WO1999042791A1 - Abtasteinheit für eine optische positionsmesseinrichtung - Google Patents

Abtasteinheit für eine optische positionsmesseinrichtung Download PDF

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WO1999042791A1
WO1999042791A1 PCT/EP1999/000225 EP9900225W WO9942791A1 WO 1999042791 A1 WO1999042791 A1 WO 1999042791A1 EP 9900225 W EP9900225 W EP 9900225W WO 9942791 A1 WO9942791 A1 WO 9942791A1
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scanning
cover element
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PCT/EP1999/000225
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Elmar Mayer
Wolfgang Holzapfel
Siegfried Reichhuber
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Dr. Johannes Heidenhain Gmbh
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    • 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
    • G01D5/26—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 characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—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 characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—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 characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/347—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 characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using displacement encoding scales
    • G01D5/34707—Scales; Discs, e.g. fixation, fabrication, compensation
    • G01D5/34715—Scale reading or illumination devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
    • H01L2224/01—Means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected, e.g. chip-to-package, die-attach, "first-level" interconnects; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/42—Wire connectors; Manufacturing methods related thereto
    • H01L2224/47—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
    • H01L2224/4805—Shape
    • H01L2224/4809—Loop shape
    • H01L2224/48091—Arched

Definitions

  • the present invention relates to a scanning unit for an optical position measuring device.
  • Known optical position measuring devices also comprise, in addition to a scale division, a scanning unit which can be moved relative thereto and via which position-dependent scanning signals are generated.
  • a scanning unit which can be moved relative thereto and via which position-dependent scanning signals are generated.
  • optoelectronic components are also arranged, such as light sources, designed as LEDs, detector elements, designed as photo elements, etc.
  • the scanning signals which are modulated as a function of displacement, are generated during the scanning of the scale division.
  • the photo elements are on carrier elements, e.g. suitable circuit boards or printed circuit boards, the radiation-sensitive surface areas of the photo elements facing away from the carrier body.
  • the required contacting of the photo elements takes place via filigree connecting lines or bond wires, which have to be attached between the carrier element and the contacting areas of the photo elements.
  • the contacting areas like the radiation-sensitive surface areas, are arranged on that side of the photo elements which is oriented away from the carrier element.
  • the connecting lines designed as bond wires must now be reliably protected, so that no damage results from the scale movable relative to the scanning unit during measurement operation. Such a problem arises in particular when there is a very small distance between the optoelectronic components and the scale scanned therewith due to the optical scanning principle chosen.
  • the surface of the casting compound is suitably structured in order to generate the necessary scanning structure in this way.
  • the selected optical scanning principle now requires the smallest possible distance between the radiation-sensitive surface areas of the components and the scanning structure, the arrangement proposed in EP 0 577 088 A2 is unsuitable.
  • the structuring of the transparent casting compound is required, which cannot be done with the same precision as the structuring of a separate glass scanning plate.
  • JP 09-189514 it is also known to arrange a transparent glass plate over a structured detector arrangement of a scanning unit, which is arranged or dimensioned in such a way that the bond wires required for contacting are thereby protected from mechanical damage. in the measuring mode are protected.
  • the problem here is that with such a configuration of a scanning unit, the detector elements already contain the scanning structure, which results in less flexibility in the design of corresponding position measuring devices.
  • a very small distance between a radiation-sensitive area of a detector element and the required scanning structures can also be realized, so that an overall very compact overall system results.
  • this component can be manufactured independently of the carrier element or of the optoelectronic components, i.e. Known precision structuring methods can be used for this. In contrast, the structuring of a potting compound, on the other hand, is not possible with such precision.
  • the scanning unit in addition to structuring on the cover element, further structuring of the respective component on its radiation-sensitive or radiation-emitting surface area can also be provided.
  • the components can also already be formed as an integral part of the carrier element.
  • Another variant provides for recesses or pockets to be arranged in the area of the contacting lines on the side of the cover element.
  • the recesses or the remaining thickness of the cover element in these areas are dimensioned in such a way that the contacting lines are protected.
  • this embodiment proves to be advantageous, since there is then a sufficient contact surface for the cover element.
  • scanning units designed according to the invention can be used both in connection with linear measuring systems and in connection with rotary measuring systems.
  • Figure 1 a is a schematic side sectional view of a first embodiment of the scanning unit according to the invention in connection with a scale graduation scanned therewith;
  • FIG. 1b shows a plan view of the scanning unit from FIG. 1a;
  • Figure 2a is a schematic side sectional view of a second embodiment of the scanning unit according to the invention.
  • FIG. 2b shows a top view of the scanning unit from FIG. 2a;
  • Figure 3 is a schematic side sectional view of a third embodiment of the scanning unit according to the invention.
  • FIG. 1 a shows a schematic sectional view of a scanning unit 1 according to the invention in connection with a linear scale graduation 10 scanned therewith, which carries an incremental graduation.
  • a reflected light measuring system is shown, ie the incremental scale graduation 10 consists in a known manner of periodically arranged reflecting and non-reflecting areas.
  • the measures according to the invention explained below can also be used in measuring systems of different types, for example in code measuring systems, transmitted light measuring systems etc.
  • a plurality of incremental graduations arranged in parallel can also be provided, reference markings can be arranged on the scale, etc.
  • the scanning unit 1 and the scale graduation 10 are arranged to be movable relative to one another in the measuring direction x and, for example connected to the tool and workpiece of a numerically controlled machine tool, the relative positions of which are to be determined in a highly precise manner.
  • the scanning unit 1 in this case comprises a carrier element 2, on which optoelectronic components 3a, 3b, 3c, 3d designed as detector elements are arranged, which are used to detect the position-dependent modulated light reflected by the scale graduation 10.
  • Photo elements can preferably be used for this purpose.
  • Printed circuit boards or suitable circuit boards with conductor tracks arranged therein are preferably used as carrier element 2.
  • evaluation elements are also arranged in an integrated form in or on the carrier element 2.
  • the detector elements 3a-3d are arranged with their radiation-sensitive surface areas facing away from the carrier element 2, ie these areas are oriented in the direction of the scanned scale division 10.
  • an at least partially transparent plate-shaped cover element 4 which preferably consists of glass, is arranged directly on the radiation-sensitive surface areas of the detector elements 3a-3d.
  • the cover element 4 is usually also referred to as a scanning plate.
  • the cover element 4 is dimensioned here by its flat dimensions, ie length I * width b, and arranged on the detector elements 3a - 3d that the lateral contacting areas 5a, 5b, 5c, 5d of these components 3a - 3d are not covered by the cover element 4 .
  • connection lines 6a-6d are conventional bond wires which connect the components 3a-3d to the conductor tracks (not shown) on the carrier element 2.
  • evaluation elements of this type such as amplifier modules, interpolator modules, etc., can both be arranged on the carrier element 2 and spatially distant therefrom.
  • the cover element 4 now has a total of four flat partial areas, in each of which a structuring 7a, 7b, 7c, 7d is arranged.
  • Periodic grating structures are provided as structuring 7a, 7b, 7c, 7d, which are alternately transparent or non-transparent for the wavelength used.
  • the partial areas with the structures 7a-7d are each arranged in front of the radiation-sensitive surface areas of the detector elements 3a-3d and consequently serve in a known manner as a scanning grating for the optical scanning of the incremental scale division 10. As can be seen in particular from the sectional view in FIG.
  • the cover element 4 is provided with a structuring on that side which directly faces the radiation-sensitive surface areas of the detector elements 3a-3d arranged below it.
  • the cover element 4 is attached to the radiation-sensitive surface areas of the detector elements 3a-3d by means of a suitable adhesive. This should include be transparent to the wavelength used and contain no components that diffuse into the component underneath.
  • the resulting layer thickness h A which results from the thickness of the cover element 4, the adhesive layer and the thickness of the detector elements 3a - 3d. It is provided according to the invention to choose this thickness h A such that the top of the cover element 4 exceeds the height h B of the connecting line 6a-6d in the contacting area 5a - 5d, ie h A > h B is selected. In this way, in the simplest way, the resulting edge structure ensures that the bond wires 6a-6d are protected in this area from possible mechanical damage by the scale graduation 10, which can be moved relative to this. This is also the case if there is only a small (scanning) distance between scanning unit 1 and scale graduation 10. In practice, the preferred thickness h A is approximately h A h h B + 0.1 mm.
  • a potting compound 8 can be provided in this area after the cover element 4 has been attached over the radiation-sensitive surface areas of the detector elements 3a-3d and the contact has been made to arrange, as shown in Figure 1a. So-called “globe top” casting compounds are suitable for this.
  • a cover element can be arranged directly in front of the radiation-emitting surface areas of the LED (s) in the manner described.
  • the cover element can also have sub-areas with a structure. - 9 -
  • the measures according to the invention can thus also be transferred to the contacting areas in other optoelectronic components.
  • FIG. 2a again shows a schematic sectional side view
  • FIG. 2b shows a plan view of a part of the scanning unit.
  • This carrier substrate 23 consists of a semiconductor material which has individual subregions with different functions. For example, individual subregions are designed as detector elements 23a, 23bJ, 23b.2, 23b.3, 23b.4, 23c, the radiation-sensitive surface regions of which are in turn oriented away from the carrier element 21.
  • Other sub-areas can already take over the function of evaluation components, e.g. display integrated evaluation elements.
  • the carrier substrate 23 also comprises contact areas 25a-25i arranged on the outer circumference, via which in turn an electrically conductive connection between the detector elements 23a, 23bJ, 23b.2, 23b.3, 23b.4, 23c or others is integrated into the carrier substrate 23 Components and these subordinate evaluation elements can be produced by means of electrical connecting lines 26a-26i in the form of bond wires.
  • a cover element 24 in the form of a glass plate with the length I, width b and thickness h A is again arranged in this exemplary embodiment.
  • the cover element 24 is designed or arranged in terms of size and placement in such a way that the contacting regions 25a-25i of the detector elements, which lie laterally next to the radiation-sensitive surface regions - 10 -
  • connecting lines 26a-26i are provided in the form of bond wires, via which the electrically conductive connection of the components on the carrier substrate 23 is carried out with downstream evaluation components (not shown).
  • the height h A resulting from the height of the cover element 24 and the height of the carrier substrate 23, is in turn chosen such that h A > h B applies. It is therefore provided that the top of the cover element 24 exceeds the height of the connecting lines 26a-26i in the contacting areas 25a-25i.
  • a structuring 27 in front of the radiation-sensitive area i.e. one scan division, required.
  • this structuring 27 or the scanning graduation is not completely arranged on the cover element 24; rather, it is additionally provided to use a roughly structured detector element which already has a rough structure as an integral part of the radiation-sensitive surface area.
  • four detector areas 23bJ, 23b.2, 23b.3, 23b.4 are provided in the example shown.
  • a further structuring 27 in the form of a fine lattice structuring is arranged on the underside of the covering element 24, as in the previous exemplary embodiment.
  • FIG. 3 shows a side sectional view of the same. This corresponds to the components etc. - 11 -
  • one or more detector elements 33c, 33d are arranged on a carrier element 31, the radiation-sensitive surfaces of which are oriented away from the carrier element 31.
  • the cover element 34 is again arranged in the form of a glass plate with structuring 37c, 37d, for example glued on.
  • the structures 37c, 37d again function as scanning divisions.
  • the cover element 34 in this embodiment now has pocket-shaped recesses 39c, 39d in the contacting areas 35c, 35d.
  • the recesses 39c, 39d or the remaining thickness of the cover element 34 above the recesses 39c, 39d are dimensioned in such a way that the connecting lines 36d, 36c can be arranged in this area without any problems.
  • the cover element 34 which is thinner in the recess area, is located above the connecting lines 36c, 36d. In this way, the contacting lines 36c, 36d are protected and cannot be damaged by the scale graduation movable relative to them.
  • the cover element 34 rests on support elements 38a, 38b which are arranged on the carrier element 31.
  • the recesses 39c, 39d in the glass cover element 34 can be suitably manufactured and dimensioned, for example, by an ultrasonic drilling process.

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Abstract

Es wird eine Abtasteinheit für eine optische Positionsmesseinrichtung angegeben, die geeignet zur optischen Abtastung einer Massstabteilung ist, um darüber positionsabhängige Abtastsignale zu erzeugen. Die Abtasteinheit umfasst ein Trägerelement, mindestens ein optoelektronisches Bauelement, welches auf dem Trägerelement angeordnet ist, wobei ein strahlungsempfindlicher oder ein strahlungsemittierender Flächenbereich des Bauelementes abgewandt zum Trägerelement orientiert ist. Des weiteren ist mindestens eine elektrisch leitfähige Verbindungsleitung zwischen dem Trägerelement und einem Kontaktierungsbereich des Bauelementes vorgesehen. Ein zumindest teiltransparentes Abdeckelement ist unmittelbar auf dem strahlungsempfindlichen und/oder strahlungsemittierenden Flächenbereich des Bauelementes angeordnet. Hierbei ist das Abdeckelement derart in Bezug auf das Bauelement angeordnet, dass der Kontaktierungsbereich des Bauelementes davon nicht bedeckt ist und ferner ist die Dicke des Abdeckelementes derart gewählt, dass die Oberseite des Abdeckelementes die Höhe der Verbindungsleitung im Kontaktierungsbereich übersteigt.

Description

Abtasteinheit für eine optische Positionsmeßeinrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abtasteinheit für eine optische Positionsmeßeinrichtung.
Bekannte optische Positionsmeßeinrichtungen umfassen neben einer Maß- stabteilung desweiteren eine relativ dazu bewegliche Abtasteinheit, über die positionsabhängige Abtastsignale erzeugt werden. Hierzu sind auf Seiten der Abtasteinheit in der Regel u.a. auch mehrere optoelektonische Bauelemente angeordnet, wie etwa Lichtquellen, ausgebildet als LEDs, Detektorelemente, ausgebildet als Photoelemente etc.. Über die Photoelemente werden dabei die verschiebungsabhängig modulierten Abtastsignale bei der Abtastung der Maßstabteilung erzeugt. In der Regel sind die Photoelemente auf Trägerelementen, z.B. geeigneten Platinen oder Leiterplatten, angeordnet, wobei die strahlungsempfindlichen Flächenbereiche der Photoelemente abgewandt zum Trägerkörper orientiert sind. Die erforderliche Kontaktierung der Photoelemente erfolgt über filigrane Verbindungsleitungen bzw. Bond- Drähtchen, die zwischen dem Trägerelement und den Kontaktierungsberei- chen der Photoelemente angebracht werden müssen. Die Kontaktierungsbe- reiche sind hierbei ebenso wie die strahlungsempfindlichen Flächenbereiche auf derjenigen Seite der Photoelemente angeordnet, die abgewandt zum Trägerelement orientiert ist. Die als Bond-Drähtchen ausgebildeten Verbindungsleitungen müssen nunmehr zuverlässig geschützt werden, so daß im Meßbetrieb keine Beschädigung durch den relativ zur Abtasteinheit beweglichen Maßstab resultiert. Ein derartiges Problem ergibt sich insbesondere dann, wenn ein sehr geringer Abstand zwischen den optoelektronischen Bauelementen und dem damit abgetasteten Maßstab aufgrund des gewählten optischen Abtastprinzipes vorgesehen ist.
Gemäß der EP 0 577 088 A2 wird zum Schutz der Verbindungsleitungen deshalb vorgeschlagen, die Photoelemente auf dem Trägerkörper anzuord- - 2 -
nen, diese anschließend mittels Bond-Drähten zu kontaktieren und daraufhin eine geeignete transparente Vergußmasse über den Kontaktierungsberei- chen und den strahlungsempfindlichen Flächenbereichen der Photoelemente aufzubringen. Die Oberfläche der Vergußmasse wird zuletzt geeignet strukturiert, um derart die nötige Abtaststruktur zu erzeugen. Erfordert das gewählte optische Abtastprinzip nunmehr jedoch einen möglichst geringen Abstand zwischen den strahlungsempfindlichen Flächenbereichen der Bauelemente und der Abtaststruktur, so ist die in der EP 0 577 088 A2 vorgeschlagene Anordnung ungeeignet. Desweiteren ist in einer derartigen An- Ordnung die Strukturierung der transparenten Vergußmasse erforderlich, was nicht mit der gleichen Präzision erfolgen kann wie etwa die Strukturierung einer separaten Glas- Abtastplatte.
Ebenso ungeeignet ist bei einer derartigen Forderung nach einem geringen Abstand zwischen den strahlungsempfindlichen Flächenbereichen und der Abtaststruktur eine Anordnung, wie sie beispielsweise aus der US 4,703,176 bekannt ist. Dort wird vorgeschlagen, eine Abtastplatte mit einer geeigneten Abtaststruktur in einem endlichen Abstand über mehreren optoelektronischen Detektorelementen anzuordnen. Die Abtastplatte erstreckt sich dabei flächenmäßig über den gesamten Bereich der Detektorelemente inclusive der zugehörigen, danebenliegenden Kontaktierungsbereiche. Die Bond- Drähtchen zur Kontaktierung der Detektorelemente sind hierbei durch die darüber liegende Abtastplatte vor mechanischer Beschädigung geschützt. Wiederum ist damit jedoch ein Abstand zwischen den strahlungsempfindli- chen Flächenbereichen und der Abtaststruktur vorgesehen, der für bestimmte optische Abtastprinzipien zu groß ist, insbesondere, wenn ein kompakt bauendes Gesamtsystem realisiert werden soll.
Aus der JP 09-189514 ist desweiteren bekannt, über einer strukturierten Detektoranordnung einer Abtasteinheit eine transparente Glasplatte anzuordnen, die derart angeordnet bzw. dimensioniert ist, daß dadurch die zur Kontaktierung erforderlichen Bond-Drähte vor einer mechanischen Beschä- digung im Meßbetrieb geschützt werden. Problematisch hierbei ist nunmehr, daß bei einer derartigen Ausgestaltung einer Abtasteinheit die Detektorelemente bereits die Abtast-Strukturierung enthalten, was eine geringere Flexibilität bei der Auslegung entsprechender Positionsmeßeinrichtungen zur Folge hat.
Grundsätzlich ähnliche Probleme resultieren, wenn andere optoelektronische Bauelemente wie beispielsweise Lichtquellen mit Strahlungsemittierenden Flächenbereichen in Verbindung mit vorgeordneten Sende-Strukturierungen in einer kompakten Abtasteinheit eines optischen Positionsmeßsystems angeordnet werden sollen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Abtasteinheit für eine optische Positionsmeßeinrichtung zu schaffen, bei der auch im Fall eines geforderten geringen Abstandes zwischen den strahlungsempfindlichen oder Strahlungsemittierenden Flächenbereichen optoelektronischer Bauelemente und einer erforderlichen Strukturierung die Kontaktierungsleitungen des jeweiligen Bauelementes vor mechanischer Beschädigung sicher geschützt sind.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Abtasteinheit mit den Merkmalen des Anspruches 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Abtasteinheit ergeben sich aus den Maßnahmen, die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahmen läßt sich nunmehr auf einfache Art und Weise eine mechanische Beschädigung der Kontaktierungsbe- reiche der Detektorelemente bzw. der entsprechenden Kontaktierungsleitungen vermeiden. Auch im Fall eines geringen Abtastabstandes, d.h. eines geringen Abstandes zwischen der Abtasteinheit und einer damit abgetasteten Maßstabteilung kann somit dieser Bereich der Abtasteinheit sicher geschützt werden.
In einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtasteinheit läßt sich desweiteren auch ein sehr geringer Abstand zwischen einem strahlungsempfindlichen Flächenbereich eines Detektorelementes und den erforderlichen Abtaststrukturen realisieren, so daß ein insgesamt sehr kompakt bauendes Gesamtsystem resultiert.
Da die vor dem jeweiligen Bauelement vorgesehene Strukturierung jeweils auf dem separaten Abdeckelement angeordnet ist, kann dieses Bauteil unabhängig vom Trägerelement bzw. von den optoelektronischen Bauelementen gefertigt werden, d.h. es können hierzu bekannte Präzisions-Strukturie- rungsverfahren eingesetzt werden. Insbesondere die Strukturierung einer Vergußmasse ist demgegenüber etwa nicht mit einer derartigen Präzision möglich.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtasteinheit kann desweiteren neben einer Strukturierung auf dem Abdeckelement des- weiteren auch eine zusätzliche Strukturierung des jeweiligen Bauelementes auf seinem strahlungsempfindlichen oder Strahlungsemittierenden Flächenbereich vorgesehen sein. Die Bauelemente können in einer solchen Variante zudem bereits als integraler Bestandteil des Trägerelementes ausgebildet werden.
Eine weitere Variante sieht vor, im Bereich der Kontaktierungsleitungen auf Seiten des Abdeckelementes Ausnehmungen bzw. Taschen anzuordnen. Die Ausnehmungen bzw. die verbleibende Dicke des Abdeckelementes in diesen Bereichen sind hierbei derart dimensioniert, daß die Kontaktierungsleitungen geschützt sind. Insbesondere bei miniaturisierten Abtasteinheiten erweist sich diese Ausführungsform als günstig, da dann für das Abdeck-element ein hinreichende Auflagefläche vorhanden ist. Selbstverständlich lassen sich erfindungsgemäß ausgebildete Abtasteinheiten sowohl in Verbindung mit Linear-Meßsystemen ebenso einsetzen wie in Verbindung mit rotatorischen Meßsystemen.
Weitere Vorteile sowie Einzelheiten der erfindungsgemäßen Abtasteinheit ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beiliegenden Zeichnungen.
Hierbei zeigt
Figur 1 a eine schematisierte seitliche Schnittansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtasteinheit in Verbindung mit einer damit abgetasteten Maßstabteilung;
Figur 1b eine Draufsicht auf die Abtasteinheit aus Figur 1a;
Figur 2a eine schematisierte seitliche Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Abtasteinheit;
Figur 2b eine Draufsicht auf die Abtasteinheit aus Figur 2a;
Figur 3 eine schematisierte seitliche Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Abtasteinheit.
Ein erste Ausfύhrungsform einer erfindungsgemäß ausgebildeten Abtasteinheit sei nachfolgend anhand der beiden Figuren 1 a und 1 b erläutert. Hierbei zeigt Figur 1a eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Abtasteinheit 1 in Verbindung mit einer damit abgetasteten linearen Maßstabteilung 10, die eine Inkrementalteilung trägt. In diesem Ausführungsbeispiel ist ein Auflicht-Meßsystem gezeigt, d.h. die inkrementale Maßstabteilung 10 besteht in bekannter Art und Weise aus periodisch angeordneten reflektierenden und nicht-reflektierenden Bereichen. Selbstverständlich kön- - 6 -
nen die nachfolgend erläuterten erfindungsgemäßen Maßnahmen auch in andersartig aufgebauten Meßsystemen eingesetzt werden, beispielsweise in Code-Meßsystemen, Durchlicht-Meßsystemen etc.. Darüberhinaus können selbstverständlich auch mehrere parallel angeordnete Inkrementalteilungen vorgesehen werden, Referenzmarkierungen auf dem Maßstab angeordnet sein usw.. Die Abtasteinheit 1 und die Maßstabteilung 10 sind relativ zueinander in Meßrichtung x beweglich angeordnet und z.B. mit Werkzeug und Werkstück einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine verbunden, deren Relativpositionen hochexakt zueinander bestimmt werden sollen.
Die erfindungsgemäße Abtasteinheit 1 umfaßt hierbei ein Trägerelement 2, auf dem als Detektorelemente ausgebildete optoelektronische Bauelemente 3a, 3b, 3c, 3d angeordnet sind, die zur Detektion des von der Maßstabteilung 10 reflektierten, positionsabhängig modulierten Lichtes dienen. Vorzugsweise können hierzu Photoelemente eingesetzt werden. Als Trägerelement 2 dienen vorzugsweise Leiterplatten oder geeignete Platinen mit darin angeordneten Leiterbahnen. Ggf. sind desweiteren auch Auswerte-Elemente in integrierter Form in oder auf dem Trägerelement 2 angeordnet. Nicht gezeigt ist in den Figuren dabei die auf Seiten der Abtasteinheit 1 desweiteren vorgesehene Lichtquelle, vorzugsweise ausgebildet als LED. Die Detektorelemente 3a - 3d sind mit ihren strahlungsempfindlichen Flächenbereichen abgewandt zum Trägerelement 2 angeordnet, d.h. diese - bereiche sind in Richtung der abgetasteteten Maßstabteilung 10 orientiert. Unmittelbar auf den strahlungsempfindlichen Flächenbereichen der Detektorelemente 3a - 3d ist desweiteren ein zumindest teiltransparentes platten- förmiges Abdeckelement 4 angeordnet, welches vorzugsweise aus Glas besteht. In einer derartigen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtasteinheit 1 wird das Abdeckelement 4 üblicherweise auch als Abtastplatte bezeichnet. Das Abdeckelement 4 ist hier von seinen flächigen Dimensionen, d.h. Länge I * Breite b, so dimensionert und auf den Detektorelementen 3a - 3d angeordnet, daß die seitlichen Kontaktierungsbereiche 5a, 5b, 5c, 5d dieser Bauelemente 3a - 3d nicht vom Abdeckelement 4 bedeckt werden. Derart ist sichergestellt, daß in diesen Kontaktierungsbereichen 5a - 5d jeweils mindestens eine elektrisch leitfähige Verbindungsleitung 6a, 6b, 6c, 6d angebracht werden kann, die andererseits mit dem Trägerelement 2 bzw. darauf angeordneten Leiterbahnen verbunden ist. Bei den Verbindungsleitungen 6a - 6d handelt es sich um übliche Bond-Drähte, die die Bauelemente 3a - 3d mit den - nicht gezeigten - Leiterbahnen auf dem Trägerelement 2 verbinden. Derart läßt sich somit die Verbindung zu nachgeordneten Auswerte- Elementen herstellen, in denen eine bekannte Verarbeitung der Abtastsignale erfolgt. Hierbei können derartige Auswerte-Elemente wie Verstärker- Bausteine, Interpolator- Bausteine etc. sowohl auf dem Trägerelement 2 angeordnet sein als auch räumlich entfernt hiervon.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist nunmehr das Abdeckelement 4 insgesamt vier flächige Teilbereiche auf, in denen jeweils eine Strukturierung 7a, 7b, 7c, 7d angeordnet ist. Als Strukturierung 7a, 7b, 7c, 7d sind hierbei jeweils periodische Gitterstrukturen vorgesehen, die abwechselnd durchlässig bzw. nicht-durchlässig für die eingesetzte Wellenlänge sind. Die Teilbereiche mit den Strukturierungen 7a - 7d sind jeweils vor den strahlungsempfindlichen Flächenbereichen der Detektorelemente 3a - 3d angeordnet und dienen demzufolge in bekannter Art und Weise als Abtastgitter bei der optischen Abtastung der inkrementalen Maßstabteilung 10. Wie insbesondere aus der Schnittansicht in Figur 1 a hervorgeht, ist das Abdeckelement 4 in dieser Ausführungsform an derjenigen Seite mit einer Strukturierung versehen, die unmittelbar den strahlungsempfindlichen Flächenbereichen der darunter angeordneten Detektorelemente 3a - 3d zugewandt ist. Die Befestigung des Abdeckelementes 4 auf den strahlungsempfindlichen Flächenbereichen der Detektorelemente 3a - 3d erfolgt hierbei mittels eines geeigneten Klebstoffes. Dieser sollte dabei u.a. transparent für eingesetzte Wellenlänge sein und keine Bestandteile enthalten, die in das darunter angeordnete Bauelement eindiffundieren.
Entscheidend für den Schutz der Kontaktierungsbereiche 5a - 5d und insbesondere der dort vorgesehenen elektrischen Verbindungsleitungen 6a -6d ist - 8 -
nunmehr die Wahl der resultierenden Schichtdicke hA, die sich aus der Dicke des Abdeckelementes 4, der Kleberschicht sowie der Dicke der Detektorelemente 3a - 3d ergibt. So ist erfindungsgemäß vorgesehen, diese Dicke hA derart zu wählen, daß die Oberseite des Abdeckelementes 4 die Höhe hB der Verbindungsleitung 6a -6d im Kontaktierungsbereich 5a - 5d jeweils übersteigt, d.h. es wird hA> hB gewählt. Auf diese Art und Weise ist auf einfachste Art und Weise durch die resultierende Kantenstruktur ein Schutz der Bond-Drähte 6a - 6d in diesem Bereich vor einer eventuellen mechanischen Beschädigung durch die relativ hierzu bewegliche Maßstabteilung 10 gewährleistet. Dies ist auch dann der Fall, wenn ein lediglich geringer (Abtast-) Abstand zwischen Abtasteinheit 1 und Maßstabteilung 10 vorgesehen ist. In der Praxis liegt die vorzugsweise zu wählende Dicke hA etwa bei hA≥ hB + 0.1mm.
Um die elektrischen Verbindungsleitungen 6a - 6d im Kontaktierungsbereich noch zusätzlich zu schützen, kann wie im gezeigten Ausführungsbeispiel schließlich noch vorgesehen werden, in diesem -Bereich nach dem Anbringen des Abdeckelementes 4 über den strahlungsempfindlichen Flächenbereichen der Detektorelemente 3a - 3d und der erfolgten Kontaktierung eine Vergußmasse 8 anzuordnen, wie dies in Figur 1a gezeigt ist. Hierzu sind etwa sog. „globe top" Vergußmassen geeignet.
Während im gezeigten Ausführungsbeispiel der Figuren 1 a und 1 b die erfindungsgemäßen Maßnahmen in Verbindung mit Detektorelementen erläutert wurden, so sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß die identischen Maßnahmen etwa auch bei anderen optoelektronischen Bauelementen in Abtasteinheiten optischer Positionsmeßsysteme eingesetzt werden können. So ist es etwa jederzeit möglich, auch die Kontaktierungsbereiche von anderen optoelektronischen Bauelementen wie z.B. Lichtquellen in Form von LEDs auf identische Art und Weise zu schützen. Hierbei kann ebenfalls ein Abdeckelement in der beschriebenen Weise unmittelbar vor den Strahlungsemittierenden Flächenbereichen der LED(s) angeordnet werden. Das Abdeckelement kann dabei ebenfalls Teilbereiche mit einer Strukturierung ent- - 9 -
halten, die dann als Sendeteilung bzw. Sendegitter in der Abtasteinheit fungieren. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen lassen sich somit auch auf die Kontaktierungsbereiche bei anderen optoelektronischen Bauelementen übertragen.
Anhand der Figuren 2a und 2b sei nachfolgend eine zweite mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtasteinheit erläutert. Während Figur 2a wiederum eine seitliche, schematisierte Schnittansicht zeigt, ist in Figur 2b eine Draufsicht auf einen Teil der Abtasteinheit dargestellt, in dieser Ausführungsform ist nunmehr vorgesehen, auf einem Trägerelement 21 ein flächiges Trägersubstrat 23 anzuordnen. Dieses Trägersubstrat 23 besteht aus einem Halbleiter-Material, das einzelne Teilbereiche mit unterschiedlichen Funktionen aufweist. So sind etwa einzelne Teilbereiche als Detektorelemente 23a, 23bJ , 23b.2, 23b.3, 23b.4, 23c ausgebildet, deren strahlungsempfindliche Flächenbereiche wiederum vom Trägerelement 21 weg orientiert sind. Andere Teilbereiche können beispielsweise bereits die Funktion von Auswerte-Komponenten übernehmen, d.h. integrierte Aus- werte-Elemente darstellen. Daneben umfaßt das Trägersubstrat 23 auch am Außenumfang angeordnete Kontaktierungsbereiche 25a - 25i, über die wiederum jeweils eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den Detektorelementen 23a, 23bJ , 23b.2, 23b.3, 23b.4, 23c oder anderen, in das Trägersubstrat 23 integrierten Bauelementen sowie diesen nachgeordneten Auswerte-Elementen mittels elektrischen Verbindungsleitungen 26a - 26i in Form von Bond-Drähten hergestellt werden kann.
Über den strahlungsempfindlichen Flächenbereichen der Detektorelemente 23a, 23bJ , 23b.2, 23b.3, 23b.4, 23c ist auch in diesem Ausführungsbeispiel wiederum ein Abdeckelement 24 in Form einer Glasplatte mit der Länge I, Breite b und Dicke hA angeordnet. Das Abdeckelement 24 ist wie vorigen Ausführungsbeispiel bezüglich der Größe und Plazierung so gestaltet bzw. angeordnet, daß die seitlich neben den strahlungsempfindlichen Flächenbereichen liegenden Kontaktierungsbereiche 25a - 25i der Detektorelemente - 10 -
23a, 23bJ , 23b.2, 23b.3, 23b.4, 23c und eventueller anderer integrierter Bauelemente davon nicht bedeckt werden. An den Kontaktierungsbereichen 25a - 25i wiederum sind Verbindungsleitungen 26a - 26i in Form von Bond- Drähten vorgesehen, über die die elektrisch leitfähige Verbindung der Bauelemente auf dem Trägersubstrat 23 mit nachgeordneten - nicht gezeigten - Auswerte-Komponenten erfolgt.
Die Höhe hA, resultierend aus der Höhe des Abdeckelementes 24 und der Höhe des Trägersubstrates 23 ist wiederum dergestalt gewählt, daß hA > hB gilt. Es ist also vorgesehen, daß die Oberseite des Abdeckelementes 24 die Höhe der Verbindungsleitungen 26a - 26i in den Kontaktierungsbereichen 25a - 25i übersteigt.
In diesem Ausführungsbeispiel ist numnehr lediglich beim mittleren der Detektorelemente 23a, 23bJ , 23b.2, 23b.3, 23b.4, 23c eine Strukturierung 27 vor dem strahlungsempfindlichen Flächenbereich, d.h. eine Abtastteilung, erforderlich. Im Gegensatz zum oben erläuterten Ausführungsbeispiel ist diese Strukturierung 27 bzw. die Abtastteilung nicht vollständig auf dem Abdeckelement 24 angeordnet; vielmehr ist zusätzlich vorgesehen, ein grob strukturiertes Detektorelement einzusetzen, welches eine Grob-Strukturie- rung bereits als integralen Bestandteil des strahlungsempfindlichen Flächenbereiches aufweist. Hierzu sind im gezeigten Beispiel vier Detektorberereiche 23bJ, 23b.2, 23b.3, 23b.4 vorgesehen. Eine weitere Strukturierung 27 in Form einer Gitter-Feinstrukturierung ist wie im vorherigen Ausführungsbeispiel auf der Unterseite des Abdeckeiementes 24 angeordnet.
Grundsätzlich kann auch bei diesem Ausführungsbeispiel noch zusätzlich vorgesehen werden, in den Kontaktierungsbereichen 26a - 26i als weitere Schutzmaßnahme eine geeignete Vergußmasse anzuordnen.
Eine dritte mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Abtasteinheit sei anhand der Figur 3 erläutert, die wiederum eine seitliche Schnittansicht derselben zeigt. Im Hinblick auf die Bauelemente etc. entspricht dieses - 11 -
Ausführungsbeispiel wiederum demjenigen aus Figur 1 a und 1 b. Nachfolgend sei lediglich auf Unterschiede zu den vorherigen Varianten eingegangen.
Auf einem Trägerelement 31 sind wiederum ein oder mehrere Detektorelemente 33c, 33d angeordnet, deren strahlungsempfindliche Flächen vom Trägerelement 31 weg orientiert sind. Unmittelbar auf den strahlungsempfindlichen Detektorelementen 33c, 33d ist wieder das Abdeckelement 34 in Form einer Glasplatte mit Strukturierungen 37c, 37d angeordnet, beispielsweise aufgeklebt. Die Strukturierungen 37c, 37d fungieren etwa wiederum als Abtastteilungen.
Zum Schutz der Verbindungsleitungen 36d, 36c, die zur Kontaktierung der Detektorelemente 33c, 33d vorgesehen sind, weist das Abdeckelement 34 in dieser Ausführungsform nunmehr in den Kontaktierungsbereichen 35c, 35d taschenförmige Ausnehmungen 39c, 39d auf. Die Ausnehmungen 39c, 39d bzw. die verbleibende Dicke des Abdeckelementes 34 über den Ausnehmungen 39c, 39d sind hierbei derart dimensioniert, daß die Verbindungsleitungen 36d, 36c in diesem Bereich problemlos anzuordnen sind. Oberhalb der Verbindungsleitungen 36c, 36d befindet sich in dieser Ausführungsform das im Ausnehmungsbereich dünner ausgebildete Abdeckelement 34. Derart sind die Kontaktierungsleitungen 36c, 36d geschützt und können nicht durch die relativ hierzu bewegliche Maßstabteilung beschädigt werden. In den jeweiligen Randbereichen liegt das Abdeckelement 34 auf Stützelementen 38a, 38b auf, die auf dem Trägerelement 31 angeordnet sind. Die Ausnehmungen 39c, 39d im Glas-Abdeckelement 34 lassen sich beispielsweise durch ein Ultraschall-Bohrverfahren geeignet fertigen und dimensionieren.
Selbstverständlich können die anhand des zweiten und dritten Ausführungs- beispieies erläuterten Maßnahmen auch in Verbindung mit anderen optoelektronischen Bauelementen realisiert werden, beispielsweise Lichtquellen etc.. Zudem sei darauf hingewiesen, daß sich die anhand der Ausführungs- - 12 -
beispiele erläuterten Einzelmaßnahmen selbstverständlich auch kombinieren und abändern lassen.

Claims

- 13 -Ansprüche
1. Abtasteinheit für eine optische Positionsmeßeinrichtung, geeignet zur optischen Abtastung einer Maßstabteilung (10), um darüber positionsabhängige Abtastsignale zu erzeugen mit a) einem Trägerelement (2; 21;31), b) mindestens einem optoelektronischen Bauelement (3a, 3b, 3c, 3d;
23a, 23bJ , 23b.2, 23b.3, 23b.4, 23c; 33c, 33d), welches auf dem Trägerelement (2; 21; 31) angeordnet ist, wobei ein strahlungsempfindlicher oder ein strahlungsemittierender Flächenbereich des Bauelementes (3a, 3b, 3c, 3d; 23a, 23bJ , 23b.2, 23b.3, 23b.4, 23c; 33c, 33d) abgewandt zum Trägerelement (2; 21 ; 31) orientiert ist, c) mindestens einer elektrisch leitfähigen Verbindungsleitung (6a, 6b, 6c, 6d; 26a - 26i; 36c, 36d) zwischen dem Trägerelement (2; 21 ; 31) und einem Kontaktierungsbereich (5a, 5b, 5c, 5d; 25a - 25i; 35c, 35d) des Bauelementes (3a, 3b, 3c, 3d; 23a, 23bJ, 23b.2, 23b.3, 23b.4, 23c; 33c, 33d) und d) einem zumindest teiltransparenten Abdeck- Element (4; 24; 34), welches d1) zumindest in Teilbereichen eine Strukturierung (7a, 7b, 7c, 7d; 27; 37c, 37d) aufweist und d2) unmittelbar auf dem strahlungsempfindlichen und/oder strah- lungsemittierenden Flächenbereich des Bauelementes (3a, 3b, 3c, 3d; 23a, 23bJ , 23b.2, 23b.3, 23b.4, 23c; 33c, 33d) derart angeordnet ist, daß der Kontaktierungsbereich (5a, 5b, 5c, 5d; 25a - 25i; 35c, 35d) des Bauelementes (3a, 3b, 3c, 3d; 23a, 23bJ , 23b.2, 23b.3, 23b.4, 23c; 33c, 33d) davon nicht bedeckt ist und d3) die Dicke des Abdeck-Eiementes (4; 24; 34) derart gewählt ist, daß die Oberseite des Abdeckelementes (4; 24;34) die Höhe (hB) der - 14 -
Verbindungsleitung (6a, 6b, 6c, 6d; 26a - 26i; 36c, 36d) im Kontaktierungsbereich (5a, 5b, 5c, 5d; 25a - 25i; 35c, 35d) übersteigt.
2. Abtasteinheit nach Anspruch 1 , wobei das Trägerelement (2; 21 ; 31) als Platine mit darin integrierten Signalleitungen ausgebildet ist.
3. Abtasteinheit nach Anspruch 1 , wobei das Abdeck-Element (4; 24; 34) aus Glas besteht.
4. Abtasteinheit nach Anspruch 1 , wobei das Abdeck-Element (4; 24; 34) mittels eines Klebstoffes auf dem Bauelement (3a, 3b, 3c, 3d; 23a, 23bJ , 23b.2, 23b.3, 23b.4, 23c; 33c, 33d) angeordnet ist.
5. Abtasteinheit nach Anspruch 1 , wobei die Verbindungsleitung (6a, 6b, 6c, 6d; 26a - 26i; 36c, 36d) als Bonddraht ausgebildet ist.
6. Abtasteinheit nach Anspruch 1 , wobei im Kontaktierungsbereich (5a, 5b, 5c, 5d; 25a - 25i) des Bauelementes (3a, 3b, 3c, 3d; 23a, 23bJ , 23b.2, 23b.3, 23b.4, 23c) eine Vergußmasse (8) angeordnet ist.
7. Abtasteinheit nach Anspruch 1 , wobei das optelektronische Bauelement (3a, 3b, 3c, 3d; 23a, 23bJ , 23b.2, 23b.3, 23b.4, 23c; 33c, 33d) als Lichtquelle oder als Detektorelement ausgebildet ist.
8. Abtasteinheit nach Anspruch 1 , wobei das Abdeckelement (4; 24; 34) auf derjenigen Seite, die dem Bauelement (3a, 3b, 3c, 3d; 23a, 23bJ , 23b.2, 23b.3, 23b.4, 23c; 33c, 33d) zugewandt ist, die Strukturierung aufweist.
9. Abtasteinheit nach Anspruch 8, wobei die Strukturierung als Sende- oder als Abtastteilung ausgebildet ist. - 15 -
10. Abtasteinheit nach Anspruch 8, wobei auf dem Abdeckelement (4) mehrere Teilbereiche mit Strukturierungen (7a, 7b, 7c, 7d) angeordnet sind.
11. Abtasteinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß mehrere optoelektronische Bauelemente (23a, 23bJ , 23b.2, 23b.3, 23b.4, 23c) in ein flächiges Trägersubstrat (23) integriert auf dem Trägerelement (21) angeordnet sind.
12. Abtasteinheit nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß das über den optoelektronischen Bauelementen (23a, 23bJ , 23b.2, 23b.3, 23b.4,
23c) angeordnete Abdeckelement (24) zumindest in Teilbereichen eine Feinstrukturierung (27) trägt und mehrere Bauelemente (23bJ , 23b.2, 23b.3, 23b.4) als in das Trägersubstrat (23) integrierte optoelektronische Detektorelemente ausgebildet sind.
13. Abtasteinheit nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Abdeckelement (34) im Kontaktierungsbereich (35c, 35d) eine taschenför- mige Ausnehmung (39c, 39d) aufweist.
14. Abtasteinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Abdeckelement (34) in den Randbereichen benachbart zur Ausnehmung (39c, 39d) auf Stützelementen (38a, 38b) aufliegt.
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