DE102004019907A1

DE102004019907A1 - Positionsgebersystem

Info

Publication number: DE102004019907A1
Application number: DE102004019907A
Authority: DE
Inventors: Robert Malcolm Santa Barbara Setbacken; Gary Thomas Goleta Rhodes; Kevin Michael Santa Barbara Carbone; Gregg Richard Goleta Service
Original assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 2003-04-25
Filing date: 2004-04-21
Publication date: 2005-01-13
Also published as: US20040211890A1

Abstract

Positionsgebersystem, umfassend
– eine Lichtquelle (50) zur Erzeugung eines optischen Signals,
– eine optische Trägerkonstruktion (12), welche eine lichtbrechende Optik (32) aufnimmt, um das optische Signal zu lenken, und welche einen Zapfen (30.1, 30.2) definiert,
– einen Trägerrahmen (34), welcher
– eine Vertiefung (40),
– einen Hohlraum (47), in welchen die Lichtquelle (50) angeordnet ist, und
– zumindest eine Ausnehmung zur Aufnahme des Zapfens (30.1, 30.2) definiert und
– einen Sensor (36), der in der Vertiefung (40) angeordnet, und zur Erzeugung eines elektrischen Signals als Reaktion auf das optische Signal angepasst ist, wobei das elektrische Signal an eine Leiterplattenbaugruppe (16) weiterleitbar ist, und wobei der Trägerrahmen (34) auf der Leiterplattenbaugruppe (16) so angeordnet ist, dass der Sensor bezüglich der Leiterplattenbaugruppe (16) auf einer vorgegebenen Höhe (H) sitzt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der optischen Messgeräte und insbesondere das Gebiet der optischen Geber, bei denen Methoden präziser Lichtaussendung und Lichtabtastung zusammen mit Datenverarbeitungselektronik benutzt werden.
Positionsgebersysteme und insbesondere Drehgeber, die einen Sensor enthalten, der an einem in Form hergestelltem Trägerrahmen (lead frame) befestigt ist, haben bisher Leistungssteigerungen bei Anwendungen, die Präzisionsmessungen erfordern, ermöglicht. Der typische Drehgeber enthält eine Leiterplatte (PCB), auf der ein Sensor sitzt. Der Sensor ist im Allgemeinen über eine Reihe von Leitungen und Drähten mit einer verarbeitenden Schaltung verbunden. Abschließend werden eine Reihe von Vergussmaterialien zum Abdecken und Schutz der empfindlichen Sensorelektronik und der mit dem Sensor verbundenen elektronischen Schaltung ausgewählt. Dieses Verfahren zur direkten Montage des Chips auf der Leiterplatte bezeichnet man gewöhnlich als COB oder Chip-On-Board.
Obwohl Drehgeber, bei denen die oben beschriebene COB-Technik verwendet wird, gewisse Vorteile bieten, wurde die gesamte Leistung, Verlässlichkeit und Dauerhaftigkeit des Produkts durch konstruktive Einschränkungen des bekannten Stands der Technik geschmälert. Von besonderem Belang ist die Gefährdung der geometrischen Sensitivität des Gebers durch die Befestigung des Sensors an der Leiterplatte. Der Abstand zwischen der Oberfläche der Vergussschicht und der Leiterplatte ist zum Beispiel nicht genau bekannt. Dadurch wird der Luftspalt zwischen der Kodierscheibe und der verkapselten Oberfläche nicht optimiert. Dies führt dazu, dass etwaige Fehler bei der Herstellung derartiger Geber die Funktionsfähigkeit des gesamten Systems beeinflussen können.
Diese Probleme sind mit weiteren Schwierigkeiten verbunden, die mit der Anwendung der Vergussmasse am Sensor und der umgebenden Schaltung zusammenhängen. Die Vergussmasse wird im Allgemeinen in flüssiger Form aufgebracht, deren Dosierung während des Produktionsprozesses eventuell nicht kontrollierbar ist und daher zu unförmigen Ansammlungen von Vergussmasse führen kann, welche die optische Empfindlichkeit des Sensors und die Verlässlichkeit der elektrischen Verbindungen vom Sensor zur Leiterplatte beeinträchtigen.
Eine weitere Schwierigkeit beim bekannten Stand der Technik besteht darin, dass die Montage des Gebers ein komplizierter Vorgang ist, und das Zusammenspiel der oben aufgeführten geometrischen, optischen und elektrischen Schwierigkeiten zur Unbrauchbarkeit des Produkts führen könnte.
Demgemäß besteht ein Aspekt der vorliegenden Erfindung darin, ein Positionsgebersystem mit einer Lichtquelle zur Erzeugung eines optischen Signals bereitzustellen, das an eine optische Trägerkonstruktion gekoppelt ist, die eine lichtbrechende Optik zur Lenkung des optischen Signals beherbergt. Ein Trägerrahmen, in dem eine Vertiefung definiert ist, ist mit der optischen Trägerkonstruktion verbunden, indem ein Zapfen der optischen Trägerkonstruktion von mindestens einem Loch im Trägerrahmen aufgenommen wird. Ein Sensor ist in der Vertiefung zur Erzeugung eines elektrischen Signals als Reaktion auf das optische Signal angeordnet, wobei das elektrische Signal an eine Leiterplattenbaugruppe weitergeleitet wird. Der Trägerrahmen ist auf der Leiterplattenbaugruppe so angeordnet, dass der Sensor im Verhältnis zur Leiterplattenbaugruppe auf einer vorgegebenen Höhe sitzt.
Der oben beschriebene Aspekt der vorliegenden Erfindung bietet erhöhte Sicherheit bei der Ausrichtung der optischen Bauteile des Gebersystems.
Außerdem bietet der oben beschriebene Aspekt der vorliegenden Entwicklung verglichen mit dem bekannten Stand der Technik höhere Leistung und Verlässlichkeit. Insbesondere der Trägerrahmen, in dem eine Vertiefung definiert ist, ermöglicht, dass sich der Sensor in einer bestimmten Höhe über der Leiterplattenbaugruppe befindet, und stellt somit ein besonderes Hilfsmittel in der Konstruktion des Gebers dar. Darüber hinaus beseitigt der Trägerrahmen, in dem eine Vertiefung definiert ist, die Notwendigkeit verschiedener Vergussmassearten, da nur eine minimale Menge an Vergussmasse zum Abdecken des Sensors und der verbundenen Schaltung erforderlich ist.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung besteht in einer Trägerrahmenbaugruppe, die einen Trägerrahmen, in dem eine Vertiefung definiert ist, einen Trägerrahmenkontakt, der in der Vertiefung angeordnet ist, und einen Sensor, der auf dem Trägerrahmenkontakt sitzt, umfasst.
Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in einem Positionsgebersystem, das eine Lichtquelle zur Erzeugung eines optischen Signals, eine Leiterplattenbaugruppe und einen Trägerrahmen umfasst, der auf der Leiterplattenbaugruppe abgestützt ist, wobei im Trägerrahmen eine erste Vertiefung und ein Hohlraum, in dem die Lichtquelle angeordnet ist, definiert sind. Auf der Leiterplattenbaugruppe ist ein Anschlussteil positioniert, der sich außerhalb des Trägerrahmens befindet, und ein Kontaktpad für den Anschlussteil ist innerhalb einer zweiten, im Trägerrahmen definierten Vertiefung angeordnet und elektrisch mit dem Anschlussteil verbunden. In der zweiten Vertiefung ist ein Sensor angeordnet, der auf einem Trägerrahmenkontakt sitzt und so ausgeführt ist, dass er als Reaktion auf das optische Signal ein elektrisches Signal erzeugt, das an einen Bonddraht weitergeleitet wird, der sich in der zweiten Vertiefung befindet und in elektrischem Kontakt mit dem Kontaktpad steht, so dass das elektrische Signal zum Anschlussteil und zur Leiterplattenbaugruppe übertragen wird, wobei die zweite Vertiefung eine Höhe besitzt, die größer als eine maximale Höhe des Bonddrahtes ist, und das Kontaktpad des Anschlussteiles mindestens auf derselben Höhe über der Leiterplattenbaugruppe liegt wie eine obere Fläche des Sensors.
Der oben aufgeführte zweite und dritte Aspekt der Erfindung bietet den Vorteil, dass nur eine minimale Materialmenge für den Verguss des Sensors erforderlich ist.
Ein vierter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Positionsgebersystem, das eine Lichtquelle zur Erzeugung eines optischen Signals, eine Leiterplattenbaugruppe und einen Trägerrahmen, der auf der Leiterplattenbaugruppe unterstützt ist, umfasst, wobei im Trägerrahmen eine erste Vertiefung und ein Hohlraum, in dem die Lichtquelle angeordnet ist, definiert sind. Auf der Leiterplattenbaugruppe ist ein Anschlussteil positioniert, der sich außerhalb des Trägerrahmens befindet, und ein Kontaktpad für den Anschlussteil ist innerhalb einer zweiten, im Trägerrahmen definierten Vertiefung angeordnet und elektrisch mit dem Anschlussteil verbunden. In der zweiten Vertiefung ist ein Sensor angeordnet, der auf einem Kontakt sitzt und so ausgeführt ist, dass er als Reaktion auf das optische Signal ein elektrisches Signal erzeugt, das an einen Bonddraht weitergeleitet wird, der sich in der zweiten Vertiefung befindet und in elektrischem Kontakt mit dem Kontaktpad steht, so dass das elektrische Signal zum Anschlussteil und zur Leiterplattenbaugruppe übertragen wird, wobei die zweite Vertiefung unterhalb der ersten Vertiefung liegt.
Der oben aufgeführte vierte Aspekt der Erfindung bietet den Vorteil, dass dickere Materialien, zum Beispiel Glas, für eine Kodierscheibe verwendet werden können, die in einem derartigen Positionsgebersystem enthalten ist.
Diese und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind nachstehend noch detaillierter mit Verweis auf eine bevorzugte Ausführungsform und die folgenden Zeichnungen beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Einzelteildarstellung eines Positionsgebersystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine Darstellung einer mit dem Positionsgebersystem aus 1 zu verwendenden optischen Trägerkonstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine perspektivische Darstellung einer mit dem Positionsgebersystem aus 1 zu verwendenden Trägerrahmenbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung.
4(a) zeigt eine perspektivische Darstellung einer optischen Trägerkonstruktion aus 2 während der Befestigung an der Trägerrahmenbaugruppe aus 3.
4(b) zeigt eine Querschnittsansicht der an der Trägerrahmenbaugruppe aus 3 befestigten optischen Trägerkonstruktion aus 2 entlang der Linie 4(b)-4(b) aus 4(a).
5 zeigt eine Draufsicht auf einen Teil des Positionsgebersystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt eine Querschnittsansicht eines Ausschnitts des Positionsgebersystems aus 1 gemäß der vorliegenden Erfindung entlang der Linie 6-6 aus 5.
7 zeigt eine Querschnittsansicht eines Ausschnitts des Positionsgebersystems gemäß der vorliegenden Erfindung entlang der Linie 7-7 aus 5.
8 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts aus 7.
9(a) zeigt eine verfeinerte Darstellung der 6 gemäß der vorliegenden Erfindung.
9(b) zeigt eine verfeinerte und vergrößerte Darstellung von Ausschnitten aus 9(a) gemäß der vorliegenden Erfindung.
10 zeigt eine zweite verfeinerte Darstellung eines Ausschnitts aus 6 gemäß der vorliegenden Erfindung.
11 zeigt eine Draufsicht auf einen Ausschnitt der Trägerrahmenbaugruppe aus 3 mit einem darauf überlagerten LED-Hohlraum gemäß der vorliegenden Erfindung.
12 ist eine Querschnittsdarstellung der Trägerrahmenbaugruppe von 3 gemäß der Linie -123-12 der 3.
13 ist eine Querschnittsdarstellung der Trägerrahmenbaugruppe von 3 gemäß der Linie 13-13 der 12.
Wie in diesem Dokument dargestellt und beschrieben, ist die vorliegende Erfindung ein verbessertes Positionsgebersystem, das eine optische Trägerkonstruktion und einen Trägerrahmen umfasst, wobei der Trägerrahmen einen Sensor und die damit verbundene Elektronik auf vorteilhafte Weise trägt und enthält.
1 zeigt eine Einzelteildarstellung eines Positionsgebersystems 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie dargestellt, ist das Positionsgebersystem 10 ein Drehgeber. Die vorliegende, im Nachfolgenden beschriebene Erfindung kann jedoch auch als Längenmessgerät konfiguriert werden.
Das Positionsgebersystem 10 umfasst im Allgemeinen eine optische Trägerkonstruktion 12 und eine Trägerrahmenbaugruppe 14, die, wie nachstehend erläutert, zusammengefügt werden. Eine Leiterplattenbaugruppe 16 und eine Kodierscheibe 18 sind um eine Achse 24 angeordnet, die mit einem Motor 22 verbunden ist. Eine Nabe 20 ist über der Kodierscheibe 18 zur Steuerung der Drehung der Kodierscheibe 18 um die Achse 24 angeordnet. Die Leiterplattenbaugruppe 16 ist mit einem Haltebolzen 26 am Motor 22 befestigt, der durch eine Öffnung in der Leiterplattenbaugruppe 16 gesteckt wird, so dass sein Gewinde in eine mit einem Gewinde versehene Öffnung des Motors 22 eingreift. Selbstverständlich sind andere Methoden, zum Beispiel Klebstoff oder die Verwendung von Schnappverbindungen, zur Befestigung der Leiterplattenbaugruppe 16 am Motor 22 zulässig.
2 zeigt eine detailliertere Darstellung der optischen Trägerkonstruktion 12. Die optische Trägerkonstruktion 12 umfasst einen Trägerkörper 28, der mindestens einen Zapfen 30.1, 30.2 aufweist. Der Trägerkörper 28 umgibt ein optisches Element 32, vorzugsweise eine prismatische Linse, zur direkten Brechung des einfallenden Lichts. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die optische Trägerkonstruktion 12 zwei Zapfen 30.1, 30.2 die, wie nachstehend beschrieben, eine Verbindung mit der Trägerrahmenbaugruppe 14 herstellen.
3 zeigt eine perspektivische Darstellung der Trägerrahmenbaugruppe 14. Die Trägerrahmenbaugruppe 14 umfasst einen Trägerrahmen 34, in dem eine Vertiefung 40 zur Aufnahme eines Trägerrahmenkontakts 38 und eines Sensors 36 definiert ist. Wie in 9(b) dargestellt, besitzt die Trägerrahmenbaugruppe 14 nahe ihres Umfangs eine gestufte Kontur und weist eine maximale Höhe E von ca. 1,4 mm auf. Somit besitzt auch die Vertiefung 40 eine gestufte Form, die eine obere Öffnung definiert, die sich in einem Abstand E über der Leiterplattenbaugruppe 16 befindet. Wie nachstehend im Einzelnen beschrieben, erfüllt die Vertiefung 40 zwei Funktionen: 1) Sie fixiert die Verbindungspunkte, welche die Übertragung von Signalen vom Sensor 36 zu einer Endanwendung ermöglichen und 2) sie bietet eine Form, die das Abdecken der Bonddrähte und des Sensors 36 mit einer optimierten Menge schützender transparenter Vergussmasse 54 erleichtert.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor 36 ein OPTO-ASIC-Sensor, der die Funktionen der Datenabtastung, Signalaufbereitung für den Datensensor, Kommutierungsabtastung und Signalaufbereitung für den Kommutierungssensor auf einem einzigen Siliziumträger verbindet. Wie in 3 und 9 dargestellt, ist der Sensor 36 in einem unteren Teil der Vertiefung 40 angeordnet und dort so zentriert, dass er sich in einem Abstand 1 (ca. 0,5 bis 1,0 mm) von der inneren Seitenwand des zylinderförmigen Abschnitts befindet. Der Abstand 1 kann beliebig verkleinert werden, indem der untere, zylinderförmige Teil der Vertiefung 40 näher beim Sensor 36 positioniert wird, wobei sich Einschränkungen bezüglich dieses Abstands aus den mechanischen Toleranzen des Sensors, den Verfahren für die Herstellung der Vertiefung sowie der Bestü ckungsgenauigkeit der Montagevorrichtung ergeben. Die Verkleinerung des Abstands 1 trägt dazu bei, die für den Verguss benötigte Materialmenge zu verringern und erhöht die Beständigkeit gegen thermische Spannungen, die zur Ablösung der Vergussschicht führen könnten.
Ein Teil des Sensors 36 grenzt an eine Gruppe externer Kontaktpads 42.1-42.10, die mit einer Gruppe externer Anschlussteile 44.1-44.10 verbunden sind. Wie in 9(b) dargestellt, sind die oberen Enden der Kontaktpads 42.1-42.10 bündig mit einem inneren Abschnitt 101 des Trägerrahmens 34 und befinden sich in einem Abstand C (circa 1 mm) über der Leiterplattenbaugruppe 16. In der dargestellten Ausführungsform sind zehn externe Anschlussteile 44.1-44.10 vorhanden. Es ist jedoch selbstverständlich dass in alternativen Ausführungsformen die genaue Anzahl der externen Kontaktpads 42.1-42.10 und der externen Anschlussteile 44.1-44.10 von der Datenmenge abhängt, die von Sensor 36 empfangen und verarbeitet wird.
Wie in 3 und 4(a) dargestellt, umfasst der Trägerrahmen 34 außerdem die Löcher 46.1, 46.2 zur Aufnahme der Zapfen 30.1, 30.2 der oben beschriebenen optischen Trägerkonstruktion 12. Wenn die zylinderförmigen Zapfen 30.1, 30.2 in die Löcher 46.1, 46.2 gesteckt werden, schieben sich zwei Seitenstücke 100 über die Seiten des Trägerrahmens 34 und greifen in Stege 102 in der Art eines Rasthakens ein. Sobald die optische Trägerkonstruktion 12 mit dem Trägerrahmen 34 verbunden ist, werden die beiden rückwärtigen Flansche 104 der optischen Trägerkonstruktion 12 in Nuten 106, die sich im Trägerrahmen 34 befinden, geschoben, so dass sie zur seitlichen Steifigkeit des Aufbaus beitragen und die externen Anschlussteile vor versehentlichem Kontakt mit Fremdkörpern schützen. Selbstverständlich sind alternative Befestigungsmethoden, zum Beispiel Presspassungen, Klebungen, Schrauben oder Schnappverbindungen, möglich.
Wie in 3 dargestellt, befindet sich zwischen den Löchern 46.1, 46.2 und benachbart zur Vertiefung 40 ein LED-Hohlraum 47 (Leuchtdioden-Hohlraum 47). Im LED-Hohlraum 47 sind ein LED-Kontakt 48 und eine LED 50 angeordnet, wie in 12 gezeigt. Es ist zu beachten, dass die LED 50 eine LED vom n-Typ oder p-Typ sein kann.
5 zeigt eine Draufsicht auf einen Ausschnitt des Positionsgebersystems 10 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die optische Trägerkonstruktion 12 ist mit der Trägerrahmenbaugruppe 14 verbunden, indem die Zapfen 30.1, 30.2 (2 und 4(a)-(b)), als Ausricht-Führungen durch Ausrichten mit den Löchern 46.1, 46.2 (3 und 4(a)) und Einstecken in die Löcher 46.1, 46.2 verwendet werden. Während des Einsteckens greifen die Seitenstücke 100 in die Stege 102 in der Art eines Rasthakens, wie zuvor beschrieben. Die Kodierscheibe 18 befindet sich unter der Nabe 20, so dass die Kodierscheibe 18 während des Betriebs um die Achse 24 rotiert werden kann.
6 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts des Positionsgebersystems 10 entlang der Linie 6-6 von 5. Wie oben ausgeführt, ist die optische Trägerkonstruktion 12 mit der Trägerrahmenbaugruppe 14 verbunden, die direkt auf der Leiterplattenbaugruppe 16 angeordnet ist. Die Kodierscheibe 18, die unter der Nabe 20 angeordnet ist, wird zwischen die optische Trägerkonstruktion 12 und die Trägerrahmenbaugruppe 16 geschoben. Wie in 5 und 6 dargestellt, ist die optische Trägerkonstruktion 12 so dimensioniert, dass diese einen Teil der Kodierscheibe 18 abdeckt. In alternativen Ausführungsformen, kann die optische Trägerkonstruktion 12 so vergrößert werden, dass sie einen größeren Teil der Kodierscheibe 18 oder die gesamte Kodierscheibe 18 abdeckt. In alternativen Ausführungsformen kann die vergrößerte optische Trägerkonstruktion so bemessen werden, dass sie das optische Element 32, wie zum Beispiel eine prismatische Linse, enthält. In beiden Ausführungsformen fungiert die optische Trägerkonstruktion 12 als Abdeckung zum Schutz der Kodierscheibe 18 und des optischen Elements 32, und wahlweise der Kodierscheibe 18.
Die optische Trägerkonstruktion 12 umfasst den Trägerkörper 28, in dem sich die Optik 32 befindet.
Wie in 3-6 dargestellt, umfasst die Trägerrahmenbaugruppe 14 den Trägerrahmen 34, im dem sowohl die Sensorvertiefung 40 als auch der LED-Hohlraum 47 definiert ist. Der Trägerrahmenkontakt 38 ist auf dem Trägerrahmen 34 innerhalb des durch die Vertiefung 40 definierten Raums angeordnet. Der Sensor 36 wird direkt auf den Trägerrahmenkontakt 38 abgesenkt. Eine optisch transparente Vergussmasse 54 wird auf den Sensor 36 aufgebracht und füllt im Wesentlichen den durch die Vertiefung 40 definierten Raum. Die Vergussmasse 54 dient zum Schutz des Sensors 36 und der zugeordneten Elektronik, einschließlich des Trägerrahmenkontakts 38, während sie Licht (wie z. B. Infrarotlicht) von der LED 50 hindurchlässt.
Wie in 11 dargestellt, umfasst der zum Trägerrahmen 34 gehörende LED-Hohlraum 47 sowohl eine LED-Kontaktfläche 48 als auch ein sich darauf befindendes LED-Bondpad 52. Wie in 12 gezeigt, haben die Kontaktflächen 48, 52 entsprechende Bereiche 108.1, 108.2, die sich über den Trägerrahmen 34 hinaus erstrecken und als externe Anschlussflächen arbeiten. Die Kontaktfläche 48 hat einen inneren Bereich, der auf dem Trägerrahmen 34 so aufliegt, dass er innerhalb des durch die LED-Hohlraum 47 definierten Raums ausgerichtet werden kann, und trägt darüber hinaus die LED 50. Die LED 50 ist über einen Verbindungsdraht 57 mit dem LED-Bondpad 52 verbunden.
7 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts des Positionsgebersystems 10 entlang der Linie 7-7 von 5. Wie vorhergehend beschrieben, ist die Trägerrahmenbaugruppe 14 direkt auf der Leiterplattenbaugruppe 16 angeordnet. Der Trägerrahmenkontakt 38 befindet sich auf dem Trägerrahmen 34 innerhalb des durch die Vertiefung 40 definierten Raums. Der Sensor 36 wird direkt auf den Trägerrahmenkontakt 38 abgesenkt. Die optisch transparente Vergussmasse 54 wird auf den Sensor 36 aufgebracht und füllt im Wesentlichen den durch die Vertiefung 40 definierten Raum.
Wie im Querschnitt dargestellt, ist der Sensor 36 mit den externen Kontaktpads 42.1–42.10 über zugehörigen Bonddrähte 58.1-58.10 verbunden. Wie vorhergehend angemerkt, sind die externen Kontaktpads 42.1-42.10 über die externen Anschlussteile 44.1-44.10 mit der Leiterplattenbaugruppe 16 verbunden. Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die externen Anschlussteile 44.1-44.10 die Leiterplattenbaugruppe 16 nicht direkt kontaktieren. Vielmehr sind die externen Anschlussteile 44.1-44.10 über Lötdepots 56.1-56.10 mit der Leiterplattenbaugruppe 16 verbunden. Diese Komponenten sind in 8, die einen vergrößerten Ausschnitt aus 7 zeigt, genauer zu erkennen. Es muss darauf geachtet werden, dass die externen Anschlussteile 44.1-44.10 und der Trägerrahmenkontakt 38 geringfügig über der Leiterplattenbaugruppe 16 liegen, so dass die Vertiefung 40 und der Trägerrahmen 34 – und nicht die Leitungen 54 – die endgültige Höhe des Systems 10 bestimmen.
Viele der vorhergehend beschriebenen Konstruktionsmerkmale verbessern die Funktion des Positionsgebersystems 10 der vorliegenden Erfindung. Insbesondere der Trägerrahmen 34 ermöglicht durch seinen starren mechanischen Aufbau eine genau definierte Höhe des Sensors 36 über der Leiterplattenbaugruppe 16. Dies ist bei der Konstruktion des Gebers von besonderem Nutzen.
9(b) zeigt einen kombinierten Querschnitt des Positionsgebers der vorliegenden Erfindung, wobei die geometrischen Merkmale genauer veranschaulicht sind, das optische Element 32 jedoch nicht maßstabsgetreu dargestellt ist. Besonderes Augenmerk gilt dabei der relativen Höhe des Sensors 36, des externen Anschlussteiles 44.1 und der LED 50 im Verhältnis zueinander und zur Leiterplattenbaugruppe 16.
In einer bevorzugten, in 9 dargestellten Ausführungsform ist der externe Anschlussteil 44.1 in einem Abstand A, der ca. 0,05 bis 0,1 Millimeter beträgt, über der Leiterplattenbaugruppe 16 angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor 36 in einem Abstand H über der Leiterplattenbaugruppe 16 angeordnet, wobei der Abstand H zwischen 0,7 und 1,0 Millimeter beträgt.
Darüber hinaus hat das Lötdepot 56.1, das den Sensor 36 mit der Leiterplattenbaugruppe 16 verbindet, keine Auswirkung auf die Bestimmung der Höhe H des Sensors 36 im Verhältnis zur Leiterplattenbaugruppe 16.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt bei Zusammenfassung der Maße des Trägerrahmens 34 und der LED-Kontaktfläche 48, die unter der LED 50 angeordnet ist, das obere Ende der Kombination aus Trägerrahmen 34 und LED- Kontaktfläche 48 in einem Abstand F + B über der Leiterplattenbaugruppe 16. Der Abstand F + B beträgt zwischen 0,8 und 2,0 Millimeter.
Der Abstand F ist der Abstand vom oberen Ende der LED- Kontaktfläche 48 zum oberen Ende des Trägerrahmenkontakts 38 und beträgt zwischen 0,3 und 1,0 Millimeter. Noch vorteilhafter ist ein Wert zwischen 0,3 und 0,6 Millimeter. Der Abstand B ist der Abstand vom oberen Ende des Trägerrahmenkontakts 38 zur Leiterplattenbaugruppe 16 und beträgt ungefähr zwischen 0,5 mm und 0,6 mm. Darüber hinaus ist das untere Ende des LED-Bondpads 52, wie in 9 und 10 dargestellt, in einem Abstand F über dem Trägerrahmenkontakt 38 positioniert.
Indem die LED- Kontaktfläche 48 im Verhältnis zum Trägerrahmenkontakt 38 auf ein erhöhtes Niveau F platziert wird, kann das optische Element 32 um eine gegebene Brennweite K zwischen der LED 50 und dem optischen Element 32 weiter vom Sensor 36 entfernt werden, um die Verwendung von dickeren Materialien, zum Beispiel Glas, für die Kodierscheibe 18 ermöglichen. Dabei ist zu beachten, dass bei der dargestellten Ausführungsform die Brennweite K (ca. 1,4 mm) die Länge bezeichnet, die sich vom oberen Ende der Sensor-LED zum optischen Element 32 erstreckt.
In gleicher Weise kann der Abstand zwischen dem Sensor 36 und der Kodierscheibe 18 mit größerer Genauigkeit bestimmt werden als es bei Verwendung der herkömmlichen COB-Technik mit Verguss durch Dam-and-Fill-Verfahren möglich ist, indem eine genaue Tiefe der Vertiefung 40 im Trägerrahmen 34 definiert wird. Für einen in Form hergestellten Trägerrahmen 34 aus Kunststoff zum Beispiel liegen die Maßtoleranzen im Bereich von 50 μm und damit in einem zwei- bis fünfmal höheren Genauigkeitsbereich als die Maßtoleranzen, die mit Dam-and-Fill-Verfahren eingehalten werden können. Bei Verwendung von präzisen Formverfahren kann die Vertiefung 40 mit optimaler Größe hergestellt werden, so dass sie nur den Sensor 36, die Bonddrähte 58 und eine minimale Menge an Vergussmaterial 54 enthält. Außerdem beseitigt die Vertiefung 40 die Notwendigkeit verschiedener Vergussmassearten, da nur ein Vergussmaterial 54 zur Abdeckung des Sensors 36 und der Bonddrähte 58 erforderlich ist.
Die Platzierung der Gruppe externer Kontaktpads 42 auf gleicher Höhe wie die obere Fläche des Sensors 36 ermöglicht die Verwendung von Bonddrähten 58 mit sehr geringer Schleifenhöhe. Insbesondere weisen die Bonddrähte 58 vorzugsweise eine maximale Höhe D (ca. 1,1 mm) über der Leiterplattenbaugruppe 16 auf. Das trägt zu einer weiteren Verringerung der zum Verguss der Bonddrähte 58 und des Sensors 36 erforderlichen Materialmenge bei. Die Platzierung der Gruppe externer Kontaktpads 42 verringert ebenfalls die Länge der Bonddrähte 58 und führt somit zu einer Steigerung der Gesamtleistung des Positionsgebersystems 10. Darüber hinaus macht die erhöht angeordnete Gruppe externer Kontakte 42 das Auftreten von Bondfehlern unmöglich, die durch Drahtkontaktierung des Randes des Sensors 36 verursacht werden und zu einem Kurzschluss führen.
Ein weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Löcher 46 und die Zapfen 30 eine starre Verbindung der optischen Trägerkonstruktion 12 zur Trägerrahmenbaugruppe 14 bilden. Die bei der vorliegenden Erfindung verwendete Schnappverbindung ermöglicht es dem Benutzer, die Komponenten von oben nach unten nach den Kriterien einer fertigungs- und montagegerechten Produktgestaltung ("Design for Manufacturing and Assembly") zu montieren.
Wie oben ausgeführt, ist die vorliegende Erfindung ein verbessertes Positionsgebersystem, das eine optische Trägerkonstruktion und einen Trägerrahmen umfasst, wobei der Trägerrahmen einen Sensor und die damit verbundene Elektronik auf vorteilhafte Weise trägt und enthält. Es ist jedoch selbstverständlich, dass die vorhergehende Beschreibung sich nur auf eine bevorzugte Ausführungsform bezieht, und Änderungen der vorliegenden Erfindung durch einen Fachmann möglich sind, ohne vom in den nachstehenden Ansprüchen dargelegten Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die Maße und die Form des Trägerrahmen können zum Beispiel so verändert werden, dass die Aufnahme von Sensoren mit unterschiedlicher Größe möglich ist, und dass die für den Verguss benötigte Materialmenge soweit als möglich reduziert wird.

10: Positionsgebersystem
11
12: Trägerkonstruktion
13
14: Trägerrahmenbaugruppe
15
16: Leiterplattenbaugruppe
17
18: Kodierscheibe
19
20: Nabe
21
22: Motor
23
24: Achse
25
26: Haltebolzen
27
28: Trägerkörper
29
30: Zapfen
31
32: optisches Element
33
34: Trägerrahmen
35
36: Sensor
37
38: Trägerrahmenkontakt
39
40: Vertiefung (2nd cavity für Sensor)
41
42: Kontaktpad ( connector pad, innere Enden der Beinchen)
43
44: Anschluss (external connector, externes Ende der Beinchen)
45
46: Löcher für Zapfen
47: LED-Hohlraum (1st cavity für LED)
48: LED-Kontakt
49
50: LED
51
52: LED-Bondpad
53
54: Vergussmasse
55
56: Lötdepot
57

Claims

Positionsgebersystem, umfassend – eine Lichtquelle (50) zur Erzeugung eines optischen Signals, – eine optische Trägerkonstruktion (12), welche eine lichtbrechende Optik (32) aufnimmt, um das optische Signal zu lenken, und welche einen Zapfen (30.1, 30.2) definiert, – einen Trägerrahmen (34), welcher – eine Vertiefung (40), – einen Hohlraum (47), in welchen die Lichtquelle (50) angeordnet ist, und – zumindest eine Ausnehmung zur Aufnahme des Zapfens (30.1, 30.2) definiert und – einen Sensor (36), der in der Vertiefung (40) angeordnet, und zur Erzeugung eines elektrischen Signals als Reaktion auf das optische Signal angepasst ist, wobei das elektrische Signal an eine Leiterplattenbaugruppe (16) weiterleitbar ist, und wobei der Trägerrahmen (34) auf der Leiterplattenbaugruppe (16) so angeordnet ist, dass der Sensor bezüglich der Leiterplattenbaugruppe (16) auf einer vorgegebenen Höhe (H) sitzt.
Positionsgebersystem gemäß dem Anspruch 1, wobei der Sensor (36) ein integrierter OPTO-ASIC-Sensor ist.
Positionsgebersystem gemäß dem Anspruch 1, ferner umfassend einen Trägerrahmenkontakt (38), welcher unterhalb des Sensors (36) liegt.
Positionsgebersystem gemäß dem Anspruch 1, ferner umfassend ein externes Anschlussteil (44.1-44.10), das aus dem Trägerrahmen (34) herausragt, und das mit der Leiterplattenbaugruppe (16) verbindbar ist.
Positionsgebersystem gemäß dem Anspruch 4, ferner umfassend ein externes Kontaktpad (42.1-42.10), verbunden mit dem externen Anschlussteil (44.1-44.10).
Positionsgebersystem gemäß dem Anspruch 5, ferner umfassend einen Bonddraht (58.1, 58.6), der zwischen dem Sensor (36) und dem externen Kontaktpad (42.1-42.10) anschließbar ist.
Positionsgebersystem gemäß dem Anspruch 1, ferner umfassend eine optisch transparente Vergussmasse (54), die als Schicht auf dem Sensor (36) angeordnet ist.
Positionsgebersystem gemäß dem Anspruch 7, wobei in die Schicht aus der optisch transparenten Vergussmasse (54) der Sensor (36), der Bonddraht (58.1, 58.6) und das externe Kontaktpad (42.1-42.10) eingegossen sind.
Positionsgebersystem gemäß dem Anspruch 7, wobei die Schicht aus der optisch transparenten Vergussmasse (54) innerhalb der Vertiefung (40) des Trägerrahmens (34) enthalten ist.
Positionsgebersystem gemäß dem Anspruch 1, ferner umfassend eine Kodierscheibe (18), die zwischen der optischen Trägerkonstruktion (12) und dem Trägerrahmen (34) angeordnet ist.
Positionsgebersystem gemäß dem Anspruch 1, wobei die lichtbrechende Optik (32) eine prismatische Linse ist.
Positionsgebersystem gemäß dem Anspruch 1, wobei die vorgegebene Höhe (H) zwischen 0,7 und 1,0 mm liegt.
Positionsgebersystem gemäß dem Anspruch 1, wobei die Lichtquelle (50) bezüglich der Leiterplattenbaugruppe (16) auf einer zweiten vorgegebenen Höhe liegt.
Positionsgebersystem gemäß dem Anspruch 1, wobei die Lichtquelle (50) bezüglich der Leiterplattenbaugruppe (16) auf einer zweiten vorgegebenen Höhe liegt und wobei ferner die zweite vorgegebene Höhe größer ist als die vorgegebene Höhe (H).
Trägerrahmen-Anordnung umfassend, – einen Trägerrahmen (34), der eine Vertiefung (40) definiert, – einen Trägerrahmenkontakt (38), der innerhalb der Vertiefung (40) angeordnet ist, und einen Sensor (36), der auf dem Trägerrahmenkontakt (38) angeordnet ist.
Trägerrahmen-Anordnung gemäß dem Anspruch 15, wobei der Sensor (36) ein integrierter Opto-ASIC-Sensor ist.
Trägerrahmen-Anordnung gemäß dem Anspruch 15, ferner umfassend ein externes Anschlussteil (44.1-44.10), das aus dem Trägerrahmen (34) herausragt.
Trägerrahmen-Anordnung gemäß dem Anspruch 17, ferner umfassend ein externes Kontaktpad (42.1-42.10), verbunden mit dem externen Anschlussteil (44.1-44.10).
Trägerrahmen-Anordnung gemäß dem Anspruch 18, ferner umfassend einen Bonddraht (58.1, 58.6), der zwischen dem Sensor (36) und dem externen Kontaktpad (42.1-42.10) anschließbar ist.
Trägerrahmen-Anordnung gemäß dem Anspruch 15, ferner umfassend eine optisch transparente Vergussmasse (54), die als Schicht auf dem Sensor (36) angeordnet ist.
Trägerrahmen-Anordnung gemäß dem Anspruch 20, wobei in die Schicht aus der optisch transparenten Vergussmasse (54) der Sensor (36), der Bonddraht (58.1, 58.6) und das externe Kontaktpad (42.1-42.10) eingegossen sind.
Trägerrahmen-Anordnung gemäß dem Anspruch 20, wobei die Schicht aus der optisch transparenten Vergussmasse (54) innerhalb der Vertiefung (40) des Trägerrahmens (34) enthalten ist.
Trägerrahmen-Anordnung gemäß dem Anspruch 15, ferner umfassend ein Loch (46.1, 46,2) im Trägerrahmen (34) zur Ankoppelung an eine optische Trägerkonstruktion (12).
Trägerrahmen-Anordnung gemäß dem Anspruch 15, ferner umfassend einen Hohlraum (47) im Trägerrahmen (34) zum Aufnehmen einer Lichtquelle (50).
Trägerrahmen-Anordnung gemäß dem Anspruch 24, ferner umfassend eine Lichtquelle (50), die innerhalb des Hohlraums (47) angeordnet ist.
Trägerrahmen-Anordnung gemäß dem Anspruch 25, ferner umfassend einen Kontakt (48), der zwischen der Lichtquelle (50) und dem Hohlraum (47) angeordnet ist.
Positionsgebersystem, umfassend – eine Lichtquelle (50) zur Erzeugung eines optischen Signals, – eine Leiterplattenbaugruppe (16), – einen Trägerrahmen (34), welcher auf der Leiterplattenbaugruppe (16) abgestützt ist, wobei der Trägerrahmen (34) eine erste Vertiefung (40), und einen Hohlraum (47), im welchem die Lichtquelle (50) angeordnet ist, definiert, – ein Anschlussteil (44.1-44.10), das oberhalb der Leiterplattenbaugruppe (16) positioniert ist, und außerhalb des Trägerrahmens (34) angeordnet ist, – ein Kontaktpad (42.1-42.10), das innerhalb einer zweiten Vertiefung (40), welche durch den Trägerrahmen (34) definiert ist, positioniert ist, und elektrisch mit dem Anschlussteil (44.1-44.10) verbunden ist, – einen Sensor (36), der in der Vertiefung (40) auf einem Trägerrahmenkontakt (38) angeordnet und zur Erzeugung eines elektrischen Signals als Reaktion auf das optische Signal angepasst ist, wobei das elektrische Signal an einen Bonddraht (58) weitergeleitet wird, der in der zweiten Vertiefung (40) angeordnet ist und in elektrischem Kontakt mit dem Kontaktpad (42.1-42.10) ist, so dass das elektrische Signal an das Anschlussteil (44.1-44.10) und die Leiterplattenbaugruppe (16) weitergeleitet wird, wobei die zweite Vertiefung (40) eine Höhe (B) aufweist, die oberhalb der maximalen Höhe des Bonddrahtes (58) ist, und das Kontaktpad (42.1-42.10) mindestens so hoch über der Leiterplattenbaugruppe (16) ist, wie die das obere Ende des Sensors (36).
Positionsgebersystem gemäß Anspruch 27, ferner umfassend, eine optische Trägerkonstruktion (12), welche eine lichtbrechende Optik (32) aufnimmt, um das optische Signal zu lenken, und welche einen Zapfen (30.1, 30.2) definiert, wobei ein Loch (46.1, 46,2) im Trägerrahmen (34) zur Aufnahme des Zapfens (30.1, 30.2) mit Schnappwirkung vorgesehen ist.
Positionsgebersystem gemäß Anspruch 27, wobei der Sensor (36) ein integrierter Opto-ASIC-Sensor ist.
Positionsgebersystem gemäß Anspruch 27, ferner umfassend eine optisch transparente Vergussmasse (54), die als Schicht auf dem Sensor (36) angeordnet ist.
Positionsgebersystem gemäß dem Anspruch 30, wobei in die Schicht aus der optisch transparenten Vergussmasse (54) der Sensor (36), der Bonddraht (58.1, 58.6) und das externe Kontaktpad (42.1-42.10) eingegossen sind.
Positionsgebersystem gemäß dem Anspruch 30, wobei die Schicht aus der optisch transparenten Vergussmasse (54) innerhalb der zweiten Vertiefung (40) des Trägerrahmens (34) enthalten ist.
Positionsgebersystem gemäß dem Anspruch 27, ferner umfassend eine Kodierscheibe (18), die zwischen der optischen Trägerkonstruktion (12) und dem Trägerrahmen (34) angeordnet ist.
Positionsgebersystem gemäß dem Anspruch 28, wobei die lichtbrechende Optik (32) eine prismatische Linse ist.
Positionsgebersystem gemäß Anspruch 27, wobei die Lichtquelle (50) bezüglich der Leiterplattenbaugruppe (16) auf einer zweiten vorgegebenen Höhe liegt, und wobei ferner die zweite vorgegebene Höhe größer ist als die vorgegebene Höhe (H).
Positionsgebersystem gemäß Anspruch 27, wobei die Lichtquelle (50) oberhalb des Trägerrahmenkontakts (38) angeordnet ist.
Positionsgebersystem umfassend, – eine Lichtquelle (50) zur Erzeugung eines optischen Signals, – eine Leiterplattenbaugruppe (16), – einen Trägerrahmen (34), welcher auf der Leiterplattenbaugruppe (16) abgestützt ist, wobei der Trägerrahmen (34) einen ersten Hohlraum (47), in welchem die Lichtquelle (50) angeordnet ist, definiert, – ein Anschlussteil (44.1-44.10), das oberhalb der Leiterplattenbaugruppe (16) positioniert ist, und außerhalb des Trägerrahmens (34) angeordnet ist, – ein Kontaktpad (42.1-42.10), das innerhalb einer zweiten Vertiefung (40), welche durch den Trägerrahmen (34) definiert ist, positioniert ist, und elektrisch mit dem Anschlussteil (44.1-44.10) verbunden ist, – einen Sensor (36), der in der zweiten Vertiefung (40) auf einem Trägerrahmenkontakt (38) angeordnet und zur Erzeugung eines elektrischen Signals als Reaktion auf das optische Signal angepasst ist, wobei das elektrische Signal an einen Bonddraht (58) weitergeleitet wird, der in der zweiten Vertiefung (40) angeordnet ist, und in elektrischem Kontakt mit dem Kontaktpad (42.1-42.10) ist, so dass das elektrische Signal an das Anschlussteil (44.1-44.10) und die Leiterplattenbaugruppe (16) weitergeleitet wird, wobei die zweite Vertiefung (40) unterhalb des ersten Hohlraums (47) liegt.
Positionsgebersystem gemäß Anspruch 37, ferner umfassend, eine optische Trägerkonstruktion (12), welche eine lichtbrechende Optik (32) aufnimmt, um das optische Signal zu lenken, und welche einen Zapfen (30.1, 30.2) definiert, wobei ein Loch (46.1, 46,2) im Trägerrahmen (34) zur Aufnahme des Zapfens (30.1, 30.2) mit Schnappwirkung vorgesehen ist.
Positionsgebersystem gemäß Anspruch 37, wobei der Sensor (36) ein integrierter Opto-ASIC-Sensor ist.
Positionsgebersystem gemäß Anspruch 37, ferner umfassend eine optisch transparente Vergussmasse (54), die als Schicht auf dem Sensor (36) angeordnet ist.
Positionsgebersystem gemäß dem Anspruch 40, wobei in die Schicht aus der optisch transparenten Vergussmasse (54) der Sensor (36), der Bonddraht (58.1, 58.6) und das externe Kontaktpad (42.1-42.10) eingegossen sind.
Positionsgebersystem gemäß dem Anspruch 40, wobei die Schicht aus der optisch transparenten Vergussmasse (54) innerhalb der zweiten Vertiefung (40) des Trägerrahmens (34) enthalten ist.
Positionsgebersystem gemäß dem Anspruch 37, ferner umfassend eine Kodierscheibe (18), die zwischen der optischen Trägerkonstruktion (12) und dem Trägerrahmen (34) angeordnet ist.
Positionsgebersystem gemäß dem Anspruch 38, wobei die lichtbrechende Optik (32) eine prismatische Linse ist.
Positionsgebersystem gemäß dem Anspruch 37, wobei die Lichtquelle (50) bezüglich der Leiterplattenbaugruppe (16) auf einer zweiten vorgegebenen Höhe liegt und wobei ferner die zweite vorgegebene Höhe größer ist als die vorgegebene Höhe (H).
Positionsgebersystem gemäß dem Anspruch 37, wobei die Lichtquelle (50) oberhalb des Trägerrahmenskontakts (34) liegt.