DE19961250A1

DE19961250A1 - Fotoelektrisches Weg- und Winkelmeßsystem

Info

Publication number: DE19961250A1
Application number: DE19961250A
Authority: DE
Inventors: Franz Klapper; Hans-Joachim Freitag; Hans Georg Ortlepp; Arndt Steinke
Original assignee: CiS Institut fuer Mikrosensorik gGmbH
Current assignee: Cis Institut fur Mikrosensorik Ggmbh 99099 E De; Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1998-12-23
Filing date: 1999-12-18
Publication date: 2000-08-31

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der Signale mit deutlich besseren Signalparametern gewonnen werden können. DOLLAR A Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotoempfänger (FD) in dem Array in vier Paaren oder einem Vielfachen davon, beidseitig der Lichtquelle (LED) so angeordnet sind, dass jede der vier elektrisch verbundenen Fotoempfängerpaare die gleiche Entfernung zur Lichtquelle (LED) haben. DOLLAR A Die Erfindung betrifft ein fotoelektrisches Weg- und Winkelmesssystem zum Messen der Verschiebung zweier Objekte zueinander, bestehend aus einer Lichtquelle, einem Referenzgitter, einem Maßstabsgitter, einer Anordnung von Fotoempfängern und einer Auswerteschaltung, wobei eine Anzahl von Fotoempfängern in einem matrixartigen Array angeordnet sind und die Fotoempfänger, die die gleiche Phasenlage detektieren, elektrisch verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein fotoelektrisches Weg- und Winkelmeßsystem zum Messen der Verschiebung zweier Objekte zueinander, bestehend aus einer Lichtquelle, einem Referenzgitter, einem Maßstabsgitter, einer Anordnung von Fotoempfängern und einer Auswerteschaltung, wobei eine Anzahl von Fotoempfängern in einem matrixartigen Array angeordnet sind und die Fotoempfänger, die die gleiche Phasenlage detektieren, elektrisch verbunden sind.

Im Stand der Technik ist nach DE 195 27 287 ein derartiges Weg- und Winkelmeßsystem zur Abtastung inkrementaler Maßverkörperungen bekannt.

Bei der bekannten Anordnung haben bei ihrer Auflichtanwendung die Diodenpaare, welche die 4 Sensorsignale sin, cos, -sin, -cos erzeugen, unter schiedliche Entfernung von der im Fotodiodenarray integrierten LED. Aus diesem Grund zeigen bei der bekannten Anordnung die einzelnen Signale in Gleichanteil und in Amplitude stark unterschiedliche Werte. Die so beschaf fenen Signale müssen einer hochgradigen Korrektur unterzogen werden, um eine elektronische Auswertbarkeit zu gewährleisten. Bei solchen stark korri gierten Signalen bereitet insbesondere die Anwendung großer Interpolati onsfaktoren Schwierigkeiten, da die Signalparameter Gleichanteil sind und die Amplitude außerdem noch von den Justierparametern abhängig ist.

Durch die Änderungen der Signalparametern mit den Justierparametern gelten die auf die Signale angewendeten Korrekturfaktoren nur für einen engbegrenzten Justierzustand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der Signale mit deutlich besseren Signalpara metern gewonnen werden können.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen von Patentanspruch 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Meßanordnung sind die Fotodioden so angeord net, daß alle vier Kanäle die gleiche geometrische Zuordnung zur LED haben. Dadurch wird gewährleistet, daß die Signalparameter der vier Kanäle untereinander die gleiche Größe haben.

Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus. Hierzu zählen:

- Mit der erfindungsgemäßen Fotodiodenanordnung können Sensorsignale erzeugt werden, die in Amplitude und Gleichanteil untereinander gleich groß sind.
- Die bei den im Stand der Technik bekannten Anordnungen notwendigen sehr großen Korrekturfaktoren zum Angleichen der Signale sind nicht mehr erforderlich.
- Die Signale sind damit weit weniger störanfällig gegen Dejustierungen.
- Durch die gleiche geometrische Zuordnung der Fotodiodenpaare der einzelnen Kanäle zur LED ist beim Einsatz der erfindungsgemäßen Anord nung bei hohen Temperaturen das Auseinanderdriften der Signalparameter der einzelnen Kanäle stark reduziert.
- Der freie Mittelstreifen der Anordnung, wo sich zunächst nur die LED befindet, kann zu Integration zusätzlicher Sensorik z. B. Temperatursensor oder von elektronischen Komponenten zur Signalverarbeitung genutzt werden.
- Indem der Bonddraht zur LED in den freien Mittelstreifen gelegt werden kann, übt er keinen lichtabschattenden Einfluß auf die Fotodioden aus.
- Beim Füllen des Spaltes zwischen der Fotodiodenanordnung und dem Glassubstrat mit einem Füllstoff unter der Maßgabe, daß der Spalt zwischen der LED und Glassubstrat von dem Füllstoff frei bleibt, führt es nicht zu optischen Störungen, wenn etwas Füllstoff vor der Aushärtung entlang des Bonddrahts kriecht.

Die Erfindung wird im Folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher erläu tert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Meßvorrich tung und

Fig. 2 ein Anordnungsbeispiel für ein Fotodiodenarray.

Fig. 1 erläutert ein Beispiel für den Aufbau der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung. Die Anordnung besteht aus einem Siliziumchip Ch mit versenkt angeordneter LED als Lichtquelle und den beiderseits um die LED angeordneten Fotodioden FD. Das Si-Chip mit der in dieses integrierten LED wird mit Lötbumps in Flip-Chip-Technik mit der Unterseite der Glasplatte GP als Chip-Träger mit den zu den Lötpads LP führender Leitungsbahnen elektrisch leitend verbunden. Der Spalt zwischen dem Si-Chip Ch und der Glasplatte GP ist zur Gewährleistung der Kraftstabilität und zum Temperaturausgleich zwischen Si-Chip Ch und Glasplatte GP mit dem Füllstoff, genannt Underfiller UF, ausgefüllt. Auf der Oberseite der Glasplatte GP ist ein Referenzgitter G2 aufgebracht. Oberhalb der Glasplatte befindet sich die Maßverkörperung MV mit der Rasterteilung G1.

In Fig. 2 ist ein Sensorarray dargestellt, bei dem die Fotoempfänger beispielsweise rechteckförmig ausgebildet sind. Jedes der einzelnen Dioden paare, die für die Detektierung der Signale ein cos-, sin-, -cos-, -sin- verant wortlich sind, haben gleiche Zuordnung zur LED. Bei Erfüllung oder annähernder Erfüllung dieser Forderung ist auch jede andere Form der Diodenfelder möglich. Referenzgitter und Gitter der Maßverkörperung sind so zu gestalten, daß das aus beiden Gittern gebildete Steifenmuster bei Verschiebung der Maßverkörperung die einzelnen Diodenpaare phasenrich tig durchläuft.

BEZUGSZEICHENLISTE

Ch Siliziumchip
LED Lichtquelle
GP Glasplatte
MV Maßverkörperung
G1 Gitter auf der Maßverkörperung
G2 Referenzgitter
UV Underfiller
LP Lötpads

Claims

1. Fotoelektrisches Weg- und Winkelmeßsystem zum Messen der Verschie bung zweier Objekte zueinander, bestehend aus einer Lichtquelle (LED), einem Referenzgitter (G2), einem Maßstabsgitter (G1), einer Anordnung von Fotoempfängern (FD) und einer Auswerteschaltung, wobei die Fotoempfängern (FD) in einem matrixartigen Array angeordnet sind und die Fotoempfänger (FD), die die gleiche Phasenlage detektieren, elektrisch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotoempfänger (FD) in dem Array in vier Paaren oder einem Vielfachen davon, beidseitig der Licht quelle (LED) so angeordnet sind, daß jede der vier elektrisch verbundenen Fotoempfängerpaare die gleiche Entfernung zur Lichtquelle (LED) haben.

2. Meßsystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle eine LED verwendet wird, die in das Fotoempfängerarray integriert ist und versenkt auf der Oberfläche des Chips (Ch) angeordnet ist.

3. Meßsystem nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem freien Mittelstreifen zusätzlich zur LED sich weitere Sensoren, wie Temperatursensoren und/oder Komponen ten der Signalverarbeitung befinden.