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Die Erfindung betrifft eine optische Messvorrichtung zur Ermittlung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.
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Aus dem Stand der Technik sind Winkelsensoren bekannt, welche in einem Fahrzeug beispielsweise zur Ermittlung eines Lenkwinkels eingesetzt werden können. Die Winkelsensoren sind direkt oder über mindestens ein angetriebenes Element, wie z. B. einem Zahnrad, mit der antreibenden Lenkwelle gekoppelt, wobei die Detektion des Winkels durch magnetische oder optische Sensoreinheiten erfolgt.
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Typischerweise werden für die Winkelbestimmung mit Sensoren auf optischer Basis so genannte Encoder verwendet, die mit einer im Bereich des Umfangs codierten Scheibe arbeiten. Die Scheibe ist dabei an der Lenksäule angeordnet, und zwar so, dass sie sich typischerweise direkt mit derselben mitdreht.
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Als nachteilig kann bei optischen Sensoreinheiten angesehen werden, dass die Codescheiben, entweder präzise in ihren Drehachsen gelagert sein müssen, um die am Umfang befindlichen Strichcodes auf der Scheibe mit der Sensorik ausreichend genau zur Deckung zu bringen, um den entsprechenden Winkelcode zu erzeugen, oder wenn eine entsprechende präzise Lagerung nicht möglich ist, ein Verfahren sensorseitig vorzusehen ist, das das System unempfindlich macht für radiale und oder axiale Toleranzen der Codescheibe.
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Als nachteilig kann ebenfalls angesehen werden, dass die erreichbare Auflösung mit solch einer Anordnung von der gewählten „Feinheit” der Codierung abhängt, was sich entsprechend auf das zu wählende Fertigungsverfahren für die Codescheibe auswirkt, womit für hochauflösende Systeme meist bedampfte Glasscheiben zum Einsatz kommen, die wiederum aus Kostengründen für eine Anwendung im Automotivbereich zu kostspielig sind.
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Alternativ werden im Automobilbereich häufig magnetische Prinzipien verwendet, die aus der Orientierung einer Magnetfeld-Komponente eines Magneten, der quasi als Codescheibe verwendet wird, zu einem entsprechenden Sensor eine Winkelstellung ermitteln.
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Bei magnetischen Sensoreinheiten kann als nachteilig angesehen werden, dass sich umfangscodierte „Codescheiben” nur mit hohem Kostenaufwand realisieren lassen, da ein gewisses Magnetvolumen bzw. Magnetquerschnitt erforderlich ist, um die entsprechenden Feldstärken zu erreichen. Bezüglich der Genauigkeit können bei der Verwendung von Multipolmagneten oder Magnetringen neben Exzentrizitätsfehler der Anordnung noch so genannte Polteilungsfehler auftreten. Zudem sind die Pole selbst nicht beliebig „fein” darstellbar, was wiederum Einfluss auf die erzielbare Genauigkeit und Auflösung haben kann.
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Aus der
DE 10 2005 031 966 B4 sind ein Verfahren zur Herstellung eines polarisationsempfindlichen Filters und ein korrespondierender polarisationsempfindlicher Filter mit gezielter Ausdehnung und Orientierung für CCD- oder CMOS-Bildsensoren bekannt. Durch das beschriebenen Verfahren können polarisationsempfindliche Filter hergestellt werden, welche exakt abgegrenzte Filterflächen mit bekannten unterschiedlichen Orientierungen bzw. optisch polarisierenden Wirkungen aufweisen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine optische Messvorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art, dahingehend weiterzuentwickeln, dass eine gegen sensortypische axiale und radiale Toleranzen möglichst unempfindliche optische Messvorrichtung ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine optische Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere die Ausführungsformen der Erfindung in vorteilhafter Weise ausgestaltende Merkmale enthalten die Unteransprüche.
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Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, dass die Polarisationsinformation von Licht zur Ermittlung einer Winkelstellung eines rotierenden Bauteils verwendet wird. Außerdem sind Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung unempfindlich gegenüber sensortypischen axialen und radialen Toleranzen. Des Weiteren ist es prinzipbedingt bei einer planen Anordnung zur Winkelermittlung nicht erforderlich, dass die Drehachse des rotierenden Bauteils, dessen Drehwinkel zu ermitteln ist, gleich der sensorischen Achse der optische Messvorrichtung ist. Zudem ist eine Abschirmung gegen äußere Einflüsse, wie beispielsweise Fremdlichteinfall, in vorteilhafter Weise durch einfache mechanische Vorkehrungen möglich. Des Weiteren wird die erreichbare Auflösung lediglich durch einen Extinktionsfaktor zwischen dem mindestens einen Polarisator und dem optischen Empfänger begrenzt. In vorteilhafter Weise sind Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung weitgehend unempfindlich gegenüber Intensitätsschwankungen, da die Polarisationsinformation und nicht ausschließlich die Intensität des Lichtes ausgewertet wird.
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Der Grundgedanke der Erfindung basiert auf der Polarisation als auswertebare Eigenschaft der Lichtwellen. Die Polarisation gibt die Orientierung des Amplitudenvektors senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Lichtwelle an (Transversalwelle). Ein Polarisator ist eine optische Komponente, die nur das Licht durchlässt, welches in der Polarisationsrichtung der Komponente polarisiert ist, der andere Anteil wird blockiert.
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Eine erfindungsgemäße optische Messvorrichtung zur Ermittlung von Drehwinkeln an einem rotierenden Bauteil, welches mit einer drehbaren Codescheibe gekoppelt ist, umfasst mindestens eine Lichtquelle, welche Lichtstrahlen erzeugt und durch die Codescheibe zu mindestens einem optischen Empfänger überträgt, welcher die empfangenen Lichtstrahlen zur Ermittlung eines Drehwinkels des rotierenden Bauteils auswertet. Erfindungsgemäß ist die Codescheibe als linearer Polfilter ausgeführt, welcher die unpolarisierten Lichtstrahlen der mindestens einen Lichtquelle in polarisierte Lichtstrahlen umwandelt, wobei der optische Empfänger einen polarisationsempfindlichen Filter umfasst, welcher mindestens einen Polarisator ausbildet, wobei der mindestens eine optische Empfänger die Polarisation der durch den mindestens einen Polarisator gefilterten polarisierten Lichtstrahlen zur Ermittlung des Drehwinkels des rotierenden Bauteils auswertet.
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Die Polarisation einer Lichtwelle ist mathematisch beispielsweise durch eine Polarisationsellipse, den Jones-Vektor (Zwei-Komponenten-Vektor) oder den Stokes-Vektor (Vier-Komponenten-Vektor) beschreibbar, wobei letzterer den Vorteil bietet, dass auch unpolariserte Lichtstrahlung repräsentiert wird.
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Bei der Verwendung der Polarisation als auswertebare Lichteigenschaft, ist es in vorteilhafter Weise möglich, einen polarisationsempfindlichen Filter mit unter verschiedenen Orientierungen zueinander angeordneten Polarisatoren für den optischen Empfänger zu verwenden.
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Um den Verlauf der Polarisation zu visualisieren wird häufig die so genannte Poincare-Kugel verwendet. Punkte auf ihrer Oberfläche werden durch die Stokes-Vektoren beschrieben, wobei sich alle Zustände linearer Polarisation (horizontal/vertikal unter beliebigem Winkel dazwischen) beispielsweise auf einer Äquatorlinie der Poincare-Kugel befinden.
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Bedingt durch die optischen Eigenschaften ist es unerheblich ob der mindestens eine optische Empfänger und die Codescheibe die gleiche Drehachse haben oder parallel zueinander liegende Drehachsen, der Drehwinkel kann immer gleich präzise ermittelt werden, da lediglich die Winkelorientierung der Polarisatoren zueinander entscheidend für die Intensität des durchgelassenen Lichts ist. Damit wären Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung unempfindlich gegenüber sensortypischen axialen und radialen Toleranzen.
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Des Weiteren sind Ausführungsformen der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung weitgehend unempfindlich gegenüber Gesamtintensitätsschwankungen, da der Winkel der Polarisation durch mehrfache Plausibilisierung ermittelt werden kann und nicht von einer einzelnen Intensität abhängig ist.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung kann der mindestens eine optische Empfänger bei der Auswertung Stokes-Vektoren und Müller-Matrizen und/oder einen Stokes-Müller-Formalismus zur Ermittlung des Drehwinkels verwenden. Zusätzlich oder alternativ kann der mindestens eine optische Empfänger bei der Auswertung Jones-Vektoren und Jones-Matrizen und/oder einen Jones-Formalismus zur Ermittlung des Drehwinkels verwenden. Zu diesem Zweck kann der optische Empfänger beispielsweise einen Mikroprozessor aufweisen, welcher entsprechende Softwareprogramme zur Ermittlung des Drehwinkels abarbeitet.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung kann der polarisationsempfindliche Filter mindestens zwei polarisationsempfindliche Filterflächen mit unterschiedlichen Polarisationswinkeln aufweisen, welche jeweils einen Polarisator ausbilden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung weist der polarisationsempfindliche Filter vier polarisationsempfindliche Filterflächen mit unterschiedlichen Polarisationswinkeln auf, welche jeweils einen Polarisator ausbilden, wobei jeder der Polarisatoren eine Komponente eines Stokes-Vektors repräsentiert. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, mindestens zwei Stokes-Komponenten des Stokes-Vektors direkt zu messen. Die Werte des Stokes-Vektors sind damit lediglich abhängig davon, in welcher Winkelrichtung polarisiertes Licht auf den optischen Empfänger trifft. Durch die als linearer Polfilter ausgeführte Codescheibe ist es dem optischen Empfänger in vorteilhafter Weise möglich, aus den Stokeskomponenten die Winkelstellung der Codescheibe zu ermitteln. Die dabei erzielbare Auflösung und Genauigkeit der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung ist lediglich durch den Extinktionsfaktor zwischen Polarisator und optischem Empfänger und die Präzision begrenzt, mit der die Lichtintensität im optischen Empfänger bestimmt werden kann. Treten dabei die Intensitätsschwankungen auf, die gelichmäßig auf alle Polarisatoren wirken, so beeinflussen diese die Ermittlung der Polarisationsrichtung nicht.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung ist eine Drehachse der Codescheibe gleich einer Sensorachse des mindestens einen optischen Empfängers. Das bedeutet, dass die mindestens eine Lichtquelle und der mindestens eine optische Empfänger zentral an der Codescheibe angeordnet sind. Alternativ kann die mindestens eine Lichtquelle und der mindestens eine optische Empfänger am Umfang der Codescheibe angeordnet werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung kann die Codescheibe direkt oder über mindestens ein angetriebenes Element, wie beispielsweise einem Zahnrad, mit dem rotierenden Bauteil gekoppelt werden, um dessen Drehwinkel zu erfassen.
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Die erfindungsgemäße optische Messvorrichtung wird beispielsweise zur Ermittlung eines aktuellen Lenkwinkels im Fahrzeug eingesetzt, so dass das rotierende Bauteil eine Lenkwelle ist.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung ist die mindestens eine Lichtquelle als organische LED (Light Emitting Diode) ausgebildet. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine kostengünstige und bauraumoptimierte Ausführung der mindestens einen Lichtquelle.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer zeichnerischen Darstellung näher erläutert.
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In der Darstellung zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung.
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2 eine schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung aus 1.
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3 eine schematische Darstellung eines polarisationsempfindlichen Filters für die optischen Messvorrichtungen aus 1.
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4 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung.
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Wie aus 1 bis 3 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte erste Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung 1 zur Ermittlung von Drehwinkeln an einem nicht dargestellten rotierenden Bauteil, eine drehbare Codescheibe 3, welche mit dem rotierenden Bauteil gekoppelt ist, mindestens eine Lichtquelle 10, welche Lichtstrahlen 12 erzeugt und durch die Codescheibe 3 zu mindestens einem optischen Empfänger 20 überträgt, welcher die empfangenen Lichtstrahlen 22 zur Ermittlung eines Drehwinkels des rotierenden Bauteils auswertet. Erfindungsgemäß ist die Codescheibe 3 als linearer Polfilter ausgeführt, welcher die unpolarisierten Lichtstrahlen 12 der mindestens einen Lichtquelle 10 in polarisierte Lichtstrahlen 22 umwandelt. Hierbei umfasst der optische Empfänger 20 einen polarisationsempfindlichen Filter 24, welcher mindestens einen Polarisator 24.1, 24.2, 24.3, 24.4 ausbildet. Zur Ermittlung des Drehwinkels des rotierenden Bauteils wertet der mindestens eine optische Empfänger 20 die Polarisation der durch den mindestens einen Polarisator 24.1, 24.2, 24.3, 24.4 gefilterten polarisierten Lichtstrahlen 22 aus.
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Die erfindungsgemäße optische Messvorrichtung wird vorzugsweise zur Ermittlung eines aktuellen Lenkwinkels in einem Fahrzeug eingesetzt, so dass das rotierende Bauteil, dessen aktuelle Drehstellung ermittelt werden soll, eine Lenkwelle des Fahrzeugs ist. Im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist die Codescheibe 3 über mindestens ein nicht dargestelltes angetriebenes Element mit dem rotierenden Bauteil gekoppelt. Alternativ kann die Codescheibe 3 auch direkt mit dem rotierenden Bauteil gekoppelt werden.
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Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, sind im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel die mindestens eine Lichtquelle 10 und der mindestens eine optische Empfänger 20 am Umfang der Codescheibe 3 angeordnet. Die mindestens eine Lichtquelle 10 ist vorzugsweise als organische LED (Licht Emitting Diode) ausgebildet.
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Wie aus 3 weiter ersichtlich ist, weist der polarisationsempfindliche Filter 24 mindestens zwei polarisationsempfindliche Filterflächen mit unterschiedlichen Polarisationswinkeln auf, welche jeweils einen Polarisator 24.1, 24.2, 24.3, 24.4 ausbilden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist der polarisationsempfindliche Filter 24 vier polarisationsempfindliche Filterflächen mit unterschiedlichen Polarisationswinkeln auf, welche jeweils einen Polarisator 24.1, 24.2, 24.3, 24.4 ausbilden. Hierbei repräsentiert jeder der Polarisatoren 24.1, 24.2, 24.3, 24.4 eine Komponente eines Stokes-Vektors. Daher verwendet der mindestens eine optische Empfänger 20 im dargestellten ersten Ausführungsbeispiel bei der Auswertung Stokes-Vektoren und Müller-Matrizen und/oder einen Stokes-Müller-Formalismus zur Ermittlung des Drehwinkels des rotierenden Bauteils. Zusätzlich oder alternativ kann der mindestens eine optische Empfänger 20 bei der Auswertung Jones-Vektoren und Jones-Matrizen und/oder einen Jones-Formalismus zur Ermittlung des Drehwinkels verwenden.
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Wie aus 4 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte zweite Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung 1' zur Ermittlung von Drehwinkeln an einem nicht dargestellten rotierenden Bauteil, analog zum ersten Ausführungsbeispiel, eine drehbare Codescheibe 3, welche mit dem rotierenden Bauteil gekoppelt ist, mindestens eine Lichtquelle 10', welche Lichtstrahlen 12 erzeugt und durch die Codescheibe 3 zu mindestens einem optischen Empfänger 20' überträgt, welcher die empfangenen Lichtstrahlen 22 zur Ermittlung eines Drehwinkels des rotierenden Bauteils auswertet. Erfindungsgemäß ist die Codescheibe 3 auch hier als linearer Polfilter ausgeführt, welcher die unpolarisierten Lichtstrahlen 12 der mindestens einen Lichtquelle 10' in polarisierte Lichtstrahlen 22 umwandelt. Hierbei umfasst auch der optische Empfänger 20' einen polarisationsempfindlichen Filter 24, welcher mindestens einen Polarisator 24.1, 24.2, 24.3, 24.4 ausbildet. Zur Ermittlung des Drehwinkels des rotierenden Bauteils wertet der mindestens eine optische Empfänger 20' die Polarisation der durch den mindestens einen Polarisator 24.1, 24.2, 24.3, 24.4 gefilterten polarisierten Lichtstrahlen 22 aus.
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Aufbau und Funktionsweise der einzelnen Komponenten des zweiten Ausführungsbeispiels entsprechen den im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel bereits beschriebenen Komponenten, so dass hier auf eine Wiederholung verzichtet wird. Der Unterschied zwischen dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel liegt nur in der Anordnung der mindestens einen Lichtquelle 10' und des mindestens einen optischen Empfängers 20'.
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Beim dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optischen Messvorrichtung 1' entspricht die Drehachse 5 der Codescheibe 3 einer Sensorachse des mindestens einen optischen Empfängers 20'. Das bedeutet, dass die mindestens eine Lichtquelle 10' und der mindestens eine optische Empfänger 20' im Zentrum der als linearer Polfilter ausgeführten Codescheibe 3 angeordnet sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005031966 B4 [0008]
