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DIGITALER LANGENGEBER
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Die Erfindung betrifft einen digitalen Längengeber, bei dem ein Anzeige-oder
Steuermittel auf einer linienfrmig angeordneten Struktur entlangführbar und die
an der Struktur entstehende Zustandsänderung des Anzeige-oder Steuermittels anzeigbar
ist.
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Digitale Geber der bezeichneten Gattung werden verwende-t, um mechanische
Bewegungen in digitaler Form anzeigbar zu machen. Weiterhin können mit den die Anzeige
auslösenden Signalen Steuerungen oder Nächführungen, wie beispielsweise an Werkzeugmaschinen,
astronomi'schen Instrumen-ten oder SatelLitenempfangsantennen oder ähnlichen Vorrichtungen
betrieben werden.
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Die bisher bekannten Geber werden entweder inkremental betrieben oder
sie zeigen Länge, DrehwinkeL und Drehrichtung absolut an.
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Bei inkremental betriebenen Gebern wird von einem an sich beliebigen
Referenzpunkt aus der Längen- oder Winkelzuwachs und die Längen- oder Winkelabnahme
fortlaufend gezählt.
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Solche Geber sind so genau wie Schrittweite des kleinsten Inkrements
und sie sind preiswert herstellbar, weil die erforderlichen Zählwerke elektronisch
mit vergleichsweise geringem Aufwand erstellt werden können. Ihr wesentlicher Nachteil
ist der Verlust der Absolutstellung, wenn das Gerät
vorübergehend
oder ungewollt stiligesetzt wi~rd~.
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Eine ungewollte Stillsetzung kann dabei zu schwierigen Problemen führen.
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Ist beispielsweise die Position eines Kranauslegers zu bestimmen und
geht durch Spannungsausfall der ausgezähite Winkelwert verloren, dann muss der Ausleger
in die Nullposition verbracht werden. Ist diese jedoch aufgrund der äusseren Gegebenheiten
nicht erreichbar, dann kann die absolute Lage des Auslegers auch nicht mehr bestimmt
werden.
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Aufgrund der dadurch entstehenden Unsicherheit werden für solche Anwendungen
deshalb keine inkremental arbeitenden Geber verwendet.
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Die bekannten absolut arbeitenden Winkelgeber vermeiden diesen Nachteil.
Sie bestimmen die Winkellage häufig mittels kodierten Strichplatten.
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Der üblich dafür verwendete Kode ist der GRAY-Kode.Dieser hat Vorteile
bei der mechanischen Justierung der den Kode abtastenden Sensoren, weil für jede
Änderung nur jeweils ein Bit geändert wird. Dadurch kann die erforderliche mechanische
Justiergenauigkeit merkbar verringert werden.
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Der GRAY-Kode muss zur Weiterverarbeitung jedoch erst in einen maschinengerechten
Kode - etwa Binärkode oder Sedezimalkode - überführt werden, wenn der Digitalwert
informationstechnisch weiterverarbeitet werden soll. Da zudem die Strichplatte möglichst
genau gearbeitet sein muss, ist der Aufwand, der zur Digitalisierung schon einer
einzigen Achse einer Vorrichtung erforderlich ist, nicht unerheblich. Bei den ublichen
Anwendungen müssen jedoch überwiegend drei und mehr Achsen digitalisiert werden.
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Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Absolutgeber ist,
insbesondere
bei grösseren Anforderungen an die Genauigkeit, das relativ grosse Trägheitsmoment
der Strichplatte.
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Dadurch entstehen bei hohen Beschleunigungen, wie sie häufig in rückgekoppelten
Systemen auftreten, grosse dynamische Kräfte, die zur Zerstörung des Gebers fuhren
können.
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Es sind zum anderen auch Anordnungen von Fotosensoren in einer Zeile
bekannt geworden, bei denen die Zeileninformation seriell abrufbar ist. Auch hier
ist der Aufwand, um eine Absolutposi'tion anzeigbar -zu machen, beträchtlich, sodass
dieses Mittel bisher dafür keine Anwendung gefunden hat.
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Eine Vereinfachung der Handhabe und des Aufbaues von absolut arbeitenden
-Gebern sowie eine Erhöhung der Bertriebssicherheit hat sich die Erfindung deshalb
zur Aufgabe gemacht.
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Sie löst diese Aufgabe dadurch, dass als Struktur mehrere durch äussere
Mittel steuerbare Halbleitersensoren in geometrischer Ordnung auf einem Substrat
angeordnet und mit jeweils nach aussen-geführten Elektroden versehen sind.
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Dadurch ist es möglich, die Geberanordnung sehr klein zu halten Dabei
wird das jeweilige Steuermittel über die als "Sensorlinie" zu bezeichnende Linie
der steuerbaren Halbleiterelemente geführt, die dadurch verursachte Zustandsänderung
nach aussen übertragen und dann informationstechnisch weiter verarbeitet. Die steuerbaren
Halbleitersensoren werden in der Folge auch als "Lateralsensoren" bezeichnet.
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Eine solche Anordnung stellt bereits für sich eine erhebliche Verbesserung
der bekannten Geber dar, weil trotz kleiner Abmessungen keine mechanischen Genauigkeitsprobleme
am Geber selbst auftreten. Die aus der Herstellung von Halbleiterchips bekannten
fotochemischen, chemischen oder
vakuumtechnischen Verfahren sind
rauch "bei" sehr kleinen Abmessungen derart genau, dass die mechanischen Anforderungen
aus Maschinenbau und Konstruktion, die für den erfindungsgemässen Geber beispielsweise
infrage kommen, ohne besonderen Aufwand herstellungsseitig erfüllbar sind. Dabei
können die Sensoren auf Substraten aus Halbleitermaterial unmittelbar integriert
oder auf keramischen Substraten aufgebracht sein.
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In einer besonders wichtigen ersten Ausbildung ist die geometrische
Ordnung der Lateralsensoren als ringförmige Linie ausgebildet.
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Dadurch wird ein einfach und in grossen Stückzahlen herstellbarer
Winkelgeber ermöglicht.Das ist deshalb von besonderem Vorteil, weil Lateralbewegungen,
etwa mit Zahnstangen-oder Schneckengetrieben, leicht in Drehbewegungen umgeformt
werden können.
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Sollen mehrfache Drehungen kodiert werden, kann die ringförmige Linie
auch spiralig sein. Hierbei muss zusätzlich zur kreisförmigen noch eine radiale
Bewegung vorgesehen sein.
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In Weiterentwicklung der Erfindung sind den Halbleitersensoren elektronische
Schaltelemente zugeordnet.
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Diese Schaltelemente lassen sich in bekannter Weise als integrierte
Schaltung auf dem Substrat erzeugen. Dadurch ist es möglich, die in den Winkelsensoren
entstandenen Signale sofort in einen EDV-gerechten Kode umzurechnen, sodass an den
Aussenelektroden des erfindungsgemässen Winkelgebers das fertig kodierte Signal
abgenommen und sofort informationstechnisch weiterverarbeitet werden kann.
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Zweckmässig sind die elektrischen Zuleitungen zu den Halbleitersensoren
und den elektronischen Schaltelementen
als Ringleitungen ausgebildet
und auf dem Substrat angeordnet. Die Ringleitungen können als Busleitungen betrieben
werden.
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Ist ein kreisförmiger Winkelgeber auf einem rechteckigen Substrat
aufgebracht, können die elektronischen Schaltelemente sowohl radia-l zugeordnet,
als auch in den Ecken angeordnet sein, die jeweils von zwei Kanten des Substrats-
und der ringfö-rmigen Linie begrenzt sind.
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Zum mechanischen Anschluss des Gebers an die jeweilige Vorrichtung
ist der Substrat einstückig mit einem Präzi'sionsgehäuse verbunden.
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Dadurch kann der Geber mit den im Maschinenbau üblichen Werkzeugen
mit' den zu uberwachenden Vorrichtungen verbunden und auf sie einjustiert werden.
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Zweckmässig kann der Substrat bei Winkelgebern eine Innenbohrung aufweisen.
Dadurch können Drehachsen oder Zapfen durch den Winkelgeber geführt werden.
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Sollen andererseits möglichst kleine Siliziumplättchen verwendet werden,
können die Halbleitersensoren dicht gepackt und beispielsweise in rechteckigen Flächen
geordnet sein. Dann wird zweckmässig eine geometrische Transformation der Sensorfläche
vorgenommen. Das geschieht in einfacher Weise dadurch, dass jedem Sensor das eine
Ende- eines Lichtleiters zugeordnet ist und die jeweils anderen Enden der Sensoren
in die erforderliche geometrische Ordnung gebracht sind. So lässt sich beispielsweise
das Rechteck des Siliziumplättchens in einen zur Winkelmessung geeigneten Kreis
transformieren.
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Verschiedene Ausführungen von Halbleitersensoren sind möglich.
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Sie können beipielsweise als Haligeneratoren, als MOSFET-Gatter oder
als Fototransistoren oder Fotodioden ausgebildet sein.
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Mit Lateralsensoren, die den HALL-Effekt verwenden, ist die Lateralauflösung
begrenzt, weil der Bündelung des abtastenden Magnetfeldes Grenzen gesetzt sind.
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Auch die Ausbildung als kapazitiv angesteuertes MOSFET-Gatter ergibt
eine begrenzte Winkelauflosung.
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Höhere Längenauflösungen lassen sich mit als Fototransistoren ausgebildeten
Lateralsensoren erreichen, die durch eine gut gebündelte Lichtquelle abgetastet
werden.
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Beispielsweise können Laserdioden zu einem in der Grössenordnung von
Mikrometern feinen Lichtstrahl gebündelt werden. Dadurch sind Auflösungen in der
Grössenordnung von Mikrometern bzw von Winkelsekunden erreichbar.
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Bei einer Geberanordnung, die aus dem Lateralgeber und dem abtastenden
Steuermittel besteht, können beide Komponenten relativ gegeneinander bewegt werden.
Sie können aber auch raumfest angeordnet sein, wobei die Abtastung etwa durch einen
Spiegel auf dem beweglichen Teil der zu vermessenden Anordnung erfolgt, der das
von der Laserdiode ausgehende Licht über die Sensorlinie führt.
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Im letzteren Falle kann die Lichtquelle auf dem Substrat integriert
sein.
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In der Zeichnung, anhand derer die Erfindung näher erläutert wird,
zeigen: Fig.1 einen Geber mit integrierter Lichtquelle Fig.2 einen Geber mit relativ
bewegter Lichtquelle
Fig.3 eine Verriegelungsschaltung Fig.4 einen
Längen-Winkelumformer Fig.5 einen Messflächentransformator In Fig. 1 ist di-e Erfindung
anhand eines Winkelgebers beschrieben. Die für die Erfindung wesentlichen Elemente
lassen sich jedoch ohne weiteres linear anordnen, sodass dann ein Lateralgeber entsteht.
Im beschriebenen Beispiel des Winkelgebers ist ein Substrat C durch eine Vergussmasse
V einstückig mit einem Präzisionsgehäuse B verbunden. Das Substrat C trägt in ringförmiger
Anordnung Lateralsensoren Cm1..., die durch ein Steuermittel S, beispielsweise einem
von einer Laserdiode LD erzeugten Li chtstrah-l, abgetastet werden. Die Abtastung
erfolgt über einen Wellenspiegel WS einer zentrisch zum Substrat C laufenden Welle
W. Die Leitungen L1,L2 sind einzeln abgeführt und mit den elektrischen Versorgungs-und
Signalleitungen L10,L2û...verbunden. Diese sind nach aussen geführt und mit nicht
gezeichneten Vorrichtungen zur informationstechnischen Verarbeitung -der Signale
verbunden.
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In der Draufsicht können in Feld C1 die Lateralsensoren, in Feld C3
die als Ringleitungen ausgebildeten Versorgungs-und Signalleitungen, in Feld C4
eine Laserdiode angeordnet sein.
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Die Elemente sind, weil sie ohne weiteres auf jede Schaltungsaufgabe
angepasst werden können, nicht eigens eingezeichnet. Das Feld C2 kann zur Aufnahme
integrierter Bauelemente dienen, die aus den elektron i s c hen S.i gna I en busfähige
Informationen an die Ringleitungen des Feldes C3 übertragen, von wo aus sie über
die Leitung-en L10,L20..
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nach aussen geführt sind.
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Das Gehäuse B weist eine Planfläche P und wenigstens eine Kante K
auf, die a-uf das jeweils überwachte Gerät justierbar
ist .
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In Fig.2 weist der Substrat C eine Bohrung CI auf. Diese bei Halbleiterplättchens
etwas aufwendige, bei keramischen Substraten einfacher herstellbare Anordnung kann
erforderlich werden, wenn die Drehbewegung nur von einer Seite zuführbar ist. Im
beschriebenen Beispiel ist die Laserdiode LD auf der Wellenplatte WP der zu messenden
Welle A angeordnet und tastet die Lateralsensoren CFi auf dem Substrat C ab.
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In Fig. 3 ist eine Verriegelungsschaltung für die Halbleitersensoren
dargestellt. Sie arbeitet wie folgt; Wird der als Fotosensor angenommene Halbleitersensor
CF3 von einem Messlichtstrahl getroffen, dann wird der Operationsverstärker OP3
an seinem Eingang E31 und seinem Ausgang A3 positiv. Dadurch wird die Leitung LG1
positiv und sperrt dadurch die Operationsverstarker OP2, OP4 (sowie alle weiteren
gradzahligen Operationsverstärker). Die gradzahligen Fotosensoren zusammen mit der
Leitung LG2 arbeiten entsprechend.
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Jeder der Fotosensoren arbeitet in der oben beschriebenen Weise, sodass
immer nur EIN Fotosensor und sein zugeordneter Opertionsvertärker aktiviert ist.
Dadurch liegt ein eindeutiger Kode an den Leitungen L10 ,L20 ... Die Position des
Messlichtstrahles kann deshalb absolut angezeigt werden.
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Alle Elemente der Schaltung lassen sich in bekannter Weise integriert
auf dem Substrat aufbauen.
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Einen einfachen Geber für Lateralbewegungen mittels eines Drehgebers
zeigt Fig.4. Eine Zahnstange 150 ist mit einer Vorrichtung 151 verbunden. Die Zahnstange
treibt ein Zahnrad 152 an, das einstückig mit einem Winkelgeber 153 verbunden ist.
Der abtastende Lichtstrahl S1 erzeugt dann das kodierte Signal des Winkelgebers
153.
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Durch entsprechende Zahnradübersetzungen Zi..,154.., weitere Winkelgeber
155.. und weitere Steuermittel Ski . kann jede technisch gewünschte Länge bis auf
Mikrometerdimensionen genau gemessen werden.
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In Fig.5 sind die Fototransistoren CFi.,. in einer rechteckigen Fläche
R angeordnet. Jedem Halbleitersensor ist ein Lichtleiter LL1,LL2.. zugeordnet und
ist optisch eng an diesen angekoppelt. Die jeweils anderen Enden der Lichtleiter
sind im gezeichneten Beispiel in eine ringförmige Linie gebracht und können somit
zur Winkelmessung verwendet werden. Es' list aber offensichtlich auch jede andere
Transformation von Messflächen möglich.
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Sind die Halbleitersensoren als Magnetoren, beipiel-sweise HALL-Generatoren
oder als kapazitiv ansteuerbares MOSFET-Gatter ausgebildet, dann muss das Steuermittel
S- als Magnetstab oder Metallstab ausgebildet sein und mechan-isch entsprechend
über die Halbleitersensoren geführt werden.
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Ausser den gezeigten können auch andere Anordnungen für die Lateralsensoren
gewählt werden, ohne dass dadurch das Lösungsprinzip verlassen wird und es können
andere fotoempfindliche Sensoren, wie beispielsweise Hallgeneratoren oder MOSFET-Gatter
mit kapazitivem Eingang zur Steuerung oder dergleichen verwendet werden.
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