DE10006675A1 - Codescheibe für eine optoelektronische Wegmeßeinrichtung - Google Patents

Codescheibe für eine optoelektronische Wegmeßeinrichtung

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Abstract

Eine optoelektronische Weg- oder Winkelmeßeinrichtung, bestehend aus einer Codescheibe 1 und einer zu dieser ortsfest angeordneten photosensitiven Sensoreinrichtung 2 mit einer Vielzahl nebeneinander in Querrichtung zur Längserstreckung der Codierung 3 angeordneter photoelektrischer Wandlerelemente W und einer Beleuchtungseinrichtung zum optischen Abbilden der Codierung 3 der Codescheibe 1 auf der photosensitiven Oberfläche der Sensoreinrichtung 2, welche Codescheibe 1 als Codierung einen digitalen Code 3 aufweist, ist dadurch bestimmt, daß der digitalen Codierung 3 eine analog codierte Spur 4, bestehend aus einer Vielzahl einzelner, in Richtung der Meßstrecke aneinander gereihter Codesegmente 7, 7' mit einer Codelänge, die zumindest dem kleinsten Auflösungsschritt A der Digitalcodierung 3 entspricht, zugeordnet ist, wobei die Ausgestaltung eines solchen Codesegmentes 7, 7' und das Auflösungsvermögen der Sensoreinrichtung 2 dergestalt aufeinander abgestimmt sind, daß eine Bewegung der Codescheibe 1 über die Mindestlänge eines Codesegmentes 7, 7' in wenigstens zwei definierte Schritte auflösbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Weg- oder Winkelmeßein­ richtung bestehend aus einer Codescheibe und einer zu dieser ortsfest angeordneten photosensitiven Sensoreinrichtung mit einer Vielzahl ne­ beneinander in Querrichtung zur Längserstreckung der Codierung ange­ ordneter photoelektrischer Wandlerelemente und einer Beleuchtungsein­ richtung zum optischen Abbilden der Codierung der Codescheibe auf der photosensitiven Oberfläche der Sensoreinrichtung, welche Codescheibe als Codierung einen digitalen Code aufweist.
Weg- und Winkelmeßeinrichtungen werden vielfach zur automatischen Positionierung und Messung in Werkzeugmaschinen und Koordinaten­ meßgeräten eingesetzt. Drehwinkelsensoren dienen beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich zum Bestimmen der absoluten Winkelstellung des Lenkrades und werden daher auch als Lenkwinkelsensoren bezeichnet. Der Lenkwinkel wird bei Kraftfahrzeugen benötigt, um mit diesem Wert etwa ein Fahrdynamikregelsystem beaufschlagen zu können. Ein solches Fahrdynamikregelsystem erhält neben den genannten Lenkwinkelwerten weitere Meßdaten, etwa die Raddrehzahl oder die Drehung des Kraftfahr­ zeuges um seine Hochachse. Benötigt werden zum einen der absolute Lenkwinkeleinschlag und zum anderen die Lenkgeschwindigkeit, damit diese Werte zusammen mit den anderen erfaßten Daten durch das Fahrdynamikregelsystem ausgewertet und zum Steuern von Aktoren, bei­ spielsweise der Bremsen und/oder des Motormanagements umgesetzt werden können.
Ein optoelektronischer Lenkwinkelsensor ist beispielsweise aus der DE 40 22 837 A1 bekannt. Der in diesem Dokument beschriebene Lenkwinkel­ sensor besteht aus zwei parallel und mit Abstand zueinander angeordne­ ten Elementen - einer Lichtquelle und einem Zeilensensor - sowie einer zwischen der Lichtquelle und dem Zeilensensor angeordneten Code­ scheibe, die drehfest mit der Lenkspindel verbunden ist. Als Zeilensensor dient eine CCD-Sensorzeile. Als Codierung ist bei dieser Codescheibe eine sich über 360° erstreckende, als Lichtschlitz ausgebildete archimedi­ sche Spirale vorgesehen. Über die Belichtung entsprechender Wandlere­ lemente des Zeilensensors bei einem bestimmten Lenkeinschlag kann Aufschluß über die tatsächliche Lenkwinkelstellung gewonnen werden.
Es sind weitere optoelektronische Lenkwinkelsensoren bekannt gewor­ den, die anstelle der beschriebenen analogen Codierung eine digitale Co­ dierung, beispielsweise einen sogenannten Gray-Code aufweisen. Das Auflösungsvermögen eines solchen digitalen Codes ist abhängig von der Länge der kleinsten Struktur. Für einen Einsatz im Kraftfahrzeugbereich werden mit vertretbarem Aufwand hergestellte Codescheiben eingesetzt, mit deren digitaler Codierung ein Auflösungsvermögen von ca. 0,7° reali­ sierbar ist. Im Zuge höherer Anforderungen an die eingesetzten Lenkwin­ kelsensorsysteme besteht die Notwendigkeit, solche mit einem höheren Auflösungsvermögens bereit zu stellen. Eine Erhöhung des Auflösungs­ vermögen durch eine Verfeinerung des digitalen Codes wäre zwar denk­ bar, jedoch aufgrund der Feinheit der notwendigen Strukturen kosten­ trächtig.
Ausgehend von diesem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte gattungsgemäße Codescheibe für eine optoelektronische Wegmeßeinrichtung dergestalt weiterzubilden, daß ohne großen Aufwand das Auflösungsvermögen einer solchen Meßeinrichtung erhöht ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der digitalen Codierung eine analog codierte Spur bestehend aus einer Vielzahl einzelner, in Richtung der Meßstrecke aneinander gereihter Codesegmente mit einer Codelänge, die zumindest dem kleinsten Auflösungsschritt der Digi­ talcodierung entspricht, zugeordnet ist, wobei die Ausgestaltung eines solchen Codesegmentes und das Auflösungsvermögen der Sensorein­ richtung dergestalt aufeinander abgestimmt sind, daß eine Bewegung der Codescheibe über die Mindestlänge eines Codesegmentes in wenigstens zwei definierte Schritte auflösbar ist.
Die erfindungsgemäße Codescheibe weist eine zusätzliche Spur, nämlich eine analog codierte Spur auf, die lediglich dazu dient, den Zwischenraum zwischen zwei digitalen Codeübergängen in weitere, durch die Sensorein­ richtung erfaßbare Schritte zu unterteilen. Diese analoge Positionsbe­ stimmung der Codescheibe zu der Sensoreinrichtung braucht lediglich im Umfange der kleinsten Schrittweite der Digitalcodierung möglich zu sein und kann sich entsprechend häufig wiederholen. Die analoge Codespur ist durch eine Aneinanderreihung einzelner Codesegmente in Bewe­ gungsrichtung der Codescheibe gebildet. Das Auflösungsvermögen im Bereich eines solchen analogen Codesegmentes ist auch abhängig von dem Auflösungsvermögen der eingesetzten Sensoreinrichtung, beispiels­ weise einer PDA-Zeile. Die Begrenzung des Auflösungsvermögen auf ei­ nen sehr kleinen Teilbereich der erfaßbaren Gesamtstrecke wirkt sich zu­ dem günstig auf die notwendige Breite dieser Spur aus, die infolge dessen kaum die Breite einer ansonsten eingesetzten Codescheibe erhöht.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung entspricht die Länge eines Code­ segmentes der analogen Spur der Länge der kleinsten Struktur der Digi­ talcodierung. Prinzipiell kann die Länge eines analogen Codesegmentes jedoch von der Schrittweite des kleinsten Auflösungsschrittes des Digi­ talcodes bis zu seiner Gesamterstreckung variieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Codescheibe zumindest eine Referenzspur zum Eliminieren von Bewegungstoleranzen der Code­ scheibe gegenüber der Sensoreinrichtung zugeordnet. Es bietet sich dann an, die Referenzspur mit der Codespur zu überlagern, so daß dann ledig­ lich eine Spur für die beiden Zwecke - Referenz sowie analoge Codierung - vorgesehen ist. Die aus diesen beiden Spuren gebildete Referenzcode­ spur ist mittensymmetrisch aufgebaut, wobei die analoge Codierung wel­ lenförmig oder eine gezackte Linie ausbildend ausgestaltet sein kann. Bei einer Ausbildung als gezackte Linie ist es zweckmäßig, die Scheitelpunkte der Referenzcodespur mittig zwischen den Abstand von zwei kleinsten Strukturen der digitalen Codierung zur Erhöhung der Trennschärfe der digitalen Codierung anzuordnen.
Ferner kann vorgesehen sein, daß zwei derartige Referenzcodespuren vorgesehen sind, zwischen denen die digitale Codierung verläuft. Die bei­ den Referenzcodespuren sind dann zweckmäßigerweise um die Weite eines Auflösungsschrittes des Digitalcodes versetzt zueinander angeord­ net. Auf diese Weise läßt sich eine Bewegungsrichtungbestimmung der Codescheibe ohne weiteres vornehmen.
Bevorzugt ist eine solche Codescheibe als Teil einer Lenkwinkelsen­ soreinrichtung eines Kraftfahrzeuges eingesetzt.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung sind Bestandteil weiterer Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
Fig. 1: Eine Draufsicht auf eine Codescheibe für den Lenkwinkel­ sensor eines Kraftfahrzeuges,
Fig. 2: Einen vergrößerten Ausschnitt der Codescheibe der Fig. 1 darstellend die tatsächlichen Hell-Dunkel-Verhältnisse,
Fig. 3a: Ein vergrößerter Teilbereich der Codescheibe der Fig. 1 bzw. 2 in einer ersten Position zu einem Zeilensensor und
Fig. 3b: Ein Teilbereich der vergrößerten Darstellung der Codeschei­ be der Fig. 3a in einer zweiten Stellung.
Eine Codescheibe 1 für einen Lenkwinkelsensor eines Kraftfahrzeuges ist als ringförmige Scheibe ausgebildet und in nicht näher dargestellter Art und Weise an die Drehbewegung der Lenkspindel gekoppelt. Die Code­ scheibe 1 ist von ihrer einen Seite beleuchtet; auf der gegenüberliegen­ den Seite der Codescheibe 1 ist ein Zeilensensor, eine PDA-Zeile 2 an­ geordnet, deren photosensitive Oberfläche durch auf der Codescheibe 1 enthaltene Strukturen belichtet ist.
Die Codescheibe 1 trägt einen Gray-Code 3 bestehend aus neun Spuren mit einem Meßbereich von 360°. Das Auflösungsvermögen des Gray- Codes 3 beträgt ca. 0,7°. An den Gray-Code 3 angrenzend ist eine äuße­ re Referenzcodespur 4 und eine innere Referenzcodespur 5 angeordnet. Die Referenzcodespuren 4, 5 sind analog codiert.
Der Übersicht halber sind die tatsächlich geschwärzten Bereiche der Codescheibe 1 in Fig. 1 nicht als solche dargestellt. Zur Verdeutlichung der tatsächlichen Verhältnisse ist in Fig. 2 ein Ausschnitt der Codeschei­ be 1 der Fig. 1 in seinen tatsächlichen Verhältnissen wiedergegeben. Aus dieser Darstellung wird deutlich, daß die photosensitive Oberfläche der PDA-Zeile 2 lediglich von den einzelnen Spuren der Codierungen 3, 4, 5 belichtet ist.
In Fig. 3a sind die äußeren drei Spuren S1, S2, S3 des Gray-Codes 3 so­ wie die angrenzende äußere Referenzcodespur 4 zur Erläuterung der Er­ findung abgebildet. Schematisiert ist unterhalb der Codescheibe 1 eben­ falls die PDA-Zeile 2 mit den einzelnen optoelektronischen Wandlerele­ ment W wiedergegeben.
Im folgenden ist die Referenzcodespur 4 beschrieben; entsprechend ist auch die Referenzcodespur 5 aufgebaut. Die Referenzcodespur 4 des dargestellten Ausführungsbeispieles ist gebildet aus einer Überlagerung einer linearen Referenzspur und einer analogen Codespur. Die Referenz­ spur wird benötigt, um den digitalen Code unabhängig von Änderungen der Lage der Codescheibe 1 zur ortsfesten PDA-Zeile 2 auszugleichen. Dies erfolgt durch eine Ermittlung der Spurmitte, über die die Lage der Codescheibe 1 zur PDA-Zeile 2 ermittelt und anschließend die Lage der weiteren Codespuren des Gray-Codes 3 durch den vorbekannten Abstand der einzelnen Spuren zueinander bestimmt wird. Dies dient beispielsweise zum Ausgleich von Toleranzen und gegebenenfalls einer nicht zentri­ schen Bewegung der Codescheibe 1.
Die eine solche gerade Referenzspur überlagernde analoge Codespur dient zum weiteren Auflösen der digitalen Schritte. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt das Auflösungsvermögen des Gray-Codes ca. 0,7°. Dies entspricht der halben Weite der kleinsten digitalen Struktur 6. Ein solcher Auflösungsschritt bzw. seine Schrittweite ist in Fig. 3a mit dem Bezugszeichen A gekennzeichnet; die Länge der kleinsten digitalen Struktur 6 mit dem Bezugszeichen SL. Die analoge Codierung besteht in ihrem kleinsten Element aus einem zur Bewegungsrichtung der Code­ scheibe 1 schräg verlaufenden Codesegment 7, dessen Länge der Länge SL der kleinsten digitalen Struktur entspricht. Dieses Codesegment 7 ist als schräg zur Bewegungsrichtung der Codescheibe 1 verlaufende Flanke ausgebildet. Zur Erstellung der analogen Codespur als kontinuierliche Codespur ist diese gebildet aus wechselweise schräg angeordneten Codesegmenten 7, 7', so daß eine wellenförmige bzw. gezackte Linie als Analogcode bereitgestellt ist, der sich über 360° erstreckt. Bei dem darge­ stellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Referenzcodespur 4 um 360°, so daß die einzelnen Codesegmente 7, 7' nicht, wie vereinfacht in den Figuren dargestellt, eine gerade Linie bilden, sondern entsprechend dem Radius der Referenzcodespur 4 gekrümmt sind.
Die Überlagerung der zuvor beschriebenen Referenzspur mit der eben­ falls beschriebenen analogen Codespur ist dadurch bereitgestellt, daß die Referenzcodespur 4 mittensymmetrisch aufgebaut ist, damit durch diese Referenzcodespur 4 nach wie vor eine Impulsmittenbestimmung zur Spurlageerkennung durchgeführt werden kann.
Das Auflösungsvermögen der Referenzcodespur 4 in Bezug auf seinen analogen Anteil ist abhängig von der Steigung der Flanke eines Code­ segmentes 7, 7' sowie von dem Auflösungsvermögen der PDA-Zeile 2. Bei der in Fig. 3a gezeigten Stellung der Codescheibe 1 zu der PDA- Zeile 2 sind beispielsweise 10 Wandlerelemente W durch die Refe­ renzcodespur 4 belichtet. Eine Bewegung der Codescheibe 1 entgegen dem Uhrzeigersinn gegenüber der PDA-Zeile 2 führt dazu, daß beispiels­ weise nach einer Bewegung der Codescheibe 1 um die Schrittweite eines Auflösungsschrittes A von der Referenzcodespur 4 nur noch fünf bis sechs Wandlerelemente W durch die Referenzcodespur 4 belichtet wer­ den. Entsprechend sind innerhalb dieses Bewegungsbetrages durch Auswertung der durch die Referenzcodespur 4 belichteten Wandlerele­ mente W Zwischenschritte definierbar, beispielsweise ein solcher, bei dem acht Wandlerelemente W belichtet sind. Diese in den Figuren dargestellte Ausgestaltung dient lediglich der Erläuterung der Funktionsweise der Erfindung; Änderungen in der Steigung der Codesegmente 7, 7' bzw. im Auflösungvermögen des Zeilensensors 2 können eine weitere Erhöhung des Auflösungsvermögens zur Folge haben.
Bei der Codescheibe 1 befinden sich die Scheitel der analogen Codierung der Referenzcodespur 4 mittig zwischen zwei kleinsten Strukturen 6 des Gray-Codes 3, da in dieser Anordnung die Trennschärfe beim Auslesen des Gray-Codes 3 erhöht ist.
Um einen Auflösungsschritt A versetzt zu der Referenzcodespur 4 ist die innenliegende Referenzcodespur 5 angeordnet, so daß auf diese Weise nicht nur eine Informationsredundanz bezüglich der weiteren Ortsauflö­ sung eines Auflösungsschrittes A erzielt wird, sondern auch eine Dreh­ richtungsbestimmung mit einem geringen Rechenaufwand realisierbar ist.
Aus der Beschreibung der Erfindung wird deutlich, daß bei der erfin­ dungsgemäßen Codescheibe eine Erhöhung des digitalen Auflösungs­ vermögens durch Anordnen einer zusätzlichen analogen Codierung auf einfache Weise möglich ist. Besonders raumsparend ist der Einsatz einer in den Figuren kombinierten Referenzcodespur, da Referenzspuren oh­ nehin vorhanden sind und das zusätzliche Ausgestalten der Referenzspur zu einer Referenzcodespur kaum Raum in radialer Richtung benötigt, so daß die radiale Breite einer herkömmlichen Codescheibe gegenüber der erfindungsgemäßen nur unwesentlich erhöht ist. Somit ist es beim Ge­ genstand der beanspruchten Erfindung möglich, die zur Verfügung ste­ hende Sensorfläche besser ausnutzen zu können. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die Anforderungen bei Lenkwinkelsensoren, bei denen der Einbauraum im Bereich eines Lenksäulenmoduls begrenzt ist, nicht unwe­ sentlich.
Neben eines Einsatzes als kreisrunde Codescheibe zur Erzielung einer Winkelbestimmung kann eine erfindungsgemäße Codescheibe ebenfalls für eine Längenmeßung eingesetzt werden; der Code ist in einem solchen Falle nicht kreisförmig sondern gerade verlaufend aufgebaut.
Zusammenstellung der Bezugszeichen
1
Codescheibe
2
PDA-Zeile
3
Gray-Code
4
Referenzcodespur
5
Referenzcodespur
6
Kleinste Struktur des Gray-Codes
7
,
7
' Analoges Codesegment
A Auflösungsschritt des Gray-Codes
SL Strukturlänge
W Wandlerelement

Claims (10)

1. Optoelektronische Weg- oder Winkelmeßeinrichtung bestehend aus einer Codescheibe (1) und einer zu dieser ortsfest angeord­ neten photosensitiven Sensoreinrichtung (2) mit einer Vielzahl ne­ beneinander in Querrichtung zur Längserstreckung der Codierung (3) angeordneter photoelektrischer Wandlerelemente (W) und ei­ ner Beleuchtungseinrichtung zum optischen Abbilden der Codie­ rung (3) der Codescheibe (1) auf der photosensitiven Oberfläche der Sensoreinrichtung (2), welche Codescheibe (1) als Codierung einen digitalen Code (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der digitalen Codierung (3) eine analog codierte Spur (4) beste­ hend aus einer Vielzahl einzelner, in Richtung der Meßstrecke an­ einander gereihter Codesegmente (7, 7') mit einer Codelänge, die zumindest dem kleinsten Auflösungsschritt (A) der Digitalcodierung (3) entspricht, zugeordnet ist, wobei die Ausgestaltung eines sol­ chen Codesegmentes (7, 7') und das Auflösungsvermögen der Sensoreinrichtung (2) dergestalt aufeinander abgestimmt sind, daß eine Bewegung der Codescheibe (1) über die Mindestlänge eines Codesegmentes (7, 7') in wenigstens zwei definierte Schritte auf­ lösbar ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge eines Codesegments (7, 7') der analogen Codespur (4) der Codescheibe (1) sich über die Länge der kleinsten Struktur (6) der Digitalcodierung (3) erstreckt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Codesegmente (7, 7') der analogen Codespur (4) der Codescheibe (1) winklig zur Bewegungsrichtung der Codescheibe (1) angeordnete Flanken sind.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanken der Codesegmente (7, 7') eine gezackte Linie ausbilden.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Codescheibe (1) zumindest eine aus einer Referenzspur und der analogen Codespur aufgebaute mittensymmetri­ sche Referenzcodespur (4) aufweist.
6. Einrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheitelpunkte der gezackt ausgebildeten Referenzcode­ spur (4) mittig zwischen dem Abstand von zwei kleinsten Strukturen (6) der digitalen Codierung (3) angeordnet sind.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Codescheibe (1) eine zweite Referenzcodespur (5) vorgesehen ist und die digitalen Codespuren (3, S1, S2, S3) zwischen den beiden Referenzcodespuren (4, 5) angeordnet sind, wobei eine Refe­ renzcodespur (5) um die Weite eines Auflösungsschrittes (A) des Digitalcodes (3) versetzt zu der anderen Referenzcodespur (4) an­ geordnet ist.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Codescheibe (1) kreisrund ist und sich die Refe­ renzcodespur (4) entsprechend über 360° erstreckt.
9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Codesegmente (7, 7') der analogen Codespur (4) der Codescheibe (1) winklig zur Bewegungsrichtung der Codescheibe (1) angeord­ nete und entsprechend der Krümmung der Referenzcodespur (4) gekrümmte Flanken sind.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die optoelektronische Weg- oder Winkelmeßein­ richtung der Lenkwinkelsensor eines Kraftfahrzeuges zum Bestim­ men der Winkelstellung des Lenkrades ist.
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