DE10356328A1

DE10356328A1 - Optischer Weglängen- oder Drehwinkelsensor

Info

Publication number: DE10356328A1
Application number: DE10356328A
Authority: DE
Original assignee: Sick Stegmann GmbH
Current assignee: Sick Stegmann GmbH
Priority date: 2003-10-27
Filing date: 2003-11-28
Publication date: 2005-06-16

Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischen Weglängen- oder Drehwinkelsensor mit mindestens einer sich in Messrichtung beweglichen Maßverkörperung mit darauf befindlichen Licht durchlässigen und nicht durchlässigen Bereichen, mindestens einer in Messrichtung relativ statisch dazu angeordneten zweiten Maßverkörperung und/oder mindestens einem photoelektrischen Wandler. Um den Abstand zwischen der sich drehenden Maßverkörperung und der statischen Maßverkörperung und/oder dem optisch/elektrischen Wandler sehr klein, z. B. im Bereich von 10-20 mum, zu halten und außerdem die Zentrizität der beiden zueinander von der bisher benötigten Wellenlagerung unabhängig zu machen, ist vorgesehen, dass die Maßverkörperungen jeweils so ausgebildet sind, dass sie durch eine zwischen den Maßverkörperungen vorgesehene Führung in Messrichtung zueinander ausgerichtet und auf Abstand gehalten sind. Die Führung kann durch eine formschlüssige Verbindung in wenigstens eine der Richtungen gewährleistet sein, die nicht die Messrichtung darstellt.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Weglängen- oder Drehwinkelsensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Solche optische Sensoren arbeiten durchweg nach dem Prinzip einer sich in Messrichtung beweglichen Maßverkörperung, die gegenüber einem relativ dazu statisch befindlichen Abtastsystem liegt. Diese Maßverkörperung wird nun nach verschiedenen Prinzipien mit Hilfe von Licht auf elektrischen Photoempfängern abgebildet.

Ein sehr häufig anzutreffende Prinzip ist das Durchlichtprinzip. Hierbei wird die Maßverkörperung, bestehend entweder aus Glas, lichtdurchlässigem Kunststoff oder aus Metall mit herausgeätzten lichtdurchlässigen Strukturen, von einem möglichst parallelen Licht durchdrungen. Auf der gegenüberliegenden Seite wird das bei Bewegung der Maßverkörperung modulierte Licht über Photoempfänger in elektrische Signale umgewandelt. Dieses Verfahren ist relativ einfach und kostengünstig herzustellen.

Ein weiteres Prinzip ist die optische Abtastung einer Maßverkörperung über die Lichtreflexion derselben. Weniger häufig da relativ aufwändig und mit hohen Anforderungen an die Präzision der Teile ist das Prinzip der interferrometrischen Abtas tung einer Maßverkörperung. Dabei wird kohärentes Licht an einem Gitter mit einer Gitterbreite in der Größenordnung der Lichtwellenlänge interferiert und führt auf diese Art zu Löschung und Verstärkung des Lichtes und damit zu einer entsprechenden elektrischen Modulation am optischen Empfänger. Auch dieses Verfahren ist sowohl nach dem Durchlichtprinzip, als auch nach dem Reflexionsprinzip bekannt.

Die Grundprobleme bei allen Prinzipien sind zum einen der Abstand zwischen der sich drehenden Maßverkörperung und dem optischen Empfänger bzw. die für eine gute Modulation zuständige statische Maßverkörperung und zum anderen die möglichst exakte zentrische Positionierung der beiden Maßverkörperungen zueinander.

Im industriellen Gebrauch sind Abstände zwischen 100μm bis 300μm üblich für Durchlichtprinzipien. Diese relativ großen Abstände erlauben aber auch nur solche Strukturen zur Modulation, die in etwa in der gleichen Größenordnung liegen. Bei Drehgebern mit sehr hoher Auflösung, bzw. mit sehr kleiner Teilungsstruktur müssen die Abstände deutlich kleiner gehalten werden, was dann hohe Kosten für die Lagerung und für die Genauigkeit der Mechanik bedeutet. Das Zentrieren der Maßverkörperungen zueinander wird entweder optisch mittels einer Vergrößerungsoptik oder elektrisch mittels von der Abtastung abgeleiteter optischer Signale vorgenommen. In allen Anwendungen wird die sich drehende Maßverkörperung über eine separate Wellenlagerung geführt, die in bezug auf die statische Maßverkörperung sowohl den Abstand, als auch die Zentrizität gewährleistet.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, die Zentrizität der beiden zueinander von der bisher benötigten Wellenlagerung unabhängig zu machen.

Eine weitere Aufgabe ist es, den Abstand zwischen der sich drehenden Maßverkörperung und der statischen Maßverkörperung und/oder dem optisch-/elektrischen Wandler sehr klein, z.B. im Bereich von 10–20μm, zu halten. Sowohl der Abstand als auch die Zentrizität sollen dann auch unter sehr hohen axialen und radialen Beschleunigungen erhalten bleiben.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Ein optischer Weglängen- oder Drehwinkelsensor nach der Erfindung weist mindestens eine sich in Messrichtung bewegliche Maßverkörperung mit darauf befindlichen Licht durchlässigen und nicht durchlässigen Bereichen auf, sowie mindest eine in Messrichtung relativ dazu statisch angeordnete zweite Maßverkörperung und/oder mindestens ein statischer photoelektrischer Wandler. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Maßverkörperungen durch eine zwischen den Maßverkörperungen vorgesehene Führung in Messrichtung zueinander ausgerichtet sind. Auf diese Weise ist eine sehr einfache und kostengünstige Lösung zur Zentrierung geschaffen, wobei die Zentrierung unabhängig von der Wellenlagerung sein kann.

Der wesentliche Inhalt der Erfindung beruht darauf, dass anstatt der bisher sehr aufwändig gestalteten Führungen der beiden Maßverkörperungen zueinander durch die Wellenlagerung, die Maßverkörperungen nach der Erfindung selbst die Führung übernehmen. Durch die Führung kann auch eine Abstandserhaltung realisiert sein, indem die Elemente zur Führung nur einen bestimmten minimalen Abstand der Maßverkörperungen zulassen.

Vorteilhafterweise ist eine konstruktiv einfache und entsprechend kostengünstige Führung gegeben, wenn die Führung aus wenigstens einem an einer der Maßverkörperungen angeordnetem Führungselement und einer an der anderen Maßverkörperung eingebrachten Führungsvertiefung, in der das Führungselement geführt ist, gebildet ist. Das Führungselement ist vorteilhafterweise als Führungszapfen ausgebildet. Bei einem Drehwinkelsensor kann das Führungselement auch nur ein einziger zentraler Führungszapfen sein, der in einer zentralen Führungsvertiefung sitzt und somit die Maßverkörperungen zentriert. Wenn dieser zentrale Führungszapfen, der in einer entsprechenden zentralen Führungsvertiefung auf der anderen Maßverkörperung sitzt, spitz ausgebildet ist, und nur mit seiner Spitze auf dem Grund der Führungsvertiefung aufsitzt, können unvermeidbare Reibungsverluste minimiert sein.

Das mit der erfindungsgemäßen Lösung neu entstehende Problem der unvermeidlichen Reibung bei Führungen wird durch ein lichtdurchlässiges Fluid mit adhäsiver Wirkung gelöst, das eine Art Schmierung für die an diesen Stellen entstehende Reibung bei Drehung darstellt. Das viskose Medium hat noch den wesentlichen Vorteil, dass die Maßverkörperungen dadurch auf Abstand gehalten werden können, wobei dieser Abstand entsprechend der Menge des Mediums sehr klein sein kann, z.B. im Bereich von 10–20μm.

Ferner hat das viskose Medium im Falle des Drehwinkelsensors den weiteren wesentlichen Vorteil, dass durch die adhäsive Wirkung, die verdrehsteife aber in axialer Richtung bewegliche statische Maßverkörperung oder Wandler zu der sich drehenden Maßverkörperung auf einem durch das viskose Medium bestimmten Abstand konstant gehalten werden kann. Der minimale Abstand kann dabei bestimmt werden durch die Führung, z.B. durch die Länge des Führungszapfens und der Tiefe der Führungsvertiefung.

In Weiterbildung der Erfindung kann in konstruktiv einfacher Weise die Führung gebildet sein durch eine in Messrichtung verlaufende Führungsnut auf einer der Maßverkörperungen und wenigstens einem in die Führungsnut eingreifenden Zapfen auf der anderen Maßverkörperung. Dabei kann die Führungsnut einen sich in Nuttiefenrichtung sich verjüngenden, insbesondere dreieckförmigen Querschnitt aufweisen. Im Falle eines Drehwinkelsensors bildet die Führungsnut eine konzentrische Führung für den oder die Führungszapfen. Die Maßverkörperungen werden dann quasi nach Art eines Schallplattenspielerarms, bei dem die Nadel in der Schallplattenrille läuft, geführt. Das Führungselement könnte auch als Führungssteg ausgebildet sein.

Zur exakten Führung kann in Weiterbildung der Erfindung der Führungszapfen formschlüssig in wenigstens eine der Richtungen, die nicht die Messrichtung darstellt, geführt sein.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Maßverkörperungen so ausgebildet werden, dass diese sowohl zentrisch, als auch in bezug auf den Abstand formschlüssig zueinander geführt werden können. Dies kann z.B. im Falle des Drehwinkelsensors dadurch realisiert werden, indem sich in der einen Maßverkörperung eine konisch verlaufende, konzentrische Senke befindet, und in der anderen ein in der Senke sitzender konischer Zapfen.

In Weiterbildung der Erfindung ist im Falle des Drehwinkelsensors die mindestens eine statische Maßverkörperung und/oder der mindest eine statische photoelektrische Wandler über eine Statorkupplung verdrehsteif gegenüber dem zu messenden Drehwinkel angeordnet, aber bleibt sowohl in axialer, als auch in radialer Richtung beweglich, wobei bevorzugt diese verdrehsteife Statorkupplung ein Parallelogramm darstellt.

In einer weiteren Anordnung mit feststehendem statischen Wandler ist die sich drehende Maßverkörperung vorteilhafterweise über eine winkeltreue Wellenkupplung ausgeführt t.

Grundsätzlich ist das erfindungsgemäße Prinzip auch auf lineare Wegmessung übertragbar. Auch dort können die Maßverkörperungen zueinander so gestaltet werden, dass sie durch eine Führung in Messrichtung zueinander ausgerichtet sind. Dabei kann in mindestens einer nicht der Messrichtung entsprechenden Richtung Formschluss entstehen. Die Maßverkörperungen können auch in der linearen Anordnung entweder über Federkraft und/oder über das viskose Medium dazwischen auf konstantem Abstand gehalten werden. Außerdem ist das Prinzip auch auf nicht optische Weglängen- oder Drehwinkelsensoren anwendbar.

Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispiels eines Drehwinkelsensors im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Ansicht zweier Maßverkörperungen teilweise weggeschnitten;
2 einen Querschnitt der Maßverkörperungen aus 1 in Explosionsdarstellung;
3 schematische Draufsichten der ersten und zweiten Maßverkörperungen einer weiteren Ausführungsform;
4 einen Querschnitt der aufeinanderliegenden Maßverkörperungen aus 3.
Ein erfindungsgemäßer Sensor weist eine erste in Messrichtung bewegliche Maßverkörperung 1 und eine zweite Maßverkörperung 2, die statisch angeordnet ist, auf. Durch Messung der relativen Bewegung der Maßverkörperung 1 gegenüber der Maßverkörperung 2 lassen sich Drehwinkel bestimmen, wie dies seit langem bekannt ist.
Erfindungsgemäß liegen die Maßverkörperungen 1 und 2 mit einem gewissen Abstand übereinander, wobei sich eine Unterseite 3 der ersten Maßverkörperung 1 einer Oberseite 4 der zweiten Maßverkörperung 2 gegenüberliegen. Damit die Maßverkörperungen 1 und 2 in jeder Winkelstellung und unabhängig von einer Wellenlagerung exakt konzentrisch zueinander liegen ist erfindungsgemäß eine Führung zwischen den Maßverkörperungen 1 und 2 vorgesehen, wodurch die Maßverkörperungen 1 und 2 konzentrisch zueinander ausgerichtet gehalten werden.
Die Führung besteht aus einem von der Unterseite 3 der ersten Maßverkörperung 1 abstehenden Führungselement 10 und einer auf der Oberseite 4 der zweiten Maßverkörperung 2 vorgesehenen Führungsvertiefung 12, in der das Führungselement 10 geführt ist. In dem ersten Ausführungsbeispiel nach 1 und 2 ist das Führungselement 10 als Führungssteg 5 ausgebildet und die Führungsvertiefung 12 als Führungsnut 6, die sich im Querschnitt dreieckförmig verjüngt und konzentrisch verläuft. Das Führungselement 10 kann eine der Führungsvertiefung 12 angepasste Form aufweisen, wie das in 2 dargestellt ist.
Dann besteht eine formschlüssige Verbindung zwischen den Maßverkörperungen 1 und 2 in wenigstens eine Richtung die nicht der Messrichtung entspricht. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel liegt in radialer Richtung ein Formschluss vor. Durch den in der Führungsnut 6 verlaufenden Führungssteg 5 ist eine exakte Führung der Maßverkörperungen gegeneinander während der Drehungen bei kleinsten Abstände gegeben.
Es kann aber auch ausreichend sein, wenn lediglich eine Spitze 14 des Führungselements 10 ohne Spiel in eine Richtung, die nicht der Messrichtung entspricht – im Falle des Drehwinkelsensors in radialer Richtung – geführt gehalten ist. Dies ist anhand eines zweiten Ausführungsbeispiels in 4 dargestellt.
Damit die beiden Maßverkörperungen 1 und 2 nicht direkt aufeinanderliegen und sie sich gegeneinander verdrehen können, ist zwischen ihnen ein viskoses Medium vorgesehen, dass vorzugsweise optisch durchlässig ist, um die Maßverkörperungen 1 und 2 optisch abtasten zu können. Dieses Medium hat gleichzeitig eine adhäsive Wirkung, so dass insgesamt der Abstand zwischen den beiden Maßverkörperungen 1 und 2 mittels des Mediums auf einen bestimmten Abstand festgelegt ist. Dieser Abstand kann sehr klein (10–20μm) sein und ist nach unten begrenzt durch die Höhe des Führungselement 10 und die Tiefe der Führungsvertiefung 12, wie dies z.B. in 4 deutlich erkennbar ist.
Damit das viskose Medium nicht verloren geht, kann eine Fluidsperre 16 beispielsweise am Rand einer der Maßverkörperungen vorgesehen sein. Da im Laufe der Zeit dennoch das Medium sich verflüchtigen kann, kann in einer oder beiden Maßverkörperungen eine Vorratsvertiefung 18 vorgesehen sein, die mit dem viskosen Medium gefüllt ist und aus der das viskose Medium in den Zwischenraum zwischen die beiden Maßverkörperungen 1 und 2 fließen kann. Diese Maßnahmen sind in der Zeichnung nur bzgl. 4 schematisch dargestellt und können aber selbstverständlich in allen anderen Ausführungsformen Anwendung finden.
In dem weiteren in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel, in dem gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen sind, bestehen die Führungselemente 10 aus drei Führungszapfen 7, die auf einem dem Nutradius entsprechenden Teilkreis 8 angeordnet sind. Die Führungszapfen 7 haben eine konische Form, so dass sie in die Führungsnut 6 eingreifen und in gleicher Weise wie der Steg 5 des ersten Ausführungsbeispiels eine Führung bewirken. Dabei können die Führungszapfen einen Formschluss in radialer Richtung aufweisen oder wie dargestellt, lediglich mit ihren Spitzen 14 auf dem Nutgrund geführt sein. Wiederum wird der Abstand zwischen den Maßverkörperungen über das viskose Medium bewirkt.
Wenn der erfindungsgemäße Sensor ein Drehwinkelsensor ist, sollte die mindestens eine statische Maßverkörperung 1 oder 2 und/oder der mindest eine statische photoelektrische Wandler verdrehsteif gegenüber dem zu messenden Drehwinkel angeordnet sein, aber sowohl in axialer, als auch in radialer Richtung beweglich bleiben, damit Zentrierung und Abstandserhaltung ausschließlich durch die erfindungsgemäß vorgesehene Führung erfolgen kann und dementsprechend exakt ausrichten werden kann. Die verdrehsteife Anordnung stellt bevorzugt ein Parallelogramm dar und/oder die sich drehende Maßverkörperung sollte über eine winkeltreue Wellenkupplung geführt sein. Mit diesen Maßnahmen kann über die Führung eine optimale Ausrichtung der Maßverkörperungen in einem Drehwinkelsensor erreicht werden.
Es sei noch einmal betont, dass die Beschreibung der Erfindung anhand eines Drehwinkelsensors lediglich beispielhaft beschrieben ist und das erfindungsgemäße Prinzip grundsätzlich auch auf lineare Wegmessung übertragbar ist. Auch dort können die Maßverkörperungen zueinander so gestaltet werden, dass sie durch eine dazwischenliegende Führung in Messrichtung zueinander ausgerichtet sind.

Claims

Optischer Weglängen- oder Drehwinkelsensor mit mindestens einer sich in Messrichtung beweglichen Maßverkörperung mit darauf befindlichen Licht durchlässigen und nicht durchlässigen Bereichen, mindest einer in Messrichtung relativ statisch dazu angeordneten zweiten Maßverkörperung und/oder mindestens einem statischen photoelektrischen Wandler, dadurch gekennzeichnet, dass die Maßverkörperungen durch eine zwischen den Maßverkörperungen vorgesehene Führung in Messrichtung zueinander ausgerichtet sind.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung aus wenigstens einem an einer der Maßverkörperungen angeordneten Führungselement und einer an der anderen Maßverkörperung eingebrachten Führungsvertiefung, in der das Führungselement geführt ist, gebildet ist.
Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement ein Führungszapfen ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Maßverkörperungen ein viskoses, bevorzugt lichtdurchlässiges Medium vorgesehen ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über die Führung die Maßverkörperungen auf Abstand gehalten sind.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsvertiefung gebildet ist durch eine in Messrichtung verlaufende Führungsnut.
Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsnut einen sich in Nuttiefenrichtung verjüngenden, insbesondere dreieckförmigen Querschnitt aufweist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle des Drehwinkelsensors die Führungsvertiefung als konzentrische Führungsnut ausgebildet ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement als Führungssteg ausgebildet ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Führung ein Formschluss in wenigstens eine der Richtungen, die nicht die Messrichtung darstellt, gegeben ist.
Drehwinkelsensor nach den vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine statische Maßverkörperung und/oder der mindest eine statische photoelektrische Wandler verdrehsteif gegenüber dem zu messenden Drehwinkel angeordnet ist, aber sowohl in axialer, als auch in radialer Richtung beweglich bleibt.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die verdrehsteife Anordnung ein Parallelogramm darstellt.
Drehwinkelsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sich drehende Maßverkörperung über eine winkeltreue Wellenkupplung geführt ist.