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Die
Erfindung bezieht sich auf ein optisches Geberelement zur Positions-
oder Längenbestimmung,
das abwechselnd Codebalken und Fenster aufweist. Die Erfindung bezieht
sich weiter auf einen Abtastkopf für ein solches optisches Geberelement sowie
ein Positionsoder Längenmeßsystem
damit.
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Geberelemente
der eingangs genannten Art dienen als Maßverkörperung für kontaktlose Positionsmeßsysteme.
Der Wechsel von Codebalken und Fenstern wird zur Bewegungsmessung
erfaßt.
Bekannt sind Winkeltaktscheiben oder Taktlineale (Encoder), bei
denen die Codierungen aus einer Folge von Streifen oder Balken bestehen. Üblicherweise wechseln
sich Streifen hoher Transmission mit solchen niedriger Transmission
bzw. Reflektion ab, so daß die
von einem Sender ausgehenden Signale mit den sich dabei verändernden
optischen Daten in dem Geberelement modifiziert werden. In einer
Signalverarbeitungsstufe werden aus den modifizierten Signalen Informationen
für die
Positions- oder Längenbestimmung
gewonnen.
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Es
ist auch bekannt, daß Maßverkörperungen
durch Schneiden von Fenstern oder durch Strukturieren von Metallschichten
gewonnen werden können,
wobei absorbierende Schichten sich mit Fensterbereichen hoher Transmission
abwechseln. Beispiele für
derartige als Amplitudengitter realisierte Maßverkörperungen sind Veröffentlichungen
der PWB-Ruhlatec Industrieprodukte GmbH zu entnehmen. Dort wurden
die geeigneten Strukturen durch Belichtung eines Photofilms gewonnen.
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Bei
den bekannten Strukturen bestehen physikalische Grenzen für die Auflösung und
für die
Anzahl der gewonnen Positionssignale durch die Materialbeschaffenheit
und die verwendete Strukturierungstechnologie. Für hochauflösende Strukturen mit 180 oder
360 Linien pro Inch sind üblicherweise Standardabweichungen
in den Linienbreiten von ca. 1 μm
erreichbar.
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Alternativ
zu solchen Maßverkörperungen, die
auf der Basis von Amplituden-Gittern arbeiten, sind auch Strukturen
mit Phasengittern bekannt. Diesbezüglich wird auf die
DE 19639499 A1 oder
DE 19502727 A1 verwiesen.
Bei Phasengittern wechseln sich auf dem Encoder nicht mehr Codebalken und
Fensterbereiche ab, statt dessen wird über eine Beugungsstruktur,
die sich über
den gesamten Encoder erstreckt, unter Ausnutzung von Beugungseffekten
eine hohe Auflösung
erreicht. Übliche
Phasengitter weisen hierzu ein Stufengitter auf, was eine sehr aufwendige
und damit teure Herstellung erfordert.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Maßverkörperung der eingangs genannten
Art so weiterzubilden, daß eine
kostengünstige
Herstellung ohne Genauigkeitsverlust möglich ist. Insbesondere sollte
eine Genauigkeit von 5.000 Linien pro Inch bei einer Standardabweichung
von etwa 50 nm erreicht werden.
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Diese
Aufgabe wird mit einem optischen Geberelement der eingangs genannten
Art gelöst,
bei dem die Codebalken durch eine Beugungsstruktur, die einfallende
Strahlung beugt, gebildet sind.
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Das
Geberelement weist also wie bekannte Amplitudengitter eine stete
Folge von Fenstern und Codebalken auf. Die Codebalken unterscheiden
sich aber nunmehr nicht mehr hinsichtlich ihres Absorptions- oder
Reflexionsverhalten von den Fenstern, sondern dadurch, daß die Codebalken
durch eine Beugungsstruktur gebildet sind. Die Beugungsstruktur
beugt im Durchlichtbetrieb transmittierte oder im Auflichtbetrieb
reflektierte Strahlung so, daß sich
die Intensität
bei der nullten Beugungsordnung oder zumindest bei höheren Beugungsordnungen
von der transmittierten oder reflektierten Intensität eines Fensterbereiches
unterscheidet. Ein Codebalken ist also dann anhand einer veränderten
Intensität
in der nullten oder höheren
Beugungsordnung zu erkennen. In einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform
wird man durch destruktive Interferenz in der nullten Beugungsordnung
eine Intensitätsabschwächung von
transmittierter oder reflektierter Strahlung bewirken. Alternativ
oder zusätzlich
kann man aber auch eine Auslesung dahingehend vornehmen, ob Strahlungsintensität in eine
höhere
Ordnung gebeugt wird.
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Für eine besonders
einfache Auslesung ist es deshalb bevorzugt, daß die Beugungsstruktur in nullter
Ordnung gebeugte oder rückreflektierte
Strahlung in Interferenz zumindest teilweise zur Auslöschung bringt.
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Das
Geberelement ist entsprechend für
die gewünschte
Wellenlänge
der optischen Abtastung ausgelegt, d.h. die Beugungsstruktur ist
zur auslesenden Wellenlänge
abgestimmt, so daß sich in
nullter Ordnung eine Intensitätsminderung
gebeugter oder rückreflektierter
Strahlung bzw. eine hohe Intensität in höheren Beugungs-Ordnungen ergibt.
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Eine
besonders einfache Bauweise formt die Beugungsstruktur als 2D-Submikrometer-Gitterstruktur. Da
die Codierung der Position durch das optische Geberelement wie bei
herkömmlichen
Amplitudengittern durch den Wechsel an Codebalken und Fenstern erfolgt,
leistet die Beugungsstruktur selbst keine unmittelbare Ortsauflösung, wie
dies bei Phasengittern der Fall wäre. An die Fertigungsgenauigkeit
der Beugungsgitterstruktur sind deshalb sehr viel geringere Anforderungen
zu stellen, als bei Phasengitern, obwohl die beugenden Elemente
in ähnlicher
Größe sind.
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Eine
besonders einfach herzustellende Beugungsstruktur erhält man,
wenn man Pits und Lands verwendet, wie sie beispielsweise bei CD-Datenträgern bekannt
sind. Im Gegensatz zu solchen Datenträgern wird man die Erhöhungen darstellenden
Pits durchgängig
in gleicher Größe und vorzugsweise gleich
groß wie
die jeweils dazwischenliegenden Lands ausbilden. Damit die Pits
und Lands der Beugungsstruktur eine maximale Intensitätsauslöschung von
Strahlung erreichen, die in nullter Ordnung gebeugt transmittiert
wird, ist es zweckmäßig den
Dickenunterschied zwischen den Pits und Lands gemäß der Formel λ/[2·(n-1)]
zu wählen,
wobei λ die Wellenlänge der
einfallenden Strahlung und n die Brechzahl des Materials des optischen
Geberelements ist. Der Dickenunterschied ist dabei natürlich in
Richtung der einfallenden Strahlung zu messen. Ist das Geberelement
dagegen für
reflektiven Betrieb vorgesehen, so daß die auf die Pits und Lands
einfallende Strahlung reflektiert wird, sollten die Pits gegenüber den
Lands einen optischen Dickenunterschied von λ/4 aufweisen, damit durch destruktive
Interferenz in nullter Ordnung eine maximale Intensitätsauslöschung erfolgt.
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Aus
den angegebenen Gleichungen ersieht man unschwer, daß sich eine
optimale Intensitätsauslöschung in
nullter Beugungsordnung für
eine bestimmte Wellenlänge
ergibt. Will man ein Geberelement für mehrere Wellenlängen auslegen,
ist es zu bevorzugen, Pits und Lands mit verschiedenen entsprechend
vorgesehenen Dickenunterschieden im Geberelement anzuordnen. Damit
für die
einzelnen Wellenlängen
zwar nur eine vergleichsweise geringere Intensitätsabschwächung erreicht, jedoch kann das
Geberelement für
mehrere Wellenlängen
oder sogar für
einen Wellenlängenbereich
eingesetzt werden.
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Eine
optimale Auslöschung
erhält
man, wenn Pits und Lands gleiche Flächenanteile an den Codebalken
haben, wobei hier eine Toleranz von etwa ± 20% möglich ist. Je geringer die
Toleranz ist, desto besser die Intensitätsabminderung in der nullten
Ordnung.
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Die
gegenüber
Phasengittern stark verminderte Genauigkeitsanforderung an die Beugungsstruktur
erlaubt es, das Geberelement als Spritzgußteil auszubilden. Bei dieser
Bauweise kann man vorzugsweise zusätzlich Bauelemente für Positionierung
und Befestigung des Geberelementes auf einem Antriebselement, beispielsweise
auf einer Antriebswelle, einformen. Als Material für den Spritzguß kommt
dabei jedes thermoverformbare Material, beispielsweise Polycarbonat
oder PET in Frage. Ist das optische Geberelement in Form einer Drehencoderscheibe
ausgebildet kann das zusätzliche
Bauelement beispielsweise eine Nabe zur Befestigung auf einer Antriebswelle
sein.
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Da
die Beugungsstruktur, insbesondere die Pits und Lands, den Codebalken
vom Fenster unterscheiden, ist es zweckmäßig die Beugungsstruktur mit
einer Verschleißschutzschicht
zu versehen, wozu insbesondere ein Plasma-Polymerisat oder eine DLC-Beschichtung
in Frage kommt.
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Die
Beugungsstruktur erlaubt es jedoch nicht nur auf einfache Weise
die Codebalken zu erkennen, sie ermöglicht es auch zusätzliche
Information in einem Codebalken zu hinterlegen. Unterscheidet sich beispielsweise
ein Codebalken von den anderen Codebalken hinsichtlich der Lage
des Beugungsmaximums einer höheren
Ordnung, beispielsweise der ersten Ordnung, kann dieser Codebalken
als Referenzmarke für
ein inkrementelles Meßsystem
dienen. Es ist deshalb bevorzugt, daß die Beugungsstruktur mindestens
eines Codebalkens sich von der Beugungsstruktur anderer Codebalken
unterscheidet. Es wird damit dadurch eine zusätzliche Information im Codebalken
in Form der Beugungsstruktur hinterlegt.
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Die
Maßverkörperung
besteht aus einer topographischen Mikrostruktur, welche eine „integrierte Interferenz" einer lichtbeugenden
2D-Submikrometer-Gitterstruktur darstellt. Über die dritte Dimension wird
die Phase der transmittierten oder reflektierten Lichtwelle bestimmt.
Durch Interferenz mehrerer Teilwellen lassen sich die in Ihrer Phasenlage
veränderten
Lichtwellen entweder verstärken
oder abschwächen.
Das hieraus resultierende Signal kann z.B. in einer Signalverarbeitungseinrichtung
als Steuersignal zur Positions- und Wegbestimmung in mehrfacher
Hinsicht genutzt werden:
- 1. Auslesen der Signale
im Fenster der 0. Ordnung und Zählen
der digitalisierten Impulse in der inkrementalen Folge.
- 2. Auslesen der Signale im Fenster der 1. Ordnung und dekodieren
eines Indexsignals, welches durch lokale Änderung der pit-Struktur (Lage
und Geometrie der Struktur der pits) erzeugt wird.
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Die
erfindungsgemäße Mikrostruktur
bildet im Makrobereich oberhalb der μm-Strukturen ein Encodermuster
für die
Steuerfunktion, beispielsweise durch abwechselnde Fenster- und Balkenstrukturen.
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Ein
Vorteil des neuen Geberelementes besteht in der Möglichkeit,
funktionsintegrierende Maßnahmen
in diesem Bauteil durchzuführen,
so daß z.B.
eine Nabe zur Aufnahme einer Motorwelle in das optische Geberelement
aus Polycarbonat integriert werden kann.
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Ein
weiterer Vorteil besteht in der hohen Ebenheit (niedriger TIR, TIR
= Total Induzierter Runout) des Geberelementes, wodurch Modulationsfehler
und die Abstände
zwischen den Bauteilen einer Positionierungsvorrichtung weiter verringert
werden können.
Es lassen sich Bauteil-Abstände
von 0,5 mm und weniger mit konventionellen Bauteilen (LED, Photo-Transistoren) realisieren.
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Die
Verschleißbeständigkeit
und Bruchsicherheit können
durch die verwendeten Materialien derart verbessert werden, daß die Lebensdauer
um den Faktor 5 gegenüber
herkömmlichen
Vorrichtungen gesteigert wird.
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Die
für das
Auslesen der Signale erforderliche Sensoren werden wie üblich auf
die Längsdichte der
Strukturen und somit auf die LPI-Werte abgestimmt (Längsdichte
bedeutet: „Linien
pro Länge
Geberelement").
Für das
Auslesen der O. Ordnung können
konventionelle LED, VCSEL oder RLED eingesetzt werden, wobei eine
Fensteroptik eine Strahlparallelisierung bewirkt.
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Neben
den beschriebenen Beugungsstrukturen nullter und erster Ordnung
können
bei geeigneten Lichtquellen auch Beugungssignale höherer Ordnung
ausgelesen werden. Dazu wird eine Lichtquelle hoher Parallelität und Kohärenz verwendet,
z.B. eine Festköperlaserdiode.
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Zusammenfassend
läßt sich
feststellen, daß durch
die Modifizierung der Oberflächenstruktur,
verbunden mit einer speziellen Fenstergestaltung des Empfängers (Mehrfachempfänger) weitere
Informationen in der abzutastenden Spur unterzubringen sind. Selbstverständlich lassen
sich auch mehrere Spuren auf einem Geberelement anordnen, so daß sich die Anzahl
der zu verarbeitenden Signale erheblich vergrößern läßt. Dies verbessert die Einsatzmöglichkeiten
des Geberelementes in vielfältiger
Hinsicht, so daß nicht
nur gewöhnliche
Positionssignale oder Meßsignale
gewonnen werden können,
sondern auch innerhalb dieser Signalarten bestimmte Bereiche durch
Indexierung definiert werden können.
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Zum
Herstellen eines erfindungsgemäßen optischen
Geberelementes gelöst,
wird eine Form hergestellt, in der strukturierte als Mikrostruktur
ausgebildete Bereiche mit unstrukturierten Bereichen abwechseln,
und von dieser Form in einem Abformschritt das optische Geberelement
abgeformt, wobei die strukturierten Bereiche der Form Codebalken
des Geberelementes und die unstrukturierten Bereiche der Form Fenster
des Geberelementes bilden, so daß die Mikrostruktur den Codebalken
Beugungseigenschaften für
einfallende Strahlung verleiht.
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Das
Herstellverfahren liefert ein optisches Geberelement mit den eingangs
geschilderten Eigenschaften. Es ist der an und für sich bekannten CD-Herstellung
nachgebildet und erlaubt sehr große Stückzahlen bei geringen Kosten.
Allgemein kommen unter anderem folgende technologischen Verfahren
für die
Massenproduktion des Geberelementes in Frage: Präzisionsspritzguß, Herstellung
mittels Heißprägen oder
Heißgießen, insbesondere
mittels Heißprägen in einer
Kunststoffschicht.
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In
einer besonders einfachen Bauweise wird die mechanische Erzeugung
der Meßteilung
zuerst separat vorgenommen, d.h. in einem ersten Verfahrensschritt
wird das Geberelement aus transparentem Kunststoff hergestellt und
in einem zweiten Verfahrensschritt dann mit einem thermisch und/oder mechanisch
stabilisierenden Grundkörper
verbunden. Soll das Geberelement reflektiv eingesetzt werden, kann
vor oder nach dem Verbinden eine entsprechende Spiegelschicht aufgebracht
werden. Alternativ kann auch der Grundkörper die Spiegelschicht aufweisen.
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Die
Anordnung der die Beugungsstruktur bildenden Elemente auf der Fläche des
Codebalkens kann prinzipiell unter der Maßgabe, daß die gewünschte Beugungseigenschaften
erreicht werden, frei gewählt
werden. insbesondere können
verschieden geformte Pits eingesetzt werden. Beispielsweise ist
es denkbar, bei einem Winkelencoder die Pits in konzentrischen Spuren
anzuordnen. Die unterschiedliche radiale Länge eines bei einem Winkelencoder
keilförmigen
Codebalkens kann dabei entweder durch Variation von Länge und
gegenseitigem Abstand der Pits als auch durch entsprechende Anpassung
der Anzahl der Pits bei gleicher Länge erreicht werden.
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Die
Aufgabe wird weiter gelöst
durch einen Abtastkopf für
ein optisches Geberelement der geschilderten Art, der neben einer
Strahlungsquelle zur Beleuchtung des Geberelementes auch einen Empfänger aufweist,
der am Geberelement in höherer Ordnung
rückreflektiert
oder gebeugte Strahlung detektiert. Ein solcher Abtastkopf, der
eine Strahlungsquelle geeigneter Monochromie aufweisen sollte, damit
die gewünschten
Beugungseffekte auftreten, erlaubt es Fensterbereiche, in denen
keine Beugung auftritt, klar von Codebalken zu unterscheiden, bei denen
Beugungen in höherer
Ordnung auftreten. Bei Ausführungsformen
des Geberelementes mit durch andersartige Beugungsstruktur ausgezeichneten
Referenz-Codebalken erlaubt der Abtastkopf zugleich, die Absolutlage
des Geberelementes durch Detektion des Referenz-Codebalkens zu detektieren.
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Die
Strahlungsquelle muß dafür, wie bereits erwähnt, geeignet
monochromatisch sein, damit eine hinreichend eindeutige Beugung
in die höhere
Ordnung erfolgt, da der Winkel eines Beugungsmaximums bekannterweise
von der Wellenlänge
der einfallenden Strahlung abhängt.
Als Strahlungsquelle kommt beispielsweise eine LED, vorzugsweise
mit vorgeschalteter Mikrooptik, eine Laserdiode oder VCSEL in Frage.
All diese Strahlungsquellen lassen sich kostengünstig realisieren und bieten
ausreichend monochromatische Strahlungseigenschaften.
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In
einer besonders zu bevorzugenden Bauweise ermöglicht der Abtastkopf die gleichzeitige
Detektion in verschiedener Ordnungen gebeugter oder rückreflektierter
Strahlung. Dies kann beispielsweise die nullte Ordnung gebeugte
oder rückreflektierte Strahlung
sein, so daß an
einer entsprechenden Intensitätsabschwächung das
Vorliegen eines Codebalkens erkannt wird. Aus Strahlungen höherer Ordnung
läßt sich
dann die erwähnte
Referenzmarkenfunktion ableiten.
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Die
Erfindung wird weiter gelöst
durch ein Positions- oder Längenmeßsystem
mit einem optischen Geberelement sowie einem Abtastkopf der geschilderten
Art, mit einer Signalauswertungseinheit, die die Signale des Empfängers des
Abtastkopfes auswertet und ausgehend von einer Detektion in nullter
und/oder höherer
Ordnung gebeugter oder rückreflektierter
Strahlung ein Positionssignal erzeugt. Damit kann, wie bereits erwähnt besonders
einfach eine absolute Positionsbestimmung unter Auswertung durch
die Beugungseigenschaften ausgezeichneter Referenz-Codebalken erreicht
werden.
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Das
erfindungsgemäße Geberelement
ermöglicht
ein Verfahren zur Positions- oder Längenmessung, bei dem an einem
Maschinenteil das optische Geberelement der oben genannten Art angebracht
wird, das optische Geberelement mit Beleuchtungsstrahlung beleuchtet
und vom optischen Geberelement rückreflektiert
oder transmittierter Strahlung detektiert wird, wobei eine Strahlungsabschwächung von
in nullter Ordnung rückreflektiert
oder transmittierter Strahlung oder die Strahlungsintensität von in höherer Ordnung
rückreflektierter
oder transmittierter Strahlung ausgewertet wird, um die Codebalken
des Geberelementes zu detektieren und gegebenenfalls hinsichtlich
ihrer Beugungseigenschaften ausgezeichnete Codebalken zu erkennen.
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Die
Beugungsstruktur solcher ausgezeichneter Codebalken kann sich sowohl
in einer Richtung als auch in einer zweiten Gitterrichtung von anderen Codebalken
unterscheiden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beispielhalber noch näher
erläutert.
In den Zeichnungen zeigt:
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1a eine Draufsicht auf ein
optisches Geberelement,
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1b eine Ausschnittvergrößerung des Details
A der 1a,
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1c einen Schnitt entlang
der Linie R–R der 1b,
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2 ein schematisch dargestelltes
Positionsmeßsystem
mit dem Geberelement der 1,
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3 eine schematische Darstellung
der Beugungseigenschaften des für
transmissiven Betrieb ausgebildeten Geberelementes der 1,
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4 eine schematische Darstellung
einfallender und ausfallender Strahlung ähnlich der 3 für
ein optisches Geberelement im reflektiven Betrieb,
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5 eine vergrößerte Darstellung
der Verhältnisse
der 4 zur Erläuterung
der Beugungseigenschaften,
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6a und 6b schematische Darstellungen der Intensität der von
einem Fenster bzw. Codebalken der 1 transmittierten
Strahlung,
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7 und 8 Positionssignale, die am Geberelement
der 1 gewonnen wurden,
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9 eine zweidimensionale
Darstellung der Intensität
in unterschiedliche Richtungen gebeugter Strahlung an einem Codebalken
des Geberelementes der 1 und 10 bis 13 einzelne Schritte bei der Herstellung
des Geberelementes der 1.
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Ein
optisches Geberelement 1 besteht aus Codebalken 2 und
Transmission-Fenstern 3. Im Beispiel der 1a ist das Geberelement eine Taktscheibe,
die mit einer Nabe 4 zur Befestigung auf einer nicht dargestellten
Antriebswelle versehen ist. Es befindet sich eine Codebalken-Spur 9 auf
der Taktscheibe, die für
einen gegebenen Radius eine bestimmte LPI-Zahl (Linien pro Inch) aufweist.
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1b zeigt einen Ausschnitt
A eines Codebalkens 2, bestehend aus Pits 5 und
Lands 6. Diese werden durch seitliche Fenster 3.1, 3.2 mit
transparentem Material begrenzt.
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1c zeigt einen Querschnitt
durch eine Codebalkenstruktur der 1b entlang
der Linie R–R.
Man erkennt die Pits 5 und Lands (6) sowie deren
Dickenunterschied D, dessen Betrag für Transparentbetrieb der Formel λ/[2·(n-1)].
Des weiteren sind auf beiden Seiten des optischen Geberelementes 1 Schutzschichten 7 und 8 zur
Verbesserung der Verschleißfestigkeit
angeordnet. Das Material des Geberelementes besteht z.B. aus Polycarbonat
mit der Berechzahl n=1,55. Das Material der Schutzschichten besteht
vorzugsweise aus einem Plasma-Polymerisat oder einer DLC-Beschichtung.
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2 zeigt eine Positionierungsvorrichtung, mit
einem Sender 10, zum Beispiel einer LED- oder Laserdiode,
dem optischen Geberelement 11, das dem Geberelement 1 der 1 entspricht und das als
CD-Taktscheibe aufgefaßt
werden kann, und einem Empfänger 12,
z.B. einem Mehrfachempfänger. Der
Mehrfachempfänger
weist mehrere Fensterbereiche 13 für Beugungssignale nullter und
erster Ordnung auf. Mit dem Pfeil 14 wird im Sinne eines
Flußdiagramms
eine Weiterleitung der Beugungssignale in eine Verarbeitungseinheit 15 zur
mehrfachen Positions- und Wegbestimmung angedeutet.
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Mit
Hilfe der Positionsvorrichtung ist es möglich, gegenüber konventionellen
Positionierungen eine Verbesserung in der Auflösung der Maßverkörperung zu erreichen, so daß kleinere
Scheibendurchmesser bzw. kürzere
Meßlängen für Taktscheiben oder
Taktlineale mit hoher Auflösung
ermöglicht
sind.
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Die
Codebalken 2 des in der Ausführungsform als Winkelencoder
ausgeführten
optischen Gebers 1 der 1a sind
keilförmig
und unterscheiden sich von den Fenstern 3 nur durch die
von Pits 5 und Lands 6 gebildete Beugungsstruktur.
Wie der Schnitt entlang der Zeile R–R der 1b verdeutlicht, wechseln sich in der
Beugungsstruktur der Codebalken 2 die Pits 5 mit
den Lands ab, wobei im Bereich der Pits 5 die Gesamtmaterialdicke
um den Dickenunterschied D größer ist
als im Bereich der Lands 5. Auf die Wirkung dieses Dickenunterschiedes
wird später noch
genauer eingegangen.
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Wie 1b zeigt, haben auf dem
keilförmigen
Codebalken 2 die Pits und Lands immer gleiche Größe, so daß aufgrund
der Keilwinkel bedingten Aufweitung des Codebalkens mit wachsendem
Radius, die Zahl der Pits nach außen hin allmählich zunimmt,
da am Rand zusätzlich
Platz für
weitere Pits 5 entsteht. Die Flächenaufteilung zwischen Pits
und Lands beträgt
innerhalb einer Toleranz von 20% 50:50, da dies für die noch
zu erläuternden
Beugungseigenschaften vorteilhaft ist.
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3 zeigt im Detail die Ausgestaltung
der Beugungsstruktur eines Codebalkens 2 für ein für Durchlichtbetrieb
ausgebildetes Geberelement 1. Pits 5 mit einer
Länge b
wechseln mit gleich langen Lands 6 ab, wobei die Pit-Tiefe
je nach Wellenlänge zwischen
100 und 1.000 nm beträgt
und die Periode g etwa 1,3 μm
beträgt.
Der in Richtung R–R
der 1b gemessene Abstand
der Pits (= Land-Größe) beträgt etwa
0,8 μm.
Die Pits sind 0,5 μm
breit. Die größere Ausdehnung
der Pits liegt üblicherweise
im Bereich von 0,2 bis 3 μm.
Der Dickenunterschied D zwischen der Dicke des Materials zwischen
einem Land 5 und der Unterseite des für Durchlichtbetrieb ausgelegten
optischen Gebers und dem entsprechenden Maß für ein Pit 5 beträgt λ/[2·(n-1)],
ist also zur Wellenlänge
bzw. Mittelwellenlänge
des Beleuchtungsstrahls 20 passend gewählt. Durch diesen Dickenunterschied,
und da das Maß b
bzw. g klein gegen die quer zur Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungsstrahls 20 gemessene
Kohärenzlänge ist,
wird der Beleuchtungsstrahl 20 durch die Pits 5 und
Lands 6 gebeugt, so daß er
sich in eine (gestrichelt gezeichnete) nullte Ordnung 21 und
eine (dünn
gezeichnete) erste Ordnung 22 ausbreitet. Aufgrund des
Dickenunterschiedes kommt es dabei in der nullten Ordnung zu einer
destruktiven Interferenz, d.h. in Richtung der nullten Ordnung 21 wird
keine Strahlung transmittiert. Der Codebalken 2 unterscheidet
sich also von einem Fenster 3 dadurch, daß in nullter
Ordnung, d.h. in normaler geradliniger Transmission, keine Strahlung durchtritt.
Ein weiterer Unterschied liegt darin, daß in die erste Ordnung 22 Strahlung
gebeugt wird. Die destruktive Interferenz tritt auf, da die optische
Weglänge
für Pits 5 und
Lands 6 sich genau um die halbe Wellenlänge des Beleuchtungsstrahles 20 unterscheidet.
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Diesen
Effekt kann man natürlich
auch im reflektiven Betrieb ausnutzen. Dazu ist eine geeignete Reflexschicht 23 auf
dem optischen Geber vorgesehen, die in den Fenstern 3 sowie
im Bereich der Pits 5 und Lands 6 aufgebracht
ist. Die Reflexschicht 23 kann wahlweise auf beiden Seiten
des optischen Gebers vorgesehen werden. In der in 4 dargestellten Bauweise befindet sie
sich auf den Pits 5 und Lands 6. Einfallende Strahlung 20 (die
zur besseren Verdeutlichung in 4 schräg einfallend
gezeichnet ist) wird nun aufgrund destruktiver Interferenz nicht
in die nullte Ordnung zurückreflektiert;
hier erfolgt wiederum eine Auslöschung.
Eine Reflexion in dies erste Ordnung 22 erfolgt dagegen.
Da die Strahlung den Dickenunterschied D zwischen Pits 5 und
Lands 6 hierbei zweimal durchläuft, ist gegenüber der 3 nur der halbe Dickenunterschied
vorgesehen, womit automatisch D=λ/4
folgt.
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Die
Bauweise der 4 hat den
Vorteil, daß über der
Beugungsstruktur die Schutzschicht 8 so ausgebildet werden
kann, daß insgesamt
eine ebene Oberfläche
vorliegt. In diesem Fall muß natürlich die Brechzahl
des Materials der Schutzschicht 8 bei der Berechnung der
Dicke berücksichtigt
werden, so daß dann
gilt D=λ/[4·(n-1)],
wobei n hier nun die Brechzahl des Materials der Schutzschicht 8 bezeichnet. Liegt
die Reflexschicht 23 an der Unterseite, muß der optische
Weg durch das Material berücksichtigt
werden. Mit homogen dicker Verschleißschicht 8 gilt dann
D=λ/[4·(n-1)].
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In 5 ist die Wirkung der Beugungsstruktur
aus Pits 5 und Lands 6 noch einmal veranschaulicht.
Die Wegdifferenz zwischen den Strecken CE und AB ist eine Funktion
der Differenz zwischen Sinus des Einfallswinkels minus Sinus des
Winkels, unter dem die gebeugte Strahlung erfaßt wird. Sie ist bei einem
Maximum der gebeugten Strahlungsintensität proportional zur Wellenlänge.
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2 zeigt, wie die Strahlungsintensität der nullten
Ordnung 21 bzw. der ersten Ordnung 22 ausgewertet
wird. Der Empfänger 12 weist
dazu, wie bereits erwähnt,
geeignete Fensterbereiche 13 auf, die Strahlung der nullten
Ordnung bzw. der ersten Ordnung aufnehmen und entsprechende Signale
abgeben. Der Mehrfach-Empfänger 12 verfügt also
für die Beugungssignale
der einzelnen Ordnungen über
unterschiedliche Detektionsbereiche, was es der Verarbeitungseinheit 15 ermöglicht,
einen Codebalken 2 am Ausbleiben des in nullter Ordnung
transmittierten oder reflektierten Beleuchtungsstrahls 20 bzw.
am Auftreten von in höherer
Ordnung 22 gebeugter bzw. gebeugter und reflektierter Strahlung
von einem Fenster 3 zu unterscheiden, bei dem in gerader
Richtung, d.h. in Richtung auf den Fensterbereich 13.3 die
ungeschwächte
Strahlung der LED 10 gelangt, nie jedoch in Richtung der
ersten Ordnung, d.h. auf den Fensterbereich 13.1 oder 13.2.
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Die 6a und 6b verdeutlichen diese Unterschiede zwischen
Fenstern 3 und Codebalken 2. 6a zeigt die Intensitätsverteilung bei einem Fenster 3.
Handelt es sich um ein Geberelement 1 für transmittiven Betrieb, wird
in Richtung der nullten Ordnung die volle Strahlungsintensität transmittiert, ansonsten
wird sie in Richtung der nullten Ordnung reflektiert. Im Falle eines
Codebalkens 2 bleibt dagegen die nullte Ordnung aufgrund
der Interferenz an der Beugungsstruktur aus, statt dessen erscheint Strahlungsintensität in höheren Ordnungen
(in 6b als +1, +2 bzw. –1 und –2 bezeichnet).
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Die
als Steuerungseinheit dienende Verarbeitungseinheit 15 erzeugt
ein entsprechendes Positions-Signal S erzeugen, wie es beispielhalber
in 7 gezeigt ist. Das
Positionssignal S ist binär
und weist entweder einen High-Pegel 25 mit einem Wert S1
oder einen Low-Pegel 26 mit einem Pegel S0 auf. Fällt der
Beleuchtungsstrahl 20 der LED 10 auf einen Codebalken 2,
wird im Fensterbereich 13.3 aufgrund der destruktiven Interferenz
keine Strahlungsintensität
registriert; es liegt ein Low-Pegel 26 vor. Bewegt sich
in der in 7 dargestellten
Zeitreihe dagegen ein Fenster 3 vor dem Fenster- bzw. Detektorbereich 13.3 des
Empfängers 12 vorbei,
trifft die Strahlung der LED 10 ungehindert durch das Geberelement 1, so
daß ein
High-Pegel 25 im Signal S vorliegt.
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Der
Hub (S1–S0)
des binären
Signals S hängt
im wesentlichen von zwei Parametern ab, zum einen von der Strahlungsintensität der im
Ausführungsbeispiel
als LED 10 realisierten Strahlungsquelle, zum anderen vom
Grad der Auslöschung
durch Beugungsstruktur des Codebalkens 2. Findet eine vollständige destruktive
Interferenz statt, ist der Wert S0 nahe dem Nullpunkt, der durch
das Signal des unbestrahlten Empfängers 12 gegeben ist.
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8 zeigt eine andersartige
Auswertung, hier wird das Signal S durch Auswertung der Strahlungsintensität in einem
oder beiden Fensterbereichen 13.1 und 13.2 gebildet,
d.h. es wird im Gegensatz zur Erzeugung des Signals S in der 7 nicht die nullte Ordnung,
sondern die erste Beugungsordnung ausgewertet. Das Signal S ist
nur invertiert, da nur bei einem Codebalken in der über Zeit
t aufgetragenen Kurve ein High-Pegel 25 vorliegt, der nun
einen Wert S2 annimmt. Der Wert S2 ist niedriger als der Wert S1,
da naturgemäß nicht
die volle einfallende Strahlungsintensität in die erste Ordnung gebeugt wird.
Ein Low-Pegel 26 tritt dagegen auf, wenn ein Fenster 3 sich
vor den die erste Strahlungsordnung detektierenden empfindlichen
Abschnitten des Empfängers 12 befindet.
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Statt
der eindimensionalen Auswertung des Interferenzmuster der 6a und 6b, in denen unterschiedliche Strahlungsintensitäten der
einzelnen Ordnungen durch verschiedene Kreisdurchmesser symbolisiert
sind, kann auch eine zweidimensionale Auswertung der Interferenz
in die Codebalken 2 integrierten Phasenstruktur sowohl
in Transmission als auch in Reflexion genutzt werden. Die praktische Nutzung
erfolgt durch Lage und Gestaltung der Fensterbereiche des Empfängers 12 sowie
durch Auswertung der verschiedenen Amplituden in den höheren Ordnungen.
Die Intensität
in diesen Ordnungen wird bestimmt durch die Integration der komplexen
Amplitude über
die Gitterperiode der Länge
g. Das erhaltene zweidimensionale Beugungsbild der vom optischen
Geberelement 1 bewirkten Beugung ist in 9 dargestellt. Wie zu sehen ist, bewirkt
die Beugungsstruktur in nullter Ordnung, d.h. bei der Koordinate
(x, y)=0,0 eine Auslöschung
durch destruktive Interferenz. In die ersten und zweiten Ordnungen
in y- bzw. x-Richtung erfolgt dagegen Beugung von Strahlungsintensität. Jede
dieser Ordnungen kann zur Detektion eines Codebalkens 2 herangezogen werden.
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Darüber hinaus
erlaubt das Beugungsbild Codebalken mit unterschiedlichen Beugungsmustern voneinander
zu unterscheiden. Beispielsweise erreicht man bei einem Abstand
der Pits in radialer Richtung von 1,6 μm und einer Gitterkonstante
entlang des Umfangs von 2,7 μm
und bei einer Wellenlänge
von 720 nm in x-Richtung einen Winkel für die erste Ordnung von ± 18,2°. In y-Richtung
beträgt
der Winkel unter dem die erste Ordnung erscheint ± 27,9°. Variiert
man nun die Beugungsstruktur, d.h. die Abmessungen von Pits 5 und
Lands 6 in der Ausführungsform
gemäß 1 für einzelne Codebalken 2, so
können
die Codebalken individualisiert werden. Es ist damit möglich, zusätzliche
Information zu hinterlegen, beispielsweise Referenzmarken o.ä. zu erzeugen.
Dies ist bei ein- wie zweidimensionaler Ausweitung gleichermaßen möglich.
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Das
Geberelement mit als Beugungsstruktur ausgebildeten Codebalken 2,
insbesondere in der Form der Pits 5 und Lands 6 der 1b, kann durch ein Spritzgußverfahren
hergestellt werden. Dabei wird in einer Ausführungsform ein photolithographischer
Prozeß zur
Herstellung eines Nickel-Masters für ein Abformverfahren, insbesondere
für ein
Spritzgußverfahren eingesetzt.
Der Nickel-Master wird mit Hilfe von Sputterbeschichtungen und nachfolgender galvanischer
Verstärkung
der Schicht erzeugt.
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Der
technologische Prozeß beginnt
dabei mit auf einem Glassubstrat 30 (vgl. 10) das üblicherweise in einer Spinbeschichtung
mit einem Photoresist 31 beschichtet wird. Vor der Beschichtung
kann ein Primer aufgebracht und danach ein Bake-Prozeß durchgeführt werden.
Die Dicke des Resists entspricht bei einer Pit-/Land-Struktur dem
späteren
Dickenunterschied zwischen Pits und Lands bzw. der Pit-Höhe. Sie
wird im Bereich von 100–1.000
nm (entsprechend der Wellenlänge
der verwendeten Strahlung) eingestellt.
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Anschließend wird
das beschichtete Glassubstrat mit einem Laserstrahlschreiber direkt
oder mit Hilfe einer geeigneten Maske belichtet, wobei die belichteten
Stellen den späteren
Pits entsprechen. Danach wird der belichtete Resist entwickelt und
der belichtete Anteil entfernt, da ein sogenannter Positivresist
zur Anwendung kam. Verwendet man einen Negativresist, muß die Belichtung
invertiert erfolgen.
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Als
Ergebnis erhält
man das in 11 dargestellte
Substrat 30, das strukturierte Bereiche 32 sowie
unstrukturierte Bereiche 33 aufweist. An den unstrukturierten
Bereichen 33 wird später
ein Fenster 3 des Geberelements 1 gebildet, an
den strukturierten Bereichen 32 ein Codebalken 2.
Der strukturierte Bereich 32 besteht dabei aus einer Mikrostruktur 34 die in
der Ausführungsform
der 1a die in 1b detaillierter gezeigten
Pits 5 bewirken.
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Als
nächster
Schritt erfolgt eine Metallisierung. Dabei wird zunächst eine
Metallegierung, üblicherweise
eine Nickel-Legierung als dünne
Schicht aufgesputtert und anschließend galvanisch verstärkt. Diese
Verstärkungsschicht 35 ist
in der Schnittdarstellung der 12 zu
sehen. Die unstrukturierten Bereiche 33 sowie die strukturierten
Bereiche 32 mit der Mikrostruktur 34 bleiben dabei
vollständig
erhalten.
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Die
Verstärkungsschicht 35 erlaubt
es, das derart erhaltene Nickel-Master 36 vom Substrat 30 abzuziehen.
Es dient dann in einem Spritzwerkzeug als Form für die Abformung von Geberelementen 1. Für sehr große Stückzahlen
können,
wie aus der CD-Produktion bekannt, noch einmal Mutterformen von
dem Master 36 abgeleitet werden. Der Master 36 ist
dazu geeignet als Negativform auszubilden. Die Abformung erfolgt
durch Spritzguß,
wobei nachfolgend noch die Schutzschichten 7 und 8 und
gegebenenfalls eine Reflexschicht 23 auf der Unterseite
oder Oberseite des Geberelementes 1 aufgebracht werden.