WO1983002823A1 - Digital apparatus for length measurement - Google Patents

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WO1983002823A1
WO1983002823A1 PCT/DE1983/000028 DE8300028W WO8302823A1 WO 1983002823 A1 WO1983002823 A1 WO 1983002823A1 DE 8300028 W DE8300028 W DE 8300028W WO 8302823 A1 WO8302823 A1 WO 8302823A1
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WO
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sensors
digital length
length encoder
substrate
digital
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Application number
PCT/DE1983/000028
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German (de)
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Inventor
Martin Engineering Gmbh Vsr
Original Assignee
Redmer, Rudi
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Publication date
Application filed by Redmer, Rudi filed Critical Redmer, Rudi
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/25—Selecting one or more conductors or channels from a plurality of conductors or channels, e.g. by closing contacts
    • G01D5/251—Selecting one or more conductors or channels from a plurality of conductors or channels, e.g. by closing contacts one conductor or channel

Definitions

  • the invention relates to a digital length transmitter, in which a display or control means can be guided along a line-shaped structure and the change in state of the display or control means arising on the structure can be displayed.
  • Digital encoders of the type described are used to make mechanical movements displayable in digital form. Furthermore, controls or trackings, such as on machine tools, astronomical instruments or satellite reception antennas or similar devices, can be operated with the signals that trigger the display.
  • the jib must be brought into the zero position. However, if this cannot be reached due to the external conditions, then the absolute position of the boom can. can also no longer be determined.
  • the known absolutely working angle encoders avoid this disadvantage. You often determine the angular position using coded reticles.
  • the code commonly used for this is the GRAY code. This has advantages in the mechanical adjustment of the sensors scanning the code, because only one bit is changed for each change. The required mechanical adjustment accuracy can thereby be markedly reduced.
  • the GRAY code must first be converted into a machine-compatible code - such as a binary code or Sedezima code - if the digital value is to be further processed in terms of information technology.
  • a machine-compatible code - such as a binary code or Sedezima code - if the digital value is to be further processed in terms of information technology.
  • the graticule since the graticule has to be worked as precisely as possible, the effort required for the digi ta li si tion of a single axis of a device is not insignificant. In the usual applications, however, three or more axes predominantly have to be digitized.
  • the invention has therefore taken operational safety as its task.
  • the structure comprises a plurality of semiconductor sensors which can be controlled by external means and are arranged in a geometrical order on a substrate and are each provided with electrodes which are guided to the outside.
  • the respective control means is guided over the line of the controllable semiconductor elements to be referred to as the “sensor line”, which transmits the change of state caused thereby and then processes it further in terms of information technology.
  • the controllable semiconductor sensors are also referred to below as "lateral sensors”.
  • the geometric order of the lateral sensors is designed as an annular line.
  • the ring-shaped line can also be spiral. In addition to the circular movement, a radial movement must also be provided.
  • electronic switching elements are assigned to the semiconductor sensors.
  • These switching elements can be produced in a known manner as an integrated circuit on the substrate. This makes it possible to immediately convert the signals generated in the angle sensors into an EDP-compliant code, so that the completely coded signal can be removed from the external electrodes of the inventive angle encoder and immediately processed further using information technology.
  • the electrical leads to the semi conductor sensors and the electronic switching elements are expedient formed as a ring lines and arranged on the substrate.
  • the ring lines can be operated as bus lines.
  • the electronic switching elements can be assigned radially as well as arranged in the corners, each of which is delimited by two edges of the substrate and the annular line.
  • the substrate is integrally connected to a precision housing.
  • the encoder can be connected to the devices to be monitored and adjusted to them using the tools which are customary in mechanical engineering.
  • the substrate can expediently have an inner bore. This allows axes of rotation or pins to be guided through the angle encoder.
  • the semiconductor sensors can be tightly packed and arranged, for example, in rectangular areas.
  • a geometric transformation of the sensor surface is then expediently carried out. This is done in a simple manner in that each sensor is assigned one end of a light guide and the other ends of the sensors are brought into the required geometric order.
  • the rectangle of the silicon plate can be transformed into a circle suitable for angle measurement.
  • the lateral resolution is limited because there are limits to the bundling of the scanning magnetic field.
  • the design as a capacitively controlled MOSFET gate also results in a limited angular resolution.
  • lateral sensors designed as phototransistors, which are scanned by a well-focused light source.
  • laser diodes can be bundled into a light beam on the order of micrometers. As a result, resolutions of the order of micrometers or angular seconds can be achieved.
  • both components can be moved relative to one another.
  • they can also be arranged fixed in space, the scanning being carried out, for example, by a mirror on the movable part of the arrangement to be measured, which guides the light coming from the laser diode over the sensor line.
  • the light source can be integrated on the substrate.
  • Fig.1 a transmitter with an integrated light source
  • a substrate C is integrally connected to a precision housing B by a casting compound V.
  • the substrate C carries lateral sensors CF1 ... in an annular arrangement, which are scanned by a control means S, for example a light beam generated by a laser diode LD.
  • the scanning takes place via a wave mirror WS of a wave W running centrally to the substrate C.
  • the lines L1, L2 are individually discharged and connected to the electrical supply and signal lines L10, L20 ... These are led to the outside and connected to devices (not shown) for processing information signals.
  • the lateral sensors can be arranged in field C1, the supply and signal lines designed as ring lines in field C3, and a laser diode in field C4.
  • the elements are not shown because they can be easily adapted to any circuit task.
  • the field C2 can be used to hold integrated components that send bus-compatible information from the electronic signals to the. Transfer ring lines of field C3, from where they are led to the outside via lines L10, L20 ..
  • the housing B has a flat surface P and at least one edge K, which can be adjusted to the monitored device i st.
  • the substrate C has a hole CI.
  • This arrangement which is somewhat complex in the case of semiconductor wafers and can be produced more easily in the case of ceramic substrates, may be necessary if the rotary movement can only be supplied from one side.
  • the laser diode LD is arranged on the wave plate WP of the wave A to be measured and scans the lateral sensors CFi on the substrate C.
  • the semiconductor sensor CF3 which is assumed to be the photosensor, is struck by a measuring light beam, then the operational amplifier 0P3 becomes positive at its input E31 and its output A3. As a result, line LG1 becomes positive and thereby blocks operational amplifiers 0P2, 0P4 (and all other even-numbered operational amplifiers). The even-numbered photo sensors together with the line LG2 work accordingly.
  • Each of the photo sensors works in the manner described above, so that only ONE photo sensor and its associated operational amplifier is activated. This means that there is a unique code on lines L10, L20 ... The position of the measuring light beam can therefore be displayed absolutely. All elements of the circuit can be built on the substrate in an integrated manner in a known manner.
  • Fig. 4 shows a simple encoder for lateral movements using a rotary encoder.
  • a rack 150 is connected to a device 151.
  • the rack drives a gear wheel 152, which is connected in one piece to an angle encoder 153.
  • the scanning light beam S1 then generates the coded signal from the angle encoder 153.
  • Appropriate gear ratios Zi .., 154 .., further angle sensors 155 .. and further control means Si .. allow any technically desired length to be measured down to the micrometer dimension.
  • the phototransistors CFi ... are arranged in a rectangular area R.
  • a light guide LL1, LL2 .. is assigned to each semiconductor sensor and is optically closely coupled to it.
  • the other ends of the light guides are brought into a ring-shaped line and can therefore be used for angle measurement.
  • any other transformation of measuring surfaces is obviously also possible.
  • the control means S must be designed as a magnetic rod or metal rod and mechanically guided over the semiconductor sensors.
  • laterals sensors can also be selected without departing from the solution principle and other photosensitive sensors such as Hall generators or MOSFET gates with capacitive input for control or the like can be used.

Abstract

In order to facilitate the handling, improve the reliability and reduce the manufacturing cost of a length measuring digital apparatus provided with a display or control element displaced along a linear structure, and of which the displacement may be displayed, it is proposed to provide semiconductor sensors controlled from the outside in a diametrical order on a substrate. Each semiconductor sensor is further provided with outwardly directed electrodes.

Description

DIGITALER LÄNGENGEBER DIGITAL LENGTH ENCODER
Die Erfindung betrifft einen digitalen Längengeber, bei dem ein Anzeige-oder Steuermittel auf einer linienförmig angeordneten Struktur entlangführbar und die an der Struktur entstehende Zustandsänderung des Anzeige-oder Steuermittels arizeigbar ist.The invention relates to a digital length transmitter, in which a display or control means can be guided along a line-shaped structure and the change in state of the display or control means arising on the structure can be displayed.
Digitale Geber der bezeichneten Gattung werden verwendet, um mechanische Bewegungen in digitaler Form anzeigbar zu machen. Weiterhin können mit den die Anzeige auslösenden Signalen Steuerungen oder Nachführungen, wie beispielsweise an Werkzeugmaschinen, astronomischen Instrumenten oder Satellitenempfangsantennen oder ähnlichen Vorrichtungen betrieben werden.Digital encoders of the type described are used to make mechanical movements displayable in digital form. Furthermore, controls or trackings, such as on machine tools, astronomical instruments or satellite reception antennas or similar devices, can be operated with the signals that trigger the display.
Die bisher bekannten Geber werden entweder inkremental betrieben oder sie zeigen Länge, Drehwinkel und Drehrichtung absolut an.The previously known encoders are either operated incrementally or they show length, angle of rotation and direction of rotation absolutely.
Bei inkremental betriebenen Gebern wird von einem an sich beliebigen Referenzpunkt aus der Längen- oder Winkelzuwachs und die Längen oder Winkelabnahme fortlaufend gezählt. Solche Geber sind so genau wie Schrittweite des kleinsten Inkrements und sie sind preiswert herstellbar, weil die erforderlichen Zählwerke elektronisch mit vergleichsweise geringem Aufwand erstellt werden können. Ihr wesentlicher Nachteil ist der Verlust der Abso lut ste l lung, wenn das Gerät vorübergehend oder ungewollt stillgesetzt wird.In incrementally operated encoders, the length or angle increase and the length or angle decrease are counted continuously from any reference point. Such encoders are as precise as the increment of the smallest increment and they are inexpensive to produce because the required counters can be created electronically with comparatively little effort. Their main disadvantage is the loss of absolute power if the device is temporarily or unintentionally stopped.
Eine ungewollte Stillsetzung kann dabei zu schwierigen Problemen führen.An unwanted shutdown can lead to difficult problems.
Ist beispielsweise die Position eines Kranauslegers zu bestimmen und geht durch Spannungsausfall der ausgezählte Winkelwert verloren, dann muss der Ausleger in die Nullposition verbracht werden. Ist diese jedoch aufgrund der äusseren Gegebenheiten nicht erreichbar, dann kann die absolute Lage des Auslegers. auch nicht mehr bestimmt werden.If, for example, the position of a crane jib is to be determined and if the counted angle value is lost due to a power failure, the jib must be brought into the zero position. However, if this cannot be reached due to the external conditions, then the absolute position of the boom can. can also no longer be determined.
Aufgrund der dadurch entstehenden Unsicherheit werden für solche Anwendungen deshalb keine inkremental arbeitenden Geber verwendet.Due to the resulting uncertainty, no incremental encoders are used for such applications.
Die bekannten absolut arbeitenden Winkelgeber vermeiden diesen Nachteil. Sie bestimmen die Winkellage häufig mittels kodierten Strichplatten.The known absolutely working angle encoders avoid this disadvantage. You often determine the angular position using coded reticles.
Der üblich dafür verwendete Kode ist der GRAY-Kode. Di eser hat Vorteile bei der mechanischen Justierung der den Kode abtastenden Sensoren, weil für jede Änderung nur jeweils ein Bit geändert wird. Dadurch kann die erforderliche mechanische Justiergenauigkeit merkbar verringert werden.The code commonly used for this is the GRAY code. This has advantages in the mechanical adjustment of the sensors scanning the code, because only one bit is changed for each change. The required mechanical adjustment accuracy can thereby be markedly reduced.
Der GRAY-Kode muss zur Weiterverarbeitung jedoch erst in einen maschinengerechten Kode - etwa Binärkode oder Sedezi ma Ikode - überführt werden, wenn der Digitalwert informationstechnisch wei tervεra rbei tet werden soll. Da zudem die Strichplatte möglichst genau gearbeitet sein muss, ist der Aufwand, der zur Di gi ta li si erüng schon einer einzigen Achse einer Vorrichtung erforderlich ist, nicht unerheblich. Bei den üblichen Anwendungen müssen jedoch überwiegend drei und mehr Achsen digitalisiert werden.For further processing, however, the GRAY code must first be converted into a machine-compatible code - such as a binary code or Sedezima code - if the digital value is to be further processed in terms of information technology. In addition, since the graticule has to be worked as precisely as possible, the effort required for the digi ta li si tion of a single axis of a device is not insignificant. In the usual applications, however, three or more axes predominantly have to be digitized.
Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Absolutgeber ist, insbesondere bei grösseren Anforderungen an die Genauigkeit, das relativ grosse Trägheitsmoment der Strichplatte. Dadurch entstehen bei hohen Beschleunigungen, wie sie häufig in rückgekoppelten Systemen auftreten, grosse dynamische Kräfte, die zur Zerstörung des Gebers führen können.Another disadvantage of these known absolute encoders is The relatively large moment of inertia of the reticule, especially when there are larger requirements for accuracy. This creates large dynamic forces at high accelerations, which often occur in feedback systems, which can destroy the encoder.
Es sind zum anderen auch Anordnungen von Fotosensoren in einer Zeile bekannt geworden, bei denen die Zeileninformation seriell abrufbar ist. Auch hier ist der Aufwand, um eine Absolutposition anzeigbar zu machen, beträchtlich, sodass dieses Mittel bisher dafür keine Anwendung gefunden hat.On the other hand, arrangements of photo sensors in which the line information can be called up serially have also become known. Here, too, the effort to make an absolute position displayable is considerable, so that this means has so far not been used for this.
Eine Vereinfachung der Handhabe und des Aufbaues von absolut arbeitenden Gebern sowie eine Erhöhung derA simplification of the handling and structure of absolute working encoders as well as an increase in
Bertriebssicherheit hat sich die Erfindung deshalb zur Aufgabe gemacht.The invention has therefore taken operational safety as its task.
Sie löst diese Aufgabe dadurch, dass als Struktur mehrere durch äussere Mittel steuerbare Halbleitersensoren in geometrischer Ordnung auf einem Substrat angeordnet und mit jeweils nach aussen geführten Elektroden versehen sind.It achieves this object in that the structure comprises a plurality of semiconductor sensors which can be controlled by external means and are arranged in a geometrical order on a substrate and are each provided with electrodes which are guided to the outside.
Dadurch ist es möglich, die Geberanordnung sehr klein zu halten. Dabei wird das jeweilige Steuermittel über die als "Sensorlinie" zu bezeichnende Linie der steue rba ren Halbleiterelemente geführt, die dadurch verursachte Zustandsänderung nach aussen übertragen und dann informationstechnisch weiter verarbeitet. Die steue rba ren Halbleitersensoren werden in der Folge auch als "Lateralsensoren" bezeichnet.This makes it possible to keep the encoder arrangement very small. The respective control means is guided over the line of the controllable semiconductor elements to be referred to as the “sensor line”, which transmits the change of state caused thereby and then processes it further in terms of information technology. The controllable semiconductor sensors are also referred to below as "lateral sensors".
Eine solche Anordnung stellt bereits für sich eine erhebliche Verbesserung der bekannten Geber dar, weil trotz kleiner Abmessungen keine mechanischen Genauigkeitsprobleme am Geber selbst auftreten. Die aus der Herstellung von Halbleiterchips bekannten fotochemischen, chemischen oder vakuumtechnischen Verfahren sind auch bei sehr kleinen Abmessungen derart genau, dass die mechanischen Anforderungen aus Maschinenbau und Konstruktion, die für den erf indungsgemässen Geber beispielsweise infrage kommen, ohne besonderen Aufwand herstel lungssei ti g erfüllbar sind. Dabei können die Sensoren auf Substraten aus HaIbleitermaterial unmittelbar integriert oder auf keramischen Substraten aufgebracht sein.Such an arrangement is in itself a considerable improvement of the known sensors because, despite the small dimensions, there are no mechanical accuracy problems on the sensor itself. The photochemical, chemical or known from the manufacture of semiconductor chips Vacuum-technical processes are so precise, even with very small dimensions, that the mechanical requirements from mechanical engineering and construction, which come into question for the sensor according to the invention, for example, can be met without any special effort on the part of the manufacturer. The sensors can be directly integrated on substrates made of semiconductor material or applied to ceramic substrates.
In einer besonders wichtigen ersten Ausbildung ist die geometrische Ordnung der Lateralsensoren als ringförmige Linie ausgebildet.In a particularly important first embodiment, the geometric order of the lateral sensors is designed as an annular line.
Dadurch wird ein einfach und in grossen Stückzahlen herstellbarer Winkelgeber ermöglicht. Das ist deshalb von besonderem Vorteil, weil Lateralbewegungen, etwa mit Zahnstangen-oder Schneckengetrieben, leicht in Drehbewegungen umgeformt werden können.This enables an angle encoder that can be produced easily and in large numbers. This is particularly advantageous because lateral movements, for example with rack or worm gears, can easily be converted into rotary movements.
Sollen mehrfache Drehungen kodiert werden, kann die ringförmige Linie auch spiralig sein. Hierbei muss zusätzlich zur kreisförmigen noch eine radiale Bewegung vorgesehen sein.If multiple rotations are to be coded, the ring-shaped line can also be spiral. In addition to the circular movement, a radial movement must also be provided.
In Weiterentwicklung der Erfindung sind den Halbleitersensoren elektronische Schaltelemente zugeordnet.In a further development of the invention, electronic switching elements are assigned to the semiconductor sensors.
Diese Schaltelemente lassen sich in bekannter Weise als integrierte Schaltung auf dem Substrat erzeugen. Dadurch ist es möglich, die in den Winkelsensoren entstandenen Signale sofort in einen EDV-gerechten Kode umzurechnen, sodass an den Aussenelekt roden des erfindungsgemässen Winkelgebers das fertig kodierte Signal abgenommen und sofort informationstechnisch weiterverarbeitet werden kann.These switching elements can be produced in a known manner as an integrated circuit on the substrate. This makes it possible to immediately convert the signals generated in the angle sensors into an EDP-compliant code, so that the completely coded signal can be removed from the external electrodes of the inventive angle encoder and immediately processed further using information technology.
Zweckmässig sind die elektrischen Zuleitungen zu den Halb lei tersensoren und den elektronischen Schaltelementen als Ri ng lei tungen ausgebildet und auf dem Substrat angeordnet. Die Ringleitungen können als Busleitungen betrieben werden.The electrical leads to the semi conductor sensors and the electronic switching elements are expedient formed as a ring lines and arranged on the substrate. The ring lines can be operated as bus lines.
Ist ein kreisförmiger Winkelgeber auf einem rechteckigen Substrat aufgebracht, können die elektronischen Schaltelemente sowohl radial zugeordnet, als auch in den Ecken angeordnet sein, die jeweils von zwei Kanten des Substrats und der ringförmigen Linie begrenzt sind.If a circular angle encoder is applied to a rectangular substrate, the electronic switching elements can be assigned radially as well as arranged in the corners, each of which is delimited by two edges of the substrate and the annular line.
Zum mechanischen Anschluss des Gebers an die jeweilige Vorrichtung ist der Substrat einstückig mit einem Präzis ionsgehäuse verbunden.For the mechanical connection of the encoder to the respective device, the substrate is integrally connected to a precision housing.
Dadurch kann der Geber mit den im Maschinenbau üblichen Werkzeugen mit den zu überwachenden Vorrichtungen verbunden und auf sie einjustiert werden.As a result, the encoder can be connected to the devices to be monitored and adjusted to them using the tools which are customary in mechanical engineering.
Zweckmässig kann der Substrat bei Winkelgebern eine Innenbohrung aufweisen. Dadurch können Drehachsen oder Zapfen durch den Winkelgeber geführt werden.In the case of angle sensors, the substrate can expediently have an inner bore. This allows axes of rotation or pins to be guided through the angle encoder.
Sollen andererseits möglichst kleine Si li zi umplät tchen verwendet werden, können die Ha Ib lei tersensoren dicht gepackt und beispielsweise in rechteckigen Flächen geordnet sein. Dann wird zweckmässig eine geometrische Transformation der Sensorfläche vorgenommen. Das geschieht in einfacher Weise dadurch, dass jedem Sensor das eine Ende eines Lichtleiters zugeordnet ist und die jeweils anderen Enden der Sensoren in die erforderliche geometrische Ordnung gebracht sind. So lässt sich beispielsweise das Rechteck des Si Liziumplättchens in einen zur Winkelmessung geeigneten Kreis transformieren.If, on the other hand, the smallest possible silicon platelets are to be used, the semiconductor sensors can be tightly packed and arranged, for example, in rectangular areas. A geometric transformation of the sensor surface is then expediently carried out. This is done in a simple manner in that each sensor is assigned one end of a light guide and the other ends of the sensors are brought into the required geometric order. For example, the rectangle of the silicon plate can be transformed into a circle suitable for angle measurement.
Verschiedene Ausführungen von H a l b l e i t e r s e n s o r en s i nd möglieh. Sie können bei pi e Iswei se als Hallgeneratoren, als MOSFET-Gatter oder als Fototransistoren oder Fotodioden ausgebi Ldet sein.Different versions of semiconductor sensors are possible. At pi e Iswei se they can be designed as Hall generators, as MOSFET gates or as phototransistors or photodiodes.
Mit Lateralsensoren, die den HALL-Effekt verwenden, ist die Lateralauflösung begrenzt, weil der Bündelung des abtastenden Magnetfeldes Grenzen gesetzt sind.With lateral sensors that use the HALL effect, the lateral resolution is limited because there are limits to the bundling of the scanning magnetic field.
Auch die Ausbildung als kapazitiv angesteuertes MOSFET-Gatter ergibt eine begrenzte Winkelauflösung.The design as a capacitively controlled MOSFET gate also results in a limited angular resolution.
Höhere Längenauflösungen lassen sich mit als Fototransistoren ausgebildeten Lateralsensoren erreichen, die durch eine gut gebündelte Lichtquelle abgetastet werden. Beispielsweise können Laserdioden zu einem in der Grössenordnung von Mikrometern feinen Lichtstrahl gebündelt werden. Dadurch sind Auflösungen in der Grössenordnung von Mikrometern bzw von Winkelsekunden erreichbar.Longer length resolutions can be achieved with lateral sensors designed as phototransistors, which are scanned by a well-focused light source. For example, laser diodes can be bundled into a light beam on the order of micrometers. As a result, resolutions of the order of micrometers or angular seconds can be achieved.
Bei einer Geberanordnung, die aus dem Lateralgeber und dem abtastenden Steuermittel besteht, können beide Komponenten relativ gegeneinander bewegt werden. Sie können aber auch raumfest angeordnet sein, wobei die Abtastung etwa durch einen Spiegel auf dem beweglichen Teil der zu vermessenden Anordnung erfolgt, der das von der Laserdiode ausgehende Licht über die Sensorlinie führt.In the case of an encoder arrangement consisting of the lateral encoder and the scanning control means, both components can be moved relative to one another. However, they can also be arranged fixed in space, the scanning being carried out, for example, by a mirror on the movable part of the arrangement to be measured, which guides the light coming from the laser diode over the sensor line.
Im letzteren Falle kann die Lichtquelle auf dem Substrat integriert sein.In the latter case, the light source can be integrated on the substrate.
In der Zeichnung, anhand derer die Erfindung näher erläutert wird, zeigen:The drawings, on the basis of which the invention is explained in more detail, show:
Fig.1 einen Geber mit integrierter LichtquelleFig.1 a transmitter with an integrated light source
Fig.2 einen Geber mit relativ bewegter Lichtquelle Fig.3 eine Verriegelungsschaltung2 shows a transmitter with a relatively moving light source 3 shows a locking circuit
Fig.4 einen Längen-Winkelumformer4 shows a length-angle converter
Fig.5 einen Messflächentransformator5 shows a measuring surface transformer
In Fig. 1 ist die Erfindung anhand eines Winkelgebers beschrieben. Die für die Erfindung wesentlichen Elemente lassen sich jedoch ohne weiteres linear anordnen, sodass dann ein Lateralgeber entsteht. Im beschriebenen Beispiel des Winkelgebers ist ein Substrat C durch eine Vergussmasse V einstückig mit einem Präzisionsgehäuse B verbunden. Das Substrat C trägt in ringförmiger Anordnung Lateralsensoren CF1..., die durch ein Steuermittel S, beispielsweise einem von einer Laserdiode LD erzeugten Lichtstrahl, abgetastet werden. Die Abtastung erfolgt über einen Wellenspiegel WS einer zentrisch zum Substrat C laufenden Welle W. Die Leitungen L1, L2 sind einzeln abgeführt und mit den elektrischen Versorgungs-und Signalleitungen L10,L20...verbunden. Diese sind nach aussen geführt und mit nicht gezeichneten Vorrichtungen zur informationstechnischen Verarbeitung der Signale verbunden.In Fig. 1 the invention is described using an angle encoder. The elements essential to the invention can, however, be arranged linearly without further ado, so that a lateral encoder is then created. In the example of the angle encoder described, a substrate C is integrally connected to a precision housing B by a casting compound V. The substrate C carries lateral sensors CF1 ... in an annular arrangement, which are scanned by a control means S, for example a light beam generated by a laser diode LD. The scanning takes place via a wave mirror WS of a wave W running centrally to the substrate C. The lines L1, L2 are individually discharged and connected to the electrical supply and signal lines L10, L20 ... These are led to the outside and connected to devices (not shown) for processing information signals.
In der Draufsicht können in Feld C1 die Lateralsensoren, in Feld C3 die als Ringleitungen ausgebildeten Versorgungs-und Signalleitungen, in Feld C4 eine Laserdiode angeordnet sein. Die Elemente sind, weil sie ohne weiteres auf jede Schaltungsaufgabe angepasst werden können, nicht eigens eingezeichnet. Das Feld C2 kann zur Aufnahme integrierter Bauelemente dienen, die aus den elektronischen Signalen busfähige Informationen an die. Ringleitungen des Feldes C3 übertragen, von wo aus sie über die Leitungen L10,L20.. nach aussen geführt sind.In plan view, the lateral sensors can be arranged in field C1, the supply and signal lines designed as ring lines in field C3, and a laser diode in field C4. The elements are not shown because they can be easily adapted to any circuit task. The field C2 can be used to hold integrated components that send bus-compatible information from the electronic signals to the. Transfer ring lines of field C3, from where they are led to the outside via lines L10, L20 ..
Das Gehäuse B weist eine Planfläche P und wenigstens eine Kante K auf, die auf das jeweils überwachte Gerät justierbar i st .The housing B has a flat surface P and at least one edge K, which can be adjusted to the monitored device i st.
In Fig.2 weist der Substrat C eine Bohrung CI auf. Diese bei Halbleiterplättchens etwas aufwendige, bei keramischen Substraten einfacher herstellbare Anordnung kann erforderlich werden, wenn die Drehbewegung nur von einer Seite zuführbar ist. Im beschriebenen Beispiel ist die Laserdiode LD auf der Wellenplatte WP der zu messenden Welle A angeordnet und tastet die Lateralsensoren CFi auf dem Substrat C ab.In FIG. 2, the substrate C has a hole CI. This arrangement, which is somewhat complex in the case of semiconductor wafers and can be produced more easily in the case of ceramic substrates, may be necessary if the rotary movement can only be supplied from one side. In the example described, the laser diode LD is arranged on the wave plate WP of the wave A to be measured and scans the lateral sensors CFi on the substrate C.
In Fig. 3 ist eine Verriegelungsschaltung für die Halbleitersensoren dargestellt. Sie arbeitet wie folgt:3 shows a locking circuit for the semiconductor sensors. It works as follows:
Wird der als Fotosensor angenommene Halbleitersensor CF3 von einem Messlichtstrahl getroffen, dann wird der Operationsverstärker 0P3 an seinem Eingang E31 und seinem Ausgang A3 positiv. Dadurch wird die Leitung LG1 positiv und sperrt dadurch die Operationsverstärker 0P2, 0P4 (sowie alle weiteren gradzahligen Operationsverstärker). Die gradzahligen Fotosensoren zusammen mit der Leitung LG2 arbei.ten entsprechend.If the semiconductor sensor CF3, which is assumed to be the photosensor, is struck by a measuring light beam, then the operational amplifier 0P3 becomes positive at its input E31 and its output A3. As a result, line LG1 becomes positive and thereby blocks operational amplifiers 0P2, 0P4 (and all other even-numbered operational amplifiers). The even-numbered photo sensors together with the line LG2 work accordingly.
Jeder der Fotosensoren arbeitet in der oben beschriebenen Weise, sodass immer nur EIN Fotosensor und sein zugeordneter Opertionsvertärker aktiviert ist. Dadurch liegt ein eindeutiger Kode an den Leitungen L10 ,L20 ... Die Position des Messlichtstrah les kann deshalb absolut angezeigt werden. Alle Elemente der Schaltung lassen sich in bekannter Weise integriert auf dem Substrat aufbauen.Each of the photo sensors works in the manner described above, so that only ONE photo sensor and its associated operational amplifier is activated. This means that there is a unique code on lines L10, L20 ... The position of the measuring light beam can therefore be displayed absolutely. All elements of the circuit can be built on the substrate in an integrated manner in a known manner.
Einen einfachen Geber für Lateralbewegungen mittels eines Drehgebers zeigt Fig.4. Eine Zahnstange 150 ist mit einer Vorrichtung 151 verbunden. Die Zahnstange treibt ein Zahnrad152 an, das einstückig mit einem Winkelgeber 153 verbunden ist. Der abtastende Lichtstrahl S1 erzeugt dann das kodierte Signal des Winkelgebers 153. Durch entsprechende Zahnradübersetzungen Zi..,154.., weitere Winkelgeber 155.. und weitere Steuermittel Si.. kann jede technisch gewünschte Länge bis auf Mikrometerdimensionen genau gemessen werden.Fig. 4 shows a simple encoder for lateral movements using a rotary encoder. A rack 150 is connected to a device 151. The rack drives a gear wheel 152, which is connected in one piece to an angle encoder 153. The scanning light beam S1 then generates the coded signal from the angle encoder 153. Appropriate gear ratios Zi .., 154 .., further angle sensors 155 .. and further control means Si .. allow any technically desired length to be measured down to the micrometer dimension.
In Fig.5 sind die Fototransistoren CFi... in einer rechteckigen Fläche R angeordnet. Jedem Halbleitersensor ist ein Lichtleiter LL1,LL2.. zugeordnet und ist optisch eng an diesen angekoppelt. Die jeweils anderen Enden der Lichtleiter sind im gezeichneten Beispiel in eine ringförmige Linie gebracht und können somit zur Winkelmessung verwendet werden. Es ist aber offensichtlich auch jede andere Transformation von Messflächen möglich.In Fig.5 the phototransistors CFi ... are arranged in a rectangular area R. A light guide LL1, LL2 .. is assigned to each semiconductor sensor and is optically closely coupled to it. In the example shown, the other ends of the light guides are brought into a ring-shaped line and can therefore be used for angle measurement. However, any other transformation of measuring surfaces is obviously also possible.
Sind die Halbleitersensoren als Magnetoren, beipielsweise HALL-Gene ratoren oder als kapazitiv ansteuerbares MOSFET-Gatter ausgebildet, dann muss das Steuermittel S als Magnetstab oder Metallstab ausgebildet sein und mechanisch entsprechend über die HalbLeitersensoren geführt werden.If the semiconductor sensors are designed as magnetors, for example HALL generators or as capacitively controllable MOSFET gates, then the control means S must be designed as a magnetic rod or metal rod and mechanically guided over the semiconductor sensors.
Ausser den gezeigten können auch andere Anordnungen für die Later.alsensoren gewählt werden, ohne dass dadurch das Lösungsprinzip verlassen wird und es können andere fotoempfindliche Sensoren, wie beispielsweise Hallgeneratoren oder MOSFET-Gatter mit kapazitivem Eingang zur Steuerung oder dergleichen verwendet werden. In addition to those shown, other arrangements for the laterals sensors can also be selected without departing from the solution principle and other photosensitive sensors such as Hall generators or MOSFET gates with capacitive input for control or the like can be used.

Claims

PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS
1. Digitaler Längengeber, bei dem ein Anzeige-oder Steuermittel auf einer linienförmig angeordneten Struktur entlangführbar und die an der Struktur entstehende Zustandsänderung des Anzeige-oder Steuermittels anzeigbar ist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass als Struktur mehrere, durch äussere Mittel (S) steuerbare Halbleitersensoren (CF1...) in geometrischer Ordnung auf einem Substrat (C) angeordnet und jeweils mit nach aussen geführten Elektroden (L1...) versehen sind.1. Digital length transmitter, in which a display or control means can be guided along a line-shaped structure and the change in state of the display or control means arising on the structure can be displayed, characterized in that the structure comprises a plurality of semiconductor sensors (S) which can be controlled by external means (S). CF1 ...) are arranged in a geometrical order on a substrate (C) and are each provided with electrodes (L1 ...) leading to the outside.
2. Digitaler Längengeber nach2. Digital length encoder after
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass den Ha lb lei tersensoren (CF1...) Schaltelemente (Ri..,0Pi..) zugeordnet sind.Claim 1, characterized in that switching elements (Ri .., 0Pi ..) are assigned to the half conductor sensors (CF1 ...).
3. Digitaler Längengeber nach3. Digital length encoder after
Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (Ri..,0Pi ....) eine Schaltung zur Kodierung der von den Sensoren erzeugten Signale bilden. Claim 2, characterized in that the switching elements (Ri .., 0Pi ....) form a circuit for coding the signals generated by the sensors.
4. Digitaler Längengeber nach4. Digital length encoder after
Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (CFi..) durch elektronische Mittel (OPi..) derart verriegelt sind, dass jeweils nur einer der vom Steuermittel beaufschlagten Sensoren aktiviert ist.Claim 3, characterized in that the sensors (CFi ..) are locked by electronic means (OPi ..) such that only one of the sensors acted upon by the control means is activated.
5. Digitaler Längengeber nach5. Digital length encoder after
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Ordnung eine ringförmige Linie (C1) ist, in der die Ha lb lei tersensoren (CF1...) angeordnet sind.Claim 1, characterized in that the geometric order is an annular line (C1), in which the half conductor sensors (CF1 ...) are arranged.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmige Linie spiralig ist.6. Arrangement according to claim 5, characterized in that the annular line is spiral.
7. Digitaler Längengeber nach7. Digital length encoder after
Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass elektronische Schaltelemente (Ri.,,0Pi..,Di...) den Ha lb lei t e rsensoren (CF1...) radial zugeordnet sind.Claim 5, characterized in that electronic switching elements (Ri. ,, 0Pi .., Di ...) are radially assigned to the half conductor sensors (CF1 ...).
8. Digitaler Längengeber nach8. Digital length encoder after
Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Schaltelemente (Ri..0Pi..Di..) in den Ecken angeordnet sind, die von zwei Kanten des Substrates und der ringförmigen Linie begrenzt sind. Claim 5, characterized in that the electronic switching elements (Ri..0Pi..Di ..) are arranged in the corners, which are delimited by two edges of the substrate and the annular line.
9. Digitaler Längengeber nach9. Digital length encoder after
Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Schaltelemente (Ri..OPi..Di..) zentrisch angeordnet sind.Claim 5, characterized in that the electronic switching elements (Ri..OPi..Di ..) are arranged centrally.
10. Digitaler Längengeber nach10. Digital length encoder after
Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Zuleitungen (L1...) zu den Halbleitersensoren (CF1...) und den elektronischen Schaltelementen (Ri..,0Pi..Di..) als Ring lei tungen ausgebildet und auf dem Substrat (C) angeordnet sind.Claim 5, characterized in that the electrical leads (L1 ...) to the semiconductor sensors (CF1 ...) and the electronic switching elements (Ri .., 0Pi..Di ..) formed as ring lines and on the substrate (C) are arranged.
11. Digitaler Längengeber nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat einstückig mit einem Präzisionsgehäuse (B) verbunden ist.11. Digital length transmitter according to one of claims 1 to 10, characterized in that the substrate is integrally connected to a precision housing (B).
12. Digitaler Längengeber nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (C) eine Innenbohrung (CI) aufweist.12. Digital length transmitter according to one of claims 1 to 11, characterized in that the substrate (C) has an inner bore (CI).
13. Digitaler Längengeber nach13. Digital length encoder after
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleitersensoren (CF1...) als Magnetoren ausgebildet sind.Claim 1, characterized in that the semiconductor sensors (CF1 ...) are designed as magnetors.
14. Digitaler Längengeber nach14. Digital length encoder according to
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleitersensoren (CF1...) als kapazitiv ansteuerterba re MOSFET-Gatter ausgebildet sindClaim 1, characterized in that the semiconductor sensors (CF1 ...) as a capacitively controllable re MOSFET gates are formed
15. Digitaler Längengeber nach15. Digital length encoder according to
Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halblei tersensoren als Fotosensoren (CF1...) ausgebildeten sind.Claim 1, characterized in that the semiconductor tersensoren are designed as photo sensors (CF1 ...).
16. Digitaler Längengeber nach16. Digital length encoder according to
Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotosensoren (CFi...) zur Transformation der Messflächen optisch auf Lichtleiter (LLi...) gekoppelt sind.Claim 15, characterized in that the photo sensors (CFi ...) for the transformation of the measuring surfaces are optically coupled to light guides (LLi ...).
17. Digitaler Längengeber nach17. Digital length encoder after
Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermittel (S) von einer Laserdiode (LD) erzeugt ist.Claim 15, characterized in that the control means (S) is generated by a laser diode (LD).
18. Digitaler Längengeber nach18. Digital length encoder after
Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (LD) auf dem Substrat (C) angeordnet ist.Claim 17, characterized in that the light source (LD) is arranged on the substrate (C).
19. Digitaler Längengeber nach19. Digital length encoder after
Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Längen-Winkelumformer (150-153-154) vorgesehen ist. Claim 2, characterized in that a length-angle converter (150-153-154) is provided.
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