Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-4458
Authors: Hopp, David Maximilian
Title: Inkrementale und absolute Kodierung von Positionssignalen diffraktiver optischer Drehgeber
Other Titles: Incremental and absolute position coding of diffractive optical rotary encoders
Issue Date: 2012
metadata.ubs.publikation.typ: Dissertation
Series/Report no.: Berichte aus dem Institut für Technische Optik;71
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-75254
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/4475
http://dx.doi.org/10.18419/opus-4458
ISBN: 978-3-923560-70-7
Abstract: Zur Erfassung mechanischer Drehbewegungen werden Drehgeber eingesetzt. Auf dem Markt existiert aktuell eine breite Palette von Funktionsprinzipien zur Winkelerfassung. Werden hohe Winkelauflösungen benötigt, kommen hauptsächlich optische Drehgeber zum Einsatz, deren Funktionsprinzipien sich lithographisch hergestellter Kodierscheiben aus Glas mit binären Maßverkörperungen bedienen. Sowohl die Fertigung dieser Kodierscheiben als auch die häufig erforderliche Justage beim Zusammenbau der Sensoren sind erhebliche Kostenfaktoren. In der vorliegenden Arbeit wird das Prinzip diffraktiver Kodierungen vorgestellt, deren Maßverkörperung als mikrostrukturiertes Phasengitter unter Einsatz eines herkömmlichen Spritzprägeverfahrens gefertigt werden kann. Durch die Gitterstruktur entsteht bei Beleuchtung ein Beugungsbild, dessen Intensitätsverteilung zur Generierung von Winkelsignalen genutzt werden kann. Die Arbeit knüpft an Untersuchungen zur inkrementalen diffraktiven Kodierung des Instituts für Mikroaufbautechnik der Hahn-Schickard-Gesellschaft an und stellt Simulationen sowie experimentelle Untersuchungen zur Auslegung und Charakterisierung einer optimierten, inkrementalen Maßverkörperung vor. Diese beziehen sich schwerpunktmäßig auf eine diffraktive Maßspur zur Generierung inkrementaler, differenzieller und richtungskodierter Ausgangssignale mit einer interpolierten Auflösung von 15 Bit inklusive einer Referenzmarke. Des Weiteren wird eine absolute Positionskodierung eingeführt, welche das Prinzip der Schwerpunktdetektion auf positionssensitiven Detektoren zur Generierung eines kaskadierten Gray-Codes nutzt. Die absolut kodierte Maßspur ermöglicht die parallele Auswertung von inkrementalen und absoluten Signalen auf vier Detektoren mit einer gemeinsamen absoluten Auflösung von 2000 Winkelinkrementen. Durch Interpolation werden hier 14 Bit erreicht. Für beide Kodierungen wird die Auslegung und Toleranzierung kompakter und justagefreier Aufbaukonzepte sowie das Design und die Auswahl optischer Komponenten für den Beleuchtungsstrahlengang durchgeführt. Der unvermeidlichen Exzentrizität der Kodierscheibe und dem damit einhergehenden Winkelfehler bei einem justagefreien Sensoraufbau wird mit dem neuartigen Ansatz einer rein optischen Kompensation begegnet. Anhand der Simulation eines möglichen Aufbaukonzepts erfolgt eine Charakterisierung deren Funktionsprinzips.
Rotary sensors, also referred to as shaft encoders, are widely used to detect the angular position of a shaft or axis of rotating machine parts. They are an essential component in numerous fields of applications such as automotive, robotics, automation, manufacturing, wind energy, household or consumer products as well as safety engineering. Many different working principles are available on the market of which the magnetic and optical systems are the most common. While the magnetic systems are very cost effective, the optical systems provide the potential for achieving the highest angular resolution. As a disadvantage, the enhancement of the angular resolution always is accompanied by increasing cost, size and complexity. One of the cost factors is the glass encoder disc as solid measure, usually manufactured in a costly lithographic process. State of the art optical encoders typically use binary light barrier principles or moiré patterns as a solid measure for incremental coding. To build an absolute encoder with these working principles, it is necessary either to implement as many tracks as the number of bits desired for the binary, respectively the Gray-Code principle, or to use a pseudo-random code with explicit combinations of multiple serial bits. Both require an adequately large amount of photo detectors as well as a sophisticated illumination. Another relevant cost factor is the assembly of the sensors. Especially the adjustment of the solid measure relative to the illumination and reading head takes up a significant amount of time and effort in the overall manufacturing process. Therefore the goal is to build self-adjusting sensor systems. To meet this objective, a coding principle is presented which uses a diffractive solid measure on a micro structured plastic disc, like the ones used as a CD or DVD data medium. These can be manufactured in a well known and highly economical injection molding process. Here, resolutions well below one micrometer are routinely realized, opening possibilities for cost effective optical rotary sensors. A diffractive coding principle has been introduced, which is based on a pattern of diffractive gratings. With this technology a large spectrum of various diffractive position codes can be realized. In this work, a differential incremental code as well as a combined incremental and absolute code for compact optical rotary encoders have been developed and implemented. An unavoidable excentricity of the code disc is causing an angular error. This issue can be overcome by a novel approach of using a purely optical compensation principle. Simulation and concept to an appropriate setup are presented.
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