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Hintergrund der Erfindung
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Optische
Kodierer werden verwendet, um die Bewegung von beispielsweise einer
Radialwelle wie zum Beispiel einer Kurbelwelle zu überwachen. Optische
Kodierer können die Bewegung einer Welle im Hinblick auf
die Position und/oder die Anzahl der Umdrehungen der Welle überwachen.
Optische Kodierer verwenden typischerweise ein Coderad, das mit
der Welle verbunden ist, um Licht zu modulieren, während
sich die Welle und das Coderad drehen. In einem durchlässigen
Coderad wird Licht moduliert, wenn es durch durchlässige
Abschnitte einer Spur auf dem Coderad durchgeht. Die durchlässigen
Abschnitte sind durch nicht durchlässige Abschnitte getrennt.
In einem reflektierenden Coderad wird Licht moduliert, während
es von den reflektierenden Abschnitten auf der Spur auf dem Coderad
reflektiert wird. Die reflektierenden Abschnitte sind durch nicht reflektierende
Abschnitte getrennt. Während das Licht in Antwort auf die
Rotation des Coderads moduliert wird, wird ein Strom von elektrischen
Signalen durch eine Lichtsensorgruppe erzeugt, die das modulierte
Licht empfängt. Die elektrischen Signale werden verwendet,
um zum Beispiel die Position und/oder die Anzahl der Umdrehungen
der Welle zu bestimmen.
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1 stellt
ein herkömmliches durchlässiges optisches Kodiersystem 10 dar.
Das optische Kodiersystem 10 weist einen Kodierer 12 und
ein durchlässiges Coderad 14 auf. Das Coderad 14 ist
an eine Radialwelle 16 eines Motors 18 gekoppelt.
Der Kodierer 12 weist eine Lichtquelle 20, eine
Kollimationslinse 22 und einen Detektor 24 auf.
Zusammen werden die Lichtquelle 20 und die Kollimationslinse 22 auch
als Emitter bezeichnet. Die Lichtquelle 20 emittiert Licht,
welches durch die Kollimationslinse 22 kollimiert wird
und moduliert wird, während es durch die durchlässigen
Abschnitte des Coderads 14 hindurchgeht. Der Detektor 24 weist
eine Lichtsensorgruppe auf, wie eine Gruppe von Fotodioden, die
das modulierte Licht detektiert. Typischerweise hat die Lichtsensorgruppe
eine Auflösung, die gleich der Auflösung des Kodierelements
ist.
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Ein
Nachteil von herkömmlichen durchlässigen optischen
Kodierern verglichen mit herkömmlichen reflektierenden
optischen Kodierern ist es, dass die Platzierung des Emitters 20 und
des Detektors 24 auf entgegengesetzten Seiten des Coderads 14 mehr
Platz verbraucht, was den herkömmlichen durchlässigen
optischen Kodierer 12 relativ groß macht. Auch
verschlechtert eine Falschausrichtung des Emitters 20 und/oder
des Detektors 24 mit dem Coderad 14 oder miteinander
die Leistung von herkömmlichen durchlässigen optischen
Kodierern 12.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Ausführungsbeispiele
eines durchlässigen optischen Kodierers sind beschrieben.
In einem Ausführungsbeispiel weist der durchlässige
optische Kodierer einen Detektor, ein Coderad und einen Emitter auf.
Der Detektor weist eine Öffnung durch den Detektor auf.
Die Öffnung ist ausgestaltet, um eine Radialwelle eines
Motors aufzunehmen. Das Coderad ist mit der Radialwelle des Motors
gekoppelt. Rotationen der Radialwelle führen zu entsprechenden
Rotationen des Coderads. Der Emitter ist ausgestaltet, um ein Lichtsignal
durch das Coderad zu dem Detektor zu emittieren. Rotationen des
Coderads führen zu einer Modulation des Lichtsignals an
dem Detektor. Ausführungsbeispiele des durchlässigen
optischen Kodierers verbrauchen relativ wenig Platz und vereinfachen
das Ausrichten oder Ausfluchten des Emitters und Detektors. Andere
Ausführungsbeispiele des durchlässigen optischen
Kodierers werden auch beschrieben.
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Ausführungsbeispiele
eines Detektors eines durchlässigen optischen Kodierers
werden auch beschrieben. In einem Ausführungsbeispiel weist
der Detektor ein Substrat und eine Lichtsensorgruppe auf. Das Substrat
weist eine Öffnung durch das Substrat auf. Die Öffnung
ist ausgestaltet, um eine Radialwelle eines Motors aufzunehmen.
Die Lichtsensorgruppe ist an das Substrat gekoppelt. Die Lichtsensorgruppe
ist auf dem Substrat an einer Position angebracht, um ein moduliertes
Lichtsignal von einem Emitter durch ein Kodierelement, das an die
Radialwelle gekoppelt ist, zu empfangen. Andere Ausführungsbeispiele
des Detektors werden auch beschrieben.
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Ausführungsbeispiele
eines Verfahrens werden auch beschrieben. In einem Ausführungsbeispiel ist
das Verfahren ein Verfahren zum Zusammenbauen eines durchlässigen
optischen Kodiersystems. Das Verfahren weist das Anbringen eines
Detektors, der eine Lichtsensorgruppe aufweist, auf der Radialwelle
eines Motors auf. Die Motorradialwelle ragt durch eine Öffnung
in dem Detektor heraus. Das Verfahren weist auch das Anbringen eines
Kodierelements an der Radialwelle auf, um ein Lichtsignal bei der
Rotation der Radialwelle zu modulieren. Das Verfahren weist auch
das Anbringen eines Emitters relativ zu dem Kodierelement auf, um
das Lichtsignal zu erzeugen und das Lichtsignal in Richtung des
Kodierelements zu richten. Der Detektor ist angebracht, um das modulierte
Lichtsignal zu detektieren. Andere Ausführungsbeispiele
des Verfahrens sind auch beschrieben.
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Andere
Aspekte und Vorteile von Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung werden durch die folgende detaillierte Beschreibung ersichtlich,
in Zusammenhang mit den begleitenden Figuren, wobei beispielhaft
die Prinzipien der Erfindung beschrieben sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 illustriert
ein herkömmliches durchlässiges optisches Kodiersystem.
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2 stellt
ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels
eines durchlässigen optischen Kodiersystems dar, das direkt
auf einer Welle eines Motors angebracht ist.
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3A stellt
eine schematische perspektivische Sicht eines Ausführungsbeispiels
eines rechteckigen Detektors zur Verwendung in dem optischen Kodierer
von 2 dar.
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3B stellt
eine schematische Draufsicht eines Ausführungsbeispiels
eines rechteckigen Detektors mit einer kreisförmigen Lichtsensorgruppe dar,
die die Öffnung umschreibt, die sich durch den Detektor
erstreckt.
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4 stellt
eine schematische perspektivische Sicht eines anderen Ausführungsbeispiels
eines rechteckigen Detektors mit einer Offset-Öffnung zur
Verwendung in dem optischen Kodierer von 2 dar.
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5 stellt
eine schematische perspektivische Sicht eines anderen Ausführungsbeispiels
eines rechteckigen Detektors mit abgeschrägten Ecken zur
Verwendung in dem optischen Kodierer von 2 dar.
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6 stellt
eine schematische perspektivische Sicht eines Ausführungsbeispiels
eines kreisförmigen Detektors zur Verwendung in dem optischen
Kodierer von 2 dar.
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7 stellt
ein schematisches Schaltkreisdiagramm eines Ausführungsbeispiels
eines optischen Kodierers zur Verwendung in dem durchlässigen
optischen Kodierersystem von 2 dar.
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8 stellt
ein schematisches Teildiagramm eines Ausführungsbeispiels
eines Coderads dar.
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9 stellt
eine schematische Anordnung eines Ausführungsbeispiels
einer Lichtsensorgruppe bezüglich der Coderadspur dar.
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10 stellt
ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels
eines Verfahrens zum Zusammenbauen des durchlässigen optischen Kodierersystems
von 2 dar.
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11 stellt
ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels
eines Verfahrens zum Herstellen eines Detektors für den
optischen Kodierer von 2 dar.
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12 stellt
ein schematisches Blockschaltbild eines anderen Ausführungsbeispiels
des durchlässigen optischen Kodierersystems von 2 dar.
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In
der ganzen Beschreibung können ähnliche Bezugszeichen
verwendet werden, um ähnliche Elemente zu bezeichnen.
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Detaillierte Beschreibung
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2 stellt
ein schematisches Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels
eines durchlässigen optischen Kodierersystems 50 dar,
das direkt auf einer Welle 16 eines Motors 18 angebracht
ist. Das dargestellte durchlässige optische Kodierersystem 50 weist
eine Coderadanbringungsvorrichtung 52 auf, um ein Coderad 54 an
der Welle 16 des Motors 18 anzubringen. Jede Art
einer herkömmlichen Coderadanbringungsvorrichtung 52 kann
verwendet werden.
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In
manchen Ausführungsbeispielen kann das Coderad
54 eine
beliebige Art eines herkömmlichen durchlässigen
Coderads
54 sein. Einige beispielhafte Coderäder
54 sind
in den
US-Patenten 4,451,731 ,
4,691,101 und
5,241,172 beschrieben, die hierin
durch Bezugnahme aufgenommen sind. Andere Coderäder
54 können
auch verwendet werden. Zumindest ein Ausführungsbeispiel
eines Coderads
54 ist unten mit Bezug auf
8 genauer
beschrieben.
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Das
dargestellte durchlässige optische Kodierersystem 50 weist
auch einen flexiblen Schaltkreis 56 auf. Ein Emitter 60 ist
auf dem flexiblen Schaltkreis 56 an einer Position angebracht,
die es erlaubt, dass der Emitter 60 ein Lichtsignal (gezeigt als
Pfeile) in Richtung des Motors 18 durch das Coderad 54 emittiert.
Andere Ausführungsbeispiele können einen starren
Schaltkreis oder eine andere Verbindung anstelle des gezeigten und
hierin beschriebenen flexiblen Schaltkreis 56 verwenden. Zum
Beispiel können Drähte anstelle des flexiblen Schaltkreises 56 verwendet
werden. Manche Ausführungsbeispiele weisen auch eine Kollimationslinse 62 auf,
um Licht von dem Emitter 60 vor der Übertragung
durch das Coderad 54 zu kollimieren. Verschiedene Arten
von Emittern 60 und Kollimationslinsen 62 sind
bekannt.
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Das
dargestellte optische Kodierersystem 50 weist auch einen
Detektor 64 auf. Der Detektor 64 ist auf dem flexiblen
Schaltkreis 56 an einer Position angebracht, um das Lichtsignal
von Emitter 60 zu empfangen, nachdem das Lichtsignal durch
das Coderad 54 hindurchgegangen ist. Beispielhafte Ausführungsbeispiele
des Detektors 64 weisen integrierte Schaltkreis-Chips (IC
dice) und IC-Einheiten auf. Obwohl verschiedene Arten von Detektoren 64 verwendet werden
können, weist der dargestellte Detektor 64 ein
Substrat 66 und eine Lichtsensorgruppe 68 auf. Manche
Ausführungsbeispiele des Detektors 64 weisen auch
eine Einheit oder ein Gehäuse auf, um das Substrat 66 und
die Lichtsensorgruppe 68 zu umschließen oder unterzubringen.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Lichtsensorgruppe 68 kreisförmig,
so dass sie die Welle 16 des Motors 18 umschreibt.
Ein Beispiel einer kreisförmigen Lichtsensorgruppe 68 ist
in 3B gezeigt und genauer unten beschrieben. Andere
Ausführungsbeispiele von Lichtsensorgruppen können
auch implementiert werden.
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Damit
das Licht die Lichtsensorgruppe 68 innerhalb der Einheit
erreicht, kann der Detektor 64 ein im Wesentlichen durchlässiges
Fenster 69 aufweisen, das mit der Lichtsensorgruppe 68 ausgerichtet ist.
Wenn beispielsweise eine kreisförmige Lichtsensorgruppe 68 implementiert
ist, kann das Fenster 69 kreisförmig sein, um
im Wesentlichen der kreisförmigen Lichtsensorgruppe 68 zu
entsprechen. Auf diese Weise ist die Lichtsensorgruppe 68 in
der Lage, das Licht von dem Emitter 60 zu empfangen, das
durch das Coderad 54 sendet. In einem alternativen Ausführungsbeispiel
kann die Einheit ein Schnittfenster anstelle des durchlässigen
Fensters 69 aufweisen, so dass keine Anordnung vorhanden
ist, um den Pfad des Lichtsignals von dem Coderad 54 zu
behindern oder anderweitig zu modifizieren. In einem anderen Ausführungsbeispiel
kann die Lichtsensorgruppe 68 ungefähr bündig
mit der Einheit beziehungsweise dem Gehäuse an der Einfallsoberfläche
des Detektors 64 sein. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann
die Lichtsensorgruppe 68 aus der Einheit des Detektors 64 herausragen.
In einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Detektor 64 ohne
eine Einheit implementiert sein, so dass kein Bedürfnis
nach einem durchlässigen Fenster 69 oder einem
anderen Teilbereich besteht, um es dem Lichtsignal zu erlauben,
auf der Lichtsensorgruppe 68 einfallend zu sein.
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Unbeschadet
der Art der implementierten Detektortechnologie kann der Detektor 64 eine Öffnung
oder ein Loch aufweisen, das sich durch den Detektor 64 erstreckt.
In anderen Worten gibt es eine Öffnung durch das Substrat 66 und,
wenn eine Einheit beziehungsweise ein Gehäuse verwendet
wird, um das Substrat 66 aufzunehmen, gibt es eine entsprechende Öffnung
durch die Einheit. Die Anwesenheit der Öffnung durch den
Detektor 64 erlaubt es der Radialwelle 16 des
Motors 18, sich durch den Detektor 64 zu erstrecken.
In anderen Worten ist der Detektor 64 außermittig
oder exzentrisch zu der Motorwelle 16 des Motors 18 angebracht.
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In
einem Ausführungsbeispiel stimmt die Öffnung ungefähr
in der Größe mit dem Motorvorsprung (die Plastikstruktur,
die die Motorwelle 16 umgibt, wenn sie von dem Gehäuse
des Motors 18 herausragt) überein. Dieses Ausführungsbeispiel
hält eine Trennung zwischen der Welle 16 und dem
Detektor 64 aufrecht, so dass die Welle 16 keine
Reibung an dem Detektor 64 erzeugt, in die Welle 16 rotiert.
Alternativ kann der Detektor 64 an dem Gehäuse
des Motors 18 angebracht sein, unter Verwendung einer Zentriervorrichtung,
um die Trennung zwischen der Welle 16 und dem Detektor 64 aufrechtzuerhalten.
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Die
Größe (das heißt Durchmesser) der Öffnung
kann variieren abhängig von der Implementierung, für
die der Detektor 64 konzipiert ist. In manchen Ausführungsbeispielen
kann die Öffnung gerade groß genug sein, innerhalb
einer messbaren Toleranz, um es der Welle 16 zu erlauben,
sich durch den Detektor 64 zu erstrecken. In anderen Ausführungsbeispielen
kann die Öffnung ausgemessen sein, innerhalb einer Toleranz,
um um einen Teilbereich des Motorgehäuses nahe der Welle 16 herum
zu passen. Wenn die Öffnung ausgemessen ist, um relativ
dicht an die Welle oder den entsprechenden Teilbereich des Motorgehäuses
zu passen, kann die Platzierung des Detektors 64 auf der
Welle 16 die genaue Ausrichtung des Emitters 60 mit
der Lichtsensorgruppe 68 des Detektors 64 zu vereinfachen.
Zusätzlich kann die Öffnung die Ausrichtung des
Emitters 60 und/oder der Lichtsensorgruppe 68 des
Detektors 64 mit dem Coderad 54 vereinfachen.
In anderen Ausführungsbeispielen kann die Öffnung
im Wesentlichen größer sein als die Welle 16 des
Motors 18, um eine leichte Montage des durchlässigen
optischen Kodierersystems 50 zu vereinfachen.
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Es
sollte auch angemerkt werden, dass zumindest manche Ausführungsbeispiele
des durchlässigen optischen Kodierersystems 50 ein
Gehäuse (nicht gezeigt) für den optischen Kodierer
aufweisen. Auf diese Weise kann der optische Kodierer von potentiell
schädlichen Betriebsbedingungen geschützt werden,
wie Staub, Schmutz, Tinte oder anderen Feinstaub, abhängig
von der Anwendung, in die der optische Kodierer implementiert ist.
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3A stellt
eine schematische perspektivische Sicht eines Ausführungsbeispiels
eines rechteckigen Detektors 64 dar, zur Verwendung in
dem optischen Kodierer von 2. Insbesondere
ist die Einheit des rechteckigen Detektors 64 gezeigt,
und das Substrat 66 und die Lichtsensorgruppe 68 sind
innerhalb der Einheit angebracht. Der dargestellte rechteckige Detektor 64 weist
eine Öffnung 70 auf, die sich durch die gesamte
Struktur des Detektors 64 erstreckt, einschließlich
des Substrats 66 und der Einheit. Obwohl die Lichtsensorgruppe 68 und
das Fenster 69 in 3A nicht
gezeigt sind, stellt 3B eine schematische Draufsicht
eines Ausführungsbeispiels eines rechteckigen Detektors 64 mit
einer kreisförmigen Lichtsensorgruppe 68 dar,
die die Öffnung 70 umschreibt, die sich durch
den Detektor 64 erstreckt. In der dargestellten Lichtsensorgruppe 68 von 3B sind
die einzelnen Fotodioden ersichtlich. Es sollte auch angemerkt werden,
dass, obwohl Ausführungsbeispiele eines Inkrementalkodierers
gezeigt sind und hierin beschrieben sind, andere Ausführungsbeispiele
des durchlässigen optischen Kodierersystems 50 andere
Arten von Kodierern implementieren können, einschließlich
eines inkrementalen Kodierers für Mehrfachkanäle,
einem Kommutationskodierer mit Vielfachkanälen, einem pseudoabsoluten
Kodierer, einem absoluten Kodierer oder einer anderen Art von Kodierer.
Zusätzliche Einzelheiten der Funktionalität der
Lichtsensorgruppe 68 sind unten unter Bezugnahme auf 9 genauer
beschrieben.
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Obwohl
die Öffnung 70 mit einem im Wesentlichen kreisförmigen
Querschnitt gezeigt ist, können andere Ausführungsbeispiele
des Detektors 64 Öffnungen mit anderen Formen
und Größen von Öffnungen haben. Beispielsweise
weisen manche Ausführungsbeispiele des Detektors 64 Öffnungen 70 mit rechteckigen,
quadratischen, dreieckigen oder ovalen Querschnitten auf. Andere
Ausführungsbeispiele des Detektors weisen Öffnungen 70 mit
nichtkanonischen Formen auf, beispielsweise um mit der Form eines
herausragenden Teilbereichs des Motorgehäuses übereinzustimmen.
Zusätzlich weisen andere Ausführungsbeispiele
mehr als eine Öffnung auf, um mehrere Strukturen (zum Beispiel
die Welle 16, die sich durch den Detektor 64 erstrecken,
aufzunehmen).
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4 stellt
eine schematische perspektivische Sicht eines anderen Ausführungsbeispiels
eines rechteckigen Detektors 72 mit einer Offset-Öffnung 74 zur
Verwendung in dem optischen Kodierer von 2 dar. Obwohl
die Form und Größe der Öffnung 74 im
Wesentlichen ähnlich zu der Form und Größe
der Öffnung 70 des Detektors 64 gezeigt
in 3 ist, ist die Öffnung 74 versetzt,
so dass sie näher zu einer Kante des Detektors 72 ist.
Dieses Ausführungsbeispiel kann eine einfachere Anordnung
für den Schaltkreis innerhalb des Detektors 72 verglichen
mit dem Detektor 64 von 3 ermöglichen.
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5 stellt
eine schematische perspektivische Sicht eines anderen Ausführungsbeispiels
eines rechteckigen Detektors 76 mit abgeschrägten Ecken
zur Verwendung in dem optischen Kodierer von 2 dar. Die
Ecken des rechteckigen Detektors 76 sind abgeschrägt,
so dass der Gesamtplatzbedarf des Detektors 76 kleiner
ist verglichen zu dem rechteckigen Detektor derselben Größe
ohne abgeschrägte Ecken. Ausführungsbeispiele
mit abgeschrägten Ecken können sich besser an
zylindrische Gehäuse von manchen Motoren anpassen.
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6 stellt
eine schematische perspektivische Sicht eines Ausführungsbeispiels
eines kreisförmigen Detektors 78 zur Verwendung
in dem optischen Kodierer von 2 dar. Insbesondere
hat der kreisförmige Detektor 78 eine zylindrische
Form. Wie der rechteckige Detektor 76 mit abgeschrägten Ecken
kann sich der kreisförmige Detektor 78 besser an
zylindrische Gehäuse von manchen Motoren anpassen. Das
Verwenden von verschiedenen Formen für verschiedene Implementierungen
kann einen erhöhten Detektorbereich in den relativ kleinen
Anwendungsbereichen bereitstellen. In anderen Worten erlauben es
verschiedene Formen von Detektoren dem optischen Kodierer, sich
in kleine Formfaktorimplementierungen einzufügen.
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7 stellt
ein schematisches Schaltkreisdiagramm eines Ausführungsbeispiels
eines optischen Kodierers 100 zur Verwendung in dem durchlässigen optischen
Kodierersystem 50 von 2 dar. Das
dargestellte durchlässige optische Kodierersystem 100 weist
ein Coderad 104, einen Kodierer 106, einen Dekodierer 108 und
einen Mikroprozessor 110 auf. Das Coderad 104 ist
im Wesentlichen ähnlich zu dem Coderad 54 von 2.
Obwohl eine detailliertere Beschreibung des Coderads 104 unten
mit Bezugnahme auf 8 bereitgestellt wird, wird
hier eine kurze Erklärung als Zusammenhang für
den Betrieb des durchlässigen optischen Kodierersystems 100 gezeigt
in 7 bereitgestellt.
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Im
allgemeinen weist das Coderad 104 eine Spur 140 von
durchlässigen Abschnitten 142 und nicht durchlässigen
Abschnitten 144 auf. Ein Emitter 120 in dem Kodierer 106 erzeugt
Licht (das heißt ein Lichtsignal), das auf die Coderadspur 140 einfällt. Während
das Coderad 104 rotiert wird, beispielsweise durch eine
Motorwelle 16, wird das einfallende Licht durch das Coderad 104 hindurch
durch die durchlässigen Abschnitte 142 der Spur 140 geleitet, aber
wird nicht durch die nicht durchlässigen Abschnitte 144 der
Spur 140 geleitet. Daher wird das Licht durch die Spur 140 hindurch
in einem modulierten Muster (das heißt An-Aus-An-Aus) geleitet.
Ein Detektor 130 in dem Kodierer 106 detektiert
das modulierte Lichtsignal und erzeugt als Antwort darauf ein oder
mehrere periodische Kanalsignale (zum Beispiel CHA und
CHB). In einem Ausführungsbeispiel werden
diese Kanalsignale dann zu dem Dekodierer 108 geleitet,
der ein Zählsignal erzeugt und das Zählsignal
an den Mikroprozessor 110 leitet. Der Mikroprozessor 110 verwendet
das Zählsignal, um die Bewegung von beispielsweise der
Motorwelle 16 oder eines anderen bewegenden Teils, an den
das Coderad 104 gekoppelt ist, auszuwerten. Andere Ausführungsbeispiele
können andere Arten von Coderädern 104 implementieren,
wie mehrspurige und Absolut-Positionscoderäder, wie sie
in der Technik bekannt sind.
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In
einem Ausführungsbeispiel weist der Kodierer 106 den
Emitter 120 und den Detektor 130 auf. Der Emitter 120 weist
eine Lichtquelle 122 auf, wie eine Licht emittierende Diode
(LED). Der Einfachheit halber ist die Lichtquelle 122 hier
als eine LED beschrieben, obwohl andere Lichtquellen oder mehrere Lichtquellen
implementiert werden können. In einem Ausführungsbeispiel
wird die LED 122 durch ein Treibersignal, VLED,
durch einen Strom begrenzenden Widerstand, RL, angetrieben. Die
Einzelheiten von solchen Treiberschaltkreisen sind bekannt. Manche Ausführungsbeispiele
des Emitters 120 können auch eine Kollimationslinse 124 (im
Wesentlichen ähnlich zu der Kollimationslinse 62 von 2)
aufweisen, die mit der LED 122 ausgerichtet ist, um das
projizierte Licht in einem bestimmten Pfad oder ein Muster zu leiten.
Beispielsweise kann die Kollimationslinse 124 annähernd
parallele Lichtstrahlen auf die Coderadspur 140 leiten.
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In
einem Ausführungsbeispiel weist der Detektor 130 eine
oder mehrere Lichtsensoren 132 wie Fotodioden auf. Die
Lichtsensoren 132 können beispielsweise in einem
integrierten Schaltkreis (IC) implementiert sein. Der Einfachheit
halber sind die Lichtsensoren 132 hierin als Fotodioden
beschrieben, obwohl andere Arten von Lichtsensoren 132 implementiert
sein können. In einem Ausführungsbeispiel sind
die Fotodioden 132 einzigartig ausgebildet, um ein spezifisches
Muster oder Wellenlänge von übertragenem Licht
zu detektieren. In manchen Ausführungsbeispielen können
mehrere Fotodioden 132 verwendet werden, um modulierte
Lichtsignale von mehreren Spuren 140 zu detektieren, einschließlich Lagespuren
und Indexspuren oder einer kombinierten Lage- und Indexspur. Die
Fotodioden 132 können auch in einem Muster angeordnet
sein, das mit dem Radius und der Bauart des Coderads 104 entspricht. Die
verschiedenen Muster von Fotodioden 132 werden hierin auch
als Lichtsensorgruppe bezeichnet.
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Die
elektrischen Signale, die von den Fotodioden 132 produziert
werden, werden von einem Signalverarbeitungsschaltkreis 134 verarbeitet,
der die Kanalsignale, CHA und CHB, erzeugt. Der Signalverarbeitungsschaltkreis 134 kann
auch andere Signale erzeugen, einschließlich anderer Kanalsignale,
ergänzender Kanalsignale oder einem indexierenden Signal,
das verwendet werden kann, um die Rotationsposition oder die Anzahl
an Rotationen des Coderads 104 zu bestimmen.
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In
einem Ausführungsbeispiel weist der Detektor 130 auch
einen oder mehrere Vergleicher (nicht gezeigt) auf, um die Erzeugung
der Kanalsignale zu vereinfachen. Beispielsweise können
analoge Signale (und ihre Komplemente) von den Fotodioden 132 durch
die Vergleicher in zu Transistor-Transistor-Logik (TTL) kompatiblen,
digitale Ausgangssignale umwandeln. In einem Ausführungsbeispiel können
diese Ausgangskanalsignale Anzahl und Richtungsinformation für
das modulierte Lichtsignal bezeichnen.
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Zusätzlich
kann der Kodierer 106 eine Detektorlinse 136 aufweisen,
um das modulierte Lichtsignal in Richtung der Photodioden 132 zu
richten. In einem Ausführungsbeispiel ist die Detektorlinse 136 für eine
bessere Lichtextraktion und um eine ausreichende Energiezuleitung
auf den Detektor 130 sicherzustellen vor dem Detektor 130 angebracht.
Verschiedene Ausführungsbeispiele der Detektorlinse 136 können
wie unten beschrieben implementiert werden.
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Zusätzliche
Details von Emittern, Detektoren, und optischen Kodierern im Allgemeinen
können bezeichnet sein in den
US Patenten 4,451,731 ,
4,691,101 und
5,241,172 , die hierin durch Bezugnahme
aufgenommen sind.
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8 stellt
ein schematisches Teildiagramm eines Ausführungsbeispiels
eines Coderads 104 dar. Insbesondere stellt 8 einen
Teilbereich eines kreisförmigen Coderads 104 in
Gestalt einer Scheibe dar. In einigen Ausführungsbeispielen
kann das Coderad 104 in Gestalt eines Rings anstatt einer
Scheibe sein. Das dargestellte Coderad 104 weist eine Spur 140 auf,
die eine kreisförmige Spur sein kann, die konzentrisch
mit dem Coderad 104 ist. In einem Ausführungsbeispiel
weist die Spur 140 ein durchgehendes wiederholendes Muster
auf, das die ganze Strecke um das Coderad 104 herumgeht.
Das dargestellte Muster weist abwechselnd durchlässige
Abschnitte 142 und nicht durchlässige Abschnitte 144 auf,
obwohl andere Muster implementiert sein können. In einem
Ausführungsbeispiel sind die durchlässigen Abschnitte 142 durchsichtige
Abschnitte des Coderads 104 oder alternativ Lücken,
beispielsweise Löcher, in dem Coderad 104. Die
nicht durchlässigen Abschnitte 144 sind zum Beispiel
undurchsichtige Abschnitte in dem Coderad 104 oder alternativ
reflektierende Abschnitte in dem Coderad 104. In einem Ausführungsbeispiel
sind die den nicht durchlässigen Abschnitten 144 entsprechenden
Oberflächenbereiche mit einem absorbierenden Material bedeckt.
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In
einem anderen Ausführungsbeispiel kann ein kreisförmiges
Codierelement
104 mit einem schraubenförmigen
Gittermuster implementiert sein, wie in
US Patent 5,017,776 beschrieben, das
hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Alternativ können
andere Lichtmodulationsmuster auf verschiedenen Formen von Codierelementen
implementiert sein.
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Wie
oben beschrieben resultiert die Rotation des Coderads 104 und
somit die Spur 140 in einer Modulation des übertragenen
Lichtsignals an dem Detektor 130, um Lageänderungen
des Coderads 104 zu messen. Andere Ausführungsbeispiele
des Coderads 104 können andere Spuren wie zusätzliche
Lagespuren oder eine Inhaltsspur aufweisen, wie es in der Technik
bekannt ist.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel haben die durchlässigen
und die nicht durchlässigen Spurabschnitte 142 und 144 dieselben
Umfangsdimensionen (auch als Breitendimension bezeichnet). In anderen
Worten haben die dazwischenliegenden nicht durchlässigen
Spurabschnitte 144 dieselbe Breitendimension wie die durchlässigen
Spurabschnitte 142. Die Auflösung des Coderads 104 ist eine
Funktion der Breitendimensionen (wie durch die Spannweite „x” angezeigt
ist) der Spurabschnitte 140 und 142. In einem
Ausführungsbeispiel sind die Breitendimensionen der nicht
durchlässigen Spurabschnitte 144 eine Funktion
des Wertes des Bereichs, der benötigt wird, um einen detektierbaren
Abstand zwischen den aufeinander folgenden übertragenen Lichtimpulsen
zu erzeugen. Die radialen oder Höhendimensionen (wie durch
die Spannweite „y” angezeigt ist) der durchlässigen
und nicht durchlässigen Spurabschnitte 140 und 42 sind
eine Funktion des Wertes des Bereichs, der benötigt wird,
um einen ausreichenden Betrag an Fotostrom zu erzeugen (beispielsweise
je mehr Fotostrom benötigt wird, desto größer
ist der benötigte Bereich und somit desto größer
muss „y” sein, da der Bereich „x” mal „y” ist). Üblicherweise
ist die „y”-Dimension im wesentlichen größer
vorgesehen als die Höhe der Fotodioden 132.
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9 stellt
eine schematische Anordnung eines Ausführungsbeispiels
einer Lichtsensorgruppe 150 relativ zu der Coderadspur 140 dar.
Die Lichtsensorgruppe 150 wird auch als Fotodiodengruppe
bezeichnet. Eine Darstellung der Coderadspur 140 ist mit
der Lichtsensorgruppe 150 überlagert, um exemplarische
Dimensionen der individuellen Lichtsensorgruppenelemente (das heißt
Fotodioden 132) in Bezug auf die Abschnitte der Coderadspur 140 darzustellen.
Obwohl die Lichtsensorgruppe 150 einer kreisförmigen
Coderadspur 140 entspricht, können andere Ausführungsbeispiele
eine Lichtsensorgruppe 150 implementieren, die angeordnet
ist, um sich mit einer linearen Spur eines Codebandes zu decken.
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Die
dargestellte Lichtsensorgruppe 150 weist verschiedene individuelle
Fotodioden auf, einschließlich einer A-Signal-Fotodiode 152,
um ein A-Signal zu erzeugen, einer B-Signal-Fotodiode 154, um
ein B-Signal zu erzeugen, einer A/-Signal-Fotodiode 156,
um ein A/-Signal zu erzeugen, und eine B/-Signal-Fotodiode 158,
um ein B/-Signal zu erzeugen. Zur Klarstellung liest sich „A/” als „A-Querstrich” und „B/” als „B-Querstrich”.
Diese Bezeichnung für Positionsfotodioden 152, 154, 156 und 158 und
die entsprechenden elektrischen Signalen, die durch die Positionsfotodioden 152, 154, 156 und 158 erzeugt werden,
sind in der Technik bekannt. Die Umfangsdimensionen (auch als die
Breitendimensionen, angezeigt durch die Spannweite „w”)
der Positionsfotodioden 152, 154, 156 und 158 sind
auf die Breitendimensionen der Positionsspurabschnitte 142 und 144 der entsprechenden
Coderadspur 140 bezogen. In dem Ausführungsbeispiel
von 9 hat jede Positionsfotodiode 152, 154, 156 und 158 eine
Breite, die die Hälfte der Breite der durchlässigen
und nicht durchlässigen Spurabschnitte 142 und 144 der
entsprechenden Positionsspur 140 ist (das heißt, „w” ist gleich „x/2”).
Andere Ausführungsbeispiele der Lichtsensorgruppe 150 können
andere Lichtsensoren 132 aufweisen, wie sie in der Technik
bekannt sind.
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10 stellt
ein schematisches Flußdiagramm eines Ausführungsbeispiels
eines Verfahrens 170 zum Zusammenbauen des durchlässigen
optischen Kodierersystems 50 von 2 dar. Obwohl speziell
auf das durchlässige optische Kodierersystem 50 von 2 Bezug
genommen wird, können manche Ausführungsbeispiele
des Verfahrens 170 in Zusammenhang mit anderen optischen
Kodierersystemen implementiert werden.
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Bei
Block 172 wird ein Detektor 64 auf einer Motorwelle 16 angebracht.
Wie oben erklärt weist der Detektor 64 eine Öffnung
für eine Radialwelle 16 auf, um sich durch die Öffnung
des Detektors 64 zu erstrecken. Der Detektor 64 ist
auch angebracht, um Licht von einem Emitter 60 zu empfangen,
der angebracht werden kann, nachdem der Detektor 64 an
der Motorwelle 16 angebracht ist. Bei Block 174 wird
ein Kodierelement wie ein Coderad 54 (oder das Coderad 104)
an der Radialwelle 16 angebracht. Bei Rotation der Radialwelle 16 dreht
sich das Coderad 54 und moduliert somit das an dem Detektor 64 einfallende
Lichtsignal. Auf diese Weise detektiert der Detektor 64 das
modulierte Lichtsignal von dem Emitter 60 durch das Coderad 54 während
des Betriebs des durchlässigen optischen Kodierersystems 50.
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Bei
Block 172 wird ein Emitter 60 bereitgestellt.
Der Emitter 60 ist konfiguriert, um ein Lichtsignal zu
erzeugen. Ein Beispiel eines Emitters 60 ist eine LED,
die mit einer Kollimationslinse 62 gekoppelt sein kann,
obwohl andere Arten von Lichtquellen implementiert sein können.
In einem Ausführungsbeispiel ist der Emitter 60 an
einem Gehäuse oder einer anderen Struktur, um den Emitter 60 zu
halten, angebracht. Das dargestellte Verfahren endet dann.
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Obwohl
die Abläufe des dargestellten Verfahrens 170 in
einer bestimmten Reihenfolge gezeigt und beschrieben sind, soll
angemerkt werden, dass manche Ausführungsbeispiele des
Verfahrens 170 die Abläufe in einer anderen Reihenfolge
implementieren. Zum Beispiel können manche Ausführungsbeispiele
mehrere Abläufe zur im wesentlichen selben Zeit implementieren,
zum Beispiel durch Anbringen eines vorgefertigten Schaltkreises
an die Motorwelle 16.
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11 stellt
ein schematisches Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels
eines Verfahrens 180 zum Anfertigen eines Detektors 64 für
den optischen Kodierer von 2 dar. Obwohl
speziell Bezug auf den optischen Kodierer von 2 genommen
wird, können manche Ausführungsbeispiele des Verfahrens 180 in
Zusammenhang mit anderen optischen Kodierern implementiert werden.
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Bei
Block 182 wird eine Öffnung durch ein Substrat 66 gebildet.
Bei Block 184 wird die Lichtsensorgruppe 68 auf
dem Substrat 66 angebracht. Wie hierin verwendet, kann
sich der Begriff anbringen auf das Verbinden von zwei Strukturen
beziehen, ist aber nicht notwendigerweise auf das Verbinden oder
Koppeln von separaten Strukturen beschränken. Anbringen
kann auch das Herstellen einer Struktur von einer anderen beinhalten.
In einem Ausführungsbeispiel werden die Öffnung
und die Lichtsensorgruppe 68 in dem Substrat 66 während
der Halbleiterchip für eine IC oder eine IC-Einheit gebildet.
Durch das Bilden der Öffnung während der Halbleiterchipherstellung
kann die Lage der Lichtsensorgruppe 68 relativ zu der Öffnung
präzise dimensioniert und auf dem Substrat 66 positioniert
werden. Somit kann das direkte Anbringen eines solchen Substrats 66 an
der Radialwelle 16 Toleranz-Aufhäufung verringern.
Da radialer und tangentialer Versatz die Leistung des Detektors 64 in
einem kleinen optischen Radiussystem beeinträchtigen kann,
ist eine präzise Ausrichtung der Lichtsensorgruppe 68 relativ
zu der Radialwelle 16, und somit dem Coderad 54 vorteilhaft.
Ein solches präzises Positionieren kann auch eine erhöhte
Kodiererauflösung ermöglichen, da die Fotodiodenspuren
nahe beieinander angeordnet werden können.
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Bei
Block 186 wird das Substrat 66 in einer Einheit
oder einem Gehäuse angebracht. Die Einheit hat eine Öffnung
entsprechend der Öffnung in dem Substrat 66. Somit
fluchten beziehungsweise sind die Öffnungen des Substrats 66 und
der Einheit angepasst, um es der Radialwelle 16 zu erlauben,
sich durch den Detektor 64 zu erstrecken. Es sollte angemerkt
werden, dass, wie auch immer, manche Ausführungsbeispiele
des Detektors 64 ohne Verwendung einer separaten Detektoreinheit
implementiert werden können. In der Tat kann der Detektor 64 unter Verwendung
einer Vielzahl von Technologien implementiert werden. Eine beispielhafte
Implementierung für den Detektor 64 weist IC Chips
mit einer normalen Drahtverbindung und Verkapselung, um die Kabelverbindungen
zu schützen, auf, aber ist nicht darauf beschränkt.
Eine andere beispielhafte Implementierung für den Detektor 64 weist
einen Flip Chip oder Halbleiterchip mit einer Unterfüllung
auf, um die Ballverbindung zu schützen.. Eine andere beispielhafte Implementierung
für den Detektor 64 weist ein Chip Scale Package
(CSP) oder irgendeine andere IC Einheit auf. Andere Arten von Detektoren
können auch implementiert werden.
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Bei
Block 188 wird die Einheit auf einem flexiblen Schaltkreis 56 angebracht.
Bei Block 190 wird auch ein Emitter 60 auf dem
flexiblen Schaltkreis 56 angebracht. In einem Ausführungsbeispiel
wird der Emitter 60 an dem flexiblen Schaltkreis 56 in
einer Position angebracht, um ein Lichtsignal von dem Emitter 60 auf
die Lichtsensorgruppe 66 des Detektors 64 zu richten.
Alternativ kann der flexible Schaltkreis 56 in einer anderen
Art angeordnet werden, um das Lichtsignal von dem Emitter 60 auf
die Lichtsensorgruppe 66 des Detektors 64 zu richten.
Das dargestellte Verfahren endet dann.
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12 stellt
ein schematisches Blockdiagramm eines anderen Ausführungsbeispiels
eines durchlässigen optischen Kodierersystems 50 von 2 dar.
Im Gegensatz zu dem durchlässigen optischen Kodierersystem 50 von 2 weist
das dargestellte durchlässige optische Kodierersystem 50 gezeigt
in 12 einen integrierten Schaltkreis (IC) 192 mit
einer integrierten Lichtsensorgruppe auf. Auf diese Weise ist die
Lichtsensorgruppe in einem Chip 192 mit dem Schaltkreis
integriert. Entsprechend kann der blanke Chip oder Nacktchip 192 Die
befestigt und Draht verbunden auf dem flexiblen Kabel 56 (oder
einem anderen Substrat) sein. In einem Ausführungsbeispiel
hat der Chip 192 eine axiale Durchgangsbohrung, um auf
der Motorwelle 16 angebracht zu werden. In manchen Implementierungen
beansprucht dieses Ausführungsbeispiel einen relativ kleinen
Bereich von Silikon, so dass es möglich ist, das durchlässige
optische Kodierersystem 50 auf einem kleinen Motor 18 anzubringen.
Zusätzlich, ähnlich zu dem oben beschriebenen
Detektor 64, kann der Chip quadratisch, quadratisch mit
abgeschrägten Ecken, rund oder eine andere Form geeignet
zum Anbringen auf einem bestimmten Motor 18 sein. Andere
Ausführungsbeispiele können andere Einheiten oder
Gehäuse verwenden, wie Chip Scale Packaging (CSP), Quad
Flat no-lead (QFN) oder eine andere Art von transparenter Einheit
oder Gehäuse. In allen Ausführungsbeispielen weisen
die Einheiten eine axiale Durchgangsbohrung auf, um das den durchlässigen optischen
Kodierer 50 auf der Motorwelle 16 anzubringen.
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Es
sollte angemerkt werden, das zahlreiche Formen des optischen Kodierers,
der hierin beschrieben ist, in verschiedenen Arten von Anwendungen implementiert
werden können. Zum Beispiel können manche Ausführungsbeispiele
des optischen Kodierers einen inkrementalen Kodierer oder Inkrementalkodierer
für zwei oder drei Kanäle oder einer anderen Anzahl
von Kanälen implementieren. Andere Ausführungsbeispiele
des optischen Kodierers können einen Kommutationskodierer
mit sechs Kanälen oder einer anderen Anzahl von Kanälen
implementieren. Andere Ausführungsbeispiele des optischen
Kodierers können einen pseudo-absoluten Kodierer implementieren.
Andere Ausführungsbeispiele des optischen Kodierers können
einen absoluten Kodierer implementieren. Andere Ausführungsbeispiele
des optischen Kodierers können andere Arten von Kodierern
implementieren.
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Zusätzlich
können verschiedene Ausführungsbeispiele des optischen
Kodierers einen oder mehrere Vorteile aufweisen. Zum Beispiel vereinfachen
manche Ausführungsbeispiele die Implementierung eines relativ
kleinen Formfaktors, um in kleine Rotationsysteme zu passen. Miniaturisierung
kann weiterhin mit der Weiterentwicklung von kleineren Transistorgrößen
in Halbleitern angebracht sein. Als ein andere Beispiel ermöglichen
manche Ausführungsbeispiele ein durchlässiges
System für Hochfrequenzanwendungen ohne die Gesamtgröße
des durchlässigen optischen Kodierers zu opfern. Als ein anderes
Beispiel reduzieren oder verhindern manche Ausführungsbeispiele
Positionsfehler, die aus einer Außermittigkeit resultieren.
Als ein anderes Beispiel ermöglichen manche Ausführungsbeispiele
eine Einfachheit in einer Abwärtsanordnung eines durchlässigen
optischen Kodierers.
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Obwohl
die Abläufe des/der Verfahren(s) hierin in einer bestimmten
Reihenfolge gezeigt und beschrieben sind, kann die Reihenfolge der
Abläufe jedes Verfahrens geändert werden, so dass
gewisse Abläufe in einer inversen Reihenfolge ausgeführt werden
können oder so dass gewisse Abläufe zumindest
teilweise gleichzeitig mit anderen Abläufen ausgeführt
werden können. In einem anderen Ausführungsbeispiel
können Anweisungen oder Unter-Abläufe von bestimmten
Abläufen in einer intermittierenden und/oder alternierenden
Art implementiert sein.
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Obwohl
bestimmte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben
und dargestellt wurden, ist die Erfindung nicht auf die bestimmten
Formen oder Anordnungen von Teilen wie beschrieben und dargestellt
beschränkt. Der Umfang der Erfindung ist durch die angefügten
Ansprüche und ihre Äquivalente definiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4451731 [0023, 0043]
- - US 4691101 [0023, 0043]
- - US 5241172 [0023, 0043]
- - US 5017776 [0045]