WO2014180968A1 - Optischer winkeldetektor mit strahlformungselement - Google Patents

Optischer winkeldetektor mit strahlformungselement Download PDF

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WO2014180968A1
WO2014180968A1 PCT/EP2014/059496 EP2014059496W WO2014180968A1 WO 2014180968 A1 WO2014180968 A1 WO 2014180968A1 EP 2014059496 W EP2014059496 W EP 2014059496W WO 2014180968 A1 WO2014180968 A1 WO 2014180968A1
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WO
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light
light source
position detector
rotation
axis
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PCT/EP2014/059496
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Inventor
Norbert Petschik
Hans-Joachim MÜNZER
Norbert KIRR
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Scanlab Aktiengesellschaft
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    • G01D5/3473—Circular or rotary encoders

Definitions

  • the invention relates to an optical angular position detector (also referred to as "position detector” for short) for determining the angular position of a rotary element, as used in galvanometer drives, for example.
  • optical angular position detector also referred to as "position detector” for short
  • Such scanning devices are used, for example, in the field of additive manufacturing processes where a laser beam is directed to selected locations of a layer of building material to selectively solidify the building material Ablenkspiegel mounted on a rotatably mounted shaft, whereby the impact of the deflected laser beam can be influenced by turning the mirror
  • the rotational position of the mirror must be adjusted as accurately as possible and iffi g must be checked.
  • a check of the angular position is usually done with a position detector, which determines the angular position.
  • a position detector which determines the angular position.
  • For a high measuring accuracy of such a detector a good temperature stability, a high signal-to-noise ratio and a good reproducibility of the output values are required.
  • With regard to the operating speed it is necessary that the addition of the sensor, the moving mass is not significantly increased during rotation. In view of the handling also a small size of such a detector is advantageous. Since mainly capacitive position detectors have been used in the past, there has recently been a trend toward optical position detectors, since they tend to be cheaper and smaller in size.
  • the optical position detectors there are initially those in which light from a light source penetrates a disk with opaque lines on its way to a detector arrangement, the disk rotating about the axis of rotation of the shaft whose angular position is to be determined.
  • the angle information is coded on the barcode on the disc.
  • the angular position is determined by counting the pulses which are caused by a light / dark transition caused by the movement of the bar code (incremental value transmitter).
  • the absolute angular position can be encoded by the code on the disk (absolute encoder).
  • This application is in contrast directed to such optical position detectors, in which the angular position is determined without the aid of a code (uncoded) from the analog output signal of the detector arrangement.
  • the general operating principle of such an optical detector is that it allows light to fall on a sensor, wherein depending on the angular position of a wave different areas of the sensor surface are covered. Thereby, a correlation is obtained between the signal output from the photosensor area which is proportional to the area to which light is incident and the angular position of the rotating shaft.
  • An example of such a sensor is described in European patent EP 1 071 929 B1.
  • EP 1 071 929 B1 which is described with reference to FIGS.
  • a rotary shaft 114 is housed in a housing 116 and rotatably supported there by means of bearings 118 and 120.
  • a rotating mirror is attached to one end 125 of the shaft 114.
  • the position detector 112. consists of a detector housing 121 in which photosensors 134, 136, 138 and 140, a light blocking element 130 and an LED light source 146 are housed. While the LED light source 146 and the photosensors 134, 136, 138, 140 are fixed, the light blocking member 130 is connected to the rotation shaft 114.
  • the circular-segment-shaped photosensors 134, 136, 138, 140 are arranged symmetrically around the rotary shaft.
  • the light-blocking element 130 has the shape of a tie loop (usually referred to as a "butterfly") and covers different sections of the photosensors depending on its angular position.
  • the measurement accuracy of such a position detector is affected by radial and axial movements of the shaft.
  • EP 1 071 929 B1 uses a wide-angle LED which is arranged as close as possible to the photosensors, so that as much light from the light source as possible is applied to the light source without further intervening optical elements Photo sensors can come up.
  • Such a construction also has the further advantage that it is very compact.
  • the photosensor readout sums up the signals of two photosensors lying opposite one another and supplies the two sum signals thus obtained to the different inputs of a differential amplifier.
  • a basic prerequisite for the above-described position detector of the prior art is the presence of a wide-angle LED, which radiates as homogeneously as possible in all angular directions.
  • a disadvantage of the embodiment just described is that in order to utilize light rays emitted by the LED 41 at a particularly large angle, the diameter of the lens 42 must be quite large.
  • parallel light passes from the lens 42 to the sensors 44, not all of the parallel light is needed because the sensors 44 take only a fraction of the surface of the board 46.
  • FIG. 1 shows a schematic lateral cross section through an angular position detector according to the invention.
  • Fig. 2 shows a plan view of that portion of the angular position detector shown in Fig. 1, in which the detector element and the light blocking element are located.
  • 3 shows the beam path in an angular position detector according to a first embodiment.
  • FIG 4 shows the beam path in an angular position detector according to a second embodiment.
  • FIGS. 5 and 6 show prior art position detectors according to EP 1 071 929 B1 in a side sectional view and in a plan view of the photosensors used in the position detector.
  • Fig. 7 shows a prior art position detector according to US 7,688,432 Bl.
  • Figs. 1 shows a lateral cross section through the position detector according to the invention, which is shown only schematically.
  • Fig. 2 shows a plan view of the detector section with the photosensors and the light blocking element, and Figs. 3 and 4 show the optical paths of the light emitted from the light source using the structure shown in Fig. 1.
  • a section line Sl-Sl is shown, which is intended to indicate the position of the cross-sectional plane in Fig. 1.
  • the present invention is directed to a position detector in which the angular position is determined without the aid of a code (uncoded) from the analog output signal of the detector arrangement.
  • a printed circuit board 9 photosensors 18, 19, 20 and 21, a diaphragm mask 10 and a light blocking element 5 are arranged one above the other.
  • the photosensors 19, 20 are shown only for better understanding. Strictly speaking, no photosensor would be visible along the section line shown in FIG. Not shown in Figure 1 is still a surrounding the overall structure in Fig. 1 housing, which terminates the construction light-tight relative to the environment.
  • FIG. 1 Analogous to the construction of FIG. 5, the construction shown in FIG. 1 is connected to a rotary shaft, to which, for example, a galvanometer mirror can be fastened.
  • the rotary shaft is arranged below the structure in Fig. 1 so that its longitudinal axis, which is also the axis of rotation A, in the vertical direction passes centrally through the fastening screw 12 therethrough.
  • the fixing screw 12 By means of the fixing screw 12 while the light blocking element 5 is fixed to the rotary shaft so that it can rotate with the rotary shaft, while the printed circuit board 9, the photosensors 18, 19, 20 and 21 and the diaphragm mask 10 are stationary.
  • the light blocking element 5 which is a loop-shaped loop in the same way as in the prior art (Butterfly) element is positioned so that its axis of symmetry coincides with the longitudinal axis A of the shaft.
  • the diaphragm mask 10 partially covers the photosensors 18, 19, 20, 21 and has an annular segment-shaped recess above each of the photosensors.
  • An annular segment-shaped recess is advantageous because this results in a uniform shading of the photosensors 18, 19, 20, 21 with a rotation of the tie loop-shaped (butterfly) element results, resulting in a very good linearity.
  • the outer edge of the light blocking element 5 has a greater distance from the longitudinal axis A of the rotary shaft than the outer edge of a circular ring segment.
  • the light-blocking element 5 in the context of the invention may well have a different shape than the "butterfly" shape.
  • the light-blocking element 5 has symmetrically arranged covering regions to its axis of symmetry coincident with the axis of rotation, which are delimited in the circumferential direction by straight lines passing through the symmetry axis, so that straight edges are present at these points.
  • the shape of the light-blocking element 5 has, in particular, an n-fold symmetry (n 2).
  • the recesses in the aperture mask 10 may also have a different shape.
  • photosensors are not necessarily used, but may be two, three, five, six, seven, eight or more photosensors which are also disposed about the rotation axis such that the rotation axis does not pass through any of the photosensors.
  • the photosensors are usually arranged symmetrically about the axis of rotation around, ie, the photosensor array has in a plane perpendicular to the axis of rotation n-counted symmetry (n 2).
  • n 2 a symmetrical Arrangement to a mirror plane (in which the axis of rotation is located) possible.
  • the signals of two photosensors lying opposite one another are summed up analogously to the procedure described in EP 1 071 929 Bl for photosensor readout and the two sum signals thus obtained are added to the different inputs fed to a differential amplifier.
  • the evaluation of the signals of the photosensors can also be carried out in a different manner as an alternative to the procedure described above.
  • a single light source 3 can be used in the present case.
  • This may be a commercially available LED or laser diode. LEDs or else laser diodes which can be used for the present invention may already contain lenses or aperture elements.
  • the light source 3 is shown only schematically, the beam path is shown as if all the rays emanate from a point.
  • FIG. 1 additionally shows a holder 11, for example a printed circuit board, on which the light source 3 is mounted.
  • the basic idea of the present invention is that the better the utilization of the light emitted by the light source 3, the greater the signal delivered by the detector. Ideally, if possible, the entire light emitted by the light source 3 should fall on the photosensors, if one disregards a cover by the light blocking element 5.
  • the light emitted by the light source 3 is therefore directed into an annular region on the printed circuit board 9 with the photosensors 18, 19, 20 and 21, in which the annular segment-shaped Photosensors or circular segment-shaped openings in the aperture mask 10 are. Since this objective can not be achieved with a lens as in FIG. 7, it is the idea of the invention to use a beam-shaping element or beam-shaping element designated by reference numeral 7 in FIG. in the
  • this beam-shaping element 7 is also referred to as free-form element, since the desired beam shaping is achieved in that the beam-forming element 7 has at least one non-planar, non-spherical surface, are reflected at the light rays from the light source in the beam-forming element 7 on their way to the photosensors ,
  • the beam-shaping element 7 in Fig. 1 has a frusto-conical shape, wherein the axis of symmetry of the truncated cone passes through the center of the fastening screw 12 and, when the position detector is attached to a rotary shaft coincides with the axis of rotation A.
  • a truncated cone-shaped recess 4 is present at the light source 3 facing back 30 of the beam-forming element 7 .
  • the fixing screw 12 facing side 32 of the beam-shaping element 7 has a central region 32 a, which is substantially parallel to the plane of the photosensors, and an edge region 32 b. Since the central portion 32a is set back more than the edge portion 32b with respect to the fixing screw 12, the surface 32b corresponds to the side surface of a truncated cone.
  • the side surface 6 of the beam-shaping element 7 has a convex shape. As can be seen in FIG. 1, the side surface 6 can be arched in particular outward relative to the axis of symmetry and be a free-form surface.
  • the precise shaping (curvature) of the individual surfaces of the beam-shaping element 7 can be determined by simulation calculations using commercially available software, for example ASAP. the.
  • the free-flying surfaces can be described for example by polynomials, splines or in another way. Since the side surface 6 may be curved outwards, the shape of the beam-shaping element 7 has been deliberately described above as "frusto-conical".
  • a frusto-conical shape in which the side surface is not curved outward in the sectional view of Fig. 1, is a special case thereof. Since the lateral surface 4b of the recess 4 in the sectional view of Fig. 1 may also have a curvature, the shape of the recess 4 has been generally characterized with "frustoconical".
  • the beam-shaping element 7 made of a plastic material (for example Plexiglas) or e.g. can be made of glass, characterized in that the light is directed not only by refraction, but also by reflection in the beam-shaping element on the photosensors.
  • a reflection takes place on a boundary surface of the beam-shaping element 7 to the outside, namely a reflection on the side surface 6.
  • this is a total reflection, in which more than 99% of the light is reflected in order to have the highest possible light output.
  • one can also work without total reflection e.g. by coating the side surface 6 with a metal. The mere fact that one uses the reflected light on the side surface 6, already leads to an improvement over the case shown in Fig. 7.
  • the invention brings an improvement over the prior art.
  • the improvement is greatest when as little light as possible is lost.
  • the position detector according to the invention also has a compact, space-saving design.
  • FIG. 3 shows the beam path when using a beam-shaping element 7 according to a first embodiment.
  • the arrangement of the light source and the beam-shaping element 7 are identical to the arrangement in Fig. 1.
  • the structure below the beam-shaping element 7 is identical in Fig. 3 to the structure in Fig. 1.
  • a plane 23 is shown schematically in FIG. 3, which is intended to represent a plane in which the planar sensors 18, 19, 20, 21 are arranged.
  • the position of the photosensors 19, 20 is shown only schematically.
  • the light source 3 is arranged close to the side of the beam-shaping element 7 facing away from the photosensors, so that it does not protrude into the recess 4.
  • the rays emanating from the light source 3 are first refracted at the edge of the recess 4 in the beam-forming element 7 and subsequently directed by total reflection on the side surface 6 of the beam-shaping element 7 in the direction of the photosensors 19 and 20, wherein a refraction occurs again on the exit side 32.
  • the exit-side surface 32 is not divided into two parts as in FIG. 1, but essentially flat.
  • the light rays from the light source 3 end at the edge of the recess 4 in the forward direction (at a certain angle around the axis of symmetry when the direction on the axis of symmetry to the photosensors is assumed to be 0 °). This is because at this point the edge of the recess 4 is coated with an opaque material. This prevents light from falling onto the fastening screw 12 and being reflected by it in an uncontrolled manner.
  • the surface of the frusto-conical recess 4 facing the photosensors that is to say the bottom 4a of the recess 4, is opaque to light.
  • the opacity can be accomplished by applying black paint (eg, based on carbon black) as an opaque layer.
  • black paint e.g. based on carbon black
  • an opaque disc e.g. a black anodized aluminum disc may be glued or otherwise attached to the bottom 4 of the recess.
  • the light is focused only on a portion of the photosensors.
  • the "light spot” has the shape of a circular ring, the width of which is significantly smaller than the width of the annular segment-shaped photo sensors 18, 19, 20, 21 or annular segment-shaped openings in the diaphragm mask 10.
  • the reflection of the light on the side surface 6 is thereby a redistribution of the light of the light source causes light that is emitted at small angles in the forward direction (the direction in which the axis A is assumed in FIG. 1 is assumed to be in the 0 ° direction) enters the outer part of the light source Annular ring and light, which is emitted from the light source 3 at undersized emission angles, enters the inner part of the annular region.
  • the beam-shaping element 7 ensures that the largest possible proportion of the light emitted by the light source 3 hits the photosensors. Although a certain angular range of the forwardly radiated light of the light source 3 due to the opaque coating on the
  • Beam shaping element 7 is not used for the illumination of the photosensors, very good signal / noise values were achieved for the position detector according to the invention. This is u. a. that the solid angle part of the light at large emission angles (when the forward emission direction is given as 0 °)
  • Solid angle is meant that portion of a spherical surface surrounding the light source 3, which is penetrated by the light rays emitted by the light source 3, it being assumed that the light source is a point-shaped radiator.
  • a high percentage of the total angular space of the area in which the light source 3 radiates is used. This leads to an improved utilization of the light from the light source 3 even taking into account the fact that the radiation density of the light source at large radiation angles is usually less than at small radiation angles.
  • the angle 14 shown in Fig. 3 at the bottom of the recess 4 is slightly larger than 90 °.
  • the angle can be between 90 ° and 105 °, preferably between 91 ° and 95 °.
  • the inclination of the side walls of the recess 4 influences the refractive behavior. The closer the angle is to 90 °, the further outward the rays are refracted. This results in the result that the beam-shaping element 7 can be configured correspondingly shorter. For angles near 90 °, therefore, a particularly compact construction is achieved.
  • the angle should, however, preferably be slightly greater than 90 °, since this results in advantages in the production of the beam-shaping element 7. Since the beam-shaping element 7 is preferably produced by means of injection molding, an angle of more than 90 ° facilitates removal of the injection-molding tool from the recess 4.
  • the beam-shaping element 7 is held, ie in its position between the light source 3 and the structure consisting of the fastening screw 12, the light blocking element 5 and the photosensors 18, 19, 20, 21 is fixed.
  • the beam-shaping element 7 it is advisable to fix the beam-shaping element 7 on a housing, not shown in the figures, which surrounds the overall construction shown in each case. Since the beam-shaping element 7 is preferably produced by means of injection molding, it is also advisable to form the support elements integrally with the beam-shaping element 7 by injection molding. One might think, for example, of noses, webs or snap hooks as holding devices.
  • the holding elements that provide a positive connection with the housing.
  • the holding elements are arranged on the side surface 6, they should preferably be arranged where there is no reflection of the incident light on the photosensors.
  • a cylindrical housing is especially possible.
  • the connection between the inner cylinder and the beam-shaping element 7 can take place by means of injection molded gleichsStege between beam-shaping element 7 and inner cylinder, so that ultimately the beam-shaping element 7, the connecting webs and the inner cylinder are formed as an integral part by injection molding.
  • the holding elements can also be adhesively bonded to the beam-forming element 7, wherein, if the contact surface between the holding elements and the beam-forming element 7 is at a position where reflection of the light striking the photosensors takes place, a layer is preferably applied which can reflect light toward the interior of the beam-shaping element 7. In this way it is achieved that also the contact areas between the support elements and the beam-shaping element 7 can be used as reflective surfaces.
  • Second embodiment 4 shows the beam path when using a beam-shaping element 207 according to a second embodiment.
  • the second embodiment differs from the first embodiment only by the changed beam-shaping element 207. All other elements of the second embodiment are identical to the first embodiment. Furthermore, all the modifications described with respect to the first embodiment are also applicable to the second embodiment.
  • the surface 232 of the beam-shaping element 207 facing the photosensors 19, 20 is not planar, but, as in FIG.
  • the light beams emitted by the light source 3 do not penetrate the bottom of the frusto-conical recess 204. This is in turn because the bottom 204a of the recess 204 is coated with an opaque material. As in the case of the first embodiment, an opaque layer could of course alternatively be applied to the beam-shaping element 207 in the central region 232a of the exit surface 232.
  • the light beams emitted by the light source 3 are first refracted at the edge (of the lateral surface 204b) of the recess 204 and subsequently directed by total reflection on the side surface 206 in the direction of the photosensors 18, 19, 20, 21, wherein another refraction takes place on the surface 232 ,
  • the side surface 206 is in turn, as in the first embodiment, a free-form surface whose shape has been determined by simulations.
  • the light of the light source 3 is concentrated on a circular ring whose width is greater than the width of the circular segment-shaped photosensors or the circular segment-shaped recesses in the diaphragm mask 10.
  • the beam-shaping element 207 acts as a collimator the parallel light exits at the exit side 232 in the direction of the photosensors.
  • the second embodiment has the following advantage:
  • the light leaving the light source 3 is reshaped by the beam-shaping element 207 in such a way that it is in the form of a
  • Annular ring in the direction of the plane 23 with the photosensors 18, 19, 20 and 21 radiates. Specifically, the presence of the recess 204 and the arrangement of the light source 3 immediately behind the side of the beam shaping element 207 facing away from the photosensors ensures that even under a large beam
  • the light source 3 (the above-defined 0 ° direction) emitted light rays are directed by reflection in the direction of the photosensors. Since the light is reflected on the correspondingly shaped side surface 206 of the beam-shaping element 207 in the direction of the photosensors, more light from the light source 3 is directed to the photosensors than with a diaphragm of the same diameter. In contrast to a diaphragm, the light is not directed into an arbitrarily large area outside the area covered by the photosensors.
  • the annular illumination area generated by the beam-shaping element 207 according to the second embodiment is, in contrast to the first embodiment, wider in the radial direction than the width of the nikringsegraentförmigen photosensors 18, 19, 20, 21 and the annular segment-shaped recesses in the aperture mask 10, however, the width of the annulus does not exceed the width of the circular ring segments or annular segment-shaped recesses to a significant extent. Unlike a shutter, this focuses the light more on the photosensors.
  • the width of the annular illumination region is greater than the width of the circular ring segments or annular segment-shaped recesses, there is also insensitivity to radial displacements of the photosensors with respect to the light source 3.
  • the width of the circular ring region can be adjusted via the shaping of the side surfaces 206 and thus the reflection behavior of the side surfaces 206.
  • the invention is not limited to the explicit embodiment of the two embodiments just described. Rather, the following modifications are possible in both embodiments:
  • the exit surface 32 or 232 need not be planar. Rather, this surface may have a curvature, depressions or steps. For example, a recess may be provided which allows a dipping of the fastening screw 12. As a result, a very small distance between the beam-shaping element and the photosensors 18, 19, 20, 21 together with the light-blocking element 5 can be achieved, such a measure is advantageous in terms of a compact construction.
  • the exit surface 32 or 232 can also be a free-form surface of any desired shape.
  • Their exact design which can be determined by means of simulations (for example by ASAP), then depends on which type of "light spot" is to be generated, that is, which planar shape the light incident on the plane 23 with the photosensors should have.
  • the bottom 4a, 204a of the recess 4 or 204 and / or the lateral surface 4b, 204b may be free-form surfaces.
  • an opaque layer may alternatively or additionally be applied in the central region of the exit side 32 to the Strahlformungselernent 7, ie where the exit side 32 to the mounting screw 12 shows.
  • the opaque layer can be realized in the same way as described for the first embodiment. It should be noted that it is also possible to completely dispense with the attachment of opaque layers to the beam-shaping element 7. In particular, in such a case, the rays should not impinge directly on the photosensors at small angles of radiation which end in the light-impermeable layer in FIGS. 3 and 4 at the bottom 4a and 204a of the recess 4 and 204, respectively.
  • the head of the fastening screw 12 should continue to be blackened to prevent disturbing reflections on the screw head.
  • the shape of the recess 4, 204 and / or the exit side 32, 232 such that the beams are at small angles of radiation, ie for angles smaller than + 30 ° or less ⁇ 25 °, targeted to the blackened head of the mounting screw 12 are directed.
  • the screw head has a recess (for example, a hexagon socket), you can also direct the rays targeted in this recess. In this procedure, you can even do without blackening of the screw head, although a blackening in this case is beneficial.
  • the recess 4 or 204 may have inwardly curved side walls 4b tapering at the bottom.
  • the area in which the side walls 4b meet may be similar to the area around the lowest point of a common or shortened cycloid.
  • the light source 3 can also dip into the recess. If the light source does not protrude into the recess 4 or 204, the distance between the light source and beam-shaping element should be so small that as far as possible all the rays of the light source (including those at large radiation angles) strike the beam-shaping element.
  • the beam-shaping element has a rotationally symmetrical shape
  • the surfaces 30 and 230 opposite the light source and / or the surfaces 32 and 232 opposite the photosensors are polygons.
  • the beam-shaping element 7, 207 and / or the recess 4, 204 may have a pyra truncated-stump-like shape.
  • the free-form surface in the beam-forming element, on which the light is reflected, does not necessarily have to be nikzylinderför mig.
  • the light blocking element although the invention is not limited thereto, in the present invention in particular special with a diameter below 10 mm, preferably be formed between 2 and 9 mm.
  • position detectors in which the angular position is coded come up against limits with increasing demands on the accuracy of the angle measurement. The reason is that in the coding position detectors which usually use a coding disc, the angular resolution can be obtained only by increasing the disc diameter, since the bar code on the disc can not be formed with arbitrary fineness.
  • the moment of inertia with respect to the axis of rotation, it is so that with the present invention position detectors with a particularly low moment of inertia of the rotating about the axis of rotation element (here the light blocking element) can be realized.
  • the moment of inertia of the element (here the light blocking element) rotating about the axis of rotation may be below 0.010 g-cm 2 , preferably below 0.008 g-cm 2, and more preferably below 0.006 g-cm 2 .
  • even position detectors can be realized in which the moment of inertia of the rotating about the axis of rotation element (here the light blocking element) is between 0.003 and 0.004 g-cm 2 .
  • the (angle) position detector according to the invention can be used in a scanning device mentioned in the introduction, by means of which a light beam, in particular a laser beam, is directed to different points of a surface in order to detect properties at these points or there To perform machining operation using the laser beam.
  • the angular position of a rotating mirror used for the deflection of the light beam, which is attached to a connected to the light blocking element 5 axis of rotation A can then be determined and for the control of a scan can be used.
  • the position detector according to the invention can be used in a scanning device, as described in EP 1 295 090 B1. Details of the use in a scanning device (an example of the mechanical attachment of a Winkelpositi onsdetektors in a scanning device) are already described in EP 1 295 090 Bl and therefore will not be repeated here.

Abstract

Ein Positionsdetektor zum Bestimmen des Drehwinkels eines um eine Drehachse (A) drehbaren Elements enthält eine Lichtquelle (3), ein Detektorelement (18, 19, 20, 21) zum Erfassen der von der Lichtquelle (3) emittierten Lichtstrahlung, das um die Drehachse (A) herum angeordnet ist, ein Strahlumformungselement (7, 207), das so zwischen der Lichtquelle (3) und dem Detektorelement (18, 19, 20, 21) angeordnet ist, dass Licht von der Lichtquelle (3) zu dem Detektorelement (18, 19, 20, 21) gelenkt wird, und ein Lichtblockierelement (5), das zwischen dem Strahlumformungselement (7, 207) und dem Detektorelement (18, 19, 20, 21) so angeordnet ist, dass es sich zusammen mit dem drehbaren Element um die Drehachse (A) drehen kann, wodurch in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Lichteinfall auf unterschiedliche Teilbereiche des Detektorelements (18, 19, 20, 21) verhindert wird. Das Strahlumformungselement (7, 207) weist eine Freiformfläche (6, 206) auf, an der das Licht der Lichtquelle (3) auf seinem Weg zum Detektorelement (18, 19, 20, 21) reflektiert wird.

Description

Optischer Winkeldetektor mit Strahlformungselement
Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Winkelpositions- detektor (auch nur kurz "Positionsdetektor genannt) zur Ermittlung der Winkelstellung eines Drehelements, wie es beispielsweise in Galvanometer-Antrieben zum Einsatz kommt. Neben der Bewegung von Leseköpfen in Festplattenspeichern und CD-Spielern kommen Galvanometer-Antriebe insbesondere zur Drehung von Spiegeln in (Laser- ) Scanvorrichtungen zum Einsatz. Solche Scanvorrichtungen werden beispielsweise auf dem Gebiet der generativen Fertigungsverfahren eingesetzt, wo ein Laserstrahl auf ausgewählte Stellen einer Schicht eines Baumaterials gelenkt wird, um selektiv das Baumaterial zu verfestigen. Hierzu ist ein Ablenkspiegel an einer drehbar angeordneten Welle befestigt, wodurch die Auftreffstelle des abgelenkten Laserstrahls mittels Drehen des Spiegels beeinflusst werden kann. Es ist offensichtlich, dass für eine hohe Fertigungsgenauigkeit die Drehposition des Spiegels möglichst exakt eingestellt werden muss und ständig über- prüft werden muss.
Eine Überprüfung der Winkelstellung erfolgt normalerweise mit einem Positionsdetektor, der die Winkelstellung ermittelt. Für eine hohe Messgenauigkeit solch eines Detektors ist eine gute Temperaturstabilität, ein hohes Signal-/Rausch-Verhältnis und eine gute Reproduzierbarkeit der ausgegebenen Werte erforderlich. Im Hinblick auf die Betriebsgeschwindigkeit ist es erforderlich, dass durch das Hinzufügen des Sensors die bewegte Masse bei der Drehung nicht wesentlich erhöht wird. Im Hinblick auf die Handhabbarkeit ist ebenfalls eine geringe Baugröße solch eines Detektors von Vorteil. Nachdem in der Vergangenheit hauptsächlich kapazitive Positionsdetektoren eingesetzt wurden, geht in letzter Zeit der Trend zu optischen Positionsdetektoren, da diese tendenziell kostengünstiger und kleiner hergestellt werden können.
Bei den optischen Positionsdetektoren gibt es zunächst solche, bei denen Licht von einer Lichtquelle auf seinem Weg zu einer Detektoranordnung eine Scheibe mit lichtundurchlässigen Strichen durchdringt, wobei die Scheibe sich um die Drehachse der Welle, deren Winkelstellung ermittelt werden soll, dreht. Die Winkelinformation ist dabei über den Strichcode auf der Scheibe codiert. Einerseits wird die Winkelposition durch Zählen der Impulse ermittelt, die durch einen durch die Bewegung des Strichcodes hervorgerufenen Hell-/Dunkel-Übergang hervorgerufen werden (Inkre- mentalwertgeber) . Alternativ kann die absolute Winkelstellung durch den Code auf der Scheibe codiert sein (Absolutwertgeber) .
Diese Anmeldung ist im Gegensatz dazu auf solche optischen Positionsdetektoren gerichtet, bei denen die Winkelstellung ohne Zu- hilfenahme eines Codes (uncodiert) aus dem analogen Ausgangssignal der Detektoranordnung ermittelt wird. Das generelle Wirkprinzip solch eines optischen Detektors besteht darin, dass man Licht auf einen Sensor fallen lässt, wobei in Abhängigkeit von der Winkelstellung einer Welle unterschiedliche Bereiche der Sensorfläche abgedeckt sind. Dadurch erhält man eine Korrelation zwischen dem vom Lichtsensorbereich ausgegebenen Signal, welches proportional der Fläche ist, auf die Licht fällt, und der Winkelstellung der Drehwelle. Ein Beispiel solch eines Sensors ist in dem europäischen Patent EP 1 071 929 Bl beschrieben. Bei dem Positionsdetektor gemäß EP 1 071 929 Bl, der mit Bezug auf Fig. 5 und 6 beschrieben wird, ist eine Drehwelle 114 in einem Gehäuse 116 untergebracht und dort mittels der Lager 118 und 120 drehbar gelagert. Ein Drehspiegel ist an dem einen Ende 125 der Welle 114 angebracht. An dem anderen Ende 132 der Welle befindet sich der Positionsdetektor 112. Letzterer besteht aus einem Detektorgehäuse 121, in dem Fotosensoren 134, 136, 138 und 140, ein Lichtblockierelement 130 sowie eine LED-Lichtquelle 146 untergebracht sind. Während die LED-Lichtquelle 146 und die Fotosensoren 134, 136, 138, 140 ortsfest sind, ist das Lichtblockierelement 130 mit der Drehwelle 114 verbunden.
Wie insbesondere der Fig. 6 zu entnehmen ist, sind die kreis- ringsegmentförmigen Fotosensoren 134, 136, 138, 140 symmetrisch um die Drehwelle herum angeordnet. Das Lichtblockierelement 130 hat die Gestalt einer Krawattenschleife (üblicherweise als "But- terfly" bezeichnet) und überdeckt in Abhängigkeit von seiner Winkelstellung unterschiedliche Teilbereiche der Fotosensoren.
Die Messgenauigkeit bei solch einem Positionsdetektor wird durch Radial- und Axialbewegungen der Welle beeinträchtigt.
Um ein möglichst hohes Signal-/Rauschverhältnis zu erzielen, wird in EP 1 071 929 Bl eine Weitwinkel-LED verwendet, welche möglichst nahe an den Fotosensoren angeordnet ist, so dass möglichst viel Licht von der Lichtquelle ohne weitere dazwischen- liegende optische Elemente auf die Fotosensoren einfallen kann. Solch ein Aufbau hat auch den weiteren Vorteil, dass er sehr kompakt ist. Für eine erhöhte Unempfindlichkeit gegenüber radialen Bewegungen der Welle 114 werden bei der Fotosensorauslese die Signale zweier einander gegenüberliegender Fotosensoren auf- summiert und die dadurch erhaltenen beiden Summensignale den unterschiedlichen Eingängen eines Differenzverstärkers zugeführt. Grundvoraussetzung für den oben beschriebenen Positionsdetektor des Standes der Technik ist das Vorhandensein einer Weitwinkel- LED, welche möglichst homogen in alle Winkelrichtungen abstrahlt. Da solch eine Homogenität bei Weitwinkel-LEDs nur in eingeschränktem Maße erzielbar ist, besteht die Gefahr, dass die unterschiedlichen Fotosensoren unterschiedliche AusgangsSignale liefern, da sie unterschiedlich viel Licht erhalten, was letztendlich zu einer verringerten Genauigkeit der Winkelmessung, insbesondere zu einer ungenügenden Linearität, führt.
Ferner resultiert aus einer nahen Anordnung einer Weitwinkel-LED an den Fotosensoren aber auch eine verstärkte Abhängigkeit der Ausgangssignale des Positionsdetektors gegenüber Axialbewegungen der Welle. Dies liegt an der starken Divergenz der auf die Foto- sensoren auftreffenden Lichtstrahlung. Dies ist der Grund, warum beispielsweise in dem US-Patent US 7 688 432 Bl mittels einer Linse für eine Kollimation des auf die Sensoren auftreffenden Lichts gesorgt wird. Fig. 7 zeigt einen Aufbau gemäß US 7 688 432 Bl mit einer LED 41, einer Linse 42, Lichtsensoren 44, einem Lichtblockierelement 45 und einer Platine 46, die als Drehpositionsdetektor 40 über einem Motorgehäuse 47 angeordnet sind. Durch die Verwendung der Linse 42 ist neben der Kollimation weiterhin noch dafür gesorgt, dass Lichtstrahlen, welche unter einem großen Winkel von der LED 41 emittiert werden, nicht verlo- ren sind, sondern ebenfalls genutzt werden, wodurch dass Signal- /Rausch-Verhältnis anwächst.
Ein Nachteil der eben beschriebenen Ausführungsform ist aber, dass zur Ausnutzung von Lichtstrahlen, die unter einem besonders großen Winkel von der LED 41 emittiert werden, der Durchmesser der Linse 42 ziemlich groß sein muss. Des Weiteren gelangt von der Linse 42 zwar paralleles Licht zu den Sensoren 44, jedoch wird nicht das gesamte parallele Licht benötigt, da die Sensoren 44 nur einen Bruchteil der Fläche der Platine 46 einnehmen.
Hierdurch relativiert sich die Verbesserung des Signal- /Rausch- Verhältnisses durch Verwenden der Linse 42. Angesichts der oben geschilderten Probleme ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Positionsdetektor bereitzustellen, der ein hohes Signal-/Rausch- erhältnis aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Positionsdetektor nach An- spruch 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Fig. 1 zeigt einen schematischen seitlichen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Winkelpositionsdetektor.
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf jenen Abschnitt des in Fig. 1 gezeigten Winkelpositionsdetektor, in dem sich das Detektorelement und das Lichtblockierelement befinden. Fig. 3 zeigt den Strahlengang in einem Winkelpositionsdetektor gemäß einer ersten Ausführungsform .
Fig. 4 zeigt den Strahlengang in einem Winkelpositionsdetektor gemäß einer zweiten Ausführungsform .
Fig. 5 und 6 zeigen Positionsdetektoren gemäß dem Stand der Technik nach EP 1 071 929 Bl in einer seitlichen Schnittansicht und in einer Draufsicht auf die im Positionsdetektor verwendeten Fotosensoren.
Fig. 7 zeigt einen Positionsdetektor gemäß dem Stand der Technik nach US 7 688 432 Bl. Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 4 eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Fig. 1 zeigt dabei einen seitlichen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Positionsdetektor, der lediglich schematisch dargestellt ist. Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf den Detektorabschnitt mit den Fotosensoren und dem Lichtblockierelement und Fig. 3 und 4 zeigen die Strahlengänge des von der Lichtquelle ausgesendeten Lichts bei Verwendung des in Fig. 1 gezeigten Aufbaus . In Fig. 2 ist eine Schnittlinie Sl-Sl dargestellt, die die Lage der Quer- schnittsebene in Fig. 1 andeuten soll.
Bei der Darstellung in Fig. 1 und 2 ist der grundsätzliche Aufbau sehr ähnlich jenem, der in Fig. 5 und 6 dargestellt ist. Wie bereits in der Einleitung erwähnt, ist die vorliegende Erfindung auf einen Positionsdetektor gerichtet, bei dem die Winkelstellung ohne Zuhilfenahme eines Codes (uncodiert) aus dem analogen Ausgangssignal der Detektoranordnung ermittelt wird. Insbesondere sind wiederum eine Leiterplatine 9, Fotosensoren 18, 19, 20 und 21, eine Blendenmaske 10 und ein Lichtblockierelement 5 übereinander angeordnet. Es sei bemerkt, dass in Fig. 1 die Fotosensoren 19, 20 lediglich zum besseren Verständnis gezeigt sind. Streng genommen wäre entlang der in Fig. 2 dargestellten Schnittlinie kein Fotosensor sichtbar. Nicht dargestellt in Figur 1 ist weiterhin ein den Gesamtaufbau in Fig. 1 umgebendes Gehäuse, das den Aufbau lichtdicht gegenüber der Umgebung abschließt.
Analog zu dem Aufbau von Fig. 5 ist der in Fig. 1 gezeigte Aufbau mit einer Drehwelle, an der beispielsweise ein Galvanometer- spiegel befestigt sein kann, verbunden. Die Drehwelle ist dabei unterhalb des Aufbaus in Fig. 1 so angeordnet, dass ihre Längsachse, die gleichzeitig die Drehachse A ist, in vertikaler Richtung mittig durch die Befestigungsschraube 12 hindurch geht. Mittels der Befestigungsschraube 12 ist dabei das Lichtblockierelement 5 an der Drehwelle so befestigt, dass es sich mit der Drehwelle drehen kann, während die Leiterplatine 9, die Fotosensoren 18, 19, 20 und 21 und die Blendenmaske 10 ortsfest sind.
Wie man der Fig. 2 entnehmen kann, sind als Detektorelement vier Fotosensoren 18, 19, 20, 21 um die Längsachse der Welle herum symmetrisch angeordnet und auch das Lichtblockierelement 5, bei dem es sich in gleicher Weise wie beim Stand der Technik um ein krawattenschleifenförmiges (Butterfly- ) Element handelt, ist so positioniert, dass seine Symmetrieachse mit der Längsachse A der Welle zusammenfällt. Die Blendenmaske 10 deckt die Fotosensoren 18, 19, 20, 21 teilweise ab und weist über jedem der Fotosenso- ren eine kreisringsegmentförmige Ausnehmung auf. Eine kreisring- segmentförmige Ausnehmung ist deshalb vorteilhaft, da sich hieraus eine gleichförmige Abschattung der Fotosensoren 18, 19, 20, 21 bei einer Drehung des krawattenschleifenförmiges (Butterfly- ) Element ergibt, was zu einer sehr guten Linearität führt. In einer bevorzugten Ausführung hat der äußere Rand des Lichtblockierelements 5 einen größeren Abstand zur Längsachse A der Drehwelle als der äußere Rand eines Kreisringsegments.
Es sei betont, dass das Lichtblockierelement 5 im Rahmen der Er- findung durchaus auch eine andere Gestalt als die "Butterfly"- Gestalt aufweisen kann. Für eine hohe Linearität ist es allerdings von Vorteil, wenn das Lichtblockierelement 5 zu seiner mit der Drehachse zusammenfallenden Symmetrieachse symmetrisch angeordnete Abdeckbereiche aufweist, die jeweils in Umfangsrichtung durch durch die Symmetrieachse verlaufende Geraden begrenzt werden, so dass an diesen Stellen gerade Kanten vorhanden sind. Die Gestalt des Lichtblockierelements 5 weist insbesondere eine n- zählige Symmetrie (n ^ 2) auf. Ebenso können die Ausnehmungen in der Blendenmaske 10 auch eine andere Gestalt aufweisen. Gibt es allerdings Sensorbereiche, die nicht von dem Lichtblockierelement 5 abgedeckt werden können, so resultiert daraus ein verschlechtertes Signal- /Rauschverhältnis . Außerdem muss man unter Umständen Abstriche bei der Linearität in Kauf nehmen, wenn die Gestalt des Lichtblockerelements deutlich von der Krawattenschleifenform abweicht, beispielsweise rechteckig ist.
Es sei bemerkt, dass man auf die Blendenmaske 10 auch verzichten kann. In diesem Fall muss man ebenfalls ein verschlechtertes Signal-/Rauschverhältnisses in Kauf nehmen für den Fall, dass es Sensorbereiche gibt, die nicht von dem Lichtblockierelement 5 abgedeckt werden können. Allerdings ist es möglich, die Gestalt der Fotosensoren 18, 19, 20, 21 frei zu wählen. Insbesondere können diese jeweils eine kreisringsegmentförmige Gestalt aufweisen. Als Fotosensoren 18, 19, 20, 21 können Spaltdioden verwendet werden. Für die Erfindung ist es jedoch nicht zwingend notwendig, dass Spaltdioden verwendet werden. Es ist auch möglich, andere Arten von Fotosensoren zu verwenden. Ebenso müssen nicht zwangsweise vier Fotosensoren verwendet werden, sondern es kann sich auch um zwei, drei, fünf, sechs, sieben, acht oder mehr Fotosensoren handeln, die ebenfalls so um die Drehachse herum angeordnet sind, dass die Drehachse durch keinen der Fotosensoren hindurchgeht. Obwohl dies nicht zwangsläufig notwendig so sein muss, sind in der Regel die Fotosensoren symmetrisch um die Drehachse herum angeordnet, d.h. die Fotosensoranordnung weist in einer Ebene senkrecht zur Drehachse eine n- zählige Symmetrie (n 2) auf. Weiterhin ist insbesondere auch eine symmetrische Anordnung zu einer Spiegelebene (in der die Drehachse liegt) möglich .
Für eine erhöhte Unempfindlichkeit gegenüber radialen Bewegungen der in Fig. 1 nicht gezeigten Drehwelle 114 werden analog zu dem in EP 1 071 929 Bl beschriebenen Vorgehen bei der Fotosensorauslese von vier Fotosensoren die Signale zweier einander gegenüberliegender Fotosensoren aufsummiert und die dadurch erhaltenen beiden Summensignale den unterschiedlichen Eingängen eines Differenzverstärkers zugeführt. Die Auswertung der Signale der Fotosensoren kann aber auch alternativ zu dem oben beschriebenen Vorgehen in anderer Weise erfolgen.
Als Beleuchtungsquelle kann im vorliegenden Fall eine einzelne Lichtquelle 3 verwendet werden. Hierbei kann es sich um eine kommerziell erhältliche LED oder Laserdiode handeln. LEDs oder aber auch Laserdioden, die für die vorliegende Erfindung verwendet werden können, können bereits Linsen oder Blendenelemente enthalten. In den Figuren ist die Lichtquelle 3 lediglich schematisch wiedergegeben, der Strahlengang ist so dargestellt, als würden alle Strahlen von einem Punkt ausgehen. In Figur 1 ist zusätzlich noch ein Halter 11, beispielsweise eine Platine, dargestellt, auf dem die Lichtquelle 3 montiert ist.
Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist der, dass das vom Detektor gelieferte Signal um so größer ist, je besser die Ausnutzung des von der Lichtquelle 3 emittierten Lichts ist. Im Idealfall sollte möglichst das gesamte von der Lichtquelle 3 emittierte Licht auf die Fotosensoren fallen, wenn man von einer Abdeckung durch das Lichtblockierelement 5 einmal absieht. Das von der Lichtquelle 3 emittierte Licht wird daher in einen ringförmigen Bereich auf der Leiterplatine 9 mit den Fotosensoren 18, 19, 20 und 21 gelenkt, in dem die kreisringsegmentförmigen Fotosensoren bzw. kreisringsegmentförmigen Öffnungen in der Blendenmaske 10 liegen. Da dieses Ziel mit einer Linse wie in Fig. 7 nicht erreicht werden kann, ist es die Idee der Erfindung, ein in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 7 bezeichnetes Strahl- formungselement bzw. Strahlumformungselement zu verwenden. Im
Folgenden wird dieses Strahlformungselement 7 auch als Freiformelement bezeichnet, da die gewünschte Strahlformung dadurch erzielt wird, dass das Strahlformungselement 7 mindestens eine nicht plane, nichtsphärische Fläche aufweist, an der von der Lichtquelle in das Strahlformungselement 7 eingetretene Lichtstrahlen auf ihrem Weg zu den Fotosensoren reflektiert werden.
Das Strahlformungselement 7 in Fig. 1 weist eine kegelstumpfartige Gestalt auf, wobei die Symmetrieachse des Kegelstumpfs durch die Mitte der Befestigungsschraube 12 hindurch geht und, wenn der Positionsdetektor an einer Drehwelle befestigt ist, mit der Drehachse A zusammenfällt. An der der Lichtquelle 3 zugewandten Rückseite 30 des Strahlformungselements 7 ist eine kegelstumpfartige Ausnehmung 4 vorhanden. Die der Befestigungs- schraube 12 zugewandte Seite 32 des Strahlformungselements 7 weist einen Zentralbereich 32a auf, der im Wesentlichen parallel zu der Ebene der Fotosensoren ist, sowie einen Randbereich 32b. Da der Zentralbereich 32a in Bezug auf die Befestigungsschraube 12 stärker zurückgesetzt ist als der Randbereich 32b, entspricht die Fläche 32b der Seitenfläche eines Kegelstumpfs.
Die Seitenfläche 6 des Strahlformungselements 7 weist eine konvexe Gestalt auf. Wie man in Fig. 1 sieht, kann die Seitenfläche 6 bezogen auf die Symmetrieachse insbesondere nach außen gewölbt sein und eine Freiformfläche sein. Die genaue Formgebung (Krümmung) der einzelnen Flächen des Strahlformungselements 7 kann dabei durch Simulationsrechnungen unter Verwendung einer kommerziell erhältlichen Software, beispielsweise ASAP, ermittelt wer- den. Die Freiforraflachen können dabei beispielsweise durch Polynome, Splines oder in anderer Weise beschrieben werden. Da die Seitenfläche 6 nach außen gewölbt sein kann, wurde oben bewusst die Gestalt des Strahlformungselements 7 mit "kegelstumpfartig" beschrieben. Eine kegelstumpfförmige Gestalt, bei der die Seitenfläche in der Schnittdarstellung von Fig. 1 nicht nach außen gewölbt ist, ist ein Sonderfall hiervon. Da auch die Mantelfläche 4b der Ausnehmung 4 in der Schnittdarstellung von Fig. 1 eine Wölbung aufweisen kann, wurde auch die Gestalt der Ausnehmung 4 allgemein mit "kegelstumpfartig" charakterisiert.
Das Strahlformungselement 7, das aus einem Kunststoffmaterial (beispielsweise Plexiglas) oder z.B. aus Glas gefertigt sein kann, ist dadurch charakterisiert, dass das Licht nicht nur mittels Brechung, sondern auch durch Reflexion im Strahlformungselement auf die Fotosensoren gelenkt wird. In dem hier beispielhaft beschriebenen Strahlformungselement 7 findet eine Reflexion an einer Begrenzungsfläche des Strahlformungselements 7 nach außen, nämlich eine Reflexion an der Seitenfläche 6 statt. Idealerweise handelt es sich dabei um eine Totalreflexion, bei der mehr als 99% des Lichts reflektiert werden, um eine möglichst große Lichtausbeute zu haben. Allerdings kann man auch ohne Totalreflexion arbeiten, z.B. indem man die Seitenfläche 6 mit einem Metall beschichtet. Allein die Tatsache, dass man das an der Seitenfläche 6 reflektierte Licht nutzt, führt bereits zu einer Verbesserung gegenüber dem in Fig. 7 gezeigten Fall.
Selbst wenn also nur mehr als 10%, mehr als 50%, mehr als 70%, 80%, 90% oder gar 95% des Lichts reflektiert werden, bringt die Erfindung eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik. Die Verbesserung ist natürlich dann am Größten, wenn möglichst wenig Licht verloren geht. Da erfindungsgemäß das Strahlformungselement 7 räumlich zwischen der Lichtquelle 3 und dem Detektorelement mit den Fotosensoren angeordnet ist, hat der erfindungsgemäße Positionsdetektor ferner einen kompakten, platzsparenden Aufbau.
Nachfolgend werden Aufbau und Wirkungsweise des Strahlformungs- elements an verschiedenen Ausführungsformen erläutert.
Erste Ausführungsform
Fig. 3 zeigt den Strahlengang bei Verwendung eines Strahlformungselements 7 gemäß einer ersten Ausführungsform . Die Anordnung der Lichtquelle und des Strahlformungselements 7 sind dabei gleich zu der Anordnung in Fig. 1. Der Aufbau unterhalb des Strahlformungselements 7 ist in Fig. 3 identisch zu dem Aufbau in Fig. 1. Anstelle des in Fig. 1 gezeigten Aufbaus unterhalb des Strahlformungselements 7 ist in Fig. 3 aber lediglich schematisch eine Ebene 23 gezeigt, die eine Ebene repräsentieren soll, in der die flächigen Sensoren 18, 19, 20, 21 angeordnet sind. Die Position der Fotosensoren 19, 20 ist dabei lediglich schematisch dargestellt.
Wie man in Fig. 3 erkennt, ist die Lichtquelle 3 nahe der den Fotosensoren abgewandten Seite des Strahlformungselements 7 so angeordnet, dass sie nicht in die Ausnehmung 4 hineinragt. Die von der Lichtquelle 3 ausgehenden Strahlen werden zunächst am Rand der Ausnehmung 4 in dem Strahlformungselement 7 gebrochen und nachfolgend durch Totalreflexion an der Seitenfläche 6 des Strahlformungselements 7 in Richtung der Fotosensoren 19 und 20 gelenkt, wobei an der Austrittsseite 32 nochmals eine Brechung stattfindet. In der speziellen Gestaltung gemäß der ersten Aus- führungsform ist die austrittsseitige Fläche 32 nicht zweigeteilt wie in Fig. 1, sondern im Wesentlichen plan. Man erkennt, dass in Vorwärtsrichtung (in einem gewissen Winkelbereich um die Symmetrieachse herum, wenn die Richtung auf der Symmetrieachse zu den Photosensoren hin zu 0° angenommen wird) die Lichtstrahlen von der Lichtquelle 3 an dem Rand der Ausnehmung 4 enden. Dies liegt daran, dass an dieser Stelle der Rand der Ausnehmung 4 mit einem lichtundurchlässigen Material beschichtet ist. Dadurch wird vermieden, dass Licht auf die Befestigungsschraube 12 fällt und von dieser unkontrolliert reflek- tiert wird. Speziell ist in Figur 3 die den Fotosensoren zugewandte Fläche der kegelstumpfförmigen Ausnehmung 4, also der Boden 4a der Ausnehmung 4, lichtundurchlässig.
Die Lichtundurchlässigkeit kann durch Aufbringen von schwarzer Farbe (z. B. auf der Basis von Farbruß) als lichtundurchlässige Schicht bewerkstelligt werden. Alternativ dazu kann beispielsweise eine lichtundurchlässige Scheibe, z.B. eine schwarz eloxierte Aluminiumscheibe auf den Boden 4 der Ausnehmung geklebt werden oder anderweitig daran angebracht werden.
Speziell wird bei der ersten Ausführungsform das Licht lediglich auf einen Teilbereich der Fotosensoren fokussiert. Der „Lichtfleck" hat die Form eines Kreisrings, dessen Breite deutlich kleiner ist als die Breite der kreisringsegmentförmigen Foto- sensoren 18, 19, 20, 21 bzw. kreisringsegmentförmiger Öffnungen in der Blendenmaske 10. Durch die Reflexion des Lichts an der Seitenfläche 6 wird dabei eine Umverteilung des Lichts der Lichtquelle bewirkt: Licht, das unter kleinen Winkeln in Vor- wärtsrichtung (die Richtung, auf der in Fig. 1 die Achse A liegt, wird als 0° -Richtung angenommen) abgestrahlt wird, gelangt in den äußeren Teil des Kreisrings und Licht, dass untergroßen Abstrahlwinkeln von der Lichtquelle 3 abgestrahlt wird, gelangt in den inneren Teil des kreisringförmigen Bereichs . Obwohl das auf die Fotosensoren auftreffende Licht nicht parallel ist, kann bei dieser Ausführungsform dennoch eine Unempfind- lichkeit gegenüber axialen Verschiebungen (einer Änderung des Abstands zwischen Lichtquelle 3 und Fotosensoren 18, 19, 20, 21) erzielt werden. Dadurch, dass die Breite des Kreisrings, innerhalb dessen Licht auf die Fotosensoren fällt, deutlich kleiner ist als die Breite der Kreisringsegmente in Radialrichtung, verbleibt selbst bei axialen Verschiebungen der „Lichtfleck" auf den Fotosensoren. Es findet also keine Änderung der von den Fotosensoren registrierten Lichtintensität bedingt durch axiale Verschiebungen statt. In gleicher Weise ist durch die Formgebung des Lichts auch eine Unempfindlichkeit gegenüber radialen Verschiebungen der Fotosensoren gegeben.
Durch das Strahlformungselement 7 wird dafür gesorgt, dass ein möglichst großer Anteil des von der Lichtquelle 3 emittierten Lichts auf die Fotosensoren trifft. Obwohl ein gewisser Winkelbereich des in Vorwärtsrichtung ausgestrahlten Lichts der Licht- quelle 3 infolge der lichtundurchlässigen Beschichtung auf dem
Strahlformungselement 7 nicht für die Beleuchtung der Fotosensoren verwendet wird, wurden sehr gute Signal -/Rausch-Werte für den erfindungsgemäßen Positionsdetektor erzielt. Dies liegt u. a. daran, dass der Raumwinkelanteil des Lichts bei großen Ab- strahlwinkeln (wenn man die Vorwärtsabstrahlrichtung als 0°-
Richtung annimmt) groß ist. Mit Raumwinkel ist hierbei jener Anteil einer die Lichtquelle 3 umgebenden Kugelfläche gemeint, der von den von der Lichtquelle 3 emittierten Lichtstrahlen durchdrungen wird, wobei angenommen wird, dass die Lichtquelle ein punktförmiger Strahler ist. Wenn ein möglichst großer Prozentsatz des Lichts unter großen Abstrahlwinkeln auf die Fotosensoren gelenkt wird, nutzt man einen hohen Prozentsatz des Gesamtraumwinkelbereichs in den die Lichtquelle 3 abstrahlt. Dies führt zu einer verbesserter Ausnutzung des Lichts von der Lichtquelle 3 selbst unter Berücksichtigung der Tatsache, das die Strahlungsdichte der Lichtquelle bei großen Abstrahlwinkeln in der Regel geringer als bei kleinen Abstrahlwinkeln ist.
Der in Fig. 3 gezeigte Winkel 14 am Boden der Ausnehmung 4 ist geringfügig größer als 90°. Der Winkel kann zwischen 90° und 105° liegen, bevorzugt zwischen 91° und 95°. Die Neigung der Seitenwände der Ausnehmung 4 beeinflusst dabei das Brechungsver- halten. Je näher der Winkel bei 90° liegt, desto weiter nach außen werden die Strahlen gebrochen. Dies führt im Resultat dazu, dass das Strahlformungselement 7 entsprechend kürzer ausgestaltet werden kann. Für Winkel in der Nähe von 90° wird daher ein besonders kompakter Aufbau erzielt. Der Winkel sollte aber be- vorzugt geringfügig größer als 90° sein, da sich hierdurch Vorteile bei der Herstellung des Strahlformungselements 7 ergeben. Da das Strahlformungselement 7 bevorzugt mittels Spritzguss hergestellt wird, erleichtert ein Winkel von mehr als 90° das Entfernen des Spritzgusswerkzeugs aus der Ausnehmung 4.
In den Figuren ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt, wie das Strahlformungselement 7 gehaltert wird, also in seiner Lage zwischen Lichtquelle 3 und dem Aufbau bestehend aus der Befestigungsschraube 12, dem Lichtblockierelement 5 und den Fotosensoren 18, 19, 20, 21 fixiert wird. Für die Halterung des Strahlformungselement 7 gibt es im Prinzip mehrere Möglichkeiten. Es bietet sich an, das Strahlformungselement 7 an einem in den Figuren nicht gezeigten Gehäuse, das den jeweils gezeigten Gesamtaufbau umgibt, zu fixieren. Da das Strahlformungselement 7 bevorzugt mittels Spritzguss hergestellt wird, bietet es sich ebenfalls an, die Halterungselemente durch Spritzguss einstückig mit dem Strahlformungselement 7 auszubilden. Zu denken ist dabei beispielsweise an Nasen, Stege oder Schnapphaken als Halterungs- elemente, die für eine formschlüssige Verbindung mit dem Gehäuse sorgen. Natürlich kann man auch Vertiefungen oder Ösen an der Seitenwand des Strahlformungselement 7 vorsehen, in welche dann Vorsprünge des Gehäuses eingreifen. Für den Fall, dass die Hal- terungselemente auf der Seitenfläche 6 angeordnet werden, sollten sie bevorzugt dort angeordnet werden, wo keine Reflexion des auf die Photosensoren auftreffenden Lichts stattfindet.
Aufgrund der Rotationssymmetrie des Gesamtaufbaus ist speziell ein zylindrisches Gehäuse möglich. In diesem Fall kann man einen den Aufbau umgebenden Innenzylinder mittels Spritzguss ausbilden, welcher innerhalb des zylindrisches Gehäuse liegt und an dem zylindrischen Gehäuse fixiert wird. Die Verbindung zwischen Innenzylinder und Strahlformungselement 7 kann dabei über mit- tels Spritzguss ausgebildete VerbindungsStege zwischen Strahlformungselement 7 und Innenzylinder erfolgen, sodass letztendlich das Strahlformungselement 7, die Verbindungsstege und der Innenzylinder als einstückiges Teil mittels Spritzguss ausgebildet sind.
Alternativ zur einstückigen Ausbildung von Strahlformungselement 7 und Halterungselementen können die Halterungselemente auch auf das Strahlformungselement 7 aufgeklebt werden, wobei, falls sich die Kontaktfläche zwischen Halterungselementen und Strahl- formungselement 7 an einer Stelle befindet, an der eine Reflexion des auf die Photosensoren auftreffenden Lichts stattfindet, bevorzugt eine Schicht angebracht wird, die zum Inneren des Strahlformungselements 7 hin Licht reflektieren kann. Auf diese Weise wird erreicht, dass auch die Kontaktbereiche zwischen den Halterungselementen und dem Strahlformungselement 7 als reflektierende Flächen genutzt werden können.
Zweite Ausführungsform Fig. 4 zeigt den Strahlengang bei Verwendung eines Strahlformungselements 207 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausfüh- rungsform lediglich durch das geänderte Strahlformungselement 207. Alle weiteren Elemente der zweiten Ausführungsform sind identisch zur ersten Ausführungsform . Desweiteren sind alle bezüglich der ersten Ausführungsform beschriebenen Abwandlungsmöglichkeiten auch für die zweite Ausführungsform anwendbar.
Wie man Bezug nehmend auf Fig. 4 erkennt, ist die den Fotosensoren 19, 20 zugewandte Fläche 232 des Strahlformungselements 207 im Gegensatz zur ersten Ausführungsform nicht plan, sondern wie in Fig. 1 in einen zurückgesetzten Zentralbereich 232a und einen Außenbereich 232b unterteilt.
Wie auch bei der ersten Ausführungsform erkennt man, dass die von der Lichtquelle 3 ausgesandten Lichtstrahlen nicht den Boden der kegelstumpfförmigen Ausnehmung 204 durchdringen. Dies liegt wiederum daran, dass der Boden 204a der Ausnehmung 204 mit einem lichtundurchlässigen Material beschichtet ist. Wie auch bei der ersten Ausführungsform könnte natürlich alternativ eine lichtundurchlässige Schicht im Zentralbereich 232a der Austrittsfläche 232 auf das Strahlformungselement 207 aufgebracht sein.
Die von der Lichtquelle 3 ausgesandten Lichtstrahlen werden zunächst am Rand (der Mantelfläche 204b) der Ausnehmung 204 gebrochen und nachfolgend mittels Totalreflexion an der Seitenfläche 206 in Richtung der Fotosensoren 18, 19, 20, 21 gelenkt, wobei nochmals eine Brechung an der Fläche 232 stattfindet. Die Seitenfläche 206 ist wiederum, wie bei der ersten Ausführungsform, eine Freiformfläche, deren Gestalt durch Simulationen ermittelt wurde . Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform wird bei der zweiten Ausführungsform das Licht der Lichtquelle 3 auf einen Kreisring konzentriert, dessen Breite größer ist als die Breite der kreis- segmentförmigen Fotosensoren bzw. der kreissegmentförmigen Ausnehmungen in der Blendenmaske 10. Das Strahlformungselement 207 wirkt als Kollimator, bei dem paralleles Licht an der Austrittsseite 232 in Richtung der Fotosensoren austritt. Im Vergleich zu der Verwendung einer Linse als Kollimationsele- ment wie in dem US-Patent US 7 688 432 Bl ergibt sich bei der zweiten Ausführungsform folgender Vorteil:
Das die Lichtquelle 3 verlassende Licht wird durch das Strahl- formungselement 207 so umgeformt, dass es in Gestalt eines
Kreisrings in Richtung der Ebene 23 mit den Fotosensoren 18, 19, 20 und 21 strahlt. Speziell wird durch das Vorhandensein der Ausnehmung 204 und die Anordnung der Lichtquelle 3 unmittelbar hinter der von den Fotosensoren abgewandten Seite des Strahlfor- mungselements 207 dafür gesorgt, dass auch unter einem großen
Abstrahlwinkel bezüglich der Vorwartsabstrahlrichtung der Lichtquelle 3 (der weiter oben definierten 0° -Richtung) emittierte Lichtstrahlen mittels Reflexion in Richtung der Fotosensoren gelenkt werden. Da das Licht an der entsprechend gestalteten Sei- tenfläche 206 des Strahlformungselements 207 in Richtung der Fotosensoren reflektiert wird, wird mehr Licht der Lichtquelle 3 zu den Fotosensoren gelenkt als bei einer Blende gleichen Durchmessers . Im Gegensatz zu einer Blende wird das Licht nicht in einen beliebig großen Bereich außerhalb des Bereichs, den die Fotosensoren abdecken, gelenkt. Der durch das Strahlformungselement 207 gemäß der zweiten Ausführungsform erzeugte kreisringförmige Beleuchtungsbereich ist zwar, im Gegensatz zur ersten Ausführungsform, in radialer Richtung breiter als die Breite der kreisringsegraentförmigen Fotosensoren 18, 19, 20, 21 bzw. der kreisringsegmentförmigen Ausnehmungen in der Blendenmaske 10, jedoch muss die Breite des Kreisrings die Breite der Kreisringsegmente bzw. kreisringsegmentförmigen Ausnehmungen nicht in deutlichem Maße übersteigen. Im Gegensatz zu einer Blende wird hierdurch das Licht stärker auf die Fotosensoren konzentriert.
Bei der zweiten Ausführungsform trifft paralleles Licht auf die Fotosensoren auf, so dass eine Unempfindlichkeit gegenüber axia- len Verschiebungen zwischen Lichtquelle und Fotosensoren gegeben ist. Da darüber hinaus die Breite des kreisringförmigen Beleuchtungsbereichs größer ist als die Breite der Kreisringsegmente bzw. kreisringsegmentförmigen Ausnehmungen, ist auch eine Unemp- findlichkeit gegenüber radialen Verschiebungen der Fotosensoren bezüglich der Lichtquelle 3 gegeben. Um welchen Betrag die Breite des kreisringförmigen Beleuchtungsbereichs die Breite der Kreisringsegmente bzw. kreisringsegmentförmigen Ausnehmungen übersteigt, hängt davon ab, mit welchen axialen Verschiebungen gerechnet wird. Die Breite des Kreisringbereichs ist über die Formgebung der Seitenflächen 206 und damit das Reflexionsverhalten der Seitenflächen 206 einstellbar.
Mögliche Abwandlungen bei den Ausführungsformen Die Erfindung ist nicht auf die explizite Ausgestaltung der beiden eben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr sind bei beiden Ausführungsformen u. a. folgende Abwandlungen möglich: - Nachdem es bei den obigen Ausführungsformen auch möglich ist, dass das Licht in dem Strahlformungselement an einer parabo- loidsegmentförmigen Oberfläche reflektiert wird, kann man als Freiformfläche explizit eine Fläche wählen, die von der Para- boloidsegmentform abweicht, um dadurch mehr Freiraum zur Realisierung eines bestimmten Musters des das Strahlformungselement verlassenden Lichtes zu erhalten.
Wie bereits in Bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde, muss die Austrittsfläche 32 bzw. 232 nicht plan sein. Vielmehr kann diese Fläche eine Krümmung, Vertiefungen oder Stufen aufweisen. Beispielsweise kann eine Vertiefung vorgesehen sein, die ein Eintauchen der Befestigungsschraube 12 gestattet. Da dadurch ein sehr geringer Abstand zwischen dem Strahlformungselement und den Photosensoren 18, 19, 20, 21 samt Lichtblockierelement 5 erzielt werden kann, ist solche eine Maßnahme vorteilhaft im Hinblick auf einen kompakten Aufbau.
Insbesondere kann es sich bei der Austrittsfläche 32 bzw. 232 ebenfalls um eine Freiformfläche beliebiger Gestalt handeln. Deren genaue Ausgestaltung, die mittels Simulationen (z.B. durch ASAP) ermittelt werden kann, hängt dann davon ab, welche Art von „Lichtfleck" erzeugt werden soll, also welche ebene Gestalt das auf die Ebene 23 mit den Photosensoren auf- treffende Licht haben soll.
Auch der Boden 4a, 204a der Ausnehmung 4 bzw. 204 und/oder deren Mantelfläche 4b, 204b können Freiformflächen sein.
Statt die lichtundurchlässige Schicht am Rand bzw. am Boden der Ausnehmung 4, 204 anzubringen, kann eine lichtundurchlässige Schicht alternativ oder zusätzlich im Zentralbereich der Austrittsseite 32 auf das Strahlformungselernent 7 aufgebracht werden, also dort wo die Austrittsseite 32 zu der Befestigungsschraube 12 zeigt. Die lichtundurchlässige Schicht kann in gleicher Weise realisiert werden wie für die erste Ausführungsform beschrieben. Es sei erwähnt, dass man auf die Anbringung von lichtundurchlässigen Schichten am Strahlformungselement 7 auch ganz verzichten kann. Insbesondere sollten in solch einem Fall die Strahlen unter kleinen Abstrahlwinkeln, die in Figur 3 und 4 am Boden 4a bzw. 204a der Ausnehmung 4 bzw. 204 in der licht- undurchlässigen Schicht enden, nicht direkt auf die Photosensoren auftreffen. Bevorzugt sollte weiterhin der Kopf der Befestigungsschraube 12 geschwärzt sein, um störende Reflexionen am Schraubenkopf zu verhindern. Wenn man beim Strahlformungselement 7 auf lichtundurchlässige Schichten verzichtet, ist es insbesondere auch möglich, die Form der Ausnehmung 4, 204 und/oder der Austrittsseite 32, 232 so zu gestalten, dass die Strahlen unter kleinen Abstrahlwinkeln, also z.B. für Winkel kleiner +30° bzw. kleiner ±25°, gezielt auf den geschwärzten Kopf der Befestigungsschraube 12 gelenkt werden. Sofern der Schraubenkopf eine Vertiefung aufweist (z.B. einen Innensechskant) , kann man auch die Strahlen gezielt in diese Vertiefung lenken. Bei dieser Vorgehensweise kann man dann sogar auf eine Schwärzung des Schraubenkopfes verzichten, obwohl eine Schwärzung auch in diesem Fall von Vorteil ist. Wichtig ist es letztendlich nur, dass die nicht an der Seitenfläche 6, 206 reflektierten Strahlen nicht auf die Photosensoren gelangen.
Des Weiteren kann die Ausnehmung 4 bzw. 204 nach innen gewölbte und am Boden spitz zulaufende Seitenwände 4b aufweisen. Beispielweise kann der Bereich, in dem sich die Seitenwände 4b treffen, Ähnlichkeit mit dem Bereich um den tiefsten Punkt einer gewöhnlichen oder verkürzten Zykloide aufweisen. Mit solch einer Ausgestaltung kann eine bessere Ausnutzung der in Vorwärtsrichtung (Abstrahlwinkelbereich nahe der 0°- Richtung) ausgestrahlten Lichtstrahlen der Lichtquelle 3 er- zielt werden. Im Idealfall kann man sogar auf alle Maßnahmen zum Abblocken der Strahlen, die die Lichtquelle 3 unter klei nen Abstrahlwinkeln verlassen (z.B. lichtundurchlässige Schichten) , ganz verzichten.
Obwohl in Fig. 3 und 4 die Lichtquelle außerhalb der Ausnehmung 4 bzw. 204 angeordnet ist, kann die Lichtquelle 3 auch in die Ausnehmung eintauchen. Falls die Lichtquelle nicht in die Ausnehmung 4 bzw. 204 hineinragt, sollte der Abstand zwi sehen Lichtquelle und Strahlformungselement so gering sein, dass möglichst alle Strahlen der Lichtquelle (einschließlich jener bei großen Abstrahlwinkeln) das Strahlformungselement treffen .
Obwohl in Fig. 3 und 4 das Strahlformungselement eine rotati onssymmetrische Gestalt hat, ist es auch möglich, dass die der Lichtquelle gegenüberliegenden Flächen 30 und 230 und/oder die den Photosensoren gegenüberliegenden Flächen 32 und 232 Polygone sind. Insbesondere können das Strahlformungselement 7, 207 und/oder die Ausnehmung 4, 204 eine pyra midenstumpfartige Gestalt aufweisen.
Die Freiformfläche in dem Strahlformungselement, an der das Licht reflektiert wird, muss nicht zwingend kreiszylinderför mig sein.
Das Lichtblockierelement kann, auch wenn die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist, bei der vorliegenden Erfindung insbe sondere mit einem Durchmesser unterhalb von 10 mm, bevorzugt zwischen 2 und 9 mm ausgebildet sein. Damit erhält man einen sehr kompakten Positionsdetektor mit kleinem Durchmesser senkrecht zur Drehachse A. Positionsdetektoren, bei denen die Winkelposition codiert wird, stoßen demgegenüber mit zunehmenden Anforderungen an die Genauigkeit der Winkelmessung an Grenzen. Der Grund ist der, dass sich bei den codierenden Positionsdetektoren, die üblicherweise eine Codierscheibe verwenden, die Winkelauflösung nur durch eine Vergrößerung des Scheibendurchmessers erzielen lässt, da der Strichcode auf der Scheibe nicht mit beliebiger Feinheit ausgebildet werden kann.
- Auch was das Trägheitsmoment bezüglich der Drehachse anbelangt, verhält es sich so, dass mit der vorliegenden Erfindung Positionsdetektoren mit einem besonders niedrigen Trägheitsmoment des sich um die Drehachse drehenden Elements (hier des Lichtblockierelements) realisiert werden können. Insbesondere kann das Trägheitsmoment des sich um die Drehachse drehenden Elements (hier des Lichtblockierelements) unterhalb von 0,010 g-cm2, bevorzugt unterhalb von 0,008 g-cm2 und noch bevorzugter unterhalb von 0,006 g-cm2 liegen. Mit der Erfindung lassen sich sogar Positionsdetektoren realisieren, bei denen das Trägheitsmoment des sich um die Drehachse drehenden Elements (hier des Lichtblockierelements) zwischen 0,003 und 0,004 g-cm2 liegt.
Wie bereits erwähnt, kann der erfindungsgemäße (Winkel) - Positionsdetektor in einer in der Beschreibungseinleitung erwähnten Scanvorrichtung zum Einsatz kommen, mittels derer ein Lichtstrahl, insbesondere ein Laserstrahl, auf unterschiedliche Punkte einer Oberfläche gelenkt wird, um Eigenschaften an diesen Punkten zu erfassen oder dort einen Bearbeitungsvorgang unter Verwendung des Laserstrahls durchzuführen. Die Winkelposition eines für die Ablenkung des Lichtstrahls verwendeten Drehspiegels, der an einer mit dem Lichtblockierelement 5 verbundenen Drehachse A befestigt ist, kann dann ermittelt werden und für die Regelung eines Scanvorgangs verwendet werden. Insbesondere kann der erfindungsgemäße Positionsdetektor in einer Scanvorrichtung zum Einsatz kommen, wie sie in EP 1 295 090 Bl beschrieben ist. Details des Einsatzes in einer Scanvorrichtung (ein Beispiel für die mechanische Anbringung eines Winkelpositi onsdetektors in einer Scanvorrichtung) sind bereits in EP 1 295 090 Bl beschrieben und werden daher nicht hier wiederholt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Positionsdetektor zum Bestimmen des Drehwinkels eines um eine Drehachse (A) drehbaren Elements mit :
einer Lichtquelle (3),
einem Detektorelement (18, 19, 20, 21) zum Erfassen der von der Lichtquelle (3) emittierten Lichtstrahlung, das um die Drehachse (A) herum angeordnet ist und mindestens zwei Photosensoren (19, 20) aufweist, die in einer Ebene (23) angeordnet sind,
einem Strahlumformungselement (7, 207), das räumlich zwischen der Lichtquelle (3) und dem Detektorelement (18, 19, 20, 21) angeordnet ist, wobei durch das Strahlumformungselement (7, 207) Licht von der Lichtquelle (3) zu dem Detektorelement (18, 19, 20, 21) gelenkt wird,
einem Lichtblockierelement (5) , das zwischen dem Strahlumformungselement (7, 207) und dem Detektorelement (18, 19, 20, 21) so angeordnet ist, dass es sich zusammen mit dem drehbaren Element um die Drehachse (A) drehen kann, wodurch in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Lichteinfall auf unterschiedliche Teilbereiche des Detektorelements (18, 19, 20, 21) verhindert wird, dadurch gekennzeichnet, dass
das Strahlumformungselement (7, 207) mindestens eine Freiformfläche (6, 206) aufweist, an der das Licht der Lichtquelle (3) auf seinem Weg zum Detektorelement (18, 19, 20, 21) reflektiert wird.
2. Positionsdetektor nach Anspruch 1, bei dem das Strahlumformungselement (7, 207) so ausgestaltet ist, dass das Licht kreisringförmig aus dem Strahlumformungselement (7, 207) austritt.
3. Positionsdetektor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Licht an der mindestens einen Freiformfläche (6, 206) totalreflektiert wird .
4. Positionsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Fläche jedes Photosensors, auf die das Licht von der Lichtquelle (3) auftreffen kann, die Gestalt eines Kreisringabschnitts hat.
5. Positionsdetektor nach Anspruch 4, bei dem das Strahlumformungselement (7, 207) so ausgestaltet ist, dass das Licht kreisringförmig aus dem Strahlumformungselement (7, 207) austritt und die Breite der kreisringförmigen Lichtverteilung in radialer Richtung kleiner ist als die Breite des Kreisringabschnitts in radialer Richtung.
6. Positionsdetektor nach Anspruch 4, bei dem das Strahlumformungselement (7, 207) so ausgestaltet ist, dass das Licht kreisringförmig aus dem Strahlumformungselement (7, 207) austritt und die Breite der kreisringförmigen Lichtverteilung in radialer
Richtung größer ist als die Breite des Kreisringabschnitts in radialer Richtung.
7. Positionsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Strahlumformungselement (7, 207) eine kegelstumpfartige oder pyramidenstumpfartige Gestalt aufweist, wobei die Deckfläche (30, 230) zu der Lichtquelle (3) zeigt und die Symmetrieachse mit der Drehachse (A) zusammenfällt.
8. Positionsdetektor nach Anspruch 7, wobei die Seitenfläche
(6, 206) des Pyramidenstumpfs oder Kegelstumpfs bezogen auf dessen Symmetrieachse nach außen gewölbt ist und diese Seitenfläche jene Fläche ist, an der das Licht reflektiert wird.
9. Positionsdetektor nach Anspruch 7 oder 8, bei dem das
Strahlumformungselement (7, 207) in seiner der Lichtquelle (3) zugewandten Fläche eine Ausnehmung (4, 204) aufweist.
10. Positionsdetektor nach Anspruch 10, bei dem die Ausnehmung (4, 204) die Gestalt eines Kegelstumpfs oder Pyramidenstumpfs hat und das Strahlumformungselement (7, 207) an der Deckfläche dieses Kegelstumpfs oder Pyramidenstumpfs mit einer lichtdichten Beschichtung versehen ist.
11. Positionsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem das Lichtblockierelement (5) senkrecht zur Drehachse (A) einen Durchmesser unterhalb von 10 mm aufweist.
12. Positionsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem das Lichtblockierelement (5) bezüglich der Drehachse (A) ein Trägheitsmoment unterhalb von 0,010 g- cm2 aufweist .
13. Scanvorrichtung mit einem Positionsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
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