WO2012059240A1 - Encoderscheibe und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Encoderscheibe, die mindestens ein Encoderelement und mindestens eine Trägerschicht enthält, wobei das Encoderelement an mindestens einer seiner Seiten mit der Trägerschicht verbunden ist.
Description
Encoderscheibe und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die Erfindung betrifft eine Encoderscheibe mit einem sandwichartigen Aufbau und ein Verfahren zu ihrer
Herstellung .
Bisher bekannt sind Encoderscheiben aus Kunststoff, Metall oder Glas. Allen diesen Encoderscheiben ist gemein, dass sie auf ihrer Fläche ein Muster aufweisen, das mit
geeigneten Messinstrumenten gelesen werden kann. Zum
Beispiel weisen Encoderscheiben oftmals Signallöcher auf, welche sich bei der Drehung der Encoderscheibe durch eine Lichtschranke zwischen Sender und Empfänger dieser
Lichtschranke bewegen und für die Drehung charakteristische LichtSignale zu dem Empfänger durchlassen.
Auf diese Weise lassen sich Rotationsbewegungen, z.B. eines Motors, oder mit entsprechenden Vorkehrungen auch
Translationsbewegungen, z.B. einer Computermaus, genau erfassen.
Zu einer möglichst exakten Messung der Drehung der
Encoderscheiben ist es notwendig, dass die Löcher eine genau vorgegebene Form haben, deren Abmessungen möglichst genau bei der Fertigung eingehalten wurden.
Dabei hängt die Exaktheit bei der Fertigung im Hinblick auf eine wirtschaftliche Herstellung in der Regel von der Dicke der Encoderscheibe ab. Je dünner diese Scheibe ist, desto günstiger ist eine Herstellung mit exakter Einhaltung der erforderlichen Abmessungen möglich.
Nachteil der bestehenden EncoderScheiben ist, dass mit abnehmender Dicke die Stabilität der Scheiben rapide abnimmt .
BESTÄTIGUNGSKOPIE
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Encoderscheibe zur Verfügung zu stellen, welche die oben aufgeführten Nachteile überwindet und eine sehr genaue Fertigung, insbesondere der Signallöcher, mit minimalen Herstellungskosten gewährleistet .
Die Aufgabe wird durch eine Encoderscheibe gelöst, bei der mindestens ein Encoderelement an mindestens einer seiner Seiten mit einer insbesondere durchsichtigen Trägerschicht, vorzugsweise vollflächig verbunden ist.
Dabei bezeichnet der Begriff ' Encoderelement 1 ein Element, welches die für eine Encoderscheibe charakteristischen Aufgaben erfüllt. Insbesondere lässt dieses Element nur an klar definierten Stellen Licht hindurch und ist an anderen Stellen lichtundurchlässig.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind dabei die
lichtundurchlässigen Bereiche dermaßen ausgestaltet, dass weniger als ein Promille, bevorzugt weniger als 1 ppm der einfallenden Intensität reflektiert wird. Insbesondere werden von den lichtundurchlässigen Bereichen über 99,9%, bevorzugt über 99,9999% der einfallenden Intensität
absorbiert .
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Encoderelement an klar definierten Stellen reflektierende Bereiche auf und an anderen Stellen nichtreflektierende Bereiche .
Auf diese Weise wird einfallendes Licht entsprechend der Bewegung des Encoderelements hindurchgelassen oder
reflektiert, wenn es in den Strahlengang einer
Lichtschranke gebracht wird.
Die Anordnung dieser charakteristischen Bereiche wird im
Folgenden auch als 'optisches Image' bezeichnet.
Vorzugsweise ist das Encoderelement wie eine Encoderscheibe aufgebaut, mit dem Unterschied, dass es zu dünn ist, um alleine für sich die Funktion einer Encoderscheibe
zuverlässig zu erfüllen.
In Folgenden wird von jeweils einem Encoderelement
gesprochen. Dies schließt jedoch den Fall nicht aus, dass dieses Encoderelement aus einer Gruppe von verschiedenen (Teil- ) Encoderelementen besteht, z.B. aus einem Laminat mehrerer folienartiger Encoderelemente.
Mit der vorliegenden Erfindung können wesentlich dünnere Encoderelemente zum Einsatz gebracht werden als jene, die bereits als Encoderscheiben verwendet werden, ohne
Stabilitätsprobleme der Encoderscheibe befürchten zu müssen.
Bevorzugte Maße für die Dicke eines Encoderelements liegen bei maximal 0,1 mm, besonders bevorzugt bei maximal 0,05 mm, insbesondere maximal 0,005 mm.
Jedoch weist das Encoderelement besonders bevorzugt eine Mindestdicke auf, die von dem Material des Encoderelements abhängt. Die Mindestdicke ist so bemessen, dass kein Licht, d.h. zumindest weniger als 1 ppm der einfallenden
Intensität, insbesondere 1 ppb dieser Intensität, durch das Material des Encoderelements hindurchdringen kann.
Mittels dem Fachmann bekannter Messungen kann die
Mindestdicke für jedes Material ermittelt werden.
Bevorzugte Encoderelemente bestehen aus mindestens einem Metall oder einem Verbund aus mehreren Metallen. Bevorzugt sind Metalle der Gruppe Eisen, Stahl, insbesondere
Edelstahl, Aluminium, Nickel und Invar.
Im Handel sind standardmäßig metallene Encoderscheiben erhältlich, welche bevorzugt als Encoderelemente dienen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bestehen die Encoderelemente aus einer bearbeiteten Metallfolie oder einem Verbund aus mehreren Metallfolien.
Metallene Encoderelemente werden bevorzugt im fachbekannten Ätzverfahren oder im galvanischen additiven Aufbauverfahren hergestellt. Darüber hinaus werden sie auch bevorzugt mit Hilfe des Laserschneidens oder auch in herkömmlicher
Stanztechnik hergestellt.
Die Form der Encoderelemente ist beliebig, solange sie eine Encoderfunktion erfüllen, wie sie dem Fachmann bekannt ist, und flach sind.
Typische Ausführungsformen sind inkrementale, absolute Taktscheiben. Sondertypen sind z. B. archimedische
Spiralen.
Die Trägerschicht besteht vorzugsweise aus optisch
transparenten Werkstoffen.
Ein bevorzugter Werkstoff für die Trägerschicht ist
Kunststoff, oder ein Kunststofflaminat .
Bevorzugt werden Kunststoffe der Gruppe Polyester,
Polyvinylchlorid (PVC) , Polyethylenterephthalat (PET) , Polycarbonate (PC) und Polymethylmethacrylat (PMMA) oder deren Derivate.
Die Trägerschicht weist bevorzugt eine größere Steifigkeit als das Encoderelement auf und hat insbesondere eine größere Dicke. Dies unterstützt eine Stabilisierung des
Encoderelements .
Die Form der Trägerschicht ist beliebig. Bevorzugt werden jedoch Formen, die mindestens eine Symmetrieachse
aufweisen, insbesondere vieleckige und runde Formen.
Vorzugsweise überdeckt die Trägerschicht das Encoderelement vollflächig, insbesondere hat die Trägerschicht dieselbe äußere Form wie das Encoderelement.
Ist das Encoderelement zwischen zwei Trägerschichten eingebettet, haben die beiden Trägerschichten vorzugsweise dieselbe äußere Form.
Encoderscheiben drehen sich in der Regel um eine zentrale Achse. Dazu weisen sie oftmals schon eine Achse in ihrem Zentrum auf oder ein zentrales Loch, durch das eine Achse hindurch geschoben werden kann.
Ebenso weist mindestens ein Trägerelement ein zentrales Loch oder eine zentrale Achse auf, wobei in dem Fall, dass es eine Achse aufweist, diese ebenfalls vorzugsweise ein zentrales Loch hat, also längs der Längsachse eine Bohrung aufweist .
Im Folgenden wird lediglich der Fall eines Lochs in der Trägerschicht behandelt, wobei alle Ausführungen auch auf eine Achse mit einer zentralen Bohrung anzuwenden ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die
Trägerschichten ein zentrales Loch auf, welches
konzentrisch mit dem Loch des Encoderelements oder dessen Achse überlappt und insbesondere einen größeren Durchmesser als das Loch des Encoderelements oder dessen Achse hat.
Dies hat den Vorteil, dass die Montage der Encoderscheibe durch alle bekannten Klebe- und Laminierungsprozesse erfolgen kann, insbesondere durch optische Klebeprozesse. Der Durchmesser des zentralen Lochs wird im Folgenden auch mit 'Lochdurchmesser1 bezeichnet.
Während des Klebe- bzw. Laminierungsvorgangs werden die einzelnen Komponenten einfach mit Führungselementen durch diese Lochdurchmesser geführt.
Für den Fall, dass alle Lochdurchmesser gleich groß sind, wird vorzugsweise ein Führungselement verwendet, dessen Außendurchmesser den Lochdurchmessern entspricht. Wie auf einer gemeinsamen Achse können die Trägerfolien und
Encoderelemente einfach dadurch zum Verbinden geführt werden. Das Trägerelement kann danach insbesondere als Achse dienen.
Bevorzugte Führungselemente für den Fall, dass der
Lochdurchmesser einer Trägerschicht größer ist als der Lochdurchmesser des Encoderelements, haben die Form von Rohren und sind so gestaltet, dass sie ohne Spiel
konzentrisch längs ihrer Längsachsen ineinander beweglich sind (ähnlich einem Teleskop) und das äußere Element einen Außendurchmesser hat, der dem Lochdurchmesser der
Trägerschicht entspricht, und das innere Element einen Außendurchmesser, der dem Lochdurchmesser des
Encoderelements entspricht, oder dass das innere Element die Achse des Encoderelements ist.
Dieser Aufbau der Führungselemente hat den Vorteil, dass die Exzentrizität der Encoderscheibe durch die Führung des inneren Lochs des Encoderelements zu dem inneren Loch einer
Trägerschicht minimal ist. Ein Zusammenbau mit Hilfe von Lupen oder Messmaschinen vor der Klebemontage zur optischen Justage ist bei diesem Herstellungsverfahren nicht nötig.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Außendurchmesser der Trägerschicht gleich oder kleiner als der
Außendurchmesser des Encoderelements. In diesem Falle werden bevorzugt Rohre als Führungselemente verwendet, die diesem Außendurchmesser oder diesen Außendurchmessern entsprechen.
Der Zusammenbau geschieht wie oben für innenliegende
Führungselemente beschrieben. Bei gleichen Durchmessern wird alles von einem Rohr geführt, in dem die Teile der Encoderscheibe geführt werden, bei unterschiedlichen
Durchmessern werden mehrere Rohre verwendet, die die einzelnen Komponenten führen und die teleskopartig
ineinander geschoben werden können.
In einer weiteren Ausführungsform werden innenliegende und außenliegende Führungselemente gemeinsam verwendet.
In einer weiteren Ausführungsform, die insbesondere
Vorteile für sehr dünne Encoderelemente aufweist, wird das Encoderelement auf einer festen Unterlage festgehalten, insbesondere durch Unterdruck oder magnetische/
elektrostatische Kräfte, wobei es relativ zu
Führungselementen, z.B. einem inneren Rohr oder einem äußeren Rohr, ausgerichtet ist.
Bei Stanzprozessen kann dieses äußere Rohr das Element sein, welches dem Encoderelement die äußere oder innere Form gegeben hat. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass das Encoderelement automatisch exakt relativ zum
Führungselement angeordnet ist.
Die Trägerfolie wird nun relativ zu diesen
Führungselementen mittels dieser oder zusätzlicher
Führungselemente auf das Encoderelement aufgebracht und mit diesem in einem weiteren Schritt fest verbunden.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass durch das Festhalten des Encoderelements dieses bei Aufbringen der Trägerschicht nicht verrutschen oder verknittern kann und sich
insbesondere eine exakte Justierung automatisch ergibt. Eine weitere Trägerschicht kann in einem folgenden Schritt aufgebracht werden, wobei nun das Encoderelement durch die erste Trägerschicht sicher stabilisiert wird.
Der galvanische Herstellungsprozess von Encoderscheiben aus Metall ergibt die größtmögliche Präzision der Innenbohrung zum optischen Image, da alles in einem einzigen Prozess hergestellt wird. Der verkleinerte Innendurchmesser des Encoderelements gegenüber der einzelnen oder beiden
Trägerschichten ermöglicht für die Montage die bestmögliche Positionierung des Sandwiches auf eine gegebene Motorwelle. KunststoffScheiben als Trägerschichten können sehr
kostengünstig und einfach in herkömmlicher Stanz- oder Satztechnik hergestellt werden.
Der Klebeprozess selbst kann durch alle zur Verfügung stehenden Klebeprozesse, insbesondere optisch einwandfreie Klebeprozesse, vorzugsweise UV-Klebung oder durch das
Aufbringen von insbesondere optisch klaren, zweiseitigen Klebefolien oder lichtdurchlässigen Klebstoffen,
insbesondere lichtdurchlässigen Klebstoffen, durchgeführt werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Encoderscheibe besteht aus einer Lage durchsichtigen Kunststoffs als
Trägerschicht, mit der eine Seite eines Encoderelements aus Metall fest verbunden ist.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform befindet sich das insbesondere metallene Encoderelement zwischen zwei Lagen eines durchsichtigen Kunststoffs, ähnlich einem Sandwich.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind Aussparungen im Encoderelement bevorzugt mit einem Material verfüllt, das den gleichen Brechungsindex aufweist wie die Trägerschicht. Dadurch wird, insbesondere bei einem sandwichartigen Aufbau der Encoderscheibe, eine störende Beugung und Brechung beim Durchgang von Lichtstrahlen durch die Trägerschicht im Bereich des Encoderelements verhindert.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein, oder jedes, Trägerelement an der dem Encoderelement
abgewandten Seite entspiegelt, so dass dort auftreffendes Licht nicht von der entsprechenden Oberfläche des
Trägerelements reflektiert wird.
Auf diese Weise wird störende Streustrahlung, die durch ungewollte Reflexionen entsteht, verhindert und die
Messgenauigkeit der Encoderscheibe dadurch verbessert.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das Encoderelement noch zusätzlich mit optischen Folien, die temperaturbeständig sind, in Form eines Laminats verbunden.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Encoderscheibe ist, dass viele geometrische Lösungen, wie z.B. eine
archimedische Spirale, damit problemlos realisiert werden können, da die Trägerschicht eine gute Ebenheit der Scheibe ermöglicht. Typische Anwendung für eine solche Scheibe ist als Absolutgeberscheibe für Lenkwinkelsensoren.
Zudem ist eine äußerst preisgünstige Herstellung möglich, wobei der Montageprozess der erfindungsgemäßen
Encoderscheiben vollautomatisch bei gleichbleibender
Genauigkeit erfolgen kann.
Mit der abnehmenden Dicke des Encoderelements können sehr hoch auflösende Encoderelemente mit z.B. mehr als 180
Linien pro Inch realisiert werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass die Encoderscheibe bei extremen
Beschleunigungen, wie sie bei z.B. bürstenlosen
Gleichstrommotoren üblich sind, zerstört werden.
Beispiele für erfindungsgemäße Encoderscheiben sind in den Abbildungen dargestellt.
Figuren 1A und 1B zeigen mögliche Encoderelemente.
Figuren 2A und 2B zeigen eine Seitenansicht des Aufbaus einer erfindungsgemäßen Encoderscheibe.
Figur 3 zeigt schematisch die Aufbaumethode einer
erfindungsgemäßen Encoderscheibe .
In Figur 1A ist ein herkömmliches inkriminierendes
Encoderelement mit Löchern in seinem äußeren Bereich dargestellt, durch die Licht einer oder mehrerer
Lichtschranken fallen und dadurch Informationen über die Bewegung der EncoderScheibe geben kann.
Figur 1B zeigt ein Encoderelement mit einer archimedischen Spirale .
In Figur 2A ist in Seitenansicht eine Encoderscheibe dargestellt, welche aus einem Encoderelement (1) besteht,
das an seiner einen Seite mit einer Trägerschicht (2) verbunden ist. Figur 2B stellt den Fall dar, dass das Encoderelement (1) mit beiden Seiten mit Trägerschichten (2) verbunden ist.
In beiden Figuren ist deutlich in der Mitte zu erkennen, dass der Durchmesser der zentralen Öffnung des
Encoderelements (1) kleiner ist als der Durchmesser der zentralen Öffnung der Trägerschicht (en) (2).
Figur 3 verdeutlicht das Prinzip eines einfachen
Zusammenbaus der Encoderscheibe.
Die Elemente werden parallel zu einer gemeinsamen Achse, die durch den Mittelpunkt aller zentralen Löcher verläuft, mit Hilfe von Abstandshaltern (nicht dargestellt)
aufeinandergelegt. Die Abstandshalter sind bevorzugt, wie oben ausgeführt, teleskopartig ineinandergeschobene Rohre, von denen eines in das zentrale Loch des Encoderelements und das andere oder die anderen in das zentrale Loch einer jeden Trägerschicht passt, so dass jede Trägerschicht parallel längs der gemeinsamen Achse bewegt werden kann und sich so automatisch exakt zu dem Encoderelement
positionieren lässt.
Claims
1. Encoderscheibe, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens ein Encoderelement und mindestens eine
Trägerschicht enthält, wobei das Encoderelement an
mindestens einer seiner Seiten mit der Trägerschicht verbunden ist.
2. Encoderscheibe nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass die Dicke eines jeden Encoderelements kleiner ist als maximal 0,1 mm, besonders bevorzugt maximal 0,05 mm, insbesondere maximal 0,005 mm, und mindestens ein Encoderelement aus Metall besteht, bevorzugt aus einem Metall der Gruppe Eisen, Stahl, Edelstahl, Aluminium, Nickel und Invar.
3. Encoderscheibe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht durchsichtig ist .
4. Encoderscheibe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht eine größere Steifigkeit als das Encoderelement und insbesondere eine größere Dicke als das Encoderelement aufweist, und
vorzugsweise aus einem Kunststoff, oder einem
Kunststofflaminat besteht, insbesondere aus Kunststoffen der Gruppe Polyester, Polyvinylchlorid (PVC) ,
Polyethylenterephthalat (PET) , Polycarbonate (PC) und
Polymethylmethacrylat (PMMA) oder deren Derivaten.
o
5. Encoderscheibe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Encoderelement sowie jede Trägerschicht eine Achse und/oder ein zentrales Loch im Zentrum aufweisen, wobei jede Trägerschicht mit einem zentralen Loch versehen ist, welches konzentrisch mit dem Loch des Encoderelements oder dessen Achse überlappt, und wobei bevorzugt der Lochdurchmesser oder Achsendurchmesser jedes Encoderelements kleiner ist als der Lochdurchmesser jedes Trägerelements.
6. Verfahren zur Herstellung einer Encoderscheibe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Komponenten der Scheibe, Encoderelemente und Trägerschichten miteinander verbunden werden, wobei die einzelnen Komponenten mit Führungseiementen an ihren inneren Löchern oder äußeren Konturen geführt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungselemente die Form von Rohren haben und so gestaltet sind, dass sie ohne Spiel konzentrisch längs ihrer Längsachsen ineinander beweglich sind, und dass vorzugsweise jedes äußere Führungselement einen
Außendurchmesser hat, der dem Lochdurchmesser einer
Trägerschicht entspricht, und das innere Führungselement einen Außendurchmesser hat, der dem Lochdurchmesser des Encoderelements oder der Encoderelemente entspricht.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7 , dadurch
gekennzeichnet , dass das Encoderelement vor der Aufbringung zumindest der ersten Trägerschicht auf einer festen
Unterlage fixiert wird, vorzugsweise mittels Unterdruck oder magnetischer/elektrostatischer Kräfte.
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| DE102010050203A1 (de) | 2012-05-10 |
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