Symptom: Amplitude des Z-Signals weit unter A/B – Beugung am schmalen Referenzspalt und Fensterfehlanpassung

Ein zu schwaches Z-Signal ist zuerst eine Frage der Fläche: Die Lichtmenge eines Einzelspalts beträgt etwa ein Achtel der eines Inkrementalfensters mit 40 Perioden. Dann kommt die Beugung: Bei a = 20 μm und g = 0,5 mm ist N_F ≈ 0,9, das Fenster erfasst nur etwa 70 %. Der Beitrag leitet beide Terme und die Fensterfehlanpassung her und nennt Kriterien für Abstandskorrektur, Mehrspaltmuster, breiteres Fenster und höhere Verstärkung.

Auf dem Oszilloskop zeigen A und B 1 Vpp, der Z-Impuls dagegen nur gut hundert Millivolt; der Tausch mehrerer Scheiben ändert wenig, und bei etwas größerem Abstand kommt und geht Z sogar. Ein schwaches Referenzsignal ist oft schon durch die Konstruktion vorgegeben: Die Referenzmarkenspur hat nur einen oder wenige Spalte, während das Detektionsfenster der Inkrementalspur Dutzende Perioden enthält; außerdem weitet sich ein schmaler Spalt im Abstand durch Beugung auf, sodass das Fenster einen Teil des Lichts verliert. Der Beitrag rechnet diese beiden Terme durch, behandelt dann Montage- und Scheibenfaktoren wie Fehlanpassung zwischen Referenzfenster und Spaltbreite sowie radialen Versatz und nennt schließlich die Einsatzbedingungen der einzelnen Abhilfen. Die Wahrscheinlichkeit fehlender oder mehrfacher Z-Impulse behandelt der Beitrag zur Referenzmarken-Reserve in dieser Reihe.

Erster Term: lichtdurchlässige Fläche

Das Detektionsfenster der Inkrementalspur hat die Länge L und die Höhe h und enthält L/p Perioden. Haben Scheibe und Abtastgitter beide 50 % Tastverhältnis, ändert sich der Lichtstrom einer Phase dreieckförmig zwischen 0 und 0,5·L·h·I₀, mit der Grundwellenamplitude

A_inc = (8/π²)·0,25·L·h·I₀ ≈ 0,20·L·h·I₀

Für einen Referenz-Einzelspalt der Breite a mit gleicher Höhe wie das Fenster ist der geometrische Spitzenwert Z_peak = a·h·I₀. Das Verhältnis beider beträgt

Z_peak / A_inc ≈ a / (0,20·L)

Rechenbeispiel: p = 20 μm, ein Detektionsfenster mit 40 Perioden (L = 0,8 mm) und a = 20 μm ergeben ein Verhältnis von etwa 0,12, d. h. das Referenzsignal erreicht nur etwa ein Achtel der Inkrementalamplitude einer Phase; ist das Inkrementalsignal differenziell (A und A−) und die Referenz unsymmetrisch, halbiert sich der Wert nochmals. Dieser Term hat nichts mit der Scheibenqualität zu tun: Der Abtastkopf muss im Referenzkanal die entsprechende Verstärkung nachliefern, oder ein Mehrspaltmuster muss die lichtdurchlässige Fläche vergrößern (K Spalte ergeben etwa das K-Fache; zum Musterentwurf siehe den Beitrag zu Referenzmarkenmustern in dieser Bibliothek).

Zweiter Term: Beugung am schmalen Spalt

Bei kollimierter Beleuchtung ist die Intensität hinter einem Spalt der Breite a im Abstand g durch die Fresnel-Integrale gegeben

I(x) = ½·{[C(v₂) − C(v₁)]² + [S(v₂) − S(v₁)]²}, v₁,₂ = √(2/(λg))·(∓a/2 − x)

mit den Fresnel-Integralfunktionen C und S und der Wellenlänge λ. Die Form des Musters hängt nur von der Fresnel-Zahl ab:

N_F = a² / (λg)

Bei großem N_F nähert sie sich dem geometrischen Schatten; sinkt N_F auf etwa 1, ist das Spaltbild deutlich verbreitert und sein Maximum gesunken. Sei η das Verhältnis des vom Referenzfenster erfassten Lichts zum geometrischen Wert. Für die Spaltbreite a = 20 μm und λ = 0,88 μm:

Bei g = 0,5 mm erfasst das Fenster nur etwa 70 %; hat die LED-Beleuchtung in Messrichtung eine Winkelbreite von 20 mrad, kommt eine geometrische Unschärfe von etwa 10 μm hinzu und der Wert sinkt auf etwa 68 %.

Leicht übersehen wird: Die Inkrementalspur ist periodisch und zeigt Talbot-Selbstabbildung; nahe p²/λ entsteht ein phasenumgekehrtes Selbstbild, die Amplitude steigt wieder; ein Einzelspalt hat keine Periodizität und verbreitert sich mit dem Abstand nur monoton (siehe Abb. 3). „Die Inkrementalspur hat bei diesem Abstand gute Amplitude“ bedeutet daher nicht, dass das Referenzsignal in Ordnung ist; die Referenz muss mit ihrem eigenen N_F gesondert geprüft werden. Beide Terme zusammen ergeben im obigen Beispiel bei g = 0,5 mm Z/A etwa 0,12 × 0,70 ≈ 0,086.

Dritter Term: Fehlanpassung zwischen Fenster und Spalt

Breitenfehlanpassung. Geometrisch ist das Referenzsignal die Korrelation zweier Rechtecke, also ein Trapez: Spitzenwert min(a, w)·h·I₀, Breite des Plateaus |w − a|, Basisbreite a + w. Ist w kleiner als a, geht der Spitzenwert mit w/a verloren; bei g = 0,5 mm und w = 0,5a bleiben nur etwa 0,41. Ist w größer als a, bleibt der Spitzenwert geometrisch gleich, und zusätzlich wird aus dem Spalt herausgebeugtes Licht erfasst (bei w = 2a steigt η von 0,70 auf 0,88); der Preis ist ein breiterer Impuls mit flacherem Dach – die für die Referenz-Torschaltung nötige Breite und Flankensteilheit sind neu zu prüfen (siehe Abb. 2 rechts).

Radialer Versatz. Ist die radiale Länge des Referenzspalts gleich der Fensterhöhe, verringern Exzentrizität oder eine radiale Montageabweichung Δr des Abtastkopfs die Überdeckung direkt um 1 − |Δr|/h; h = 0,5 mm und Δr = 50 μm bedeuten 10 % Verlust. Eines der beiden sollte um 2 × (Exzentrizitätstoleranz + Montagetoleranz) länger sein als das andere.

Spaltbreitenabweichung. Die Linienbreite der Inkrementalspur wirkt nahe 50 % in zweiter Ordnung auf die Amplitude, die Breite des Referenzspalts aber in erster Ordnung: Eine Abweichung von a um ±1 μm (20-μm-Spalt) verschiebt den geometrischen Spitzenwert um ±5 %, und N_F ändert sich zusätzlich mit a². Für die Referenzspaltbreite sollte eine eigene Toleranz angegeben und bei der Wareneingangsprüfung gemessen werden.

Prüfschritte und Kriterien für Abhilfen

1. Zuerst den Auslegungswert berechnen. Den erwarteten Wert Z/A aus Flächenverhältnis × η(N_F) berechnen und mit der Messung vergleichen. Stimmen beide überein, liegt das Problem in der Auslegung, und einzelne Scheiben müssen nicht verdächtigt werden.
2. Abstand durchfahren. Z/A im Bereich ±50 % des Nennabstands aufzeichnen. Fällt Z schneller als A, liegt der Arbeitspunkt im Bereich kleiner N_F.
3. Impulsform betrachten. Eine Halbwertsbreite deutlich über der Spaltbreite mit niedrigem Maximum weist auf Beugung oder Quellenunschärfe hin; ein flaches, breites Dach bedeutet ein Fenster breiter als der Spalt; schmal und niedrig bedeutet ein zu schmales Fenster oder einen zu schmal geätzten Spalt.
4. Abtastkopf radial verfahren. Radial um ±0,1 mm verschieben, Plateaubreite und Mitte des Referenzmaximums aufzeichnen und daraus die radiale Reserve beurteilen.
5. Referenzspaltbreite auf der Scheibe messen. Die tatsächliche Spaltbreite unter dem Mikroskop messen und mit der Zeichnung vergleichen.

Die Abhilfe je nach Bedingungen wählen:

• Abstand verringern: Den Referenzspalt auf N_F ≥ etwa 1,5 bringen, bei a = 20 μm g ≤ a²/(1,5λ) ≈ 0,3 mm; dabei Amplitude und Oberwellen der Inkrementalspur beim neuen Abstand prüfen.
• Spalt verbreitern oder auf Mehrspaltmuster umstellen: Spaltbreite etwa gleich der Teilungsperiode wählen oder ein Muster mit K Spalten verwenden; die Lichtmenge steigt etwa auf das K-Fache, die Breite des Hauptmaximums bleibt etwa eine Spaltbreite.
• Referenzfenster verbreitern: w = 1,5a–2a gewinnt etwa 14–18 Prozentpunkte zurück (bei g = 0,5 mm), sofern die Torschaltung einen breiteren Impuls zulässt.
• Referenzverstärkung erhöhen: am direktesten, aber Rauschen und Nebenmaxima werden gleichermaßen verstärkt; die Schwelle anhand der Referenzmarken-Reserve neu berechnen.

Praxishinweise

• Die geometrische Lichtmenge eines Referenz-Einzelspalts beträgt etwa das a/(0,2·L)-Fache der Inkrementalamplitude einer Phase – bei einem Fenster mit 40 Perioden und Spaltbreite gleich Teilungsperiode etwa ein Achtel – und ist eine Auslegungskonstante.
• Die Referenzbeugung wird durch N_F = a²/(λg) bestimmt: Bei a = 20 μm und g = 0,5 mm ist N_F ≈ 0,9, das Fenster erfasst nur etwa 70 %.
• Die Inkrementalspur hat Talbot-Selbstabbildung, der Referenz-Einzelspalt nicht; aus der Inkrementalamplitude lässt sich nicht auf die Referenzamplitude schließen.
• Ein Fenster schmaler als der Spalt verliert Amplitude mit w/a; ein breiteres erfasst mehr Beugungslicht, verbreitert aber den Impuls – nach den Anforderungen der Torschaltung abwägen.
• Eine Abweichung der Referenzspaltbreite wirkt in erster Ordnung auf die Amplitude, ±1 μm ergibt etwa ±5 %; dafür eine eigene Toleranz vorsehen.
• Reihenfolge der Abhilfen: zuerst N_F und Abstand prüfen, dann Mehrspaltmuster und Fensterbreite erwägen, erst zuletzt die Verstärkung erhöhen.

Fazit

Ein Z-Signal weit unter A/B ist meist das Produkt zweier Terme, Fläche und Beugung: Die lichtdurchlässige Fläche eines Einzelspalts beträgt nur einen Bruchteil der des Inkrementalfensters, und der schmale Spalt weitet sich im Abstand zusätzlich gemäß seiner Fresnel-Zahl auf, sodass das Fenster nur einen Teil des Lichts erfasst. Zusammen mit Breiten- und Radialfehlanpassung zwischen Fenster und Spalt sowie Spaltbreitenabweichung erklärt das den Messwert vollständig. Erst den Auslegungserwartungswert berechnen, dann den Abstand durchfahren und die Impulsform betrachten – so lassen sich Auslegungs-, Montage- und Scheibenprobleme trennen und entsprechend Abstandsverringerung, Mehrspaltmuster, breiteres Fenster oder höhere Verstärkung wählen.

Übersetzung des chinesischen Originalartikels (0227). ENC7 – Hersteller von Encoderscheiben (Anfrage) · Fachartikel · https://enc7.com

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