DE3220560C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen fotoelektrischen Kodierer zur Ermittlung einer physikalischen Größe aus Helligkeitsänderungen durch Bewegung einer ersten und zweiten, jeweils mit einem optischen Gitter versehenen Skala relativ zueinander, wobei die erste Skala abwechselnd auf der Oberfläche eines Basiselements angeordnete reflektierende und nichtreflektierende Flächen und die zweite Skala auf der Oberfläche eines lichtdurchlässigen Basiselements in Abständen angeordnete Lichtmeßflächen, die auf der dem lichtdurchlässigen Basiselement zugewandten Seite eine lichtabschirmende Schicht aufweisen, so daß auf diesem Basiselement abwechselnd lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Bereiche gebildet sind, umfaßt, wobei die Oberflächen der beiden Basiselemente mit den reflektierenden und nichtreflektierenden Flächen bzw. den Meßflächen einander zugewandt sind, und mit einer auf der den Lichtmeßflächen gegenüberliegenden Seite vor dem lichtdurchlässigen Basiselement angeordneten Lichtquelle.

Es sind fotoelektrische Kodierer bekannt, die so aufgebaut sind, daß von einer Lichtquelle abgegebene Lichtstrahlen durch eine Linse auf ein erstes optisches Gitter fallen; die Strahlen, die das erste optische Gitter passiert haben, treten anschließend durch ein zweites optisches Gitter und erreichen schließlich über eine Linse, die auf der anderen Seite der Gitter angeordnet ist, ein Lichtempfangselement.

Eine notwendige Bedingung ist also, daß die Strahlen von der Lichtquelle zwei optische Gitter passieren müssen, wodurch sich eine Mischung von komplexen, gebrochenen bzw. gebeugten Strahlen ergibt; außerdem werden diese Strahlen aufgrund von Reflexionen und Strahlenbrechung an der Oberfläche des Glases, welches als Basiselement für das optische Gitter dient, sowie aufgrund von Absorption in dem Glas gedämpft. Die von dem Lichtempfangselement erhaltenen Signale sind also zwangsläufig sehr schwach und enthalten einen schwachen Rauschanteil, so daß die weitere Verarbeitung mühsam und umständlich ist. Außerdem tragen die Lichtquelle, die Linse und das Lichtempfangselement zwangsläufig dazu bei, daß ein solcher, aus vielen Einzelteilen bestehender Kodierer relativ groß ist.

Die genannten Nachteile sind bei fotoelektrischen Kodierern der eingangs erwähnten Art, wie sie in der GB-PS 13 11 275 sowie in der US-PS 36 00 588 beschrieben sind, weitgehend beseitigt. Diese fotoelektrischen Kodierer weisen Lichtempfangselemente auf, die in eines der beiden Gitter integriert sind. Die fotoelektrischen Kodierer lassen sich daher in kompakter Bauweise herstellen. Außerdem ist das Signal-Rauschverhältnis bei diesen Kodierern wesentlich verbessert.

Ein Nachteil dieser bekannten fotoelektrischen Kodierer besteht darin, daß die Funktion durch mechanische Schwingungen der einzelnen Bestandteile des Kodierers relativ zueinander beeinträchtigt ist.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen fotoelektrischen Kodierer der eingangs erwähnten Art zu schaffen, der in seinen Gebrauchseigenschaften gegenüber den bekannten fotoelektrischen Kodierern noch weiter verbessert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lichtquelle auf der Oberfläche des Basiselements angeordnet und ein die Lichtquelle überspannender Reflektor vorgesehen ist, wobei der Reflektor unter Bildung eines kompakten, die zweite Skala, die Lichtquelle und den Reflektor umfassenden zusammenhängenden Meßkopfes mit der zweiten Skala verbunden ist.

Durch diese erfindungsgemäße Lösung, bei der die Lichtquelle auf dem Basiselement angeordnet ist, sind schwingungsbedingte Fehlmessungen durch Veränderung der Lage der Lichtquelle und der zweiten Skala relativ zueinander ausgeschlossen. Darüber hinaus ergibt sich durch die erfindungsgemäße Lösung der Vorteil, daß durch den kompakten, die zweite Skala und die Lichtquelle mit dem Reflektor umfassenden Meßkopf die Zahl der für den fotoelektrischen Kodierer erforderlichen Einzelteile noch weiter verringert ist.

Zweckmäßigerweise enthält ein solcher fotoelektrischer Kodierer zwischen dem lichtdurchlässigen Basiselement und der zweiten Skala, der Lichtquelle und dem Reflektor eine Substanz mit einem geeigneten Brechungsindex.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung kann ein im wesentlichen halbkugelförmiger, über seine Basisfläche unter Einschluß der Lichtquelle mit dem Basiselement verbundener durchsichtiger Körper vorgesehen sein, auf dessen Kugeloberfläche eine Metallschicht als Reflektor aufgebracht ist, wobei der Körper aus einem Material besteht, dessen Brechungsindex dem Brechungsindex des Materials des Basiselements angeglichen ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Skala bzw. Maßeinteilung für eine Ausführungsform eines fotoelektrischen Kodierers,

Fig. 2 im vergrößerten Maßstab einen Schnitt längs der Linie II-II von Fig. 1,

Fig. 3 eine Seitenansicht durch das Prinzip der Benutzung des fotoelektrischen Kodierers nach dieser Ausführungsform, und

Fig. 4 eine Seitenansicht durch eine Ausführungsform des fotoelektrischen Kodierers nach der vorliegenden Erfindung.

Die Skala bzw. die Maßeinteilung bzw. die Gitterplatte S nach dieser Ausführungsform ist so aufgebaut, daß beispielweise auf einem lichtdurchlässigen Basisteil 1 eine erste Materialschicht 2 für die Ableitung von Signalen, die aus einem Licht abschirmenden, leitenden Material, wie beispielsweise einem Metallfilm, hergestellt ist, eine PN-Halbleiterschicht 3 für die Umwandlung des Lichtes in elektrische Signale, und eine zweite Materialschicht 4 für die Ableitung von Signalen, die aus einem transparenten, aus lichtdurchlässigen, leitenden Materialien, wie beispielsweise In₂O₃, SnO₂, Si oder einem Gemisch dieser Materialien, hergestellten Film besteht, in der beschriebenen Reihenfolge laminiert sind, wodurch ein Lichtempfangsbereich 5 entsteht; mehrere dieser so ausgebildeten Lichtempfangsbereiche 5 sind in regelmäßigen räumlichen Abständen, also mit vorgegebener Teilung, angeordnet.

Wie man in Fig. 3 erkennen kann, ist die Skala 3, d. h., die zweite Skala bzw. das zweite Gitter, so angeordnet, daß ihre Lichtempfangsbereiche 5 den reflektierenden Bereichen 6 der Reflexions-Hauptskala M zugewandt sind; sie werden in der Weise eingesetzt, daß Licht von einer Lichtquelle 8 von der Rückseite der Skala S über eine Linse 7 auf die Reflexions-Hauptskala bzw. das Hauptgitter M fällt.

Die Zwischenräume zwischen den jeweiligen lichtreflektierenden Bereichen 6 des Hauptgitters M sind als nicht-reflektierende Bereiche ausgebildet, die aus den lichtdurchlässigen oder lichtabsorbierenden Bereichen bestehen.

Im einzelnen dienen die zweiten Materialschichten 4 für die Ableitung der Signale der Lichtempfangsbereiche 5 dazu, die Strahlen gegen die Lichtquelle 8 abzuschirmen, wodurch die Lichtempfangsbereiche 5 also die Funktion von Lichtabschirm-Schlitzen haben; die Zwischenräume zwischen den jeweiligen Lichtempfangsbereichen 5 dienen als Lichtübertragungsschlitze, so daß die Strahlen von der Lichtquelle 8 über das lichtdurchlässige Basiselement 1 auf das Reflexions-Hauptgitter M fallen können.

Die an den reflektierenden Bereichen 6 des Reflexions- Hauptgitters M reflektierten Strahlen verlaufen durch die ersten Materialschichten 2 für die Ableitung der Signale der Lichtempfangsbereiche 5 und erreichen die PN-Halbleiterschichten 3, wo die Strahlen in diesen Halbleitern in elektrische Ausgangssignale umgewandelt werden. Die elektrischen Ausgangssignale in den Halbleiterschichten 3 werden über die Ausgänge 9 und 10 abgeführt.

Mit anderen Worten dient also das Gitter bzw. die Skala S als Index- bzw. Markierungs-Fühler, in den eine Index-Skala und Lichtempfangselemente integriert sind.

Im folgenden soll ein Verfahren zur Herstellung der oben erwähnten Skala S beschrieben werden.

Für diese Skala wird als lichtdurchlässiges Basiselement 1 eine Glasplatte verwendet, diese Glasplatte wird in einem Vakuum-Metallisierungsgerät angebracht und bei einem Unterdruck von 5 × 10^-6 Torr auf eine Temperatur im Bereich von 150°C bis 200°C erwärmt; von einer Wolfram-Platte bzw. -Schalte wird Cr verdampft, wodurch ein Cr-Film mit einer Dicke von 2000 bis 3000 Å als erste Materialschicht 2 für die Ableitung von Signalen durch Aufdampfen auf der Glasplatte abgelagert wird.

Anschließend wird diese Glasplatte, die mit dem Cr-Film versehen ist, in einer Plasma-Kammer auf eine Temperatur von 300°C erwärmt; Ar-Gas, das 10% SiH₄ enthält, wird durch H₂-Gas auf das Zehnfache verdünnt und in die Plasma- Kammer eingeführt, in der ein Film 11 aus amorphem, N-leitendem Silizium (N-a-Si) und ein Film 12 aus P-leitendem amorphem Silizium (P-a-Si) durch eine Hochfrequenz-Glimmentladung bei einem Druck von 0,1 bis 2 Torr auf die oben erwähnte erste Materialschicht 2 für die Ableitung von Signalen laminiert werden; dadurch wird eine PN-Halbleiterschicht 3 mit einer Dicke von näherungsweise 1 µm ausgebildet.

Der Film 11 aus dem N-leitenden amorphen Silizium wird abgetrennt, indem eine sehr kleine Menge PH₃ in der Anfangsstufe der Abscheidung in das reagierende Gas gemischt wird; der Film 12 aus dem P-leitenden amorphen Silizium wird abgetrennt, indem über eine Reaktion PH₃ in B₂H₆ umgewandelt wird. In diesem Fall kann der PN-Halbleiter 3 durch ein thermisches Zersetzungsverfahren, eine Ablagerung durch Zerstäuben oder eine ähnliche Technik ausgebildet werden.

Anschließend wird das Basiselement 4 mit der so ausgebildeten PN-Halbleiterschicht 3 in einem Vakuum-Ablagerungstank abgeordnet, der auf eine Temperatur von 150°C erwärmt ist; In₂O₃ das sich in einem Aluminiumoxid-Tiegel befindet, wird auf dem Basiselement 1 durch ein Elektronenstrahl- Ablagerungsverfahren ausgebildet, so daß ein In₂O₃- Film mit einer Dicke von 1000 Å entsteht; dadurch wird auf der oben erwähnten PN-Halbleiterschicht 3 eine zweite Materialschicht 4 für die Ableitung von Signalen hergestellt.

Anschließend wird auf die zweite Materialschicht 4 für die Ableitung von Signalen ein Photoresist bzw. eine lichtunempfindliche Deckmasse mit einer Dicke von 2 µm durch ein Schleuder-Beschichtungsverfahren (spin coating) aufgebracht und getrocknet. Ein Bereich 9, der einen Ausgang bildet, wird gegen das Licht durch eine Maske abgeschirmt; dann erfolgt eine Belichtung mit UV-Strahlen und eine Entwicklung der belichteten Bereiche. Anschließend wird die lichtunempfindliche Deckmasse auf dem Bereich 9, der den Ausgang bildet, entfernt.

Anschließend werden die zweite Materialschicht 4 für die Ableitung von Signalen und die PN-Halbleiterschicht 3 von dem Bereich 9, der den Ausgang bildet, durch ein geeignetes Verfahren, beispielsweise durch chemisches Ätzen, Plasmaätzen oder eine ähnliche Technik, entfernt, wodurch die erste Materialschicht 2 für die Ableitung von Signalen freigelegt wird.

In ähnlicher Weise werden Bereiche außer Kalk der lichtdurchlässigen Schlitze 13 zwischen den Lichtempfangsbereichen 5 mit dem Photoresist bzw. der lichtunempfindlichen Deckmasse beschichtet; die erste und die zweite Materialschicht 2, 4 für die Ableitung von Signalen sowie die PN-Halbleiterschicht 3, deren Lage den lichtdurchlässigen Schlitzen 13 entspricht, werden durch Plasmaätzen oder ein ähnliches Verfahren entfernt, um dadurch das lichtdurchlässige Basiselement 1 freizulegen.

Wenn die Breite des lichtdurchlässigen Schlitzes 13 mehr als doppelt so groß wie die Höhe des Lichtempfangsbereiches 5 von der Oberfläche des lichtdurchlässigen Basiselementes 1 gemacht wird, dann kann dies zweckmäßigerweise zur Feststellung der Helligkeit verwendet werden.

Anschließend werden Zuführdrähte für die Abnahme des elektrischen Stroms von der ersten und zweiten Materialschicht 2 und 4 an den obenerwähnten Ausgängen 9 und 10 mittels eines leitenden Klebstoffes befestigt; anschließend wird ein Silikon- bzw. Silizium-Lack in einer dünnen Schicht auf die gesamte PN-Halbleiterschicht aufgebracht und getrocknet; dieser Lack dient zum Schutz der PN-Halbleiterschicht. Damit ist die Herstellung des Kodierers beendet.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform fallen die Strahlen von der Lichtquelle 8 senkrecht durch die Linse 9 auf die Skala bzw. das Gitter S; die Lichtquelle kann jedoch auch schräg angeordnet werden, solange die Strahlen durch die Skala S auf die Hauptskala M fallen.

Dadurch ergibt sich nämlich der Vorteil, daß sich die Größe der Skala in Richtung ihrer Breite weiter verringert.

Unter Bezugnahme auf Fig. 4 soll nun eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. Hierbei werden die gleichen Bezugszeichen wie bei der oben erläuterten, ersten Ausführungsform verwendet, um gleiche oder ähnliche Teile zu kennzeichnen, so daß diese Bezugszeichen nicht nochmals erläutert werden sollten.

Bei dieser Ausführungsform ist die Skala bzw. das Gitter S mit einer Lichtquelle 14 auf der den Lichtempfangsbereichen 5 durch das lichtdurchlässige Basiselement 1 und einem Reflektor 15 gegenüberliegenden Seite versehen, wodurch das Licht von der Lichtquelle 14 über das lichtdurchlässige Basiselement 1 zur anderen Seite gestrahlt wird.

Der Reflektor 15 wird auf folgende Weise hergestellt: Ein lichtreflektierender Film, der aus einem abgelagerten Metallfilm oder einen ähnlichen Material besteht, ist auf dem äußeren Umfang eines im wesentlichen halbkugelförmigen, transparenten Harzes 16 vorgesehen, der einstückig auf dem lichtdurchlässigen Basiselement 1 auf der Seite der Lichtquelle 14 ausgebildet ist.

Der transparente Harz 16 besteht aus einem lichtdurchlässigen Material, dessen Brechungsindex gleich dem Brechungsindex des obenerwähnten, lichtdurchlässigen Basiselementes 1 ist; dieses Harz wird um die Lichtquelle gestreckt, wodurch der Brechungsindex des Lichtes von der Lichtquelle 14 auf dem Strahlengang von der Lichtquelle 14 zu dem lichtdurchlässsigen Basiselement 1 verbessert wird.

Der wesentliche Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, daß nur zwei Skalen bzw. Gitter einen Kodierer bilden, weil die Lichtquelle 14 auf der Indexskala S selbst angebracht und die beiden Elemente einstückig durch den transparenten Harz 16 gebildet bzw. gegossen werden; ein weiterer Nachteil liegt darin, daß Fehler und Störungen, die sonst durch Schwingungen bzw. Vibrationen verursacht werden können, nicht auftreten, weil die Lichtquelle und die Indexskala S einstückig ausgebildet sind.

Claims (5)

1. Fotoelektrischer Kodierer zur Ermittlung einer physikalischen Größe aus Helligkeitsänderungen durch Bewegung einer ersten und zweiten, jeweils mit einem optischen Gitter versehenen Skala relativ zueinander, wobei die erste Skala abwechselnd auf der Oberfläche eines Basiselements (1) angeordnete reflektierende und nichtreflektierende Flächen und die zweite Skala auf der Oberfläche eines lichtdurchlässigen Basiselements (1) in Abständen angeordnete Lichtmeßflächen (5), die auf der dem lichtdurchlässigen Basiselement (1) zugewandten Seite eine lichtabschirmende Schicht (2) aufweisen, so daß auf diesem Basiselement abwechselnd lichdurchlässige und lichtundurchlässige Bereiche gebildet sind, umfaßt, wobei die Oberfläche der beiden Basiselemente mit den reflektierenden und nichtreflektierenden Flächen bzw. den Meßflächen einander zugewandt sind, und mit einer auf der den Lichtmeßflächen (5) gegenüberliegenden Seite vor dem lichtdurchlässigen Basiselement (11) angeordneten Lichtquelle (14), dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (14) auf der Oberfläche des Basiselements (1) angeordnet und ein die Lichtquelle überspannender Reflektor (15) vorgesehen ist, wobei der Reflektor (15) unter Bildung eines kompakten, zusammenhängenden, die Lichtquelle (14), die zweite Skala und den Reflektor umfassenden Meßkopf mit der zweiten Skala verbunden ist.

2. Kodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (15) eine konkave Spiegelfläche aufweist.

3. Kodierer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor eine kugel- oder parabolförmige Spiegelfläche aufweist.

4. Kodierer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang zwischen der Lichtquelle und dem Reflektor sowie zwischen dem Reflektor und dem Basiselement ein durchsichtiges Material (16) angeordnet ist, dessen Brechungsindex dem Brechungsindex, den das Material des Basiselements aufweist, angeglichen ist.

5. Kodierer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein im wesentlichen halbkugelförmiger, über seine Basisfläche unter Einschluß der Lichtquelle (14) mit dem Basiselement verbundener durchsichtiger Körper vorgesehen ist, auf dessen Kugeloberfläche eine Metallschicht als Reflektor (15) aufgebracht ist und wobei der Körper aus einem Material besteht, dessen Brechungsindex dem Brechungsindex des Materials des Basiselements angeglichen ist.