Metall-Teilscheiben: stoßfeste Auflicht-Codescheiben

Metall-Teilscheiben verwenden meist Edelstahl als Substrat. Polierte Spiegelflächen bilden die reflektierenden Bereiche, raue oder lichtabsorbierende Flächen die nicht reflektierenden; der Abtastkopf gewinnt das Signal aus dem Unterschied im Reflexionsgrad. Sie sind stoß- und vibrationsfest und lassen sich flach ausführen, reagieren aber empfindlicher auf Ebenheit und Oberflächenzustand. Dieser Artikel erläutert Aufbau, Vorteile und Hinweise für den Einsatz.

Vibriert eine Maschine stark und erhält gelegentlich Stöße, oder bleiben am Motorende für den Drehgeber nur wenige Millimeter axialer Bauraum, wird es für eine Glasscheibe schwierig: Glas ist spröde, verträgt keine Stöße und lässt sich nicht leicht sehr dünn ausführen. Genau für solche Fälle gibt es Metallscheiben. Sie bestehen meist aus Edelstahl und arbeiten im Auflicht.

Oberfläche einer Metallscheibe vergrößert: Fällt der Lichtfleck auf eine polierte reflektierende Fläche, wird das Licht nach dem Reflexionsgesetz zum Empfänger gelenkt; auf einer rauen oder absorbierenden nicht reflektierenden Fläche wird es gestreut bzw. absorbiert. Bewegt sich die Scheibe, wech… — Bild 1 – Oberfläche einer Metallscheibe vergrößert: Fällt der Lichtfleck auf eine polierte reflektierende Fläche, wird das Licht nach dem Reflexionsgesetz zum Empfänger gelenkt; auf einer rauen oder absorbierenden nicht reflektierenden Fläche wird es gestreut bzw. absorbiert. Bewegt sich die Scheibe, wechselt die empfangene Intensität zwischen hell und dunkel.

Ein Blech aus Edelstahl, zwei Oberflächen

Metall lässt kein Licht durch, daher bildet eine Metallscheibe ihr Muster nicht über „durchlässig/undurchlässig“, sondern über „reflektierend/nicht reflektierend“:

Reflektierende Bereiche: polierte Spiegelfläche. Das Licht wird nach dem Reflexionsgesetz in eine Richtung reflektiert und trifft genau den Empfänger des Abtastkopfs.
Nicht reflektierende Bereiche: entweder eine raue Oberfläche, die das Licht in alle Richtungen streut, oder eine lichtabsorbierende Schicht mit niedrigem Reflexionsgrad. Beide Varianten lassen sich durch Fotolithografie und Ätzen fein strukturieren.

Dreht sich die Scheibe, fällt der Lichtfleck abwechselnd auf beide Oberflächen, und der Empfänger erhält ein Hell-Dunkel-Signal (Bild 1).

Der Signalkontrast hängt vom Unterschied im Reflexionsgrad der beiden Oberflächen ab. Mit dem Modulationsgrad M = (Imax − Imin) ÷ (Imax + Imin) gerechnet: Liefert der reflektierende Bereich 1 und der nicht reflektierende 0,1 zurück, ist M = 0,9 ÷ 1,1 ≈ 0,82; ist der nicht reflektierende Bereich schlecht ausgeführt und liefert 0,3, sinkt M auf etwa 0,54. Ob der nicht reflektierende Bereich „dunkel genug“ ist, ist daher ebenso wichtig wie ob der reflektierende Bereich „hell genug“ ist.

Vorteile: stoßfest und flach

Stoß- und vibrationsfest: Metall ist zäh und bricht bei Stößen nicht an den Kanten aus oder zerspringt wie Glas.
Flach ausführbar: Auch ein dünnes Blech ist ausreichend fest, geeignet für Konstruktionen mit knappem axialem Bauraum.
Einseitige Abtastung: Im Auflicht liegen Lichtquelle und Empfänger auf derselben Seite; der Abtastkopf muss die Scheibe nicht umgreifen, der Montageraum ist flexibler.
Besser passend zu Metallnaben: Edelstahl dehnt sich mit etwa 16–17 ×10⁻⁶/K aus, Aluminiumlegierung mit etwa 23; im Vergleich zu Kalk-Natron-Glas mit etwa 9 ist der Unterschied in der Wärmeausdehnung zur Aluminiumnabe kleiner.

Hinweis 1: Ebenheit

Dünnes Metallblech verwölbt sich leicht. Die Auflichtabtastung reagiert recht empfindlich auf den Abstand; ist die Scheibe verwölbt, schwankt der Abtastabstand mit dem Drehwinkel, und die Signalamplitude schwankt mit (Bild 2).

Bild 2 – Bei verwölbter Scheibe ändert sich der Abtastabstand mit dem Drehwinkel, die Signalamplitude schwankt entsprechend (schematisch).

Zudem gilt: Ist die reflektierende Fläche um α geneigt, wird der reflektierte Strahl um 2α abgelenkt, und der Lichtfleck kann den Empfänger verfehlen. Ebenheit der Metallscheibe und Planlauf nach der Montage müssen daher beherrscht werden.

Hinweis 2: Oberflächenzustand

Das Auflichtsignal hängt unmittelbar vom Reflexionsgrad der Oberfläche ab. Fingerabdrücke, Ölfilme, Oxidation und Kratzer verändern ihn und machen das Signal schwächer oder ungleichmäßig. Edelstahl ist zwar korrosionsbeständig, die polierte Spiegelfläche bleibt jedoch verschmutzungsempfindlich: Mit Handschuhen oder Fingerlingen anfassen und nur am Rand berühren, feuchtigkeitsgeschützt lagern und mit geeigneten Verfahren reinigen.

Auch Temperaturänderungen sind zu berücksichtigen: Eine Edelstahlscheibe dehnt sich bei 60 K Temperaturanstieg am Radius 20 mm um etwa 19,2 μm aus, was den Abstand eines Auflicht-Abtastkopfs beeinflusst.

Wo Metallscheiben passen

Geräte mit starken Vibrationen und Stößen;
Motoren und modulare Drehgeber mit knappem axialem Bauraum, die eine flache Bauform benötigen;
Konstruktionen, bei denen Scheibe und Abtastkopf getrennt montiert werden und eine einseitige Abtastung erforderlich ist.

Bei sehr hohen Strichzahlen und Genauigkeiten sind Glasscheiben weiterhin verbreiteter; die Auswahl sollte gemeinsam mit dem Scheibenhersteller abgewogen werden.

Fazit

Eine Metallscheibe nutzt ein Edelstahlsubstrat und erzeugt ihr Signal aus dem Unterschied im Reflexionsgrad zwischen polierter Spiegelfläche und rauer oder absorbierender Oberfläche. Sie ist stoß- und vibrationsfest und lässt sich flach ausführen, reagiert dafür aber empfindlicher auf Ebenheit und Oberflächenzustand. Der Schlüssel für den erfolgreichen Einsatz liegt darin, Verwölbung zu beherrschen und die Spiegelfläche zu schützen.

Übersetzung des chinesischen Originalartikels (0016). ENC7 – Hersteller von Encoderscheiben (Anfrage) · Fachartikel · https://enc7.com