase shift may arise if the grid lines of the grid 4 are not perpendicular to the connecting line of the centers of the two photodetectors 1 and 2 . Also a phase error of this origin, as it could arise with subsequent attachment of the grating 4 in front of the two photodetectors 1 and 2 due to assembly tolerances, is reliably avoided when the grating 4 is produced in the form of the surface metallization mentioned in the semiconductor manufacture due to the possible high reproducibility .

Gleichzeitig wird durch den verringerten Abstand 14 zwischen den Mitten der beiden Photodetektoren 1 und 2 die Veränderung des Verhältnisses zwischen der maximalen zur minimalen auf die Photodetektoren fallenden Lichtintensität als Folge einer gegenseitigen Verdrehung der Gitter 3 und 4 um ihre Flächen senkrechte ebenfalls reduziert.At the same time, the reduced distance 14 between the centers of the two photodetectors 1 and 2 also reduces the change in the ratio between the maximum and minimum light intensity falling on the photodetectors as a result of mutual rotation of the gratings 3 and 4 about their surfaces perpendicular.

Leuchtdioden, die als Lichtquelle in einem Inkrementalgeber eingesetzt werden, zeigen exemplarspezifische Toleranzen der am Ort der Photodetektoren erzeugten Beleuchtungsstärke, die zudem temperaturabhängig ist und durch Degradation der Halb leiterstruktur über die Lebensdauer abnimmt. Ebenso ergeben sich in der Serienfertigung exemplarspezifische Streuungen in der Photoempfindlichkeit der Photodetektoren (Höhe des Aus gangssignales bei gleicher Beleuchtungsstärke). Auch die Pho toempfindlichkeit der Photodetektoren ist temperaturabhängig. Ebenso unterliegt die Transparenz des beweglichen Gitters, das heißt das Verhältnis der Breite der lichtdurchlässigen zur Breite der lichtundurchlässigen Streifen, in der Serien fertigung einer unvermeidbaren Streuung. Infolgedessen ist ein Abgleich der Anordnung erforderlich, um ein Ausgangssi gnal in einer gewünschten und für die Signalverarbeitung er forderlichen Größe zu erreichen. Die Durchführung eines sol chen Abgleiches im Zuge des Fertigungsprozesses verursacht Kosten und kann nachträgliche Änderungen durch Alterung oder Temperatureinflüsse nicht ausgleichen.Light emitting diodes as light source in an incremental encoder used, show sample-specific tolerances of the illuminance generated at the location of the photodetectors, the is also temperature dependent and by degradation of the half ladder structure decreases over the service life. Likewise revealed there are sample-specific variations in series production the photosensitivity of the photodetectors (height of the off signals with the same illuminance). The Pho sensitivity of the photodetectors depends on the temperature. The transparency of the movable grille is also subject to that is, the ratio of the width of the translucent to the width of the opaque stripes, in the series production of an inevitable spread. As a result an alignment of the arrangement required to obtain an output si gnal in a desired and for signal processing reach required size. The implementation of a sol adjustment in the course of the manufacturing process Cost and may be due to aging or subsequent changes Do not compensate for temperature influences.

Wie in der Deutschen Offenlegungsschrift DE 44 41 194 A1 dar gelegt, können alle diese Einflüsse jedoch automatisch ausge glichen werden durch die Verwendung eines dritten Photodetek tors, dessen Beleuchtung von derselben Lichtquelle kommt, bei Verschiebung des beweglichen Gitters jedoch nicht verändert wird und dessen Ausgangssignal über eine elektronische Regel schaltung den Erregerstrom der Lichtquelle LED so beeinflußt, daß die Ausgangssignale der Photodetektoren 1 und 2 in der gewünschten Höhe konstant gehalten werden. Hierzu muß jedoch sowohl die spektrale Empfindlichkeit des dritten Photodetek tors, wie seine Temperaturempfindlichkeit mit den Werten der Photodetektoren 1 und 2 übereinstimmen und außerdem muß er auf derselben Temperatur mit diesen gehalten werden.As laid out in German Offenlegungsschrift DE 44 41 194 A1, all of these influences can, however, be automatically compensated for by the use of a third photodetector, the illumination of which comes from the same light source, but is not changed when the movable grating is displaced and the output signal of which is an electronic control circuit affects the excitation current of the light source LED so that the output signals of the photodetectors 1 and 2 are kept constant at the desired level. For this purpose, however, both the spectral sensitivity of the third photodetector and its temperature sensitivity must match the values of the photodetectors 1 and 2 , and it must also be kept at the same temperature with these.

Integriert man diesen dritten Photodetektor, wie in Fig. 2 gezeigt, beispielsweise auf demselben Halbleiterchip mit den Photodetektoren 1 und 2, dann ist sichergestellt, daß seine Kennwerte und seine jeweilige Temperatur mit denen der Photo detektoren 1 und 2 optimal übereinstimmen. Da die auf diesen dritten Photodetektor 15 fallende Lichtmenge von der Stellung des beweglichen Gitters 3 unabhängig sein muß, wird auf der Oberfläche des Photodetektors 15 keine Gitterstruktur ange bracht. Die Lichtstreifen, die die transparenten Streifen des beweglichen Gitters 3 durchdringen, verschieben sich mit der Verschiebung des beweglichen Gitters 3 jedoch geometrisch über die Oberfläche des Photodetektors 15. Soll dabei das Ausgangssignal des Photodetektors 15 konstant bleiben, dann muß die Abmessung des Photodetektors 15 in Verschieberichtung einem ganzzahligen Vielfachen der Gitterkonstante des beweg lichen Gitters 3 entsprechen. Diese Forderung muß jedoch dann nicht exakt erfüllt sein, wenn ein mit der Verschiebung des beweglichen Gitters 3 über die Fläche des Photodetektors 15 wandernder Lichtstreifen bei dieser Verschiebung eine senk recht zur Bewegungsrichtung gemessene Breite auf der Fläche des Photodetektors 15 beleuchtet, die sich von Null oder ei nem kleinen Wert beim Eintritt ausgehend, bei weiterer Ver schiebung auf einen Maximalwert steigert und bei in gleicher Richtung fortgesetzter Verschiebung wieder auf Null oder einen kleinen Wert bei Austritt abnimmt. Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Gestaltung dieser Anordnung, bei der der Photo detektor 15 quadratische Form hat und so angeordnet ist, daß entweder seine Diagonale in Richtung der Verschiebung des be weglichen Gitters 3 liegt oder zumindest keine der Quadrat seiten parallel zu dem Gitterlinien des Gitters 3 steht. Er sichtlich kann jedoch der Photodetektor 15 auch beliebige an dere Formen haben z. B. die eines Kreises, einer Raute, eines Parallelogrammes, eines auf die Spitze gestellten Sechseckes, eines Kreisbogenzweieckes usw. und seine Winkelorientierung zur Bewegungsrichtung des beweglichen Gitters 3 beliebig sein, solange dabei die oben näher ausgeführte Bedingung der verschiebungsabhängigen Modulation der Breite des durch einen Spalt des beweglichen Gitters fallenden Lichtes auf der Flä che des Photodetektors 15 erfüllt ist. Ein optimales Verhal ten wird hierbei erreicht, wenn der Eintrittswinkel 16 und der Austrittswinkel 17 gemäß Fig. 3 übereinstimmen. Die vor stehend beschriebene Anordnung des dritten Photodetektors 15 als unmittelbar geometrisch an die beiden Photodetektoren 1 und 2 anschließendes Element führt im übrigen dazu, daß das von der Lichtquelle ausgehende, das bewegliche Gitter 3 durchdringende und auf die Photodetektoren 1, 2 und 3 fallende Licht auf seinem Weg dieselben optischen Flächen und Materialien durchdringt, so daß damit eine im Laufe der Ge brauchsdauer eintretende Verschmutzung der Oberfläche der Lichtquelle, des Gitters 3 oder der Photodetektoranordnung ebenso wie eine Änderung der Transparenz der durchstrahlten Materialien von der Regelung erfaßt und über die Beeinflus sung des Erregerstroms der Lichtquelle automatisch ausgeglichen wird.If one integrates this third photodetector, as shown in FIG. 2, for example on the same semiconductor chip with the photodetectors 1 and 2 , then it is ensured that its characteristic values and its respective temperature match those of the photo detectors 1 and 2 optimally. Since the amount of light falling on this third photodetector 15 must be independent of the position of the movable grating 3 , no grating structure is introduced on the surface of the photodetector 15 . However, the light strips that penetrate the transparent strips of the movable grating 3 move geometrically with the displacement of the movable grating 3 over the surface of the photodetector 15 . If the output signal of the photodetector 15 is to remain constant, then the dimension of the photodetector 15 in the direction of displacement must correspond to an integer multiple of the lattice constant of the movable grating 3 . However, this requirement does not have to be fulfilled exactly when a with the displacement of the movable grating 3 on the surface of the photodetector 15 migratory strip of light during this displacement illuminates a perpendicular right to the direction of width, measured on the surface of the photodetector 15, which differ from zero or starting with a small value when entering, increasing to a maximum value when shifting further, and decreasing to zero when moving further in the same direction or decreasing to a small value when leaving. Fig. 3 shows an exemplary design of this arrangement, in which the photo detector 15 has a square shape and is arranged so that either its diagonal lies in the direction of the displacement of the movable grid 3 or at least none of the square sides parallel to the grid lines of the grid 3 stands. However, it can be seen that the photodetector 15 can also have any other shape z. B. that of a circle, a rhombus, a parallelogram, a hexagon placed on the tip, a circular arc triangle, etc. and its angular orientation to the direction of movement of the movable grating 3 can be as long as the condition of the displacement-dependent modulation of the width of the by one explained in more detail above Gap of the moving grating falling light on the surface of the photodetector 15 is met. An optimal behavior is achieved when the entry angle 16 and the exit angle 17 correspond to FIG. 3. The arrangement of the third photodetector 15 described above as directly geometrically connected to the two photodetectors 1 and 2 adjoining element also leads to the fact that the light source, the movable grating 3 penetrating and falling onto the photodetectors 1 , 2 and 3 light his way penetrates the same optical surfaces and materials, so that a contamination occurring in the course of the usage period of the surface of the light source, the grating 3 or the photodetector arrangement as well as a change in the transparency of the irradiated materials are detected by the control and influenced by the influence of the Excitation current of the light source is automatically compensated.

Die beschriebene Anordnung des dritten Photodetektors 15 hat damit den Vorteil, daß jeglicher Abgleich bei der Herstellung der optoelektronischen Ausleseeinheit des Inkrementalgebers entfallen kann und zudem Änderungen unter dem Einfluß der Um gebungstemperatur oder der Alterung über die Regelung automatisch ausgeglichen werden.The arrangement of the third photodetector 15 described thus has the advantage that any adjustment in the manufacture of the optoelectronic read-out unit of the incremental encoder can be omitted and also changes under the influence of the ambient temperature or the aging are automatically compensated for by the control.

Claims

1. Sensor element with
a light source ( 6 ),
a movable grating ( 3 ) which comprises grating elements ( 8 ) which are arranged transversely to the direction of movement of the grating,
a fixed grid ( 4 ) with a first ( 11 ) and
a second grid area ( 12 ) and
a photodetector arrangement comprising a first ( 1 ) and a second photodetector ( 2 ),
wherein the light source, the movable grating, the fixed grating and the photodetector arrangement are arranged to one another such that light emitted by the light source via the movable grating and the first grating region onto the first photodetector and via the movable grating and the second grating region onto the second Photodetector falls,
characterized,
that the first and second grating regions and the first and second photodetectors are arranged side by side in the direction of movement of the movable grating.

2. sensor element according to claim 1, characterized, that the grid elements of the first grid area ge compared to the lattice elements of the second lattice area are shifted a predetermined amount.

3. sensor element according to claim 1 or 2, characterized, that the grid elements of the first grid area ge compared to the grid elements of the second grid area by 1/4 the lattice constant are shifted, the lattice con constant of the sum of the width of a grid element and the Width of a space between the grid elements ent speaks.

4. sensor element according to one of the preceding claims, characterized, that the light source, the fixed grating and the Photodetector arrangement are arranged such that a movable grid and the first area of the fixed git ters penetrating light beam only on the first photode tector, a the movable grid and the second area of the fixed grid penetrating light beam only on the second photodetector.

5. Sensor element according to one of the preceding An claims, characterized, that an axis transverse to the direction of the lattice elements of the movable grid, an axis transverse to the direction of the Grid elements of the fixed grid, and an axis through the centers of the two photodetectors parallel to each other lel and at right angles to the optical axis of the light source are.

6. sensor element according to one of the preceding An claims, characterized, that the output signal of the first and second photo detector for determining the position of the movable grille is used.

7. Sensor element according to one of the preceding An claims, characterized, that the grid elements of the first and second Git area on the surfaces facing the light source of the first and second photodetectors are arranged.

8. Sensor element according to one of the preceding An claims, characterized, that the first and second photodetectors on one common substrate are arranged.

9. sensor element according to one of the preceding An claims, characterized, that the grid elements of the fixed grid as Electrodes of the first and second photodetectors are formed are.

10. Sensor element according to one of claims 7 to 9, characterized in that the photodetector arrangement comprises a third photodetector ( 15 ), the output signal of which is used to regulate the light intensity of the light source.

11. sensor element according to claim 10, characterized, that the extension of the third photodetector in Direction of movement of the movable grid one integer minor multiples of the lattice constant.

12. sensor element according to one of claims 9 to 11, characterized, that the effective area of the third photodetector is a Has shape that moves in the direction of the movement Grid tapered.

13. sensor element according to claim 12, characterized, that the effective area of the third photodetector is mirror-symmetrical to an axis that is transverse to the direction is the movement of the movable grid and through the middle of the third photodetector.

14. Sensor element according to one of claims 8 to 13, characterized, that also the third photodetector on the common Substrate is arranged.