DE102006042873A1

DE102006042873A1 - Sensor zur Bestimmung einer Position eines beweglichen Objekts

Info

Publication number: DE102006042873A1
Application number: DE200610042873
Authority: DE
Inventors: Ralf Schmierer
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2006-09-13
Filing date: 2006-09-13
Publication date: 2008-03-27

Abstract

Sensor (1, 11) zur Bestimmung einer Position eines beweglichen Objekts mit einer Lichtquelle (2, 12), einem fotoempfindlichen Detektor (3, 13) mit mindestens zwei unabhängigen Bereichen (4, 5, 14, 15, 21, 22) und einer Lochmaske (6, 16), wobei die Lichtquelle (2, 12) bezüglich der Lochmaske (6, 16) und des fotoempfindlichen Detektors (3, 13) derart angeordnet ist, dass die Position durch Auswertung der aus der Bestrahlung der Bereiche (4, 5, 14, 15, 21, 22) des fotoempfindlichen Detektors (3, 13) stammenden Signale erfolgt, wobei das Licht von der Lichtquelle (2, 12) durch die Lochmaske (6, 16) auf die Bereiche (4, 5, 14, 15, 21, 22) des fotoempfindlichen Detektors (3, 13) gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2, 12) und der fotoempfindliche Detektor (3, 13) stationär und die Lochmaske (6, 16) mit dem Objekt zusammen beweglich angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Bestimmung einer Position eines beweglichen Objekts mit einer Lichtquelle, einem fotoempfindlichen Detektor mit mindestens zwei unabhängigen Bereichen und einer Lochmaske.
Aus der EP 1 236 023 B1 ist ein Winkelmesssystem zur berührungslosen Bestimmung eines Winkels zwischen zwei zueinander bewegbaren Objekten bekannt, bei dem jedes der Objekte mit einer Baugruppe des Winkelmesssystems verbunden ist und die erste Baugruppe eine Lichtquelle, die zweite Baugruppe einen Fotodetektor umfasst und entweder der ersten oder zweiten Baugruppe ferner ein Gitter zugeordnet ist, welches als kombiniertes Amplituden-Phasengitter ausgebildet ist. Mit anderen Worten, es wird entweder die Lichtquelle oder der Fotodetektor bewegt.
Aus der DE 199 37 809 A1 ist ein optischer Weg- und/oder Winkelsensor mit einer Lichtquelle und einem fotoempfindlichen Element bekannt, bei dem das fotoempfindliche Elemente wenigstens einer auf einem Substrat angeordnete flächige fotoempfindliche Schicht umfasst, die in Abhängigkeit von der Position eines Lichtstrahls der Lichtquelle auf der wenigstens einen flächigen fotoempfindlichen Schicht jeweils unterscheidbare Ausgangssignale liefern. Hierbei ist die Lichtquelle mit einer Blende versehen, die sich zusammen gegenüber dem feststehenden fotoempfindlichen Element bewegen.
Aus der WO 2006/022570 A1 ist ein optoelektronischer Winkelsensor mit einer pulsierenden Lichtquelle und einem fotoempfindlichen Element bekannt, bei dem das fotoempfindliche Element gegenüber der feststehenden Lichtquelle beweglich ist und mit unterschiedlichen Quadranten versehen ist, die unabhängig voneinander verschaltet sind.
Daneben sind der Einsatz von Potentiometern und Hallsensoren zur Winkelmes sung bekannt. Allerdings sind die Potentiometer bezüglich der tribologischen Eigenschaften ungünstig und die Hallsensoren bezüglich äußerer Magnetfeldeinflüsse empfindlich.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Sensor zur Messung einer Veränderung der Position eines beweglichen Objekts (Weg oder Winkel) bereitzustellen, der möglichst einfach und kostengünstig sowie robust und klein aufgebaut ist. Daneben soll der Sensor möglichst störungsunempfindlich gegen äußere Einflüsse sein.
Diese Aufgabe wird durch den im Anspruch 1 wiedergegebenen Sensor gelöst.
Dadurch, die Lichtquelle und der fotoempfindliche Detektor stationär und die Lochmaske mit dem Objekt zusammen beweglich angeordnet sind, ist es möglich, einen einfach und kostengünstig sowie robust und klein aufgebauten Sensor bereitzustellen. Daneben ist der Sensor durch die Verwendung von Licht relativ störungsunempfindlich gegen äußere Einflüsse.
Diese Lösung kombiniert die Vorteile von Potentiometern, wie z. B. geringe Kosten, Einfachheit der Widerstandsmessung, mit den Vorteilen der Genauigkeit und der Robustheit der Hallsensoren.
Die grundlegende Idee basiert auf der Messung des Lichteinfalls auf zwei oder mehreren fotoempfindlichen Bereichen des Detektors. Unterschiedliche geometrische Positionen, insbesondere Winkel und lineare Bewegungen, können als Lichtintensitätsveränderungen in den Bereichen des Detektors gemessen werden. Diese sind unempfindlich gegenüber Umwelteinflüssen.
Vorzugsweise werden als Lichtquelle LED's verwendet, deren übliche Schaltungen zudem eine integrierte Überprüfung der Sensorsignale erlauben.
Vorzugsweise weist die Lochmaske zwei zueinander verschiebbare Elemente, von denen eines mit dem Objekt verbunden und eines demgegenüber feststehend ist, derart auf, dass deren Verschiebung gegeneinander der Veränderung des Lichteinfalls auf den Detektor bzw. dessen Bereiche bewirkt.
Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn die Lochmaske mit zwei korrespondierenden Aussparungen derart versehen ist, von denen eines jeweils in einem der verschiebbaren Elemente angeordnet ist, dass das Licht von der Lichtquelle auf die Bereiche des fotoempfindlichen Detektors trifft.
Es wird also nur die Lochmaske an sich bzw. deren Teile zueinander bewegt. Dies erlaubt eine günstige Herstellung der Lichtquelle (LED) und des Detektors (Fotozelle mit mindestens zwei Bereichen oder mehrere Fotozellen) auf einer Platine.
Im Unterschied zum Stand der Technik, in dem Gitter oder einfache Lochblenden im Zusammenhang mit inkrementellen Zählern eingesetzt werden, bei denen eine hohe Zahl von Löchern für die Auflösung der Signale wichtig ist, kann eine Kontamination somit durch die besondere Lochblende verhindert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Lochmaske zwei zueinander linear verschiebbar angeordnete Streifen mit jeweils korrespondierenden Aussparungen, um eine differentielle Bestrahlung der Bereiche des Detektors zu erreichen. Somit können lineare Bewegungen durch eine Veränderung der Lage der Aussparungen zueinander und somit des Lichteinfalls auf die Bereiche des Sensors bestimmt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Lochmaske zwei zueinander verdrehbare und konzentrisch zueinander angeordnete Hohlzylinder mit jeweils korrespondierenden Aussparungen umfasst, um eine Bestrahlung der Bereiche des Detektors zu erreichen. Somit können Drehbewegungen oder Winkel durch eine Veränderung der Lage der Aussparungen zueinander und somit des Lichteinfalls auf die Bereiche des Sensors bestimmt werden.
Hierbei kann die Lichtquelle innerhalb der Hohlzylinder, vorzugsweise konzen trisch im Mittelpunkt der Hohlzylinder angeordnet sein.
Alternativ kann die Lichtquelle außerhalb der Hohlzylinder angeordnet sein, wobei dann zwei Paare von je zwei korrespondierenden Aussparungen vorgesehen sind. Dann ist die Lichtquelle gegenüber dem Detektor mit dazwischen liegenden Hohlzylindern angeordnet.
Zur Erhöhung der Störsicherheit des Sensors, kann der fotoempfindliche Detektor mit vier Bereichen versehen sein und die Hohlzylinder jeweils korrespondierende Aussparungen an gegenüberliegenden Seiten aufweisen, wobei jeweils zwei Bereiche des Detektors auf einer Seite der Hohlzylinder angeordnet sind. Es versteht sich, dass die Anzahl der Signale entsprechend erhöht werden kann, durch ringförmiges Anordnen weiterer Detektorbereiche um die Hohlzylinder herum.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Sensors zur Winkelbestimmung;
2 eine schematische Ansicht eines weiteren Sensors zur Winkelbestimmung und
3 eine perspektivische Explosionsansicht des Sensors aus 2.
In 1 ist ein als Ganzes mit 1 bezeichneter Sensor schematisch in der Draufsicht dargestellt.
Der Sensor umfasst eine Lichtquelle 2, die als LED ausgeführt ist, und einen Detektor 3, der aus zwei neben einander und fluchtend angeordneten Fotozellen 4 und 5 besteht, deren fotoempfindliche Fläche jeweils in Richtung der LED 2 ausgerichtet ist.
Zwischen der LED 2 und den Fotozellen 4 und 5 sind zwei konzentrisch ineinander verschachtelte Hohlzylinder 7 und 8 angeordnet, die gemeinsam die Lochblende 6 ausbilden.
Jeder Hohlzylinder 7 und 8 weist jeweils zwei korrespondierende Aussparungen 10A und 10B auf. Die Aussparungen 10A des inneren Hohlzylinders 7 und des äußeren Hohlzylinders 8 korrespondieren miteinander, d.h. sind überlappend angeordnet und ausgerichtet. Dies gilt in entsprechender Weise für die Die Aussparungen 10B des inneren Hohlzylinders 7 und des äußeren Hohlzylinders 8.
Die Aussparung 10A des inneren Hohlzylinders 7 ist kleiner in den Abmessungen als die entsprechende Aussparung 10A des äußeren Hohlzylinders 8. Die Aussparungen 10A sind dabei der Lichtquelle 2 zugewandt. Auf der gegenüber liegenden Seite der Hohlzylinder 7 und 8 sind entsprechend Aussparungen 10B in den Wänden der Hohlzylinder vorgesehen, die dem Detektor 3 zugewandt sind. Die Aussparung 10B des inneren Hohlzylinders 7 ist wiederum kleiner in den Abmessungen als die entsprechende Aussparung 10B des äußeren Hohlzylinders 8.
Weiter ist der äußere Hohlzylinder 8 im vergleich zum inneren Hohlzylinder 7 feststehend ausgebildet. Der innere Hohlzylinder 7 ist mit dem beweglichen Objekt verbunden und lässt sich relativ zum äußeren Hohlzylinder 8 in Richtung des Pfeils 9 bei einer Bewegung des Objekts verdrehen. Somit wird bei einer Verdrehung des inneren Hohlzylinders 7 der durch die Ausrichtung der Aussparungen zur Lichtquelle 2 und Detektor 3 gebildete Lichtpfad (Pfeil L) verändert.
Das von der Lichtquelle 2 abgestrahlte Licht fällt durch die ersten Aussparungen 10A, in die Hohlzylinder 7 und 8 ein und tritt auf der gegenüberliegenden Seite durch die Aussparungen 10B wieder aus und fällt auf die fotoempfindliche Fläche der Fotozellen 4 und 5 des Detektors 3.
Dabei ist die Menge bzw. Intensität und deren Verteilung auf die Fotozellen 4 und 5 von der Anordnung der Aussparungen der Hohlzylinder, also der Verdrehung zueinander abhängig.
Im vorliegenden Beispiel trifft das Licht im Wesentlichen auf die fotoempfindliche Fläche der Fotozelle 5, da der innere Hohlzylinder 7 so gegenüber dem äußeren Hohlzylinder 8 verdreht ist, das die sowohl die Eintrittsöffnung E als auch die Austrittsöffnung A in die Hohlzylinder 7 und 8, die durch die Aussparungen 10A und 10B gebildet werden, dem Licht nur erlauben dem Lichtpfad L zu folgen, der das Licht auf die Fotozelle 5 auftreffen last.
Bei der entsprechend umgekehrten Verdrehung würde das Licht nur auf die Fotozelle 4 auftreffen. In den Zwischenstellungen trifft das Licht auf beide Fotozellen 4 und 5 auf und deren Menge bzw. Intensität und deren Verteilung auf die Fotozellen 4 und 5 lässt auf die Stellung des inneren Hohlzylinders 7 im Vergleich zum äußeren Hohlzylinder 8 schließen, da diese mit der Stellung der Eintrittsöffnung E und Austrittsöffnung A bzw. der Aussparungen 10A und 10B korrespondiert.
Über die differentielle Signalauswertung der Signale von den Fotozellen 4 und 5 lässt sich so die Position oder Bewegung, vorliegend Verdrehung bzw. Winkelstellung des Objekts bestimmen.
In den 2 und 3 ist eine alternative Ausgestaltung eines Sensors 11 dargestellt. Da der Aufbau des Sensors 11 und die verwendeten Teile im Wesentlichen denjenigen des soeben beschriebenen Sensors 1 entsprechen, werden um 10 erhöhte Bezugszeichen zu deren Bezeichnung verwendet und es wird lediglich auf die besonderen Unterscheide eingegangen.
Der Sensor 11 unterscheidet sich im Wesentlichen von dem vorherigen Sensor 1 dadurch, dass die Lichtquelle 12 konzentrisch im Mittelpunkt des inneren Hohlzylinders 17 und nicht außerhalb angeordnet ist. Ferner umfasst der Detektor 13 nicht nur zwei Fotozellen 14 und 15, sondern zwei weitere Fotozellen 21 und 22, die entsprechend zueinander angeordnet sind, jedoch auf der gegenüber liegenden Seite, also zu entsprechenden Aussparungen 20A zugewandt sind.
Somit fließt das Licht von der Lichtquelle 12 nicht mehr durch die Hohlzylinder 17 und 18 hindurch, sondern nur aus diesen durch die Austrittsöffnungen A1 und A2 heraus, die durch die entsprechenden Aussparungen 20B und 20A gebildet werden, und trifft auf den Detektor 13, der zu beiden Seiten Fotozellen 14, 15 und 21, 22 aufweist.
Somit wird eine doppelte Messung der Verdrehung des inneren Hohlzylinders 17 gegenüber dem äußeren Hohlzylinder 18 vorgenommen, was die Störungsempfindlichkeit verringert und die Signalqualität verbessert.
Zudem erlaubt diese Anordnung, wie insbesondere aus 3 hervorgeht, die Lichtquelle 12, die Fotozellen 14, 15, 21, 22 des Detektors 13 sowie den äußeren Zylinder 18 auf einer Platine P anzuordnen bzw. zu fertigen, auf der gleichzeitig die benötigte Steuer- und Auswerteelektronik angeordnet sein kann, so dass besonders kompakte und preisgünstige Sensoren erhältlich sind und letztendlich ein Signal geliefert wird, das konkret einer Position des beweglichen Objekts zugeordnet ist.

1, 11: Sensor
2, 12: Lichtquelle
3, 13: Detektor
4, 14: Fotozelle
5, 15: Fotozelle
6, 16: Lochblende
7, 17: Hohlzylinder
8, 18: Hohlzylinders
9, 19: Pfeils
10A, 20A: Aussparung
10B, 20B: Aussparung
21, 22: Fotozelle
A, A1, A2: Austrittsöffnung
E: Eintrittsöffnung
L: Lichtpfad
P: Platine

Claims

Sensor (1, 11) zur Bestimmung einer Position eines beweglichen Objekts mit einer Lichtquelle (2, 12), einem fotoempfindlichen Detektor (3, 13) mit mindestens zwei unabhängigen Bereichen (4, 5, 14, 15, 21, 22) und einer Lochmaske (6, 16), wobei die Lichtquelle (2, 12) bezüglich der Lochmaske (6, 16) und dem fotoempfindlichen Detektor (3, 13) derart angeordnet ist, dass die Position durch Auswertung der aus der Bestrahlung der Bereiche (4, 5, 14, 15, 21, 22) des fotoempfindlichen Detektors (3, 13) stammenden Signale erfolgt, wobei das Licht von der Lichtquelle (2, 12) durch die Lochmaske (6, 16) auf die Bereiche (4, 5, 14, 15, 21, 22) des fotoempfindlichen Detektors (3, 13) gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2, 12) und der fotoempfindliche Detektor (3, 13) stationär und die Lochmaske (6, 16) mit dem Objekt zusammen beweglich angeordnet sind.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Lochmaske (6, 16) zwei zueinander verschiebbare Elemente (7, 8, 17, 18), von denen eines (7, 17) mit dem Objekt verbunden und eines (8, 18) demgegenüber feststehend ist, derart aufweist, dass deren Verschiebung gegeneinander der Veränderung des Lichteinfalls auf den Detektor bewirkt.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochmaske (6, 16) mit zwei korrespondierenden Aussparungen (10A, 10B, 20A, 20B) derart versehen ist, von denen eines jeweils in einem der verschiebbaren Elemente so angeordnet ist, dass das Licht von der Lichtquelle (2, 12) auf die Bereiche des fotoempfindlichen Detektors (3, 13) trifft.
Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochmaske zwei zueinander linear verschiebbar angeordnete Streifen mit jeweils korrespondierenden Aussparungen umfasst, um eine differentielle Bestrahlung der Bereiche des Detektors zu erreichen.
Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochmaske (6, 16) zwei zueinander verdrehbare und konzentrisch zueinander angeordnete Hohlzylinder (7, 8, 17, 18) mit jeweils korrespondierenden Aussparungen (10A, 10B, 20A, 20B) umfasst, um eine Bestrahlung der Bereiche (4, 5, 14, 15, 21, 22) des Detektors (3, 13) zu erreichen.
Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (12) innerhalb der Hohlzylinder (17, 18) angeordnet ist.
Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (12) konzentrisch im Mittelpunkt der Hohlzylinder (17, 18) angeordnet ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der fotoempfindliche Detektor (13) mit vier Bereichen (14, 15, 21, 22) versehen ist und die Hohlzylinder (17, 18) jeweils korrespondierende Aussparungen (20A, 20B) an gegenüberliegenden Seiten aufweist, wobei jeweils zwei Bereiche (14, 15; 21, 22) des Detektors (13) jeweils auf einer Seite der Hohlzylinder angeordnet sind.
Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) außerhalb der Hohlzylinder (7, 8) angeordnet ist.
Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (2) diagonal gegenüber dem Detektor (3) mit dazwischen liegenden Hohlzylindern (7, 8) angeordnet ist.