DE102008004047A1

DE102008004047A1 - Optischer Drehwinkelsensor

Info

Publication number: DE102008004047A1
Application number: DE102008004047A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Zinselmeier; Dietmar Finger
Original assignee: Leopold Kostal GmbH and Co KG
Current assignee: Kostal Automobil Elektrik GmbH and Co KG
Priority date: 2008-01-11
Filing date: 2008-01-11
Publication date: 2009-07-16
Anticipated expiration: 2028-01-12
Also published as: DE102008004047B4

Abstract

Beschrieben wird ein optischer Drehwinkelsensor mit optischen Sende- und Empfangselementen, die auf einem Schaltungsträger angeordnet sind, und mit einem Lichtleitkörper, zur Übertragung von Licht zwischen Sende- und Empfangselementen, und einer Codescheibe, die binäre Codierungsmarkierungen in mehreren konzentrischen Codespuren aufweist, wobei den Codespuren Sende- und/oder Empfangselemente zugeordnet sind und wobei die Sende- und/oder Empfangselemente sequentiell getaktet sind, wobei jeder Codespur mehrere Sendeelementen bzw. Empfangselemente zugeordnet sind, die in der Umfangsrichtung der Codespur um ein Winkel versetzt angeordnet sind und wobei zentral zur Codescheibe ein Empfangselement bzw. Sendeelement angeordnet ist. Da die Codescheibe weniger Codespuren aufweist als zugeordnete Sendelemente vorgesehen sind, kann die Codescheibe und damit der gesamte optische Drehwinkelsensor sehr kompakt ausgeführt sein. Alternativ kann auch eine gleichartige Anordnung verwendet werden, bei der Sende- und Empfangselemente gegeneinander ausgetauscht sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Drehwinkelsensor mit optischen Sende- und Empfangselementen, die auf einem Schaltungsträger angeordnet sind, und mit einem Lichtleitkörper, zur Übertragung von Licht zwischen Sende- und Empfangselementen, und einer Codescheibe, die binäre Codierungsmarkierungen in mehreren konzentrischen Codespuren aufweist, wobei den Codespuren Sende- und/oder Empfangselemente zugeordnet sind, und wobei die Sende- und/oder Empfangselemente sequentiell getaktet sind.
Ein derartiger Drehwinkelsensor ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 103 53 429 A1 bekannt. In diesem Dokument ist eine Codescheibe beschrieben, die Codespuren sowohl zur Codierung der Lichtemission als auch zur Codierung des Lichtempfangs aufweist. Insbesondere ist jedem Sendeelement und jedem Lichtempfänger eine eigene Codespur auf der Codescheibe zugeordnet. Hierdurch ist die Codescheibe relativ komplex und aufwendig herzustellen und überdies relativ großbauend. Die Größe der Codescheibe hat wiederum einen Einfluss auf die Gesamtgröße des Drehwinkelsensors.
Es stellte sich die Aufgabe, einen optischen Drehwinkelsensor zu schaffen, der besonders einfach und kostengünstig herstellbar ist und der sich durch einen besonders kompakten Aufbau auszeichnet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß erstens dadurch gelöst, dass jeder Codespur mehrere Sendeelemente zugeordnet sind, die in der Umfangsrichtung der Codespur um einen Winkelbetrag versetzt angeordnet sind, und dass zentral zur Codescheibe ein Empfangselement angeordnet ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß zweitens dadurch gelöst, dass jeder Codespur mehrere Empfangselemente zugeordnet sind, die in der Umfangsrichtung der Codespur um einen Winkelbetrag versetzt angeordnet sind, und dass zentral zur Codescheibe ein Sendeelement angeordnet ist.
Die zweite Lösung unterscheidet sich von der ersten Lösung lediglich dadurch, dass Sende- und Empfangselemente gegeneinander ausgetauscht sind. Dies ist möglich, da auch Empfangselemente sequentiell getaktet betrieben werden können, wodurch sich auch in dieser Anordnung mehr sequentiell betriebene Sende-/Empfangsstrecken ergeben als Codespuren auf der Codescheibe vorgesehen sind. Aus Gründen der Vereinfachung ist eine konkrete Ausführungsform zur zweiten erfinderischen Lösung nachfolgend nicht explizit beschrieben, soll aber aufgrund der Übertragbarkeit der beschriebenen Ausführung durch Austausch von Sende- und Empfangselementen implizit mitoffenbart sein.
Hinsichtlich der ersten erfinderischen Lösung ist besonders vorteilhaft, dass nicht für jedes Sendeelement eine eigene Codespur vorgesehen ist, sondern dass sich mehrere Sendeelemente eine Codespur teilen, ohne dass hierdurch die Anzahl der erfassbaren Position verringert wird. So weist in einer bevorzugten Ausführungsform der Drehwinkelsensor vier Sendeelemente auf, mit denen er zusammen 2⁴ = 16 verschiedene Winkelpositionen der Codescheibe erfassen kann. Die Codescheibe besitzt hierzu nur zwei Codespuren, die konzentrisch zueinander angeordnet sind. Jeder Codespur sind zwei der Sendeelemente zugeordnet, die jeweils unter einem Winkelversatz zueinander angeordnet sind.
Zur Erfassung der codierten Winkelposition ist nur ein einziges Empfangselement vorgesehen, welches zentral zur Codescheibe angeordnet ist und die Signale der Sendeelemente über einen Lichtleiter zugeführt erhält, der oberhalb der Codescheibe angeordnet sein kann.
Hierdurch wird ein besonders kompakter Aufbau des erfindungsgemäßen Drehwinkelsensors erreicht. Weitere vorteilhafte Details zum Aufbau und zur Funktionsweise des Drehwinkelsensors ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung.
Es zeigen
1 einen Drehwinkelsensor in einer teilweisen Schnittansicht,
2 Lichtwege durch den Lichtleitkörper,
3 die Codescheibe und die Anordnung von Sende- und Empfangselementen,
4 und 5 jeweils eine Winkelstellung der Codescheibe und den zugehörige Positionscode sowie eine Positionscodetabelle.
Die 1 zeigt einen Drehwinkelsensor als Teil eines Bedienelements 1. Das Bedienelement weist einen Gehäusekörper 2 auf, der auf einem Schaltungsträger 3 angeordnet ist. Innerhalb des Gehäusekörpers 2 ist ein Tubus 4 drehbar gelagert, dessen röhrenartiger Abschnitt sich aus dem Gehäusekörper 2 heraus erstreckt und am freien Ende durch einen aufgesetzten Drehknopf 5 abschlossen ist.
Der Röhre des Tubus 4 ist an ihrem unteren, im Gehäusekörper 2 befindlichen Ende durch eine einstückig angeformte Codescheibe 6 abgeschlossen. Unterhalb des Zentrums der Codescheibe 6 ist ein Empfangselement E auf dem Schaltungsträger 3 angeordnet. Das Empfangselement E kann beispielsweise als ein Fototransistor ausgebildet sein, dessen Anschlüsse elektrisch mit dem Schaltungsträger 3 verbunden sind. Auf der Oberseite der Codescheibe 6 liegt ein Lichtleitkörper 7 auf, dessen breitester Abschnitt die Querschnittsfläche des Tubus 4 genau ausfüllt.
Die Form des Lichtleitkörpers 7 ist deutlicher aus der 2 ersichtlich. Der Lichtleitkörper 7 ist einstückig aus einem transparenten Material geformt, besitzt senkrecht zu seiner Symmetrieachse, die mit der Rotationsachse der Codescheibe 6 zusammenfällt, jeweils einen rotationssymmetrischen Querschnitt und zeigt im Längsschnitt zwei übereinandergesetzte prismenförmige Abschnitte (7a, 7b).
Die Ausbildung der Codescheibe 6 ist in der 3 schematisch in einer Draufsicht skizziert. Die Positionen von optischen Sendeelementen (S1, S2, S3, S4), die unterhalb der Codescheibe 6 auf dem Schaltungsträger 3 angeordnet sind, sind in der Zeichnung durch dunkel unterlegte Flächen dargestellt, in deren Zentrum man sich die optischen Sendelemente angeordnet vorstellen kann. Die Codescheibe 6 selbst ist aus einem lichtundurchlässigen Material gefertigt.
Die Codescheibe 6 besitzt eine zentrale kreisförmige Ausnehmung 10, unterhalb der das optisches Empfangselement E auf dem Schaltungsträger 3 angeordnet ist. Konzentrisch um die Ausnehmung 10 herum befinden sich zwei Codespuren (8a, 8b), welche entlang ihres Umfangs Codierungsmarkierungen aufweisen.
Die Codierungsmarkierungen sind durch Codierungsschlitze 9 gebildet, die entlang zumindest eines Teilbereichs des Umfangs der Codespuren (8a, 8b) in regelmäßigen Winkelabständen angeordnet sind. Die Codierungsschlitze 9 sind mit ihren Längsachsen radial zur Codescheibe 6 ausgerichtet.
Den beiden Codespuren (8a, 8b) sind jeweils zwei Sendeelemente (S1, S3 bzw. S2, S4) zugeordnet, die zueinander jeweils einen Winkelversatz von 90° aufweisen. Die einander benachbarten Sendeelemente (S1, S2 bzw. S3, S4), die unterschiedlichen Codespuren zugeordnet sind, weisen ebenfalls einen Winkelversatz, in diesem Ausführungsbeispiel von speziell 30°, zueinander auf.
Dieser zuletzt erwähnte Winkelversatz ist für die Funktion des Drehwinkelsensors nicht unbedingt erforderlich; er ist aber vorteilhaft, da hierdurch die Codespuren dichter nebeneinander und damit platzsparender auf der Codescheibe angeordnet sein können, wodurch die Codescheibe 6 und damit auch der gesamte Drehwinkelsensor kompakter ausgeführt werden können. Dieser Winkelversatz ist hier nur beispielhaft auf einen Wert von 30° festgelegt und kann in realen Ausführungen auch einen anderen Betrag aufweisen, wobei die Codierungsmarkierungen der Codespuren (8a, 8b) dann um einen entsprechenden Winkelbetrag gegeneinander verschoben erscheinen.
In der 2 ist zu erkennen, dass die der äußeren Codespur zugeordneten Sendeelemente (S1, S3) Licht in den oberen prismenförmigen Abschnitt 7a des Lichtleitkörpers 7 einstrahlen, während die der inneren Codespur zugeordneten Sendeelemente (S2, S4) Licht in den unteren prismenförmigen Abschnitt 7b einkoppeln. Der Lichtleitkörper 7 weist in beiden Abschnitten (7a, 7b) interne Flächen auf, an denen das eingestrahlte Licht totalreflektiert wird und ist derart geformt, dass sowohl das Licht von den Sendeelementen (S1, S3) der äußeren Codespur als auch von den Sendeelementen (S2, S4) der inneren Codespur durch Totalreflexion und Brechung durch die zentrale Ausnehmung der Codescheibe 6 auf das Empfangselement E gelenkt wird.
Da somit ein einziges Empfangselement E die Signale sämtlicher Sendeelemente (S1, S2, S3, S4) empfängt, ist eine sequentielle Ansteuerung der Sendeelemente (S1, S2, S3, S4) vorgesehen, so dass jedes vom Empfangselement E aufgenommene Signal eindeutig einem der Sendeelemente (S1, S2, S3, S4) zugeordnet werden kann. Überdies kann vorgesehen sein, dass auch das Empfangselement E getaktet und damit synchron zu den Sendeelementen (S1, S2, S3, S4) betrieben wird.
Ein Drehsensor mit einer gleichartigen Funktionalität kann auch dadurch realisiert sein, dass die hier dargestellten Sende- und Empfangselement gegeneinander ausgetauscht sind, so dass sequentiell betriebene Empfangselemente nacheinander Signale eines kontinuierlich oder getaktet betriebenen Sendeelements erfassen.
Entsprechend der in den Figuren dargestellten Ausführungsform erhält man beim sequentiellen Durchtakten aller vier Sendeelemente (S1, S2, S3, S4) am Empfangselement E ein 4-bit-Signal, im folgenden als Positionscode bezeichnet, welches die jeweilige Drehstellung der Codescheibe 6 codiert.
Da jede Codespur (8a, 8b) zwei zueinander versetzt angeordnete Sendeelemente (S1, S3 bzw. S2, S4) aufweist, über die sich bei einer Drehung der Codescheibe 6 die Codierungsmarkierungen der jeweiligen Codespur (8a, 8b) hinwegbewegen, erwartet man von den beiden Sendeelementen (S1, S3 bzw. S2, S4) einer Codespur (8a, 8b) eine mit einem Winkelversatz behaftete, aber ansonsten gleichartige Codesignalfolge am Empfangselement E. Hierdurch erscheint die Verwendung von zwei Sendeelementen pro Codespur (8a, 8b) zunächst redundant.
Dies trifft allerdings dann nicht zu, wenn der Drehwinkelsensor weniger als einen Vollkreis erfasst und daher nicht an jeweils beiden Sendeelementen (S1, S3 bzw. S2, S4) einer Codespur (8a, 8b) die vollständig Abfolge von Codierungsmarkierungen vorbeiläuft.
Der hier beschriebene Drehwinkelsensor ist zur Erfassung eines Winkelbereiches vorgesehen, welcher kleiner als ein Vollkreis ist. Der in den 4 und 5 schematisch dargestellte Drehwinkelsensor erfasst beispielhaft einen Winkelbereich von 225°.
In den 4 und 5 ist der Drehwinkelsensor mit der Codescheibe 6 schematisch dargestellt. Die Positionen (P1, P2, P3, P4) der Sendeelemente relativ zur Codescheibe 6 sind durch dunkle Flächen angedeutet. Zu der äußeren Codespur 8a gehören die Sendeelemente an den Positionen P1 und P3, während die Sendeelemente der inneren Codespur 8b die mit P2 und P4 bezeichneten Positionen einnehmen. Befindet sich oberhalb eines Sendeelements, d. h. in der Darstellung der 4 und 5 zentral zu einer der dunklen Flächen, ein Codierungsschlitz 9, so gelangt beim Takten des entsprechenden Sendeelements über den hier nicht dargestellten Lichtleiter ein Lichtimpuls zum zentral zur Codescheibe 6 angeordneten Empfangselement E, und wird dort als ein logisches 1-Signal erfasst. Befindet sich an der jeweiligen Stelle der Codescheibe 6 kein Codierungsschlitz 9, so wird dies entsprechend als logisches 0-Signal registriert.
Die Codierungsmarkierungen befinden sich hier in einem Winkelabstand von 15°, wodurch sich die Winkelauflösung des Drehwinkelsensors ergibt. Aus den Signalen der vier Sendeelemente ergibt sich für jede unterscheidbare Winkelposition eine 4-bit-Codierung, so dass 2⁴ = 16 Winkelpositionen erfassbar sind. Ausgehend von einer Nullstellung beträgt der gesamte erfassbare Winkelbereich damit (16 – 1)·15° = 225°.
Der erfassbare Winkelbereich kann leicht variiert werden, indem man einen anderen Winkelabstand zwischen den Codierungsmarkierungen vorsieht. Erhöht man den Winkelabstand beispielsweise von 15° auf 18°, so erstreckt sich der gesamte erfassbare Winkelbereich nun auf (16 – 1)·18° = 270°.
In den 4 und 5 sind zwei aufeinanderfolgende erfassbare Winkelstellungen des Drehwinkelsensors schematisch dargestellt und zwar beispielhaft die 60°- und die 75°-Position in einem Drehwinkelbereich von 225°. Entsprechend ist die Lage der Codescheibe 6 in der 5 gegenüber der Lage der Codescheibe 6 in der 4 um 15° im Uhrzeigersinn verdreht. Erkennbar ist dies durch die Lageveränderung der Codierungsmarkierungen gegenüber den feststehenden Positionen (P1, P2, P3, P4) der Sendeelemente.
Betrachtet man die Codierungsmarkierungen an den feststehenden Positionen (P1, P2, P3, P4) der Sendeelemente, so ergibt sich eine vierstellige Bitfolge, welche den Positionscode für die jeweilige Drehstellung bildet. Für die 60°-Stellung lautet der Positionscode 1111, für die 75°-Stellung ist der Positionscode 0111. Über die in den 4 und 5 dargestellte Positionscodetabelle kann dem erfassten Positionscode die zugehörige Stellung des Drehwinkelsensors zugeordnet werden.
In der Positionscodetabelle sind zwei Bereiche mit einer Schraffierung hinterlegt. Diese Hervorhebungen zeigen, dass die Abfolge der Codierungsmarkierungen, die bei einer Drehung der Codescheibe 6 im Uhrzeigersinn über das Sendeelement an der Position P3 bewegt wird, mit einem 90°-Winkelversatz auch das Sendeelement an der Position P1 überstreicht. Entsprechendes gilt für die Sendeelemente an den Positionen P4 und P2. Diese Codewiederholung resultiert aus dem 90°-Winkelversatz zwischen den beiden Sendeelementen, die jeweils der gleichen Codespur (8a, 8b) zugeordnet sind. Die schraffiert hinterlegten Bereiche zeigen also diejenigen Codierungsmarkierungen, die durch beide Sendeelemente einer Codespur (8a, 8b) abgetastet und damit durch das Empfangselement E redundant erfasst werden.
Die Codierungsmarkierungen in den nicht schraffiert hinterlegten Abschnitten der Tabellenspalten 1 bis 4 werden folglich nicht redundant erfasst und sind damit immer genau einem Sendeelement, nämlich dem, dessen Position im Tabellenkopf der jeweiligen Spalte angegeben ist, zugeordnet.
Da es in diesen Abschnitten keine Abhängigkeit zwischen den Codierungsmarkierungen der jeweils beiden Sendeelemente einer Codespur gibt, können die Codierungsmarkierungen frei vorgegeben werden; allerdings unter der Bedingung, dass jeder der 16 möglichen 4-bit-Positionscodes in genau einer Winkelstellung des Drehwinkelsensors einmal auftritt und so eine eindeutige Zuordnung zwischen Drehwinkel und Positionscode gegeben ist.
Auf diese Weise kann eine vollständige 4-bit-Codierung einer Drehwinkelposition durch nur zwei Codespuren einer Codescheibe erreicht werden. Im Vergleich zu Drehwinkelsensoren, die für jedes Sende- und/oder Empfangselement eine eigene Codespur vorsehen, kann die Codescheibe hier deutlich kleiner ausgeführt sein, wodurch ein Drehwinkelsensor wesentlich kompakter herstellbar ist.

1: Bedienelement
2: Gehäusekörper
3: Schaltungsträger
4: Tubus
5: Drehknopf
6: Codescheibe
7: Lichtleitkörper
7a: oberer Abschnitt (des Lichtleitkörpers)
7b: unterer Abschnitt (des Lichtleitkörpers)
8a: äußere Codespur
8b: innere Codespur
9: Codierungsschlitze (Codierungen)
10: Ausnehmung
E: Empfangselement
S1, S2, S3, S4: Sendeelemente
P1, P2, P3, P4: Positionen (der Sendeelemente)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10353429 A1 [0002]

Claims

Optischer Drehwinkelsensor mit optischen Sende- und Empfangselementen, die auf einem Schaltungsträger angeordnet sind, und mit einem Lichtleitkörper, zur Übertragung von Licht zwischen Sende- und Empfangselementen, und einer Codescheibe, die binäre Codierungsmarkierungen in mehreren konzentrischen Codespuren aufweist, wobei den Codespuren Sende- und/oder Empfangselemente zugeordnet sind, und wobei die Sende- und/oder Empfangselemente sequentiell getaktet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Codespur (8a, 8b) mehrere Sendeelementen (S1, S2, S3, S4) zugeordnet sind, die in der Umfangsrichtung der Codespur (8a, 8b) um einen Winkelbetrag versetzt angeordnet sind, und dass zentral zur Codescheibe (6) ein Empfangselement (E) angeordnet ist.
Optischer Drehwinkelsensor mit optischen Sende- und Empfangselementen, die auf einem Schaltungsträger angeordnet sind, und mit einem Lichtleitkörper, zur Übertragung von Licht zwischen Sende- und Empfangselementen, und einer Codescheibe, die binäre Codierungsmarkierungen in mehreren konzentrischen Codespuren aufweist, wobei den Codespuren Sende- und/oder Empfangselemente zugeordnet sind, und wobei die Sende- und/oder Empfangselemente sequentiell getaktet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Codespur (8a, 8b) mehrere Empfangselemente zugeordnet sind, die in der Umfangsrichtung der Codespur (8a, 8b) um einen Winkelbetrag versetzt angeordnet sind, und dass zentral zur Codescheibe (6) ein Sendeelement angeordnet ist.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleitkörper (7) ein rotationssymmetrischer Körper mit einem mehrfachprismatischen Längsschnitt ist.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Sendeelemente (S1, S2 bzw. S3, S4) bzw. Empfangselemente, die verschiedenen Codespuren (8a, 8b) zugeordnet sind und benachbart zueinander angeordnet sind, in Umfangsrichtung einen Winkelversatz aufweisen.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Codespuren (8a, 8b) mit jeweils zwei Sendeelementen (S1, S2 bzw. S3, S4) bzw. mit jeweils zwei Empfangselementen vorgesehen sind.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sechzehn Winkelpositionen erfassbar werden.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleitkörper (7) im Inneren eines Tubus (4) angeordnet ist.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Codescheibe (6) mit dem Tubus (4) verbunden ist.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die die Codescheibe (6) einstückig mit dem Tubus (4) ausgeführt ist.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Tubus (4) mit einem Betätigungselement verbunden ist.
Drehwinkelsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement ein Drehknopf (5) ist.