DE202020000007U1

DE202020000007U1 - Verbesserter Lichtdetektor unter Verwendung trapezförmiger Chips

Info

Publication number: DE202020000007U1
Application number: DE202020000007.8U
Authority: DE
Original assignee: Pangolin Laser Systems Inc
Current assignee: Pangolin Laser Systems Inc
Priority date: 2020-01-03
Filing date: 2020-01-03
Publication date: 2020-06-19
Anticipated expiration: 2030-01-04

Abstract

Drehpositionsdetektor mit:
einer Welle, die um eine Achse davon drehbar ist;
einer Lichtquelle;
einem Lichtdetektor, der in einer beabstandeten Beziehung zur Lichtquelle angeordnet ist, wobei der Lichtdetektor mindestens einen trapezförmigen Chip mit mindestens einem Lichtsensor zum Empfangen von von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahlen aufweist;
einem Lichtblocker, der zwischen dem Lichtdetektor und der Lichtquelle angeordnet ist, wobei der Lichtblocker mindestens ein Element aufweist, das mit der Welle drehbar ist; und
einer Signalverbindung zu dem Lichtdetektor zum Messen einer Lichtmenge, die auf den mindestens einen Lichtsensor auftrifft, um eine Drehposition der Welle zu messen.

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein trapezförmige Chips mit Siliziumfotodioden und insbesondere einen Positionssensor, der auf einer Leiterplatte (PCB) montierte Siliziumfotodioden verwendet, zum Erfassen von Winkelpositionen einer Drehwelle in einem optischen Scanner auf Galvanometerbasis.
Hintergrund der Erfindung
Drehpositionsdetektoren haben viele Anwendungen, wie zum Beispiel beim Erfassen der Position der Welle eines Motors zum Zwecke der elektrischen Kommutierung. Eine andere derartige Anwendung besteht darin, die Position einer Spannrolle in einem Magnetbandspieler oder einer Bahnen-Druckmaschine zu erfassen, um eine konstante Spannung auf das Band oder Papier aufrechtzuerhalten. Eine der neueren Anwendungen eines Drehpositionsdetektors besteht darin, die Position des Beschleunigungs(Gas)pedals in einem Automobil zu erfassen, das Elektromotoren als Teil- oder vollständige Einrichtung zum Antreiben der Räder verwendet.
Optische Scanner auf Galvanometerbasis werden verwendet, um sich nicht bewegende Eingangslichtstrahlen auf einen Zielbereich zu lenken. Diese Art von Scanner verwendet einen Motor mit begrenzter Drehbewegung, um einem optischen Element, wie beispielsweise einem Spiegel, eine Drehbewegung zu verleihen. Normalerweise ist der Spiegel direkt auf der Abtriebswelle des Motors montiert. Ein Positionsdetektor ist im Motor vorgesehen, entweder in der Nähe der Abtriebswelle oder im „hinteren“ Teil des Motors. Dieser Positionsdetektor gibt normalerweise ein Strom- oder Spannungssignal aus, das proportional zum relativen Winkel der Motorwelle und somit relativ zum Winkel des Spiegels in Bezug auf den sich nicht bewegenden Eingangslichtstrahl ist.
Optische Scanner auf Galvanometerbasis lenken einen Laserstrahl für Markierungs-, Schneide- oder Anzeigezwecke, für die die Positionierungsgenauigkeit und die Wiederholbarkeit von entscheidender Bedeutung sein können. Einer der einschränkenden Faktoren für die Genauigkeit und die Wiederholbarkeit ist daher die Leistungsfähigkeit des mit dem optischen Scanner verwendeten Positionsdetektors.
Idealerweise sollte ein Drehpositionsdetektor nur auf den Drehwinkel der Scannerwelle ansprechen. Da ein Spiegel direkt mit der Scannerwelle verbunden ist, bestimmt der Drehwinkel der Welle die Richtung des austretenden Lichtstrahls. Axiale Bewegung und radiale Bewegung beeinflussen im Allgemeinen die Zielposition des Lichtstrahls nicht, der durch den Spiegel reflektiert wird, und da es die Ziellichtstrahlposition ist, die für das Scansystem wichtig ist, sollte die Ausgabe des Positionsdetektors die Zielposition anzeigen und unempfindlich gegenüber Faktoren sein, die diese Zielposition nicht beeinflussen, wie z.B. eine axiale und radiale Bewegung. Eine axiale Wellenbewegung kann als dynamisches Verhalten des Scanners auftreten. Wenn zum Beispiel die magnetische Konstruktion des Scanners nicht perfekt ist, kann die Welle nach außen oder innen schwingen, wenn während einer starken Beschleunigung und Verzögerung starke Stromimpulse auf den Scanner einwirken. Eine radiale Bewegung des Scanners kann als Folge von Lager„rumpeln“ oder Mängeln bei der Herstellung auftreten, die ein geringes Maß einer radiale Bewegung der Welle zulassen. Eine radiale Wellenbewegung kann auch als ein dynamischer Effekt auftreten, wenn der Rotor nicht perfekt konzentrisch zu den Statorkomponenten ist, oder wenn die an der Abtriebswelle angebrachte Trägheitslast (Spiegel und Halterung) nicht perfekt ausgeglichen ist.
Ein Servoregler ist zwischen dem Positionsdetektor und dem Motor angeschlossen. Wenn der Positionsdetektor als Ergebnis einer axialen oder radialen Wellenbewegung eine Ausgabe erzeugt, interpretiert der Servoregler diese fehlerhafte Ausgabe fälschlicherweise als eine Änderung der Drehposition, was zu einem Positionierungsfehler des Gesamtsystems führt. Aus diesem Grund wird ein perfekter Drehpositionsdetektor eine Ausgabe nur als Ergebnis einer Drehbewegung erzeugen und wird keine Ausgabe als Ergebnis einer axialen oder radialen Bewegung erzeugen.
Eine zusätzliche wünschenswerte Eigenschaft eines Drehpositionsdetektors, insbesondere für Galvanometerscanner, die mit analogen Servosystemen verwendet werden, weist das Merkmal auf, dass die Ausgangsspannung oder der Ausgangsstrom in Bezug auf den Drehwinkel linear sind. Das heißt, eine inkrementelle Änderung der Wellendrehbewegung sollte eine entsprechende inkrementelle Änderung des Ausgangssignals des Positionsdetektor erzeugen, wenn auch ein kleiner Grad an Nichtlinearität oft tolerierbar ist. Ferner sollte das Signal-Rausch-Verhältnis so hoch wie möglich sein.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Position der Welle innerhalb eines optischen Scanners zu erfassen. Zwei beliebte Arten von Positionsdetektoren sind kapazitive Positionsdetektoren und optische Positionsdetektoren.
Kapazitive Positionsdetektoren wurden in einigen der frühesten optischen Scanner auf Galvanometerbasis verwendet. Bei einem bekannten Detektor ist ein rotierendes dielektrisches Schmetterlingselement mit der Scannerwelle verbunden und sind die Erfassungsplatten fixiert.
Optische Positionsdetektoren sind in letzter Zeit als Positionsdetektor der Wahl auf dem Gebiet der optischen Abtastung auf Galvanometerbasis hervorgegangen. Typischerweise können optische Positionsdetektoren klein gemacht werden und haben eine geringe Trägheit und können zu geringen Kosten hergestellt werden. Diese Eigenschaften machen optische Positionsdetektoren für optische Scanner wünschenswert, die im kommerziellen und im Endverbrauchermarkt eingesetzt werden.
Ein Typ optischer Positionsdetektoren ist ein „Schattenwurf“-Positionsdetektor, bei dem versucht wird, eine große Fläche von Lichtsensormaterial gleichmäßig auszuleuchten und durch einen Lichtblocker ein Schatten auf die Lichtsensoren geworfen wird. Optische Positionsdetektoren können Fotozellen als Lichtsensoren verwenden. Diese Fotozellen sind am häufigsten PIN-Fotodioden mit großer Fläche und werden im „Fotovoltaik“-Modus verwendet, wobei ein elektrischer Strom durch die Fotozelle erzeugt und durch einen Operationsverstärker verstärkt wird. Die Menge an elektrischem Strom nimmt linear zu, wenn die Intensität des Lichts über die gesamte Fläche der Fotozelle linear zunimmt. Die Menge an elektrischem Strom steigt auch linear an, wenn der beleuchtete Teil der Fotozelle linear zunimmt, solange die Beleuchtung über die gesamte Fläche konstant ist. Das heißt, wenn Licht die Hälfte der Lichtsensorfläche beleuchtet und Licht durch die andere Hälfte der Lichtsensorfläche blockiert wird, wird der ausgegebene elektrische Strom halb so groß sein wie derjenige für eine vollständige Ausleuchtung des Lichtsensors, wodurch eine lineare Beziehung zwischen dem Positionsdetektorausgangssignal und der Ausleuchtung des Fotozellenbereichs erhalten wird.
Unabhängig von der Art des verwendeten Positionsdetektors, kapazitiv oder optisch, wird angenommen, dass alle bekannten Positionsdetektoren unter einem gemeinsamen Problem leiden: Sie geben alle ein Signal aus, das die relative Wellendrehbewegung anzeigt, aber sie geben kein Signal aus, das eine absolute Wellendrehbewegung anzeigt. Das heißt, es ist für den Servoregler unmöglich, die Positionssignalspannung oder den Positionssignalstrom zu lesen und den genauen mechanischen Winkel der Welle als Absolutwert zu kennen. Dies liegt daran, dass das Ausgangssignal der Fotozellen oder der kapazitiven Platten dem durch die LED erzeugten Licht bzw. dem durch den Oszillator erzeugten Signal proportional ist. Wenn bei den optischen Positionsdetektoren das Licht von der LED aufgrund von Umgebungsänderungen oder aufgrund von Komponentendrift zunimmt, wird das durch die Fotozellen erzeugte Ausgangssignal proportional zunehmen. Diese proportionale Zunahme wird den Servoregler dahingehend täuschen, dass er annimmt, dass die Welle auf einen größeren mechanischen Winkel gedreht worden ist. Der Servoregler wird dann versuchen, dies zu kompensieren und einen Fehler erzeugen.
Alle bekannten Positionsdetektoren versuchen, dies unter Verwendung einer automatischen Verstärkungsregelungsschaltung (AGC-Schaltung), wie sie im Stand der Technik bekannt ist, zu korrigieren. Bei den optischen Positionsdetektoren wird das durch alle Fotozellen empfangene Licht zu einer „Gesamtlicht“-Signalspannung addiert. Diese „Gesamtlicht“-Spannung wird mit einer Referenzspannung verglichen, und es wird ein Fehlersignal erzeugt, das die LED ansteuert. Wenn festgestellt wird, dass das „Gesamtlicht“ zugenommen hat, wird die Lichtausgangsleistung der LED um ein entsprechendes Maß vermindert, wodurch versucht wird, die Empfindlichkeit des Positionsdetektors über die Zeit aufrechtzuerhalten. Die Verwendung einer AGC ist jedoch nur gut genug, um Probleme erster Ordnung zu korrigieren. Alle bekannten Positionsdetektoren leiden unter einer Positionsversatzdrift (einer Änderung der Position der Welle, von der der Positionsdetektor annimmt, dass sie die „absolute Null“-Grad-Position der Welle ist) und einer Positionsskalendrift (einer Änderung der Anzeige des Positionsdetektors in Volt pro Grad) aufgrund von Effekten zweiter Ordnung, wie z.B. einer Drift der Referenzspannung selbst oder einer Änderung der in den Operationsverstärkerschaltungen verwendeten Rückkopplungswiderstände. Diese Änderungen treten mit der Zeit und der Temperatur auf.
In der Vergangenheit wurde versucht, Drehpositionsdetektoren, die bestimmte absolute Positionen anzeigen, zusätzliche Signale zuzuführen. Wahlweise oder automatisch kann der Servoregler den Galvanometer-Scanner auf die Suche nach diesen zusätzlichen Signalen trainieren und so die absolute Positionsskala und den Positionsversatz des Positionsdetektors erkennen. Bei der Implementierung in einem kapazitiven Positionsdetektor weist diese Technik mehrere parasitäre Probleme auf. Erstens sind kapazitive Positionsdetektoren sehr empfindlich gegenüber der Form der Plattenelemente. Platten mit Vorsprüngen oder Nuten werden aufgrund von Randeffekten, die durch die Vorsprünge oder Nuten verursacht werden, eine beeinträchtigte Linearität aufweisen. Randeffekte werden sich auch auf die Linearität auswirken, wenn zusätzliche kapazitive Platten verwendet werden. Die Herstellung des speziell geformten beweglichen Schmetterlingselements ist teurer, unabhängig davon, ob diese Technik mit einem optischen Positionsdetektor oder mit einem kapazitiven Positionsdetektor verwendet wird. Der dominierende Servoregler, der zum Steuern von optischen Scannern auf Galvanometerbasis verwendet wird, ist das PID-Servosystem gewesen, das vollständig aus analogen Komponenten (analogen Servos) besteht. Analoge Servosysteme sind verwendet worden, weil sie relativ kostengünstig und relativ einfach sind und weil digitale Servosysteme bis heute nicht die hohe Auflösung und die hohe Abtastrate erreichen konnten, die für die Verwendung mit den schnellsten Galvanometerscannern erforderlich sind. Um die derzeit auf dem Markt erhältlichen schnellsten Galvanometerscanner zu unterstützen und Schrittzeiten im Sub-100-Mikrosekundenbereich zu erreichen, muss eine Abtastrate von 200 kHz zusammen mit einer Abtastauflösung von 16 Bit verwendet werden. Aufgrund der vielen erforderlichen internen Rechenschritte sind Gleitkommaberechnungen äußerst wünschenswert. Bis vor kurzem war es aus Kostengründen unmöglich, einen Servoregler in digitaler Form mit dieser hohen Abtastrate und Auflösung zu implementieren. Jedoch werden angesichts des ständigen Fortschritts, der auf technologischem Gebiet unvermeidlich ist, digitale Signalprozessoren (DSPs) und Analog-Digital-Wandler (AD-Wandler) jetzt mit ausreichender Geschwindigkeit und zu angemessenen Kosten verfügbar, was zu einer Umstellung von analogen Servoreglern auf DSP-basierte Servoregler zur Verwendung mit Galvanometerscannern beitragen wird.
Analoge Servoregler weisen typischerweise eine relativ große Anzahl von Potentiometern auf, die verwendet werden, um den Servoregler für eine optimale Leistung „abzustimmen“. Diese Potentiometer stellen eine Reihe von Servoparametern ein, wie beispielsweise die Servoverstärkung, die Dämpfung, die Kerbfilterfrequenz, die Kerbfiltertiefe, die Eingangsverstärkung, den Eingangs-Offset usw. In der Regel gibt es auch zwei zusätzliche Potentiometer zum Einstellen der Positionsskala und des Positionsversatzes des Positionsdetektors. Obwohl die letzten beiden Parameter keine Servoparameter im engeren Sinne sind, wirken sie sich sicher auf die Leistungsfähigkeit und Genauigkeit des Servoreglers aus. Alle diese Potentiometer müssen von Menschen manuell eingestellt oder „abgestimmt“ werden. Normalerweise wird diese Abstimmung im Werk vorgenommen, aber manchmal ist eine weitere Abstimmung vor Ort erforderlich. Da Ingenieure möglicherweise nicht die Endbenutzer von Systemen mit Galvanometerscannern sind, kann jede nicht werkseitige Abstimmung zu einem suboptimalen Betrieb führen.
Die Umstellung auf DSP-basierte Servosysteme macht all diese Einstellpotentiometer überflüssig, da Servoparameter wie Servoverstärkung, Dämpfung, Kerbfilterfrequenz usw. alle durch algorithmische Konstanten eingestellt werden. Diese algorithmischen Konstanten können durch Menschen auf ähnliche Weise manuell „abgestimmt“ werden, wie dies bei den Potentiometereinstellungen der Fall war, wobei lediglich eine Benutzerschnittstelle verwendet wird, um die Einstellungen vorzunehmen, oder alternativ können diese algorithmischen Konstanten durch einen intelligenten Abstimmalgorithmus automatisch abgestimmt werden. Dies ist möglich, da fast alle Information über das Scansystem durch einfaches Trainieren des Scanners und Beobachten, was mit dem Positionssignal passiert, bestimmt werden kann. Beispielsweise kann die Drehmomentkonstante des Scanners durch beobachten der Gegen-EMK des Scanners hergeleitet werden. In Begriffen des Maschinenbaus ausgedrückt, heißt dies KT = KE. Das heißt, ein Drehmoment von mehreren Dyn-Zentimetern pro Ampere ist direkt proportional zur Motor-Gegen-EMK-Spannung pro Grad pro Sekunde. Wenn also der Servoregler eine Scannerbewegung erzeugt und die „Grad pro Sekunde“ und die Motor-Gegen-EMK messen kann, kann der Servoregler die genaue Drehmomentkonstante (KT) des Scanners herleiten.
Sobald KT bekannt ist, könnte der Servoregler als nächstes einen Impuls mit bekanntem Strom für eine kurze Zeit anwenden und die sich ergebende Winkelbeschleunigung messen, wodurch der Servoregler die Systemträgheit (J) des Rotors, des Spiegels und des Positionsdetektors bestimmen kann, da Kraft gleich Masse mal Beschleunigung ist. Daher ist die Trägheit gleich KT geteilt durch die Beschleunigung.
Als nächstes könnte der Servoregler eine Lichtschleife um den Scanner wickeln und einen Bode-Plot ausführen, wodurch alle Systemresonanzen erhalten werden. Mit dieser Information könnte der Servoregler alle Konstanten für die Pole und Nullen von Kerb- und Bi-Quad-Filtern einstellen.
Sobald die Drehmomentkonstante, das Trägheitsmoment des Systems und die Systemresonanzen bekannt sind, können alle Servoparameter in Sekundenschnelle mit digitaler Präzision eingestellt werden, um die absolut maximale Leistungsfähigkeit des Scanners und des Servosystems zu erzielen. Damit dies möglich ist, benötigt das Servosystem jedoch ein grundlegendes Informationselement. Der Servoregler muss die „Positionsskala“ kennen. Das heißt, der Servoregler muss zuerst die Volt pro Grad des Positionsdetektors kennen.
Positionssensoren, die in optischen Scansystemen verwendet werden, sind allgemein bekannt, wie beispielhaft in den US-Patenten Nr. 7, 688, 432; 7, 940, 380 und; 8, 508, 726 beschrieben ist, deren Offenbarungen hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen sind und die den gleichen Patentinhaber haben.
Darüber hinaus ist, wie im US-Patent Nr. 5, 844, 673 beschrieben ist, dessen Offenbarung hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist, ein typischer quadratischer Chip-Ansatz gegenwärtig sehr verbreitet.
Es wäre jedoch vorteilhaft, einen Drehpositionsdetektor mit einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis bereitzustellen, der außerdem eine absolute Positionsgenauigkeit bietet.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Ausführungsforinen der vorliegenden Erfindung weisen einen verbesserten Lichtdetektor oder Positionssensor auf, der Siliziumfotodioden verwendet, die aus trapezförmigen Chips ausgebildet sind, die auf einer Leiterplatte montiert sind, um Winkelpositionen eines Rotors innerhalb eines optischen Scanners auf Galvanometerbasis zu erfassen. Der Lichtdetektor kann beispielsweise mit einem Drehpositionsdetektor zum Bestimmen der Drehposition einer zugeordneten Welle oder einer anderen Vorrichtung betrieben werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Positionsdetektor und stellt Ausführungsformen bereit, die einen Betrieb mit geringer Trägheit beinhalten und mit kleinen optischen Scannern verwendbar sind. Darüber hinaus stellen Ausführungsformen der Erfindung ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis bereit und können optional eine absolute Positionsgenauigkeit bereitstellen.
Hierin wird ein Drehpositionsdetektor bereitgestellt, der ein Gehäuse mit einem Innenraum aufweisen kann, der durch eine Innenwand definiert ist. Eine Lichtquelle ist derart angeordnet, dass sie Lichtstrahlen von einem Boden des Gehäuses in den Innenraum des Gehäuses emittiert. Eine Basis ist innerhalb des Innenraums des Gehäuses angeordnet.
Eine Lichtdetektoranordnung ist innerhalb des Innenraums des Gehäuses angeordnet und weist eine erste Anzahl von Lichtsensoren auf, die auf der Basis angeordnet und paarweise um eine Achse einer Motorwelle angeordnet sind. Jedes Paar weist ein „A“-Detektorelement und ein „B“-Detektorelement auf. Die Paare sind derart angeordnet, dass jeder „A“-Detektor in Umfangsrichtung zwischen zwei „B“-Detektoren angeordnet ist und jeder „B“-Detektor zwischen zwei „A“-Detektoren angeordnet ist. Der Ausdruck „Lichtsensor“ soll hierbei einen Bereich eines lichtempfindlichen Materials bezeichnen.
Ein Lichtblocker ist innerhalb des Innenraums des Gehäuses für eine Drehbewegung mit der Motorwelle über der Lichtquelle befestigt, im Wesentlichen zwischen der Lichtquelle und der Lichtdetektoranordnung. Der Lichtblocker kann eine zweite Anzahl opaker Elemente mit im Wesentlichen gleichem Oberflächenmaß aufweisen, die um die Motorwellenachse angeordnet sind. Die zweite Anzahl gleicht der Hälfte der ersten Anzahl. Daher werden die von der Lichtquelle ausgehenden Lichtstrahlen, die nicht durch den Lichtblocker blockiert werden, die Lichtdetektoranordnung erreichen, und Lichtstrahlen, die durch den Lichtblocker blockiert werden, werden durch die Lichtdetektoranordnung nicht empfangen.
Eine Signalverbindung ist zwischen den Lichtdetektorelementen und einer Schaltung zum Messen eines Signals von den „A“-Detektoren und den „B“-Detektoren vorgesehen, das mit einer darauf einfallenden Lichtmenge in Beziehung steht. Eine Differenz zwischen dem „A“-Detektorsignal und dem „B“-Detektorsignal steht mit einer Winkelposition der Motorwelle in Beziehung.
Figurenliste
Ausführungsformen der Erfindung werden beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben; es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines Drehpositionsdetektors, der mit Siliziumfotodioden auf einer PCB betreibbar ist, gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Draufsicht einer Ausführungsform eines Lichtdetektors, der einen auf einer Leiterplatte montierten trapezförmigen Chip mit einem Fotodioden-Lichtsensor aufweist, gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung;
3 eine perspektivische Ansicht der Ausführungsform von 2;
4A, 4B und 4C eine Endansicht, eine Draufsicht bzw. eine perspektivische Ansicht eines trapezförmigen Chips mit einem Fotodioden-Lichtsensor gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung;
5 ein schematisches Schaltungsdiagramm gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung mit einer Parallelschaltung von Fotodioden; und
6 eine Darstellung eines Wafers mit Fotodioden-Lichtsensoren, die gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung angeordnet sind.

Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben, in denen Ausführungsformen der Erfindung zur Veranschaulichung und als Beispiel dargestellt sind. Die Erfindung kann jedoch in vielen Formen ausgeführt sein und sollte nicht als auf die hierin dargelegten Ausführungsformen beschränkt betrachtet werden. Vielmehr werden diese Ausführungsformen derart bereitgestellt, dass die vorliegende Erfindung umfassend und vollständig ist und dem Fachmann der Umfang der Erfindung vollständig vermittelt wird.
Gemäß 1 weist eine Ausführungsform einen Drehpositionsdetektor 10 auf, der eine um eine Achse davon drehbare Welle 12 und eine Lichtquelle 14 aufweist. Die Lichtquelle 14 kann eine einheitliche Lichtquelle aufweisen, die allgemein mit der Achse ausgerichtet ist. Bestimmte Ausführungsformen des Drehpositionsdetektors 10 können ein Gehäuse 13 aufweisen, obwohl andere geeignete Konfigurationen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegen. Von der Lichtquelle 14 ausgehende Lichtstrahlen können gegebenenfalls durch eine Linse 15 oder ein anderes lichtmodifizierendes oder lichtlenkendes Element modifiziert werden. Ein Lichtdetektor 16 ist in einer beabstandeten Beziehung zur Lichtquelle 14 angeordnet, um die Lichtstrahlen zu empfangen. Ausführungsformen können auch einen Motor (nicht dargestellt) enthalten, der mit der Welle 12 betreibbar ist.
Ein Lichtblocker 22 ist zwischen dem Lichtdetektor 16 und der Lichtquelle 14 angeordnet, wobei der Lichtblocker 22 mindestens ein Element 24 aufweist, das mit der Welle 12 drehbar ist. Der Lichtblocker 22 kann an der Welle 12 befestigt sein und schwebt über der Oberfläche der Lichtsensoren 20, wie beispielsweise Silizium-Fotodioden. Der Lichtblocker 22 kann schmetterlingsförmig sein und zwei opake Flügel aufweisen, die die lichtempfindlichen Bereiche teilweise abdecken oder freigeben.
Wenn sich die Welle 12 dreht, wird der Lichtblocker 22 eine größere oder kleinere Menge eines lichtempfindlichen Bereichs auf dem Lichtsensor 20 des Lichtdetektors freigeben, wodurch eine Bestimmung der relativen Position der Welle 12 ermöglicht wird. Eine anhand eines Beispiels beschriebene Ausfuhrungsform weist beispielsweise vier lichtempfindliche Bereiche auf, die ein Ausgangssignal erzeugen, wenn der Lichtblocker 22 die aktiven Bereiche freigibt oder abdeckt. Eine Signalverbindung 26 zum Lichtdetektor 16 kann auch zum Messen des Ausgangssignals verwendet werden, das einer auf den mindestens einen Lichtsensor 20 auftreffenden Lichtmenge entspricht, um so eine Drehposition der Welle 12 zu messen.
Wie in den 2 und 3 dargestellt ist, weist eine Ausführungsform des Lichtdetektors 16 mindestens einen trapezförmigen Chip 18 auf, der auf einer Leiterplatte (PCB) 21 montiert ist, wobei der mindestens eine trapezförmige Chip mindestens einen Lichtsensor 20 zum Empfangen von Lichtstrahlen aufweist, die von der Lichtquelle 14 abgestrahlt werden. Der hierin verwendete Begriff „trapezförmig“ schließt ein Rechteck oder Quadrat aus. Der trapezförmige Chip 18 definiert mindestens einen ersten Rand 19a und einen zweiten Rand 19b. Wie in den 4A - 4C dargestellt ist, beträgt ein Winkel zwischen dem ersten Rand 19a und dem zweiten Rand 19b ungefähr 120 Grad. In einer Ausführungsform beträgt der Winkel zwischen dem ersten Rand 19a und dem zweiten Rand 19b ungefähr 117 Grad. Andere geeignete Winkel, die zu trapezförmigen Chips führen, werden als innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung liegend angesehen.
Die PCB 21 wird sowohl verwendet, um die Siliziumsensoren darauf zu montieren, als auch um die Motor- und LED-Verbindung zu ermöglichen. Die PCB 21 definiert eine Öffnung 17, durch die sich die Welle 12 erstreckt. Die Leiterplatte 21 kann eine vierschichtige Leiterplatte sein, um die Verbindungen zu ermöglichen, die für die Siliziumsensorchips und einen Motor benötigt werden. Als nicht einschränkendes Beispiel kann die Leiterplattendicke zwischen 0,050 Zoll und 0,065 Zoll liegen und kann die Leiterplatte aus einem Standard-PCB-Material wie FR4 bestehen. In einer hergestellten Einheit wurden 0,040 Zoll verwendet. Um Verbindungen von gewünschter Qualität zu erhalten, bestehen alle freiliegenden Kontaktstellen auf der Leiterplatte vorzugsweise aus Gold (unabhängig davon, ob es sich um Immersionsgold oder Nickelgold handelt) oder aus einem Material mit äquivalenten vorteilhaften Eigenschaften. Als nicht einschränkendes Beispiel ist eine Lötmaske, die bei der Leiterplatte verwendet wird, ein schwarzes mattes Finish, so dass jegliches durch die LED erzeugte Streulicht effektiv von der Lötmaske absorbiert wird. Eine Legenden- oder eine Siebdruckschicht für die Leiterplatte ist optional.
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf die 2 und 3 weist eine Ausführungsform eines Lichtdetektors 16 eine erste Anzahl segmentierter Lichtsensoren 20 auf, die auf einer Leiterplatte (PCB) 21 montiert und paarweise um eine Achse angeordnet sind, wobei jedes Paar ein „A“-Detektorelement 28 und ein „B“-Detektorelement 30 aufweist, wobei die Paare so angeordnet sind, dass jedes „A“-Detektorelement 28 in Umfangsrichtung zwischen zwei „B“-Detektorelementen 30 angeordnet ist und jedes „B“-Detektorelement 30 zwischen zwei „A“-Detektorelementen 28 angeordnet ist. Gegenuhrzeigersinn-Sensoren werden hier als „A“-Sensoren bezeichnet, und Uhrzeigersinn-Sensoren werden als „B“-Sensoren bezeichnet. In einer Ausführungsform weist die erste Anzahl segmentierter Lichtsensoren 20 vier Lichtsensoren auf. Die PCB 21 kann beide „A“-Sensoren 28 elektrisch miteinander (parallel) verbinden und separat beide „B“-Sensoren 30 miteinander (parallel) verbinden, wodurch letztendlich nur ein „A“-Ausgangssignal und ein „B“-Ausgangssignal zusammen mit einem gemeinsamen Ausgangssignal bereitgestellt wird.
Der gesamte Positionssensor und die Fotodioden werden in einem Fotovoltaikmodus verwendet. Im Wesentlichen werden die „A“-Sensoren 28 durch einen einfachen invertierenden Operationsverstärker verstärkt, und die „B“-Sensoren 30 werden durch einen separaten Operationsverstärker verstärkt. Der optische Sensor liefert somit ein Differenzausgangssignal, das zum Messen der Drehposition der Welle 12 gut funktioniert. Es wird darauf hingewiesen, dass der fotoleitende Modus auch mit einer geeigneten Vorspannung verwendet werden kann, so dass, obwohl die hier als Beispiel beschriebene Implementierung die Verwendung des Fotovoltaikmodus favorisiert, dies nicht im einschränkenden Sinne betrachtet werden soll.
In einer Ausführungsfonn (nicht dargestellt) weist der Lichtblocker 22 eine zweite Anzahl opaker Elemente 24 mit im Wesentlichen gleichem Oberflächenmaß auf, die mit der Welle 12 drehbar sind, wobei die zweite Anzahl der Hälfte der ersten Anzahl gleicht, und wobei eine radiale Ausdehnung der Lichtblockerelemente 24 mindestens einer radialen Ausdehnung der Lichtsensoren 20 gleicht. Ein Beispiel einer derartigen Drehpositionsdetektorkonfiguration ist im US-Patent Nr. 8, 508, 726 dargestellt und beschrieben, das hierin in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen ist. Ein anderes Beispiel eines Drehpositionsdetektors ist im US-Patent Nr. 7, 688, 432 dargestellt und beschrieben, deren Inhalt ebenfalls durch Bezugnahme aufgenommen ist. Der Lichtblocker 22 kann eine Vielzahl von Öffnungen aufweisen, wobei jede Öffnung zwischen benachbarten Lichtblockerelementen 24 angeordnet ist. In bestimmten beispielhaften Ausführungsformen, die die hier beschriebenen trapezförmigen Chips verwenden, ist das Winkelmaß jeder der Lichtblockeröffnungen mindestens so groß wie das Winkelmaß der Lichtsensoren 20.
Ausführungsformen können ferner eine Schaltung aufweisen, die mit der Signalverbindung 26 betreibbar ist, um Signale von den „A“-Detektoren 28 und den „B“-Detektoren 30 zu messen, die mit einer darauf auftreffenden Lichtmenge in Beziehung stehen, wobei eine Differenz zwischen dem „A“-Detektorsignal und dem „B“-Detektorsignal mit einer Winkelposition der Welle 12 in Beziehung steht. Obwohl die hierin dargestellten Ausführungsformen alle einen einzelnen aktiven Bereich auf jedem Chip zeigen, soll dies nicht im einschränkenden Sinne betrachtet werden, sondern es ist möglich, dass jeder Chip mehr als einen aktiven Bereich aufweist. Beispielsweise ist es möglich, dass jeder Chip sowohl einen „A“-Sensor als auch einen „B“-Sensor auf einem einzelnen Chip aufweist. Dies würde das Maß der Drehbewegung vermindern, das erfasst werden könnte, könnte jedoch für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
In den in den 1 - 3 dargestellten Ausführungsformen sind die segmentierten Lichtsensoren 20 allgemein in einer Ebene senkrecht zur Achse definiert. In anderen Ausführungsformen können die Lichtsensoren parallel zur Achse angeordnet sein. Die segmentierten Lichtsensoren 20 können eine Bogensektorform haben. In einer anderen Ausführungsform weist die Bogensektorform eine im Wesentlichen torusförmige Form auf.
Unter fortgesetzter Bezugnahme auf die 1 - 3 weisen die Lichtsensoren 20 ein Lichtsensormaterial auf, das auf Licht anspricht, wie beispielsweise eine Fotodiode, wobei eine lineare Zunahme des darauf auftreffenden Lichts pro Flächeneinheit eine im Wesentlichen lineare Zunahme eines Ausgangssignals verursacht. Im Laufe der Jahre wurden Fotodioden getestet, deren Kapazität ziemlich niedrig war - in der Größenordnung von jeweils einigen zehn Pikofarad, sowie Fotodioden, deren Kapazität wesentlich höher ist - in der Größenordnung von jeweils Hunderten von Pikofarad. Man sagt, dass Fotodioden mit niedriger Kapazität auf Siliziummaterial mit hohem Ohm-Zentimeter-Wert wie beispielsweise etwa 2000 Ohm-Zentimeter, basieren. Auf Datenblättern wird von den Herstellern behauptet, dass diese Silizium-Fotodioden in Fotovoltaikanwendungen „höheres Rauschen“ erzeugen. In einer Computeranalyse wurde jedoch festgestellt, dass die Kapazität tatsächlich eine dominierende Rolle im Gesamtrauschen des Positionssensors spielt, je nachdem, wie die Kapazität selbst sich mit dem Signalverstärker offenbart. Daher kann ein Sensormaterial wünschenswert sein, das eine niedrige Vorrichtungskapazität zeigt.
Bestimmte Silizium-Fotodioden, die in Fotovoltaikanwendungen verwendet werden, werden unter Verwendung einfacher Operationsverstärker verstärkt und haben eine direkte Verbindung von der Fotodiode zum Operationsverstärker. Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung kann jedoch ein kleiner Widerstand mit der Fotodiode und dem Operationsverstärker verbunden sein, wie unter Bezug auf 5 dargestellt ist. Das Schaltungsdiagramm von 5 zeigt die parallele Verbindung zwischen einzelnen Fotodioden (d.h. zwei parallelgeschalteten „A“-Sensoren) sowie typische Verstärkerkomponentenwerte.
Der Widerstand zwischen der Fotodiode und dem Operationsverstärker ist derart angeordnet, dass die Fotodiodenkapazität (und auch jede „Kabelkapazität“ zwischen der Fotodiode und der Verstärkerplatine) vom Operationsverstärker „isoliert“ ist. Dies vermindert tendenziell Rauschen, das ansonsten durch den Operationsverstärker erzeugt würde. Dies funktioniert ziemlich gut, um Rauschen zu vermindern. Dieser Widerstand ermöglicht es der Fotodiode jedoch effektiv, während des Sensorbetriebs eine kleine und sich ändernde Spannung über die Fotodiode zu entwickeln. Es werden Komponentenwerte gewählt, die diese Spannung auf etwa 0,1 bis 0,2 Volt begrenzen. Es ist festgestellt worden, dass, wenn diese Spannung zu hoch wird (zum Beispiel ungefähr 0,5 Volt oder dergleichen), die Linearität des Sensors negativ beeinflusst wird, da schließlich die „Diode“ in Durchlassrichtung vorgespannt wird. Experimente haben gezeigt, dass einige Fotodioden es ermöglichen, dass diese Spannung auf ungefähr 1 Volt ansteigt, bevor merkliche Linearitätseinflüsse ins Spiel kommen.
Gemäß 6 weisen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen eines Lichtdetektors 16 auf, der mit einem Drehpositionsdetektor 10 betreibbar ist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:

Bereitstellen eines Wafers mit mehreren Lichtsensoren;
Schneiden des Wafers durch Ausführen mindestens eines Schnitts unter einem ersten Winkel im Gegenuhrzeigersinn relativ zur Horizontalen (gestrichelte Linien);
Schneiden des Wafers durch Ausführen mindestens eines Schnitts unter einem zweiten Winkel im Uhrzeigersinn relativ zur Horizontalen (gepunktete Linien); und
Schneiden des Wafers durch Ausführen mindestens eines horizontalen Schnitts (durchgezogene Linien), wobei das Schneiden zu mindestens einem trapezförmigen Chip führt, der mindestens einen Lichtsensor aufweist;
Montieren des mindestens einen trapezförmigen Chips auf einer Leiterplatte; und
Positionieren des Lichtdetektors in beabstandeter Beziehung zu einer Lichtquelle, um das Messen einer Drehposition einer Welle zu unterstützen.

In einer Ausführungsform sind der erste und der zweite Winkel größer oder kleiner als ungefähr 120 Grad. In einer anderen Ausführungsform betragen der erste und der zweite Winkel ungefähr 117 Grad. In einigen Ausführungsformen gibt es doppelt so viele horizontale Schnitte wie diagonale Schnitte.
Durch Drehen einer Trennsäge, so dass sie entweder bei einem Winkel von ungefähr 117 Grad oder ungefähr 120 Grad anstelle der üblichen Winkel von 90 Grad arbeitet, ist es möglich, Chips herzustellen, die trapezförmig anstatt rechteckig sind. Während des Trennprozesses nehmen die Chips eine dreieckige Form an. Nach dem letzten Schnitt werden schließlich kleine dreieckige „Abfallstücke“ entfernt, wodurch der trapezförmige Chip selbst zurückbleibt. Die Verwendung trapezförmiger Chips ermöglicht ein größeres Loch oder eine größere Öffnung 17 in der PCB, durch die sich die Welle 12 erstrecken kann.
Obwohl hierin beschrieben wird, wie etwa 117-Grad- oder etwa 120-Grad-Schnitte ausgeführt werden können, soll dies nicht im einschränkenden Sinne verstanden werden. Es können auch andere Winkel verwendet werden, um die Ausnutzung des Wafers, das Maß der aktiven Fläche des lichtempfindlichen Materials und die Größe des Lochs in der Mitte der PCB, durch die die Motorwelle sich erstreckt, zu optimieren. Die Ausführungsformen können verwendet werden, solange sich eine Trapezform ergibt.
Wenn der trapezförmige Ansatz der vorliegenden Erfindung mit dem im US-Patent 7, 688, 432 beschriebenen herkömmlichen Ansatz verglichen wird, der fünfseitig Chips verwendet, erfordert der herkömmliche Ansatz, dass die gesamte Siliziumfläche viel größer ist als dies für den neuen trapezförmigen Ansatz erforderlich wäre, der hierin für Ausführungsformen der Erfindung beschrieben ist. Der trapezförmige Ansatz ermöglicht eine Siliziumausnutzung, die dem herkömmlichen Standardansatz mit quadratischen Chips sehr ähnlich ist, der beispielsweise im US-Patent Nr. 5, 844, 673 beschrieben ist, hat jedoch den Vorteil, dass in der Mitte der Leiterplatte ein größeres Loch ausgebildet werden kann, durch das sich eine Welle erstreckt.
Um die Leistungsfähigkeit der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu den hierin diskutierten herkömmlichen Ansätzen zu bewerten, sollten die Größe der Motorwelle, die am Lichtblocker 22 befestigt ist, und des Lochs in der Leiterplatte, durch das die Motorwelle sich erstrecken muss, verglichen werden. Der populärste in den USA ansässige Hersteller herkömmlicher Galvanometer verwendet eine Wellengröße von 0,060 Zoll, die sich durch ein Loch in der Leiterplatte mit einem Durchmesser von 0,078 Zoll erstreckt. Ein in China ansässiger Galvanometerhersteller verwendet eine Wellengröße von 0,070 Zoll, die sich durch ein Loch in der Leiterplatte mit einem Durchmesser von 0,080 Zoll erstreckt. Zum Vergleich, durch den Erfinder hergestellte Galvanometer nach den Lehren der vorliegenden Erfindung verwenden eine Wellengröße von 0,0935 Zoll, die sich durch ein Loch in der Leiterplatte mit einem Durchmesser von 0,112 Zoll erstreckt. Tatsächlich kann die Wellengröße sicher auf ungefähr 0,100 Zoll erhöht werden.
Da die Steifheit einer Welle proportional zur vierten Potenz ihres Durchmessers ist, sind Galvanometer, die einen Wellendurchmesser von 0,0935 Zoll verwenden, 3,18 Mal so steif wie solche mit einem Durchmesser von 0,070 Zoll, und fast 6 Mal so steif wie solche mit einem Durchmesser von 0,060 Zoll (solange die Länge der Welle gleich ist). Die steifere Welle ist in Galvanometeranwendungen sehr wünschenswert, da sie die Torsions-Resonanzfrequenz zu höheren Werten verschiebt und die Positionsunsicherheit verringert.
Natürlich ist es möglich, den Durchmesser des Lochs in der Leiterplatte herkömmlicher Positionssensoren zu vergrößern, wodurch sich eine größere Welle durch das Loch erstrecken kann. Dies würde jedoch erfordern, dass sich auch die Abmessungen der Siliziumsensorchips ändern. Das Ändern der Innenabmessungen dieser Chips (der Abmessungen, die der Öffnung 17 in der Leiterplatte 21 am nächsten liegen) erfordert, dass entweder der Sensorwinkel oder die aktive Fläche des Sensors vermindert wird - wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis vermindert wird. Das Ändern der Außenabmessung der Chips erfordert, dass der Durchmesser des Lichtblockers 22 vergrößert wird, was die Trägheit erhöht und Resonanzen im Torsions- und Biegemodus des Positionssensors vermindert. Jede dieser Änderungen führt zu einer Verminderung der Gesamtleistung des Positionssensors.
Die Herstellung eines Positionssensors unter Verwendung trapezförmiger Chips gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ermöglicht, dass die Lochgröße in der Leiterplatte dramatisch erhöht werden kann, was letztendlich die Resonanzfrequenzen im Biege- und Torsionsmodus dramatisch erhöht, während gleichzeitig die Positionsunsicherheit vermindert wird. Diese Vorteile ergeben sich, während der Positionserfassungswinkel, das Signal-Rausch-Verhältnis oder die höhere Trägheit nicht beeinträchtigt werden. Darüber hinaus ist die Waferausnutzung (in Bezug auf die Anzahl von Sensorchips, die aus einem einzelnen Wafer hergestellt werden können) für den erfindungsgemäßen Ansatz für trapezförmige Chips derjenigen des herkömmlichen Ansatzes für rechteckige Chips ähnlich, so dass die monetären Kosten für die Implementierung des erfindungsgemäßen neuartigen Sensors ebenfalls ähnlich sind.
Obwohl die Erfindung in Bezug auf verschiedene ausgewählte Ausführungsformen beschrieben worden ist, die hierin beispielhaft dargestellt sind, sind für Fachleute unter Bezug auf die vorstehenden lehren zahlreiche Variationen und Modifikationen ersichtlich. Es wird darauf hingewiesen, dass die Erfindung innerhalb des Umfangs der Ansprüche, die durch diese Beschreibung unterstützt werden, auf eine andere als auf die spezifisch beschriebene Weise in die Praxis umgesetzt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7688432 [0020, 0038, 0048]
US 7940380 [0020]
US 8508726 [0020, 0038]
US 5844673 [0021, 0048]

Claims

Drehpositionsdetektor mit: einer Welle, die um eine Achse davon drehbar ist; einer Lichtquelle; einem Lichtdetektor, der in einer beabstandeten Beziehung zur Lichtquelle angeordnet ist, wobei der Lichtdetektor mindestens einen trapezförmigen Chip mit mindestens einem Lichtsensor zum Empfangen von von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahlen aufweist; einem Lichtblocker, der zwischen dem Lichtdetektor und der Lichtquelle angeordnet ist, wobei der Lichtblocker mindestens ein Element aufweist, das mit der Welle drehbar ist; und einer Signalverbindung zu dem Lichtdetektor zum Messen einer Lichtmenge, die auf den mindestens einen Lichtsensor auftrifft, um eine Drehposition der Welle zu messen.
Drehpositionsdetektor nach Anspruch 1, wobei der Lichtdetektor eine erste Anzahl segmentierter Lichtsensoren aufweist, die paarweise um die Achse angeordnet sind, wobei jedes Paar ein „A“-Detektorelement und ein „B“-Detektorelement aufweist, wobei die Paare derart angeordnet sind, dass jedes „A“-Detektorelement in Umfangsrichtung zwischen zwei „B“-Detektorelementen angeordnet ist und jedes „B“-Detektorelement zwischen zwei „A“-Detektorelementen angeordnet ist.
Drehpositionsdetektor nach Anspruch 2, wobei der Lichtblocker eine zweite Anzahl opaker Elemente mit im Wesentlichen gleichem Oberflächenmaß aufweist, die mit der Welle drehbar sind, wobei die zweite Anzahl der Hälfte der ersten Anzahl gleicht, wobei eine radiale Ausdehnung der Lichtblockerelemente einer radialen Ausdehnung der Lichtsensoren mindestens gleicht.
Drehpositionsdetektor nach Anspruch 2 oder 3, weiterhin mit einer Schaltung, die mit der Signalverbindung betreibbar ist, zum Messen von Signalen von den „A“-Detektoren und den „B“-Detektoren, die mit einer darauf auftreffenden Lichtmenge in Beziehung stehen, wobei eine Differenz zwischen dem „A“-Detektorsignal und dem „B“-Detektorsignal mit einer Winkelposition der Welle in Beziehung steht.
Drehpositionsdetektor nach Anspruch 2, 3 oder 4, wobei die segmentierten Lichtsensoren im Wesentlichen innerhalb einer Ebene senkrecht zur Achse definiert sind.
Drehpositionsdetektor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei jeder der segmentierten Lichtsensoren eine Bogensektorform aufweist.
Drehpositionsdetektor nach Anspruch 6, wobei die Bogensektorform eine im Wesentlichen torusförmige Form aufweist.
Drehpositionsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Lichtblocker mehrere Öffnungen aufweist, wobei jede Öffnung zwischen benachbarten Lichtblockerelementen angeordnet ist.
Drehpositionsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Lichtquelle eine einheitliche Lichtquelle aufweist, die im Wesentlichen mit der Achse ausgerichtet ist.
Drehpositionsdetektor nach einem der Ansprüche 2 bis 9, wobei die erste Anzahl segmentierter Lichtsensoren vier Lichtsensoren aufweist.
Drehpositionsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Lichtsensoren ein Lichtsensormaterial aufweisen, das auf Licht anspricht, und wobei eine lineare Zunahme des darauf auftreffenden Lichts pro Flächeneinheit eine im Wesentlichen lineare Zunahme des Ausgangssignals bewirkt.
Drehpositionsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, weiterhin mit einem Motor, wobei der Motor mit der Welle betreibbar ist.
Lichtdetektor, der mit einem Drehpositionsdetektor betreibbar ist, wobei der Lichtdetektor aufweist: mindestens einen trapezförmigen Chip mit mindestens einem Lichtsensor, der dazu eingerichtet ist, Licht zu empfangen.
Lichtdetektor nach Anspruch 13, wobei der mindestens eine Lichtsensor eine Bogensektorform hat.
Lichtdetektor nach Anspruch 14, wobei die Bogensektorform eine im Wesentlichen torusförmige Form aufweist.
Lichtdetektor nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei der trapezförmige Chip einen ersten Rand und einen zweiten Rand definiert, wobei ein Winkel zwischen dem ersten Rand und dem zweiten Rand ungefähr 120 Grad beträgt.
Lichtdetektor nach Anspruch 16, wobei der Winkel zwischen dem ersten Rand und dem zweiten Rand ungefähr 17 Grad beträgt.
Lichtdetektor, der mit einem Drehpositionsdetektor betreibbar ist, wobei der Lichtdetektor hergestellt wird durch: Bereitstellen eines Wafers mit mehreren Lichtsensoren; Schneiden des Wafers durch Ausführen mindestens eines Schnitts unter einem ersten Winkel im Gegenuhrzeigersinn relativ zur Horizontalen; Schneiden des Wafers durch Ausführen mindestens eines Schnitts unter einem zweiten Winkel im Uhrzeigersinn relativ zur Horizontalen; und Schneiden des Wafers durch Ausführen mindestens eines horizontalen Schnitts, wobei durch das Schneiden mindestens ein trapezförmiger Chip mit mindestens einem Lichtsensor erhalten wird; Montieren des mindestens einen trapezförmigen Chips auf einer Leiterplatte; und Anordnen des Lichtdetektors in einer beabstandeten Beziehung zu einer Lichtquelle zum Unterstützen des Messens einer Drehposition einer Welle.
Lichtdetektor nach Anspruch 18, wobei der erste und der zweite Winkel ungefähr 120 Grad betragen.
Lichtdetektor nach Anspruch 18, wobei der erste und der zweite Winkel ungefähr 117 Grad betragen.
Lichtdetektor mit einem trapezförmigen Chip mit mindestens einem Lichtsensor.
Lichtdetektor nach Anspruch 21, wobei der mindestens eine Lichtsensor eine erste Anzahl segmentierter Lichtsensoren aufweist, die paarweise angeordnet sind, wobei jedes Paar ein „A“-Detektorelement und ein „B“-Detektorelement aufweist.
Lichtdetektor nach Anspruch 22, wobei die Paare derart angeordnet sind, dass jedes „A“-Detektorelement zwischen zwei „B“-Detektorelementen angeordnet ist und jedes „B“-Detektorelement zwischen zwei „A“-Detektorelementen angeordnet ist.
Lichtdetektor nach Anspruch 22 oder 23, weiterhin mit einer Schaltung, die mit einer Signalverbindung betreibbar ist, zum Messen von Signale von den „A“-Detektoren und den „B“-Detektoren, die mit der darauf auftreffenden Lichtmenge in Beziehung stehen.
Lichtdetektor nach Anspruch 22, 23 oder 24, wobei die segmentierten Lichtsensoren im Wesentlichen innerhalb der gleichen Ebene definiert sind.
Lichtdetektor nach einem der Ansprüche 22 bis 25, wobei jeder der segmentierten Lichtsensoren eine Bogensektorform aufweist.
Lichtdetektor nach einem der Ansprüche 22 bis 26, wobei jeder der segmentierten Lichtsensoren eine im Wesentlichen torusförmige Form aufweist.
Lichtdetektor nach einem der Ansprüche 22 bis 27, wobei die erste Anzahl segmentierter Lichtsensoren vier Lichtsensoren aufweist.
Lichtdetektor nach einem der Ansprüche 21 bis 28, wobei die Lichtsensoren ein Lichtsensormaterial aufweisen, das auf Licht anspricht, und wobei eine lineare Zunahme des pro Flächeneinheit darauf auftreffenden Lichts eine im Wesentlichen lineare Zunahme des Ausgangssignals bewirkt.
Lichtdetektor nach einem der Ansprüche 21 bis 29, wobei der trapezförmige Chip einen ersten Rand und einen zweiten Rand definiert, wobei ein Winkel zwischen dem ersten Rand und dem zweiten Rand ungefähr 120 Grad beträgt.
Lichtdetektor nach einem der Ansprüche 21 bis 29, wobei der trapezförmige Chip einen ersten Rand und einen zweiten Rand definiert, wobei ein Winkel zwischen dem ersten Rand und dem zweiten Rand ungefähr 117 Grad beträgt.
Trapezförmiger Chip mit einem Lichtsensor, wobei der trapezförmige Chip hergestellt wird durch: Bereitstellen eines Wafers mit mindestens einem Lichtsensor; Schneiden des Wafers durch Ausführen mindestens eines Schnitts unter einem ersten Winkel relativ zur Horizontalen; Schneiden des Wafers durch Ausführen mindestens eines Schnitts unter einem zweiten Winkel relativ zur Horizontalen; und Schneiden des Wafers durch Ausführen mindestens eines horizontalen Schnitts, wobei durch das Schneiden ein trapezförmiger Chip mit mindestens einem Lichtsensor erhalten wird.
Trapezförmiger Chip nach Anspruch 32, wobei der erste und der zweite Winkel ungefähr 120 Grad betragen.
Trapezförmiger Chip nach Anspruch 32, wobei der erste und der zweite Winkel ungefähr 117 Grad betragen.
Trapezförmiger Chip nach Anspruch 32, 33 oder 34, wobei der erste Winkel relativ zur Horizontalen im Gegenuhrzeigersinn gemessen ist.
Trapezförmiger Chip nach einem der Ansprüche 32 bis 35, wobei der zweite Winkel relativ zur Horizontalen im Uhrzeigersinn gemessen ist.
Trapezförmiger Chip nach einem der Ansprüche 32 bis 36, wobei durch mindestens einen Schneideschritt einen Zwischenchip mit einer dreieckigen Form bereitgestellt wird.
Trapezförmiger Chip nach einem der Ansprüche 32 bis 37, wobei die mehreren Lichtsensoren mindestens eine Silizium-Fotodiode aufweisen.