DE3220560C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen fotoelektrischen Kodierer
zur Ermittlung einer physikalischen Größe aus
Helligkeitsänderungen durch Bewegung einer ersten und
zweiten, jeweils mit einem optischen Gitter versehenen
Skala relativ zueinander, wobei die erste Skala
abwechselnd auf der Oberfläche eines Basiselements
angeordnete reflektierende und nichtreflektierende
Flächen und die zweite Skala auf der Oberfläche eines
lichtdurchlässigen Basiselements in Abständen
angeordnete Lichtmeßflächen, die auf der dem
lichtdurchlässigen Basiselement zugewandten Seite eine
lichtabschirmende Schicht aufweisen, so daß auf diesem
Basiselement abwechselnd lichtdurchlässige und
lichtundurchlässige Bereiche gebildet sind, umfaßt,
wobei die Oberflächen der beiden Basiselemente mit den
reflektierenden und nichtreflektierenden Flächen bzw.
den Meßflächen einander zugewandt sind, und mit einer
auf der den Lichtmeßflächen gegenüberliegenden Seite vor
dem lichtdurchlässigen Basiselement angeordneten
Lichtquelle.
Es sind fotoelektrische Kodierer bekannt, die so
aufgebaut sind, daß von einer Lichtquelle abgegebene
Lichtstrahlen durch eine Linse auf ein erstes optisches
Gitter fallen; die Strahlen, die das erste optische
Gitter passiert haben, treten anschließend durch ein
zweites optisches Gitter und erreichen schließlich über
eine Linse, die auf der anderen Seite der Gitter
angeordnet ist, ein Lichtempfangselement.
Eine notwendige Bedingung ist also, daß die Strahlen
von der Lichtquelle zwei optische Gitter passieren
müssen, wodurch sich eine Mischung von komplexen,
gebrochenen bzw. gebeugten Strahlen ergibt; außerdem
werden diese Strahlen aufgrund von Reflexionen und
Strahlenbrechung an der Oberfläche des Glases, welches
als Basiselement für das optische Gitter dient, sowie
aufgrund von Absorption in dem Glas gedämpft. Die von
dem Lichtempfangselement erhaltenen Signale sind also
zwangsläufig sehr schwach und enthalten einen schwachen
Rauschanteil, so daß die weitere Verarbeitung mühsam und
umständlich ist. Außerdem tragen die Lichtquelle, die
Linse und das Lichtempfangselement zwangsläufig dazu
bei, daß ein solcher, aus vielen Einzelteilen
bestehender Kodierer relativ groß ist.
Die genannten Nachteile sind bei fotoelektrischen
Kodierern der eingangs erwähnten Art, wie sie in der
GB-PS 13 11 275 sowie in der US-PS 36 00 588 beschrieben
sind, weitgehend beseitigt. Diese fotoelektrischen
Kodierer weisen Lichtempfangselemente auf, die in eines
der beiden Gitter integriert sind. Die fotoelektrischen
Kodierer lassen sich daher in kompakter Bauweise
herstellen. Außerdem ist das Signal-Rauschverhältnis bei
diesen Kodierern wesentlich verbessert.
Ein Nachteil dieser bekannten fotoelektrischen Kodierer
besteht darin, daß die Funktion durch mechanische
Schwingungen der einzelnen Bestandteile des Kodierers
relativ zueinander beeinträchtigt ist.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen
fotoelektrischen Kodierer der eingangs erwähnten Art zu
schaffen, der in seinen Gebrauchseigenschaften gegenüber
den bekannten fotoelektrischen Kodierern noch weiter
verbessert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
die Lichtquelle auf der Oberfläche des Basiselements
angeordnet und ein die Lichtquelle überspannender
Reflektor vorgesehen ist, wobei der Reflektor unter
Bildung eines kompakten, die zweite Skala, die
Lichtquelle und den Reflektor umfassenden
zusammenhängenden Meßkopfes mit der zweiten Skala
verbunden ist.
Durch diese erfindungsgemäße Lösung, bei der die
Lichtquelle auf dem Basiselement angeordnet ist, sind
schwingungsbedingte Fehlmessungen durch Veränderung der
Lage der Lichtquelle und der zweiten Skala relativ
zueinander ausgeschlossen. Darüber hinaus ergibt sich
durch die erfindungsgemäße Lösung der Vorteil, daß durch
den kompakten, die zweite Skala und die Lichtquelle mit
dem Reflektor umfassenden Meßkopf die Zahl der für den
fotoelektrischen Kodierer erforderlichen Einzelteile
noch weiter verringert ist.
Zweckmäßigerweise enthält ein solcher fotoelektrischer
Kodierer zwischen dem lichtdurchlässigen Basiselement
und der zweiten Skala, der Lichtquelle und dem Reflektor
eine Substanz mit einem geeigneten Brechungsindex.
In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung kann ein im
wesentlichen halbkugelförmiger, über seine Basisfläche
unter Einschluß der Lichtquelle mit dem Basiselement
verbundener durchsichtiger Körper vorgesehen sein, auf
dessen Kugeloberfläche eine Metallschicht als Reflektor
aufgebracht ist, wobei der Körper aus einem Material
besteht, dessen Brechungsindex dem Brechungsindex des
Materials des Basiselements angeglichen ist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines
Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die
beiliegenden schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Skala bzw.
Maßeinteilung für eine Ausführungsform
eines fotoelektrischen Kodierers,
Fig. 2 im vergrößerten Maßstab einen Schnitt
längs der Linie II-II von Fig. 1,
Fig. 3 eine Seitenansicht durch das Prinzip
der Benutzung des fotoelektrischen Kodierers
nach dieser Ausführungsform, und
Fig. 4 eine Seitenansicht durch eine Ausführungsform
des fotoelektrischen Kodierers
nach der vorliegenden Erfindung.
Die Skala bzw. die Maßeinteilung bzw. die Gitterplatte S
nach dieser Ausführungsform ist so aufgebaut, daß beispielweise
auf einem lichtdurchlässigen Basisteil 1 eine
erste Materialschicht 2 für die Ableitung von Signalen,
die aus einem Licht abschirmenden, leitenden Material, wie
beispielsweise einem Metallfilm, hergestellt ist, eine
PN-Halbleiterschicht 3 für die Umwandlung des Lichtes in
elektrische Signale, und eine zweite Materialschicht 4
für die Ableitung von Signalen, die aus einem transparenten,
aus lichtdurchlässigen, leitenden Materialien, wie beispielsweise
In₂O₃, SnO₂, Si oder einem Gemisch dieser Materialien,
hergestellten Film besteht, in der beschriebenen
Reihenfolge laminiert sind, wodurch ein Lichtempfangsbereich
5 entsteht; mehrere dieser so ausgebildeten Lichtempfangsbereiche
5 sind in regelmäßigen räumlichen Abständen, also
mit vorgegebener Teilung, angeordnet.
Wie man in Fig. 3 erkennen kann, ist die Skala 3, d. h.,
die zweite Skala bzw. das zweite Gitter, so angeordnet,
daß ihre Lichtempfangsbereiche 5 den reflektierenden Bereichen
6 der Reflexions-Hauptskala M zugewandt sind;
sie werden in der Weise eingesetzt, daß Licht von einer
Lichtquelle 8 von der Rückseite der Skala S über eine Linse
7 auf die Reflexions-Hauptskala bzw. das Hauptgitter M
fällt.
Die Zwischenräume zwischen den jeweiligen lichtreflektierenden
Bereichen 6 des Hauptgitters M sind als nicht-reflektierende
Bereiche ausgebildet, die aus den lichtdurchlässigen
oder lichtabsorbierenden Bereichen bestehen.
Im einzelnen dienen die zweiten Materialschichten 4 für
die Ableitung der Signale der Lichtempfangsbereiche 5 dazu,
die Strahlen gegen die Lichtquelle 8 abzuschirmen,
wodurch die Lichtempfangsbereiche 5 also die Funktion von
Lichtabschirm-Schlitzen haben; die Zwischenräume zwischen
den jeweiligen Lichtempfangsbereichen 5 dienen als Lichtübertragungsschlitze,
so daß die Strahlen von der Lichtquelle
8 über das lichtdurchlässige Basiselement 1 auf
das Reflexions-Hauptgitter M fallen können.
Die an den reflektierenden Bereichen 6 des Reflexions-
Hauptgitters M reflektierten Strahlen verlaufen durch die
ersten Materialschichten 2 für die Ableitung der Signale
der Lichtempfangsbereiche 5 und erreichen die PN-Halbleiterschichten
3, wo die Strahlen in diesen Halbleitern in
elektrische Ausgangssignale umgewandelt werden. Die elektrischen
Ausgangssignale in den Halbleiterschichten 3 werden
über die Ausgänge 9 und 10 abgeführt.
Mit anderen Worten dient also das Gitter bzw. die Skala S
als Index- bzw. Markierungs-Fühler, in den eine Index-Skala
und Lichtempfangselemente integriert sind.
Im folgenden soll ein Verfahren zur Herstellung der oben
erwähnten Skala S beschrieben werden.
Für diese Skala wird als lichtdurchlässiges Basiselement
1 eine Glasplatte verwendet, diese Glasplatte wird in einem
Vakuum-Metallisierungsgerät angebracht und bei einem
Unterdruck von 5 × 10-6 Torr auf eine Temperatur im Bereich
von 150°C bis 200°C erwärmt; von einer Wolfram-Platte
bzw. -Schalte wird Cr verdampft, wodurch ein Cr-Film mit
einer Dicke von 2000 bis 3000 Å als erste Materialschicht
2 für die Ableitung von Signalen durch Aufdampfen auf der
Glasplatte abgelagert wird.
Anschließend wird diese Glasplatte, die mit dem Cr-Film
versehen ist, in einer Plasma-Kammer auf eine Temperatur
von 300°C erwärmt; Ar-Gas, das 10% SiH₄ enthält, wird
durch H₂-Gas auf das Zehnfache verdünnt und in die Plasma-
Kammer eingeführt, in der ein Film 11 aus amorphem, N-leitendem
Silizium (N-a-Si) und ein Film 12 aus P-leitendem
amorphem Silizium (P-a-Si) durch eine Hochfrequenz-Glimmentladung
bei einem Druck von 0,1 bis 2 Torr auf die oben
erwähnte erste Materialschicht 2 für die Ableitung von
Signalen laminiert werden; dadurch wird eine PN-Halbleiterschicht
3 mit einer Dicke von näherungsweise 1 µm ausgebildet.
Der Film 11 aus dem N-leitenden amorphen Silizium wird abgetrennt,
indem eine sehr kleine Menge PH₃ in der Anfangsstufe
der Abscheidung in das reagierende Gas gemischt wird;
der Film 12 aus dem P-leitenden amorphen Silizium wird
abgetrennt, indem über eine Reaktion PH₃ in B₂H₆ umgewandelt
wird. In diesem Fall kann der PN-Halbleiter 3 durch
ein thermisches Zersetzungsverfahren, eine Ablagerung durch
Zerstäuben oder eine ähnliche Technik ausgebildet werden.
Anschließend wird das Basiselement 4 mit der so ausgebildeten
PN-Halbleiterschicht 3 in einem Vakuum-Ablagerungstank
abgeordnet, der auf eine Temperatur von 150°C erwärmt
ist; In₂O₃ das sich in einem Aluminiumoxid-Tiegel
befindet, wird auf dem Basiselement 1 durch ein Elektronenstrahl-
Ablagerungsverfahren ausgebildet, so daß ein In₂O₃-
Film mit einer Dicke von 1000 Å entsteht; dadurch wird auf
der oben erwähnten PN-Halbleiterschicht 3 eine zweite Materialschicht
4 für die Ableitung von Signalen hergestellt.
Anschließend wird auf die zweite Materialschicht 4 für die
Ableitung von Signalen ein Photoresist bzw. eine lichtunempfindliche
Deckmasse mit einer Dicke von 2 µm durch
ein Schleuder-Beschichtungsverfahren (spin coating) aufgebracht
und getrocknet. Ein Bereich 9, der einen Ausgang
bildet, wird gegen das Licht durch eine Maske abgeschirmt;
dann erfolgt eine Belichtung mit UV-Strahlen und eine Entwicklung
der belichteten Bereiche. Anschließend wird die
lichtunempfindliche Deckmasse auf dem Bereich 9, der den
Ausgang bildet, entfernt.
Anschließend werden die zweite Materialschicht 4 für die
Ableitung von Signalen und die PN-Halbleiterschicht 3 von
dem Bereich 9, der den Ausgang bildet, durch ein geeignetes
Verfahren, beispielsweise durch chemisches Ätzen, Plasmaätzen
oder eine ähnliche Technik, entfernt, wodurch die
erste Materialschicht 2 für die Ableitung von Signalen
freigelegt wird.
In ähnlicher Weise werden Bereiche außer Kalk der lichtdurchlässigen
Schlitze 13 zwischen den Lichtempfangsbereichen
5 mit dem Photoresist bzw. der lichtunempfindlichen
Deckmasse beschichtet; die erste und die zweite
Materialschicht 2, 4 für die Ableitung von Signalen sowie
die PN-Halbleiterschicht 3, deren Lage den lichtdurchlässigen
Schlitzen 13 entspricht, werden durch Plasmaätzen oder
ein ähnliches Verfahren entfernt, um dadurch das lichtdurchlässige
Basiselement 1 freizulegen.
Wenn die Breite des lichtdurchlässigen Schlitzes 13 mehr
als doppelt so groß wie die Höhe des Lichtempfangsbereiches
5 von der Oberfläche des lichtdurchlässigen Basiselementes
1 gemacht wird, dann kann dies zweckmäßigerweise
zur Feststellung der Helligkeit verwendet werden.
Anschließend werden Zuführdrähte für die Abnahme des elektrischen
Stroms von der ersten und zweiten Materialschicht
2 und 4 an den obenerwähnten Ausgängen 9 und 10 mittels
eines leitenden Klebstoffes befestigt; anschließend wird
ein Silikon- bzw. Silizium-Lack in einer dünnen Schicht
auf die gesamte PN-Halbleiterschicht aufgebracht und getrocknet;
dieser Lack dient zum Schutz der PN-Halbleiterschicht.
Damit ist die Herstellung des Kodierers beendet.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform fallen die Strahlen
von der Lichtquelle 8 senkrecht durch die Linse 9 auf
die Skala bzw. das Gitter S; die Lichtquelle kann jedoch
auch schräg angeordnet werden, solange die Strahlen durch
die Skala S auf die Hauptskala M fallen.
Dadurch ergibt sich nämlich der Vorteil, daß sich die Größe
der Skala in Richtung ihrer Breite weiter verringert.
Unter Bezugnahme auf Fig. 4 soll nun eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
Hierbei werden die gleichen Bezugszeichen wie bei der oben
erläuterten, ersten Ausführungsform verwendet, um gleiche
oder ähnliche Teile zu kennzeichnen, so daß diese Bezugszeichen
nicht nochmals erläutert werden sollten.
Bei dieser Ausführungsform ist die Skala bzw. das Gitter S
mit einer Lichtquelle 14 auf der den Lichtempfangsbereichen
5 durch das lichtdurchlässige Basiselement 1 und einem Reflektor
15 gegenüberliegenden Seite versehen, wodurch das
Licht von der Lichtquelle 14 über das lichtdurchlässige
Basiselement 1 zur anderen Seite gestrahlt wird.
Der Reflektor 15 wird auf folgende Weise hergestellt:
Ein lichtreflektierender Film, der aus einem abgelagerten
Metallfilm oder einen ähnlichen Material besteht, ist
auf dem äußeren Umfang eines im wesentlichen halbkugelförmigen,
transparenten Harzes 16 vorgesehen, der einstückig
auf dem lichtdurchlässigen Basiselement 1 auf
der Seite der Lichtquelle 14 ausgebildet ist.
Der transparente Harz 16 besteht aus einem lichtdurchlässigen
Material, dessen Brechungsindex gleich dem Brechungsindex
des obenerwähnten, lichtdurchlässigen Basiselementes
1 ist; dieses Harz wird um die Lichtquelle gestreckt,
wodurch der Brechungsindex des Lichtes von der Lichtquelle
14 auf dem Strahlengang von der Lichtquelle 14 zu dem
lichtdurchlässsigen
Basiselement 1 verbessert wird.
Der wesentliche Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin,
daß nur zwei Skalen bzw. Gitter einen Kodierer bilden,
weil die Lichtquelle 14 auf der Indexskala S selbst angebracht
und die beiden Elemente einstückig durch den transparenten
Harz 16 gebildet bzw. gegossen werden; ein weiterer
Nachteil liegt darin, daß Fehler und Störungen, die
sonst durch Schwingungen bzw. Vibrationen verursacht werden
können, nicht auftreten, weil die Lichtquelle und
die Indexskala S einstückig ausgebildet sind.
Claims (5)
1. Fotoelektrischer Kodierer zur Ermittlung einer
physikalischen Größe aus Helligkeitsänderungen durch
Bewegung einer ersten und zweiten, jeweils mit einem
optischen Gitter versehenen Skala relativ zueinander,
wobei die erste Skala abwechselnd auf der Oberfläche
eines Basiselements (1) angeordnete reflektierende und
nichtreflektierende Flächen und die zweite Skala auf der
Oberfläche eines lichtdurchlässigen Basiselements (1) in
Abständen angeordnete Lichtmeßflächen (5), die auf der
dem lichtdurchlässigen Basiselement (1) zugewandten
Seite eine lichtabschirmende Schicht (2) aufweisen, so
daß auf diesem Basiselement abwechselnd
lichdurchlässige und lichtundurchlässige Bereiche
gebildet sind, umfaßt, wobei die Oberfläche der beiden
Basiselemente mit den reflektierenden und
nichtreflektierenden Flächen bzw. den Meßflächen
einander zugewandt sind, und mit einer auf der den
Lichtmeßflächen (5) gegenüberliegenden Seite vor dem
lichtdurchlässigen Basiselement (11) angeordneten
Lichtquelle (14), dadurch gekennzeichnet, daß die
Lichtquelle (14) auf der Oberfläche des Basiselements
(1) angeordnet und ein die Lichtquelle überspannender
Reflektor (15) vorgesehen ist, wobei der Reflektor (15)
unter Bildung eines kompakten, zusammenhängenden, die
Lichtquelle (14), die zweite Skala und den Reflektor
umfassenden Meßkopf mit der zweiten Skala verbunden ist.
2. Kodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Reflektor (15) eine konkave Spiegelfläche aufweist.
3. Kodierer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
der Reflektor eine kugel- oder parabolförmige
Spiegelfläche aufweist.
4. Kodierer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß im Strahlengang zwischen der
Lichtquelle und dem Reflektor sowie zwischen dem
Reflektor und dem Basiselement ein durchsichtiges
Material (16) angeordnet ist, dessen Brechungsindex dem
Brechungsindex, den das Material des Basiselements
aufweist, angeglichen ist.
5. Kodierer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß ein im wesentlichen
halbkugelförmiger, über seine Basisfläche unter
Einschluß der Lichtquelle (14) mit dem Basiselement
verbundener durchsichtiger Körper vorgesehen ist, auf
dessen Kugeloberfläche eine Metallschicht als Reflektor
(15) aufgebracht ist und wobei der Körper aus einem
Material besteht, dessen Brechungsindex dem
Brechungsindex des Materials des Basiselements
angeglichen ist.
Applications Claiming Priority (3)
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