DE3145833C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen optischen Wandler zum Bestimmen der Winkelstellung eines drehbaren Gliedes mit Bezug auf eine orts­ feste Konstruktion, beispielsweise der Welle eines Elektromotors mit Bezug auf seinen Stator, gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Bei einem aus der US 42 24 514 bekannten Wandler sind vier Photozellen vorgesehen, die in Gegenphase mit Verstärkern verbunden sind, um zwei Signale zu erzeugen, die, in Erwiderung auf eine Scheibendrehung, im wesentlichen sinusförmig und wechselseitig um 90° phasenverschoben sind. Dieser Wandler umfaßt des weiteren zwei Photozellen, die je­ weils zum Erzeugen eines Stabilisierungssignals und eines Scheibennullstellungssignals verwendet werden. Um die Schaltung zu optimieren, müssen die Spitzen­ werte der verschiedenen Signale konstant und vorbestimmt sein. Dies wird durch Vorsehen einer Vielzahl von Filmwiderständen in der elektronischen Schaltung erreicht, deren Wert, während der Wandler sich in Bewegung be­ findet, mit Hilfe eines Lasers wahlweise verändert wird, der einen Teil von ihnen durch teilweises Ver­ brennen derselben wegschneidet. Bei diesem Wandler gehört die Schaltung zur gedruckten Art, d. h. sie umfaßt eine isolierende Kunststoffplatte, die die Schaltungs­ leiter trägt, auf die die aktiven Elemente und ein Teil der passiven Elemente dar Schaltung einzeln aufgelötet sind. Die Regelwiderstände für die Photozellen sind an unabhängigen keramischen Halterungen angebracht. Wegen der unzureichenden Genauigkeit, mit der diese Halterungen verlötet werden können, erfordert der beim Vorein­ stellen der Widerstände mittels das Lasers mit einbe­ zogene Arbeitsvorgang aufeinanderfolgende Ausregulierungen bei der Einstellung und der Fokussierung des Laserstrahls, was diesen Arbeitsvorgang langwierig, kostspielig und für die Automation nicht zugänglich macht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen zuver­ lässigen, billigen Wandler zu schaffen, bei dem der beim Voreinstellen der Bauelemente mittels des Laser­ geräts mit einbezogene Arbeitsvorgang einfach und kurz ist, wodurch die Nachteile des bekannten Wandlers be­ seitigt werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen bei einem optischen Wandler der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß die im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachstehend aus­ führlich erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorderansicht einer Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen optischen Wandlers;

Fig. 2 eine teilweise im Schnitt dargestellte Seiten­ ansicht des Wandlers in Fig. 1;

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht einer Einzelheit des Wandlers in Fig. 1;

Fig. 4 eine Ansicht der Rückseite der Einzelheit in Fig. 3;

Fig. 5 einen Schnitt auf der Linie V-V in Fig. 4 und

Fig. 6 eine schematische persepektivische Ansicht eines Lasergeräts zum Kalibrieren des erfindungsgemäßen optischen Wandlers.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, weist der optische Wandler 10 ein Kunststoffgehäuse 12 mit einem Hohlraum 11 (Fig. 2) auf, in dem eine Scheibe 13 gelagert ist, die mit einer Vielzahl von im gleichen Abstand voneinander angeordneten, peripheren, radialen Schlitzen versehen und an einer Nabe 14 befestigt ist, die derart angeordnet ist, daß sie auf dem sich drehenden Glied angebracht werden kann, dessen Winkelstellung bestimmt werden soll. Diese Elemente sind ausführlicher in der GB 20 62 220 A beschrieben.

In das Gehäuse 12 sind an mit den Schlitzen überein­ stimmenden Stellen eine Lichtquelle 18 und in die andere Seite mit Bezug auf die Scheibe 13 eine Gruppe von sechs Sperrschicht-Photozellen 19 (Fig. 2 und 4) eingepaßt, die in der italienischen Patentanmeldung Nr. 69 951-A/77 beschrieben sind und die, kurz gesagt, vier Zellen 19a, die mit einem wechselseitigen Phasenunterschied von 90° das durch die Scheibenschlitze gehende Licht ermitteln, eine Zelle 19b, die Licht aus einem einzigen Scheibenschlitz empfängt, und eine Zelle 19c umfassen, die Licht direkt aus der Lichtquelle 18 empfängt. Eine elektronische Schaltung 20 verarbeitet das Ausgangssignal aus den Zellen 19a, um auf bekannte Weise zwei um 90° phasenverschobene periodische Signale zu schaffen, die die Winkelstellung der Scheibe 13 anzeigen. Aus den von den Photozellen 19b und 19c erzeugten Signalen bildet die Schaltung 20 ein Scheibendrehungssignal und ein Stabilisierungssignal für die periodischen Stellungs­ signale.

Die Unterlage für die Schaltung 20 ist eine keramische Platte 21 (Fig. 3, 4 und 5), die zwei flache parallele Oberflächen 22 und 23 aufweist, auf denen die Leiter mit ihren jeweiligen Klemmen und Widerstandselementen R, beispielsweise durch das Dickfilmverfahren, angebracht sind. Zusätzlich sind die Stifte zweier integrierter Schaltungen 31 und 32 an entsprechende Klemmen 33 bzw. 34 der Schaltung 20 angelötet, um die Verstärkerfunktionen für die Ausgangssignale aus den Zellen 19 auszuführen. Weitere Schaltungselemente wie Kondensatoren, Transistoren und Dioden, die ebenfalls an die Schaltung angelötet sind, wurden der Einfachheit halber in den Zeichnungen weggelassen. Vor dem Verlöten der externen Bauelemente werden die Widerstände R auf die Auslegungswerte durch geeignete Teilschnitte (passives Trimmen) vor­ eingestellt, die mittels eines Lasers unter Verwendung bekannter Verfahren ausgeführt werden.

Einige der mit 24, 25, 26, 27, 28 und 29 bezeichneten Widerstände R sind mit den sechs Zellen 19 verbunden, und ihr Wert bestimmt den Pegel des Ausgangssignals aus den Verstärkern, mit denen die Widerstände 24 bis 29 verbunden sind. Um symmetrische Stellungs- und Drehungs­ signale mit gleichen vorbestimmten Spitzenwerten zu erhalten, werden die verschiedenen Widerstände einem teilweisen Schneiden (funktionellen Trimmen) bei sich in Betrieb befindlichem Wandler unterworfen, um ihren Wert solange zu ändern, bis die gewünschten Ausgangs­ signale erhalten werden.

Die Sperrschicht-Photozellen 19 werden von der keramischen Platte 21 an der zweiten Oberfläche 23 derselben gehalten, wobei ihre Leiter durch Durchgangs­ verbindungen mit den Leitern der Oberfläche 21 ver­ bunden sind. Insbesondere sind die Zellen 19 in ein Siliziumsubstrat 39 integriert, das in einem Kunststoff­ trägerrahmen 40 (Fig. 5) vorher zusammengebaut wird. Der Rahmen 40 schließt sieben stufenförmige Metallfolien 41 ein, die jeweils eine außerhalb des Rahmens 40 liegende untere Klemme 42 aufweisen, die (Fig. 4) derart ange­ ordnet ist, daß sie auf eine entsprechende Klemme 43 eines auf der Oberfläche 23 der Platte 21 vorgesehenen Teils dar Schaltung 20 aufgeschweißt werden kann. Die Folien 41 haben eine interne obere Klemme 45, die mit den Zellen 19 derart verbunden ist, daß eine der an einen Erdleiter 46 angelöteten Folien an einen gemeinsamen Pol der Photozellen 19 angelötet ist, und die anderen sechs Klemmen 45 sind an die sechs ent­ sprechenden Zellen 19a, 19b und 19c angelötet.

Nach dem Verlöten werden die Photozellen 19 so einge­ baut, daß sie von der Platte 21 vorspringen. Während des Zusammenbaus werden die Ausgangsleiter 48 an die Platte 21 angelötet, und der Rahmen wird genau in einen komplementären Zwischenraum 49 im Gehäuse 12 eingepaßt, was ein Eindringen von Außenlicht zu den Photozellen 19 verhindert und eine korrekte Positionierung der Photo­ zellen mit Bezug auf die anderen Teile des Wandlers gewährleistet. Gleichzeitig wird die Platte 21 in einen entsprechenden Hohlraum 50 im Wandlergehäuse 12 einge­ setzt, an dem sie beispielsweise durch Kleben befestigt wird.

Wenn der Zusammenbau abgeschlossen ist, wird der Wandler 10 auf einem Bett 56 des Lasergeräts 55 (Fig. 6 und 2) angebracht, wobei das Bett eine Drehwelle 57 zum An­ treiben dar Scheibe 13 aufweist. Der Wandler wird mit Hilfe geeigneter Eichmaße montiert, um sicherzustellen, daß die Platte 21 relativ zum Bett 56 mit engen Tole­ ranzgrenzen (wenige Hundertstel eines Millimeters) in der senkrechten Ebene (z-Achse) und bis innerhalb weniger Zehntel eines Millimeters in der Arbeits­ ebene (x-y-Achsen) positioniert wird. Diese Positionierung nach dem anfänglichen Fokussieren des (mit verminderter Kraft) von einem Generator 60 ausgesendeten Laser­ strahls reicht für einen Datenprozessor 61 aus, um den Laserstrahl und den Aufbau 56 wechselseitig derart einzustellen, daß der Strahl auf eine vorbestimmte begrenzte Zone der Platte 21 auftrifft.

Die Zone, auf die der Laserstrahl auftrifft, liegt neben einem Widerstand 64 der Platte 21, der durch Leiter 62 und 63 mit zwei Klemmen 65 und 66 verbunden ist, welche durch die Lasergerät-Steuerschaltung des Prozessors 61 zur Feineinstellung zwischen dem Laser­ strahl und der Platte 21 (Kantenfindung) gespeist werden. Der Leiter 63 ist in der Zone neben dem Wider­ stand 64 von geringer Größe und in der Nähe einer Kante der Platte 21 als L ausgebildet, dessen Schenkel zu den x-y-Achsen des Geräts nach der anfänglichen Positionierung parallel verlaufen.

Nachdem er vom Operator in Gang gesetzt wurde, aktiviert der Prozessor 61 den Generator 60 mit voller Kraft und veranlaßt die Vornahme einer Reihe von wechselseitigen Verschiebungen unter einem Winkel von 45° zu den x-y-Achsen innerhalb der Zone der anfänglichen Positionierung mit einem Vorrück­ schritt in dar Größenordnung von wenigen Hundertsteln eines Millimeters, um die durch gestrichelte Linien bei 68 in Fig. 3 angedeutete Zone abzutasten.

Wenn der Laserstrahl auf den Leiter 63 trifft, schneidet er ihn durch Verbrennung. Die Steuerschaltung prüft ständig den elektrischen Durchgang zwischen den Klemmen 65 und 66 der Platte 21 in Übereinstimmung mit der Relativstellung des Laserstrahls zur Platte 21 in der x-y-Ebene. Wenn der Schnitt den internen Scheitel 69 des Leiters 63 erreicht, wird der elektrische Durchgang unterbrochen. Der Prozessor 61 bestimmt dann die Momentanstellung des Laserstrahls mit Bezug auf die Platte, speichert diese als anfängliche Nullstellung und entaktiviert den Generator 60. Anschließend wird das funktionelle Trimmen der Widerstände 24 bis 29 durch den Prozessor 61 automatisch ausgeführt, ohne daß wegen der hohen Genauigkeit und Abmessungsstabilität der Platte 21 und der auf ihr angebrachten Widerstände R irgendeine weitere Einstellung erforderlich ist.

Claims (6)

1. Optischer Wandler (10) zum Bestimmen der Winkelstellung eines drehbaren Gliedes (57) mit Bezug auf eine ortsfeste Konstruktion (56), mit

• - einer Scheibe (13), die mit dem drehbaren Glied (57) verbunden und mit einer Vielzahl von radialen, licht­ durchlässigen Elementen versehen ist, die sich mit lichtundurchlässigen Elementen abwechseln,
• - einem Gehäuse (12), das mit der ortsfesten Konstruk­ tion (56) verbunden und in welchem die Scheibe (13) untergebracht ist,
• - einer am Gehäuse (12) angebrachten Lichtquelle (18) zum Beleuchten der radialen Elemente,
• - einer Vielzahl von auf dem Gehäuse (12) angeordneten Fotozellen (19) zum Ermitteln des Lichtdurchgangs durch die lichtdurchlässigen Elemente, und
• - einer mit den Fotozellen (19) verbundenen elektroni­ schen Schaltung (20) zum Erzeugen von Ausgangssignalen, welche die Winkelstellung der drehbaren Scheibe (13) mit Bezug auf das Gehäuse (12) anzeigen, wobei die elektronische Schaltung (20) Widerstände (24-29) umfaßt, die an die Fotozellen (19) angeschlossen und mittels Laserlicht trimmbar sind, um die Ausgangs­ signale während eines Abgleichprozesses des optischen Wandlers (10) innerhalb vorbestimmter Grenzen zu kali­ brieren,

gekennzeichnet durch

• - eine Keramikplatte (21), die in vorbestimmter exakter Lage auf dem Gehäuse (12) angebracht ist und eine flache Außenfläche (22) aufweist, die als Substrat­ fläche für elektrische Verbindungen sowie für die Trimmwiderstände (24-29) dient, die jeweils mittels Dickschichttechniken auf dieser Fläche angebracht sind, und
• - ein in einem exakt vorbestimmten Abstand von den Trimm­ widerständen (24-29) auf der flachen Außenseite (22) der Keramikplatte (21) angebrachtes Bezugselement (69), das einen zwischen zwei Steuerklemmen (65, 66) liegenden L-förmigen Abschnitt eines Leiters (63) umfaßt, der mittels Dickschichttechnik angebracht ist, wobei das Bezugselement (69) den Startpunkt für ein automatisches Trimmen der Trimmwiderstände (24-29) durch den Laser­ strahl festlegt.

2. Optischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Vielzahl von Fotozellen (19) an der Keramik­ platte (21) auf der der flachen Außenfläche (22) gegen­ überliegenden Seite (23) angebracht ist.

3. Optischer Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Vielzahl von Fotozellen (19) in ein Sili­ ziumsubstrat (39) integriert ist, das in einen Kunst­ stoffträgerrahmen (40) eingesetzt ist, und das mit der elektronischen Schaltung (20) verbunden ist.

4. Optischer Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß der Trägerrahmen (40) eine Vielzahl von leiten­ den Elementen (41) einschließt, von denen jedes eine erste Klemme (45), die mit einer entsprechenden Fotozelle der Vielzahl von Fotozellen (19) verbunden ist, und eine zweite Klemme (42) aufweist, die mit der elektronischen Schaltung (20) verbunden ist.

5. Verfahren zum Kalibrieren der Ausgangssignale des opti­ schen Wandlers (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

• - Befestigen der Keramikplatte (21) mit einem Träger­ rahmen (40) in dem Gehäuse (12) so, daß die flache Keramikplatten-Außenfläche (22) mit Bezug auf das Gehäuse (12) nach außen gerichtet ist,
• - Anbringen des Wandlers (10) auf einer Laserkalibrier­ vorrichtung (55), die ein Bett (56), eine mit Bezug auf das Bett (56) drehbare Welle (57), einen Laser­ strahlgenerator (60) und eine Steuereinrichtung (61) umfaßt, derart, daß das Gehäuse (12) mit dem Bett (56) und die Scheibe (13) mit der drehbaren Welle (57) ver­ bunden ist und die flache Keramikplatten-Außenfläche (22) rechtwinklig zum Laserstrahl angeordnet und diesem zugewandt ist,
• - Speisen der beiden Steuerklemmen (65, 66) mit einem vorbestimmten elektrischen Strom und ständiges prüfen des Stromflusses mittels der Steuereinrichtung (61),
• - Scannen des Laserstrahls über einen Bereich (68) um den Verbindungspunkt zwischen den beiden rechtwinkli­ gen Schenkeln des L-förmigen Abschnitts des Bezugs­ elements (69) unter einem Winkel von 45° gegenüber diesen rechtwinkligen Schenkeln bis zu der Position, bei deren Erreichen die Steuerschaltung (61) eine Unterbrechnung des Stroms zwischen den Steuerklemmen (65, 66) feststellt, und Bestimmen dieser Position als Bezugspunkt auf der Keramikplatte (21),
• - Drehen der Welle (57) und der daran befestigten Scheibe (13) mit Bezug auf das Bett (56), um die Fotozellen (19) und die elektronische Schaltung (20) zum Erzeugen der Ausgangssignale zu aktivieren, und
• - Verschieben des Laserstrahls von dem Bezugspunkt aus in die Arbeitsstellung zum Trimmen der Trimmwider­ stände (24-29).