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Optische
Codierer werden dazu verwendet, die Bewegung beispielsweise einer
Welle wie z.B. einer Kurbelwelle zu überwachen. Optische Codierer können die
Bewegung einer Welle bezüglich
der Position und/oder der Anzahl von Umdrehungen der Welle überwachen.
Optische Codierer verwenden üblicherweise
ein an der Welle befestigtes Coderad, um Licht zu modulieren, während sich
die Welle und das Coderad drehen. Das Licht wird moduliert, während es
durch eine Spur auf dem Coderad gelangt, die ein Muster von transparenten
und opaken Abschnitten umfasst. Während das Licht ansprechend auf
die Drehung des Coderads moduliert wird, wird ein Strom elektrischer
Signale von einem Photodetektorarray, das das modulierte Licht empfängt, erzeugt.
Die elektrischen Signale werden dazu verwendet, die Position und/oder
Anzahl von Umdrehungen der Welle zu bestimmen.
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Optische
Codierer, die dazu verwendet werden, eine absolute Position zu bestimmen,
weisen üblicherweise
eine separate Spur für
jedes gewünschte
Auflösungsbit
auf. Beispielsweise erfordert ein Codierer mit einer 4Bit-Auflösung vier
verschiedene Spuren, wobei jede Spur ihren eigenen Photodetektor
erfordert. Die Spuren müssen
ausreichend voneinander beabstandet sein, so dass sich Licht von den
verschiedenen Spuren nicht an den Photodetektoren mischt. Optische
Codierer werden bei Systemen verwendet, bei denen eine hohe Auflösung bei strengen
Größeneinschränkungen
gewünscht
wird. Da die Auflösung
herkömmlicher
optischer Codierer eine Funktion der Anzahl der Spuren ist, wird
ein optischer Codierer benötigt,
der eine Mehrbitauflösung mit
einer verringerten Anzahl von Spuren erzeugen kann.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, optische Codierer
sowie ein Verfahren mit verbesserten Charakteristika zu liefern.
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Diese
Aufgabe wird durch optische Codierer gemäß Anspruch 1 oder 8 sowie durch
ein Verfahren gemäß Anspruch
17 gelöst.
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Ein
optischer Codierer umfasst ein Codierungselement, das eine Spur
mit einem Spurmuster aufweist, das mehrere optisch unterscheidbare
Abschnitte umfasst. Der optische Codierer vergleicht Photodetektorausgaben
mit übergangsspezifischen Schwellen,
die Übergängen zwischen
den optisch unterscheidbaren Abschnitten der Spur entsprechen. Die
Vergleiche werden dazu verwendet, zu bestimmen, wann der Übergang
zwischen zwei optisch unterscheidbaren Abschnitten der Spur den
Photodetektor passiert hat. Eine Kenntnis des Übergangs zwischen zwei optisch
unterscheidbaren Abschnitten wird dann in digitale Positionsinformationen übersetzt.
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Ein
Ausführungsbeispiel
eines optischen Codierers umfasst ein Codierungselement, das eine Spur
mit einem Spurmuster aufweist, wobei das Spurmuster mehrere optisch
unterscheidbare Abschnitte aufweist, eine Lichtquelle, die dahin
gehend konfiguriert ist, Licht auf die Spur auszugeben, einen Photodetektor,
der dahin gehend positioniert ist, Licht von der Lichtquelle, die
der Spur zugeordnet ist, zu erfassen, wobei der Photodetektor ansprechend
auf erfasstes Licht ein Ausgangssignal erzeugt, eine Schwellenlogik,
die dahin gehend konfiguriert ist, den Betrag des Ausgangssignals
relativ zu zumindest einer übergangsspezifischen
Schwelle anzugeben, wobei die zumindest eine übergangsspezifische Schwelle
einem Übergang
zwischen optisch unterscheidbaren Abschnitten der Spur entspricht,
und eine Positionslogik, die dahin gehend konfiguriert ist, ansprechend
auf die Angabe von der Schwellenlogik digitale Positionsinformationen
zu erzeugen.
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Andere
Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus
der folgenden ausführlichen
Beschreibung, die in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen
zu betrachten ist, die beispielhaft die Prinzipien der Erfindung
veranschaulichen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf
die folgenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
optisches Codierersystem zum Bestimmen der absoluten Position einer
Welle;
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2A ein
Ausführungsbeispiel
einer Spur und eines Photodetektors, die dahin gehend konfiguriert
sind, Absolute-Position-Informationen mit einer 2Bit-Auflösung unter
Verwendung lediglich einer Spur gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung zu liefern;
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2B ein
Wellendiagramm, das erzeugt wird, während sich das Spurmuster der 2A relativ
zu dem Photodetektor bewegt;
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3 eine
Matrix, die eine exemplarische Umwandlung der Zustandssignale W0,
W1 und W2 aus 2B in digitale Positionsinformationen
veranschaulicht;
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4 den
Photodetektor aus 2A und ein Ausführungsbeispiel
des Signalprozessors aus 1, die verwendet werden können, um
die oben in Bezug auf 2A, 2B und 3 beschriebene Technik
zu implementieren;
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5A ein
exemplarisches Ausführungsbeispiel
eines Systems, das dahin gehend konfiguriert ist, Absolute-Position-Informationen
mit einer 4Bit-Auflösung unter
Verwendung lediglich zweier Spu ren gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung zu liefern;
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5B ein
Wellendiagramm, das erzeugt wird, während sich die Spurmuster der
Spuren A und B aus 5A relativ zu den Photodetektoren
bewegen;
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6 eine
Matrix, die eine exemplarische Umwandlung der Zustandssignale W0
bis W5 aus 5B in digitale Positionsinformationen
veranschaulicht;
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7 die
Photodetektoren aus 5A und ein Ausführungsbeispiel
des Signalprozessors aus 1, die dazu verwendet werden
können,
die oben unter Bezugnahme auf 5A, 5B und 6 beschriebene
Technik zu implementieren;
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8A ein
exemplarisches Ausführungsbeispiel
eines Zwei-Spuren-Systems, das dahin gehend konfiguriert ist, die
UVW-Kanäle
unter Verwendung zweier Spuren anstatt dreier Spuren gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung zu liefern;
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8B ein
Wellendiagramm, das erzeugt wird, während sich die Spurmuster der
Spuren A und B aus 8A relativ zu den Photodetektoren
bewegen;
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9 eine
Matrix, die eine exemplarische Umwandlung der Zustandssignale W0,
W1 und W2 aus 8B in digitale UVW-Positionsinformationen veranschaulicht;
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10 die
Photodetektoren aus 8A und ein Ausführungsbeispiel
des Signalprozessors aus 1, die dazu verwendet werden
können,
die oben unter Bezugnahme auf 8A, 8B und 9 beschriebene
Technik zu implementieren;
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11A ein Prozessflussdiagramm eines Verfahrens
zum Erzeugen von Absolute-Position-Informationen unter Verwendung
eines optischen Codierers gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung; und
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11B eine Fortsetzung des Prozessflussdiagramms
der 11A.
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In
der gesamten Beschreibung werden eventuell ähnliche Bezugszeichen verwendet,
um ähnliche
Elemente zu identifizieren.
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1 zeigt
ein optisches Codierersystem 100 zum Bestimmen der absoluten
Position einer Welle. Das optische Codierersystem umfasst einen Motor 102,
eine Welle 104, ein Coderad 106 und ein Codierermodul 108.
Das Coderad umfasst zumindest eine (nicht gezeigte) Spur zur Verwendung
beim Bestimmen der absoluten Position, und das Codierermodul umfasst
eine Lichtquelle 110, ein Photodetektormodul 112 und
einen Signalprozessor 114.
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Die
Lichtquelle 110 liefert Licht an die Spur oder Spuren des
Coderads 106. Die Lichtquelle kann beispielsweise eine
einzige Licht emittierende Diode (LED) oder mehrere LEDs sein. Das
Photodetektormodul 112 umfasst einen Photodetektor oder
Photodetektoren, die einer Spur oder Spuren des Coderads zugeordnet
sind. Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 sind
die Lichtquelle und das Photodetektormodul mit der Spur oder den
Spuren ausgerichtet, so dass Licht von der Lichtquelle durch das
Photodetektormodul erfasst wird, nachdem das Licht durch die entsprechende
Spur(en) gelangt oder von derselben bzw. denselben abreflektiert
wird. Jeder Spur mag lediglich ein Photodetektor zugeordnet sein, oder
jeder Spur können
mehrere Photodetektoren zugeordnet sein. Die Photodetektoren des
Photodetektormoduls können
sich auf derselben integrierten Schaltung (IC) oder auf unterschiedlichen
ICs befinden. Exemplarische Konfigurationen von Photodetektoren
sind nachfolgend ausführlicher
beschrieben.
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Die
Spur oder Spuren des Coderades 106 können transparente Abschnitte
oder reflektierende Abschnitte umfassen. In dem Fall, in dem eine
Spur transparente Abschnitte umfasst, befinden sich die Lichtquelle 110 und
das Photodetektormodul 112 auf gegenüberliegenden Seiten des Coderades,
so dass Licht, das durch die transparenten Abschnitte des Coderades
gelangt, durch den bzw. die entsprechenden Photodetektor(en) erfasst
wird. In dem Fall, in dem eine Spur reflektierende Abschnitte umfasst,
befinden sich die Lichtquelle und das Photodetektormodul auf derselben
Seite des Coderades, so dass von dem Coderad abreflektierendes Licht
durch den bzw. die entsprechenden Photodetektor(en) erfasst wird.
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Der
Signalprozessor 114 verarbeitet die elektrischen Signale,
die durch den bzw. die Photodetektor(en) des Photodetektormoduls 112 ausgegeben
werden. Exemplarische Ausführungsbeispiele des
Signalprozessors werden nachstehend ausführlicher beschrieben.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung umfasst ein optischer Codierer ein Codierungselement,
das eine Spur mit einem Spurmuster aufweist, das mehrere optisch
unterscheidbare Abschnitte umfasst. Der optische Codierer vergleicht Photodetektorausgaben
mit übergangsspezifischen Schwellen,
die Übergängen zwischen
den optisch unterscheidbaren Abschnitten der Spur entsprechen. Die
Vergleiche werden dazu verwendet, zu bestimmen, wann der Übergang
zwischen zwei optisch unterscheidbaren Abschnitten der Spur den
Photodetektor passiert hat. Eine Kenntnis des Übergangs zwischen zwei optisch
unterscheidbaren Abschnitten wird dann in digitale Positionsinformationen übersetzt.
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2A zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer Spur 120 und eines Photodetektors 122, die
dahin gehend konfiguriert sind, Absolute-Position-Informationen
mit einer 2Bit-Auflösung unter
Verwendung lediglich einer Spur zu liefern. Unter Bezugnahme auf 2A weist
die Spur ein Spurmuster 124 auf, das ein sich wiederholendes
Muster aus vier optisch unterscheidbaren Abschnitten umfasst, die
in 2A als Abschnitte S1, S2, S3 und S4 identifiziert
sind. Die vier optisch unterscheidbaren Abschnitte in jedem Intervall
sind als vier benachbarte Rechtecke einer fortlaufend geringeren
Größe konfiguriert.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
weisen die vier benachbarten Rechtecke dieselben Breitenabmessungen, jedoch
fortlaufend geringere Höhenabmessungen auf.
Die fortlaufend geringeren Höhenabmessungen führen zu
benachbarten Abschnitten, die fortlaufend kleinere Flächen aufweisen.
Insbesondere ist die Fläche
des Abschnitts S1 kleiner als die Fläche des Abschnitts S2, die
Fläche
des Abschnitts S2 ist kleiner als die Fläche des Abschnitts S3 usw.
Wie in 2A gezeigt ist, liegt zwischen
jedem optisch unterscheidbaren Abschnitt ein Übergang vor, der aus der Differenz
zwischen der Höhe
zweier benachbarter Abschnitte resultiert. Insbesondere liegt ein Übergang der
Gesamtfläche
benachbarter Abschnitte zwischen Abschnitten S1 und S2, ein Übergang
der Gesamtfläche
benachbarter Abschnitte zwischen Abschnitten S2 und S3 und ein Übergang
der Gesamtfläche
benachbarter Abschnitte zwischen den Abschnitten S3 und S4 vor.
Ferner liegt ein Übergang
der Gesamtfläche
benachbarter Abschnitte zwischen benachbarten Intervallen des sich
wiederholenden Musters vor. Insbesondere liegt ein Übergang
der Gesamtfläche
zwischen dem Abschnitt S4 des ersten Intervalls und dem Abschnitt
S1 des zweiten Intervalls vor. Wie nachstehend ausführlicher
beschrieben wird, können infolge
dieser Übergänge Veränderungen
des Ausgangssignals des Photodetektors erfolgen.
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Falls
die Spur 120 ein transparentes Spurmuster 124 verwendet,
dann weisen die optisch unterscheidbaren Abschnitte fortlaufend
kleinere transparente Flächen
auf, und falls die Spur ein reflektierendes Muster verwendet, dann
weisen die optisch unterscheidbaren Abschnitte fortlaufend kleinere
reflektierende Flächen
auf. Obwohl lediglich ein Teil des Spurmusters in 2A gezeigt
ist, kann das Spurmuster um das Coderad 106 herum kontinuierlich
wiederholt werden oder intermittierend um das Coderad herum angeordnet
sein.
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Die
Abschnitte des Spurmusters 124 sind voneinander optisch
unterscheidbar, falls das Ausgangssignal aus dem Photodetektor 122 unterschieden
werden kann, wenn der Photodetektor mit zwei benachbarten Abschnitten
der Spur separat ausgerichtet ist. Falls beispielsweise das Photodetektorausgangssignal
dann, wenn der Photodetektor mit dem Abschnitt S1 ausgerichtet ist,
von dem Photodetektorausgangssignal unterscheidbar ist, wenn der Photodetektor
mit dem Abschnitt S2 ausgerichtet ist, so sind die jeweiligen Abschnitte
des Spurmusters optisch voneinander unterscheidbar. Bei einem Ausführungsbeispiel
wird das Photodetektorausgangssignal dadurch unterschieden, dass
das Photodetektorausgangssignal mit übergansspezifischen Schwellen
verglichen wird, die den Übergängen zwischen Abschnitten
entsprechen. Dieser Prozess wird nachstehend ausführlicher
beschrieben.
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Die
Konfigurationen des Spurmusters 124 und des Photodetektors 122 relativ
zueinander sind wichtige Entwurfsparameter, die berücksichtigt
werden müssen,
um zu gewährleisten,
dass die verschiedenen Abschnitte des Spurmusters tatsächlich optisch
voneinander unterscheidbar sind. Bei dem Ausführungsbeispiel der 2A ist
die Breite des Photodetektors geringer als die Breite jedes der
optisch unterscheidbaren Abschnitte. Dieses Entwurfsmerkmal gewährleistet,
dass der Photodetektor Licht erfasst, das lediglich für einen
Abschnitt des Spurmusters spezifisch ist, wenn der Abschnitt des
Spurmusters und der Photodetektor ausgerichtet sind. Ferner ist
bei dem Ausführungsbeispiel
der 2A die Höhe
des Photodetektors größer als
die Höhe des
höchsten
Abschnitts des Spurmusters. Dieses Entwurfsmerkmal ermöglicht eine
gewisse Toleranz bezüglich
der y-Achse-Ausrichtung
zwischen dem Photodetektor und dem Spurmuster. Ferner sind bei dem
Ausführungsbeispiel
der 2A das Spurmuster, die Lichtquelle und der Photodetektor
derart konfiguriert, dass durch den Photodetektor besonders dann
ein ausreichend starkes Ausgangssignal erzeugt wird, wenn der Photodetektor
mit dem optisch unterscheidbaren Abschnitt mit der kleinsten transparenten/reflektierenden
Fläche
ausgerichtet ist. Beispielsweise muss der Photodetektor ein ausreichend großes Ausgangssignal
erzeugen, wenn der Photodetektor mit dem Abschnitt S4 des Spurmusters
ausgerichtet ist.
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2B zeigt
ein Wellendiagramm, das erzeugt wird, während sich das Spurmuster 124 relativ zu
dem Photodetektor 122 bewegt. Die Signalverläufe in dem
Wellendiagramm sind zeitlich mit dem Spurmuster ausgerichtet und
umfassen das Photodetektorausgangssignal D1 und Zustandssignale W0,
W1 und W2, wobei das Zustandssignal W0 eine Angabe des Photodetektorausgangssignals
relativ zu der übergangsspezifischen
Schwelle TH0 ist, das Zustandssignal W1 eine Angabe des Photodetektorausgangssignals
relativ zu der übergangsspezifischen
Schwelle TH1 ist und das Zustandssignal W2 eine Angabe des Photodetektorausgangssignals
relativ zu der übergangsspezifischen
Schwelle TH2 ist. Bei dem Ausführungsbeispiel
der 2B entspricht die übergangsspezifische Schwelle
TH2 dem Übergang
zwischen den optisch unterscheidbaren Abschnitten S1 und S2, die übergangsspezifische Schwelle
TH1 entspricht dem Übergang
zwischen den optisch unterscheidbaren Abschnitten S2 und S3 und
die übergangsspezifische
Schwelle TH0 entspricht dem Übergang
zwischen den optisch unterscheidbaren Abschnitten S3 und S4. In
jedem Fall wird die übergangsspezifische
Schwelle auf einem Pegel festgelegt, der zwischen dem Pegel des
Photodetektorausgangssignals D1, wenn der Photodetektor mit dem
Abschnitt unmittelbar vor dem Übergang
ausgerichtet ist, und dem Pegel des Photodetektorausgangssignals
D1, wenn der Photodetektor mit dem Abschnitt unmittelbar nach dem Übergang ausgerichtet
ist, liegt. Bei dieser Konfiguration muss das Photodetektorausgangssignal
D1 die übergangsspezifische
Schwelle übertreten,
wenn sich die Ausrichtung des Photodetektors zwischen zwei benachbarten
Abschnitten verändert.
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Die übergangsspezifischen
Schwellen können
beispielsweise auf der Basis experimenteller Daten oder auf der
Basis von Berechnungen der erwarteten Pegel des Photodetektorausgangssignals
festgelegt werden.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
der 2B sind die Zustandssignale digitale Signale,
die hoch (z.B. 1) sind, wenn das Photodetektorausgangssignal D1 über der
jeweiligen übergangsspezifischen Schwelle
liegt, und niedrig (z.B. 0) sind, wenn das Photodetektorausgangssignal
D1 unter der jeweiligen übergangsspezifischen
Schwelle liegt. Obwohl eine Konvention für die Zustandssignale beschrieben ist,
sind andere Konventionen möglich.
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Im
Betrieb liegt das Photodetektorausgangssignal D1 anfänglich über allen übergangsspezifischen
Schwellen, und somit sind alle Zustandssignale hoch (z.B. 1). Während der
Photodetektor 122 von dem Abschnitt S1 zu dem Abschnitt
S2 gelangt (auf Grund der Drehung des Coderades 106 relativ
zu der Lichtquelle 110 und dem Photodetektormodul 112), fällt das
Photodetektorausgangssignal D1 unter die übergangsspezifische Schwelle
TH2 ab. Nachdem das Photodetektorausgangssignal D1 unter die übergangsspezifische
Schwelle TH2 abfällt,
geht das Zustandssignal W2 von hoch zu niedrig (z.B. von 1 zu 0).
Das Zustandssignal W2 bleibt niedrig, bis das Photodetektorausgangssignal
D1 wieder über
die übergangsspezifische
Schwelle TH2 hinaus ansteigt.
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Während der
Photodetektor 122 vom Abschnitt S2 zum Abschnitt S3 gelangt
(auf Grund der Drehung des Coderades 106 relativ zu der
Lichtquelle 110 und dem Photodetektormodul 112),
fällt das Photodetektorausgangssignal
D1 unter die übergangsspezifische
Schwelle TH1 ab. Nachdem das Photodetektorausgangssignal D1 unter
die übergangsspezifische
Schwelle TH1 gefallen ist, geht das Zustandssignal W1 von hoch zu
niedrig (z.B. von 1 zu 0). Das Zustandssignal W1 bleibt niedrig,
bis das Photodetektorausgangssignal D1 wie der über die übergangsspezifische Schwelle
TH1 hinaus ansteigt.
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Während der
Photodetektor 122 vom Abschnitt S3 zum Abschnitt S4 gelangt
(auf Grund der Drehung des Coderades 106 relativ zu der
Lichtquelle 110 und dem Photodetektormodul 112),
fällt das Photodetektorausgangssignal
D1 unter die übergangsspezifische
Schwelle TH0 ab. Nachdem das Photodetektorausgangssignal D1 unter
die übergangsspezifische
Schwelle TH0 gefallen ist, geht das Zustandssignal W0 von hoch zu
niedrig (z.B. von 1 zu 0). Das Zustandssignal W0 bleibt niedrig,
bis das Photodetektorausgangssignal D1 wieder über die übergangsspezifische Schwelle
TH0 hinaus ansteigt.
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Während der
Photodetektor 122 vom Abschnitt S4 des ersten Intervalls
zum Abschnitt S1 des zweiten Intervalls gelangt, steigt das Photodetektorausgangssignal
D1 wieder über
alle drei übergangsspezifischen
Schwellen TH0, TH1 und TH2 hinaus an. Nachdem das Photodetektorausgangssignal
D1 über
alle drei übergangsspezifischen
Schwellen hinaus angestiegen ist, gehen alle drei Zustandssignale W0,
W1 und W2 von niedrig zu hoch (z.B. von 0 zu 1), und der oben beschriebene
Prozess wiederholt sich.
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Die
Zustandssignale W0, W1 und W2, die den Betrag des Photodetektorausgangssignals
D1 relativ zu den übergangsspezifischen
Schwellen darstellen, werden in digitale Positionsinformationen umgewandelt. 3 ist
eine Matrix, die eine exemplarische Umwandlung der Zustandssignale
W0, W1 und W2 in digitale Positionsinformationen veranschaulicht.
Die Matrix umfasst fünf
Spalten, drei Spalten, die die Zustandssignale W0, W1 und W2 identifizieren,
eine Spalte, die den entsprechenden Abschnitt der Spur identifiziert,
und eine Spalte, die entsprechende digitale Positionsinformationen
identifiziert. Wie in der Matrix veranschaulicht ist, ist der Photodetektor
dann, wenn alle Zustandssignale hoch sind (z.B. 1, 1, 1), mit dem
optisch unterscheidbaren Abschnitt S1 ausgerichtet. Bei dem Ausführungsbeispiel
der 3 schlägt
sich diese Kombination von Signalzuständen in einer Digitalpositionsausgabe von „00" wieder. Wenn die
Zustandssignale W0 und W1 hoch sind und das Zustandssignal W2 niedrig
ist (z.B. 0, 1, 1), ist der Photodetektor mit dem optisch unterscheidbaren
Abschnitt S2 ausgerichtet, was sich in einer Digitalpositionsausgabe
von „01" niederschlägt. Ähnliche
Umwandlungen werden für
die Abschnitte S3 und S4 durchgeführt, wie in 3 veranschaulicht
ist. Obwohl in 3 ein bestimmtes Umwandlungsschema
gezeigt ist, kann das Umwandlungsschema abweichend von dem Schema
der 3 festgelegt werden.
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4 zeigt
den Photodetektor 122 aus 2A und
ein Ausführungsbeispiel
des Signalprozessors 114 aus 1, die dazu
verwendet werden können,
die oben unter Bezugnahme auf 2A, 2B und 3 beschriebene
Technik zu implementieren. Der in 4 gezeigte
Signalprozessor umfasst eine Schwellenlogik 130 und eine
Positionslogik 132. Die Schwellenlogik empfängt das
Photodetektorausgangssignal D1 und gibt die Zustandssignale W0,
W1 und W2 aus. Die Positionslogik empfängt die Zustandssignale W0,
W1 und W2 und gibt digitale Positionsinformationen aus.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
der 4 umfasst die Schwellenlogik 130 eine
Referenzschwellenquelle 134 und eine Schwellenkomparatoreinheit 136.
Die Referenzschwellenquelle liefert die übergangsspezifischen Schwellen
TH0, TH1 und TH2 an die Schwellenkomparatoreinheit. Bei einem Ausführungsbeispiel
werden die übergangsspezifischen Schwellen
als Spannungs- oder Stromsignale auf den entsprechenden Pegeln an
die Schwellenkomparatoreinheit geliefert. Die Schwellenkomparatoreinheit
vergleicht die übergangsspezifischen
Schwellen mit dem Photodetektorausgangssignal D1. Bei dem Ausführungsbeispiel
der 4 umfasst die Schwellenkomparatoreinheit drei
Komparatoren 140, einen für jede übergangsspezifische Schwelle.
Jeder der drei Komparatoren umfasst einen Eingang zum Empfangen
des Photodetektoraus gangssignals D1 und einen Eingang zum Empfangen
der entsprechenden übergangsspezifische
Schwelle.
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Im
Betrieb vergleichen die drei Komparatoren 140 der Schwellenkomparatoreinheit 136 das Photodetektorausgangssignal
D1 mit der jeweiligen übergangsspezifische
Schwelle TH0, TH1 und TH2. Ansprechend auf den Vergleich geben die
Komparatoren die Zustandssignale W0, W1 und W2 an die Positionslogik 132 aus,
und die Positionslogik wandelt die Zustandssignale in digitale Positionsinformationen
um. Beispielsweise wandelt die Positionslogik die Zustandssignale
in digitale Werte um, wie unter Bezugnahme auf 3 beschrieben
ist. Unter Verwendung der oben unter Bezugnahme auf 1 bis 4 beschriebenen
Techniken wird ein optischer Absolute-Position-Codierer mit einer
2Bit-Auflösung unter
Verwendung lediglich einer Spur bereitgestellt.
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Obwohl
das unter Bezugnahme auf 2A bis 4 beschriebene
optische Codierersystem lediglich eine Spur umfasst, können ähnliche
Konzepte auf ein optisches Mehrspur-Codierersystem angewendet werden,
um Absolute-Position-Informationen mit einer Mehrbit-Auflösung unter
Verwendung einer verringerten Anzahl von Spuren zu liefern. 5A zeigt
ein exemplarisches Ausführungsbeispiel
eines Systems, das dahin gehend konfiguriert ist, Absolute-Position-Informationen
mit einer 4Bit-Auflösung unter
Verwendung lediglich zweier Spuren zu liefern. Unter Bezugnahme
auf 5A weist eine erste Spur 120A, Spur A,
ein Spurmuster 124 auf, das ein sich wiederholendes Muster
aus vier optisch unterscheidbaren Abschnitten S1, S2, S3 und S4
umfasst, ähnlich
dem unter Bezugnahme auf 2A beschriebenen
Spurmuster. Eine zweite Spur 120B, Spur B, weist ein Spurmuster 124B auf,
das ein sich wiederholendes Muster aus vier optisch unterscheidbaren Abschnitten
S5, S6, S7 und S8 umfasst, wobei sich das Muster in vier Intervallen über die
Spanne eines Intervalls des Musters der Spur A wiederholt.
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Wie
in 5A gezeigt ist, sind die optisch unterscheidbaren
Abschnitte der Spuren A und B derart miteinander ausgerichtet, dass
jeder Abschnitt der Spur A mit einem Intervall der Spur B ausgerichtet
ist. Beispielsweise ist ein Intervall optisch unterscheidbarer Abschnitte
S5, S6, S7 und S8 der Spur B mit dem optisch unterscheidbaren Abschnitt
S1 der Spur A ausgerichtet, ein Intervall der optisch unterscheidbaren
Abschnitte S5, S6, S7 und S8 der Spur B ist mit dem optisch unterscheidbaren
Abschnitt S2 der Spur A ausgerichtet, ein Intervall der optisch
unterscheidbaren Abschnitte S5, S6, S7 und S8 der Spur B ist mit
dem optisch unterscheidbaren Abschnitt S3 der Spur A ausgerichtet,
und ein Intervall der optisch unterscheidbaren Abschnitte S5, S6,
S7 und S8 der Spur B ist mit dem optisch unterscheidbaren Abschnitt
S4 der Spur A ausgerichtet.
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Ein
Photodetektor 122A entspricht der Spur A 120A,
und ein Photodetektor 122B entspricht der Spur B 120B.
Die Photodetektoren und Spurmuster sind ähnlich den unter Bezugnahme
auf 2A beschriebenen konfiguriert, so dass die Übergänge zwischen
den optisch unterscheidbaren Abschnitten der Spurmuster identifiziert
werden können,
indem die entsprechenden Photodetektorausgangssignale mit den entsprechenden übergangsspezifischen
Schwellen verglichen werden. Ferner weisen die Konfigurationen der
Spurmuster und der Photodetektoren relativ zueinander ähnliche
Entwurfsanforderungen auf wie die unter Bezugnahme auf 2A bis 4 beschriebenen.
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5B zeigt
ein Wellendiagramm, das erzeugt wird, während sich die Spurmuster 124A und 124B der
Spuren A und B relativ zu den Photodetektoren 122A und 122B bewegen.
Die Signalverläufe
in dem Wellendiagramm sind mit den Spurmustern zeitlich ausgerichtet
und umfassen die Photodetektorausgangssignale D1 und D2 und Zustandssignale W0,
W1, W2, W3, W4 und W5, wobei das Zustandssignal W0 eine Angabe des
Photodetektorausgangssignals relativ zu der übergangsspezifischen Schwelle
TH0 ist, das Zustandssignal W1 eine Angabe des Photodetektorausgangssignals
relativ zu der übergangsspezifischen
Schwelle TH1 ist, das Zustandssignal W2 eine Angabe des Photodetektorausgangssignals
relativ zu der übergangsspezifischen
Schwelle TH2 ist, das Zustandssignal W3 eine Angabe des Photodetektorausgangssignals
relativ zu der übergangsspezifischen
Schwelle TH3 ist, das Zustandssignal W4 eine Angabe des Photodetektorausgangssignals
relativ zu der übergangsspezifischen
Schwelle TH4 ist und das Zustandssignal W5 eine Angabe des Photodetektorausgangssignals
relativ zu der übergangsspezifischen
Schwelle TH5 ist.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
der 5B entspricht die übergangsspezifische Schwelle
TH5 dem Übergang
zwischen den optisch unterscheidbaren Abschnitten S1 und S2 der
Spur A, die übergangsspezifische
Schwelle TH4 entspricht dem Übergang
zwischen den optisch unterscheidbaren Abschnitten S2 und S3 der
Spur A und die übergangsspezifische
Schwelle TH3 entspricht dem Übergang
zwischen den optisch unterscheidbaren Abschnitten S3 und S4 der
Spur A. Die übergangsspezifische
Schwelle TH2 entspricht dem Übergang zwischen
den optisch unterscheidbaren Abschnitten S5 und S6 der Spur B, die übergangsspezifische Schwelle
TH1 entspricht dem Übergang
zwischen den optisch unterscheidbaren Abschnitten S6 und S7 der
Spur B und die übergangsspezifische
Schwelle TH0 entspricht dem Übergang
zwischen den optisch unterscheidbaren Abschnitten S7 und S8 der
Spur B. Wie oben beschrieben wurde, werden die übergangsspezifischen Schwellen
auf Pegeln festgelegt, die zwischen dem Pegel des Photodetektorausgangssignals,
wenn der jeweilige Photodetektor mit dem Abschnitt unmittelbar vor
dem Übergang
ausgerichtet ist, und dem Pegel des Photodetektorausgangssignals,
wenn der jeweilige Photodetektor mit dem Abschnitt unmittelbar nach
dem Übergang
ausgerichtet ist, liegen.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
der 5B sind die Zustandssignale W0 bis W5 digitale
Signale, die hoch (z.B. 1) sind, wenn sich die Photodetektorausgangssignale
D1 und D2 über
der jeweiligen übergangsspezifischen
Schwelle befinden, und niedrig (z.B. 0) sind, wenn sich die Photodetektorausgangssignale
D1 und D2 unterhalb der jeweiligen übergangsspezifischen Schwelle
befinden. Obwohl eine Konvention für die Zustandssignale beschrieben wird,
sind andere Konventionen möglich.
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Im
Betrieb liegt, zuerst unter Bezugnahme auf Spur A, das Photodetektorausgangssignal
D1 anfänglich über den übergangsspezifischen
Schwellen TH3, TH4 und TH5, und somit sind alle Zustandssignale
hoch (z.B. 1). Während
der Photodetektor 122A von dem Abschnitt S1 zu dem Abschnitt
S2 gelangt (auf Grund der Drehung des Coderades relativ zu der Lichtquelle
und dem Photodetektormodul), sinkt das Photodetektorausgangssignal
D1 unter die übergangsspezifische
Schwelle TH5 ab. Nachdem das Photodetektorausgangssignal D1 unter
die übergangsspezifische
Schwelle TH5 abgesunken ist, geht das Zustandssignal W5 von hoch
zu niedrig (z.B. von 1 zu 0). Das Zustandssignal W5 bleibt niedrig,
bis das Photodetektorausgangssignal D1 wieder über die übergangsspezifische Schwelle
TH5 hinaus ansteigt.
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Während der
Photodetektor 122A vom Abschnitt S2 zum Abschnitt S3 gelangt
(auf Grund der Drehung des Coderades relativ zu der Lichtquelle und
dem Photodetektormodul), fällt
das Photodetektorausgangssignal D1 unter die übergangsspezifische Schwelle
TH4 ab. Nachdem das Photodetektorausgangssignal D1 unter die übergangsspezifische Schwelle
TH4 gefallen ist, geht das Zustandssignal W4 von hoch zu niedrig
(z.B. von 1 zu 0). Das Zustandssignal W4 bleibt niedrig, bis das
Photodetektorausgangssignal D1 wieder über die übergangsspezifische Schwelle
TH4 hinaus ansteigt.
-
Während der
Photodetektor 122A vom Abschnitt S3 zum Abschnitt S4 gelangt
(auf Grund der Drehung des Coderades relativ zu der Lichtquelle und
dem Photodetektormodul), fällt
das Photodetektorausgangssignal D1 unter die übergangsspezifische Schwelle
TH3 ab. Nachdem das Photodetektorausgangssignal D1 unter die übergangsspezifische Schwelle
TH3 gefallen ist, geht das Zustandssignal W3 von hoch zu niedrig
(z.B. von 1 zu 0). Das Zustandssignal W3 bleibt niedrig, bis das
Photodetektorausgangssignal D1 wieder über die übergangsspezifische Schwelle
TH3 hinaus ansteigt.
-
Während der
Photodetektor 122A vom Abschnitt S4 des ersten Intervalls
der Spur A zum Abschnitt S1 des nächsten Intervalls der Spur
A gelangt, steigt das Photodetektorausgangssignal D1 wieder über alle
drei übergangsspezifischen
Schwellen TH3, TH4 und TH5 hinaus an. Nachdem das Photodetektorausgangssignal
D1 über
alle drei übergangsspezifischen
Schwellen hinaus angestiegen ist, gehen alle drei Zustandssignale
W3, W4 und W5 von niedrig zu hoch (z.B. von 0 zu 1), und der oben
beschriebene Prozess wiederholt sich.
-
Zweitens,
unter Bezugnahme auf Spur B, liegt das Photodetektorausgangssignal
D2 anfänglich über den übergangsspezifischen
Schwellen TH0, TH1 und TH2, und somit sind alle Zustandssignale hoch
(z.B. 1). Während
der Photodetektor 122B von dem Abschnitt S5 zu dem Abschnitt
S6 gelangt (auf Grund der Drehung des Coderades relativ zu der Lichtquelle
und dem Photodetektormodul), sinkt das Photodetektorausgangssignal
D2 unter die übergangsspezifische
Schwelle TH2 ab. Nachdem das Photodetektorausgangssignal D2 unter
die übergangsspezifische
Schwelle TH2 abgesunken ist, geht das Zustandssignal W2 von hoch
zu niedrig (z.B. von 1 zu 0). Das Zustandssignal W2 bleibt niedrig,
bis das Photodetektorausgangssignal D2 wieder über die übergangsspezifische Schwelle
TH2 hinaus ansteigt.
-
Während der
Photodetektor 122B vom Abschnitt S6 zum Abschnitt S7 gelangt
(auf Grund der Drehung des Coderades relativ zu der Lichtquelle und
dem Photodetektormodul), fällt
das Photodetektorausgangssignal D2 unter die übergangsspezifische Schwelle
TH1 ab. Nachdem das Photodetektorausgangssignal D2 unter die übergangsspezifische Schwelle
TH1 gefallen ist, geht das Zustandssignal W1 von hoch zu niedrig
(z.B. von 1 zu 0). Das Zustandssignal W1 bleibt niedrig, bis das
Photodetektorausgangssignal D2 wieder über die übergangsspezifische Schwelle
TH1 hinaus ansteigt.
-
Während der
Photodetektor 122B vom Abschnitt S7 zum Abschnitt S8 gelangt
(auf Grund der Drehung des Coderades relativ zu der Lichtquelle und
dem Photodetektormodul), fällt
das Photodetektorausgangssignal D2 unter die übergangsspezifische Schwelle
TH0 ab. Nachdem das Photodetektorausgangssignal D2 unter die übergangsspezifische Schwelle
TH0 gefallen ist, geht das Zustandssignal W0 von hoch zu niedrig
(z.B. von 1 zu 0). Das Zustandssignal W0 bleibt niedrig, bis das
Photodetektorausgangssignal D2 wieder über die übergangsspezifische Schwelle
TH0 hinaus ansteigt.
-
Während der
Photodetektor 122B vom Abschnitt S8 des ersten Intervalls
der Spur B zum Abschnitt S5 des zweiten Intervalls der Spur B gelangt, steigt
das Photodetektorausgangssignal D2 wieder über alle drei übergangsspezifischen
Schwellen TH0, TH1 und TH2 hinaus an. Nachdem das Photodetektorausgangssignal
D2 über
alle drei übergangsspezifischen
Schwellen hinaus angestiegen ist, gehen alle drei Zustandssignale
W0, W1 und W2 von niedrig zu hoch (z.B. von 0 zu 1), und der oben
beschriebene Prozess wiederholt sich.
-
Die
Zustandssignale W0 bis W5, die den Betrag der Photodetektorausgangssignale
D1 und D2 relativ zu den jeweiligen übergangsspezifischen Schwellen
TH0 bis TH5 darstellen, werden in digitale Positionsinformationen
umgewandelt. 6 ist eine Matrix, die eine
exemplarische Umwandlung der Zustandssignale W0 bis W5 in digitale
Positionsinformationen veranschaulicht. Die Matrix umfasst acht Spalten;
sechs Spalten, die die Zustandssignale W0, W1, W2, W3, W4 und W5
identifizieren, eine Spalte, die die entsprechenden Abschnitte der
Spuren A und B identifiziert, und eine Spalte, die entsprechende
digitale 4Bit-Positionsinformationen identifiziert. Wie in der Matrix
veranschaulicht ist, ist der Photodetektor dann, wenn alle Zustandssignale
hoch sind (z.B. 1, 1, 1, 1, 1, 1), mit dem optisch unterscheidbaren Abschnitt
S1 der Spür
A und mit S5 der Spur B ausgerichtet. Bei dem Ausführungsbeispiel
der 6 schlägt
sich diese Kombination von Signalzuständen in einer 4Bit-Digitalpositionsausgabe
von „0000" nieder. Wenn die
Zustandssignale W0, W1, W3, W4 und W5 hoch sind und das Zustandssignal
W2 niedrig ist (z.B. 1, 1, 1, 0, 1, 1), ist der Photodetektor mit
den optisch unterscheidbaren Abschnitten S1 der Spur A und S6 der
Spur B ausgerichtet, was sich in einer 4Bit-Digitalpositionsausgabe
von „0001" niederschlägt. Ähnliche
Umwandlungen werden für
die vierzehn anderen Kombinationen der Abschnitte in den Spuren
A und B durchgeführt,
wie in 6 veranschaulicht ist. Obwohl in 6 ein
bestimmtes Umwandlungsschema gezeigt ist, kann das Umwandlungsschema
abweichend von dem Schema der 6 festgelegt
werden.
-
7 zeigt
die Photodetektoren 122A und 122B aus 5A und
ein Ausführungsbeispiel
des Signalprozessors 114 aus 1, die dazu
verwendet werden können,
die oben unter Bezugnahme auf 5A, 5B und 6 beschriebene
Technik zu implementieren. Der in 7 gezeigte
Signalprozessor umfasst die Schwellenlogik 130 und die
Positionslogik 132. Die Schwellenlogik empfängt die
Photodetektorausgangssignale D1 und D2 und gibt die Zustandssignale
W0 bis WS aus. Die Positionslogik empfängt die Zustandssignale W0–W5 und
gibt digitale Positionsinformationen aus.
-
Bei
dem Ausführungsbeispiel
der 7 umfasst die Schwellenlogik 130 eine
Referenzschwellenquelle 134 und eine Schwellenkomparatoreinheit 136.
Die Referenzschwellenquelle liefert die übergangsspezifischen Schwellen
TH0, TH1, TH2, TH3, TH4 und TH5 an die Schwellenkomparatoreinheit. Bei
einem Ausführungsbeispiel
werden die übergangsspezifischen
Schwellen als Spannungs- oder Stromsignale auf den entsprechenden
Pegeln an die Schwellenkomparatoreinheit geliefert. Die Schwellenkomparatoreinheit
vergleicht die übergangsspezifischen
Schwellen mit den Photodetektorausgangssignalen D1 und D2. Bei dem
Ausführungsbeispiel
der 7 umfasst die Schwellenkomparatoreinheit sechs
Komparatoren 140, einen für jede übergangsspezifische Schwelle.
Jeder der sechs Komparatoren umfasst einen Eingang zum Empfangen
entweder des Photodetektorausgangssignals D1 oder des Photodetektorausgangssignals
D2 und einen Eingang zum Empfangen einer übergangsspezifischen Schwelle.
-
Im
Betrieb vergleichen die sechs Komparatoren 140 der Schwellenkomparatoreinheit 136 die Photodetektorausgangssignale
D1 und D2 mit der jeweiligen übergangsspezifischen
Schwelle TH0, TH1, TH2, TH3, TH4 und TH5. Ansprechend auf den Vergleich
geben die Komparatoren die Zustandssignale W0, W1, W2, W3, W4 und
W5 an die Positionslogik aus, und die Positionslogik wandelt die
Zustandssignale in digitale Positionsinformationen um. Beispielsweise
wandelt die Positionslogik die Zustandssignale in digitale 4Bit-Werte
um, wie sie unter Bezugnahme auf 6 beschrieben
wurden.
-
Optische
Codierer mit sechs Kanälen
werden üblicherweise
beispielsweise bei bürstenlosen Motoren
eingesetzt. Ein optischer 6-Kanal-Codierer umfasst üblicherweise:
- 1) A- und B-Kanäle zum Bestimmen einer Drehgeschwindigkeit,
Position und Richtung;
- 2) einen Index- oder „I"-Kanal zum Indexieren
der Drehung; und
- 3) U-, V- und W-Kanäle
zum Bestimmen der absoluten Position des Codierungselements.
-
Bei
einem herkömmlichen
optischen 6-Kanal-Codierer erfordern die „UVW"-Kanäle
drei getrennte U-, V- und W-Spuren. Obwohl Systeme mit drei separaten
U-, V- und W-Spuren gut dahin gehend funktionieren, Absolute-Position-Informationen zu
liefern, erfordert die Anzahl von Spuren und die Beabstandung zwischen
Spuren beträchtlichen Raum,
der einen optischen 6-Kanal-Codierer vergrößert.
-
Ähnliche
Konzepte wie die oben unter Bezugnahme auf 1 bis 7 beschriebenen
können
dazu verwendet werden, die UVW-Kanäle in einem
optischen 6-Kanal-Codierer mit weniger Spuren als herkömmliche
Systeme bereitzustellen. Insbesondere zeigt 8A ein
exemplarisches Ausführungsbeispiel
eines Zwei-Spuren-Systems, das dahin gehend konfiguriert ist, die
UVW-Kanäle
unter Verwendung zweier Spuren statt dreier Spuren zu liefern. Unter
Bezugnahme auf 8A weist eine erste Spur 122A,
Bahn A, ein Spurmuster 124A auf, das ein sich wiederholendes
Muster zweier optisch unterscheidbarer Abschnitte, S1 und S2, umfasst, ähnlich dem
unter Bezugnahme auf 2A beschriebenen Spurmuster,
mit der Ausnahme, dass statt vier Spuren zwei vorliegen. Eine zweite
Spur 122B, Spur B, weist ein Spurmuster 124B auf,
das ein sich wiederholendes Muster dreier optisch unterscheidbarer
Abschnitte, S3, S4 und S5, umfasst, wobei sich das Muster über die
Spanne eines Intervalls des Musters der Spur A in zwei Intervallen
wiederholt.
-
Wie
in 8A gezeigt ist, sind die optisch unterscheidbaren
Abschnitte der Spuren A und B so miteinander ausgerichtet, dass
jeder Abschnitt der Spur A mit einem Intervall der Spur B ausgerichtet
ist. Beispielsweise ist ein Intervall der optisch unterscheidbaren
Abschnitte S3, S4 und S5 der Spur B mit dem optisch unterscheidbaren
Abschnitt S1 der Spur A ausgerichtet, und ein Intervall der optisch
unterscheidbaren Abschnitte S3, S4 und S5 der Spur B ist mit dem
optisch unterscheidbaren Abschnitt S2 der Spur A ausgerichtet.
-
Ein
Photodetektor 122A entspricht der Spur A, und ein Photodetektor 122B entspricht
der Spur B. Die Photodetektoren und Spurmuster sind ähnlich den
unter Bezugnahme auf 2A beschriebenen konfiguriert,
so dass die Übergänge zwischen
den optisch unterscheidbaren Abschnitten der Spurmuster dadurch
identifiziert werden können,
dass die entsprechenden Photodetektorausgangssignale mit den entsprechenden übergangsspezifischen
Schwellen verglichen werden. Ferner weisen die Konfigurationen der
Spurmuster und der Photodetektoren relativ zueinander ähnliche
Entwurfsanforderungen auf wie oben die unter Bezugnahme auf 2A bis 7 beschriebenen.
Zusätzlich
zu den Photodetektoren 122A und 122B umfasst die
Spur A einen Photodetektor 146A, und die Spur B umfasst
einen Photodetektor 146B. Diese Photodetektoren werden
dazu verwendet, die übergangsspezifischen
Schwellen zu erzeugen, wie nachfolgend beschrieben wird. Bei einem
Ausführungsbeispiel
sollte die Höhenabmessung
der Photodetektoren 146A und 146B geringer sein
als die Höhenabmessung
des kleinsten Abschnitts der jeweiligen Spur, und die Breitenabmessung
der Photodetektoren 146A und 146B sollte geringer
sein als die Breitenabmessung jegliches Abschnitts in der jeweiligen
Spur. Die Photodetektoren 146A und 146B befähigen das
System, mit der Lichtverschlechterung umzugehen, die beispielsweise durch
Tintennebel und/oder Schmutz, der die Lichtquelle und/oder das Coderad
bedeckt, und durch eine Verschlechterung der Lichtquelle bewirkt
wird. Insbesondere erfahren die Photodetektoren 146A und 146B im
Wesentlichen denselben Grad an Lichtverschlechterung wie die Photodetektoren 122A und 122B.
-
8B zeigt
ein Wellendiagramm, das erzeugt wird, während sich die Spurmuster der
Spuren A und B relativ zu den Photodetektoren bewegen. Die Signalverläufe in dem
Wellendiagramm sind zeitlich mit den Spurmustern ausgerichtet und
umfassen die Photodetektorausgangssignale D1 und D2 und die Zustandssignale
W0, W1 und W2, wobei das Zustandssignal W0 eine Angabe des Photodetektorausgangssignals
relativ zu der übergangsspezifischen Schwelle
THALM2 ist, das Zustandssignal W1 eine Angabe des Photodetektorausgangssignals
relativ zu der übergangsspezifischen
Schwelle THAHM2 ist und das Zustandssignal W2 eine Angabe des Photodetektorausgangssignals
relativ zu der übergangsspezifischen
Schwelle THAM1 ist.
-
Bei
dem Ausführungsbeispiel
der 8B entspricht die übergangsspezifische Schwelle THAM1
dem Übergang
zwischen den optisch unterscheidbaren Abschnitten S1 und S2 der
Spur A, die übergangsspezifische
Schwelle THAHM2 entspricht dem Übergang
zwischen den optisch unterscheidbaren Abschnitten S3 und S4 der
Spur B, und die übergangsspezifische
Schwelle THALM2 entspricht dem Übergang
zwischen den optisch unterscheidbaren Abschnitten S4 und S5 der
Spur B. Wie oben beschrieben wurde, werden die übergangsspezifischen Schwellen
auf Pegeln festgelegt, die zwischen dem Pegel des Photodetektorausgangssignals,
wenn der jeweilige Photodetektor mit dem Abschnitt unmittelbar vor
dem Übergang
ausgerichtet ist, und dem Pegel des Photodetektorausgangssignals,
wenn der jeweilige Photodetektor mit dem Abschnitt unmittelbar nach
dem Übergang
ausgerichtet ist, liegen.
-
Bei
dem Ausführungsbeispiel
der 8B sind die Zustandssignale W0 bis W2 digitale
Signale, die hoch sind (z.B. 1), wenn die Photodetektorausgangssignale
D1 und D2 über
der jeweiligen übergangsspezifischen
Schwelle liegen, und niedrig (z.B. 0), wenn die Photodetektorausgangssignale
D1 und D2 unterhalb der jeweiligen übergangsspezifischen Schwelle
liegen. Obwohl eine Konvention für
die Zustandssignale beschrieben ist, sind andere Konventionen möglich.
-
Im
Betrieb, zuerst unter Bezugnahme auf die Spur A 120A, liegt
das Photodetektorausgangssignal D1 anfänglich oberhalb der übergangsspezifischen Schwelle
THAM1, und somit ist das Zustandssignal W2 hoch (z.B. 1). Während der
Photodetektor vom Abschnitt S1 zum Abschnitt S2 gelangt (auf Grund der
Drehung des Coderads relativ zu der Lichtquelle und dem Photodetektormodul),
fällt das
Photodetektorausgangssignal D1 unter die übergangsspezifische Schwelle
THAM1 ab. Nachdem das Photodetektorausgangssignal D1 unter die übergangsspezifische
Schwelle THAM1 abgefallen ist, geht das Zustandssignal W2 von hoch
zu niedrig (z.B. von 1 zu 0). Das Zustandssignal W2 bleibt niedrig,
bis das Photo detektorausgangssignal D1 wieder über die übergangsspezifische Schwelle
THAM1 ansteigt.
-
Während der
Photodetektor 122A vom Abschnitt S2 des ersten Intervalls
der Spur A zum Abschnitt S1 des nächsten Intervalls der Spur
A gelangt, steigt das Photodetektorausgangssignal D1 wieder über die übergangsspezifische
Schwelle THAM1 an. Nachdem das Photodetektorausgangssignal D1 über die übergangsspezifische
Schwelle angestiegen ist, geht das Zustandssignal W2 von niedrig
zu hoch (z.B. von 0 zu 1), und der oben beschriebene Prozess wiederholt
sich.
-
Als
zweites, unter Bezugnahme auf Spur B 120B, liegt das Photodetektorausgangssignal
D2 anfänglich über den übergangsspezifischen
Schwellen THALM2 und THAHM2, und somit sind die Zustandssignale
W0 und W1 hoch (z.B. 1). Wenn der Photodetektor vom Abschnitt S3
zum Abschnitt S4 gelangt (auf Grund der Drehung des Coderads relativ
zu der Lichtquelle und dem Photodetektormodul), fällt das Photodetektorausgangssignal
D2 unter die übergangsspezifische
Schwelle THAHM2 ab. Nachdem das Photodetektorausgangssignal D2 unter
die übergangsspezifische
Schwelle THAHM2 abgefallen ist, geht das Zustandssignal W1 von hoch
zu niedrig (z.B. von 1 zu 0). Das Zustandssignal W1 bleibt niedrig,
bis das Photodetektorausgangssignal D2 wieder über die übergangsspezifische Schwelle
THAHM2 ansteigt.
-
Wenn
der Photodetektor 122B vom Abschnitt S4 zum Abschnitt S5
gelangt (auf Grund der Drehung des Coderades relativ zu der Lichtquelle und
dem Photodetektormodul), fällt
das Photodetektorausgangssignal D2 unter die übergangsspezifische Schwelle
THALM2 ab. Nachdem das Photodetektorausgangssignal D2 unter die übergangsspezifische
Schwelle THALM2 abgesunken ist, geht das Zustandssignal W0 von hoch
zu niedrig (z.B. von 1 zu 0). Das Zustandssignal W0 bleibt niedrig,
bis das Photodetektorausgangssignal D2 wieder über die übergangsspezifische Schwelle
THALM2 ansteigt.
-
Wenn
der Photodetektor 122B vom Abschnitt S5 des ersten Intervalls
der Spur B zum Abschnitt S3 des zweiten Intervalls der Spur B gelangt, steigt
das Photodetektorausgangssignal D2 wieder über die übergangsspezifischen Schwellen
THALM2 und THAHM2 an. Nachdem das Photodetektorausgangssignal D2 über die übergangsspezifischen Schwellen
angestiegen ist, gehen die Zustandssignale W0 und W1 von niedrig
zu hoch (z.B. von 0 zu 1), und der oben beschriebene Prozess wiederholt sich.
-
Die
Zustandssignale W1 und W2, die den Betrag der Photodetektorausgangssignale
D1 und D2 relativ zu den jeweiligen übergangsspezifischen Schwellen
darstellen, werden in digitale Positionsinformationen umgewandelt. 9 ist
eine Matrix, die eine beispielhafte Umwandlung der Zustandssignale W0,
W1 und W2 in digitale UVW-Positionsinformationen veranschaulicht.
Die Matrix umfasst sieben Spalten; drei Spalten, die die Zustandssignale
W0, W1 und W2 identifizieren, eine Spalte, die die entsprechenden
Abschnitte der Spuren A und B identifiziert, und drei Spalten, die
entsprechende digitale UVW-Positionsinformationen identifizieren.
Wie in der Matrix veranschaulicht ist, ist der Photodetektor dann,
wenn alle Zustandssignale hoch sind (z.B. 1, 1, 1), mit dem optisch
unterscheidbaren Abschnitt S1 der Spur A und S3 der Spur B ausgerichtet.
Bei dem Ausführungsbeispiel
der 6 schlägt
sich diese Kombination von Signalzuständen in einer UVW-Digitalpositionsausgabe
von „101" nieder. Wenn die Zustandssignale
W0 und W2 hoch sind und das Zustandssignal W1 niedrig ist (z.B.
1, 0, 1), ist der Photodetektor mit den optisch unterscheidbaren
Abschnitten S1 der Spur A und S4 der Spur B ausgerichtet, was sich
in einer UVW-Digitalpositionsausgabe von „100" niederschlägt. Ähnliche Umwandlungen werden
für die
anderen vier Kombinationen der Abschnitte in den Spuren A und B
durchgeführt,
wie in 9 veranschaulicht ist. Obwohl in 9 ein
bestimmtes Umwandlungsschema gezeigt ist, kann das Umwandlungsschema
abweichend von dem Schema der 9 festgelegt
werden.
-
10 zeigt
die Photodetektoren 122A, 122B, 146A und 146B aus 8A und
ein Ausführungsbeispiel
des Signalprozessors 114 der 1, die dazu
verwendet werden können,
die oben unter Bezugnahme auf 8A, 8B und 9 beschriebene
Technik zu implementieren. Der in 10 gezeigte
Signalprozessor umfasst eine Schwellenlogik 130 und eine
Positionslogik 132. Die Schwellenlogik empfängt die
Photodetektorausgangssignale D1, D2, M1 und M2 und gibt die Zustandssignale
W0, W1 und W2 aus. Die Positionslogik empfängt die Zustandssignale W0,
W1 und W2 und gibt digitale UVW-Positionsinformationen
aus.
-
Bei
dem Ausführungsbeispiel
der 10 umfasst die Schwellenlogik 130 eine
Referenzschwellenquelle 134 und eine Schwellenkomparatoreinheit 136.
Die Referenzschwellenquelle liefert die übergangsspezifischen Schwellen
THAM1, THAHM2 und THALM2 an die Schwellenkomparatoreinheit. Bei
einem Ausführungsbeispiel
empfängt
die Referenzschwellenquelle Ausgaben von den Photodetektoren 146A und 146B und
verstärkt
die Ausgaben an jeweiligen Verstärkern 150,
um die übergangsspezifischen
Schwellen THAM1, THAHM2 und THALM2 zu erzeugen. Bei dem Ausführungsbeispiel
der 10 wird die übergangsspezifische
Schwelle THAHM2 höher
verstärkt
als die übergangsspezifische Schwelle
THALM2 (siehe 8B). Die übergangsspezifischen Schwellen
werden der Schwellenkomparatoreinheit als Spannungs- oder Stromsignale
auf den entsprechenden Pegeln geliefert. Die Schwellenkomparatoreinheit
vergleicht die übergangsspezifischen
Schwellen mit den Photodetektorausgangssignalen D1 und D2. Bei dem
Ausführungsbeispiel
der 10 umfasst die Schwellenkomparatoreinheit drei Komparatoren,
einen für
jede übergangsspezifische Schwelle.
Jeder der drei Komparatoren umfasst einen Eingang zum Empfangen
entweder des Photodetektorausgangssignals D1 oder des Photodetektorausgangssignals
D2 und einen Eingang zum Empfangen einer übergangsspezifischen Schwelle.
-
Im
Betrieb vergleichen die drei Komparatoren der Schwellenkomparatoreinheit
die Photodetektorausgangssignale D1 und D2 mit den jeweiligen übergangsspezifischen
Schwellen THAM1, THAHM2 und THALM2. Ansprechend auf den Vergleich
geben die Komparatoren die Zustandssignale W0, W1 und W2 an die
Positionslogik aus, und die Positionslogik wandelt die Zustandssignale
in digitale UVW-Positionsinformationen um. Beispielsweise wandelt
die Positionslogik die Zustandssignale in digitale UVW-Werte um,
wie unter Bezugnahme auf 9 beschrieben ist. Bei dem unter
Bezugnahme auf 8A bis 10 beschriebenen
Ausführungsbeispiel
sind die Spuren des Coderads dahin gehend entworfen, mechanischen
Polen eines Elektromotors zu entsprechen.
-
Es
ist zu beachten, dass das Coderad durch ein Codierungselement, das
kein Rad ist, ersetzt werden könnte.
Beispielsweise könnte
ein lineares Codierungselement, z.B. ein Codestreifen, verwendet werden.
Obwohl sieh 1 auf ein Bestimmen der absoluten
Position einer Welle bezieht, können
die Absolute-Position-Informationen ferner auf ein Element, das
keine Welle ist, bezogen sein.
-
11A ist ein Prozessflussdiagramm eines Verfahrens
zum Erzeugen von Absolute-Position-Informationen unter Verwendung
eines optischen Codierers gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Bei Block 200 wird Licht an eine Spur eines
Codierungselements angelegt, wobei die Spur ein Spurmuster aufweist,
das mehrere optisch unterscheidbare Abschnitte umfasst. Bei Block 202 wird
das an die Spur angelegte Licht erfasst, und ansprechend auf erfasstes
Licht wird ein Ausgangssignal erzeugt. Bei Block 204 wird
das Ausgangssignal mit zumindest einer übergangsspezifischen Schwelle
verglichen, wobei die zumindest eine übergangsspezifische Schwelle
einem Übergang
zwischen optisch unterscheidbaren Abschnitten der Spur entspricht.
Bei Block 206 werden ansprechend auf den Vergleich des
Ausgangssignals mit der zumindest einen übergangsspezifischen Schwelle
digitale Positionsinformationen erzeugt.
-
Unter
Bezugnahme auf 11B wird bei einem weiteren
Ausführungsbeispiel
des Verfahrens bei Block 208 Licht an eine zweite Spur
des Codierungselements angelegt, wobei die zweite Spur ein Spurmuster
aufweist, das mehrere optisch unterscheidbare Abschnitte umfasst.
Bei Block 210 wird das Licht, das an die zweite Spur angelegt
wird, erfasst, und ansprechend auf erfasstes Licht wird ein zweites
Ausgangssignal erzeugt. Bei Block 212 wird das zweite Ausgangssignal
mit einer anderen übergangsspezifischen
Schwelle verglichen, wobei die andere übergangsspezifische Schwelle
einem Übergang
zwischen optisch unterscheidbaren Abschnitten der zweiten Spur entspricht.
Bei Block 214 werden ansprechend auf den Vergleich des
zweiten Ausgangssignals mit der anderen übergangsspezifischen Schwelle
digitale Positionsinformationen erzeugt.
-
Bei
einem Ausführungsbeispiel
umfasst ein Photodetektor eine oder mehrere Photodioden. Bei einem
Ausführungsbeispiel
sind die Spur oder Spuren und jeweilige Photodetektoren radial ausgerichtet,
so dass sich die Photodetektoren in der Mitte der jeweiligen Spur
befinden. Ein radiales Ausrichten der Photodetektoren in der Mitte
der entsprechenden Spur gleicht die Ausrichtungstoleranz auf beiden
Seiten des Photodetektorarrays aus.
-
Obwohl
spezifische Ausführungsbeispiele der
Erfindung beschrieben und veranschaulicht wurden, soll die Erfindung
nicht auf die spezifischen Formen oder Anordnungen von Teilen, wie
sie hierin beschrieben und veranschaulicht sind, beschränkt sein. Die
Erfindung wird lediglich durch die Patentansprüche eingeschränkt.