CN107850468B - 用于在计数工具和多级式的旋转编码器中测量转角的装置以及从属的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于测量装置的状态和多级式的旋转编码器的状态的装置以及从属的传感器。为了简化电子能够读出的装置和多圈‑旋转编码器的结构，根据本发明建议了一种具有至少一个能够转动的轮、至少一个光源和至少一个偏振传感器的装置，其中，所述轮至少部分透明并且保持偏振，其中，所述轮的部分构造为偏振滤光器，其中，从所述光源发出的光线通过所述偏振滤光器能够偏振并且由所述偏振传感器能够接收。

Description

用于在计数工具和多级式的旋转编码器中测量转角的装置以 及从属的传感器

技术领域

本发明涉及用于测量计数器和多级式的旋转编码器的状态的装置以及从属的传感器的领域。特别地，本发明涉及一种具有一个以上的能够转动的轮、至少一个光源和一个以上的偏振传感器的装置，以及一种具有一个以上的能够转动的轮和分别与这些轮机械地经过至少2：1的比例连接的测量轮、至少一个光源和一个以上的偏振传感器的装置。本发明还涉及一种装置用于测量转角和/或回转的应用。

背景技术

在许多应用中不足以能够基于例如半个或者整个回转确定转角。例如在线性驱动装置的主轴或者电表中，为了检测多个回转的明确的测量，除了电子的计数装置（其基于单重的角测量器的信号来构建）能够也使用机械的计数器和传动机构。这些具有的优点是，它们也在没有能量提供时保持计数器读数并且甚至在没有能量提供给传感装置时继续计数。这能够很重要，当在故障情况中迟钝的机器继续运动，而所述传感装置由于停电不起作用时，或者当机器的状态在经关断的状态中改变时。

在下文中不仅论述机器的状态，而且同等重要地也论述所述装置的状态，也即所述计数器或者传动机构的状态。该状态例如通过测量计数工具的全部的轮或者传动机构的齿轮的各自的转角来说明。

计数工具此外应用在线性传感器中，例如拉索行程测量器中，以便扩展其测量范围。一般，这些不允许所述状态的直接的手动的评估，因为电子的计数读数检测的紧凑性和成本在手动可读的装置中相比于在电子的评估中还要更大，从而在这里存在要么纯电子要么纯手动可读的解决方案。

然而手动可读的或机械的计数工具在许多区域中令人感兴趣，因为它们很低保养和低风险并且不依赖于附加的电流供应工作以及实现了所述功能或计数器读数的简单的管控。示例是例如气管和水管，在其中，电气化最有可能随着电池组运行或者通过能量收集能够考虑，然而与高的成本和较高的保养成本以及必要时通过爆炸或者泄漏的升高的危险造成的安全问题相联系。即便在已知的拉索编码器的情况中，在一些应用中存在增值，当所述计数值能够不仅纯电子地而且也可视地在计数器处读取时，甚至当所述计数器没有电流时。

在多位的计数工具中和在多圈-旋转编码器的传动机构中的转角的检测，此时与高的成本相联系。一般，每个计数轮或装置的每个传动机构轮配有独立的绝对值-角传感器，从而例如多个编码盘、经对准的光源和精准的经调校的多轨的传感器是必要的，它们还必须彼此通信，以便消除通过传动机构游隙等造成的歧义。这是可观的成本并且使得这样的系统昂贵。

对于所述结构的这个复杂类型的原因在于，传统的角传感器仅对于短的和恒定的距离能够可靠地测量。从而几乎不可能的是，从1cm距离中以良好的准确性读取例如1cm直径的磁性码盘的区，因为所述磁场在这个距离中下降到很小的值。如果会将多个磁盘彼此相继布置，则所述信号相互干扰。常规的光学的编码器（透射或反射，具有多轨的码盘）的信号能够同样仅以高的调校成本和精准的光学装置从较大的间距中读出，因为通过错误调校造成的散射光和测量误差快速地剧增。然而这以受限的程度被执行。这样EP143354说明了两个传动机构级的叠加。还要持续进行的多级式的叠加却产生了所述结构的快速增大的复杂性。在EP1457762中不同的码盘与相应的传感器的间距通过具有不同的半径的柱筒形的元件减小到对于单圈的编码器常见的间距上。这要求多个准确配合的元件和其组装为复杂的三维的产物并且不允许简单的级联至具有组合部件系统的较高的级数。

本发明的任务是，简化电子能够读出的装置和多圈-旋转编码器的结构。

发明内容

先前导出的和所示的任务通过按照权利要求1所述的装置以及按照权利要求3所述的装置来解决。也通过按照权利要求20所述的应用解决该任务。构造方案是从属权利要求的内容。

按照本发明的第一教导，所述任务通过具有至少一个能够转动的轮、至少一个光源和至少一个偏振传感器的装置来解决，其中，所述轮至少部分透明并且保持偏振，其中，所述轮的部分构造为偏振滤光器，其中，从所述光源发出的光线通过所述偏振滤光器能够偏振并且由所述偏振传感器能够接收。尤其所述任务通过一种具有一个以上的能够转动的轮、至少一个光源和一个以上的偏振传感器的装置来解决，其中，所述轮至少部分透明并且保持偏振，其中，所述轮的部分构造为偏振滤光器，其中，所述轮至少部分重叠，其中，从所述光源发出的光线通过所述轮的偏振滤光器能够偏振并且由所述偏振传感器能够接收，其中，所述光线能够穿过多个轮，其中，由偏振传感器接收到的光线仅通过所述偏振滤光器之一偏振。如果也就是说从所述光源发出的光线通过所述轮的偏振滤光器能够偏振，则指的是：不同的轮的构造为偏振滤光器的区域以及透明的和保持偏振的区域如此设置尺寸和布置，即，使得从所述光源发出的光线通过所述轮的偏振滤光器能够偏振。

所述轮能够是计数装置的计数轮。

通过绝对值测量，所述偏振滤光器占据相比于编码器码盘更小的空间并且能够利用更小的传感器测量。调校敏感性下降，因为在所述偏振过滤器的每个地点处能够测量同一信号。因为不需要极其精细地位置分辨的测量，所述信号能够在相比于这在光学的编码器情况时更大的距离上测量。因此光束能够在从光源至传感器的途径上克服多个附加的透明的障碍，只要这些障碍不会显著改变所述光线的偏振。如果多个轮装配在共同的轴上，则相应的偏振滤光器优选具有不同的半径，由此共同的光源和共同的传感器阵列或彼此并列存在的传感器能够用于测量。

不同于光学的编码器或者磁性的传感器，因此不必要的是，在至传感器的紧邻附近中获得所述信号，这例如在EP 1 457 762中导致复杂的和不平整的结构形式。在当前的情况中，能够使用在平整的形式中的不同的轮，其中，在光源和相应的偏振滤光器或这个偏振滤光器和从属的传感器之间能够存在其它轮的不同数量的透明的和保持偏振的区域。换而言之，第一轮的光线能够在所述光源的附近偏振并且穿过一系列的另外的轮而不改变偏振状态，而最后的轮的光线位于所述传感器的附近中并且未被偏振的光线在通过剩余的轮之后才在所述传感器前方不远处被偏振。单个的轮能够在此基本上相同地构建，尤其实现为盘。在装配在同一轴上时，应有利地仅匹配相应的偏振滤光器的半径。

在此透明至少对于由所述传感器所使用的波长范围是必要的。如果所述传感器在红外线范围中工作，则所述盘对于眼睛能够一定也不是透明的。因此能够例如在计数工具中把常见的白色数字实现在黑色基底上，然而所述轮总体上由对于所述传感器的红外光线透明的材料制成。

按照根据本发明的装置的一个构造方案，附加的编码设置在至少一个轮和对此匹配的传感器上，该传感器产生在360°上明确的测量区域。

因为所述偏振测量是180°周期性的，然而通常在360°上明确的测量是必要的，则能够考虑附加的信号以用于建立这个周期性。这能够以各种方式来产生。在不提高在有待测量的轮上的面积使用时，能够给所述偏振滤光器叠加亮度调制，例如通过在半圆上的较强的吸收。以类似的方式，也能够进行颜色编码，该颜色编码实现两个半圆的区分。然而更加实际的是在具有其它半径的轮上使用至少一个第二信号道，该信号道类似于常规的光学的编码器的二进制的数据道来构造，大约全透明和完全截止。叠加于所述偏振的亮度信息能够利用所述偏振传感器本身来测量，而颜色信息能够通过波长选择的传感器来求取。如果使用第二信号道，则除了偏振传感器外的另外的传感器是有意义的。因为亮度也能够利用偏振传感器来测量，则这然而也能够是第二偏振传感器。在该情况中，具有经分割的偏振滤光器的信号道也是可能的。大量的构造变体方案导致所期望的结果。

按照本发明的第二教导，所述任务通过具有至少一个能够转动的轮和与这个轮机械地经过至少2：1比例连接的测量轮、至少一个光源和至少一个偏振传感器的装置来解决，其中，所述测量轮至少部分透明并且保持偏振，其中，所述测量轮的部分构造为偏振滤光器，其中，从所述光源发出的光线通过所述偏振滤光器能够偏振并且由所述偏振传感器能够接收。尤其所述任务通过一种具有一个以上的能够转动的轮和分别与这个轮机械地经过至少2：1的比例连接的测量轮、至少一个光源和一个以上的偏振传感器的装置来解决，其中，所述测量轮至少部分透明并且保持偏振，其中，所述测量轮的部分构造为偏振滤光器，其中，所述测量轮至少部分重叠，其中，从所述光源发出的光线通过所述测量轮的偏振滤光器能够偏振并且由所述偏振传感器能够接收，其中，所述光线能够穿过多个测量轮，其中，由偏振传感器接收到的光线仅通过所述偏振滤光器之一偏振。如果也就是说从所述光源发出的光线通过所述轮的偏振滤光器能够偏振，则指的是：不同的轮的构造为偏振滤光器的区域以及透明的和保持偏振的区域如此设置尺寸和布置，即，使得从所述光源发出的光线通过所述轮的偏振滤光器能够偏振。

为了消除对于360°明确性的辅助信号的需求，所述偏振测量能够在一个另外的轮（测量室）上进行，其中，这个轮最大地以所述能够转动的（计数）轮的一半速度转动。这能够通过在所述轮之间的合适的齿部来确保。如果对于计数工具的每个计数轮设置了自身的测量轮，则2：1的转速比是尤其有利的。这例如在这样的布置中是有意义的：即，不同的计数轮通过自身的机械器件或自身的传动机构彼此耦合。在十进制的计数工具中，在此所述转速比在大多情况下是10：1，其中，所述计数轮通常通过步进传动机构来驱动。在计数轮和测量轮之间的耦合能够通过单重的齿部来进行。

如果所述转速比尽可能以整数的因数大于2：1，则能够通过所述偏振测量在所述测量轮上实现在所述计数轮的超过360°的转动范围上的明确的角测量。这在多圈-旋转编码器中尤其有利，该多圈-旋转编码器常常配有多级式的传动机构。

按照先前所说明的装置的一个构造方案，

- 多个轮如此布置，即，使得它们至少部分重叠，

- 不同的轮的透明的和保持偏振的区域以及构造为偏振滤光器的区域如此设置尺寸和布置，即，使得从光源发出的光线也能够穿过多个测量轮，其中，由偏振传感器接收到的光线仅通过所述偏振滤光器之一偏振，

- 在不同的位置处能够测量由不同的轮偏振的光线。

分别按照所述轮的机械的设计，偏振滤光器和辅助道能够在共同的转动轴线中然而或者在不同的转动轴线上位于不同的半径上。由此能够构建很紧凑的装置，在其中，由不同的偏振滤光器和/或辅助道彼此并列地能够测量信号，而这些信号不会相互干扰。这也实现了使用共同的光源和多通道的传感器。测量在位置（在该位置处所述光线必须穿过多个轮）处进行自然是不必要的。不仅可能的是，测量轮位于所述计数轮外，而且可能的是，这些测量轮重叠。所述机械的耦合在此由技术人员合适地设计，其中，除了齿部外也能够采用齿形皮带和其它的具有相同效果的结构设计。

因为偏振测量以相同方式在轴地和离轴地起作用，在转动轴线（半径为零）上的测量也是可能的。

按照先前所说明的装置的一个构造方案，把符号180°周期地设置在轮的周部处。

在计数工具，如例如十进制的计数器中，在大多情况下把数字符号0...9设置在计数轮的周部处，由此能够手动地读出所述计数工具的状态。在该情况中，需要360°转动，以便穿过轮的计数区域，并且单个的计数轮相应于所述符号在大多情况下10：1减速。为了在使用偏振传感器时能够省去辅助信号、辅助道或者附加的减速的轮，所述计数轮的改变是有意义的，在其中，所述符号180°周期地设置，也即数字序列0...9在以360°转动时两次彼此相继地出现。相应地，所述计数轮彼此间的减速在该情况中以因数2被减少，也即典型地选择为5：1。在此不显著的是，所述符号在哪里并且多么准确地设置。同样利用符号印刷的齿形皮带（其耦合到所述计数轮处）满足同一目的，只要可读的符号参照所述转动的轮180°周期地显现并且从而允许利用180°周期的传感器的明确的测量。

按照先前所说明的装置的一个构造方案，传动机构将所述装置的轮以至少2：1的转速比如此进行连接，即，经过最快的轮的多个完整的回转也从在所述装置的至少一个轮处的180°周期的测量值中经过多个回转能够求取明确的转角。

对于在较大程度超过360°范围的角测量，也即回转测量，具有高的减速的传动机构是有帮助的，此外多级式的传动机构也是有帮助的。为了使得在轮处的回转测量利用180°周期的传感器能够进行，接下来的由这个轮驱动的轮必须以最大一半转速转动。显著更高的减速有助于扩展计数区域。在此2：1的整数倍数是尤其有意义的。

按照先前所说明的装置的一个构造方案，所述装置机械地工作。

如果所述装置的状态通过机械地工作的传动机构改变，则它也在没有电能时、也即当所述传感装置没有运行时工作。这一方面有助于也在长的时间段上保持（存储）所述装置的状态，另一方面也有助于也在在没有电能时能够改变所述状态。这能够在沉重的机器中是重要的，该机器例如在停电之后由于其惯性而还继续运转。

按照先前所说明的装置的一个构造方案，所述装置的状态也在没有电力时可读。

尤其当所述装置的状态机械地改变并且存储时，有帮助的是，所述状态能够手动地读出。应用示例是气管和水管，它们在普通情况中不需要电能用于供应，然而随时应该可读。在此任何人即便在没有特别的仪器时也能够手动地读取，而传感器的读出也许仅通过维修人员进行。

按照先前所说明的装置的一个构造方案，此装置具有至少部分透明的壳，其中，所述装置部分暴露给介质，而其它的部分通过所述壳被防护免受所述介质。

当所述机械的计数工具例如通过水或者气体驱动时，有意义的是，电气的元件如光源和传感器保持与这个介质分离。这能够在当前的装置中通过光学的窗部在壳中产生或者通过总体上透明的壳产生。除了腐蚀防护，在这里爆炸防护也是优点。另外的机械的联接器，例如在叶轮和所述装置之间的磁性的联接器自然同样能够考虑，以便也将具有轮和偏振滤光器的所述装置的传动机构防护免受所述介质。

叶轮在这里指的是由所述介质驱动的、具有叶片、腔或者可比照的特征的轮。

按照先前所说明的装置的一个构造方案，不同的轮的传感器数据彼此关联。

在多级式的传动机构或至少两个经耦合的轮中，能够有利利用的是，所述偏振测量允许绝对角测量，即使这个是180°周期的。当两个经耦合的轮具有N：1的转速比，然而较缓慢的轮的角测量相比于较快速的轮N倍地更加准确时，所述较快速的轮的位置能够明确地从较缓慢的轮的位置中求取，也即测量数据不是彼此独立的。不同的轮的测量数据的关联允许获得关于机械的游隙的论断。

即便在较缓慢的轮的不那么准确测量的情况中也能够说明对于所述较快速的轮的可能的状态的间隔。反过来，对于较快速的轮的状态得到了较缓慢的轮的一组可能的状态。这个信息能够用于相互管控所述传感器信号并且获得校准数据。这也许在很缓慢转动和不常被读出的装置中是有帮助的，因为用于获得校准数据的机械的运动在计数工具中在实际上不可行。

按照先前所说明的装置的一个构造方案，至少一个偏振传感器的传感器数据利用至少相比于关于对于相应的轮必要的回转测量以相对于前面的轮的减速比更高的分辨率被求取，其特征在于，存在器件或机械，它们适用于在传感器和/或光源失效时从其余的传感器数据中求取关于所述装置的状态的明确的论断。

正如之前所描述的那样，能够尤其从所述较缓慢的轮的测量数据中明确地推断出所述较快速的轮的状态。给该状态一方面通过机械的游隙当然也通过偏振测量的准确性和受限的分辨率设置边界。因为所述偏振测量首先提供了模拟信号，则具有相比于机械地对于所述位置确定必要而言更高的分辨率和准确性的数字化是比较简单的。在N：1的减速中，所述快速的轮必须在N个位置上被确定。对于所述较缓慢的轮也足够的是，能够确定N倍更多可能的位置，以便使得在所述较快速的轮处的测量数据多余。在该情况中，在所述较缓慢的轮处的测量提供了对于还有所述较快速的轮的状态的信息。在两个以上的阶段上这个过程仅受限地有意义，因为必要的测量准确性和对机械的要求很高。然而可能的是，通过高分辨率的角测量和在所述轮之间的强烈减速的转速，所述传动机构级的数量相比于编码器分辨率减小，因为对于多于几个的比特的附加的成本在偏振测量中比较低。

按照先前所说明的装置的一个构造方案，在所述装置的机械的基准位置中的偏振滤光器和/或传感器的调校误差通过所述传感器能够测量并且作为基准信号稳定地能够存储。

不同于光学的编码器，在所述偏振测量中不存在特别的调校要求，也即偏振滤光器和传感器能够任意地彼此相对移动，以及还有在传感器和有待测量的轮的例如半径辐射之间的相对的角能够自由选择。然而当偏振滤光器和传感器具有任意的取向时，这能够视为角位移的测量信号。这样的角误差能够轻易地通过减法来消除，从而通过在机械的基准位置中的基准测量能够对于每个传感器求取这些角误差。这些能够稳定地存储并且利用这些数据修正后续的测量。这不仅在几乎不能够避免的定位不准确性（传感器相对于其载体（电板）具有该定位不准确性）中具有优点，所述载体相对于其余的装置的等角的装配由此也被修正。然而尤其有利的是，在调校在所述轮上的偏振滤光器时同样不起作用的是，偏振滤光器和轮彼此具有哪个相对的角，仅差不多围绕所述转动轴线定心的装配是可取的，由此能够使用更窄的偏振滤光器环并且多个传感器能够装配在紧凑地彼此相邻的半径上。

按照先前所说明的装置的一个构造方案，所述偏振传感器是集成电路。

偏振信息的测量能够有利地通过不同的信号的相对测量来实现，具有各自取向的偏振滤光器的光电二极管提供所述信号。尤其有利地，四个分别45°彼此相对地扭转的偏振滤光器布置在各一个自身的光电感测器上。在利用线性偏振的光线（该光线关于其偏振围绕测量轴线转动）辐射时，所述光电感测器提供微分的正弦和余弦信号，该正弦和余弦信号很简单地并且以高的准确性能够被评估。在此所述光束的强度和偏振程度不起大的作用，因为仅必须评估相对的参量。在实现为集成电路时，这些不同的传感器区能够安置在最小的空间上，其中尤其，彼此间扭转的集成的偏振滤光器的等角性很高。集成电路能够接管附加的功能，例如校准、与其它的传感器通信等。集成的传感器和过滤器的其它的布置能够同样被使用。对于所述集成电路尤其适合的是在标准工艺中，例如CMOS技术的单块的集成，其中，利用对于130 nm或者更小的技术典型的特征参量也能够在可见的范围中获得良好的结果。利用能够在180 nm技术中制造的结构来至少在红外线范围中获得良好的结果。

按照本发明的第三教导，所述任务通过正如之前经限定的装置来解决，该装置具有用于偏振的传感器区域和在所述用于偏振的传感器区域旁边布置的用于亮度的传感器区域，其中，为了评估所述亮度传感器的亮度信息，使用在所述偏振传感器中所求取的亮度作为基准信号。

所述装置说明了组合式的偏振和亮度传感器。

相对的信号强度也乐意应用在常规的光学的编码器中，在其中，基本上仅必须达成二进制的决策：亮/暗。同样在这里，入射的光线的首先未知的亮度或者光源的失效的识别是对于不同的布置的论据。在编码器中，然而另外需要两个信号道，该信号道具有反转的编码。如果偏振传感器与附加的亮度传感器组合，则这能够节省第二数字道，因为由所述偏振传感器所测量的信号的总和平均地恒定并且（在忽略过滤损失时）几乎对应于所述未被偏振的光线的一半亮度。因此不同的信息已经能够从在附加的亮度调制的道上所获得的信息与在偏振传感器中所求取到的亮度的比较中获得。

按照本发明的第四教导，所述任务通过一种正如之前经限定的用于偏振测量的装置来解决，其中，多个传感器区域如此布置，即，信号能够由多个独立的信号源来测量。

所述装置说明了一种用于偏振测量的多通道的传感器。

在光学的编码器中所述信号道的数量是高的并且对调校提出了很高的要求，而所述偏振测量在最简单的情况中利用仅一个道并且必要时利用用于扩展到360°上的辅助道来进行。因此所述偏振传感器能够相比于编码器传感器显著更少地失效。这个面积节省能够作为对于单个传感器的价格优势来使用。然而得到了另外的节省可能性，当变得自由的传感器面用于另外的传感器道时，利用该传感器道要么能够冗余地测量同一信号，要么却尤其在利用计数工具或者多圈编码器的使用时，用于不同的轮的角的多通道的测量。因为在许多应用中有待测量的轮的转速很低，则在这里有利地也能够实现电子的组件（例如模拟数字转换器）的共同的使用。

按照本发明的第五教导，所述任务通过正如之前那样经限定的装置来解决，该装置具有至少一个用于偏振的传感器区域和至少一个布置在其旁边的用于亮度的传感器区域，其中，为了评估亮度信息，把由偏振传感器求取的亮度使用作为基准信号，其中，所述传感器区域如此布置，即，从多个独立的信号源能够测量信号。

所述装置说明了一种多通道的传感器，该传感器具有至少一个用于偏振的传感器区域和至少一个布置在其旁边的用于亮度的传感器区域。

可能的是，用于测量偏振的传感器也被考虑用于亮度测量。同样，附加的传感器能够设置在所述偏振传感器的传感器区域中。然而没有空间上的分离困难的是，不带有相互影响地测量亮度信息和偏振信息。如果在轮上把附加的信号道作为亮/暗标记在所述偏振滤光器旁边布置，则适当地利用彼此并列存在的传感器区域测量两个信号。

按照本发明的第六教导，所述任务通过正如之前那样经限定的装置来解决，该装置在共同使用的传感器面上具有至少一个用于偏振的传感器和用于颜色的传感器。

所述装置说明了组合式的偏振和颜色传感器。

不同于强烈的强度调制（其能够损害偏振测量），也能够使用颜色信息用于测量区域的360°扩展。这样的颜色信息也能够设置在偏振传感器的区域中并且然后在有待测量的轮上不要求附加的颜色。依赖于波长的传感器能够例如通过位于不同的深处的半导体区或者光学的共振器或者在光电感测器上的颜色过滤器来实现。优选地，要么使用不具有对偏振测量的影响的波长（因为该波长要么不会偏振或者不会以相同方式偏振要么所述偏振传感器完全不会侦测这些波长），要么以时分复用乘偏振信息和颜色信息来测量。

波长测量也能够在没有附加的传感器面时这样来进行，即，在光线的入射方向上在固定的偏振过滤器下方彼此相继地布置有多个光电感测器。这起作用，因为光线在例如硅中的进入深度依赖于波长。有利地，所述传感器能够利用两个波长来运行，对于该波长得到相似强烈的偏振信号。这也能够通过合适的亮度在叠加于所述能够转动的偏振滤光器的颜色编码中的颜色的不同强烈的光学的衰减中或者相应的波长中被影响。波长的差异越大，则在堆叠的光电感测器之间的信号流的移位越大，该光电感测器例如能够由一方面扩散区和另一方面被植入的区组成。这个布置相比于例如使用具有自身的颜色过滤器的单独的传感器更加面积高效，其中，这样的布置也在本发明的意义中。同样，附加的堆叠的光电二极管，不带有位于其上的固定的偏振滤光器地，在偏振传感器的紧邻附近中以相同方式满足所述目的。

按照先前所说明的装置的一个构造方案，对于测量必要的能量无线地传达给所述装置。

如果采用机械的计数工具（其状态仅不常被询问），持久地以电能供应不是必要的。同样，电池组运行或者使用能量收集例如在气管和水管中不是绝对有意义的。

如果计数器读数仅偶尔求取，但是却电子地检测，则对于这个瞬间也能够进行短时的供应，其中，能够省去易受影响的插连接，并且所述能量例如经由感应线圈或者通过光源/太阳能电池的组合能够传输。

按照先前所说明的装置的一个构造方案，所测量的信号无线地由所述装置传达。

如果计数器读数的电子的检测相比于手动的读取基本上用于加速和错误避免，则所述测量数据的传输经由无线电或者调制的光线是有意义的。尤其无线电传输也能够经过较大的距离、也即经由遥测来进行。由此省去的必要性是，必须要看看有待读出的计数器。

经限定的装置、尤其按照本发明的第三至第六教导所述的装置，能够有利地用于确定转角和/或回转。

附图说明

本发明在下文中借助于实施例更加详细地阐释，对此参照附图。附图和附图标记示出了：

图1a：用于具有码盘的多圈-旋转编码器的计数工具的简化的示意；具有8：1减速比和5道码盘的4级的传动机构（现有技术）

100 外部经驱动的主轮，用于在一个回转内的转角检测

101 较宽的半径区域，具有高分辨率的码盘（没有具体示出）

102 用于取样高分辨率的码盘的传感器阵列（例如16比特）

110a-d 用于多圈测量的传动机构齿轮

111 用于在传动机构齿轮上的角测量的码盘（在这里5比特）

112 用于取样码盘111的传感器阵列

图2：手动可读的装置的简化的示意，该装置用于利用同轴的轮（例如用于气表）进行计数，例如用于计数区域0000...9999（现有技术）

200 共同的轴

201 带有在周部处的符号压印的计数轮

202 用于光学的编码器的码盘，在这里具有5比特

203 经对准的光源的阵列（例如具有透镜和光圈的LED）

204 用于码盘的取样的传感器阵列

205 机械的支架

206 在计数轮的周部上的符号（例如数字0...9）

图3a：手动可读的装置的简化的示意，该装置用于利用同轴的轮进行计数，配有偏振过滤器和在周部上的双重的符号序列

300 共同的轴

301a-d 具有在周部处的双重的符号压印的计数轮 302a-d 具有不同的半径的偏振滤光器环

303 经对准的光源的阵列（例如具有透镜和光圈的LED）

304 偏振传感器的阵列

305 机械的支架

306 在计数轮的周部上的符号（例如数字0...9、0...9）

图3b：对具有偏振滤光器环302和孔部300的计数轮301之一的俯视图

图3c：例如通过从偏振滤光器膜310的冲压，有利地获得具有不同半径的偏振滤光器环302a-d

图4：具有附加的2：1减速的齿轮的计数工具的单元

所述计数轮的回转能够明确地通过偏振测量进行，因为当所述计数轮进行完整的回转时所述偏振滤光器仅实现半个回转

400 计数轮

401 内部的端齿部

402 具有双倍齿数的附加的齿轮

403 在所述齿轮上的偏振滤光器环

404 机械的支架

410 轴

411 用于所述附加的齿轮的短的轴

图5：在使用偏振传感器的情况下用于多圈-旋转编码器的计数工具的简化的示意

500 外部经驱动的主轮，用于在一个回转内的转角检测

501 较宽的半径区域，具有高分辨率的码盘（没有具体示出）

502 用于高分辨率的码盘的取样的传感器阵列（例如16比特）

510a-d 用于多圈测量的传动机构齿轮

511 用于在传动机构齿轮上的角测量的偏振滤光器环

512 用于在511后方进行偏振测量的传感器

图6a：用于利用8个同轴的轮进行计数的手动可读的装置（计数区域00000000...99999999）的简化的示意，配有偏振过滤器和附加的二进制的辅助道，为此在周部上仅单重的符号序列

600 共同的轴

601 带有在周部处的正常的符号压印的计数轮

602 在计数轮的周部上的符号（例如数字0...9）

603 用于关于360°的明确的测量的二进制的辅助道（透明/黑色）

604 具有不同半径的偏振滤光器环

605 光源，例如LED

606 准直仪（透镜）

607 镜或者棱柱

608 用于传感器的机械的支架，在这里在所述支架的前侧和后侧上的各一个传感器阵列

609 用于辅助道的偏振传感器和亮度传感器的阵列

610 照亮的区域

图6b：对所述齿轮之一的俯视图

图6c：在支架608上的传感器阵列609的可能的布置，用于利用被标识的照亮部610从用于偏振和亮度测量（603、604）的多个道测量所述信号

图7a：在俯视图中的偏振传感器的简化的示意

图7b：组合式的偏振和颜色敏感的传感器的传感器元件的可能的横截面

700 对具有4个传感器的区的俯视图，该传感器具有固定的从属于相应的传感器元件的偏振过滤器的分别不同的取向 701-704 不同朝向的固定的偏振滤光器

705 在固定的偏振滤光器701之下的靠近表面的光电感测器（在硅中用于可见光的短的波长）

706 在固定的偏振滤光器701和侦测器705之下的位于较深处的光电感测器（在硅中用于可见光和近红外线的长的波长）

707 透明的区域，例如玻璃

710 入射的偏振的光线。

具体实施方式

按照DE 102005063524和DE 102005031966的偏振-转角传感器的年轻的类别实现的是，绝对的转角调校不敏感地并且从大的距离中测量，因为所述转角，不同于在光学的编码器中，能够在转动的偏振盘的每个位置处以相同方式测量并且不依赖于局部的编码。因此偏振测量允许代替多道（数字）码盘利用仅一个（模拟）道求取绝对角。此外所述旋转编码器能够分别按照周边环境条件也从便宜的塑料膜中得到，尤其裁剪或者冲压。所述偏振测量的180°周期却必须被考虑。

图1象征示出了按照现有技术的多圈-旋转编码器。所述经驱动的主轮100构造为正齿轮并且设有高分辨率的码盘101，该码盘由合适的传感器阵列102（包括对准的光源、传感器和评估）。经过主轮的齿部来驱动另外的齿轮110，该齿轮处于与相应先前的轮的减速比中，也即以阶段的方式缓慢地转动。在这些齿轮110上又安装了码盘111，该码盘利用传感器阵列112读出。对码盘111和传感器阵列112的要求在此小于在主轮中的要求，这通过一方面受限的机械的减速比和另一方面对于传感装置的成本来造成。采用：从一个轮到接下来的轮存在减速比8：1，并且所述传动机构除了所述主轮外具有4个齿轮。用于主轮100的回转的明确的计数区域在该情况中计为8^4=4096或者12比特。对于每个齿轮110，在此必须可靠地覆盖0...7的计数区域，从而必须采样每个轮的实际上4或者甚至5比特的分辨率。总体上，按照现有技术必须因此把具有各4个传感器和4个经对准的光源的4个另外的码盘精准地彼此定向（16个光栅）。所述传感器阵列112在此如此布置，即，它们仅接收各一个齿轮110的信号。此外确保的是，遵循小的工作间距。也许所述传感器因此不布置在一个平面中。如果码盘101的每个道仅1mm宽，则所述码盘必须包括至少4mm的半径区域。被照亮的区域和相应的传感器阵列本身必须是相应地大。

图2示意示出了电子能够读出的计数工具的示意的结构，该计数工具具有在共同的轴200上的4个数字轮201（计数区域0...9999）以及码盘202和包括用于每个数字轮的传感器阵列204和经对准的光源203的光学的绝对值编码器，其中，所述传感装置通过载体205保持在位置中。所述机械的（步进）传动机构未示出。为了把均匀安装在周部上的符号206（例如数字0...9）明确地配属，在这里也需要在360°上4至5比特的角分辨率，也即对于所述码盘的宽度和传感器阵列的大小等的考虑首先保持同一。因为在计数工具中，多个轮彼此相继布置在共同的转动轴线上，则所述光栅的装配相比于在多圈编码器中还要更繁琐地进行。结构的简化会得到，当所述经对准的光源203和传感器阵列204能够在轮机构202的两个侧部处聚集时。然而可惜所述码盘202的所需的宽度大到使得所述盘的半径必须显著被增大。为了一下子照透例如3个轮，必须一个轮在轴线附近具有代码，一个轮在中部并且一个轮靠近周部具有代码，也即，每个轮需要具有其它的直径的复杂的码盘。尤其，对准的光束必须经过大约所述轮的整个半径来产生，这例如通过发光二极管、透镜和光圈的阵列（对于每个数据道各一个）能够实现。

此外可能的是，每个单个的数据道由于所述较大的工作间距必须更宽地得到，以便能够可靠地读出所述代码。硬件和成本的可能的减少因此被限制。

不同地，在相同的半径上组合多个代码仅以很高的成本才可能，例如通过窄带地吸收的颜色编码和多色的或者白色的光源。磁性地，多个轮彼此相继的评估几乎不可能，因为所述磁场叠加并且在大的距离上几乎不能够测量。

根据本发明，正如在图3a中所示那样，通过使用偏振过滤器和偏振传感器得到了所述装置的较简单的结构设计。取代多比特的码盘，使用来自偏振化的材料的环302。每个轮301的占主要的部分保持透明，尤其保持偏振。如果所述轮同轴地布置，则每个轮针对性地具有在其它的半径上的偏振滤光器环（302a...d）。相应的圆盘能够尤其便宜地从唯一的偏振滤光器膜中冲压（图3c）。

因为所述偏振测量允许模拟的绝对角测量，则利用例如1mm宽的条带已经使得准确的绝对的角测量可行。多义的区分（偏振是180°周期的）能够在此要么通过辅助信号、例如叠加的编码（透明、颜色、使得光轴偏置的光学的元件）要么通过至少一个附加的二进制的道进行（通过该道对于每个轮例如会需要例如总体上2mm的半径区域）。由此能够在所述半径区域上（按照现有技术用于4比特编码器的唯一的轮需要所述半径区域）现在测量2个或者甚至4个轮的角。

得到了还要更大程度进行的简化，当所述轮机构匹配到所述偏振测量的180°周期上时。在手动可读的装置的情况中，能够为此目的把符号序列（例如数字0...9）两次地彼此相继地压印到所述周部上，正如在图3a中标识的那样。在计数轮之间的减速传动机构于是应该不再10：1而是5：1进行减速。也即，在第n个轮的一半回转之后第n+1个轮已经继续转动了一个符号，然而相比于传统的360°周期压印的轮仅转动了半个角。

作为备选方案，传统的计数轮能够被使用并且附加的齿轮对于每个计数轮被设置，该齿轮对于计数轮的每个完全的回转仅进行了半个回转，并且由此也利用180°周期的传感器允许明确的测量。

图4例如示出了这样的布置，在其中，所述计数轮400（利用未示出的计数机械来驱动）在转动轴线410上具有内置的齿部401并且驱动具有优选双倍齿数的齿轮402，在该齿轮上安装有偏振滤光器环403。机械的固定部404在此保证了在自身的短的转动轴线411上的齿轮402的位置。正如在图3a中那样，具有不同半径的偏振滤光器环用于不同的计数轮，其中，通过合适选择用于不同的齿轮402的不同的转动中心，也能够多次使用相同的偏振滤光器半径，这允许尤其紧凑的布置。

相应地也能够从多圈-旋转编码器构造传动机构。测量在此也能够在齿轮的重叠区域中进行，因为由相应的偏振滤光器环需要的位置小于在编码盘的情况中。因此也能够采用多通道的偏振传感器，该偏振传感器同时检测多个齿轮的角。图5在一种理解中示出了这点，不带有用于360°的附加的二进制的道，也即仅具有偏振滤光器环。

所述测量信号每180°的重复能够通过相应后续的传动机构级来接收，其明确的计数区域据此相对于所述传动机构减速比减半。为了使这起作用，所述传动机构减速比必须计为至少2：1，也即在第一轮的完整的回转之后，第二轮最大已经转动了半个回转。明显更高、尤其2：1的多倍的减速比是有意义的，由此每个轮获得多个比特的计数区域，而对传感器的绝对的角精确度的要求不会过大，以便在没有校准时能够在所述计数器的整个寿命上提供正确的信号。相比于光学的编码器，因而首先通过180°周期失去了一比特，通过模拟的绝对角测量却在相同的或者更小的空间上获得一定更高的分辨率，例如分别8比特，代替在图1和2中所示的4或者5比特。

作为备选方案，转动的偏振滤光器也能够在这里再次经过独立的2：1减速比来驱动，从而原本的计数工具的结构设计不会相对于常规的结构形式对于360°周期的传感器改变。

所述偏振传感器有利地构造为集成的偏振传感器。其优点除了微型化和集成的偏振滤光器的本身的良好的等角性外，在于简单地集成用于数字化、错误修正和与其它传感器通信的另外的功能。此外所述偏振测量在最小的空间上允许相对于能够转动的偏振过滤器环的调校公差。在此尤其有利的是具有四个分别以45°扭转的集成的偏振滤光器的布置，正如在图7a中所示那样。

对于装置（在其中，在周部处布置有可读的数字（在大多情况下0...9）），对于分辨率和准确性的要求相当小，为此有待询问的轮的数量常常较高（例如8至12）。因为对于安置可读的数字本来就需要某种最小半径，则在这里多道的照透是轻易可行的。通过光源和传感器的机巧的布置，所需的发光二极管和传感器的数量能够被进一步最小化。利用四个LED和四个2通道的偏振传感器，已经能够轻易读出8个轮，其中，所有的传感器能够安置在共同的电板上并且仅仅与所述转动轴线的间距作为调校参数是相关的（图3）。在360°上的明确性也能够在这里又通过附加的道、叠加的编码或者180°周期的压印和传动机构匹配来产生。在使用扁平的芯片壳（其例如能够沉降地装配在承载电板的留空部中）时，所述电板的低于1mm的总厚度在两侧的信号接收的情况下依然可能，从而很紧凑的计数工具能够以小的成本来实现。

如果所述计数轮的数量较高（例如>8），则不仅在光源和传感器之间的距离升高，而且光学的界面（交替的空气和塑料或者玻璃）的数量升高。在这个途径上，一方面光线通过反射失去，另一方面该光线能够以散射光为形式到达错误的传感器。散射光能够通过合适的光圈从所述传感器保持远离。在光源和偏振滤光器之间的多次反射相对不关键。然而在偏振滤光器和传感器之间的反射能够具有对于测量结果的干扰的影响。即使典型的计数区域0...9没有提出特别高的要求，也许有帮助的是，减小在光源和传感器之间的有待克服的界面的数量。图6示例性示出的是，大数量的计数轮是如何以小的电子的成本能够采样的。为完整性起见，在这里，取代正如在图4中那样使用用于360°明确性的附加的齿轮，示出了附加的二进制的道的使用。在该情况中，偏振传感器必须在适当的间距中也评估亮度信号。在此能够省去差分的道，因为所述偏振传感器记录了所述亮信号的近似一半强度，当对于照明例如采用未被偏振的LED时。二进制的道与由偏振传感器侦测到的信号的比较因此已经得到了相关的信息，该信息不依赖于光强度并且能够利用大的可靠性来评估。

彼此并列存在的传感器也能够通过多通道的传感器来实现。为了节省LED，在图6中对于各两个传感器编组使用一个LED的射束。这些传感器编组分别联合为2通道的传感器，该传感器在具有其它的传感器编组的共同的电板上的布置的中部如此布置，即，检测8个计数轮的信号。通过合适选择传感器壳（例如扁平包，其沉降到所述电板的留空部中）能够使得所述电板包括配备在内很薄（<1.5mm）地得到。通过例如在所述计数轮外环的区域中铣削所述电板，在这些之间的所需的间距能够再另外减小，因为对于机械的刚性仅提供了小的要求。为了减小侧向的结构空间，光束的偏转能够是有意义的。从而从所述光源（LED）605发出的光线能够在穿越通过透镜606之后借助于镜或者棱柱607偏转。在使用用于607的部分镜像时同样可行的是，利用光线来供应具有位于其下的第二镜的另外的区域，从而能够进一步减小所述光源的数量。

比较简单的是，所述偏振传感器的模拟的传感器信号转化（数字化）到高分辨率的角中。从而具有小的更多成本的例如10比特的数字化也是可行的，即使以结构设计为条件仅需要5比特。这样所产生的更多信息能够例如用于：相互管控不同的传感器的信号并且获得校准数据或修正数据。所述高分辨率的测量却尤其也提供的可行方案是，所述装置也在被损坏的传感器或者被损坏的光源的情况中继续能够不带有信息损失地被读出，当所述分辨率在比特中大于按照传动机构减速比所需的双倍那么大时（例如10比特，代替5比特）。这在常见的装置或具有数字式的编码盘的多圈-旋转编码器中在实际上不可行，因为对于每个另外的比特需要显著更多成本。

此外在这里所描述的装置处引人注意的是，所述计数工具是纯机械的，也即能够不带有电流供应来工作，而不存在计数器读数损失的危险。这例如在沉重的机器中是重要的，该机器在电气误差的情况中不受控制地继续运行或者在保养期间运动，或者当机器必须在不利的条件下继续能够操作时，即使电气的功能失效。

通过显著降低的成本，此外吸引人的是，多级式的传感器也配有手动可读的码盘，以便也在没有电子的辅助件时也在关断的状态中能够读出这些码盘，或至今纯机械的计数工具配有附加的传感装置，以便获得舒适性或者效率。用于电流、气体和水的测量表为此是示例，当然也在用于主轴驱动装置的多圈-旋转编码器或者拉索行程测量器中，这是到目前为止的功能性的便宜的扩展。

图示分别仅绘出了具有偏振测量的多圈-旋转编码器或装置的可能实现方案的基本特征，而不展示机械的具体情况。多个变体方案能够考虑并且由技术人员轻易实施。

分别按照对于分辨率和准确性的要求，能够在主轮上采用任意的传感装置。尤其能够取代高分辨率的光学的编码器也使用偏振传感器也或者磁性的传感器。

对于偏振测量使用透射光-传感装置是有利的，但并非强行的。也能够借助于在偏振滤光器后面的反射器使用反射性的传感装置。

如果对于所述偏振测量的360°扩展动用附加的颜色编码，则存在不同的途径以使颜色测量集成到偏振测量中，以便节省传感器面并且从而将颜色编码也与偏振测量连接。除了在光电感测器之上的颜色过滤器（例如通过颜色层或者光学的共振器实现），能够把半导体中的位于不同深度的光电感测器的光电流置于关联中。因为短波的光线的进入深度比红外光线的进入深度小得多，则例如来自经扩散的感测器和经植入的感测器的感测器堆栈在常见的半导体技术中能够不带有大的成本来实现。相应的传感器个别地用于相机应用。这样的传感器堆栈能够测量在所述轮上的自身的信号道上的颜色信息。然而颜色信息和偏振信息的叠加是更加面有利的，在其中，大约每半圆仅两个颜色之一到达传感器并且该传感器在相同的空间上执行两个测量。这能够通过紧凑相邻的用于偏振和颜色的传感器来进行，当然也通过颜色敏感的传感器堆栈，该传感器堆栈由固定的偏振滤光器遮覆。图7b在这样的布置结构的横截面中示出了这点。

采用偏振测量的优势被概括为：

- 偏振环的自由选择的半径，

- 角测量能够在所述偏振环的每个位置处进行，所述传感器也能够扭转地装配（例如所述装配角的电子的（数字的）修正），

- 通过绝对角测量进行的经减小的半径区域，

- 由此较小的轮是可能的，

- 对于大距离的可测量性允许在彼此相继的轮处的测量，

- 由此产生的可能性是，利用传感器阵列检测多个轮的转角，

- 偏振测量的分辨率仅依赖于信号处理并且能够相比于在光学的编码器中显著更大，

- 180°周期的缺点能够可选地利用辅助信号，例如附加的数字道或者叠加于偏振的信息来回避，但或通过传动机构设计来接收（例如通过具有2：1减速比的辅助齿轮或者通过减小后续的传动机构级的计数区域）。

Claims (20)

1.一种具有一个以上的能够转动的轮、至少一个光源和一个以上的偏振传感器的装置，其中，所述轮至少部分透明并且保持偏振，其中，所述轮的部分构造为偏振滤光器，其中，所述轮至少部分重叠，其中，从所述光源发出的光线通过所述轮的偏振滤光器能够偏振并且由所述偏振传感器能够接收，其中，所述光线能够穿过多个轮，其中，由偏振传感器接收到的光线仅通过所述偏振滤光器之一偏振。

2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，附加的编码设置在至少一个轮和对此匹配的传感器上，该传感器产生在360°上明确的测量区域。

3.一种装置，具有一个以上的能够转动的轮和分别与所述轮机械地经过至少2：1的比例来连接的测量轮、至少一个光源和一个以上的偏振传感器，其中，所述测量轮至少部分透明并且保持偏振，其中，所述测量轮的部分构造为偏振滤光器，其中，所述测量轮至少部分重叠，其中，从所述光源发出的光线通过所述测量轮的偏振滤光器能够偏振并且由所述偏振传感器能够接收，其中，所述光线能够穿过多个测量轮，其中，由偏振传感器接收到的光线仅通过所述偏振滤光器之一偏振。

4.按照权利要求1或3所述的装置，其特征在于，在不同的位置处能够测量由不同的轮偏振的光线。

5.按照权利要求1或3所述的装置，其特征在于，符号180°周期地设置在轮的周部处。

6.按照权利要求1或3所述的装置，其特征在于，传动机构将所述装置的轮以至少2：1的转速比进行连接，使得经过最快的轮的多个完整的回转，也从在所述装置的轮处的180°周期的测量值中经过多个回转，能够求取明确的转角。

7.按照权利要求1或3所述的装置，其特征在于，所述装置机械地工作。

8.按照权利要求1或3所述的装置，其特征在于，所述装置的状态也在没有电力时能够读取。

9.按权利要求1或3所述的装置，具有至少部分透明的壳，其特征在于，所述装置部分暴露给介质，而其它的部分通过所述壳被防护免受所述介质。

10.按照权利要求1或3所述的装置，其特征在于，不同的轮的传感器数据彼此关联。

11.按照权利要求1或3所述的装置，其特征在于，至少一个偏振传感器的传感器数据利用至少相比于关于对于相应的轮必要的回转测量以相对于前面的轮的减速比更高的分辨率被求取，所述装置具有机械，该机械适用于在传感器和/或光源失效时从其余的传感器数据中求取关于所述装置的状态的明确的论断。

12.按照权利要求1或3所述的装置，其特征在于，在所述装置的机械的基准位置中的偏振滤光器和/或传感器的调校误差通过所述传感器能够测量并且作为基准信号稳定地能够存储。

13.按照权利要求1或3所述的装置，其特征在于，所述偏振传感器是集成电路。

14.按权利要求1或3所述的装置，该装置具有用于偏振的传感器区域和在所述用于偏振的传感器区域旁边布置的用于亮度的传感器区域，其中，为了评估所述亮度传感器的亮度信息，使用在所述偏振传感器中所求取的亮度作为基准信号。

15.按权利要求1或3所述的装置，该装置具有用于偏振测量的至少两个区域，其中，多个传感器区域布置成使得能够测量多个独立的信号源的信号。

16.按权利要求1或3所述的装置，该装置具有至少一个用于偏振的传感器区域和至少一个布置在其旁边的用于亮度的传感器区域，其中，为了评估亮度信息，把由偏振传感器求取的亮度使用作为基准信号，其中，所述传感器区域布置成使得能够测量多个独立的信号源的信号。

17.按权利要求1或3所述的装置，该装置在共同使用的传感器面上具有至少一个用于偏振的传感器和用于颜色的传感器。

18.按照权利要求1或3所述的装置，其特征在于，对于测量必要的能量无线地传达给所述装置。

19.按照权利要求1或3所述的装置，其特征在于，所测量的信号无线地由所述装置传达。

20.应用按照权利要求14至17中任一项所述的装置用于测量转角和/或回转的方法。

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