EP2606314A2 - Positionsmessvorrichtung und verfahren zur ermittlung einer absoluten position - Google Patents

Positionsmessvorrichtung und verfahren zur ermittlung einer absoluten position

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Publication number
EP2606314A2
EP2606314A2 EP11748874.2A EP11748874A EP2606314A2 EP 2606314 A2 EP2606314 A2 EP 2606314A2 EP 11748874 A EP11748874 A EP 11748874A EP 2606314 A2 EP2606314 A2 EP 2606314A2
Authority
EP
European Patent Office
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light
sensor head
track
light receiver
sensor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11748874.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jean-Jacques Wagner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Elesta GmbH
Original Assignee
Elesta Relays GmbH
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Filing date
Publication date
Priority claimed from CH01342/10A external-priority patent/CH703663A1/de
Priority claimed from CH01341/10A external-priority patent/CH703647A1/de
Priority claimed from CH01343/10A external-priority patent/CH703664A1/de
Application filed by Elesta Relays GmbH filed Critical Elesta Relays GmbH
Publication of EP2606314A2 publication Critical patent/EP2606314A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/105—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PIN type
    • H01L31/1055—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PIN type the devices comprising amorphous materials of Group IV of the Periodic Table

Definitions

  • the invention relates to a position measuring device according to the preamble of claim 1 and to a method for determining the absolute position of a movable part according to the preamble of claim 8.
  • a sensor head of a sensor operating with reflected light has a light source, which projects a light beam onto a physical scale, and two semiconductor substrates.
  • the semiconductor substrates each include photodetectors to detect light reflected by the scale.
  • Light source and semiconductor substrates are in one
  • Semiconductor substrate has an electrical circuit, and the electrical circuits of both semiconductor substrates are connected to each other by electrical lines, which are formed on the underside of the lid.
  • Current-voltage transformers are formed directly on the semiconductor substrates in order to minimize disturbances.
  • a disadvantage of the previously known sensor head is its complicated production. It must first the
  • the device should be as compact as possible in size, so that it is suitable for the construction of small encoders. Despite the very compact design, however, it should be able to provide an accurate determination of the absolute position (even in the rest position), which requires that a good quality basic signal is generated.
  • Another object of the present invention is to provide a position measuring apparatus which
  • CONFIRMATION COPY is inexpensive to produce. The construction of the device should also make them insensitive to environmental influences. It should also have a low energy consumption, ie be suitable for operation with batteries. Description:
  • the function of the sensor head is determined by a lithography step, by which a light source and light receiving elements and on the glass substrate are formed.
  • the glass substrate is placed on the carrier plate.
  • the light receiver elements are connected via Stud bumps and tracks directly to a arranged on the back of the carrier plate evaluation circuit.
  • a compact design is made possible by the use of FlipChip mounting and other precautions. These are e.g. the choice of the metallic top layer of the light-receiving elements, the use of stud bumps for a stable electrical connection (for a stable fundamental signal) and the use of an adhesive technique, with a rather unusual permanent resist allowing secure bonding. It is possible with this construction method to work at low temperatures, which protects the light receiver.
  • the very small sensor head is mounted on a moving part, e.g. a lever, which is the determination of the absolute position e.g. allows a motor shaft in its rest position.
  • a position measuring device in particular an encoder
  • a position measuring device is particularly preferred if it - in particular in combination with one or more of the features mentioned in this document, the following components:
  • a sensor head arranged on the support with a light source and a light receiver element
  • a measuring element which is movable relative to the sensor head and has optical elements which can be mounted on a moving part of a device, for example a motor, and can cooperate with the sensor head for determining an absolute position value
  • the sensor head is movably mounted on the support, and means are provided for displacing the sensor head relative to the support by a certain amount.
  • the movable arrangement of the sensor head on the support has the advantage that the absolute position of a movable part, e.g. a shaft or other machine part can be determined in its rest position.
  • a movable part e.g. a shaft or other machine part
  • the absolute position of the machine part can be determined in the shortest possible time, without any movement of the machine part itself being necessary, e.g. first approach a reference mark.
  • the position measuring device is characterized in that the displacement means for moving the sensor head are formed by a motor, which is in operative connection with the sensor head.
  • the dimensional standard is a code disk.
  • the sensor head in order to determine the absolute position of the movable part in the rest position, the sensor head is displaced relative to the movable part.
  • it is a position measuring device with
  • At least one measuring scale with an optical structure preferably an arrangement of 3-D
  • the light receiver is in the form of a Thin-film structure consisting of several superimposed layers is deposited directly on the transparent substrate,
  • a light source is provided at a distance from the light receiver
  • a support plate is provided, on which the substrate is arranged.
  • the light receiver thus advantageously has the shape of a thin-film sensor.
  • a recess for a light source is provided.
  • the light source is preferably designed so that it is manufactured with the processes for producing the sensors (light receiver elements), so that the dimensions and position of the light receiver and the light source are predetermined by a lithographic mask.
  • the light source can be formed by a diaphragm and an LED or by an OLED deposited directly on the substrate. In contrast to the prior art described above, no further adjustments are therefore necessary, which makes the production of the position measuring device considerably simpler, but also more reliable.
  • the light source is preferably arranged behind a recess etched in the mentioned layers.
  • an evaluation circuit may be provided, which is arranged on the carrier plate.
  • the carrier plate preferably has conductor tracks on both flat sides, on the one hand for contacting with the light receiver and on the other hand for contacting an evaluation circuit. Moreover, it is advantageous if the carrier plate has connections for connecting the position measuring device to an external display device.
  • the transparent substrate and the carrier plate are connected to each other with advantage by flip-chip mounting.
  • a metallic cover layer preferably made of aluminum, contacted.
  • the electrically conductive metal is preferably aluminum, which is preferably alloyed with 1 to 5% titanium.
  • the connection between the metallic cover layer or the bumps on the one hand and the carrier plate on the other hand is preferably made by means of an electrically conductive adhesive.
  • a permanent resist for limiting the expansion of the adhesive is provided between the carrier plate and the substrate.
  • an intrinsic layer preferably an amorphous silicon layer
  • the aluminum layer etched away the uppermost doped layer, and preferably at least a portion of the intrinsic layer.
  • Sensor area is formed each consisting of a plurality of light receiving elements, which are electrically connected to each other.
  • at least one first and one second sensor area are provided in the device, which areas of a physical scale are associated with an incremental track and an index track or an absolute track.
  • the first sensor region preferably has first and second light receiver elements, which are nested one inside the other. Furthermore, it may be advantageous if the first and second light-receiving elements have an approximately U-shaped configuration.
  • the geometric center of gravity of the first and second light receiver elements of the first sensor region should preferably lie approximately on a straight line. It can also be provided that the first sensor region is formed in each case by a plurality of preferably strip-shaped
  • Light receiver elements is formed, which light receiving elements are arranged at an angle of preferably between 0.5 and 15 degrees to each other and in a certain direction one behind the other.
  • the even and (in terms of their sequence) odd light receiver elements can each be electrically conductively connected to each other.
  • the first and / or the second light-receiving elements are connected to one another by an additionally applied, electrically conductive layer, wherein an insulating layer is provided between the metal layer and the additional, conductive layer.
  • the first and second light-receiving elements of the first sensor region are preferably arranged such that two 180-degree-shifted alternating signals are obtained in the order "AbaB".
  • Said device may further be characterized in that the second sensor region is provided for the generation of an index and a strip-shaped, first light-receiving element and two projecting at an angle from the first light-receiving element second light-receiving elements are formed.
  • Light receiver elements of the second sensor area advantageously coincide substantially.
  • the material measure has two tracks with optical elements, wherein a first track of the generation of an incremental signal and the second track of the determination of a position number or an index signal is used.
  • the light source may be located behind the substrate.
  • the light source is an LED.
  • the light source can be arranged substantially in the same plane as the light receivers.
  • the light source preferably an OLED, is formed directly on the substrate between the light receivers.
  • the light source is embedded in a metallic layer, so that stray light can be prevented. There may also be an air gap in the light path between the light source and the substrate.
  • the evaluation circuit is on the other side (ie on the side remote from the light receivers and / or the light source) of the support plate in the form of an integrated circuit for processing the light receiver signals (preferably in the flip-chip method), wherein the light receiver electrically connected to the integrated circuit are.
  • Said backing plate is preferably made of ceramic or of plastic (e.g., polyimide).
  • the carrier plate may be made of plastic film, preferably polyimide film.
  • Thin-film process which groups of light receivers each serve to produce a single sensor head
  • contact points can also take the form of gold balls, so-called “stud-bumps”, or in
  • an electrically non-conductive layer can be applied to the carrier plate, which has recesses which coincide with the contact points of the light receiver.
  • the recesses can then be filled at least partially with the electrically conductive adhesive.
  • an evaluation circuit can be applied.
  • the dimensional standard is preferably a code disk or a code disk is provided, which has a named dimensional embodiment.
  • a position measuring device is particularly preferred when it has the following components, in particular in combination with one or more of the abovementioned features:
  • a sensor head arranged in the housing with a light source and a light receiver element
  • a rotatable code disc mountable on a shaft of a device, preferably a motor,
  • the sensor head is preferably mounted on a printed circuit board, which is positively connected to the housing, preferably via a snap connection.
  • the position measuring device comprises an adapter part, which - a first connecting means for connecting to the device and
  • Recesses is formed on the housing.
  • the housing advantageously has an assembly bearing into which the code disk and / or a receptacle connected to the code disk for a shaft is accommodated.
  • the assembly bearing may be, for example, a ball bearing and in particular a Teflon bearing.
  • the contacting of the sensor head is carried out according to a preferred embodiment via a lateral opening in the housing, wherein the opening is arranged on the side facing away from the code disk of the sensor head.
  • the contacting can be done via one or more cables, which run through the opening, which is preferably flat cable and in particular is a flexprint.
  • the housing has a recess on the side, which adjoins the opening, wherein the indentation preferably extends from the opening along the side to another side or an edge or edge of the housing and / or wherein the indentation preferably extends from the opening to the top of the housing.
  • a likewise preferred embodiment variant provides that the material measure has at least two tracks, wherein one track is an incremental track and wherein a second track is preferably either an index track or a code track.
  • a position measuring device (preferably an encoder) may have the following components, in particular in conjunction with one or more of the features mentioned:
  • the dimensional scale is preferably arranged on a code disk, which may be mounted on a shaft of a motor or other device.
  • the light receiver element is arranged in a defined or predetermined position relative to the optical elements and cooperates with these to generate a signal. According to the invention, said defined position of the light receiving element relative to the optical elements by a
  • Sensor head holder set which cooperates with the sensor head form-fitting.
  • the acts Sensor head holder also with the housing form-fitting together.
  • the housing is arranged in a defined position relative to the material measure and / or to the optical elements.
  • the sensor head holder may be the described carrier on which the sensor head is arranged and which in order to move the sensor head is in operative connection with a motor.
  • position in this document preferably refers to the distance and / or the orientation of the addressed device part, in particular relative to other device parts.
  • the deviation from the defined positions is advantageously less than 0.2 mm, preferably less than 0, 1 mm, and more preferably less than 0.05 or 0.02 mm, that is to say the corresponding parts of the device are identical to those mentioned
  • the position measuring device is characterized in that the
  • Light receiver element is arranged on a substrate whose edge cooperates positively with the sensor head holder. Furthermore, it is preferred if the light-receiving element is applied to the substrate by means of a thin-film process.
  • the substrate is advantageously a transparent substrate and more preferably a glass substrate.
  • the exact position of the light-receiving elements relative to the edge of the substrate and thus to a part of the sensor head can already be determined in the manufacturing process. It's especially easy
  • a substrate plate is provided with a plurality of light-receiving elements and then divided into smaller units (substrates). This dicing can be done very accurately, e.g. by sawing the substrate plate. This results in a defined
  • the sensor head holder has a first structural element which interacts with the sensor head in a form-fitting manner, wherein the first structural element is preferably an opening. Furthermore, it is advantageous if the sensor head holder has a second structural element which interacts with the housing in a form-fitting manner, wherein the second structural element is preferably the edge of the sensor head holder.
  • the first structural element is advantageously arranged in a defined position relative to the second structural element. The first structural element can now interact positively with the edge of the substrate.
  • the position of the light receiving elements relative to the optical elements on the Mass embodiment is preferably determined by a plurality of matched in their dimensions device parts (substrate, sensor head holder, housing, material measure).
  • the advantage is that a mechanical adjustment during assembly is eliminated.
  • the sensor head holder thus acts as an adapter.
  • the sensor head holder can be designed as part of the housing and / or the lid mentioned below. However, it is preferred if the sensor head holder is designed as a separate device part, because thereby the production and Assembly easier.
  • the sensor head holder between the dimensional scale and a lid closing the housing is arranged.
  • the lid is preferably in contact with the sensor head holder and fixes this with respect to its position in the housing. It is particularly preferred if an edge is provided in the interior of the housing, which forms a support for the sensor head holder and when the sensor head holder is fixed between this support and the lid.
  • a sensor head which has one or more light receiver elements is positively connected to a sensor head holder.
  • the sensor head holder is positively connected to a housing.
  • the sensor head holder is preferably introduced or inserted into the housing.
  • the housing is arranged in a predetermined or defined position relative to a dimensional scale, wherein the dimensional scale is rotatable and has optical elements.
  • the housing, the sensor head holder and the sensor head are or will be designed so that their positive cooperation determines a defined position of the light receiving element relative to the optical elements.
  • the light-receiving element is applied to a substrate
  • the edge of the substrate cooperates with the sensor head holder in a form-fitting manner when the sensor head is connected to the sensor head holder,
  • the light-receiving element is preferably applied by means of a thin-film process on the substrate, and
  • the substrate is a transparent substrate and more preferably a glass substrate.
  • the sensor head holder is formed with a first structural element, which cooperates positively with the sensor head when the sensor head is connected to the sensor head holder, wherein it is the first
  • Structural element is preferably a (preferably continuous) opening
  • the sensor head holder is formed with a second structural element, which cooperates positively with the housing when the sensor head holder is connected to the housing, wherein it is the second
  • Structural element is preferably around the edge of the sensor head holder
  • the first structural element is formed in a defined position relative to the second structural element.
  • the sensor head holder is inserted into the housing at a distance from the material measure and is positively connected to the housing,
  • the housing On the side facing away from the scale of the sensor head holder, the housing is closed by a lid, and the cover is preferably brought into contact with the sensor head holder,
  • the lid and / or the housing and / or the sensor head holder to separate device parts. Thanks to the compact design of the sensor head, it is possible to produce encoders with additional features, such as position sensors with multiple sensor heads for redundant detection of
  • Position values Another possibility is to build very compact absolute encoders, which have incorporated in the material measure a Manchester code or similar serial codes or a pseudorandom code.
  • the codes mentioned can be designed, for example, as binary codes.
  • two differently aligned with respect to their optical axis optical elements which cooperate with suitable receiver elements, two different states or signals can be generated.
  • the signals or states mentioned can be related to the increment signal.
  • the determination of an absolute position value is made possible by a relative movement between sensor head and material measure, in which the sequence of the optical elements is determined.
  • the measuring graduation is formed from semicircular cylindrical reflectors and the light source has certain dimensions. This in turn requires a precise position of the light source above the light sensor to obtain stable and reliable signals.
  • the bundling of the total amount of light falling on a graduation of the material scale together with the compact sensor head make it possible to build position detection units which have a high luminous efficacy and thus low power consumption, and to ensure the function of the encoder with less light output.
  • Position measuring devices according to the invention can thus be optimally used for battery devices.
  • a thin-film structure with an intrinsic layer has the advantage that reliable light receivers can be produced by simple means because of the presence of an intrinsically insulating intermediate layer.
  • These layers have low dark currents and are particularly suitable for the construction of a sensor head for an encoder that can operate with low power.
  • Fig. 1 shows schematically and in perspective view the basic structure of an encoder, consisting of a sensor head according to the invention and an existing at a distance from the sensor head measuring scale;
  • Fig. 2 shows schematically the structure of the sensor head consisting of glass substrate with formed thereon
  • FIG. 3 shows the individual method steps for producing the sensor areas and contacting them
  • Fig. 5 schematically shows the mounting of the components on a wafer substrate
  • Fig. 6 in section a practical embodiment of a housing arranged in an encoder for
  • Fig. 7 schematically, as in a relative movement of the receiver element and material measure from the
  • Receiver element registered light intensities are converted into an Anatogsignal and subsequently into a digital signal for the position determination;
  • Fig. 8 shows schematically the generation of an index signal by means of a single optical element and two receiver elements
  • Fig. 9 shows schematically the generation of a position signal by means of two different, optical
  • FIG. 10 shows a plan view of a first exemplary embodiment of a sensor head according to the invention having a plurality of receiver elements with an increment line and an index track;
  • FIG. 11 is a plan view of a second embodiment of a sensor head according to the invention, in which the receiver elements are electrically connected by means of a separate conductor track;
  • Fig. 12 shows an embodiment of the invention with a light source with an LED behind a panel is arranged, wherein the aperture substantially determines the dimensions of the light source;
  • Fig. 15 is a perspective view of a kit encoder with motor
  • Fig. 16 is a rear and side view of the housing with horizontal cable
  • Fig. 17 is a sectional view of the housing of the kit encoder
  • Fig. 18 shows a preferred embodiment of the wave recording.
  • FIG. 1 shows an encoder 10 according to the invention comprising a sensor head 11 and a measuring graduation 13 which is movable in a direction 15 relative to the sensor head 11.
  • the first and second sensor region 29, 35 are arranged, which lie at a distance 40 to the material measure 13.
  • dimensional standard is understood to mean a scale or scale which is applied to a support or carrier and is suitable for reflecting and modulating a light beam when the material measure is moved relative to the sensor head.
  • a material measure may have the shape of a circular code disc or an elongated beam.
  • the scale itself has a pitch, each pitch being, by definition, capable of modulating a beam of light as the pitch is moved by the beam of light.
  • each division is represented by a reflective optical element suitable for focusing a light beam (e.g., hollow cylinder, concave mirror).
  • a light beam e.g., hollow cylinder, concave mirror.
  • lattice structures although their efficiency in light processing would be smaller than that of mirrors, by means of which the light beam is diffracted.
  • the sensor head 11 shown consists essentially of a support plate 17 and a transparent substrate 19, on the back side, i. that side, which faces the support plate 17, a light source 21 and
  • Light receiver elements 23 are arranged.
  • the light source 21 emits a light beam whose major axis is designated by the reference numeral 22.
  • a light source is used which emits light in the visible range.
  • light with a wavelength below 630 nm, in particular 580 and 630 nm, or below 460 nm would be advantageous.
  • the material measure 13 contains at least one first track 25 with first optical elements 27, which cooperates with a first sensor region 29 of the material measure 13.
  • a second track 31 with at least one individual optical element 33 is provided. This second track 31 cooperates with a second sensor area 35 of the sensor head 11. As can be seen from FIG.
  • the optical elements 27 of the measuring scale are arranged in a plane which is substantially parallel to the flat sides 37 of the substrate.
  • the material measure 13 is arranged relative to the substrate 19 such that the tracks 25, 31 in each case in a direction parallel to the axis 22 of the light beam with the sensor regions 29,35 match.
  • the optical elements 27, 33 are designed as focusing lenses or mirrors, which reflect incident light in bundled fashion onto the sensor head 11. According to the embodiment shown, the optical elements 27, 33 have the shape of a circular half-cylinder.
  • the first track 25 serves the
  • the position of the material measure relative to the sensor head (in particular the distance 40, see Fig.1) is usually associated with a mounting tolerance, which directly affects the quality and reliability of the measurement signal.
  • the flat sides 37 of the substrate 19 are parallel to a plane passing through the measuring scale 13, and the direction of movement 15 (corresponding to a tangent to a circular path in the case of a measuring graduation on a circular disk) extends at right angles to a longitudinal central axis 39, which the sensor areas 29,35 and the light source 21 each divides into two sections.
  • the center line 43 of the measuring scale will run substantially parallel to an axis 45 passing through the center of the light source 21, provided that the sensor areas 29, 35 are arranged symmetrically to the center of the light source.
  • the nominal distance is determined primarily by the design of the optical elements 27, 33 of the material measure 13.
  • focusing optical elements and in particular three-dimensional (3D) reflectors are particularly preferred, because they are particularly tolerant with respect to a variation of the distance between measuring standard 13 and substrate 19.
  • 3-channel encoders with a width of a pitch of 18 pm to 150 pm can be realized. For an encoder with a case diameter of about 20 mm, this corresponds, e.g.
  • a number of dashes on the code disk of 360 to 3000 and in the case of an encoder with a case diameter of about 6 mm would correspond to a number of bars from 64 to 380 (a bar may be defined, for example, by an optical element or a division).
  • the sensor head 11 according to the invention according to FIG. 2 comprises the substrate 19 with the first and second
  • Substrate 19, carrier plate 17 and evaluation unit 47 are mechanically firmly connected to one another by means of adhesive and underfill and are sealed off from the environment.
  • the light source 21 is preferably an LED located behind a shutter which defines the dimension of the light source.
  • the sensor regions 29, 35 are deposited directly on the substrate in a multi-stage thin-film process, by means of which the sensors and the diaphragm 49 are preferably formed in an etching process.
  • This manufacturing method has the advantage that the relation between diaphragm 49 and sensor regions 29, 35 can be set very precisely, so that they can be formed in an etching stage according to FIGS. 3 b and 4b.
  • the electrical connection between the first and second sensor regions 29, 35 and the carrier plate 17 preferably takes place by means of flip-chip mounting. So that the heat-sensitive sensor regions 29,35 can not be damaged during the manufacturing process - which could be the case if .bumps "were used from solder - so-called” stud bumps "or ultrasonically applied gold balls 53 on the aluminum are used for the electrical contacting formed upper sensor area 51 (Fig. 3e) applied.
  • conductor tracks 55 are provided on the carrier plate 17. Above these printed conductors 55, a film 57 is preferably applied, which has recesses 59 at the location of the planned electrical connection, which are filled with conductive adhesive 54 (FIG. 3 e) prior to assembly (FIG. 3 e).
  • substrate 19 and carrier plate 17 can now be connected to one another.
  • recesses 59 are provided at the intended contact points.
  • Suitable film formers are various plastics, such as e.g.
  • Epoxy material After joining, the gap between the carrier plate 17 and the glass substrate 9 is then filled with a so-called "underfiH.”
  • the evaluation circuit 47 for example an ASIC, is arranged on the back 63 of the carrier plate 17.
  • the connection of the evaluation circuit 47 to the carrier plate 17 can also be used by flip-chip mounting analogously to the connection between the glass substrate 19 and the carrier plate 17.
  • printed conductors 64 and a non-conductive layer 65 with recesses 67 are applied on the rear side 63.
  • the recesses 67 are in this case in contact with the one to be contacted
  • An electrically conductive adhesive is filled into these before the joining together of the carrier plate 17 with the evaluation circuit 47.
  • the through-connection from the front to the rear takes place by means of openings 69 in the carrier plate 17, which are connected to a conductive material, eg a Lot or an electrically conductive adhesive, gegla are satisfied.
  • the light source 21, eg an LED, is accommodated in a recess 71 of the carrier plate 17.
  • a spacer element 75 keeps the light source 21 at a distance from the glass substrate 19, so that an air gap 77 is provided between the light aperture or aperture 49.
  • the air gap 77 serves to reduce the internal reflection present in the substrate 19, and thus to achieve better utilization of the light energy.
  • the rear side of the LED light source 21 can be contacted by means of an electrically conductive adhesive 79 (FIG. 4e).
  • an electrically conductive adhesive 79 FIG. 4e
  • a transparent substrate preferably a glass substrate (FIG. 3 a).
  • the glass substrate size is chosen so that a plurality of in particular more than 200, preferably more than 2000, and more preferably more than 10 ⁇ 00 sensor arrays can be produced simultaneously.
  • the selection of the substrate size is carried out depending on the existing coating and etching devices.
  • the following layers are preferably applied successively on the glass substrate 19 (FIG. 3 a), which preferably results in the construction of a PIN diode:
  • a first n- or p + doped layer 83 with a layer thickness between 10 and 80 nm, preferably between 20 and 70 nm and particularly preferably between 25 and 50 nm.
  • an intrinsic (intrisic) layer 85 with a layer thickness between 100 and 1500 nm, preferably between 200 and 1000 nm and particularly preferably between 400 and 800 nm.
  • a second p + or n-doped layer 87 with a layer thickness between 10 and 80 nm, preferably between 20 and 70 nm and particularly preferably between 25 and 50 nm and
  • a conductive upper layer 51 with a layer thickness between 100 and 2000 nm, preferably between 500 and 1500 nm and in particular between 700 and 1200 nm. In the region of the contact points 89.91, or in the region of
  • the layer thickness is particularly preferably 1000 nm.
  • the deposition of the various layers is preferably carried out by means of a CVD (chemical vapor deposition), PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) or similar, modified processes such as VHFCVD or HWCWD.
  • a plasma assisted chemical vapor deposition of preferably silane is used to produce an aSi: h (amorphous silicon) intrinsic layer.
  • a Si: h amorphous silicon
  • the shape and extent of the light-receiving elements and the light source are defined by applying a photoresist to the uppermost layer 51, this is exposed with a mask with UV and either the unexposed or the exposed areas are replaced.
  • a photoresist to the uppermost layer 51, this is exposed with a mask with UV and either the unexposed or the exposed areas are replaced.
  • the conductive covering layer 51, the second doped layer 87 and preferably a part of the amorphous silicon layer 85 can be removed Structure of the light receiver already formed ( Figure 3b.)
  • the amorphous silicon and similar materials could be used, which are preferably used for the formation of a PIN diode.
  • the TCO layer is exposed at certain points, by the amorphous silicon layer 85 and the first doped layer 83 substantially in a second etching step (ion beam etching and / or "reactive ion beam etching" (RIE)), or modified
  • RIE reactive ion beam etching
  • the procedure can be analogous to the first etching process, ie the points not to be processed are first masked and then the non-masked points are processed
  • the exposed areas, after removal of the amorphous silicon layer form one electrical contact point 89 of the light receiver, and the other contact point 91 is formed by the conductive cover layer 51.
  • the sensor region is preferably coated with a protective layer 93, preferably a SiO 2 layer (FIG. 3 d).
  • a protective layer 93 preferably a SiO 2 layer
  • the contact points 89,91 are each left by etching or in the lift-off - method.
  • FIGS. 3 and 4 serve exclusively to illustrate the production process and that the layer thicknesses shown do not coincide with the actual layer thicknesses.
  • the diaphragm used in this exemplary embodiment to form the light source can be produced by means of the same method steps as used for producing the light receiver structures and the contacts.
  • the light opening 49 is attached, by further etching or fully etching a point already etched in the first etching process.
  • Non-transparent layers such as the Al layer 51 also have an opening at the same place so as not to hinder the passage of light. In this way, a diaphragm is formed, which advantageously restricts the propagation of the light from the LED 21, or defines the size or dimensions of the light source.
  • the LED can be adhered to the uppermost layer 51 by placing it on a spacer 75 (see also Fig. 12).
  • the spacer 75 provides a defined gap between the substrate 19 and the light source 21. This defines (reliably) a cavity for the adhesive 79.
  • the spacer will be 4 to 50 m high, preferably 6 to 12 pm high, and is preferably formed of permanent resistance
  • the sensor areas are electrically connected to the carrier plate 17 by means of flip-chip mounting.
  • the front side of the light source is also contacted with the metal layer 51, in which conductor tracks not shown in detail are formed (contact point).
  • the thickness of the glass substrate 19 may be about 1 mm. Preferably, the thickness is between 0.4 and 0.6 mm, wherein for high-resolution encoders preferably a glass substrate with a thickness of about 0.16 mm can be used.
  • Fig. 5 shows an arrangement of a plurality of juxtaposed sensor heads on a large
  • Support plate 97 in the form of a wafer.
  • the figure shows the substrates 19 which are mounted on the carrier material 97 by means of flip-chip mounting.
  • the carrier material is a plate of electrically nonconductive material, on which in a previous coating process conductor tracks for the contacting of a plurality of substrates 19 with light receivers and evaluation circuits 47 are applied both on the front and also on the back.
  • the light sources 21 can be previously either directly, e.g. by gluing, applied to the glass substrate 19 or integrated in a recess of the carrier material 97.
  • the rear side of the carrier material 97 can be equipped with the evaluation circuits 47.
  • the assembly of the evaluation circuit 47 can also be done in the flip-chip method.
  • the substrate 19 can be connected to the light receiver elements 23 and the evaluation circuit 47 simultaneously with the carrier plate 17. If the sensor heads 11 or the glass substrates 19 are contacted with the evaluation circuits 47, the encoder function can already be tested. This can be done in an automated process. Only then is the support material 97, which is preferably scored (grooves 98), broken down in carrier plates 17, sawed or by means of a
  • the carrier material is preferably ceramic, in particular black-colored ceramic.
  • indentations 99 are provided, in which pins 96 of a tool can engage. With the help of the indentations 99 and corresponding tools, the carrier material 97 can be precisely aligned during the various process steps. This allows a cost-effective production.
  • an absolute encoder can be constructed in the same construction volume and the same construction. In this case, it takes a movement of less than about 2 °, so that the absolute position can be determined or read on the measuring scale by means of the sensor head.
  • encoders of the Current state-of-the-art technology requires an angular movement of up to 360 ° in order to find an absolute reference point.
  • FIG. 6 shows an encoder 10 with a sensor head 11 and a code disk 155, on the surface of which a material measure (not shown) is arranged.
  • the code disk 155 is connected to a shaft 157 and thereby rotatable.
  • the sensor head 11 and the dimensional unit formed of optical elements (not shown) cooperate to generate a signal.
  • the sensor head 11 in this embodiment, a light source 21, which emits light in the direction of the scale.
  • Mass embodiment are arranged on the sensor head 11 facing side of the code disk 155. They throw the light coming from the light source 21 in bundled form back onto the sensor head 11, where it is registered by the light receiving elements (not shown).
  • the light source may also be disposed on the other side of the code disk 155 and transmit the light through the optical elements to the sensor head 11.
  • the solution shown, in which the sensor head 11 has both one or more light sources and one or more light-receiving elements is preferred.
  • the light receiver elements must be arranged in a defined position relative to the optical elements.
  • the sensor head holder 141 has a first structural element in the form of an opening 149, in which a part of the sensor head 11, can be used accurately, resulting in a positive connection.
  • this part of the sensor head 11 is a transparent substrate 19 to which the light receiver elements are preferably applied by thin-film method. In such methods, a plurality of light-receiving elements is applied to a substrate plate, which is then cut into (smaller) substrates 19.
  • Light receiver elements is determined relative to the edges of the substrates by the precise cutting of the substrate plate.
  • the edge 151 of the substrate 19 can form fit with said opening 149 in
  • the opening 149 is precisely positioned relative to a second structural element, which is here the edge 153 of the sensor head holder 141.
  • Sensor head holder 141 cooperates positively with the inner wall of the housing 143, wherein the
  • Housing 143 is again arranged in a defined position relative to the dimensional scale. That is, the position of the sensor head 11 and the substrate 19 and thus also the position of the light receiver elements relative to the optical elements on the dimensional scale is indirectly determined by a plurality of matched in their dimensions device parts.
  • the advantage is that a mechanical adjustment during assembly is eliminated.
  • the sensor head holder 141 thus acts as an adapter. With respect to the dimensions mentioned or the defined positions are with advantage deviations of less than 0.2 mm, preferably less than 0.05 mm, which is generally sufficient for the correct functioning of the measuring device.
  • the housing 143 is closed by a cover 145 which presses against the sensor head holder 141 and thus fixes it in the housing 143.
  • the housing 143 preferably has between cover 145 and housing 143 an opening through which a contacting of the sensor head 11, for example by means of cable 159, preferably by means of a Flexprints done.
  • This arrangement ensures easy mounting of the sensor head.
  • an adapter for the code disk 155 is provided on the shaft 157.
  • the adapter has a receptacle for the shaft and a radially outwardly extending from the shaft 157 flange 241.
  • the adapter has a
  • Codewheel 155 is in contact with the side of the shaft receptacle remote from the shaft 157 and with the flange 241 of the adapter, it being preferred if the code disc has one or more feet 240 has, which come in the assembled state of the encoder 10 with the flange 241 in contact.
  • the attachment of the code disk 155 on the adapter is preferably carried out by means of adhesive. This arrangement ensures easy mounting of the sensor head.
  • the code disk 155 is preferably adhered to the shaft 157.
  • the code disk through-hole 272 is preferably configured (see Fig. 18) such that one or more channels 275 (e.g., 2-20 or 3-10 pieces) are formed between the code disk and the shaft 157 in which the adhesive fits.
  • Fig. 18 shows a
  • Said tool is advantageously made of a (preferably circular cylindrical) workpiece having a diameter which is 0.02 to 0.2 mm larger than the diameter of the shaft 157.
  • the workpiece can then be placed in several places e.g. be provided by flattening with flat sides which form the flat portions 271 in the preparation of the through hole 272.
  • 1 to 10, in particular 2 to 5 and particularly preferably 3 channels 275 are provided.
  • the code disk and the dimensional standard are preferably made of plastic, preferably for easier visual inspection of black-colored plastic.
  • the material measure is then coated with a metal, preferably with gold or aluminum.
  • a metal preferably with gold or aluminum.
  • an additional Protective layer such as SiO 2 or synthetic resin, are applied.
  • the carrier material may be a plastic on which an aluminum layer and a plastic film are provided as oxidation protection of the aluminum layer.
  • the material measure can be formed by means of hot embossing on the side of the aluminum layer.
  • FIGS. 7, 8 and 9 show different embodiments of measuring scales 25/31 and
  • the analog signals 103a and 103b are processed in an evaluation circuit and optionally in a further processable
  • Digital signal 104 converted.
  • the signals issued by the evaluation circuit serve to determine the position of the material measure relative to the sensor head.
  • the evaluation of the position data can be done by means of an analog or digital signal.
  • Fig. 7 shows an incremental track
  • Fig. 8 the track for the formation of an index which is at least once per
  • Fig. 9 shows another track structure encoded according to the Manchester code, which together with the incremental signal can define an absolute position.
  • the three mentioned tracks can form the measuring standard, which can be integrated on a carrier, such as a code disk, and is preferably manufactured in the same operation as the carrier.
  • the material measure is preferably formed with two tracks, wherein the optical elements of both tracks preferably have the same focal length.
  • the track 25 of the material measure shown in FIG. 7 consists of identical optical elements which are arranged in the direction of movement 15 at regular intervals from one another (incremental track). These are aligned the same or parallel with respect to the principal direction of the light reflected by them.
  • the optical elements are semicircular cylindrical reflectors, which constitute the preferred embodiment in the context of the present invention.
  • the light emitted by the light source is focused by an optical element of the material measure and focused on the sensor plane 100. There, the light hits a point 108.
  • the adjacent regions 107 of the sensor plane is not acted upon or only with little light.
  • the distribution of the light intensity on the sensor plane is represented by the curve 101.
  • the point 101h of the curve corresponds to a high energy density, the point 101t to a low energy density.
  • the electrical conversion of the light intensity into an electrical signal is effected with at least two light receiver elements 23, which are preferably arranged offset from one another by 180 °. That is, whenever the one light receiving element registers a maximum, the other light receiving element registers a minimum, and vice versa.
  • two analog signals 103A + and 103A- are generated, which be forwarded to the evaluation circuit for further processing.
  • the evaluation circuit can then form a digital signal 104 from the analog signals 103.
  • FIG. 8 shows the index track 31 of a graduated mass consisting of a single, approximately semicircular-cylindrical reflector which is centered about the axes 105.
  • the width of this reflector will be between 100% and 300% of the width of a reflector of the incremental track.
  • the light is concentrated substantially at a point 108, the adjacent area 107 being exposed to only little light.
  • the remaining area 109 is subjected to a substantially constant and unmodulated amount of light.
  • the distribution of the light intensity on the sensor plane 100 is represented by the curve 101, wherein the point 101h corresponds to a high energy density and the point 101t to a low energy density.
  • the light receiving elements 23 consist of a main receiver 23Z + and two receivers 23Z- arranged symmetrically to the main receiver 23Z + and electrically connected together.
  • the total area of the light receivers 23Z- is at least 10%, preferably at least 20%, and more preferably at least 30% larger than the total area of the main receiver 23Z +. This is important in connection with the evaluation of the signals. Because the area contents of the two light receiver elements Z + / Z- differ, it can be ensured that the signal 103a is clearly spaced from the signal 103b so that they can not intersect in the remaining area 109 at all. With this light receiver arrangement, two analog signals 103a and 103b are generated, which are further processed in the evaluation circuit. The signals may be e.g. be compared in a comparator circuit, wherein a crossing point of the two signals each one
  • the two signals 103a and 103b intersect with a large slope.
  • the two light receivers Z- should receive less light than normal at point 107, for example. as if the light beam is not modulated, received. This is achieved by the fact that the slanting
  • Light receiver elements are formed at the upper part, ie at the proximal end, slightly wider than at the distal end.
  • the illustrated embodiment of the receivers 23Z + .23Z- having a first elongate light receiving element 23Z + and two second elongated light receiving elements 23Z- arranged substantially mirror image symmetrical and at an angle to the longitudinal axis of the first receiver element 23Z + may be considered optimal.
  • signals 103a and 103b can be formed, which have a large slope in the mutual crossing points, so that a reliable basic signal Zb for the Index signal can be formed.
  • the light-carrier elements Z- ("Z minus") are obliquely arranged opposite to the light-receiving element Z + ("Z plus"). At their ends remote from the light receiving element Z +, the light receiving elements Z- have a width that is much smaller than the width at their ends facing the light receiving element Z +. This optimal arrangement has to do with the fact that during the movement of the index lens (optical element on the scale) in the direction 15, areas of medium, low and high light intensity are moved over the sensor area.
  • the shape of the light receiving elements Z- makes it possible to change the
  • Light intensity does not affect the signal equally in each position of the index lens relative to the sensor area.
  • the light intensity has less effect on the signal than in the central region, i. at the location of the light receiving element Z + and where the wider end of the light receiving element Z- is.
  • Another factor is the distance to the light source. The narrow ends of the light receiving elements Z- are further away from the light source and thereby obtain a lower light intensity.
  • the geometric center of gravity 102b of the two light receiver elements 23Z + and 23Z- preferably coincides at the same point. If the focal points do not coincide, i. If these are spaced from one another, then the level ratio between the two signals 103a and 103b changes as the distance between the measuring graduation 13 and the substrate 19 changes (see Fig. 1). Thanks to the described, advantageous geometric design of the receiver elements 23, the distance between the measuring scale and sensor head can vary within a relatively wide range, without the signal quality would suffer, whereby the rather large tolerance in the axial position of waves can be easily accommodated in small engines. This also has the advantage that complex adjustments are not required. 9 shows a track 31 of the graduation (absolute track). The track includes as shown in Fig.7
  • Incremental track a variety of optical elements, but the optical elements are not all the same or regular or (in terms of their optical axis) are not all aligned in parallel here.
  • Each of the optical elements is configured and / or arranged to focus the light at either a first or a second point on the sensor plane.
  • the two dots represent the 0 (zero) and the 1 (one) of a binary code, respectively.
  • the sequence of zeros and ones (binary digits) defines a code, eg an 8-bit code, in which 8 consecutive binary digits define a characteristic position number, which preferably occurs only once on the dimensional standard or over the length of the mass body. In the present example, one point is to the left of axis 105 and the other to the right.
  • the electrical conversion of the light intensity into an electrical signal is preferably carried out with at least two 180 ° offset from each other light receiving elements 23.
  • two analog signals 103a and 103b are generated, which are supplied together with an incremental signal to an evaluation circuit.
  • the evaluation circuit will use the incremental signal to evaluate the signals 103 such that the bit value of the division is determined and output in a digital signal.
  • two channels (A and B) and per channel two light receiver elements 23 are provided as described above. It should be noted that in FIGS. 7 and 9, for clarity, only the
  • Light receiver elements 23 for a channel are shown.
  • the bit value is read for a given direction of movement of the scale of FIG. 15 at each rising or falling edge of the two incremental signals, preferably at every fourth edge of the two incremental signals (from the channels A and / or B), at that instant the difference between signal 103a and 103b is read.
  • the level of the digital signal 181 is set according to the bit value, or the bit value is output in a different manner. It can also be provided that the reading of the bit value in a direction of rotation or direction of movement of the material measure is carried out, for example, on the falling edge of the channel A and upon rotation or movement of the in the
  • the two incremental signals form 4 edges per division (two analog signals 103a / 103b per channel A / B). Which of these edges is used for the evaluation of the bit value depends ultimately on the placement of the
  • the order of the bit values of the measuring standard is selected such that, given a certain number of consecutive bits, a particular order is repeated only once over the length of the
  • Mass is to be found.
  • the order is preferably formed according to Manchester code.
  • FIG. 10 shows an arrangement of the light receiver elements 23 for a 3-channel encoder (channel A, channel B, channel Z or index), wherein the main axis 45 of the emitted light beam passing through the center of the light source coincides with the center line 43 of the material measure (FIG , 2) covers (see Fig. 1).
  • the sensor area 29 (which with the the first track 25 of the scale embodiment cooperates) are the light receiver elements for the incremental signal and in the sensor region 35 (which cooperates with the second track 31 of the scale) those arranged for the index signal.
  • the "stud bumps" can be arranged on the uppermost metal layer (see Figure 51 in Figure 3a) by ultrasonic welding, for example
  • the same sensor head could also be used for an absolute encoder with Manchester code, in which case the area 25 remains unchanged and in the area 31 at least two receiver elements (such as In order that the encoder is insensitive to mounting tolerances (ie with respect to the centering of the light source and the angular position of the sensor head with respect to the main axis 43 (see Fig.
  • the scale is preferably in relation to the Direction of movement 15 following order of the light receiver elements selected: A + / B- / A- / B + or A- / B + / A + / B-, ie one in B
  • the light receiving elements A +, ⁇ - and B-.B + are each offset by 180 degrees to each other. In this way, both for the channel A and for the channel B two sinusoidal curves offset by 180 degrees to each other are obtained, which are in a
  • Comparator circuit can be converted into a digital signal.
  • the comparatator circuit can be converted into a digital signal.
  • each of the 4 light receiver elements in the sensor region 29 is substantially the same distance from the light source 21 (see line 102).
  • the points 102b each mark the center of gravity of a U-shaped receiver element. In the direction 15, the distances between the centers of gravity 102b should essentially coincide with the division of the material measure.
  • the normal width 114 of a light receiver in the sensor region 29 is preferably selected between 40 and 80% of the width of a graduation of the material measure.
  • width in this context means the dimension of the
  • the width of the light source 21 respectively. the aperture 49 selected between 60 and 150%, preferably 10% to 120% of the width of a division. If the width of the aperture 49 is too small, too little light energy pass through. If the width of the aperture 49 is too large, then the width of the light spot is too large, so that the signals are too shallow to be reliably evaluated.
  • the light source 21 would be constructed as a light-emitting OLED on the substrate 19, and the sensor regions 35 and 29 would have a similar layer structure as the OLED.
  • Both the OLED and the light receiver elements then consist of thin layers, preferably as shown in FIG. 3a, but different starting materials can be used. Fig.
  • FIG. 11 shows another arrangement of light receiver elements, wherein the individual receiver elements via VIAs 112 ("vertical interconnect access") through the passivation layer (eg a SiO 2 layer or a SiO 2 / Si 3 N 4 layer structure) with on the passivation layer applied conductive paths, preferably from
  • the passivation layer eg a SiO 2 layer or a SiO 2 / Si 3 N 4 layer structure
  • the light receiver elements 23 are optimally designed without the transition lines 115 and / or contact points 91 can influence the formation of the analog signals, or without making corrections to the width 114.
  • connection to the TCO layer can also be made by means of the conductive tracks and a VIA 112, whereby pads 111 may be added at the end of the conductive tracks for the secure attachment of a stud bump.
  • FIG. 12 shows a preferred embodiment of the light source consisting of aperture and LED (see FIG. 2).
  • the LED is glued onto the substrate 19 (preferably made of glass) or on the uppermost metal layer (see Fig. 3, 51) as described in Fig. 4c and radiates through the light aperture 49 which is recessed in the thin-film structure.
  • the LED 21 is received in the recess 71 (see Fig. 2) of the support plate 17 (see Fig. 2).
  • Different variants are shown how the light source can be mounted on the substrate 19.
  • Fig. 12a shows the light source with an emission layer 161 and a contact layer 163. Between the light source 21 and the coated one
  • the reference numeral 170 shows the light cone emitted by the light source in the direction of the material measure.
  • FIG. 12b shows an isolated light source, in which the emission layer 161 has a non-transparent edge Cover layer 167 is coated. This can prevent scattered light from falling on the light receiver.
  • the non-transparent cover layer 167 is not applied to the light source 21 but to the light receiver. This cover layer is used in the example as contact 163 to the LED.
  • Other precautions may be that a material that is opaque or low is chosen as the underfill
  • Fig. 13 shows a circuit with which mounting errors with respect to the angular position 41 (see Fig. 1) of
  • Sensor head can be compensated with respect to the main axis of the scale, so that the index signal can function reliably regardless of such an angle error.
  • the selection of the edge of the incremental signal for the determination of the bit value depends on the placement of the sensor head or the rotation of the same by the angle 41. The circuit can thus be used to determine these edges.
  • Fig. 13a shows the signals A, B, Zb and Z.
  • Signal Z is formed from the combination of the signals A and B and Zb.
  • a and B respectively correspond to a digital signal 181 (see Fig. 9, only signal shown for one channel), where signal A is from channel A and signal B is from channel B.
  • the signal Z shown in this Fig. 13a consists of two pulses, which is basically not desirable.
  • FIG. 13b By recombining the original signals A and B, other signal states Aout (or Ao) and Bout (or Bo) are generated in FIG. 13b, whereby the signal Zb is almost centric to the region of the signals A and B in the plus.
  • the resulting signal Z thus consists of a single pulse.
  • the two channels A and B of Fig. 13b are for the channel A from the inverted input channel B and for the channel B from the input channel A.
  • the combination of the signals from channel Aout and channel Bout and channel Zb forms an index signal Z with a single pulse.
  • Further signal combinations are shown in the truth table 13c.
  • the signal processing according to the truth table can be done by the illustrated circuit (FIG. 13d).
  • the circuit is controlled by two control signals X1 and X2.
  • the signals Ain 200 and Bin 201 are inverted by two inverters 206, 207.
  • the circuit additionally contains 4 mutliplexers 208 which, depending on the state of the control signals X1, X2, pass on one of the two signals in the input to the respective output.
  • the control signals X1 and X2 are generated in the evaluation circuit.
  • the Evaluation circuit is designed so that various settings or values for the control signals can be programmed, which can be done at the final inspection of the product.
  • a special construction of an absolute encoder is shown schematically, which can determine an absolute position signal even when lying still sensor head 11 or idle shaft 157, or in cold start.
  • the device has a pivot arm 182 (or equivalent) on which the at least one sensor head is mounted.
  • the swing arm is driven by a motor and generates a relative movement between the scale 13 and the sensor head 11, which corresponds to a fraction, preferably less than 5 degrees, of a complete revolution.
  • the absolute position can be determined. This is in turn possible thanks to the compact design of the sensor head and the tolerance-friendly design of this arrangement.
  • FIG. 14 shows the schematic structure of the absolute encoder with a housing 143, 145, a mounted shaft 157, a code disk 155 with a measuring graduation 13, preferably with an absolute track according to FIG. 9, and an incremental track according to FIG. 7, a fixed or pivotable about a small angle Carrier 182, on which at least one sensor head 11 is mounted.
  • the code disk 155 is mounted centrally on a shaft 157, which shaft cooperates in a form-locking manner in a housing 143 with at least one bearing 180.
  • a position number can be determined, with which an (absolute) position value of the code disk can be determined. Thereafter, the determination of the position value can be determined either by counting down (addition / subtraction) of the pulses from the incremental track or by determining further position numbers.
  • a redundant recording of the position values can be easily realized by combining both variants.
  • the Manchester code is read with one or more pairs of receiver elements (see Figure 9).
  • a position number is determined between 1 and a maximum number of position numbers by a movement of the material measure in relation to the sensor head.
  • the length of the position number expressed in binary form, is the number of bits determined by the length of the scale.
  • the position number is determined by reading a number of consecutive bits.
  • a position number is by the after the
  • Manchester code defines a well-defined measure. For the entire length of the scale, the position numbers are singular, i. determine the position of the dimensional scale relative to the light receivers.
  • the conversion of the read position number into a position value is done with the evaluation circuit.
  • the position number is preferably transmitted by means of digital signal 181 and by a conversion circuit 187 in a
  • the conversion circuit 187 can be integrated in the evaluation circuit 47 (see also FIG. 2) be.
  • a redundant determination of the position values can protect against read errors by registering several consecutive position numbers. This means that an "extended" position number is actually recorded, and the extended position number is converted into several position values
  • Position values can not be arranged in a row, then this would indicate a read error of the manchester code.
  • Fig. 14 an arrangement is shown in which the conversion circuit 187 is arranged outside the sensor.
  • the conversion circuit 187 is connected to 3 lines 186 with the encoder, or its
  • Evaluation circuit connected (schematic representation). Two lines transmit the pulses from channels A and B (digital signal 104) and the third line a digital signal 181 which maps the position numbers of the absolute track. Thus, position information is transmitted redundantly between encoder 10 and conversion circuit 187. This ensures secure transmission of the position numbers and determination of the position values.
  • the conversion coil 187 transfers by means of a conventional data bus 189, e.g. SPI, I2C, Profibus, etc., the data, for example, to a PLC control.
  • the conversion circuit 187 preferably includes a microprocessor 188 which translates the position numbers into position values. The translation of the position number into a position value can be done in two ways:
  • a Manchester code generator successively forms position numbers; if one of the translating
  • Position numbers from the material measure corresponds to the generated position number
  • the position number of the generator is output as the position value
  • a table is provided in the microprocessor containing position values, each location in the table or each position value being associated with a particular position number, whereby position numbers can be assigned to particular position values.
  • a disadvantage of conventional encoder systems with Manchester code is that for the determination of the absolute position, a relative movement of the material measure, and thus a movement of the machine parts to be measured is necessary to determine the absolute position values. This is not appreciated by the machine builder.
  • a further embodiment of the invention is therefore that means are provided which allow movement of the sensor head relative to the material measure internally in the sensor, so that at the touch of a button determination of the position value is possible without the machine must be set in motion. This is achieved by the sensor head or the carrier (for example a swivel arm 182) on which the sensor head is arranged being rotated by approximately 3 °.
  • Figs. 15 to 17 show a position measuring device.
  • This is a kit encoder 10. which has a particularly compact design.
  • This design is characterized by a specific arrangement of the code disk 155, the scale body 13, the housing 143 and the sensor head 11 mounted thereon, which cooperates with the dimensional standard 13 to generate a signal.
  • the material measure 13 is located here on that side 249 of the code disk 155, which faces away from the housing 143.
  • What is meant here is preferably a part of the housing 143 extending along or substantially parallel to the flat side of the code disk 155 and / or the upper part of the housing 143.
  • the code disk 155 the scale body 13
  • the housing 143 and the sensor head 11 mounted thereon, which cooperates with the dimensional standard 13 to generate a signal.
  • the material measure 13 is located here on that side 249 of the code disk 155, which faces away from the housing 143.
  • What is meant here is preferably a part of the housing 143 extending along or substantially parallel to
  • Codewheel 155 between the inside of the housing 143 (or the inside of said part of the housing) and the sensor head 11 or the circuit board 251 arranged.
  • Massver analysesung 13 and sensor head 11 next to the shaft or the shaft receiving 267 is arranged.
  • the position of the code disk 155 relative to the above-mentioned, parallel part of the housing 143 and the distance between the inside of the housing 143 and the code disk 155 can be determined by the said parallel part of the housing 143 pressed or
  • the material of the housing 143 may be thinner or more elastic on said part parallel to the code disk 155 than on parts adjacent thereto.
  • the sensor head 11 is mounted on a printed circuit board 251 which cooperates positively with the housing 143.
  • the circuit board 251 can constructively take over the function of the carrier plate.
  • a very simple mounting of the encoder 10 can be accomplished by the use of an adapter part 255, which has a first connection means 257 and a second connection means 259.
  • the first connecting means 257 is preferably used to Adapter part 255 with respect to the shaft centric to the motor 243 and can for example consist of screws.
  • the second connection means 259 is advantageously a snap connection 259, which is formed, for example, by one or more projections 261 and one or more depressions 263. Projections 261 and depressions 263 can be arranged on the housing (in particular on the housing inner wall) and / or on the adapter part 255. Preferably, it is a detachable connection.
  • the housing 143 has an assembly bearing 265 into which the code disk 155 and / or a receptacle 267 connected to the code disk 155 can be accommodated for a shaft. The latter, because the code disk 155 and the
  • Shaft receptacle 267 may be formed either in one piece, which is preferred, or may just represent interconnected items.
  • the assembly bearing 265 has the function of keeping the code disk centric to the housing during the assembly process.
  • the bearing itself may be a ball bearing or a slide bearing made of Teflon, the latter being preferred, since the rotation of the motor shaft is not loaded by such a bearing.
  • the function of the mounting bearing is to ensure an accurate alignment of the code disk and the sensor head (see axis 22 in Figure 1).
  • the bearing material Teflon has the advantage of a low coefficient of friction and a particularly pronounced creep behavior, whereby the bearing function in the assembled state is lost over time. This is desirable insofar as the assembly warehouse should lose its storage function after assembly, so that the existing storage system learns no additional adverse burden.
  • a rigid bearing e.g., ball bearing
  • the radius of the code disk 155 is preferably smaller than the radius of the circuit board 251.
  • the code disk 155 can be made smaller and it remains space eg for the below-mentioned cable or the indentation 273.
  • the housing 143 and / or the printed circuit board 251 and / or the code disk 155 and / or the connecting means 253 and / or 259 are preferably made of plastic. A particularly compact design is also achieved when the
  • This opening 269 is advantageously arranged on the side facing away from the code disk 155 side of the sensor head 11 and / or the circuit board 251.
  • the contacting can thus be done on the underside of the sensor head 11 or - when the sensor head 11 is contacted via the printed circuit board 251 - on the underside of the printed circuit board 251.
  • Said contacting can be accomplished via one or more cables 159, which pass through the opening 269 into the housing 143. It is preferable to a flat cable 159 as shown in the figures, with a Flexprint can be used.
  • the opening 269 therefore advantageously has an elongated shape and is preferably arranged substantially parallel to the code disk 155 and / or to the printed circuit board 251.
  • the flat cable 159 is also aligned accordingly. If the housing 143 on a side 245 has a recess 273, which adjoins the opening, this is particularly advantageous.
  • the indentation of the opening extends along the side 245 of the housing 143 to another side 247 or to an edge of the housing 143 or to an edge of the housing 143.
  • the indentation 273 can extend from the opening 269, for example, to the upper side 245 of the housing 143.
  • the cable 159 may thus be positioned in the recess 273.
  • the cable 159 is so preferably within the cylinder radius. Furthermore, it is advantageous if the position measuring device, or the encoder 10 has one or more of the features, as described in other parts of this document. In particular, the design of the sensor head 11 and the dimensional standard may be mentioned.
  • a dimensional scale preferably has at least two tracks, one track being an incremental track, and a second track preferably being either an index track or a coded track, as described in this document.
  • Fig. 17 together form a device component which can be checked or tested at the factory prior to delivery. Together with the connecting means 255 (see Fig. 15), said device component forms an assembly kit which can be attached, for example, to a motor without any special effort.
  • FIG. 18 shows an advantageous connection technique for attaching a code disk 155 to a shaft 157.
  • the code disk has a through hole 272 having a specific shape, for example, a cylindrical shape having preferably 3 (or more) flat portions 271.
  • the code disk is centered on the shaft 157 by inserting the shaft 157 into the through hole 272.
  • Fabric code disc on a metal shaft is not so easy considering the requirements for concentricity and interference fit. Excessive interference can cause the plastic disc to break. This can also happen only after a certain period of time, that is, for example, several months after assembly.
  • the run-out tolerance directly affects the quality of the encoder function. This arrangement is particularly advantageous for the toolmaker. Thus, he can accurately adjust the centering of the parts by flat grinding on the tool punch.
  • the free spaces or channels 275 provide space for adhesive, which in combination with a very slight press fit can avoid the risk of cracks and ensures a secure connection between the two parts.
  • Remaining area i.e., without areas 107 and 1028

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Positionsmessvorrichtung, insbesondere Encoder, mit - mindestens einer Maßverkörperung mit einer optischen Struktur, vorzugsweise einer Anordnung von 3-D Reflektoren, - wenigstens einem im Abstand von der Maßverkörperung angeordneten Lichtempfänger, - einer im Abstand von der Maßverkörperung und im Abstand vom Lichtempfänger angeordneten Lichtquelle, und - mindestens einem zwischen der Maßverkörperung und dem Lichtempfänger vorhandenen transparenten Substrat, wobei der Lichtempfänger auf der der Maßverkörperung abgewandten Seite des Substrats in Gestalt eines Dünnschichtaufbaus bestehend aus mehreren übereinander angeordneten Schichten direkt auf das transparente Substrat abgeschieden ist, dadurch gekennzeichnet, - dass eine Trägerplatte mit Leiterbahnen vorgesehen ist, auf welcher das Substrat angeordnet ist, wobei das transparente Substrat und die Trägerplatte durch Flip-Chip Montage fest miteinander verbunden sind, - dass die Massverkörperung zwei oder mehr Spuren mit optischen Elementen aufweist, wobei eine erste Spur der Erzeugung eines inkrementalen Signals dient, und - dass der Lichtempfänger als Sensorbereich ausgebildet ist, bestehend jeweils aus einer Mehrzahl von Lichtempfängerelementen, wobei wenigstens ein erster und ein zweiter Sensorbereich vorgesehen sind, wobei der erste Sensorbereich dazu ausgebildet ist, zur Erzeugung eines inkrementalen Signals mit der ersten Spur zusammenzuwirken und wobei der zweite Sensorbereich dazu ausgebildet ist, mit einer zweiten Spur zusammenzuwirken, bei der es sich um eine codierte Spur handelt.

Description

Positionsmessvorrichtung und Verfahren zur Ermittlung einer absoluten Position
Die Erfindung betrifft eine Positionsmessvorrichtung gemäss Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Ermittlung der absoluten Position eines beweglichen Teils gemäss Oberbegriff von Anspruch 8.
Stand der Technik
Aus der US Patentanmeldung Nr. 2006/0007541 ist ein Sensorkopf eines mit reflektiertem Licht arbeitenden Sensors bekannt. Dieser Sensorkopf besitzt eine Lichtquelle, welche einen Lichtstrahl auf eine Massverkörperung projiziert, und zwei Halbleitersubstrate. Die Halbleitersubstrate umfassen jeweils Photodetektoren, um Licht zu detektieren, welches durch die Massverkörperung reflektiert wird. Lichtquelle und Halbleitersubstrate sind in einem
schachtelartigen Gehäuse angeordnet, wobei die Lichtquelle am Boden des Gehäuses und die Halbleitersubstrate am Deckel, mit welchem das Gehäuse verschliessbar ist, angeordnet und befestigt sind. Die Halbleitersubstrate sind mittels Wende - Montage am Deckel festgemacht. Die Halbleitersubstrate mit den Photodetektoren sind einander gegenüberliegend auf beiden Seiten der Lichtquelle in einer Richtung angeordnet, welche senkrecht zur Bewegungsrichtung der Massverkörperung steht. Jedes
Halbleitersubstrat besitzt eine elektrische Schaltung, und die elektrischen Schaltungen beider Halbleitersubstrate sind miteinander durch elektrische Leitungen verbunden, welche auf der Unterseite des Deckels ausgebildet sind. Strom- Spannungswandler sind direkt auf den Halbleitersubstraten ausgebildet, um Störeinflüsse möglichst gering zu halten.
Ein Nachteil des vorbekannten Sensorkopfes ist dessen aufwendige Herstellung. Dabei müssen zuerst die
Halbleitersubstrate hergestellt und danach am Gehäusedeckel befestigt werden. Dann wird die Lichtquelle am Boden des Gehäuses angeordnet und befestigt. Zuletzt wird der Deckel auf dem Gehäuse so angebracht, dass die Lichtquelle zum Halbleitersubstrat korrekt ausgerichtet ist. Dies muss mit der erforderlichen Präzision erfolgen, damit bei der relativen Bewegung der Massverkörperung Signale (insbesondere die durch das Sensorsystem
aufzuarbeitenden Analogsignale) einer ausreichenden Qualität erhalten werden können, so dass der Encoder einwandfrei funktioniert. Auch ist die Herstellung der elektrischen Verbindungen zu den beiden Halbleitersubstraten kompliziert und aufwendig. Bei einer solchen Anordnung ist eine Miniaturisierung des Sensorkopfs nicht ohne Verlust an Signalqualität realisierbar.
Aufgabe:
Die Vorrichtung soll in ihren Abmessungen möglichst kompakt sein, damit sie sich für den Bau von kleinen Encodern eignet. Trotz der sehr kompakten Bauform soll sie jedoch in der Lage sein, eine genaue Bestimmung der absoluten Position (auch in Ruheposition) zu ermöglichen, was voraussetzt, dass ein qualitativ gutes Grundsignal erzeugt wird. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Positionsmessvorrichtung bereitzustellen, welche
BESTÄTIGUNGSKOPIE kostengünstig herzustellen ist. Die Konstruktion der Vorrichtung soll sie darüber hinaus gegen Umwelteinflüsse unempfindlich machen. Sie soll zudem einen geringen Energiebedarf aufweisen, d.h. für den Betrieb mit Batterien geeignet sein. Beschreibung:
Die oben genannte Aufgabe wird durch eine Positionsmessvorrichtung gemäss Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 8 gelöst.
Durch den Einsatz einer Massverkörperung mit optischen Elementen, die die gesamte auf die einzelnen Teilungen fallende Lichtenergie für die Bildung des Grundsignals zur Verfügung stellen, und durch die kompakte Bauform des Sensorkopfs, welche kurze Lichtwege zwischen Lichtquelle und Lichtempfänger schafft, ist ein sparsamer Umgang mit der Lichtenergie ermöglicht.
Die Funktion des Sensorkopfs ist durch einen Lithographieschritt festgelegt, durch den eine Lichtquelle und Lichtempfängerelemente und auf dem Glassubstrat gebildet werden. Im FlipChip Verfahren wird das Glassubstrat auf der Trägerplatte angeordnet. Die Lichtempfängerelemente werden über Stud-Bumps und Leiterbahnen direkt mit einer auf der Rückseite der Trägerplatte angeordneten Auswerteschaltung verbunden.
Um gute Grundsignale zu erzeugen, ist eine spezielle Anordnung der Lichtempfängerelemente vorgesehen. Diese werden nach dem Muster A+b-a-B+ aneinandergereiht. Eine sorgfältige Gestaltung der Lichtempfänger ist notwendig für eine korrekte Verteilung der Schwerpunkte der Lichtempfängerelemente. Zudem spielt die spezielle Formgebung eine entscheidende Rolle.
Eine kompakte Bauform wird durch die Verwendung der FlipChip-Montage und weitere Vorkehrungen ermöglicht. Dies sind z.B. die Wahl der metallischen Oberschicht der Lichtempfängerelementen, die Verwendung von Stud- Bumps für eine stabile elektrische Verbindung (für ein stabiles Grundsignal) und die Verwendung einer Klebtechnik, wobei eine eher ungewöhnlicher Permanentresist ein sicheres Kleben erlaubt. Es ist bei dieser Konstruktionsweise möglich, bei niedrigen Temperaturen zu arbeiten, was die Lichtempfänger schont.
Dank dieser Vorkehrungen wird es möglich einen 3-Kanal-Absolutencoder mit einem Durchmesser von 4 bis 20 mm zu bauen. Dank der optimalen Gestaltung der Lichtgänge können solche Encoder mit einem Strombedarf von weniger als 3 oder sogar 1 mA funktionieren und höhe Auflösungen zu einem angemessenen Preis erreichen. Ein Aspekt der Erfindung liegt darin, dass der sehr kleine Sensorkopf auf einem beweglichen Teil, z.B. einem Hebel, montiert ist, was die Ermittlung der absoluten Position z.B. einer Motorwelle in ihrer Ruheposition ermöglicht.
Nachfolgend werden Ausgestaltungsformen der Positionsmessvorrichtung beschrieben, wobei die genannten bevorzugten Merkmale - soweit sie sich nicht ausschliessen - in beliebiger Kombination verwirklicht sein können.
Weiterhin ist eine Positionsmessvorrichtung (insbesondere ein Encoder) dann besonders bevorzugt, wenn sie - insbesondere in Kombination mit einem oder mehreren der in diesem Dokument genannten Merkmale - folgende Komponenten aufweist:
- einen Support,
- einen am Support angeordneten Sensorkopf mit einer Lichtquelle und einem Lichtempfängerelement,
- eine relativ zum Sensorkopf bewegliche Massverkörperung mit optischen Elementen, die an einen beweglichen Teil einer Vorrichtung, beispielsweise eines Motors, montierbar ist und mit dem Sensorkopf für die Ermittlung eines absoluten Positionswertes zusammenwirken kann,
wobei der Sensorkopf am Support beweglich angeordnet ist, und Mittel vorgesehen sind, um den Sensorkopf relativ zum Support um ein bestimmtes Mass zu verschieben.
Die bewegliche Anordnung des Sensorkopfes am Support hat den Vorteil, dass sich die absolute Position eines beweglichen Teils, z.B. einer Welle oder eines anderen Maschinenteils, in dessen Ruheposition ermitteln lässt. Somit kann beim Maschinenstart die absolute Position des Maschinenteils in kürzester Zeit bestimmt werden, ohne dass eine Bewegung des Maschinenteils selbst notwendig wäre, um z.B. zuerst eine Referenzmarke anzufahren. Hinzu kommt, dass sich in Kombination mit einem weiter unten beschriebenen kompakten Sensorkopf Produkte entwickeln lassen, die wesentlich kleiner und kostengünstiger als aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtungen dieser Art sind.
Vorzugsweise zeichnet sich die Positionsmessvorrichtung dadurch aus, dass die Verschiebemittel zum Bewegen des Sensorkopfes durch einen Motor gebildet sind, welcher in einer Wirkverbindung mit dem Sensorkopf ist.
Weiterhin kann es bevorzugt sein, wenn bei der genannten Positionsmessvorrichtung die Massverkörperung eine Codescheibe ist.
Offenbart sei zudem ein vorteilhaftes Verfahren zur Ermittlung der absoluten Position eines beweglichen Teils in der Ruheposition mit Hilfe einer Positionsmessvorrichtung, welche die Ermittlung der absoluten Position des Teils mit Hilfe einer relativ zu einem Sensorkopf beweglichen Massverkörperung erlaubt, die mit dem beweglichen Teil gekoppelt ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Ermittlung der absoluten Position des beweglichen Teils in der Ruheposition der Sensorkopf relativ zum beweglichen Teil verschoben wird.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltungsform handelt es sich um eine Positionsmessvorrichtung mit
- mindestens einer Maßverkörperung mit einer optischen Struktur, vorzugsweise einer Anordnung von 3-D
Reflektoren,
- einer im Abstand von der Maßverkörperung angeordneten Lichtquelle und
- wenigstens einem im Abstand von der Maßverkörperung angeordneten Lichtempfänger , sowie
- mindestens einem zwischen der Maßverkörperung und dem Lichtempfänger vorhandenen transparenten Substrat, - wobei auf der der Maßverkörperung abgewandten Seite des Substrats der Lichtempfänger in Gestalt eines Dünnschichtaufbaus bestehend aus mehreren übereinander angeordneten Schichten direkt auf das transparente Substrat abgeschieden ist,
- wobei im Abstand vom Lichtempfänger eine Lichtquelle vorgesehen ist, und
- wobei eine Trägerplatte vorgesehen ist, auf welcher das Substrat angeordnet ist.
Der Lichtempfänger hat also mit Vorteil die Gestalt eines Dünnschichtsensors. In den erwähnten Schichten ist eine Aussparung für eine Lichtquelle vorgesehen. Die Lichtquelle wird vorzugsweise so ausgebildet, dass sie mit den Prozessen zur Herstellung der Sensoren (Lichtempfängerelemente) mit gefertigt wird, so dass die Abmessungen und Position der Lichtempfänger und der Lichtquelle durch eine Lithographiemaske vorgegeben sind. Dabei kann die Lichtquelle durch eine Blende und eine LED oder durch eine direkt auf dem Substrat abgeschiedene OLED gebildet sein. Im Unterschied zum eingangs beschriebenen Stand der Technik sind somit keine weiteren Justierarbeiten notwendig, was die Herstellung der Positionsmessvorrichtung wesentlich vereinfacht, aber auch zuverlässiger macht. Die Lichtquelle ist vorzugsweise hinter einer in den erwähnten Schichten ausgeätzten Aussparung oder Blende angeordnet.
Weiterhin kann eine Auswerteschaltung vorgesehen sein, die auf der Trägerplatte angeordnet ist.
Bevorzugt weist die Trägerplatte auf beiden Flachseiten Leiterbahnen auf, einerseits für die Kontaktierung mit dem Lichtempfänger und andererseits für die Kontaktierung einer Auswerteschaltung. Darüber hinaus ist es von Vorteil, wenn die Trägerplatte Anschlüsse zum Anschluss der Positionsmessvorrichtung an ein externes Anzeigegerät aufweist.
Das transparente Substrat und die Trägerplatte sind mit Vorteil durch Flip-Chip Montage fest miteinander verbunden. Gemäss einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Lichtempfänger mit einer metallischen Deckschicht, vorzugsweise aus Aluminium, kontaktiert. Das elektrisch leitende Metall ist vorzugsweise Aluminium, welches bevorzugt mit 1 bis 5 % Titan legiert ist. Darüber hinaus ist es wünschenswert, wenn die elektrische Verbindung zwischen der leitenden Deckschicht und den Leiterbahnen der Trägerplatte mittels Lotkugeln, sogenannten„Bumps" oder„stud-bumps", hergestellt sind. Die Verbindung zwischen der metallischen Deckschicht oder den Bumps einerseits und der Trägerplatte andererseits ist vorzugsweise mittels eines elektrisch leitenden Klebstoffs hergestellt. Gemäss einer weiteren Variante der Erfindung ist zwischen der Trägerplatte und dem Substrat ein Permanentresist zur Begrenzung der Ausdehnung des Klebstoffs vorgesehen.
Der Dünnschichtsensor ist gemäss einer bevorzugten Ausgestaltungsform gebildet durch
- eine transparente, leitende Schicht, vorzugsweise eine transparente, leitende Oxid-Schicht (= TCO- Schicht), - eine erste dotierte Schicht,
- eine intrinsische Schicht, vorzugsweise eine amorphe Siliziumschicht,
- eine zweite dotierte Schicht sowie
- eine elektrisch leitende, metallische Deckschicht,
wobei die Schichten vorzugsweise in der angegebenen Reihenfolge vorliegen.
In vorteilhafter Weise wird zur Herstellung eines strukturierten Sensorbereiches bereichsweise die Aluminiumschicht, die oberste dotierte Schicht und vorzugsweise zumindest ein Teil der intrinsischen Schicht weggeätzt.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann sich auch dadurch auszeichnen, dass der Lichtempfänger als
Sensorbereich ausgebildet ist bestehend jeweils aus einer Mehrzahl von Lichtempfängerelementen, welche elektrisch miteinander verbunden sind. Vorteilhafterweise sind bei der Vorrichtung wenigstens ein erster und ein zweiter Sensorbereich vorgesehen, welche Bereiche einer Massverkörperung mit einer inkrementalen Spur sowie einer Indexspur oder einer Absolutspur zugeordnet sind.
Der erste Sensorbereich weist bevorzugt erste und zweite Lichtempfängerelemente auf, welche ineinander verschachtelt sind. Weiterhin kann es von Vorteil sein, wenn die ersten und zweiten Lichtempfängerelemente eine ungefähr U-förmige Gestalt haben. Der geometrische Schwerpunkt der ersten und zweiten Lichtempfängerelementen des ersten Sensorbereiches sollten bevorzugt ungefähr auf einer Geraden liegen. Es kann auch vorgesehen sein, dass der erste Sensorbereich jeweils durch eine Mehrzahl von vorzugsweise streifenförmig ausgebildeten
Lichtempfängerelementen gebildet ist, welche Lichtempfängerelemente in einem Winkel von vorzugsweise zwischen 0.5 und 15 Grad zueinander und in einer bestimmten Richtung hintereinander angeordnet sind. Die geraden und die (in Bezug auf deren Abfolge) ungeraden Lichtempfängerelemente können dabei jeweils elektrisch leitend miteinander verbunden sein. Nach einer weiteren Ausgestaltungsform der Vorrichtung sind die ersten und/oder die zweiten Lichtempfängerelemente durch eine zusätzlich aufgebrachte, elektrisch leitende Schicht miteinander verbunden, wobei zwischen der Metallschicht und der zusätzlichen, leitenden Schicht eine Isolationsschicht vorgesehen ist. Die ersten und zweiten Lichtempfängerelemente des ersten Sensorbereichs sind bevorzugt so angeordnet, dass zwei um 180 Grad verschobene, alternierende Signale in der Reihenfolge„AbaB" erhalten werden.
Die genannte Vorrichtung kann sich weiter dadurch auszeichnen, dass der zweite Sensorbereich für die Erzeugung eines Indexes vorgesehen ist und ein streifenförmiges, erstes Lichtempfängerelement sowie zwei in einem Winkel vom ersten Lichtempfängerelement abstehende zweiten Lichtempfängerelemente gebildet sind. Der geometrische Schwerpunkt der Fläche des ersten Lichtempfängerelements und der Fläche der beiden zweiten
Lichtempfängerelemente des zweiten Sensorbereiches fallen vorteilhafterweise im Wesentlichen zusammen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemässen Vorrichtung weist die Massverkörperung zwei Spuren mit optischen Elementen auf, wobei eine erste Spur der Erzeugung eines inkrementalen Signals und die zweite Spur der Ermittlung einer Positionszahl oder eines Indexsignals dient.
Einige bevorzugte Merkmale betreffend die Lichtquelle, welche einzeln oder in Kombination verwirklicht sein können, sind die folgenden: Die Lichtquelle kann hinter dem Substrat angeordnet sein. Ausserdem ist es vorteilhaft, wenn es sich bei der Lichtquelle um eine LED handelt. Weiterhin kann die Lichtquelle im Wesentlichen in derselben Ebene wie die Lichtempfänger angeordnet sein. Wünschenswerterweise ist die Lichtquelle, vorzugsweise eine OLED, direkt auf dem Substrat zwischen den Lichtempfängern ausgebildet. Gemäss einer weiteren Ausgestaltung ist die Lichtquelle in einer metallischen Schicht eingebettet, sodass Streulicht abgehalten werden kann. Es kann auch ein Luftspalt im Lichtgang zwischen Lichtquelle und Substrat vorhanden sein.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der vorliegenden Erfindung ist die Auswerteschaltung auf der anderen Seite (d.h. auf der von den Lichtempfängern und/oder der Lichtquelle abgewandten Seite) der Trägerplatte in Gestalt einer integrierten Schaltung zur Verarbeitung der Lichtempfänger-Signale (vorzugsweise im Flip-Chip- Verfahren) angeordnet, wobei die Lichtempfänger mit der integrierten Schaltung elektrisch verbunden sind.
Die genannte Trägerplatte besteht vorzugsweise aus Keramik oder aus Kunststoff (z.B. Polyimid). Nach einer weiteren Variante kann die Trägerplatte aus Kunststofffolie, vorzugsweise Polyimidfolie, hergestellt sein.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Sensorkopfes für eine Positionsmessvorrichtung kann dann besonders vorteilhaft sein, wenn es folgende Verfahrensschritte aufweist:
a) Aufbringen einer Vielzahl von Gruppen von Lichtempfängern auf ein transparentes Substrat in einem
Dünnschichtverfahren, welche Gruppen von Lichtempfängern jeweils der Herstellung eines einzelnen Sensorkopfes dienen,
b) Vorsehen jeweils einer Blende für eine Gruppe von Lichtempfängem,
c) Aufbringen von Kontaktstellen auf die Lichtempfänger, vorzugsweise in Gestalt von Kugeln, sogenannten„bumps" oder„stud bumps", welche aus Lot oder besser noch aus Gold gefertigt sind, und durch einen Elektrolyse-Prozess aufgebracht werden können (z.B. direkt auf nackte Al-Pads),
d) Bereitstellen einer Trägerplatte mit Leiterbahnen oder Kontaktstellen, welche mit den Kontaktstellen der
Lichtempfänger übereinstimmen, und
e) Verbinden des Glassubstrats und der Trägerplatte unter Verwendung eines elektrisch leitenden Klebers.
Das Aufbringen von Kontaktstellen kann auch in Gestalt von Goldkugeln, sogenannten„stud-bumps" erfolgen, oder in
Gestalt von GoWabscheidungen oder Gold-/Nickel-Abscheidungen.
Vorgängig kann auf die Trägerplatte eine elektrisch nicht-leitende Schicht aufgebracht werden, welche Aussparungen hat, die mit den Kontaktstellen der Lichtempfänger übereinstimmen. Die Aussparungen können dann mit dem elektrisch leitenden Kleber mindestens teilweise gefüllt werden.
Auf der Rückseite der Trägerplatte kann eine Auswerteschaltung aufgebracht werden.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn ein Teil der vorhandenen Zwischenräume zwischen Glassubstrat und Trägerplatte mit einem Underfill ausgefüllt werden.
Bei der Massverkörperung handelt es sich vorzugsweise um eine Codescheibe bzw. ist eine Codescheibe vorgesehen, die eine genannte Massverkörperung aufweist.
Weiterhin ist eine Positionsmessvorrichtung, dann besonders bevorzugt, wenn er - insbesondere in Kombination mit einem oder mehreren der oben genannten Merkmale - folgende Komponenten aufweist:
- ein Gehäuse,
- einen im Gehäuse angeordneten Sensorkopf mit einer Lichtquelle und einem Lichtempfängerelement,
- eine rotierbare Codescheibe, die an einer Welle einer Vorrichtung, vorzugsweise eines Motors, montierbar ist,
- eine im Abstand vom Sensorkopf vorgesehene, reflektive Massverkörperung mit optischen Elementen, welche Massverkörperung auf der Codescheibe angeordnet ist, wobei die Massverkörperung mit Vorteil auf derjenigen Seite der Codescheibe angeordnet ist, welche vom Gehäuse abgewandt ist.
Der Sensorkopf ist bevorzugt auf einer Leiterplatte montiert, welche formschlüssig mit dem Gehäuse verbunden ist, vorzugsweise über eine Schnappverbindung.
Darüber hinaus ist es wünschenswert, wenn die Positionsmessvorrichtung ein Adapterteil aufweist, welches - ein erstes Verbindungsmittel zum Verbinden mit der Vomchtung und
- ein zweites Verbindungsmittel zum formschlüssigen Verbinden mit dem Gehäuse aufweist, wobei es sich beim zweiten Verbindungsmittel um eine Schnappverbindung handelt,
- wobei die Schnappverbindung durch ein oder mehrere Vorsprünge am Adapterteil und ein oder mehrere
Vertiefungen am Gehäuse gebildet ist.
Das Gehäuse weist mit Vorteil ein Montagelager auf, in welches die Codescheibe und/oder eine mit der Codescheibe verbundene Aufnahme für eine Welle aufgenommen ist. Beim Montagelager kann es sich beispielsweise um ein Kugellager und insbesondere um ein Teflonlager handeln.
Die Kontaktierung des Sensorkopfs erfolgt gemäss einer bevorzugten Ausgestaltung über eine seitliche Öffnung im Gehäuse, wobei die Öffnung auf der der Codescheibe abgewandten Seite des Sensorkopfs angeordnet ist. Die Kontaktierung kann über ein oder mehrere Kabel erfolgen, welche durch die Öffnung verlaufen, wobei es sich dabei vorzugsweise um Flachkabel und insbesondere um ein Flexprint handelt.
Weiterhin kann es von Vorteil sein, wenn das Gehäuse auf der Seite eine Einbuchtung aufweist, welche sich an die Öffnung anschliesst, wobei sich die Einbuchtung vorzugsweise von der Öffnung entlang der Seite bis zu einer anderen Seite oder einem Rand oder einer Kante des Gehäuses erstreckt und/oder wobei sich die Einbuchtung vorzugsweise von der Öffnung bis zur Oberseite des Gehäuses erstreckt.
Eine ebenfalls bevorzugte Ausgestaltungsvariante sieht vor, dass die Massverkörperung mindestens zwei Spuren aufweist, wobei es sich bei einer Spur um eine Inkrementalspur handelt und wobei es sich bei einer zweiten Spur vorzugsweise entweder um eine Indexspur oder eine Codespur handelt. Eine Positionsmessvorrichtung (vorzugsweise ein Encoder) kann - insbesondere in Verbindung mit einem oder mehreren der genannten Merkmale - folgende Komponenten aufweisen:
a) ein Gehäuse,
b) ein im Gehäuse angeordneter Sensorkopf mit einem oder mehreren Lichtempfängerelementen, und
c) eine im Abstand vom Sensorkopf vorgesehene, rotierbare Massverkörperung mit optischen Elementen. Die Massverkörperung ist vorzugsweise auf einer Codescheibe angeordnet, die an einer Welle eines Motors oder einer anderen Vorrichtung montiert sein kann.
Das Lichtempfängerelement ist dabei in einer definierten bzw. vorbestimmten Position relativ zu den optischen Elementen angeordnet und wirkt mit diesen zur Erzeugung eines Signals zusammen. Erfindungsgemäss ist die genannte definierte Position des Lichtempfängerelements relativ zu den optischen Elementen durch einen
Sensorkopfhalter festgelegt, welcher mit dem Sensorkopf formschlüssig zusammenwirkt. Bevorzugt wirkt der Sensorkopfhalter auch mit dem Gehäuse formschlüssig zusammen. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn das Gehäuse in einer definierten Position relativ zur Massverkörperung und/oder zu den optischen Elementen angeordnet ist.
In diesem Fall kann es sich beim Sensorkopfhalter um den beschriebenen Träger handeln, auf welchem der Sensorkopf angeordnet ist und welcher zwecks Bewegen des Sensorkopfes in Wirkverbindung mit einem Motor steht. Der Begriff„Position" bezieht sich in diesem Dokument vorzugsweise auf den Abstand und/oder die Ausrichtung des angesprochenen Vorrichtungsteils, insbesondere relativ zu anderen Vorrichtungsteilen. Die Abweichung von den definierten Postionen ist mit Vorteil kleiner als 0,2 mm, vorzugsweise kleiner als 0,1 mm und besonders bevorzugt kleiner als 0,05 oder 0,02 mm. Das bedeutet, die entsprechenden Vorrichtungsteile sind mit der genannten
Genauigkeit gefertigt.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung zeichnet sich die Positionsmessvorrichtung dadurch aus, dass das
Lichtempfängerelement auf einem Substrat angeordnet ist, dessen Rand mit dem Sensorkopfhalter formschlüssig zusammenwirkt. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn das Lichtempfängerelement mittels eines Dünnschichtverfahrens auf das Substrat aufgebracht ist. Beim Substrat handelt es sich mit Vorteil um ein transparentes Substrat und besonders bevorzugt um ein Glassubstrat.
Wenn das Lichtempfängerelement bzw. die Lichtempfängerelemente auf einem Substrat angebracht werden, dann kann bereits beim Herstellungsverfahren die exakte Position der Lichtempfängerelemente relativ zum Rand des Substrats und damit zu einem Teil des Sensorkopfs festgelegt werden. Besonders leicht lassen sich
Lichtempfängerelemente mittels Dünnschichtverfahren aufbringen. Dabei wird eine Substratplatte mit einer Vielzahl an Lichtempfängerelementen versehen und anschliessend in kleinere Einheiten (Substrate) zerteilt. Dieses Zerteilen kann sehr exakt durchgeführt werden, z.B. durch Sägen der Substratplatte. Dadurch ergibt sich eine definierte
Position der Lichtempfängerelemente relativ zum Rand der Substrate, also dem Ort an dem die Teilung stattgefunden hat.
Es ist von Vorteil, wenn der Sensorkopfhalter ein erstes Strukturelement aufweist, welches formschlüssig mit dem Sensorkopf zusammenwirkt, wobei es sich beim ersten Strukturelement vorzugsweise um eine Öffnung handelt. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Sensorkopfhalter ein zweites Strukturelement aufweist, welches formschlüssig mit dem Gehäuse zusammenwirkt, wobei es sich beim zweiten Strukturelement vorzugsweise um den Rand des Sensorkopfhalters handelt. Das erste Strukturelement ist dabei mit Vorteil in einer definierten Position relativ zum zweiten Strukturelement angeordnet. Das erste Strukturelement kann nun formschlüssig mit dem Rand des Substrats zusammenwirken.
Das heisst, die Position der Lichtempfängerelemente relativ zu den optischen Elementen auf der Mass Verkörperung wird vorzugsweise über mehrere, in ihren Abmessungen aufeinander abgestimmte Vorrichtungsteile (Substrat, Sensorkopfhalter, Gehäuse, Massverkörperung) festgelegt. Der Vorteil besteht darin, dass eine mechanische Justierung beim Zusammenbau entfällt. Der Sensorkopfhalter wirkt also gleichsam als Adapter. Der Sensorkopfhalter kann als Teil des Gehäuses und/oder des weiter unten genannten Deckels ausgeführt sein. Es ist jedoch bevorzugt, wenn der Sensorkopfhalter als separates Vorrichtungsteil ausgeführt ist, denn dadurch wird die Herstellung und Montage erleichtert.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Sensorkopfhalter zwischen der Massverkörperung und einem das Gehäuse verschliessenden Deckel angeordnet. Der Deckel steht dabei vorzugsweise in Kontakt mit dem Sensorkopfhalter und fixiert diesen bezüglich dessen Position im Gehäuse. Besonders bevorzugt ist es, wenn im Inneren des Gehäuses ein Rand vorgesehen ist, der eine Auflage für den Sensorkopfhalter bildet und wenn der Sensorkopfhalter zwischen dieser Auflage und dem Deckel fixiert ist.
Bei einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung einer Positionsmessvorrichtung, wird ein Sensorkopf, welcher ein oder mehrere Lichtempfängerelemente aufweist, formschlüssig mit einem Sensorkopfhalter verbunden. Der Sensorkopfhalter wird formschlüssig mit einem Gehäuse verbunden. Der Sensorkopfhalter wird dabei vorzugsweise in das Gehäuse eingebracht bzw. eingesetzt. Das Gehäuse wird in einer vorbestimmten bzw. definierten Position relativ zu einer Massverkörperung angeordnet, wobei die Massverkörperung rotierbar ist und optische Elemente aufweist. Dabei sind bzw. werden das Gehäuse, der Sensorkopfhalter und der Sensorkopf so gestaltet werden, dass ihr formschlüssiges Zusammenwirken eine definierte Position des Lichtempfängerelements relativ zu den optischen Elementen festlegt.
Weiterhin kann es von Vorteil sein, wenn beim genannten Verfahren
- das Lichtempfängerelement auf ein Substrat aufgebracht wird,
- der Rand des Substrats mit dem Sensorkopfhalter formschlüssig zusammenwirkt, wenn der Sensorkopf mit dem Sensorkopfhalter verbunden wird,
- das Lichtempfängerelement vorzugsweise mittels eines Dünnschichtverfahrens auf das Substrat aufgebracht wird, und
- es sich beim Substrat vorzugsweise um ein transparentes Substrat und besonders bevorzugt um ein Glassubstrat handelt.
Auch kann es wünschenswert sein, wenn beim erwähnten Verfahren
- der Sensorkopfhalter mit einem erstes Strukturelement ausgebildet wird, welches formschlüssig mit dem Sensorkopf zusammenwirkt, wenn der Sensorkopf mit dem Sensorkopfhalter verbunden wird, wobei es sich beim ersten
Strukturelement vorzugsweise um eine (vorzugsweise durchgehenden) Öffnung handelt, und
- der Sensorkopfhalter mit einem zweiten Strukturelement ausgebildet wird, welches formschlüssig mit dem Gehäuse zusammenwirkt, wenn der Sensorkopfhalter mit dem Gehäuse verbunden wird, wobei es sich beim zweiten
Strukturelement vorzugsweise um den Rand des Sensorkopfhalters handelt, und
- das erste Strukturelement in einer definierten Position relativ zum zweiten Strukturelement ausgebildet wird.
Schliesslich ist es auch wünschenswert, wenn beim Verfahren
- der Sensorkopfhalter im Abstand zur Massverkörperung in das Gehäuse eingesetzt und formschlüssig mit dem Gehäuse verbunden wird,
- auf der der Massverkörperung abgewandten Seite des Sensorkopfhalters das Gehäuse durch einen Deckel verschlossen wird, und - der Deckel vorzugsweise in Kontakt mit dem Sensorkopfhalter gebracht wird,
- wobei es sich vorzugsweise beim Deckel und/oder beim Gehäuse und/oder beim Sensorkopfhalter um getrennte Vorrichtungsteile handelt. Dank der kompakten Konstruktion des Sensorkopfes ist es möglich, Drehgeber mit weiteren Eigenschaften zu fertigen, wie zum Beispiel Positionssensoren mit mehreren Sensorköpfen für die redundante Erfassung von
Positionswerten. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, sehr kompakte Absolutencoder zu bauen, die in der Maßverkörperung einen Manchester-Code oder ähnliche serielle Codes oder einen pseudorandom Code eingebaut haben.
Die genannten Codes können beispielsweise als Binär Codes ausgebildet sein. Durch die Aneinanderreihung von zwei in Bezug auf ihre optische Achse unterschiedlich ausgerichteten optischen Elementen, welche mit geeigneten Empfängerelementen zusammenwirken, können zwei unterschiedliche Zustände bzw. Signale erzeugt werden. Die genannten Signale bzw. Zustände können mit dem Inkrementsignal in Beziehung gesetzt werden. Die Ermittlung eines absoluten Positionswertes wird durch eine relative Bewegung zwischen Sensorkopf und Maßverkörperung möglich gemacht, bei der die Abfolge der optischen Elemente bestimmt wird.
Diese vorteilhaften Eigenschaften werden am besten erreicht, wenn die Maßverkörperung aus halbkreiszylindrischen Reflektoren gebildet ist und die Lichtquelle bestimmte Abmessungen hat. Dies setzt wiederum eine genaue Stellung der Lichtquelle über dem Lichtsensor voraus, um stabile und zuverlässige Signale zu erhalten. Die Bündelung der gesamten auf eine Teilung der Massverkörperung fallende Lichtmenge zusammen mit dem kompakten Sensorkopf machen es möglich, Positionsermittlungseinheiten zu bauen, die eine hohe Lichtausbeute und damit einen geringen Stromverbrauch haben, und die Funktion des Encoders mit weniger Lichtleistung gewährleisten. Die
erfindungsgemässe Positionsmessvorrichtungen ist somit für Batteriegeräte bestens einsetzbar.
Die Verwendung eines Dünnschichtaufbaus mit einer intrinsischen Schicht hat den Vorteil, dass zuverlässige Lichtempfänger mit einfachen Mitteln hergestellt werden können wegen der Anwesenheit einer an sich isolierenden Zwischenschicht. Diese Schichten weisen niedrige Dunkelströme auf und sind besonders geeignet für den Bau eines Sensorkopfes für einen Encoder, der mit wenig Strom arbeitet kann.
Die genannten Verfahren können als Verfahrensschritte auch die Verwendung einer oder mehrerer der genannten bevorzugten Merkmale der erfindungsgemässen Vorrichtung (oder die durch diese Merkmale ermöglichten
Funktionen) umfassen.
Vorteile nachfolgend beschriebener bevorzugter Ausgestaltungsformen der Positionsmessvorrichtung sind:
- Die Möglichkeit, eine Positionsmessvorrichtung kostengünstig in der gewünschten nötigen Präzision herzustellen,
- eine Positionsmessvorrichtung mit kleinsten Abmessungen, mit hoher Genauigkeit sowie Zuverlässigkeit zu bauen. Dies ist insbesondere im medizinischen Bereich bei optischen Untersuchungsgeräten von Vorteil, wo z.B. ein Spiegel exakt positioniert werden muss.
- eine Positionsmessvorrichtung bereit zu stellen, welche eine bestimmte Einbautoleranz toleriert und trotzdem eine zuverlässige Funktion gewährleisten kann und
- eine Positionsmessvorrichtung bereitzustellen, deren Konstruktion gegen Umwelteinflüsse unempfindlich ist.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung gehen aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche hervor. Figurenbeschreibunq: Die Erfindung wird anhand der Zeichnung und eines Ausführungsbeispiels näher im Detail erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 schematisch und in perspektivischer Ansicht den Prinzipaufbau eines Encoders, bestehend aus einem erfindungsgemäßen Sensorkopf und einer im Abstand vom Sensorkopf vorhandenen Maßverkörperung;
Fig. 2 schematisch den Aufbau des Sensorkopfes bestehend aus Glassubstrat mit darauf ausgebildeten
Sensorbereichen, einer Trägerplatte und einer Auswerteeinheit, welche jeweils im Flip-Chip- Montageverfahren miteinander verbunden sind;
Fig. 3 die einzelnen Verfahrensschritte zur Herstellung der Sensorbereiche und Kontaktierung derselben; ,
Fig. 4 die einzelnen Verfahrensschritte zur Auslegung der Lichtquelle;
Fig. 5 schematisch die Montage der Komponenten auf einem Wafersubstrat;
Fig. 6 im Schnitt ein praktisches Ausführungsbeispiel eines in einem Gehäuse angeordneten Encoders für
Kleinmotoren;
Fig. 7 schematisch, wie bei einer Relativbewegung von Empfängerelement und Maßverkörperung die vom
Empfängerelement registrierten Lichtintensitäten in ein Anatogsignal und nachfolgend in ein Digitalsignal für die Positionsbestimmung umgewandelt werden;
Fig. 8 schematisch die Erzeugung eines Indexsignals mit Hilfe eines einzelnen optischen Elements und zwei Empfängerelementen;
Fig. 9 schematisch die Erzeugung eines Positionssignals mit Hilfe zweier unterschiedlicher, optischer
Elemente, die nach einem Manchester-Code aneinandergereiht sind, und zwei
Empfängerelementen;
Fig. 10 eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Sensorkopfes mit einer Mehrzahl von Empfängerelementen mit einer Inkrementak und einer Indexspur;
Fig. 11 eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Sensorkopfes, bei welchem die Empfängerelemente mittels einer separaten Leiterbahn elektrisch verbunden sind;
Fig. 12 eine Ausführungsform der Erfindung mit einer Lichtquelle mit einer LED, die hinter einer Blende angeordnet ist, wobei die Blende die Abmessungen der Lichtquelle im Wesentlichen bestimmt;
eine Schaltung für eine optimale Zuordnung des durch die Maßverkörperung ausgebildeten
Indexsignals Zb;
Fig. 14 ein Ausführungsbeispiel eines Absolutencoders mit Kaltstart Positionsermittlung;
Fig. 15 eine perspektivische Ansicht eines Kit Encoders mit Motor;
Fig. 16 eine Rück- und Seitenansicht des Gehäuses mit horizontalem Kabel;
Fig. 17 eine Schnittdarstellung des Gehäuses des Kit Encoders
Fig. 18 eine bevorzugte Ausbildung der Wellenaufnahme.
Figur 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Encoder 10 umfassend einen Sensorkopf 11 und eine Maßverkörperung 13, die relativ zum Sensorkopf 11 in einer Richtung 15 bewegbar ist. Auf der Rückseite des Sensorkopfes 11 sind der erste und zweite Sensorbereich 29, 35 angeordnet, die im Abstand 40 zur Massverkörperung 13 liegen. Unter Maßverkörperung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Maßeinteilung oder Skala verstanden, welche auf einem Support oder Träger aufgebracht und geeignet ist, einen Lichtstrahl zu reflektieren und zu modulieren, wenn die Maßverkörperung relativ zum Sensorkopf bewegt wird. Eine solche Maßverkörperung kann die Gestalt einer kreisrunden Codescheibe oder eines länglichen Balkens besitzen. Die Maßverkörperung selbst besitzt eine Teilung, wobei jede Teilung per Definition geeignet ist, einen Lichtstrahl zu modulieren, wenn die Teilung durch den Lichtstrahl bewegt wird. Bekannt sind beispielsweise Strukturen, bei denen beispielsweise eine Hälfte der Teilung durchsichtig und die andere Hälfte opak ist. Vorteilhafterweise ist jede Teilung durch ein reflektives optisches Element repräsentiert, welches geeignet ist, einen Lichtstrahl zu bündeln (z.B. Hohlzylinder, Hohlspiegel). Denkbar ist jedoch auch der Einsatz von Gitterstrukturen, wobei deren Effizienz in der Lichtverarbeitung allerdings kleiner wäre als die von Spiegeln, durch welche der Lichtstrahl gebeugt wird.
Der gezeigte Sensorkopf 11 besteht im Wesentlichen aus einer Trägerplatte 17 und einem transparenten Substrat 19, auf dessen Rückseite, d.h. jener Seite, welche der Trägerplatte 17 zugewandt ist, eine Lichtquelle 21 und
Lichtempfängerelemente 23 angeordnet sind. Die Lichtquelle 21 sendet einen Lichtstrahl aus, dessen Hauptachse mit der Bezugsziffer 22 bezeichnet ist. Vorzugsweise wird eine Lichtquelle verwendet, welche Licht im sichtbaren Bereich ausstrahlt. Für ein besseres Lichtsignal mit einer kleineren Beugung wäre Licht mit einer Wellenlänge unterhalb von 630 nm, insbesondere 580 und 630 nm, oder unterhalb von 460 nm vorteilhaft. Die Maßverkörperung 13 enthält mindestens eine erste Spur 25 mit ersten optischen Elementen 27, welche mit einem ersten Sensorbereich 29 der Maßverkörperung 13 zusammenwirkt. Neben der ersten Spur 25 ist gemäss dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine zweite Spur 31 mit wenigstens einem einzelnen optischen Element 33 vorgesehen. Diese zweite Spur 31 wirkt mit einem zweiten Sensorbereich 35 des Sensorkopfes 11 zusammen. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind die optischen Elemente 27 der Maßverkörperung in einer Ebene angeordnet, welche im Wesentlichen parallel zu den Flachseiten 37 des Substrats ist. Dabei ist die Maßverkörperung 13 so relativ zum Substrat 19 angeordnet, dass die Spuren 25, 31 jeweils in einer zur Achse 22 des Lichtstrahls parallelen Richtung mit den Sensorbereichen 29,35 übereinstimmen.
Die optischen Elemente 27,33 sind als fokussierende Linsen oder Spiegel ausgebildet, welche auftreffendes Licht jeweils gebündelt auf den Sensorkopf 11 zurückwerfen. Gemäss dem gezeigten Ausführungsbeispiel besitzen die optischen Elemente 27,33 die Gestalt eines kreisförmigen Halbzylinders. Dabei dient die erste Spur 25 der
Erzeugung eines inkrementalen Positionssignals, und die zweite Spur 31 der Erzeugung eines Index-Signals, wie dies weiter unten noch näher beschrieben wird (Beschreibung zu den Figuren 7 und 8).
Die Stellung der Maßverkörperung relativ zum Sensorkopf (insbesondere der Abstand 40, vgl. Fig.1) ist üblicherweise mit einer Montagetoleranz behaftet, welche die Güte und Zuverlässigkeit des Messsignals direkt beeinflusst. Bei Montagetoleranz null sind die Flachseiten 37 des Substrats 19 parallel zu einer durch die Maßverkörperung 13 gehenden Ebene, und die Bewegungsrichtung 15 (entspricht einer Tangente an eine Kreisbahn im Falle einer auf einer Kreisscheibe vorgesehenen Maßverkörperung) verläuft rechwinklig zu einer Längsmittelachse 39, welche die Sensorbereiche 29,35 und die Lichtquelle 21 jeweils in zwei Abschnitte teilt. Abweichungen von der genauen relativen Ausrichtung von Maßverkörperung 13 und Substrat 19 , welche in Figur 1 durch Pfeil 41 angedeutet sind, können die Positionssignale 104 aus den beiden Spuren 25 und 31 gegeneinander verschieben (siehe weiter unten Beschreibung zu Fig. 10 ). Bei null Toleranz wird die Mittellinie 43 der Maßverkörperung im Wesentlichen parallel zu einer durch das Zentrum der Lichtquelle 21 gehenden Achse 45 verlaufen, sofern die Sensorbereiche 29,35 symmetrisch zum Zentrum der Lichtquelle angeordnet sind. Bei null Toleranz des Abstands zwischen
Maßverkörperung 13 und Sensorkopf 11 ist der Nennabstand vor allem durch die Ausführung der optischen Elemente 27,33 der Maßverkörperung 13 bestimmt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind fokussierende optische Elemente und insbesondere dreidimensionale (3D-) Reflektoren besonders bevorzugt, weil diese bezüglich einer Variation des Abstandes zwischen Maßverkörperung 13 und Substrat 19 besonders tolerant sind. Mit dieser Anordnung lassen sich 3-Kanal Encoder mit der Breite einer Teilung von 18 pm bis 150 pm realisieren. Bei einem Encoder mit einem Gehäusedurchmesser von etwa 20 mm entspricht dies z.B. einer Anzahl Striche auf der Codescheibe von 360 bis 3000 und bei einem Encoder mit einem Gehäusedurchmesser von etwa 6 mm entspräche dies einer Anzahl Striche von 64 bis 380 (ein Strich kann z.B. durch ein optisches Element bzw. eine Teilung definiert sein).
Der erfindungsgemäße Sensorkopf 11 gemäss Figur 2 umfasst das Substrat 19 mit den ersten und zweiten
Sensorbereichen 29,35, die Trägerplatte 17 und eine auf der Trägerplatte 17 aufgebrachte Auswerteeinheit 47. Substrat 19, Trägerplatte 17 und Auswerteeinheit 47 sind mittels Klebstoff und Underfill mechanisch fest miteinander verbunden und gegenüber der Umgebung abgedichtet. Die Lichtquelle 21 ist vorzugsweise eine LED, die hinter einer Blende angeordnet ist, welche die Abmessung der Lichtquelle definiert. Von Bedeutung für die vorliegende Erfindung ist, dass die Sensorbereiche 29,35 in einem mehrstufigen Dünnschichtprozess direkt auf dem Substrat abgeschieden sind, durch welchen die Sensoren und die Blende 49 in vorzugsweise einem Ätzverfahren ausgebildet werden. Dieses Herstellverfahren hat den Vorteil, dass die Relation zwischen Blende 49 und Sensorbereichen 29,35 sehr präzis festgelegt werden kann, so dass diese in einer Ätzstufe gemäss Fig. 3b und Fig. 4b ausgebildet werden können.
Die elektrische Verbindung zwischen den ersten und zweiten Sensorbereichen 29,35 und der Trägerplatte 17 geschieht vorzugsweise mittels Flip-Chip-Montage. Damit die wärmeempfindlichen Sensorbereiche 29,35 während des Herstellungsprozesses nicht beschädigt werden können - was der Fall sein könnte, wenn .bumps" aus Lot eingesetzt würden - werden für die elektrische Kontaktierung sogenannte„stud bumps" oder mit Ultraschall angebrachte Goldkugeln 53 auf dem aus Aluminium gebildeten obersten Sensorbereich 51 (Fig. 3e) aufgebracht. Auf der Trägerplatte 17 wiederum sind Leiterbahnen 55 vorgesehen. Oberhalb dieser Leiterbahnen 55 wird vorzugsweise ein Film 57 angebracht, welcher an der Stelle der geplanten elektrischen Verbindung Aussparungen 59 aufweist, die vor der Montage mit Leitklebstoff 54 (fig 3e) gefüllt werden (Fig. 3e). Mittels Flip-Chip-Montage können nun Substrat 19 und Trägerplatte 17 miteinander verbunden werden. In der nicht-leitenden Schicht 57 sind an den vorgesehenen Kontaktstellen Aussparungen 59 vorhanden. Als Filmbildner eignen sich unterschiedliche Kunststoffe wie z.B.
Epoxymaterial. Nach dem Verbinden wird dann der Zwischenraum zwischen Trägerplatte 17 und Glassubstrat 9 mit einem sogenannten„UnderfiH" ausgefüllt. Auf der Rückseite 63 der Trägerplatte 17 ist die Auswerteschaltung 47, z.B. ein ASIC, angeordnet. Die Verbindung der Auswerteschaltung 47 mit der Trägerplatte 17 kann ebenfalls durch Flip-Chip-Montage analog der Verbindung zwischen dem Glassubstrat 19 und der Trägerplatte 17 erfolgen. Zu diesem Zweck sind auf der Rückseite 63 Leiterbahnen 64 und eine nicht-leitende Schicht 65 mit Aussparungen 67 aufgebracht. Die Aussparungen 67 stimmen dabei mit den zu kontaktierenden Punkten der Auswerteschaltung 47 überein. In diese wird vor dem Zusammenfügen der Trägerplatte 17 mit der Auswerteschaltung 47 ein elektrisch leitender Kleber eingefüllt. Die Durchkontaktierung von der Vorder- zur Rückseite erfolgt mittels Durchbrüchen 69 in der Trägerplatte 17, welche mit einem leitenden Material, z.B. einem Lot oder einem elektrisch leitenden Kleber, gefüllt sind.
Wie aus der Figur 2 hervorgeht, ist in einer Ausnehmung 71 der Trägerplatte 17 die Lichtquelle 21 , z.B. eine LED, aufgenommen. Ein Distanzelement 75 hält die Lichtquelle 21 in Abstand vom Glassubstrat 19, sodass zwischen der Lichtöffnung bzw. Blende 49 ein Luftspalt 77 vorgesehen ist. Der Luftspalt 77 dient dazu, die im Substrat 19 vorhandene innere Reflexion zu reduzieren, und damit eine bessere Nutzung der Lichtenergie zu erreichen. Die Rückseite der LED-Lichtquelle 21 kann mittels eines elektrisch leitenden Klebers 79 (fig 4e) kontaktiert sein. Von Bedeutung für die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist insbesondere die Art der Herstellung des Sensorbereichs und der Blende 49 in Dünnschichttechnologie. Dabei werden in einem ersten Schritt alle Schichten, die für den Aufbau der Sensorbereiche nötig sind, großflächig auf ein transparentes Substrat, vorzugsweise ein Glassubstrat, abgeschieden (Fig. 3a). Die Glassubstratgröße wird so gewählt, dass eine Vielzahl von insbesondere mehr als 200, vorzugsweise mehr als 2000 und besonders bevorzugt mehr als 10Ό00 Sensoranordnungen gleichzeitig hergestellt werden können. Die Auswahl der Substratgröße erfolgt dabei in Abhängigkeit der vorhandenen Beschichtungs- und Ätzvorrichtungen.
Bei der Herstellung der Lichtempfänger werden auf dem Glassubstrat 19 vorzugsweise folgende Schichten nacheinander aufgebracht (Fig. 3a), was vorzugsweise den Aufbau einer PIN-Diode ergibt:
1) eine leitende transparente Schicht 81, vorzugsweise eine TCO (= Transparent Conducting Oxide) Schicht, mit einer Schichtdicke zwischen 10 und 100 nm, vorzugsweise zwischen 20 und 70 nm und besonders bevorzugt zwischen 25 und 50 nm. 2) eine erste n- oder p+ dotierte Schicht 83 mit einer Schichtdicke zwischen 10 und 80 nm, vorzugsweise zwischen 20 und 70 nm und besonders bevorzugt zwischen 25 und 50 nm.
3) eine intrinsische (intrisic) Schicht 85 mit einer Schichtdicke zwischen 100 und 1500 nm, vorzugsweise zwischen 200 und 1000 nm und besonders bevorzugt zwischen 400 und 800 nm.
4) eine zweite p+ oder n- dotierte Schicht 87 mit einer Schichtdicke zwischen 10 und 80 nm, vorzugsweise zwischen 20 und 70 nm und besonders bevorzugt zwischen 25 und 50 nm und
5) eine leitende Oberschicht 51 mit einer Schichtdicke zwischen 100 und 2000 nm, vorzugsweise zwischen 500 und 1500 nm und insbesondere zwischen 700 und 1200 nm. Im Bereich der Kontaktstellen 89,91, bzw. im Bereich der
Pads 111 (vgl. Fig 10) beträgt die Schichtdicke besonders bevorzugt 1000 nm.
Die Abscheidung der verschiedenen Schichten erfolgt vorzugsweise mittels eines CVD (chemical vapor deposition) , PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition) oder ähnlicher, abgewandelter Prozesse wie VHFCVD oder HWCWD. Bevorzugt ist eine plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung von vorzugsweise Silan, um eine aSi:h (amorphes Silizium) intrisische Schicht zu erzeugen. Für die Dotierung der Schichten werden dem Silan vorzugsweise weitere Gase zugemischt, die die Metalle Germanium (z.B. GeH) und/oder Bor (z.B. BH) enthalten.
Nachdem das Glassubstrat mit den oben genannten Schichten beschichtet ist, wird die Form und Ausdehnung der Lichtempfängerelemente und der Lichtquelle definiert, indem ein Photoresist auf die oberste Schicht 51 aufgebracht, dieser mit einer Maske mit UV belichtet wird und entweder die unbelichteten oder die belichteten Bereiche abgelöst werden. Danach kann in einem ersten Ätzschritt, beispielsweise mittels lonenstrahlätzen (Jon beam etching") an jenen Stellen, wo der Photoresist abgelöst ist, die leitende Deckschicht 51, die zweite dotierte Schicht 87 und vorzugsweise ein Teil der amorphen Siliziumschicht 85 entfernt werden. Dadurch ist die Struktur der Lichtempfänger bereits gebildet (Fig. 3b). Anstelle des amorphen Siliziums könnten auch ähnliche Materialen eingesetzt werden, die vorzugsweise für die Bildung einer PIN-diode einsetzbar sind.
Danach wird in einem weiteren Schritt an bestimmten Stellen die TCO-Schicht freigelegt, indem die amorphe Siliziumschicht 85 und die erste dotierte Schicht 83 im Wesentlichen in einem zweiten Ätzschritt (lonenstrahlätzen und/oder„reactive Ion Beam Etching" (RIE)), oder abgewandelte Verfahren) vollständig weggeätzt werden (Fig. 3c). Die Vorgehensweise kann analog dem ersten Atzprozess sein, d.h. die nicht zu bearbeitenden Stellen werden zuerst maskiert und dann werden die nicht-maskierten Stellen bearbeitet. Diese Verfahrensschritte sind dem Fachmann bestens bekannt, sodass an dieser Stelle nicht näher darauf eingegangen zu werden braucht. Die freigelegten Stellen bilden nach dem Entfernen der amorphen Siliziumschicht die eine elektrische Kontaktstelle 89 des Lichtempfängers. Die andere Kontaktstelle 91 ist durch die leitende Deckschicht 51 gebildet.
Anschließend wird der Sensorbereich vorzugsweise mit einer Schutzschicht 93, vorzugsweise einer Si02 - Schicht beschichtet (Fig. 3d). Dabei werden die Kontaktstellen 89,91 jeweils durch Ätzen oder im Lift-Off - Verfahren ausgespart. Es sei noch darauf hingewiesen, dass die Figuren 3 und 4 ausschließlich der Veranschaulichung des Herstellungsprozesses dienen und dass die gezeigten Schichtdicken nicht mit den tatsächlichen Schichtdicken übereinstimmen.
Wie aus der Figur 4 hervorgeht, kann die in diesem Ausführungsbeispiel zur Ausbildung der Lichtquelle eingesetzte Blende mittels den gleichen Verfahrensschritten, wie sie für die Herstellung der Lichtempfängerstrukturen und der Kontakte verwendet werden, hergestellt werden. Dabei wird im zweiten Ätzschritt (Fig. 4c) die Lichtöffnung 49 angebracht, indem eine bereits im ersten Atzprozess angeätzte Stelle weiter bzw. vollständig geätzt wird.
Durch diese Lichtöffnung 49 kann das Licht ungehindert in das Substrat 19 eintreten. Allfällige weitere
(nicht-transparente) Schichten, wie die AI-Schicht 51 weisen an gleicher Stelle ebenfalls eine Öffnung auf, um den Lichtdurchtritt nicht zu behindern. Auf diese Weise wird eine Blende gebildet, die mit Vorteil die Ausbreitung des Lichts aus der LED 21 einschränkt, bzw. der Grösse oder die Abmessungen der Lichtquelle definiert.
Die LED kann auf die oberste Schicht 51 aufgeklebt werden, indem sie auf einen Abstandshalter 75 aufgelegt wird (s.a. Fig. 12). Der Distanzhalter 75 sorgt für einen definierten Spalt zwischen dem Substrat 19 und der Lichtquelle 21. Damit wird (in zuverlässiger Weise) eine Kavität für den Klebstoff 79 definiert. Der Distanzhalter wird 4 bis 50 m hoch, vorzugsweise 6 bis 12 pm hoch sein und wird vorzugsweise aus Permanentresist gebildet Zuletzt werden die Sensorbereiche mit der Trägerplatte 17 mittels Flip-Chip-Montage miteinander elektrisch verbunden. Im gleichen Verfahrensschritt wird auch die Vorderseite der Lichtquelle mit der Metallschicht 51, in welcher nicht näher gezeigte Leiterbahnen ausgebildet sind, kontaktiert (Kontaktstelle).
Die Dicke des Glassubstrats 19 kann etwa 1 mm betragen. Bevorzugt beträgt die Dicke zwischen 0.4 und 0.6 mm, wobei für hochauflösende Encoder vorzugsweise ein Glassubstrat mit einer Dicke von etwa 0.16 mm eingesetzt werden kann. Fig. 5 zeigt eine Anordnung einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Sensorköpfen auf einer grossen
Trägerplatte 97 in Form eines Wafers. Die Abbildung zeigt die Substrate 19, die mittels Flip-Chip-Montage auf dem Trägermaterial 97 befestigt sind. Das Trägermaterial ist eine Platte aus elektrisch nicht leitendem Material, auf welcher in einem vorgängigen Beschichtungsprozess sowohl auf der Vorder- wie auch Rückseite Leiterbahnen für die Kontaktierung einer Vielzahl von Substraten 19 mit Lichtempfängern und Auswerteschaltungen 47 aufgebracht sind. Dabei können die Lichtquellen 21 vorgängig entweder direkt, z.B. durch Kleben, auf das Glassubstrat 19 aufgebracht oder in einer Ausnehmung des Trägermaterials 97 integriert werden. Anschließend kann die Rückseite des Trägermaterials 97 mit den Auswerteschaltungen 47 bestückt werden. Die Montage der Auswerteschaltung 47 kann ebenfalls im Flip-Chip-Verfahren erfolgen. Dabei können das Substrat 19 mit den Lichtempfängerelementen 23 und die Auswerteschaltung 47 gleichzeitig mit der Trägerplatte 17 verbunden werden. Wenn die Sensorköpfe 11 bzw. die Glassubstrate 19 mit den Auswerteschaltungen 47 kontaktiert sind, kann die Encoderfunktion bereits getestet werden. Dies kann in einem automatisierten Prozess erfolgen. Erst danach wird das Trägermaterial 97,welches vorzugsweise geritzt ist (Rillen 98), in Trägerplatten 17 auseinandergebrochen, gesägt oder mittels einer
Schleifscheibe getrennt. Vorzugsweise handelt es sich beim Trägermaterial um Keramik, insbesondere schwarz gefärbte Keramik.
An einer Seitenkante des Trägermaterials 97 sind zwei Einbuchtungen 99 vorgesehen, in welche Stifte 96 eines Werkzeuges eingreifen können. Mit Hilfe der Einbuchtungen 99 und entsprechenden Werkzeugen kann das Trägermaterial 97 während den diversen Prozessschritten genau ausgerichtet werden. Dies erlaubt eine kostengünstige Fertigung.
In Fig. 6 ist ein Beispiel eines Miniaturmotors gezeigt, an welchen dank der kompakten Ausführung des Sensorkopfes ein hochwertiger Sensor angebaut werden kann. Sollte auf der Maßverkörperung eine Absolutspur gemäß Fig. 9 und eine Inkrementalspur gemäss Fig. 7 vorhanden sein, lässt sich in gleichen Bauvolumen und gleicher Konstruktion ein Absolutgeber bauen. In diesem Fall braucht es eine Bewegung von weniger als etwa 2°, damit die absolute Position ermittelt oder auf der Maßverkörperung mittels des Sensorkopfes abgelesen werden kann. Mit Encodern des aktuellen Stands der Technik (mit einer Index-Marke) ist eine Winkelbewegung von bis zu 360° erforderlich, damit ein absoluter Referenzpunkt gefunden werden kann.
Fig. 6 zeigt einen Encoder 10 mit einem Sensorkopf 11 sowie einer Codescheibe 155, auf deren Oberfläche eine Massverkörperung (nicht gezeigt) angeordnet ist. Die Codescheibe 155 ist mit einer Welle 157 verbunden und dadurch drehbar. Der Sensorkopf 11 und die aus optischen Elementen (nicht gezeigt) gebildete Massverkörperung wirken zur Erzeugung eines Signals zusammen. Dazu weist der Sensorkopf 11 in dieser Ausgestaltungsform eine Lichtquelle 21 auf, welche Licht in Richtung der Massverkörperung aussendet. Die optischen Elemente der
Massverkörperung sind auf der dem Sensorkopf 11 zugewandten Seite der Codescheibe 155 angeordnet. Sie werfen das von der Lichtquelle 21 kommende Licht in gebündelter Form zurück auf den Sensorkopf 11 , wo es von den Lichtempfängerelementen (nicht gezeigt) registriert wird. Natürlich kann die Lichtquelle auch auf der anderen Seite der Codescheibe 155 angeordnet sein und das Licht durch die optischen Elemente zum Sensorkopf 11 senden. Die gezeigte Lösung, bei der der Sensorkopf 11 sowohl eine oder mehrere Lichtquellen als auch ein oder mehrere Lichtempfängerelemente aufweist, ist jedoch bevorzugt. Für eine korrekte Ausbildung der Positionssignale müssen die Lichtempfängerelemente in einer definierten Position relativ zu den optischen Elementen angeordnet sein.
Anstatt, wie aus dem Stand der Technik bekannt, durch ein Werkzeug und/oder eine optische Vorrichtung direkt die Position der Lichtempfängerelemente relativ zur Massverkörperung oder zum Gehäuse anzupassen, wird dies beim gezeigten Encoder 10 indirekt durch eine Abstimmung der Abmessungen der einzelnen Vorrichtungsteile aufeinander erreicht. Der Sensorkopfhalter 141 weist ein erstes Strukturelement in Form einer Öffnung 149 auf, in welche ein Teil des Sensorkopfs 11 , passgenau eingesetzt werden kann, wodurch sich eine formschlüssige Verbindung ergibt. Bei diesem Teil des Sensorkopfs 11 handelt es sich mit Vorteil um ein transparentes Substrat 19, auf welches die Lichtempfängerelemente vorzugsweise per Dünnschichtverfahren aufgebracht sind. Bei solchen Verfahren wird eine Vielzahl von Lichtempfängerelementen auf eine Substratplatte aufgebracht, welche anschliessend in (kleinere) Substrate 19 zerschnitten wird. Eine solche Bauform des Sensorkopfs 11 ermöglicht es, dass die Lage der
Lichtempfängerelemente relativ zu den Rändern der Substrate durch das genaue Schneiden der Substratplatte bestimmt wird. Der Rand 151 des Substrats 19 kann formschlüssig mit der genannten Öffnung 149 im
Sensorkopfhalter 141 zusammenwirken. Die Öffnung 149 ist relativ zu einem zweiten Strukturelement, bei welchem es sich hier um den Rand 153 des Sensorkopfhalters 141 handelt, genau positioniert. Der Rand 153 des
Sensorkopfhalters 141 wirkt formschlüssig mit der Innenwand des Gehäuses 143 zusammen, wobei das
Gehäuse 143 wiederum in einer definierten Position relativ zur Massverkörperung angeordnet ist. Das heisst, die Position des Sensorkopfs 11 bzw. des Substrats 19 und somit auch die Position der Lichtempfängerelemente relativ zu den optischen Elementen auf der Massverkörperung wird indirekt über mehrere, in ihren Abmessungen aufeinander abgestimmte Vorrichtungsteile festgelegt. Der Vorteil besteht darin, dass eine mechanische Justierung beim Zusammenbau entfällt. Der Sensorkopfhalter 141 wirkt also gleichsam als Adapter. In Bezug auf die genannten Abmessungen bzw. die definierten Positionen sind mit Vorteil Abweichungen von weniger als 0.2 mm, vorzugsweise weniger als 0.05 mm gewährleistet, was für eine korrekte Funktion der Messvorrichtung im Allgemeinen ausreicht. Das Gehäuse 143 ist durch einen Deckel 145 verschlossen, welcher gegen den Sensorkopfhalter 141 drückt und diesen so im Gehäuse 143 fixiert. Das Gehäuse 143 weist vorzugsweise zwischen Deckel 145 und Gehäuse 143 eine Öffnung auf, durch welche eine Kontaktierung des Sensorkopfs 11 z.B. mittels Kabel 159, vorzugsweise mittels eines Flexprints, erfolgen kann. Durch diese Anordnung wird eine einfache Montage des Sensorkopfes gewährleistet. Gemäss der in Fig. 6 dargestellten bevorzugten Ausgestaltungvariante eines Encoders 10 ist an der Welle 157 ein Adapter für die Codescheibe 155 vorgesehen. Der Adapter weist eine Aufnahme für die Welle sowie einen sich von der Welle 157 radial nach aussen erstreckenden Flansch 241 auf. Bevorzugt besitzt der Adapter eine
hohlzylindrische Wellenaufnahme sowie einen ringförmigen, sich von der Wellenaufnahme abhebenden Flansch 241. Die Codescheibe 155 steht mit der von der Welle 157 abgewandten Seite der Wellenaufnahme sowie mit dem Flansch 241 des Adapters in Kontakt, wobei es bevorzugt ist, wenn die Codescheibe ein oder mehrere Füsse 240 besitzt, die im zusammengebauten Zustand des Encoders 10 mit dem Flansch 241 in Kontakt treten. Die Befestigung der Codescheibe 155 am Adapter erfolgt bevorzugt mittels Klebstoff. Durch diese Anordnung wird eine einfache Montage des Sensorkopfes gewährleistet.
Die Codescheibe 155 wird auf die Welle 157 vorzugsweise aufgeklebt. Das Durchgangsloch 272 der Codescheibe ist vorzugsweise so gestaltet (vgl Fig 18), dass ein oder mehrere Kanäle 275 (z.B. 2-20 oder 3-10 Stück) zwischen der Codescheibe und der Welle 157 ausgebildet werden, in denen der Klebstoff Platz findet. Fig. 18 zeigt eine
Ausführung des Durchgangslochs 272 einer Codescheibe 155, wobei die Codescheibe über flache Bereiche 271 formschlüssig mit der Welle 157 verbunden ist. Entsprechend sind diejenigen Teile der Ränder des Durchgangslochs 272, welche die Kanäle 275 bilden, weiter (insbesondere um 0,02 bis 0,2 mm weiter) von der Welle entfernt, als die diejenigen Teile der Ränder, die die flachen Bereiche 271 bilden. Letztere stehen vorzugsweise in Kontakt mit der Welle, d.h. die flachen Bereiche stellen die Kontaktstellen zwischen Codescheibe 155 und Welle 157 dar. Die Kanäle 275 zwischen Codescheibe und Welle 157 können mit Klebstoff gefüllt werden. Diese Anordnung ist insbesondere vorteilhaft aus der Sicht des Werkzeugmachers, da sie es ihm erlaubt sehr einfach ein Werkzeug für das Anbringen eines Durchgangslochs 272 herzustellen. Das genannte Werkzeug wird mit Vorteil aus einem (vorzugsweise kreiszylindrischen) Werkstück gefertigt, welches einen Durchmesser aufweist, der um 0.02 bis 0.2 mm grösser ist, als der Durchmesser der Welle 157. Das Werkstück kann dann an mehreren Stellen z.B. durch Abschleifen mit Abflachungen bzw. flachen Seiten versehen werden, welche bei der Herstellung des Durchgangslochs 272 die flachen Bereiche 271 bilden. Nach einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante sind 1 bis 10, insbesondere 2 bis 5 und besonders bevorzugt 3 Kanäle 275 vorgesehen.
Die Codescheibe und die Massverkörperung werden bevorzugt aus Kunststoff, vorzugsweise für eine erleichterte Sichtkontrolle schwarz eingefärbtem Kunststoff, ausgebildet. Die Massverkörperung wird dann mit einem Metall, vorzugsweise mit Gold- oder Aluminium beschichtet. Auf der Aluminium-Schicht kann allerdings eine zusätzliche Schutzschicht, wie z.B. Si02 oder Kunstharz, aufgetragen werden.
Eine alternative Ausführung sieht einen Folienaufbau der Codescheibe vor. Als Trägermaterial kann ein Kunststoff dienen, auf welchem eine Aluminiumschicht und eine Kunststofffolie als Oxydationsschutz der Aluminiumschicht vorgesehen sind. Die Massverkörperung kann mittel Heissprägen auf der Seite der Aluminium-Schicht ausgebildet werden.
Die Figuren 7, 8 und 9 zeigen verschiedene Ausführungsformen von Maßverkörperungen 25/31 und
Lichtempfängerelementen 23, die zur Ausbildung mindestens eines Analogsignals 103 dienen. Die Analogsignale 103a und 103b werden in einer Auswerteschaltung verarbeitet und gegebenenfalls in ein weiterverarbeitbares
Digitalsignal 104 umgewandelt. Die von der Auswerteschaltung herausgegebenen Signale dienen zur Bestimmung der Position der Maßverkörperung relativ zum Sensorkopf. Die Auswertung der Positionsdaten kann mit Hilfe eines Analog- oder Digitalsignals erfolgen. Fig. 7 zeigt eine inkrementelle Spur, Fig. 8 die Spur für die Bildung eines Indexes, der zumindest einmal pro
Umdrehung ausgewertet wird, Fig. 9 zeigt einen weiteren Spuraufbau, der nach dem Manchester-Code kodiert ist, welcher zusammen mit dem inkrementalen Signal eine Absolutposition definieren kann. Die drei erwähnten Spuren können allein oder in Kombination die Maßverkörperung bilden, die auf einem Träger, wie zum Beispiel einer Codescheibe, integriert sein kann und vorzugsweise im gleichen Arbeitsgang wie der Träger gefertigt wird. Die Maßverkörperung wird vorzugsweise mit zwei Spuren ausgebildet, wobei die optischen Elemente beider Spuren vorzugsweise die gleiche Brennweite aufweisen.
Die in Fig. 7 dargestellte Spur 25 der Maßverkörperung besteht aus identischen optischen Elementen, die in Bewegungsrichtung 15 in regelmäßigen Abständen voneinander angeordnet sind (Inkrementalspur). Diese sind gleich oder parallel in Bezug auf die Hauptrichtung des von ihnen zurückgeworfenen Lichts ausgerichtet. In der Figur 7 sind die optischen Elemente halbkreiszylindrische Reflektoren, welche die bevorzugte Ausführungsform im Rahmen der vorliegenden Erfindung darstellen. Das von der Lichtquelle ausgesandte Licht wird durch ein optisches Element der Maßverkörperung gebündelt und auf die Sensorebene 100 fokussiert. Dort trifft das Licht in einem Punkt 108 auf. Der benachbarte Bereiche 107 der Sensorebene wird hingegen nicht oder nur mit wenig Licht beaufschlagt. Die Verteilung der Lichtintensität auf der Sensorebene wird durch die Kurve 101 dargestellt. Der Punkt 101 h der Kurve entspricht einer hohen Energiedichte, der Punkt 101t einer niedrigen Energiedichte. Die elektrische Umwandlung der Lichtintensität in ein elektrisches Signal erfolgt mit zumindest zwei Lichtempfängerelementen 23, welche vorzugsweise um 180° versetzt zueinander angeordnet sind. Dies bedeutet, dass immer dann, wenn das eine Lichtempfängerelement ein Maximum registriert, das andere Lichtempfängerelement ein Minimum registriert, und umgekehrt. Mit den beiden Lichtempfängerelementen werden zwei Analogsignale 103A+ und 103A- erzeugt, welche an die Auswerteschaltung zur Weiterverarbeitung weitergeleitet werden. Die Auswerteschaltung kann aus den Analogsignalen103 sodann ein Digitalsignal 104 bilden.
Fig. 8 zeigt die Indexspur 31 einer Massverkörperung bestehend aus einem einzelnen, im Schnitt ungefähr halbkreiszylindrischen Reflektor, der um die Achsen 105 zentriert ist. Die Breite dieses Reflektors wird zwischen 100% und 300% der Breite eines Reflektors der Inkrementalspur sein. Auf der Sensorebene 100 wird das Licht im Wesentlichen in einem Punkt 108 gebündelt, wobei der angrenzende Bereich 107 nur mit wenig Licht beaufschlagt wird. Der restliche Bereich 109 wird mit einer im Wesentlichen konstanten und unmodulierten Lichtmenge beaufschlagt. Die Verteilung der Lichtintensität auf der Sensorebene 100 ist durch die Kurve 101 dargestellt, wobei der Punkt 101h einer hohen Energiedichte und der Punkt 101t einer niedrigen Energiedichte entspricht. Die
Umwandlung der Lichtintensität in ein elektrisches Signal erfolgt vorzugsweise mit einer speziellen Anordnung von Lichtempfängerelementen 23. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Lichtempfängerelemente 23, aus einem Hauptempfänger 23Z+ und zwei Empfängern 23Z-, welche symmetrisch zum Hauptempfänger 23Z+ angeordnet und elektrisch miteinander verbunden sind. Vorteilhafterweise ist die Gesamtfläche der Lichtempfänger 23Z- um wenigstens 10 %, vorzugsweise wenigstens 20% und besonders bevorzugt wenigstens 30% größer als die Gesamtfläche des Hauptempfängers 23Z+. Dies ist von Bedeutung im Zusammenhang mit der Auswertung der Signale. Dadurch, dass die Flächeninhalte der beiden Lichtempfängerelemente Z+/Z- sich unterscheiden, kann sichergestellt werden, dass das Signal 103a vom Signal 103b deutlich beabstandet ist, sodass diese sich im restlichen Bereich 109 keinesfalls kreuzen können. Mit dieser Lichtempfängeranordnung werden zwei Analogsignale 103a und 103b erzeugt, die in der Auswerteschaltung weiterverarbeitet werden. Dabei können die Signale z.B. in einer Komparatorschaltung verglichen werden, wobei ein Kreuzungspunkt der beiden Signale jeweils eine
Veränderung des Digitalpegels, d.h. eine der Flanken des Impulses Zb (vgl. Digitalsignal 104) erzeugt.
Für die Bildung eines stabilen digitalen Pulses 104 ist es von Bedeutung, dass die beiden Signale 103a und 103b sich mit einer großen Steigung kreuzen. Dies wird durch die spezielle Anordnung der Lichtempfängerelemente 23 erreicht: In der zentralen Stellung gemäss Figur 8 trifft der gebündelte Lichtstrahl hauptsächlich auf das mittlere Empfängerelement 23Z+, wodurch der Signalpeak 103aa gebildet wird. Damit der Signalpegel 103ba so tief wie möglich ist, sollen die beiden Lichtempfänger Z- beispielsweise im Punkt 107 weniger Licht als normal, d.h. als wenn der Lichtstrahl nicht moduliert ist, empfangen. Dies wird dadurch erreicht, dass die schräg liegenden
Lichtempfängerelemente am oberen Teil, d.h. am proximalen Ende, etwas breiter als am distalen Ende ausgebildet sind. Die gezeigte Ausgestaltung der Empfänger 23Z+.23Z- mit einem ersten länglichen Lichtempfängerelement 23Z+ und zwei zweiten länglichen Lichtempfängerelementen 23Z-, die im Wesentlichen spiegelbildsymmetrisch und in einem Winkel zur Längsachse des ersten Empfängerelements 23Z+ angeordnet sind, kann als optimal angesehen werden. Mit dieser Gestalt der Lichtempfängerelemente können Signale 103a und 103b gebildet werden, die in den gegenseitigen Kreuzungspunkten eine große Steigung aufweisen, sodass ein zuverlässiges Grundsignal Zb für das Indexsignal gebildet werden kann.
Die Lichtemfägerelemente Z- („Z minus") sind gegenüber dem Lichtempfängerelement Z+ („Z plus") schräg angeordnet. An ihren vom Lichtempfängerelement Z+ abgewandten Enden weisen die Lichtempfängerelemente Z- eine Breite auf, die viel kleiner ist als die Breite an ihren dem Lichtempfängerelement Z+ zugewandten Enden. Diese optimale Anordnung hat damit zu tun, dass während der Bewegung der Indexlinse (optisches Element auf der Massverkörperung) in die Richtung 15, Bereiche mittlerer, niedriger und hoher Lichtintensität über den Sensorbereich bewegt werden. Die Gestalt der Lichtempfängerelemente Z- ermöglicht es, das sich die Veränderung der
Lichtintensität nicht in jeder Position der Indexlinse relativ zum Sensorbereich gleich stark auf das Signal auswirkt. Im Randbereich, d.h. dort, wo das schmale Ende des Lichtempfängerelements Z- detektiert, wirkt sich die Lichtintensität weniger stark auf das Signal aus, als im zentralen Bereich, d.h. am Ort des Lichtempfängerelements Z+ und dort wo das breitere Ende des Lichtempfängerelements Z- ist. Ein weiterer Faktor ist der Abstand zur Lichtquelle. Die schmalen Enden der Lichtempfängerelemente Z- sind weiter von der Lichtquelle entfernt und erhalten dadurch eine geringere Lichtintensität.
Vorzugsweise fällt der geometrische Schwerpunkt 102b der beiden Lichtempfängerelemente 23Z+ und 23Z- möglichst im gleichen Punkt zusammen. Fallen die Schwerpunkte nicht zusammen, d.h. sind diese voneinander beabstandet, dann verändert sich das Pegelverhältnis zwischen den beiden Signalen 103a und 103b, wenn der Abstand zwischen der Maßverkörperung 13 und dem Substrat 19 sich verändert (s. Fig. 1). Dank der beschriebenen, vorteilhaften geometrischen Ausbildung der Empfängerelemente 23 kann der Abstand zwischen Maßverkörperung und Sensorkopf in einem relativ großen Bereich variieren, ohne dass die Signalqualität darunter leiden würde, wodurch die eher große Toleranz bei der axialen Lage von Wellen bei Kleinmotoren problemlos aufgenommen werden kann. Dies hat auch den Vorteil, dass aufwändige Justierarbeiten nicht erforderlich sind. Fig. 9 zeigt eine Spur 31 der Massverkörperung (Absolutspur). Die Spur enthält wie die in Fig.7 gezeigte
Inkrementalspur eine Vielzahl von optischen Elementen, wobei die optischen Elemente hier aber nicht alle gleich oder regelmässig bzw. (in Bezug auf ihre optische Achse) nicht alle parallel ausgerichtet sind. Jedes der optischen Elemente ist so ausgestaltet und/oder angeordnet, dass es das Licht entweder auf einen ersten oder einen zweiten Punkt auf der Sensorebene fokussiert. Die beiden Punkte repräsentieren die 0 (Null) bzw. die 1 (Eins) eines Binärcodes. Die Abfolge der Nullen und Einsen (Binärziffern) definiert einen Code, z.B. einen 8-Bit-Code, bei dem 8 aufeinander folgende Binärziffern eine charakteristische Positionszahl definieren, die vorzugsweise nur ein einziges Mal auf der Massverkörperung bzw. über die Länge der Massvörkörperung vorkommt. Im vorliegenden Beispiel liegt der eine Punkt links von der Achse 105 und der andere rechts davon. Es ist aber auch möglich drei oder mehr verschiedene Punkte vorzusehen, d.h. die optischen Elemente entsprechend anzuordnen und/oder auszugestalten, dass durch die Abfolge der unterschiedlich positionierten Auftreffpunkte 108 auf der Sensorebene 100 z.B. ein ternärer Code entsteht. Bevorzugt ist jedoch ein binärer Code, insbesondere ein sogenannter Manchester-Code. Auf der Sensorebene 100 wird das Licht in einem Punkt 108 gebündelt, der jeweils asymmetrisch zur Achse 105 angeordnet ist. Nur wenig Licht fällt dabei auf den Bereich 107. Die Verteilung der Lichtintensität auf der
Sensorebene ist durch die Kurve 101 dargestellt. Die elektrische Umwandlung der Lichtintensität in ein elektrisches Signal erfolgt vorzugsweise mit zumindest zwei um 180 Grad zueinander versetzt angeordneten Lichtempfängerelementen 23. Mit den Lichtempfängerelementen 23, werden zwei Analogsignale 103a und 103b erzeugt, die zusammen mit einem Inkrementalsignal an eine Auswerteschaltung geliefert werden. Die Auswerteschaltung wird mit Hilfe des Inkrementalsignals die Signale 103 so auswerten, dass der Bitwert der Teilung bestimmt wird und in einem Digitalsignal ausgegeben wird.
Mit Vorteil sind zwei Kanäle (A und B) und pro Kanal zwei Lichtempfängerelemente 23 wie oben beschrieben vorgesehen. Es ist anzumerken, dass in den Fig.7 und 9 der Übersichtlichkeit wegen jeweils nur die
Lichtempfängerelemente 23 für einen Kanal (A oder B) gezeigt sind. Das Lesen des Bitwerts erfolgt für eine gegebene Bewegungs- bzw. Drehrichtung der Massverkörperung nach15 bei jeder ansteigenden oder jeder abfallenden Flanke der beiden Inkrementalsignale, vorzugsweise bei jeder vierten Flanke der beiden Inkrementalsignals (aus den Kanälen A und/oder B), indem in diesem Zeitpunkt der Unterschied zwischen Signal 103a und 103b abgelesen wird. Zu diesem Zeitpunkt wird der Pegel des Digitalsignals 181 dem Bitwert entsprechend eingestellt oder der Bitwert wird auf eine andere Art ausgegeben. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Lesen des Bitwertes in eine Drehrichtung oder Bewegungsrichtung der Massverkörperung zum Beispiel bei abfallender Flanke des Kanals A ausgeführt wird und bei Drehung oder Bewegung der in die
Gegenrichtung bei ansteigender Flanke des Kanals A.
Die beiden Inkrementalsignals bilden pro Teilung 4 Flanken (zwei Analogsignale 103a/103b pro Kanal A/B). Welche von diesen Flanken für die Auswertung des Bitwertes eingesetzt wird, hängt letztlich von der Platzierung des
Sensorkopfes innerhalb des zulässigen Toleranzfeldes in Bezug auf eine Verdrehung um den Winkel 41 (vgl. Fig 1) ab. Die Korrektur des Winkelfehlers kann mit der in Fig. 13 dargestellte Schaltung erfolgen.
Wie oben erwähnt, wird die Reihenfolge der Bitwerte der Maßverkörperung so gewählt, dass bei einer bestimmten Anzahl von aufeinander folgenden Bits eine bestimmte Reihenfolge nur ein Mal über die Länge der
Massverkörperung zu finden ist. Die Reihenfolge wird vorzugsweise gemäss Manchester-Code gebildet.
Fig 10 zeigt eine Anordnung der Lichtempfängerelemente 23 für einen 3-Kanal Encoder (Kanal A, Kanal B, Kanal Z oder Index), wobei die durch das Zentrum der Lichtquelle verlaufende Hauptachse 45 des ausgesandten Lichtstrahls sich mit der Mittellinie 43 der Maßverkörperung (Fig 1, 2) deckt (s. Fig. 1). Im Sensorbereich 29 (welcher mit der ersten Spur 25 der Massverkörperung zusammenwirkt) sind die Lichtempfängerelemente für das Inkrementalsignal und im Sensorbereich 35 (welcher mit der zweiten Spur 31 der Massverkörperung zusammenwirkt) diejenigen für das Indexsignal angeordnet. An den Kontaktstelle bzw. Öffnungen 91 (siehe auch Fig. 3d und 3e) können die „Stud-Bumps" auf der obersten Metallschicht (vgl. 51 in Fig. 3a) z.B. durch Ultraschallschweissen angeordnet werden. Diese Stellen können mit einer Goldschicht abgedeckt werden, damit bei Verwendung eines leitenden Klebers die Klebewirkung nicht durch eine Oxidschicht beeinträchtigt wird. Der gleiche Sensorkopf könnte ebenfalls für einen Absolut-Encoder mit Manchchester-Code eingesetzt werden, wobei dann der Bereich 25 unverändert bleibt und im Bereich 31 zumindest zwei Empfängerelemente (wie z.B. in Fig.9 gezeigt) angeordnet sind. Damit der Encoder unempfindlich gegenüber Montagetoleranzen ist (d.h. in Bezug auf die Zentrierung der Lichtquelle und die Winkelstellung des Sensorkopfes bezüglich der Hauptachse 43 (vgl. Fig. 1) der Massverkörperung, wird vorzugsweise in Bezug auf die Bewegungsrichtung 15 folgende Reihenfolge der Lichtempfängerelemente gewählt: A+/B-/A-/B+ oder A-/B+/A+/B- , d.h. eine in Bezug auf die beiden Kanäle A und B symmetrische Anordnung der Lichtempfängerelemente bezüglich der Achse 39. Dabei sind die Lichtempfängerelemente A+,Α- und B-.B+ jeweils um 180 Grad versetzt zueinander angeordnet. Auf diese Weise werden sowohl für den Kanal A als auch für den Kanal B zwei um 180 Grad versetzt zueinander angeordnete, sinusförmige Kurven erhalten, die in einer
Komparatorschaltung in ein Digitalsignal umgewandet werden können. In dieser Anordnung werden die
Kontaktstellen und die Verknüpfung zwischen den Lichtempfängerelementen 23 im gleichen bzw. aus demselben Material wie die Lichtempfängerelemente gebildet, d.h. dass diese Bereiche ebenfalls optoelektronisch aktiv sind. Es ist dann darauf zu achten, dass der Schwerpunkt jedes der 4 Lichtempfängerelemente im Sensorbereich 29 im Wesentlichen den gleichen Abstand von der Lichtquelle 21 hat (siehe Linie 102). Hier markieren die Punkte 102b jeweils den Schwerpunkt eines U-förmigen Empfängerelements. In Richtung 15 sollen dabei die Abstände zwischen den Schwerpunkten 102b mit der Teilung der Maßverkörperung im Wesentlichen übereinstimmen. Die normale Breite 114 eines Lichtempfängers im Sensorbereich 29 wird vorzugsweise zwischen 40 und 80% der Breite einer Teilung der Maßverkörperung gewählt. Unter Breite soll in diesem Zusammenhang jene Dimension der
Lichtempfängerelemente oder der Lichtquelle verstanden werden, welche parallel zur Hauptachse 45-verläuft. Um den Schwerpunkt eines Arrays von Lichtempfängerelementen am richtigen Ort zu erhalten, ist es meist notwendig, die Breite der Empfängerelemente an gewissen Stellen 106 breiter zu machen, bzw. in der breite anpassen. Der Grund ist, dass die Übergangsleitungen 115 innerhalb der Lichtempfängerelemente und die Flächen um die Kontaktstellen bzw. Öffnungen 91 ebenfalls Licht detektieren, d.h. die Flächen der Lichtempfängerelemente zwangsweise vergrössern. Dies beeinflusst die Lage der Schwerpunkte 102b der Lichtempfängerelemente und das erzeugte Signal auf eine negative Weise. Die Bezugsziffer 110 zeigt die Kontakte zur TCO-Schicht.
Vorteilhafterweise wird die Breite der Lichtquelle 21 resp. der Blende 49 zwischen 60 und 150 % vorzugsweise 1O0% bis 120% der Breite einer Teilung gewählt. Ist die Breite der Blende 49 zu klein, wird zu wenig Lichtenergie durchgelassen. Ist die Breite der Blende 49 zu gross, dann wird die Breite des Lichtspots zu groß, sodass die Signale zu flach werden, um zuverlässig ausgewertet zu werden.
Eine gleiche Anordnung der Lichtquelle und der optischen Empfängerelemente könnte mit anderen Technologien verwirklich werden, wenn z.B. die Lichtquelle 21 als eine Licht emittierende OLED auf das Substrat 19 aufgebaut würde, und die Sensorbereiche 35 und 29 einen ähnlichen Schichtaufbau wie die OLED hätten. Sowohl OLED wie auch die Lichtempfängerelemente bestehen dann aus dünnen Schichten, vorzugsweise wie gezeigt in Fig. 3a, wobei jedoch unterschiedliche Ausgangsmaterialen zum Einsatz kommen können. Fig. 11 zeigt eine andere Anordnung von Lichtempfängerelementen, wobei die einzelnen Empfängerelemente über VIAs 112 („vertical interconnect access") durch die Passivationsschicht (z.B. eine Si02-Schicht oder ein Si02/Si3N4 Schichtaufbau) mit auf der Passivationsschicht angelegten leitenden Bahnen, vorzugsweise aus Aluminium, elektrisch verbunden sind. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass die Lichtempfängerelemente 23 optimal gestaltet werden, ohne dass die Übergangsleitungen 115 und/oder Kontaktstellen 91 die Bildung der Analogsignale beeinflussen können, bzw. ohne das Korrekturen an der Breite 114 vorgenommen wird. Am Ende der leitenden
Bahnen liegen die Pads 111 worauf die„Stud-Bumps" angebracht werden. Insofern wird so eine Lösung mehr kosten, da zusätzliche Schichten vorgesehen und zusätzliche Vorkehrungen getroffen werden müssen. Eine Anordnung der Empfängerelemente 23 in der Bewegungsrichtung 15 hat die gleichen Vorteile, wie sie schon bei der Beschreibung der Fig. 10 angegeben wurden. Die Verbindung zur TCO-Schicht kann auch mittels der leitenden Bahnen und eines VIA 112 erfolgen, wobei am Ende der leitenden Bahnen wiederum Pads 111 angehordnet sein können zum sicheren Anbringen eines Stud-Bumps.
In Fig. 12 ist eine bevorzugte Ausbildung der Lichtquelle bestehend aus Blende und LED gezeigt (s. a. Fig. 2). Die LED wird wie in Fig. 4c beschrieben auf das Substrat 19 (vorzugsweise aus Glas), bzw. auf der oberste Metallschicht (vgl. Fig. 3, 51), aufgeklebt und strahlt durch die Lichtöffnung 49, die in dem Dünnschichtaufbau ausgespart ist. Die LED 21 ist in der Ausnehmung 71 (vgl. Fig. 2) der Trägerplatte 17 (vgl. Fig. 2) aufgenommen. Es sind verschiedene Varianten gezeigt, wie die Lichtquelle am Substrat 19 montiert werden kann. Fig. 12a zeigt die Lichtquelle mit einer Emissionsschicht 161 und einer Kontaktschicht 163. Zwischen der Lichtquelle 21 und dem beschichteten
Glassubstrat 19 ist ein Abstandhalter 75 vorgesehen, welcher die Lichtquelle in Abstand zum Substrat 19 hält. Es ist erkennbar, dass bei dieser Konstruktion die Gefahr besteht, dass seitlich austretendes Licht 165 auf den
Lichtempfänger fällt, d.h. diese Anordnung ist nachteilig, weil das erzeugte Streulicht in den Lichtsensorbereich eindringen kann, was zu Abweichungen von der angestrebten Signalqualität führen kann. Die Bezugsziffer 170 zeigt den von der Lichtquelle ausgesandte Lichtkegel in Richtung zur Massverkörperung. Fig. 12b zeigt eine isolierte Lichtquelle, bei welcher die Emissionsschicht 161 am Rand mit einer nicht transparenten Deckschicht 167 beschichtet ist. Damit kann verhindert werden, dass Streulicht auf den Lichtempfänger fällt. Gemäß Fig. 12c ist die nicht transparente Deckschicht 167 nicht auf die Lichtquelle 21 sondern auf dem Lichtempfänger aufgebracht. Diese Deckschicht dient im Beispiel auch als Kontakt 163 zur LED. Weitere Vorkehrungen können darin bestehen, dass als„Underfill" ein Material gewählt wird, welches lichtundurchlässig ist oder eine geringe
Transmission für Licht hat.
Fig. 13 zeigt eine Schaltung, mit welcher Montagefehler bezüglich der Winkelstellung 41 (vgl. Fig 1) des
Sensorkopfes in Bezug auf die Hauptachse der Maßverkörperung kompensiert werden kann, damit das Indexsignal unabhängig von so einem Winkelfehler zuverlässig funktionieren kann. Wie oben beschrieben, hängt die Wahl der Flanke des Inkrementalsignals für die Bestimmung des Bitwertes (im Zusammenhang mit einer Absolutspur) von der Platzierung des Sensorkopfes bzw. von der Verdrehung desselben um den Winkel 41 ab. Die Schaltung kann somit zur Bestimmung dieser Flanken eingesetzt werden.
Fig. 13a zeigt die Signale A, B, Zb und Z. Signal Z wird aus der Kombination der Signale A und B und Zb gebildet. A und B entsprechen jeweils einem Digitalsignal 181 (vgl. Fig.9; nur Signal für einen Kanal gezeigt), wobei Signal A aus Kanal A und Signal B aus Kanal B stammt. Das in dieser Fig. 13a abgebildete Signal Z besteht aus zwei Impulsen, was grundsätzlich nicht erwünscht ist. Durch eine Rekombination der ursprünglichen Signale A und B werden in Fig. 13b andere Signalzustände Aout (bzw. Ao) und Bout (bzw. Bo) erzeugt, wobei das Signal Zb beinahe zentrisch zum Bereich der Signale A und B im Plus ist. Das resultierende Signal Z besteht folglich aus einem einzigen Puls.
Die Umwandlung (Rekombination) der ursprünglichen Signale A (bzw. Ain) und B (Bin) in die effektiven
Ausgangsignalen Aout und Bout erfolgt mithilfe der Steuersignale X1 und X2, zB. gemäss der Kombinationstabelle in Fig 13c, wobei die ursprünglichen Signale A und B invertiert und/oder gegeneinander vertauscht werden. Die beiden Kanäle A und B der Fig. 13b bestehen für den Kanal A aus dem invertierten Eingangskanal B und für den Kanal B aus dem Eingangskanal A. Somit bildet die Kombination der Signale aus Kanal Aout und Kanal Bout und Kanal Zb ein Indexsignal Z mit einem einzigen Puls. Weitere Signalkombinationen sind in der Wahrheitstabelle 13c dargestellt. Die Signalverarbeitung nach der Wahrheitstabelle kann durch die abgebildete Schaltung (Fig. 13d) erfolgen. Die
Schaltung wird durch zwei Steuersignale X1 und X2 angesteuert. Die Signale Ain 200 und Bin 201 werden durch zwei Inverter 206,207 invertiert. Die Schaltung enthält zusätzlich 4 Mutliplexer 208, die je nach Zustand der Steuersignale X1,X2 das eine der zwei Signale im Eingang an den jeweiligen Ausgang weiterleiten. Bei den in Fig. 13a und 13b angeführten Beispielen sind die Steuersignale auf X1=0 und X2=1 gestellt, wobei die Schaltwege mit dickeren Linie in der Fig. 13d eingetragen sind. Die Steuersignale X1 und X2 werden in der Auswerteschaltung erzeugt. Die Auswerteschaltung ist so ausgebildet, dass diverse Einstellungen bzw. Werte für die Steuersignale einprogrammiert werden können, was bei der Endkontrolle des Produkts erfolgen kann.
In Fig. 14 wird ein spezieller Aufbau eines Absolutencoders schematisch dargestellt, der auch bei still liegendem Sensorkopf 11 oder still liegender Welle 157, bzw. im Kaltstart, ein absolutes Positionssignal ermitteln kann. Dies wird durch eine spezielle Vorrichtung ermöglicht, welche eine relative Bewegung zwischen Massverkörperung und Sensorkopf erlaubt. Die Vorrichtung besitzt einen Schwenkarm 182 (oder eine äquivalente Einrichtung), auf welchem der zumindest eine Sensorkopf befestigt ist. Der Schwenkarm wird mit einem Motor angetrieben, und erzeugt eine Relativbewegung zwischen Massverkörperung 13 und Sensorkopf 11, die einem Bruchteil, vorzugsweise weniger als 5 Grad, einer ganzen Umdrehung entspricht. Durch Auswertung der aus dem Sensorkopf 11 kommenden Signale kann die absolute Position ermittelt werden. Dies wird wiederum dank der kompakten Bauweise des Sensorkopfes und der toleranzfreundlichen Bauweise dieser Anordnung möglich.
Fig. 14 zeigt den schematischen Aufbau des Absolutencoders mit einem Gehäuse 143,145, einer gelagerten Welle 157, einer Codescheibe 155 mit einer Maßverkörperung 13 mit vorzugsweise einer Absolutspur nach Fig. 9 und einer Inkrementalspur nach Fig. 7, einem fixen oder um einen kleinen Winkel schwenkbaren Träger 182, auf welchem zumindest ein Sensorkopf 11 angebracht ist. Die Codescheibe 155 ist auf einer Welle 157 zentrisch befestigt, welche Welle in einem Gehäuse 143 mit zumindest einem Lager 180 formschlüssig zusammenwirkt. Durch eine kleine Bewegung der Achse bzw. eine Bewegung der Codescheibe von vorzugsweise weniger als 3 Grad kann eine Positionszahl ermittelt werden, womit ein (absoluter) Positionswert der Codescheibe ermittelt werden kann. Danach kann die Ermittlung des Positionswerts entweder durch Ab-/Aufzählung (Addition / Subtraktion) der Pulse aus der Inkrementalspur oder durch Ermittlung von weiteren Positionszahlen bestimmt werden. Eine redundante Erfassung der Positionswerte kann durch Kombination beider Varianten leicht realisiert werden.
Vorzugsweise wird der Manchester-Code mit einem oder mehreren Paaren von Empfängerelementen gelesen (s. Fig. 9). Eine Positionszahl wird zwischen 1 und einer maximalen Anzahl von Positionszahlen durch eine Bewegung der Massverkörperung in Relation zum Sensorkopf ermittelt. Die Länge der Positionszahl, in binärer Form ausgedrückt, ist die Anzahl von Bits, welche durch die Länge der Massverkörperung bestimmt ist. Die Positionszahl wird durch Lesen einer Anzahl von aufeinanderfolgenden Bits ermittelt. Eine Positionszahl ist durch die nach dem
Manchestercode ausgebildete Massverköperung definiert. Auf die ganze Länge der Massverkörperung sind die Positionszahlen singulär, d.h. bestimmen jeweils die Lage der Massverkörperung relativ zu den Lichtempfängern. Die Umwandlung der gelesenen Positionszahl in einen Positionswert erfolgt mit der Auswerteschaltung. Die Positionszahl wird vorzugsweise mittels Digitalsignal 181 übertragen und durch eine Umwandlungsschaltung 187 in einen
Positionswert umgewandelt. Die Umwandlungsschaltung 187 kann in der Auswerteschaltung 47 (s.a. Fig.2) integriert sein.
Eine redundante Ermittlung der Positionswerte kann gegen Lesefehler absichern, indem mehrere aufeinander folgende Positionszahlen registriert werden. Dies bedeutet, dass eigentlich eine„verlängerte" Positionszahl aufgenommen wird. Die verlängerte Positionszahl wird in mehrere Positionswerte umgewandelt. Sollten die
Positionswerte nicht in einer Reihe anordenbar sein, dann würde dies auf einen Lesefehler des Manschestercodes schliessen lassen.
In der Fig. 14 ist eine Anordnung gezeigt, bei der die Umwandlungsschaltung 187 ausserhalb des Sensors angeordnet ist. Die Umwandlungsschaltung 187 ist mit 3 Leitungen 186 mit dem Encoder, bzw dessen
Auswerteschaltung, verbunden (schematische Darstellung). Zwei Leitungen übertragen die Impulse aus den Kanälen A und B (Digitalsignal 104) und die dritte Leitung ein Digitalsignal 181, das die Positionszahlen der Absolutspur abbildet. Somit werden Positionsinformation in redundanter Weise zwischen Encoder 10 und Umwandlungsschaltung 187 übertragen. Damit wird eine sichere Übertragung der Positionszahlen und Ermittlung der Positionswerte gewährleistet. Die Umwandlungschlatung 187 übergibt mittels eines herkömmlichen Datenbusses 189, wie z.B. SPI, I2C, Profibus etc., die Daten beispielsweise weiter zu einer SPS Steuerung. Die Umwandlungsschaltung 187 umfasst vorzugsweise einen Mikroprozessor 188, der die Übersetzung der Positionszahlen in Positionswerte vornimmt. Die Übersetzung der Positionszahl in einen Positionswert kann auf zweierlei Arten erfolgen:
a) ein Manchestercode-Generator bildet nacheinander Positionszahlen; wenn eine der zu übersetzenden
Positionszahlen aus der Massverkörperung mit der generierten Positionszahl übereinstimmt, wird die Positionszahl des Generators als Positionswert ausgegeben,
b) im Mikroprozessor ist eine Tabelle vorgesehen, die Positionswerte enthält, wobei jeder Speicherort in der Tabelle bzw. jeder Positionswert mit einer bestimmten Positionszahl assoziiert ist, wodurch Positionszahlen bestimmten Positionswerten zugeordnet werden können.
Ein Nachteil herkömmlicher Encodersysteme mit Manchester-Code liegt darin, dass für die Bestimmung der Absolutposition eine relative Bewegung der Maßverkörperung, und damit eine Bewegung der zu messenden Maschinenteile notwendig ist, um die absoluten Positionswerte zu ermitteln. Dies wird vom Maschinenbauer nicht geschätzt.
Es ist erwünscht, dass ein Positionswert beim Einschalten der Maschinen noch bevor irgendwelche Bewegungen stattfinden, ermittelbar ist. Dies wird dadurch gelöst, dass die Codescheibe eine grosse Anzahl von Spuren aufweist, wobei jeder Spur mindestens je ein Empfängerelement zugeordnet ist. Die dafür notwendige Schaltung ist komplex und der Platzbedarf für solch eine vielspurige Anordnung ist gross, wodurch Positionsmessvorrichtungen dieser Art nicht in kleine Gehäuse passen. Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht deshalb darin, dass Mittel vorgesehen sind, die eine Bewegung des Sensorkopfes relativ zur Maßverkörperung intern im Sensor ermöglichen, so dass auf Knopfdruck eine Ermittlung der Positionswertes möglich wird, ohne dass die Maschine in Bewegung gesetzt werden muss. Dies wird erreicht, indem der der Sensorkopf bzw. der Träger (z.B. ein Schwenkarm 182) auf welchem der Sensorkopf angeordnet ist, um ca. 3° verdreht wird. Dies kann beispielsweise mit einem Motor 185 und einem Exzenter 184 erfolgen, der vorzugsweise formschlüssig in einen Schlitz 183 des Schwenkarms 182 eingreift. Anstelle eines Motors mit hebel und excenter kann Aktoren unterschiedlicher Art einegesetzt werden. Die durch diese Bewegung erzeugten Signale (Kanal A, Kanal B und M-Code) können dann zur Ermittlung der Positionswerte verwendet werden.
Die Fig. 15 bis 17 zeigen eine Positionsmessvorrichtung. Es handelt sich hier um einen Kit Encoder 10. welcher eine besonders kompakte Bauform aufweist. Diese Bauform ist charakterisiert durch eine bestimmte Anordnung der Codescheibe 155, der darauf angebrachten Massverkörperung 13, des Gehäuses 143 und des Sensorkopfs 11, welcher mit der Massverkörperung 13 zur Erzeugung eines Signals zusammenwirkt. Die Massverkörperung 13 befindet sich hier auf derjenigen Seite 249 der Codescheibe 155, welche vom Gehäuse 143 abgewandt ist. Gemeint ist hier bevorzugt ein neben, entlang oder im Wesentlichen parallel zu der flachen Seite der Codescheibe 155 verlaufender Teil des Gehäuses 143 und/oder der obere Teil des Gehäuses 143. Vorzugsweise ist also die
Codescheibe 155 zwischen der Innenseite des Gehäuses 143 (oder der Innenseite des genannten Teils des Gehäuses) und dem Sensorkopf 11 oder der Leiterplatte 251 angeordnet. Aus der Tatsache, dass die Aufnahme 267 für die Welle (oder zumindest der grössere Teil, insbesondere mindestens 70 oder 90% der Länge der
Wellenaufnahme) auf derselben Seite der Codescheibe 155 angeordnet ist, wie die Massverkörperung 13, ergibt sich eine wesentliche Platzersparnis. Der Grund dafür ist, dass der Ort der Messung, also der Bereich zwischen
Massverkörperung 13 und Sensorkopf 11 neben der Welle bzw. der Wellenaufnahme 267 angeordnet ist. Bei der Montage der Codescheibe 155 im Gehäuse 143 kann die Position der Codescheibe 155 relativ zum oben genannten, dazu parallelen Teil des Gehäuses 143 bzw. der Abstand zwischen der Innenseite des Gehäuses 143 und der Codescheibe 155 festgelegt werden, indem der genannte parallele Teil des Gehäuses 143 eingedrückt bzw.
deformiert wird und nach dem Einbau der Codescheibe 155 wieder entspannt wird. Um dies zu vereinfachen, kann das Material des Gehäuses 143 am genannten Teil, der parallel zur Codescheibe 155 verläuft, dünner oder elastischer sein als bei daran angrenzenden Teilen. Mit Vorteil ist der Sensorkopf 11 auf eine Leiterplatte 251 montiert, welche formschlüssig mit dem Gehäuse 143 zusammenwirkt. Die Leiterplatte 251 kann konstruktiv auch die Funktion der Trägerplatte übernehmen.
Besonders bevorzugt geschieht dies über eine Schnappverbindung 153. Eine sehr einfache Montage des Encoders 10 kann durch den Einsatz eines Adapterteils 255 bewerkstelligt werden, welches ein erstes Verbindungsmittel 257 und ein zweites Verbindungsmittel 259 aufweist. Das erste Verbindungsmittel 257 dient bevorzugt dazu, das Adapterteil 255 in Bezug auf die Welle zentrisch am Motor 243 zu befestigen und kann beispielsweise aus Schrauben bestehen. Beim zweiten Verbindungsmittel 259 handelt es sich mit Vorteil um eine Schnappverbindung 259, welche z.B. durch ein oder mehrere Vorsprünge 261 und ein oder mehrere Vertiefungen 263 gebildet wird. Vorsprünge 261 und Vertiefungen 263 können am Gehäuse (insbesondere an der Gehäuseinnenwand) und/oder am Adapterteil 255 angeordnet sein. Vorzugsweise handelt es sich um eine lösbare Verbindung. Vorteilhafterweise besitzt das Gehäuse 143 ein Montagelager 265, in welches die Codescheibe 155 und/oder eine mit der Codescheibe 155 verbundene Aufnahme 267 für eine Welle aufgenommen sein. Letzteres deshalb, weil die Codescheibe 155 und die
Wellenaufnahme 267 entweder einstückig ausgebildet sein können, was bevorzugt ist, oder eben miteinander verbundene Einzelteile darstellen können. Das Montagelager 265 hat die Funktion, die Codescheibe während des Montagevorgangs zentrisch zum Gehäuse zu halten. Das Lager selbst kann ein Kugellager oder ein Gleitlager aus Teflon sein, wobei Letzteres bevorzugt ist, da durch ein solches Lager die Rotation der Motorwelle nicht belastet wird.
Die Funktion des Montagelagers besteht darin, eine genaue Fluchtung der Codescheibe und des Sensorkopfs zu gewährleisten (vgl. Achse 22 in Fig 1). Das Lagermaterial Teflon hat den Vorteil einer niedrigen Reibungszahl und eines besonders ausgeprägten Kriechverhaltens, wodurch die Lagerfunktion im Montagezustand mit der Zeit verloren geht. Dies ist insofern gewünscht, als das Montagelager nach der Montage seine Lagerfunktion verlieren soll, damit das bestehende Lagersystem keine zusätzliche nachteilige Belastung erfährt. Es kann auch ein starres Lager (z.B. Kugellager) eingesetzt werden, das aber mit Vorteil elastisch mit der Leiterplatte 251 verbunden ist. Der Radius der Codescheibe 155 ist vorzugsweise kleiner als der Radius der Leiterplatte 251. Wenn der äussere Rand des Sensorkopfs 11 in Bezug auf die Drehachse der Codescheibe 155 weiter aussen liegt als der äussere Rand der Codescheibe 155, so kann die Codescheibe 155 kleiner gestaltet werden und es verbleibt Platz z.B. für die unten genannten Kabel bzw. die Einbuchtung 273. Beim erfindungsgemässen Encoder 10 sind vorzugsweise das Gehäuse 143 und/oder die Leiterplatte 251 und/oder die Codescheibe 155 und/oder die Verbindungsmittel 253 und/oder 259 aus Kunststoff gefertigt. Eine besonders kompakte Bauform wird darüber hinaus erreicht, wenn die
Kontaktierung des Sensorkopfs 11 über eine seitliche Öffnung 269 im Gehäuse 143 erfolgt. Diese Öffnung 269 ist mit Vorteil auf der von der Codescheibe 155 abgewandten Seite des Sensorkopfs 11 und/oder der Leiterplatte 251 angeordnet. Die Kontaktierung kann so auf der Unterseite des Sensorkopfs 11 oder - wenn der Sensorkopf 11 über die Leiterplatte 251 kontaktiert ist - auf der Unterseite der Leiterplatte 251 erfolgen. Die genannte Kontaktierung kann über ein oder mehrere Kabel 159 bewerkstelligt werden, welche durch die Öffnung 269 ins Gehäuse 143 gelangen. Dabei handelt es sich mit Vorzug um ein Flachkabel 159 wie es in den Figuren gezeigt wird, wobei auch ein Flexprint eingesetzt werden kann. Die Öffnung 269 weist deshalb mit Vorteil eine längliche Form auf und ist bevorzugt im Wesentlichen parallel zur Codescheibe 155 und/oder zur Leiterplatte 251 angeordnet. Das Flachkabel 159 ist ebenfalls entsprechend ausgerichtet. Wenn das Gehäuse 143 auf einer Seite 245 eine Einbuchtung 273 aufweist, welche sich an die Öffnung anschliesst, ist dies besonders vorteilhaft. Insbesondere dann, wenn die Einbuchtung von der Öffnung entlang der Seite 245 des Gehäuses 143 bis zu einer anderen Seite 247 oder bis zu einem Rand des Gehäuses 143 oder bis zu einer Kante des Gehäuses 143 verläuft. Die Einbuchtung 273 kann von der Öffnung 269 z.B. bis zur Oberseite 245 des Gehäuses 143 verlaufen. Das Kabel 159 kann so in der Einbuchtung 273 positioniert sein. Wenn das Gehäuse 143 - was bevorzugt ist - eine zylindrische Form aufweist, liegt das Kabel 159 so bevorzugt innerhalb des Zylinderradius. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Positionsmessvorrichtung, bzw. der Encoder 10 eines oder mehrere der Merkmale aufweist, wie sie in anderen Teilen dieses Dokuments beschrieben sind. Insbesondere die Ausgestaltung des Sensorkopfs 11 und der Massverkörperung seien genannt. Die
Massverkörperung weist beispielsweise bevorzugt mindestens zwei Spuren auf, wobei es sich bei einer Spur um eine Inkrementalspur handelt und wobei es sich bei einer zweiten Spur vorzugsweise entweder um eine Indexspur oder eine codierte Spur handelt, wie sie in diesem Dokument beschrieben werden.
Die in Fig.17 gezeigten Teile bilden zusammen eine Vorrichtungskomponente, die vor der Auslieferung werkseitig kontrolliert bzw. getestet werden kann. Zusammen mit dem Verbindungsmittel 255 (vgl. Fig.15) bildet die genannte Vorrichtungskomponente ein Assembly-Kit, das ohne besonderen Aufwand zum Beispiel an einem Motor angebracht werden kann.
Die Fig 18. zeigt eine vorteilhafte Verbindungstechnik zur Befestigung einer Codescheibe 155 an einer Welle157. Die Codescheibe weist ein Durchgangsloch 272 mit einer speziellen Form auf, beispielsweise eine zylindrische Form mit vorzugsweise 3 (oder mehr) flachen bzw. abgeflachten Bereichen 271. Die Codescheibe wird auf die Welle 157 zentrisch angeordnet, durch Einführen der Welle 157 in das Durchgangsloch 272. Die Montage einer
Konststoffcodescheibe auf einer Metallwelle ist nicht so einfach, wenn man die Anforderungen in Bezug auf Rundlauftoleranzen und Presssitz betrachtet. Zu starker Presssitz kann zum Brechen der aus Kunststoff hergestellten Codescheibe führen. Dies kann auch erst nach einer gewissen Zeitperiode, das heisst zum Beispiel mehreren Monaten nach der Montage geschehen. Die Rundlauftoleranz beeinträchtigt direkt die Qualität der Encoderfunktion. Diese Anordnung ist insbesondere für den Werkzeugmacher vorteilhaft. Somit kann er die Zentrierung der Teile durch Flachschleifen am Werkzeugstempel genauestens justieren. Die Freiräume bzw. Kanäle 275 bieten Platz für Klebstoff, der in Kombination mit einem sehr leichten Presssitz das Risiko von Rissen vermeiden kann und eine sichere Verbindung beider Teile gewährleistet. Legende:
10 Encoder
11 Sensorkopf
13 Maßverkörperung
15 Bewegungsrichtung der Massverkörperung relativ zum Sensorkopf
17 Trägerplatte
19 Substrat
1 Lichtquelle
2 Hauptachse des ausgesandten Lichtstrahls
3 Lichtempfängerelemente
5 erste Spur der Maßverkörperung
7 erste optische Elemente
9 erster Sensorbereich
1 Zweite Spur der Maßverkörperung
3 zweites optisches Element
5 zweiter Sensorbereich
7 Flachseiten des Substrats
9 Längsmittelachse
0 Abstand Massverkörperung / Lichtsensor
1 Pfeil
3 Mittellinie der Maßverkörperung
5 Achse durch die Lichtquelle
7 Auswerteschaltung
9 Blende / Lichtöffnung
1 Metallschicht auf Sensoren
3 Lotkugeln
4 Leitender Klebstoff
5 Leiterbahnen auf Trägerplatte
7 nicht leitende Schicht (Permanentresist)
9 Aussparungen
1 Underfill
3 Rückseite der Trägerplatte
4 Leiterbahnen auf der Rückseite der Trägerplatte
5 nicht-leitende Schicht Aussparungen
Durchbrüche in der Trägerplatte
Ausnehmung für Lichtquelle
Halter
Distanzhalter
Luftspalt
Kleber
leitende transparente Schicht
Erste dotierte Schicht
amorphe Siliziumschicht
zweite dotierte Schicht
,91 Kontaktstellen des Lichtempfängers
Schutzschicht
Kontaktstelle zw. Lichtquelle und Schicht 51
Stift eines Werkzeugs
Trägermaterial
Einbuchtungen
0 Sensorebene
1 Kurve der Lichtintensität ( h / 1 )
2 Linie, auf der die Schwerpunkte der Lichtempfängerelemente angeordnet sind2b Schwerpunkt der Lichtempfängerelemente
3a, 103b Analogsignale (A+ / A- / a / aa / ab / ac / b / ba / bb)
Digitalsignal
5 Achse des optischen Elements
Diode
Benachbarter Bereich zu 108
Auftreffpunkt des Lichts auf 100
Restlicher Bereich (d.h. ohne Bereiche 107 und 108)
Kontaktstelle zu TCO
1 Pads
VIA (Vertical Interconnect Access)
Graben im Glassubstrat
Breite der Lichtempfänger
Übergangsleitungen zwischen Lichtempfängern Sensorkopfhalter
Gehäuse
Deckel
Vertiefung
Öffnung
Rand des Substrats / Rand des Sensorkopfs Rand des Sensorkopfhalters
Codescheibe
Welle
Kabel
Emissionsschicht der Lichtquell
Kontaktschicht
seitlich austretendes Licht
Deckschicht
Lichtkegel
Positionszahl (Digitalsignal)
Träger / Schwenkarm
Schlitz
Exzenter
Motor
Verbindungslinie
Auswerteschaltung
Mikroprozessor
Datenbuss
Fuss
Flansch
Motor
Seite des Gehäuses
Seite des Gehäuses
Vom Gehäuse abgewandte Seite der Codescheibe Leiterplatte
Verbindungsmittel
Verbindungsmittel
Vorsprünge
Vertiefungen Montagelager
Aufnahme für Welle
Seitliche Öffnung im Gehäuse
Flache Bereiche
Durchgangsloch (mit Kontaktstellen zwischen Codescheibe und Welle) Einbuchtung
Kanal

Claims

Patentansprüche
1. Positionsmessvorrichtung, insbesondere Encoder, mit
- mindestens einer Maßverkörperung mit einer optischen Struktur, vorzugsweise einer Anordnung von 3-D Reflektoren,
- wenigstens einem im Abstand von der Maßverkörperung angeordneten Lichtempfänger,
- einer im Abstand von der Maßverkörperung und im Abstand vom Lichtempfänger angeordneten Lichtquelle, und
- mindestens einem zwischen der Maßverkörperung und dem Lichtempfänger vorhandenen transparenten Substrat, wobei der Lichtempfänger auf der der Maßverkörperung abgewandten Seite des Substrats in Gestalt eines Dünnschichtaufbaus bestehend aus mehreren übereinander angeordneten Schichten direkt auf das transparente Substrat abgeschieden ist,
dadurch gekennzeichnet,
- dass eine Trägerplatte mit Leiterbahnen vorgesehen ist, auf welcher das Substrat angeordnet ist, wobei das transparente Substrat und die Trägerplatte durch Flip-Chip Montage fest miteinander verbunden sind,
- dass die Massverkörperung zwei oder mehr Spuren mit optischen Elementen aufweist, wobei eine erste Spur der Erzeugung eines inkrementalen Signals dient, und
- dass der Lichtempfänger als Sensorbereich ausgebildet ist, bestehend jeweils aus einer Mehrzahl von
Lichtempfängerelementen, wobei wenigstens ein erster und ein zweiter Sensorbereich vorgesehen sind, wobei der erste Sensorbereich dazu ausgebildet ist, zur Erzeugung eines inkrementalen Signals mit der ersten Spur zusammenzuwirken und wobei der zweite Sensorbereich dazu ausgebildet ist, mit einer zweiten Spur zusammenzuwirken, bei der es sich um eine codierte Spur handelt.
2. Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Lichtquelle und der Lichtempfänger Teile eines Sensorkopfes sind,
- die Massverkörperung relativ zum Sensorkopf beweglich ist, wobei die Massverkörperung an einen beweglichen Teil einer Vorrichtung, beispielsweise der Welle eines Motors, montierbar ist,
- der Sensorkopf an einem Träger angeordnet ist, und
- der Sensorkopf relativ zum beweglichen Teil der Vorrichtung verschiebbar ist, während sich der bewegliche Teil in der Ruheposition befindet.
3. Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verschieben des Sensorkopfes ein Motor vorgesehen ist, welcher in einer Wirkverbindung mit dem Sensorkopf steht.
4. Positionsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verschieben des Sensorkopfes der Träger schwenkbar ausgebildet ist.
5. Positionsmessvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger um einen Drehpunkt drehbar ist.
6. Positionsmessvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger um einen Winkel von weniger als 5 Grad und besonders bevorzugt um weniger als 3 Grad um den Drehpunkt drehbar ist.
7. Positionsmessvomchtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Sensorbereich mindestens ein erstes und ein zweites Lichtempfängelement aufweist, wobei das erste
Lichtempfängerelement zur Erzeugung eines ersten Signals ausgebildet ist und das zweite Lichtempfängerelement zur Erzeugung eines zweiten Signals ausgebildet ist.
8. Verfahren zur Ermittlung der absoluten Position eines beweglichen Teils in der Ruheposition, durchgeführt mit Hilfe einer Positionsmessvorrichtung, welche einen Sensorkopf und eine relativ zum Sensorkopf bewegliche Massverkörperung aufweist, wobei die Massverkörperung mit dem beweglichen Teil gekoppelt ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Ermittlung der absoluten Position des beweglichen Teils in der Ruheposition der Sensorkopf relativ zum beweglichen Teil verschoben wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Massverkörperung zwei oder mehr Spuren mit optischen Elementen aufweist, wobei es sich bei einer ersten Spur um eine Inkrementalspur, und bei einer zweiten Spur um eine kodierte Absolutspur handelt.
10. Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkopf mindestens zwei
Lichtempfängelemente aufweist, welche mit der kodierten Absolutspur der Massverkörperung zusammenwirken, wobei das erste Lichtempfängerelement ein erstes Signal erzeugt und das zweite Lichtempfängerelement ein zweites Signal erzeugt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkopf sich beim Verschieben auf einem Kreisbogen bewegt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bereits bei einem durch den Kreisbogen definierten Mittelpunktswinkel des Kreises von weniger als 5 Grad und insbesondere von weniger als 3 Grad die absoluten Position des beweglichen Teils in der Ruheposition bestimmt wird.
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