CN101501455B - 光电角度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于确定围绕轴的转动角度的光电角度传感器，所述光电角度传感器包括：具有平面状编码(3)的代码载体(2)；感光检测器，其中该代码载体(2)和该检测器能够围绕所述轴彼此相对地运动；用于在检测器上以下述方式生成所述编码的至少一部分的可评估图像的装置：该图像包含与代码载体(2)相对于检测器的转动位置相关的信息；以及用于根据该图像确定转动角度的评估单元。在此，所述编码(3)是以自发光的方式形成的，因此所述编码自身至少部分地表现为用于生成可评估图像的所述装置。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的光电角度传感器，其被用于确定围绕轴的转动角度。
背景技术
在例如大地测量或工业测量的许多应用领域中，要求确定方向、角度和长度来作为位置。角度测量技术的发展从机械读取处理，一直发展到了根据当今现有技术的全自动角度测量。
已知的扫描方法为：电磁方法、电子方法和光电方法。下述的描述涉及光电扫描装置。
常见的用于确定围绕轴的转动角度的光电角度传感器具有代码载体和光检测器，它们可以相对于彼此转动。光检测器例如是光电检测器、CCD行阵列或者CCD面阵列。代码载体通常为圆盘形式或者圆环形式，并且沿代码载体周边携带有可光学检测的位置代码，这些位置代码中的一部分通过照明装置而被映射至检测器。通常，角度传感器的代码载体是转动的。当然，也可以将代码载体固定，而使检测器转动。
举例来说，为了确定从0°至360°的角位置，将编码布置在整个圆周，并且该编码例如具有暗区域和亮区域。该整个圆周的角度分辨率由编码的类型以及用于读取该编码的扫描装置来确定。例如通过在多个道中应用代码，或者通过对代码进行精细划分来提高角度分辨率，在此，可实现的分辨率受到与加工及成本相关的原因的限制。
US 2002/0018220A1公开了一种用于确定代码载体的位移的测量装置，在此作为检测器的是：布置在代码载体上方的包括有机光电检测器和有机晶体管的检测器膜，该代码载体能够相对于该检测器膜位移并具有可读代码。为了照明并且产生代码的图像，在检测器膜的后面设有包括有机发光二极管的发光膜，该发光膜照亮代码的一部分，从而在检测器膜上生成该部分代码的可评估图像。
发光膜早就是已知的。举例来说，发光膜被用于显示器照明、薄膜晶体管显示器或者出于广告用途而被用作为图形元件，并且具有例如大量有机发光二极管，这些有机发光二极管是能够廉价地批量制造的。
根据现有技术的角度传感器的已知缺点是：检测器、代码载体和照明装置的布置复杂且该布置要以高精度实现，其中，检测器和照明装置通常在任何情况下都分别布置在供有电源的独立电路板上。一种实现更简单的结构并减少供有电源的电路板的数量的可行方案为：将照明装置和检测器布置在共用的电路板上，其中，例如通过呈偏转装置形式的代码载体，将由转动位置所决定的代码的图像投射在检测器的接收区域上，这已经在例如US 7,145,127B2中公开了。
为了消除根据现有技术的角度传感器中已知的误差和不精确(例如代码载体的非均衡运转)，需要对由用于确定角位置的代码的图像所确定的数据执行复杂且持续的计算再处理。另选地，正在致力于通过硬件方式来消除这些误差和不精确，例如通过用于精确定位代码载体的调节机构，然而已经证实这种调节机构是十分昂贵的。因此，对于根据现有技术的精确角度测量来说，为了该目的所采用的部件在制造和装配时在精度方面通常必须满足很高的要求。
此外，由于编码的分辨率或者精细度的原因，这种编码的缺点在于：一旦该编码已经制成并安装到角度传感器中之后将具有特定精度，基于相应的编码以该特定精度来确定角位置。此外，根据编码的分辨率，增量编码仅在低于一个有限转速的情况下才能读取。如果使用具有较低分辨率的粗略编码，尽管能够在代码载体快速转动时追踪到并确定出角位置，但是在此能够实现的精度低于在具有高分辨率的编码情况下的精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的角度传感器，尤其是所述角度传感器具有较为廉价的构造。
本发明的另一个目的是提供一种简化角度测量中的误差消除的编码。
本发明的另一个目的在于提供一种角度传感器，在测量精度方面，尤其是与转动元件(例如编码载体)的针对相关测量所允许的最大转速相关联地，所述角度传感器具有可调整性并且得到了改进。
根据本发明，这些目的将通过独立权利要求中特征部分的特征来实现。可以由从属权利要求的特征得到位置测量方法和位置测量装置的有利的和其它结构及改进。
根据本发明的光电角度传感器具有感光的检测器和带有平面状编码的代码载体，其中，代码载体以能够围绕轴相对于检测器转动的方式布置。与现有技术的角度传感器不同，在现有技术中通常布置有用于在检测器上产生编码的可评估图像的照明装置的角度传感器不同，根据本发明编码以自发光的方式形成。结果，该编码自身表现为在检测器上产生至少一部分编码的图像的装置，其中，针对代码载体相对于检测器的转动位置，能够对所述图像进行评估。
此外，角度传感器具有评估单元，该评估单元通过读取图像来确定代码载体相对于检测器的位置，进而确定围绕轴的待测量的角度。
因此根据本发明，可以省略需要以昂贵的方式布置的附加照明装置。
在此，自发光编码应该被理解为这样一种编码，其被形成用于发出光辐射、尤其是位于可见光范围或者近红外范围内的光。
平面状编码可以具有由现有技术公开的所有图案。在一个简单的形式中，该编码由暗的不发亮区域和发亮区域构成。原则上可以应用所有的自发光装置，这些自发光装置根据代码载体相对于检测器的转动位置，生成经编码后的光学图像。该编码也可以具有发出不同波长的光的多个区域。
既可以使用绝对编码也可以使用相对编码(即，增量编码)。然而在相对编码的情况下存在这样的缺点，即，在电源故障之后必须重新初始化角度测量装置。
具体地，自发光编码可以通过电致发光膜(其也被称为发亮膜或者发光膜)来实现，并且例如可以具有多个有机发光二极管。
为了控制编码，角度传感器尤其可以具有控制单元，以使得能够自由配置尤其是还能够重新配置例如由电致发光膜产生的编码。
例如，可以存储具有不同编码图案的多个可选择的模式。根据角度测量的要求，例如可以由用户选择在各情况下适合于此的编码，并将其用于角度测量。尤其是，各种编码图案在它们的分辨率方面可以是不同的，于是该角度传感器可以适用于所要求的测量精度。
举例来说，可以直接通过重新配置编码，将已知的结构所造成的测量误差和不精确(如：在代码载体相对于检测器转动时所出现的非均衡运转)考虑在内，从而消除这些测量误差和不精确。因为编码是以能够被直接适用的方式形成的，因此就不再需要在现有技术的角度传感器情况下所必须的持续的再处理。
此外，作为一种模式，编码例如可以具有用于简单快速地初始化角度传感器的特殊图案，以便可靠且快速地确定零位置，并且随后可以立刻开始测量角度。
尤其是，能够实现在预定模式之间以事件控制或者时间控制的方式地自动切换。例如针对粗略的角度确定，首先在第一模式中采用低分辨率编码，随后自动切换到具有高分辨率编码的第二模式。在各情况下，也可以在预定时刻，在校准模式中实现自动校准。
代码载体可以按照现有技术公开的所有形式来形成，并且能够以本领域技术人员已知的材料(如塑料)制成。尤其是，其可以具有呈圆形横截面的形状，如圆盘形、环形、圆柱体形或者空心圆柱体形。当然代码载体也可以呈扇形。
具体而言，可以如现有技术所公开的那样，采用传感器阵列作为检测器，所述传感器阵列例如是：成行地排列的光电二极管、CCD传感器或CMOS传感器；也可以是面传感器，其具有在整个面积上布置的光电二极管、CCD传感器、CMOS传感器或PSD传感器。也可以使用检测器膜或者扫描膜，尤其是包括有机光电检测器(例如光电二极管)以及有机晶体管。
根据本发明的角度测量装置的一个应用领域在于：执行方向及角度确定功能的大地测量装置。例如，经纬仪可装配有水平及垂直刻度盘(Teilkreis)和相应的读取装置，以便于能够高精度地测量水平及垂直角度。位置测量装置也可以被应用在所有类型的测量机中，如：具有关节臂的坐标测量机。
附图说明
下面将结合附图中示意性示出的具体实施例，纯粹示例性地详细说明根据本发明的方法，在此也对本发明的其他优点进行了论述。具体而言：
图1示出具有根据本发明的自发光编码的代码载体；
图2示出根据本发明的角度传感器的第一实施方式；
图3示出根据本发明的角度传感器的第二实施方式；
图4示出根据本发明的角度传感器的第三实施方式；
图5示出根据本发明的角度传感器的第四实施方式；以及
图6a和6b示出具有根据本发明的两个不同地配置的编码的代码载体。
具体实施方式
图1示出环形的代码载体2，其具有施加于其上并且以自发光的方式形成的平面状编码3。
编码3实施为薄膜平面状元件，其包括多个有机发光二极管并施加在代码载体2上。另选地，也可以采用本领域技术人员已知的其他发亮膜来形成编码3。
此外，也可以将编码3施加在代码载体2上，或者将编码3直接整合到代码载体2内。将例如有机发光二极管整合到代码载体2内具有以下优点：保护有机发光二极管不受对其有破坏性作用的氧的影响，进而延长了有机发光二极管的使用寿命。
正如本领域技术人员已知的那样，另一种保护编码的可行方案是覆盖该编码。
如图1所示，编码3例如在沿着代码载体2周边的道中交替地具有发亮区域和暗区域。
图2示出了根据本发明的光电角度传感器1，其包括环形的代码载体2，代码载体2具有平面状的自发光编码3。具有一排感光接收区域的检测器4设置在代码载体2的对面，以使得检测器4能够接收由编码3发出的辐射，其中，代码载体2形成为能够绕轴相对于检测器4转动。
编码3具有发光的和不发光的区域，它们沿代码载体2的周向布置在多个道中。通过应用多个道提高了编码的分辨率，由此能够更精确地确定角位置。为此，检测器4的各个感光元件接收相应地对置的道的由编码3发出的辐射，结果是在检测器4上产生部分编码3的可评估图像，该图像具有与代码载体2的相对角位置相关的信息。因此，编码3本身是用于在检测器4上产生图像的装置9，与此不同，在现有技术角度传感器的情况下，为了产生编码的图像，通过其他部件照射该编码。
评估单元5根据检测器4的感光元件所生成的信号计算出代码载体3的待测量的角位置，所述信号是由感光元件的照度决定的。
编码3例如以能够自由配置并且尤其能够被附加地重新配置的方式构成，以使得例如能够改变编码3的图案、分辨率或者角度零位置。
为此，角度传感器1尤其具有控制单元7，其用于控制编码3的发光和不发光区域，和/或光的类型，例如关于所发出的辐射的波长。
图3示出本发明的另一实施方式，其中沿着呈环形的代码载体2的整个周边施加编码3，于是能够确定从0°至360°的角位置。在此，代码载体2以能够绕轴6转动的方式形成，其中，检测器4是以固定的方式布置的。
根据本发明，由控制单元7控制的编码3是以自发光的方式形成的，结果其直接在检测器4上生成部分编码3的图像。
评估单元5通过评估该图像推导出代码载体2相对于检测器4的相对角位置，进而推导得到绕轴6的待测量角度。
图4示出了根据本发明的光电角度传感器1，其具有圆柱形的代码载体2，代码载体2能够绕轴6相对于检测器移动。
根据本发明的自发光编码3施加在代码载体2的外侧表面上，并且由呈感光检测器形式的扫描膜4a围绕，扫描膜4a尤其具有有机光电二极管或者光电元件。具体而言，扫描膜4a可以包围代码载体2的整个侧表面，于是通过编码3的发光在扫描膜4a上生成编码3的完整图像。如上所述那样，在该图像的基础上通过评估单元5来确定代码载体2相对于扫描膜4a的角位置，并由此确定待测量的角度。
为了控制编码3，角度传感器1仍然具有控制单元7，在该控制单元7中例如存储有两种模式。在初始化模式中，例如，控制部件7以下述方式控制自发光编码3：编码3的区域仅在一个点处(例如在零位置处)是发光的，并且编码3的其他区域是不发光的，因此能够快速且精确地确定角度传感器1的零位置。随后，在测量模式中，例如，可以显示适于精确测量角度的高分辨率的编码3。
图5示出根据本发明的角度传感器1的另一实施方式。在此，感光检测器4以及呈圆盘形式的代码载体2设置在共同的平面内，其中，代码载体2以能够绕轴6转动的方式安装，而检测器4以固定方式安装。
自发光编码3施加在代码载体盘的整个圆的区域上，并且可以通过控制单元7自由配置以及重新配置该自发光编码3。
由于通常情况下，比之编码3能够实现的分辨率而言，检测器具有更高的分辨率，所以出于微型化的原因有利的是：检测器4的感光区域形成为小于编码中要映射到检测器4上的部分。为此设有偏转元件8，以使得在各情况下由编码的部分区域发出的辐射被偏转至检测器表面上，并且在检测器表面上会聚。由此能够生成编码的会聚后的可评估图像，该图像包含与代码载体2相对于检测器4的角位置相关的信息。而且，在此可以增强由检测器4接收到的辐射，由此可以实现更快速地读取代码。
为此，偏转元件8例如可以具有折射、衍射或者反射元件，例如弯曲的镜面。
图6a和6b示出具有可重新配置的编码的代码载体2，该编码根据本发明为自发光的并且具有各种模式。图6a示出了处于精细模式中的编码，其具有第一编码配置3a，其中，该编码具有高分辨率用于精确地确定角位置。另一方面，图6b示出了处于粗略模式中的编码，其具有第二编码配置3b，在此，编码具有较低的分辨率，进而在代码载体非常快速地转动时也能够追踪到待测量的角位置。
应当明白，所示附图仅示意性示出了可能实施例的示例。根据本发明可以将各种措施相互组合、并且也可以将各种措施与现有技术的角度传感器相组合。
Claims (18)
1.一种光电角度传感器(1)，其用于确定围绕轴(6)的转动角度，该光电角度传感器(1)包括：
具有平面状编码(3)的代码载体(2)；
感光检测器(4)，其中，所述代码载体(2)和所述检测器(4)能够围绕所述轴(6)彼此相对地运动；
装置(9)，其用于在所述检测器(4)上以下述方式生成所述编码的至少一部分的可评估图像：该图像包含与所述代码载体(2)相对于所述检测器(4)的转动位置相关的信息；以及
评估单元(5)，其用于根据所述图像来确定所述转动角度，
其特征在于，所述编码(3)是以自发光的且能自由配置的方式形成的，因此所述编码(3)自身至少部分地表现为用于生成可评估图像的所述装置(9)。
2.根据权利要求1所述的光电角度传感器(1)，其特征在于，所述编码(3)具有多个有机发光二极管。
3.根据权利要求1或2所述的光电角度传感器(1a、1b)，其特征在于，所述编码(3)呈电致发光膜的形式。
4.根据权利要求1或2所述的光电角度传感器(1)，其特征在于，用于配置所述编码(3)的控制单元(7)。
5.根据权利要求1或2所述的光电角度传感器(1)，其特征在于，所述编码(3)具有包括发光区域和不发光区域的图案。
6.根据权利要求1或2所述的光电角度传感器(1)，其特征在于，所述编码(3)具有包括发出不同波长的光的多个区域的图案。
7.根据权利要求4所述的光电角度传感器(1)，其特征在于，具有不同编码图案的多个可选择的模式能够存储在所述控制单元(7)中，能够实现在这些可选择的模式之间以事件控制或时间控制的方式自动切换。
8.根据权利要求1或2所述的光电角度传感器(1)，其特征在于，所述编码(3)的图案将在下列方面发生改变：
所发出的光的波长；和/或
所述编码(3)的分辨率。
9.根据权利要求1或2所述的光电角度传感器(1)，其特征在于，所述编码(3)以能够重新配置的方式形成。
10.根据权利要求9所述的光电角度传感器(1)，其特征在于，所述角度传感器(1)具有能够选择性地设置的多个模式，其中，针对所述多个模式中的各模式不同地配置所述编码。
11.根据权利要求10所述的光电角度传感器(1)，其特征在于，提供角度传感器初始化模式作为所述多个模式中的一个模式，在所述角度传感器初始化模式中所述编码(3)具有特别适合于确定角度零位置的图案。
12.根据权利要求9所述的光电角度传感器(1)，其特征在于，提供所述编码(3)的重新配置，该重新配置用于补偿已知的测量误差。
13.根据权利要求12所述的光电角度传感器(1)，其特征在于，所述已知的测量误差是在所述代码载体(2)相对于所述检测器(4)转动期间由非均衡运转导致的测量误差。
14.根据权利要求1或2所述的光电角度传感器(1)，其特征在于，所述装置(9)附加地具有用于将所述图像偏转后投影到所述检测器(4)上的偏转装置(8)。
15.根据权利要求14所述的光电角度传感器(1)，其特征在于，所述偏转装置(8)形成为用于将所述图像会聚在所述检测器(4)上。
16.根据权利要求1或2所述的光电角度传感器(1)，其特征在于，所述检测器(4)呈扫描膜(4a)的形式。
17.根据权利要求16所述的光电角度传感器(1)，其特征在于，所述扫描膜(4a)包含有机光电二极管。
18.根据权利要求16所述的光电角度传感器(1)，其特征在于，所述扫描膜(4a)包含有机光电元件。
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