Erschienen am: 29.10.2018, Ausgabe SPS-MAGAZIN 11 2018

Linsenlose System-on-Chip Encoder mit blauer LED

Blau, reflexiv und linsenfrei

Die iC-PR/PX Serie EncoderBlue macht den Weg frei für weitere Miniaturisierungen. Dank großer Toleranzen und einfacher Integration erschließen die Reflexiv-Encoder-Chips mit integrierter blauer LED neue Anwendungen für Positionssensoren. Die linsenlose System-on-Chip-Lösung mit blauer LED überzeugt durch eine hohe Lichtausbeute und exzellente Signalqualität.


Mit der iC-PR/PX Serie EncoderBlue lassen sich mit reflexiven Encodern ähnlich hohe Auflösungen und Genauigkeiten wie mit Durchlicht-Encodern erreichen.
Bild: iC-Haus GmbH

Elektroantriebe, Aktuatoren oder auch Bedienelemente, überall werden hochgenaue und verschleißfreie Sensoren benötigt, um Position, Bewegung und Richtung zu erfassen. Mit dem vermehrten Einsatz von geregelten Klein- und Mikromotoren, Robotik und smarten Sensoren für Industrie-4.0-Anwendungen steigt auch der Bedarf an miniaturisierten Encoder-Lösungen, die sich einfach integrieren lassen. System-on-Chip-Lösungen wie EncoderBlue, welche die komplette optoelektronische Signalverarbeitung integrieren, sind daher ein interessanter Ansatz. Sender, Empfänger, Signalkorrektur und Interpolation passt auf engstem Raum in ein 4x4mm² großes optoQFN-Gehäuse. Wegen ihrer hohen Auflösung, Genauigkeit und Schnelligkeit findet die optische Encoder-Technologie große Verbreitung. Für Inkremental- und Absolutdrehgeber steht das Durchlicht-Verfahren im Vordergrund, das aber hohe Anforderungen an die Fertigungspräzision stellt und eine relativ große Geber-Bauhöhe bedingt.

Durchlicht-Encoder

Bei herkömmlichen optischen Encodern durchleuchtet das Licht einer LED eine geschlitzte Codescheibe aus Metall oder Glas. Mit fotolithografisch maskierten Schlitzen von bis zu 10µm lassen sich sehr feine Auflösungen realisieren. Durchlicht-Encoder stellen wegen der kleinen Aufbautoleranzen hohe mechanische Anforderungen an die Montage und Justage. Selbst bei einer homogenen Ausleuchtung darf z.B. der Luftspalt zwischen Codescheibe und Abtastsensor häufig gerade einmal 100µm betragen, was dem Durchmesser eines menschlichen Haares entspricht. Durch den gegenüberliegenden Aufbau von LED mit Kollimatorlinse und Sensor hat ein solches System eine Höhe im Bereich mehrerer Zentimeter. Die Bauhöhe und die relativ hohen Kosten für hochauflösende Durchlicht-Encoder stehen dem Einsatz, z.B. in Mikroantrieben, im Weg.

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Blaues Licht, hohe Signalqualität

Die Alternative bieten reflexive EncoderBlue Produkte als monolithische System-on-Chip-Lösungen. Eine integrierte Flip-Chip-LED beleuchtet verschattungsfrei und ohne Linse eine spiegelnde Messscheibe. Das als Raumkugel abgestrahlte Licht wird von der Scheibe reflektiert und von einem integrierten CMOS-Chip abgetastet. Gemäß dem Strahlensatz wird das gespiegelte Licht im Verhältnis 1:2 auf den Sensor projiziert. Durch die Verwendung von blauem Licht wird eine geringere Beugung und schärfere Abbildung des Sender-Lichtstrahls auf den verspiegelten Segmenten der Maßverkörperung erzielt, was die Signalqualität am Empfänger erhöht. Ohne den Einsatz von aufwendiger Linsenoptik lassen sich durch diesen Aufbau die Lichtsignale der Inkrementalspuren der Maßverkörperung präzise detektieren.

Deutlich größere Toleranzen

Ein weiterer Vorteil dieses Messverfahrens liegt in dem vereinfachten Aufbau und den deutlich größeren Toleranzen. Der Luftspalt zwischen Codescheibe und Sensor kann bis zu 3mm betragen. Dies vereinfacht die Montage und Justage und macht Encoder-Lösungen robuster gegenüber Wellenschlägen, Vibrationen, Stößen und anderen mechanischen Fehlerquellen. Das reflexive Verfahren eignet sich sowohl für inkrementelle als auch für absolute Encoder-Anwendungen mit mehreren Codespuren. Je nach Anforderungen stehen per Pin konfigurierbare Bausteine zur Verfügung. Neben der On-Chip-Interpolation lassen sich die analogen Sinus- und Cosinus-Signale auch zur externen Weiterverarbeitung verwenden. Jüngste Weiterentwicklung der 2015 eingeführten reflexiven EncoderBlue Serie ist der Baustein iC-PZ. Zur Erfassung der Absolutposition ist die blaue LED hier zwischen zwei separaten Abtastfeldern des Sensor-ICs angeordnet, wodurch die radialen Toleranzen nochmals vergrößert werden. Der Chip liefert absolute Positionsdaten mit einer Singleturn-Auflösung von 22bit bei einem Scheibendurchmesser von 26mm, was ca. 0,31 Winkelsekunden entspricht. Auch ein Sensor für die lineare Positionsmessung mit einer Auflösung von 12,5nm ist bereits vorhanden. Dank des internen automatischen Abgleichs von Offset, Amplitude und Phasendifferenz der Cosinus- und Sinus-Signale wird eine hohe Güte der interpolierten Signale erreicht.

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Vom Steuerknopf bis zum Lidar

Dank der EncoderBlue Sensoren lassen sich nun hochauflösende optische Encoder einfacher direkt in Mikromotoren integrieren. Der kleinste reflexive Baustein iC-PG aus der EncoderBlue Familie ist für verschleißfreie Drehschalter mit Gray-codierten Abtast-Scheiben zur absoluten Positionsmessung vorgesehen, wie sie z.B. in Medizingeräten oder E-Gitarren eingesetzt werden. Für derartige Drehschalter ist im iC-PG eine zum Patent angemeldete optische Push-Button-Funktion integriert. Interessant sind auch motorbetriebene Lidar- und Laserscan-Systeme für das autonome Fahren, da hier bei größeren Distanzen hohe Winkelauflösungen benötigt werden, die magnetische Positionssensoren nicht erreichen können.

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