DE19843176C1

DE19843176C1 - Optischer Encoder zur Erfassung von Dreh- und Linearbewegungen

Info

Publication number: DE19843176C1
Application number: DE19843176A
Authority: DE
Inventors: Heinz Haas; Martin Haushalter; Frank Moellmer
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 1998-09-21
Filing date: 1998-09-21
Publication date: 2000-10-19
Anticipated expiration: 2018-09-22
Also published as: CN1132056C; US6552329B2; US20020000514A1; US6313460B1; JP2000097727A; CN1250884A; TW553380U

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine optische Einrichtung zur quantitativen Erfassung von Linear- oder Drehbewegungen, bei welcher eine die Bewegung abbildende Rasterscheibe (2) mit lichtdurchlässigen (21) und lichtundurchlässigen Bereichen (22) von den Lichtbündeln (11A, 12A) zweier Lichtemitter (11, 12) durchstrahlt wird und das transmittierte Licht auf einen einzelnen Photoempfänger (3) trifft. Die Lichtemitter werden im Pulsbetrieb angesteuert. Die Impulse werden in einer mit dem Photoempfänger gekoppelten Auswerteschaltung voneinander getrennt.

Description

Die Erfindung betrifft eine auch als optischer Encoder be zeichnete optische Einrichtung zur quantitativen Erfassung von Linear- und Drehbewegungen nach dem Oberbegriff des Pa tentanspruchs 1.

Optische Encoder dienen dazu, den Drehwinkel bzw. die Länge und die Richtung einer Dreh- bzw. Linearbewegung von bewegten Körpern zu erfassen. Die wesentlichen Bestandteile einer der artigen Einrichtung sind das Emittersystem, eine Raster platte, üblicherweise eine Rasterscheibe oder ein Rasterli neal, und das Detektorsystem. Das Emittersystem besteht übli cherweise aus einer Leuchtdiode. Das von der Laserdiode abge strahlte Lichtbündel wird von der Rasterplatte moduliert. Diese ist mit dem bewegten Körper verbunden und weist ein periodisches Öffnungsmuster auf. Das Detektorsystem erfaßt das von der Rasterplatte modulierte Sendersignal der Laser diode und liefert am Ausgang die Information über Zählimpuls und Richtung der Bewegung.

Bisherige Versionen der optischen Encoder bestehen aus einer Leuchtdiode mit zusätzlicher Optik, der Rasterplatte und ei nem Detektorarray mit Auswertelogik. Emitterseitig wird ein Lichtbündel erzeugt, das das Detektorarray möglichst gleich mäßig beleuchtet. Das Detektorarray besteht aus mindestens 2 Photodioden, die in Richtung einer Linearbewegung oder tan gential in bezug auf eine Drehbewegung angeordnet sind. Der Abstand der Photodioden beträgt ein Viertel der Rasterschei benperiode und die Signale zweier benachbarter Photodioden sind zueinander um 90° phasenverschoben. Die Ausgangssignale der Photodioden werden in einer Auswerteschaltung geeignet aufbereitet, um die Position und Richtung der Bewegung zu liefern.

Für die Positions- und Richtungsbestimmung sind zwei linear angeordnete Photodioden ausreichend. Weit verbreitet sind im Stand der Technik jedoch Ausführungsformen mit vier linear angeordneten Photodioden, wie beispielsweise in der US-A- 4,654 525 beschrieben. Diese Anordnung und die mit den Photo dioden gekoppelte Auswerteschaltung erlauben zusätzlich die Kompensation von Lichtintensitätsschwankungen der Laserdiode.

Die bisherigen Systeme sind somit darauf beschränkt, detek torseitig eine Mehrzahl von Photoempfängern anzuordnen. Eine solche Beschränkung kann aus mehreren Gründen von Nachteil sein. So muß ein optischer Encoder in erster Linie platzspa rend aufgebaut sein. Dieses Erfordernis ist somit von vorn herein detektorseitig schwer zu erfüllen.

Aus der DE 43 41 767 C1 ist eine lichtelektrische absolut messende Positionsmesseinrichtung bekannt, bei der einer Codespur zwei Lichtquellen und ein einziger Detektor zugeord net sind. Das Abtastsignal einer zusätzlichen inkrementalen Teilung dient der wechselseitigen Aktivierung der beiden Lichtquellen, die zueinander geneigte und parallele Lichtbün del auf sich überlappende Bereiche der Codespur senden. Die Abtastgeometrie der Messgeometrie ist so ausgelegt, daß bei der Abtastung der Codespur keine Kanten der Codeelemente auf dem einzigen Detektor abgebildet werden.

Aus der DE 43 32 022 C2 ist eine Vorrichtung zur Messung der Winkellage eines Objekts bekannt, bei der zwei Lichtquellen alternierend mit einer bestimmten Frequenz eine Oberfläche des Objekts mit gleicher Lichtintensität anstrahlen und das gestreute Licht mit einem einzigen Detektor erfaßt wird. Aus der gemessenen Signaldifferenz der alternierend auftreffenden Lichtintensitäten kann auf die Winkellage des Objekts ge schlossen werden.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine opti sche Einrichtung zur quantitativen Erfassung von Linear- und Drehbewegungen anzugeben, die detektorseitig einfacher gefer tigt werden kann. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegen den Erfindung, eine derartige Einrichtung anzugeben, die mit nur einem Photoempfänger betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Pa tentanspruchs 1 gelöst.

Demnach betrifft die Erfindung eine optische Einrichtung zur quantitativen Erfassung von Linear- oder Drehbewegungen, mit einer Lichtemissionseinrichtung,
einer Rastereinrichtung enthaltend lichtdurchlässige und lichtundurchlässige Bereiche,
einer Detektionseinrichtung und
einer mit der Detektionseinrichtung gekoppelten Auswerte schaltung,
wobei die Lichtemissionseinrichtung mindestens zwei Lich temitter aufweist, die nebeneinander in Richtung einer Line ar bewegung oder tangential in bezug auf eine Drehbewegung ange ordnet sind,
die Lichtemitter im Pulsbetrieb mit gleichen oder unter schiedlichen Taktfrequenzen ansteuerbar sind und daß ihre Strahlung alternierend auf den Detektor trifft,
die Detektionseinrichtung einen Photoempfänger aufweist, der so groß und so positioniert ist, daß die Strahlung aller Lichtemitter durch ihn erfaßbar ist, und
die Auswerteschaltung für die Trennung der von verschiedenen Lichtemittern stammenden Signale ausgelegt ist, aus denen die Position und die Bewegungsrichtung herleitbar ist.

Vorzugsweise ist der Photoempfänger und die Auswerteschaltung in einem einzelnen Halbleiterbaustein integriert.

Die Taktfrequenz, mit der die Emitter beaufschlagt werden, ist sehr viel größer als die Modulationsfrequenz der Raster platte, also die Frequenz, mit der die Rasteröffnungen bei einer Bewegung des bewegten Körpers normalerweise durch die Lichtbündel hindurchtreten.

In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist eine Steu ereinrichtung für die Lichtemitter vorgesehen, welche derart ausgelegt ist, daß sie die Lichtemitter mit Steuerimpulsen gleicher Taktfrequenz, aber einer definierten Phasenverschie bung ansteuert, welche beispielsweise 90° betragen kann.

In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist eine Steu ereinrichtung für die Lichtemitter vorgesehen, welche derart ausgelegt ist, daß sie die Lichtemitter mit Steuerimpulsen unterschiedlicher Taktfrequenz ansteuert.

Als Lichtemitter werden vorzugsweise Vertikalresonator-Licht emissionseinrichtungen, insbesondere VCSELs (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) verwendet, da diese sich durch beson ders niedrige Divergenz und hohe Leuchtdichte auszeichnen.

Der erfindungsgemäße optische Encoder hat insbesondere den Vorteil, daß er mit einem einzelnen Photoempfänger betrieben werden kann.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische schematische Ansicht eines Ausfüh rungsbeispiels der erfindungsgemäßen optischen Einrichtung;

Fig. 1B eine schematische Draufsicht auf die Einrichtung der Fig. 1;

Fig. 2 Lichtimpulszüge der Emitter 11 und 12 gemäß einer er sten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 Lichtimpulszüge der Emitter 11 und 12 gemäß einer zwei ten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Encoders schematisch dargestellt. Eine Emissions einrichtung 1 weist zwei Lichtemitter 11 und 12 auf, die Lichtbündel 11A und 12A abstrahlen. Die Lichtemitter 11 und 12 sind vorzugsweise Vertikalresonator-Laserdioden (VCSEL, Vertical Cavity Surface Emitting Laser), da diese sich durch besonders gute Abstrahleigenschaften, insbesondere niedrige Divergenz und hohe Leuchtdichte auszeichnen. In diesem Fall kann auf weitere optische Elemente wie etwa Linsen zur Bünde lung der Laserstrahlung verzichtet werden.

Die Lichtbündel 11A und 12A werden dazu verwendet, Länge und Richtung einer Dreh- bzw. Linearbewegung eines bewegten Kör pers zu bestimmen. Zu diesem Zweck durchstrahlen die Licht bündel eine Rasterplatte 2, die an dem bewegten Körper befe stigt ist und dessen Bewegung gleichsam abbildet. Die Raster platte ist bei Erfassung von Drehbewegungen zumeist eine kreisrunde Rasterscheibe und bei Linearbewegungen ein Raster lineal. Dargestellt ist ein Ausschnitt der sich beispiels weise wie dargestellt in Pfeilrichtung bewegenden Raster platte 2. Sie weist ein periodisches Öffnungsmuster bestehend aus lichtdurchlässigen Bereichen 21, den Rasteröffnungen, und lichtundurchlässigen Bereichen 22 auf. Durch die lichtdurch lässigen Bereiche 21 können die Lichtbündel 11A und 12A bei bestimmten Stellungen der Rasterplatte 2 vollständig hin durchtreten und treffen dann auf einen Photoempfänger 3 auf. Die Empfangsfläche des Photoempfängers 3 ist so groß, daß beide Lichtbündel erfaßt werden können. Mit dem Photoempfän ger ist eine nicht dargestellte Auswerteschaltung verbunden, in welcher die Signale zu Ausgangssignalen aufbereitet wer den, die Position und Richtung der Bewegung liefern. Die Aus werteschaltung und der Photoempfänger können in einem einzel nen Halbleiterbaustein integriert sein.

In Fig. 1B ist die Anordnung der Fig. 1A in einer Draufsicht dargestellt. Die Darstellung zeigt eine Position der Raster platte 2, bei der beide von den schraffiert dargestellten Lichtemittern 11 und 12 abgestrahlten Lichtbündel durch die Rasteröffnung 21 hindurchtreten und auf die Empfangsfläche des Photoempfängers 3 auftreffen. Wie man erkennt, entspricht die Gesamtbreite der Laserdioden 11 und 12 in Bewegungsrich tung in etwa der Breite der Rasteröffnung 21. Die Laserdioden liegen somit gerade so innerhalb der Rasteröffnung. Anders ausgedrückt, beträgt der Abstand zwischen den Laserdioden, also zwischen ihren jeweiligen vorderen Kanten etwa ¼ der Rasterscheibenperiode.

Bewegt sich nun die Rasterplatte in eine bestimmte Richtung, so wird die Strahlung einer der Laserdioden mehr und mehr durch einen der lichtundurchlässigen Bereiche 22 abgeschat tet, während die Strahlung der anderen Laserdiode noch voll hindurchtritt. Damit dies erfaßt werden kann, ist eine zeit liche Trennung der Signale der Laserdioden durch die Auswer teschaltung erforderlich.

Zu diesem Zweck werden die Laserdioden im Pulsbetrieb ange steuert, um somit eine Trennung der Signale in der Auswerte schaltung zu ermöglichen. Die Signalfrequenz ist sehr viel höher als die Modulationsfrequenz der Rasterscheibe, also die Frequenz, mit der die Rasteröffnungen infolge der Bewegung des bewegten Körpers durch die Lichtbündel laufen.

In Fig. 2 ist eine erste Ausführungsform des Pulsbetriebs dar gestellt. Hier werden die Laserdioden mit der gleichen Takt frequenz angesteuert, jedoch weist der Pulszug der Laserdiode 12 einen Phasennachlauf von 90° gegenüber dem Pulszug der Laserdiode 11 auf. Die Auswerteschaltung empfängt also von dem Photoempfänger 3 während jedem Zyklus eine Abfolge von zwei kurz aufeinanderfolgenden Impulsen. Die phasenvorlaufen den und die phasennachlaufenden Impulse werden unterschiedli chen Auswertekanälen der Auswerteschaltung zugeführt. Die beiden Auswertekanäle enthalten also im zeitlichen Verlauf um 90° phasenverschobene Signale.

In Fig. 2 sind die Pulshöhen beider Impulszüge gleich und zeitlich konstant, d. h. die Rasterscheibe steht still. Setzt sie sich nun in Bewegung, so nimmt die Intensität von einem der beiden Pulszüge ab, da das Lichtbündel der entsprechenden Laserdiode zunehmend abgeschattet wird. Da der Auswerteschal tung bekannt ist, daß der phasenvorlaufende Puls von der La serdiode 11 stammt, kann sie aufgrund der Feststellung, wel cher Pulszug schwächer wird, auf die Richtung der Bewegung schließen. Aus der Geschwindigkeit der Intensitätsabnahme und dem weiteren Verlauf der Signale kann sie zudem die Geschwin digkeit und Länge der Bewegung ermitteln.

Die Verteilung der Impulse auf die verschiedenen Auswerteka näle kann durch einen in der Auswerteschaltung enthaltenen elektronischen Umschalter, beispielsweise unter Verwendung eines Flip-Flop vorgenommen werden.

In Fig. 3 ist eine zweite Ausführungsform des Pulsbetriebs dargestellt. Hier werden die Laserdioden mit unterschiedli chen Taktfrequenzen angesteuert. Beispielsweise wird, wie angedeutet, die Laserdiode 11 mit einer ersten Frequenz f1 und die Laserdiode 12 mit einer zweiten Frequenz f2 angesteu ert, die um den Faktor 2 höher als die Frequenz f1 ist. Auch hier werden die Impulszüge unterschiedlichen Auswertekanälen zugeführt. Die Trennung der Impulszüge kann beispielsweise durch Bandpaßfilter erfolgen.

Bei dieser Variante erkennt die Auswerteschaltung die Laser dioden an der Impulsfrequenz und vermag somit die Aussage über die Bewegungsrichtung zu treffen.

Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung von nur zwei Lichtemittern beschränkt. Es können auch mehr als zwei linear angeordnete Lichtemitter verwendet werden, die beispielsweise gemäß der Ausführungsform nach Fig. 2 Impulszüge aussenden, die um sukzessive 90° gegeneinander phasenverschoben sind, oder gemäß der Ausführungsform nach Fig. 3, die eine entspre chende Anzahl unterschiedlicher Taktfrequenzen aufweisen.

Bezugszeichenliste

1

Lichtemissionseinrichtung

2

Rastereinrichtung

3

Detektionseinrichtung

11

erster Lichtemitter

11

A erstes Lichtbündel

12

erster Lichtemitter

12

A zweites Lichtbündel

21

lichtdurchlässiger Bereich

22

lichtundurchlässiger Bereich

Claims

1. Optische Einrichtung zur quantitativen Erfassung von Li near- oder Drehbewegungen, mit
einer Lichtemissionseinrichtung (1),
einer Rastereinrichtung (2) enthaltend lichtdurchlässige (21) und lichtundurchlässige Bereiche (22),
einer Detektionseinrichtung (3) und
einer mit der Detektionseinrichtung gekoppelten Auswerte schaltung,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtemissionseinrichtung (1) mindestens zwei Licht emitter (11, 12) aufweist, die nebeneinander in Richtung ei ner Linearbewegung oder tangential in bezug auf eine Drehbe wegung angeordnet sind,
die Lichtemitter (11, 12) im Pulsbetrieb mit gleichen oder unterschiedlichen Taktfrequenzen ansteuerbar sind und daß ih re Strahlung alternierend auf den Detektor auftrifft,
die Detektionseinrichtung (3) einen Photoempfänger aufweist, der so groß und so positioniert ist, daß die Strahlung aller Lichtemitter durch ihn erfaßbar ist, und
die Auswerteschaltung für die Trennung der von verschiedenen Lichtemittern stammenden Signale ausgelegt ist, aus denen die Position und die Bewegungsrichtung herleitbar ist.

2. Optische Einrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Lichtemitter (11, 12) im wesentlichen innerhalb der Breite einer Rasteröffnung (21) liegen.

3. Optische Einrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine Steuereinrichtung für die Lichtemitter, welche derart ausgelegt ist, daß sie die Lichtemitter mit Steuerimpulsen gleicher Taktfrequenz, aber einer definierten Phasenverschie bung ansteuert.

4. Optische Einrichtung nach Anspruch 3, bei welcher die Pha senverschiebung etwa 90° beträgt.

5. Optische Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, bei welcher die Auswerteschaltung einen elektronischen Umschalter zur Trennung der phasenverschobenen Impulse enthält.

6. Optische Einrichtung nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine Steuereinrichtung für die Lichtemitter, welche derart ausgelegt ist, daß sie die Lichtemitter mit Steuerimpulsen unterschiedlicher Taktfrequenz ansteuert.

7. Optische Einrichtung nach Anspruch 6, bei welcher die Aus werteschaltung Bandpaßfilter zur Trennung der Impulszüge un terschiedlicher Pulsfrequenz enthält.

8. Optische Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, bei welcher der Photoempfänger und die Auswerteschaltung in einem einzelnen Halbleiterbaustein integriert sind.

9. Optische Einrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Lichtemitter (11, 12) VCSELs (Vertical Cavity Surface Emit ting Laser) sind.