DE19645873C2 - Anordnung zur Kontrolle der Referenzposition eines Läufers eines planaren Schrittmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Kontrolle der Referenz- und Ausrichtposition eines Läufers eines planaren Schrittmotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (DD 146525), wobei der Läufer als ein in zwei Koordinaten meßbar verschiebbarer Schlitten oder Meßtisch eines Mehrkoordinatenmeßgerätes ausgebildet ist.

Der Betrieb eines planaren Schrittmotors, welcher die Basis für die Maßverkörperung in einem Mehrkoordinatenmeßgerät als darstellt, erfordert, daß alle Bewegungsvorgänge des Läufers relativ zum feststehenden Stator auf eine bestimmte Referenzposition bezogen wird. Dabei ist es auch wichtig, daß der orthogonale Ausrichtzustand zur vorhandenen Statorstruktur leicht nachprüfbar ist.

Aus der DE 44 02 384 C1 ist ein Verfahren und eine Anordnung für das Einstellen der Läufers eines planaren Schrittmotors in eine solche Referenzposition bekannt. Diese Schrittmotore besitzen einen mit einer Struktur versehenen Stator und einen darauf in Luftlagerungen gelagerten Läufer, welcher den Schlitten eines Mehrkoordinatenmeßgerätes darstellen kann. Manuell oder durch mechanische oder elektrische Hilfsmittel oder durch die eigene Vortriebskraft wird der Läufer mit mindestens zwei definierten ortsfesten mechanischen Anschlägen oder wegfreien elektrischen Kontakten in einer Referenz- oder Ausrichtposition in Wirkverbindung gebracht.

Nachteilig ist, daß bei dieser Anordnung eine objektive Kontrolle, ob der Läufer auch tatsächlich die Ausricht- oder Referenzposition erreicht oder eingenommen hat, mit dieser Anordnung nicht möglich ist.

Ferner ist allgemein das Lichtschrankenprinzip bekannt, bei welchem von einer Lichtquelle ausgehende Lichtstrahlen auf eine entfernt angeordnete Fotoempfängeranordnung gerichtet sind. Bei Unterbrechung oder Einengung des Lichtstrahls, z. B. durch einen Gegenstand wird ein Dunkelsignal erzeugt, mit welchem gewünschte Schaltvorgänge auslösbar sind.

Ein Zweikoordinatenschrittmotor mit einem als Tisch ausgebildeten Läufer und einem Stator ist aus der DD 146 525 bekannt, bei welchem in zwei Tischecken Rasterplatten befestigt sind, die von Lichtquellen beleuchtet und mit Fotoempfängern abgetastet werden, die inkrementale Ortssignale für einen Lageregler erzeugen zur Regelung der notwendigen Bewegungen, um eine Sollposition zu erreichen.

Weiterhin ist es aus der DE 29 15 873 C2 bekannt, zur Positionierung eines bewegbaren Gleitelementes, insbesondere zur Positionierung eines Tonarmes eines Plattenspielers eine fotoelektrische Abtasteinrichtung vorzusehen, die aus einem Lichtsende- und Lichtempfangselement besteht. Dabei sind Leuchtdioden an Stellen angeordnet, die bestimmten ausgezeichneten Positionen auf der Schallplatte entsprechen. Stehen sich Lichtquelle und Empfangselement gegenüber, können Steuersignale erzeugt oder Schaltvorgänge ausgelöst werden. Die Einstellung in eine Referenz- oder Ausrichtposition in mehreren Koordinaten und bestimmter Winkelstellung ist mit dieser Anordnung nicht zu erreichen.

Bei einem Zweiachsen-Linearmotor nach der DE 33 34 911 A1 besitzt ein Polstück eine Öffnung für einen durch eine Objektivlinse geführten Laserstrahl, wobei diese Linse über der Öffnung angeordnet ist. Diese Anordnung dient der Positionierungdes Ankers über dem Polstück und ist für eine Ausrichtung eines Schlittens im Bezug auf Koordinaten und in einer bestimmten Winkelstellung zu einer Struktur nicht geeignet.

Die DE 38 20 903 A1 beschreibt u. a. eine elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator, wobei der Rotor eine optisch erkennbare Signalspur besitzt. Zur Abtastung der Winkelstellung des Rotors ist ein optischer Sensor vorgesehen, welcher außerhalb des Gehäuses der elektrischen Maschine angeordnet ist. Zwischen der Signalspur und dem Sensor ist ein Lichtleiter zur Übertragung der optischen Signale vorgesehen. Bei dieser Maschine erfolgt lediglich eine Feststellung der Winkelstellung des Rotors und keine Einstellung desselben in eine Referenz- oder Ausrichtposition, wie es bei Schrittmotoren, bei welchem lineare Bewegungen in mehreren Koordinaten ausgeführt werden, notwendig ist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Kontrolle der Referenz- oder Ausrichtposition eines planaren Schrittmotors zu schaffen, mit dem berührungslos und mit einfachen Mitteln ohne Beeinträchtigung der Bewegung des Läufers mit hoher Zuverlässigkeit und Sicherheit die Referenz- und Ausrichtposition und deren Einnahme durch den Läufer gegenüber dem Stator festgestellt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe der Erfindung bei einem planaren Schrittmotor mit den im kennzeichnenden Teil des ersten Anspruchs angegebenen Mittteln gelöst. In den weiteren Ansprüchen sind Ausgestaltungen der Erfindung dargelegt.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird mit einfachen Mitteln und mit einer hohen Zuverlässigkeit und Sicherheit eine Kontrolle erreicht, ob das bewegte Teil, der Läufer des planaren Schrittmotors, seine Referenz- oder Ausrichtposition eingenommen hat. Eine solche Stellung ist dann erreicht, wenn sich zugeordnete Lichtquellen und Empfänger im festen und beweglichen Teil genau gegenüberstehen und somit maximale elektrische Signale durch die Empfängeranordnungen erzeugt werden, wobei zur Kontrolle der Referenzposition lediglich eine einzige Lichtquelle und eine einzige Empfängeranordnung benutzt werden und zur Übertragung des Lichtes der Lichtquelle mindestens ein Lichtleiter eingesetzt ist. Bei dieser Anordnung ist eine Lichtquelle am Ort des einen Referenzpunktes und die Empfängeranordnung am Ort des anderen Referenzpunktes des festen oder bewegten Teils angeordnet. An den deckungsgleichen Orten der Referenzpunkte auf dem jeweils anderen Teil, dem beweglichen oder festen Teil, sind die Enden des diese Punkte optisch verbindenden Lichtleiters angeordnet. Es wird somit das scharf begrenzte Lichtbündel der Lichtquelle von dem Ort des einen Referenzpunktes über den Lichtleiter zum Ort des anderen Referenzpunktes, in welchem sich eine Empfängeranordnung befindet, geleitet. Ein maximales "Hell"-Signal wird bei Einnahme der Referenzposition des einen Teils gegenüber dem anderen Teil durch die Empfängeranordnung erzeugt. Geringe Abweichungen von dieser Position bewirken, daß eine Schwächung des Signals erfolgt.

Der Lichtleiter kann sowohl im Läufer als auch im Stator angeordnet werden, wobei die Anordnung der Lichtleiter im Läufer insofern vorteilhafter ist, als hier keine energieführenden Leitungen zum Läufer notwendig sind. Funktionell sind jedoch beide Ausführungen als gleichwertig anzusehen.

Um eine hochgenaue Kontrolle der Referenzpositionseinstellung zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die Lichteintritts- und Lichtaustrittsquerschnitte für Lichtquelle, Lichtleiter und Empfängeranordnung klein und etwa gleich groß ausgeführt sind und das die Lichtquelle verlassende Licht stark gebündelt ist. Zur scharfen Bündelung des die Lichtquelle verlassenden Lichtbündels ist vorteilhaft, eine Blende oder mindestens eine Lichtleitfaser oder ein Faserbündel vorzusehen.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der strahlende Querschnitt der Lichtquelle und der empfangende Querschnitt der Empfängeranordnung besonders kleingehalten sind. Da sich der Lichtleiterausgang und der -eingang im Läufer des planaren Schrittmotors prinzipbedingt in einem geringen Abstand über der Oberfläche des festen Teils befinden und sich über dieser Oberfläche bewegen, wird eine empfindliche Detektorkennlinie der Anordnung im Bezug auf die Position und auf den Verdrehwinkel der relativ zueinander bewegten Teile erreicht.

Zum Schutz der Lichtquelle und der Empfängeranordnung gegen Verschmutzung sind vorteilhaft die freie Lichtaustritts- und Lichteintrittsfläche mit mindestens einer Lichtleitfaser oder einen Faserbündel ausgefüllt.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 die Lage der Referenzpunkte von Stator und Läufer ohne Lichtleiter,

Fig. 2 die Lage der Referenzpunkte von Stator und Läufer mit Lichtleiter,

Fig. 3 die Lage von Lichtquelle und Empfängeranordnung auf Stator und Läufer im Schnitt,

Fig. 4 die Lage von Lichtquelle und Empfängeranordnung und Lichtleiter auf Läufer und Stator im Schnitt,

Fig. 5 eine Anordnung mit Lichtquelle im Läufer und Empfängeranordnung in Stator und

Fig. 6 eine vergrößerte, detaillierte Darstellung der Anordnung nach Fig. 4.

Der in Fig. 1 stark vereinfacht dargestellte planare Schrittmotor umfaßt ein festes, erstes Teil 1, welches den Stator bildet, und ein bewegliches, zweites Teil 2, das den Läufer darstellt. Dieser so aufgebaute Schrittmotor kennzeichnet weitgehend den bekannten Stand der Technik. Der Läufer ist vorteilhaft auf dem Stator in nicht dargestellten Luftlagern gelagert und in den zwei Koordinaten X und Y beweglich. Das feste Teil 1 besitzt auf seiner, dem beweglichen Teil 2 zugewandten Oberfläche eine Struktur 2.1 aus sich kreuzenden Nuten, welche zusammen mit den im Läufer vorgesehenen Spulen- und Polsystemen (nicht dargestellt) der Ausbildung und Formung des magnetischen Feldes dienen. In den Teilen 1 und 2 sind Referenzpunkte 3; 4 und 5; 6 vorgesehen, wobei die Referenzpunkte 3 und 4 auf dem Stator und die Referenzpunkte 5 und 6 auf dem Läufer angeordnet sind (Fig. 3). Die den Referenzpunkten 3 und 4 des festen Teils 1 (Stator) zugeordneten Referenzpunkte 5 und 6 des beweglichen Teils 2 (Läufer) sind so auf den betreffenden Teilen 1 und 2 angeordnet, daß im Falle der Einnahme der Referenzposition durch das Teil 2 gegenüber dem Teil 1 zugeordnete Referenzpunkte 4 und 6 bzw. 3 und 5 in deckungsgleicher Position einander gegenüberliegen. Die Referenzpunkte 3 und 4 sind auf dem Teil 1 auf sich in einem Koordinatenursprung O schneidenden Koordinatenachsen X und Y angeordnet und bestimmen so die Referenzposition. An den Orten dieser Referenzpunkte sind in den Teilen 1 und 2 Bohrungen oder Vertiefungen angebracht, in denen sich jeweils mindestens eine Lichtquelle bzw. eine Empfängeranordnung befindet. So liegen sich bei Erreichen der Referenzposition des beweglichen Teils 2 gegenüber dem festen Teil 1 dann gemäß der Ausführung nach Fig. 1 und 5 jeweils eine Lichtquelle 8 und eine Empfängeranordnung 9 deckungsgleich gegenüber, wobei deren Abstand sehr gering und von der Dicke d des zwischen den Teilen 1 und 2 vorhandenen Luftspaltes abhängig ist und in der Größenordnung von Bruchteilen eines Millimeters bis zu wenigen Millimetern liegt. In welchem der Teile 1 und 2 eine Lichtquelle 8 bzw. eine Empfängeranordnung 9 angeordnet ist, ist prinzipiell gleich, es muß nur gewährleistet sein, daß sich bei Einnahme der Referenzposition des Läufers gegenüber dem Stator eine Lichtquelle und eine Empfängeranordnung gegenüberliegen.

Eine Ausführungsform der Erfindung ist in den Fig. 2, 4 und 6 dargestellt. Auch in dieser Fig. 2 bzw. 6 bezeichnen gleiche Bezugszeichen funktionell gleiche Teile. Gegenüber Fig. 1 ist im beweglichen Teil 2 (Läufer) des planaren Schrittmotors mindestens ein die Referenzpunkte 5 und 6 optisch verbindender Lichtleiter 7 vorgesehen, deren Ausgangsflächen 13 und 14 an den Referenzpunkten 5 und 6 in Bohrungen liegen. Über diesen mindestens einen Lichtleiter 7 wird das Licht, das durch eine in den Referenzpunkten 3 oder 4 angeordnete Lichtquelle 10 ausgestrahlt wird, von einer Ausgangsfläche zur anderen geleitet und von dort der gegenüberliegenden Empfängeranordnung 11 zugeführt. Diese Anordnung ist so ausgeführt, daß beispielsweise im festen Teil 1 eine Lichtquelle 10 und eine Empfängeranordnung 11 vorgesehen sind, dann befindet sich im beweglichen Teil 2 der Lichtleiter 7. Umgekehrt, wenn die Lichtquelle und die Empfängeranordnung in dem beweglichen Teil 2 liegen, befindet sich der entsprechende Lichtleiter im festen Teil 1 (nicht dargestellt) und leitet das Lichtbündel von der Lichtquelle zur Empfängeranordnung, wenn die Referenzposition erreicht ist.

Die Anordnung des Lichtleiters 7 im beweglichen Teil 2 ergibt den Vorteil, daß zusätzliche energieführende Leitungen nicht mit dem Teil 2 verbunden werden müssen.

Zur Bündelung des die Lichtquellen verlassenden Lichtes sind, wie in Fig. 5 angedeutet, vor den Lichtquellen oder auch vor den Empfängeranordnungen optische strahlenbündelnde Mittel, z. B. Lichtleitfasern 14 oder entsprechende Linsen 15 oder andere geeignete Bauelemente vorgesehen.

Das feste Teil 1 kann als Tisch und das bewegliche Teil 2 beispielsweise als Schlitten eines Mehrkoordinatenmeßgerätes ausgebildet sein, welche mit entsprechenden Elementen ausgestattet sind, um als planarer Schrittmotor zu wirken.

Vorteilhaft ist es, die Empfängeranordnung 9 als einen positionsempfindlichen Sensor, z. B. als einen Quadrantenempfänger oder ein geeignetes Differenzfotoelement, ausgebildet sein, der mit einer Auswerteeinrichtung verbunden ist und im Ausrichtzustand bei Koinzidenz von Lichtquelle und Empfängeranordnung ein "Hell"- Signal liefert. Um eine hohe Genauigkeit bei der Einstellung zu erreichen, ist es günstig, daß der Lichtaustrittsquerschnitt der Lichtquelle und der Lichteintrittsquerschnitt der Empfängeranordnung klein ausgeführt sind und etwa gleiche Abmessungen besitzen und eine gleiche Form aufweisen, welche rund oder auch rechteckig oder quadratisch sein kann.

Claims (8)

1. Anordnung zur Kontrolle der Referenz- und Ausrichtposition eines in zwei Koordinaten X; Y gegenüber einem festen ersten Teil bewegten zweiten Teil eines planaren Schrittmotors, wobei das feste Teil den Stator des Schrittmotors bildet und an seiner, dem bewegten Teil zugewandten Oberfläche eine Struktur aufweist und das bewegte Teil den Läufer des Schrittmotors bildet, wobei die Positionen in X- und in Y-Richtung mittels Lichtquelle und optoelektronischem Empfänger erfaßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß an den einander zugewandten Oberflächen des festen Teils (1) und des bewegten Teils (2) jeweils mindestens zwei Referenzpunkte (3; 4 und 5; 6) vorgesehen sind, derart, daß bei Erreichen der Referenzposition des bewegten Teils (2) gegenüber dem festen Teil (1) die einzelnen Referenzpunkte (5; 6) des bewegten Teils (2) den zugeordneten Referenzpunkten (3; 4) des festen Teils (1) in deckungsgleicher Position gegenüberliegen, wobei die Referenzpunkte (3; 4) des festen Teils (1) im Bezug auf den Ursprung O der Koordinaten X; Y eine genau festgelegte Lage besitzen, welche die Referenzposition definiert, wobei im festen Teil (1) am Ort des einen Referenzpunktes eine Lichtquelle (10) und am Ort des zweiten Referenzpunktes eine Empfängeranordnung (11) angeordnet sind und daß am bewegten Teil (2) an den Orten der Referenzpunkte die beiden Enden (12; 13) eines die Referenzpunkte optisch verbindenden Lichtleiters (7) angeordnet sind oder im bewegten Teil (2) am Ort des einen Referenzpunktes eine Lichtquelle und am Ort des zweiten Referenzpunktes eine Empfängeranordnung angeordnet sind und daß am festen Teil (1) an den Orten der Referenzpunkte die beiden Enden eines die Referenzpunkte optisch verbindenden Lichtleiters (7) angeordnet sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzpunkte (3; 4) auf dem festen Teil (1) in fester Relation zum Koordinatenursprung O und zur Struktur (2.1) des festen Teils (1) des Schrittmotors stehen.

3. Anordnung nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquellen, Empfängeranordnungen und Lichtleiterenden in den an Referenzpunkten vorgesehenen Bohrungen des festen, ersten und/oder des bewegten, zweiten Teils (1 und/oder 2) des Schrittmotors angeordnet sind.

4. Anordnung nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer als Schlitten oder Tisch eines Mehrkoordinatenmeßgerätes ausgebildet ist.

5. Anordnung nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Bündelung des die Lichtquelle (8) verlassenden Lichtes vorgesehen sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bündelung des Lichtes mindestens eine Lichtleitfaser (14) oder eine Blende oder eine Linse (15) der Lichtquelle (8) in Lichtrichtung nachgeordnet ist.

7. Anordnung nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfängeranordnung (9; 11) ein positionsempfindlicher Sensor für mindestens eine Koordinatenrichtung ist, welcher mit einer Auswerteeinrichtung verbunden ist und im Ausrichtzustand ein Hell-Signal an diese liefert.

8. Anordnung nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtaustrittsquerschnitt der Lichtquelle und Lichteintrittsquerschnitt der Empfängeranordnung klein ausgeführt sind und etwa gleiche Abmessungen und eine etwa gleiche Form besitzen.