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Hochauflösender optischer Drehgeber in Low-Cost-Bauweise
D. Hopp*, Ch. Pruss*, W. Osten*, J. Seybold**, V. Mayer**, H. Kück***Institut für Technische Optik (ITO), Universität Stuttgart
**Institut für Mikroaufbautechnik (HSG-IMAT), Hahn-Schickard-Gesellschaft, Stuttgart
mailto:[email protected]
Am ITO und am HSG-IMAT wurde ein Konzept für einen neuartigen inkrementel-len optischen Drehgeber in Low-Cost-Bauweise erarbeitet, umgesetzt und die auf-gebauten Demonstratoren ersten Tests unterzogen. Die hochauflösende optischeMaßverkörperung des Sensors wird dabei auf Basis einer im DVD-Spritzguss her-gestellten Encoderscheibe mit diffraktiver Gitterstruktur realisiert.
1 Einleitung
Drehgeber werden für zahlreiche Anwendungen beirotierenden Maschinenkomponenten, Elektromoto-ren und im Kfz z. B. zur Detektion des Lenkwinkelseingesetzt. Neben kapazitiven, induktiven und ma-gnetischen Drehgebern, bieten optische Systeme inder Regel die höchste Grundauflösung des Winkels.Derzeit werden in optischen Drehgebern standard-mäßig sehr kostenintensive Maßverkörperungen inForm einer mit Chrom beschichteten Glasscheibeeingesetzt. Zudem ist die Montage dieser Systememit vielen Justageschritten verbunden.
Zum Aufbau eines hochauflösenden und dennochkostengünstigen Drehgebers, wurde der Ansatz ei-ner Maßverkörperung auf einer mikrostrukturiertenKunststoffscheibe analog zu einer Compact Disc, inKombination mit einer möglichst justagefreien Mon-tage verfolgt. Eine solche Encoderscheibe kann ineinem gängigen CD- oder DVD Spritzgussverfahrenhergestellt werden. Dadurch gelingt es, hochpräzi-se Strukturen in einem gleichzeitig kostengünstigenVerfahren herzustellen.
Am ITO erfolgte das Design der Optikkomponentensowie die Auslegung der Maßverkörperung auf derEncoderscheibe. Die mechnische sowie die elek-trische Konstruktion und Aufbautechnik wurde vomProjektpartner HSG-IMAT durchgeführt.
2 Maßverkörperung
Die inkrementelle Maßverkörperung besteht auseinem ringförmig angeordneten Muster aus dif-fraktiven Beugungsgittern mit einem Durchmesservon 27 mm. Durch kohärente Beleuchtung die-ser Gitter ergebt sich ein Beugungsbild, dessenIntensität mittels Photodioden an bestimmten Or-ten detektiert wird. Die Gitterstrukturen werden mitdem beugungsbegrenzten Spot eines singlemodi-gen VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting La-ser) mit 850 nm Wellenlänge beleuchtet (Abb. 1).Als abbildende Elemente kommen eine spritzge-gossene Kunststofflinse und -blende zum Einsatz.
Abbildung 1 Strahlengang im Sensor
Bewegt sich eine Struktur aus wechselnden Fel-dern mit und ohne Gitterstruktur unter demSpot hindurch, wird bei geeigneter Spotgeome-trie ein sinusartiges Signal an der Position derersten Beugungsordnung detektiert (Abb. 2).
Abbildung 2 Schema der Signalerzeugung mit einem dif-fraktiven Beugungsgitter
Durch Einsatz eines zweiten, verschachtelten Git-ters wird zur Richtungsdetektion ein cosinusartigesSignal an einer zweiten Photodiode generiert. Umdie Stabilität der Ausgangssignale im Betrieb zuerhöhen, wurden insgesamt vier unterschiedlicheGitter pro Signalperiode vorgesehen. Damit ist eineVierphasenauswertung mit insgesamt vier Photodi-oden ermöglicht. Abb. 3 zeigt die Struktur der Maß-
DGaO Proceedings 2008 – http://www.dgao-proceedings.de – ISSN: 1614-8436
verkörperung. Durch unterschiedliche Winkelanord-nung der Gitter erfolgt eine gute räumliche Trennungder verschiedenen ersten Ordnungen. Einmal proUmdrehung wird über ein fünftes Gitter ein Refe-renzsignal auf einer weiteren Photodiode generiert.
Abbildung 3 Schema der ringförmigen Anordnung der dif-fraktiven Maßverkörperung auf der Encoderscheibe
Die vier experimentell ermittelten Beugungs-bilder aus Abb. 4 zeigen die Positionen dervier unterschiedlichen ersten Ordnungen.
Abbildung 4 Beugungsbilder der vier Gitter (Position desjeweiligen Detektors durch Quadrate symbolisiert)
3 Aufbau Sensor
Um enge mechanischen Toleranzen zwischen denoptischen Komponenten des System einhalten zukönnen, wurden diese auf einem MID-Träger plat-ziert (Moulded Interconnect Device)(Abb. 5).
Abbildung 5 MID-Optikmodul
Photodioden und Lichtquelle sind als Nacktchipsauf dem spritzgegossenen MID-Optikmodul auf-gebaut. Linse wie auch Blende werden dabeiohne Justageschritt über der Lichtquelle auf-gesteckt. Abb. 6 zeigt schematisch den aufge-bauten Sensor. Das MID-Optikmodul ist mit ei-ner integrierten Leiterplatte zur weiteren Signal-verarbeitung verbunden. Die Encoderscheibe istder zentralen Welle des Sensors montiert.
Abbildung 6 Sensoraufbau im CAD-Modell
4 Signale
In Abb. 7 sind die experimentell am Prüfstandgemessenen Signale des ersten Demonstra-tors aufgetragen. Es wurde ein Klirrfaktor vonunter 1,2 % für die Ausgangssignale ermit-telt. Der Phasenfehler erlaubt eine min. fünf-fache Interpolation der Signale, so dass eineAuflösung von 13 Bit erreicht werden kann.
Abbildung 7 Sensorsignale Prototyp
5 Zusammenfassung
Es wurde ein inkrementeller Drehgeber in kompak-ter Low-Cost-Bauweise realisiert. Der Aufbau desSensors erfolgte ohne Justageschritte. Die für in-krementelle Drehgeber typischen Ausgangssignaleermöglichen eine Winkelauflösung von weniger als2’ sowie ein Referenzsignal zur Nullstellung. DurchVariation der Gittergeometrie und des Radius derMaßverkörperung kann das neuartige Sensorkon-zept an unterschiedlichste Anforderungen und Ein-satzgebiete angepasst werden.
Wir danken der AiF für die Förderung des Projektes.AiF-Projekt Nr. 219 ZN
DGaO Proceedings 2008 – http://www.dgao-proceedings.de – ISSN: 1614-8436
