DE102012211944A1

DE102012211944A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Erfassung einer Winkelstellung

Info

Publication number: DE102012211944A1
Application number: DE201210211944
Authority: DE
Inventors: Jonathan Seybold; Heinz Kück; Karl-Peter Fritz
Original assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Current assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Priority date: 2012-07-09
Filing date: 2012-07-09
Publication date: 2014-01-09

Abstract

Eine Vorrichtung zur Erfassung einer Winkelstellung weist eine in einer Ebene gebildete segmentierte optische Struktur, eine Lichtquelle zum Erzeugen eines Lichtstrahls, der auf die optische Struktur fällt, und einen optischen Detektor, der angeordnet und ausgelegt ist, um eine Position des von der optischen Struktur abgelenkten Lichtstrahls 0-ter Ordnung, die von der Winkelstellung der optischen Struktur abhängt, zu erfassen. Die Segmente der segmentierten optischen Struktur sind in einem gleichen Winkel bezüglich der Ebene, in der die optische Struktur gebildet ist, geneigt. Die optische Struktur ist ausgelegt, um einen senkrecht zu der Ebene einfallenden Lichtstrahl abzulenken, wobei die Richtung des abgelenkten Lichtstrahls 0-ter Ordnung nicht senkrecht zu der Ebene ist und von der Winkelstellung der optischen Struktur abhängt.

Description

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit Vorrichtungen und Verfahren zur Erfassung einer Winkelstellung und insbesondere Vorrichtungen und Verfahren zur Erfassung einer Winkelstellung unter Verwendung einer Lichtquelle, einer optischen Struktur und eines optischen Detektors.
Optische Drehgeber sind in der Technik weit verbreitet. Sie dienen zur elektronischen Erfassung der Winkelstellung von Objekten, beispielsweise einer Welle. Drehgeber können beispielsweise auch dazu benutzt werden, von einem erfassten Drehwinkel abgeleitete Größen zu erfassen, wie beispielsweise eine Wegstrecke, eine Drehzahl, ein Drehmoment und dergleichen. Optische Drehgeber sind häufig nach dem Lichtschrankenprinzip aufgebaut, bei dem ein Lichtstrahl mit Hilfe einer Winkelscheibe abwechselnd unterbrochen oder durchgelassen wird. Eine Photodiode detektiert entsprechend abwechselnd hell und dunkel, woraus ein elektronisches Signal erzeugt wird. Bei Systemen mit hoher Genauigkeit muss die Winkelscheibe relativ zur Drehachse justiert werden, um einen Winkelfehler aufgrund einer Exzentrizität zwischen der Drehachse und dem Zentrum der Maßspur zu vermeiden.
Die DE 102009040790 A1 offenbart eine verbesserte Codierscheibe für einen optischen Drehwinkelgeber sowie ein Verfahren zur optischen Korrektur bzw. Kompensation eines Winkelmessfehlers eines optischen Drehgebers. Die Codierscheibe umfasst dabei zumindest eine Maßspur und zumindest eine Kompensationsspur.
Die DE 102008043556 A1 offenbart eine Positionsmesseinrichtung, die zur Erfassung der Position zweier zueinander rotatorisch beweglicher Objekte dient. Die Positionsmesseinrichtung umfasst eine um eine Rotationsachse rotierende periodische Gitter-Maßverkörperung, aus deren Abtastung sowohl Positionsinformationen bezüglich einer radialen als auch einer tangentialen Bewegung der Gitter-Maßverkörperung ableitbar sind. Exzentrizitätsfehler von Positionssignalen werden unter Verwendung von in einer Speichereinheit gespeicherten Korrekturwerten korrigiert.
In der DE 39 39 905 A1 ist ein Winkelgeber zur Bestimmung der Stellung eines drehbaren Bauteils gegenüber einer festen Anordnung beschrieben. Der Winkelgeber besteht aus einer fest angeordneten Lichtquelle, aus einer auf dem drehbaren Bauteil fest angeordneten Spiegelanordnung und aus einer Sensoranordnung. Zu Eliminierung der Einflüsse eines radialen Spiels wird vorgeschlagen, eine Spiegelanordnung mit vier Spiegeln zu verwenden, deren Neigungswinkel so ausgelegt sind, dass je ein Teillichtstrahl auf einen von vier ringförmigen Sensoren fällt.
In der DE 43 40 417 C2 ist ein optischer Drehstellungscodierer beschrieben, der eine Lichtquelle, ein Ablenkelement in Form eines Beugungsgitters und einen Detektor, der durch eine in Form eines Ringes gestaltete flache plattenförmige Photodiode gebildet ist, aufweist.
Ein optisches Gitter 10 in Form eines Rechteckgitters, wie es in der DE 42 40 417 C2 gelehrt wird, ist in 1 gezeigt. Ein entsprechendes optisches Gitter kann beispielsweise an einem rotierenden Objekt angebracht sein, um eine Drehung α des rotierenden Objekts zu erfassen. Ein solches lineares optisches Gitter beugt einen einfallenden Lichtstrahl 12, der von einer Lichtquelle 14 stammt, in unterschiedliche Beugungsordnungen. Ein gebeugter Lichtstrahl 16 stellt dabei einen gebeugten Lichtstrahl 0-ter Ordnung dar, während gebeugte Lichtstrahlen 18 und 20 gebeugte Lichtstrahlen ±1-ter Beugungsordnung darstellen. Bei einer geeigneten Wahl der Gittertiefe kann der gebeugte Lichtstrahl 0-ter Ordnung weitgehend unterdrückt werden. Bei einer Drehung des linearen Gitters 10 um einen bestimmten Winkel α drehen sich auch die gebeugten Lichtstrahlen +1-ter Ordnung um diesen Winkel α. Wird diese Drehbewegung der gebeugten Lichtstrahlen ±1-ter Ordnung mit einem optischen Detektor erfasst, kann auf diese Weise die Verdrehung des Gitters bestimmt werden.
Die Erfinder haben erkannt, dass eine solche Struktur, wie sie beispielsweise in der DE 43 40 417 C2 beschrieben ist, nachteilig dahin gehend ist, dass nur ein Winkel von maximal 180° absolut erfasst werden kann, da sich die Beleuchtungssituation nach 180° wiederholt. Somit muss der Winkel recht umständlich detektiert werden, weshalb eine kreisförmige Maßspur verwendet werden muss.
Die der vorliegende Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zu schaffen, die es ermöglichen, eine Winkelstellung auf einfache und hinsichtlich einer Exzentrizität einer verwendeten optischen Struktur unempfindliche Weise zu erfassen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 15 gelöst.
Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen eine Vorrichtung zur Erfassung einer Winkelstellung, mit folgenden Merkmalen:
einer in einer Ebene gebildeten segmentierten optischen Struktur, deren Segmente in einem gleichen Winkel bezüglich der Ebene, in der die optische Struktur gebildet ist, geneigt sind, die ausgelegt ist, um einen senkrecht zu der Ebene einfallenden Lichtstrahl abzulenken, wobei die Richtung des abgelenkten Lichtstrahls 0-ter Ordnung nicht senkrecht zu der Ebene ist und von der Winkelstellung der optischen Struktur abhängt;
einer Lichtquelle zum Erzeugen eines Lichtstrahls, der auf die optische Struktur fällt; und
einem optischen Detektor, der angeordnet und ausgelegt ist, um eine Position des von der optischen Struktur abgelenkten Lichtstrahls 0-ter Ordnung, die von der Winkelstellung der optischen Struktur abhängt, zu erfassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen ein Verfahren zum Erfassen einer Winkelstellung, mit folgenden Merkmalen:
Richten eines Lichtstrahls auf eine in einer Ebene gebildete segmentierte optische Struktur, so dass der Lichtstrahl senkrecht zu der Ebene einfällt, wobei die Segmente der optischen Struktur in einem gleichen Winkel bezüglich der Ebene, in der die optische Struktur gebildet ist, geneigt sind, wobei die optische Struktur ausgelegt ist, um den senkrecht zu der Ebene einfallenden Lichtstrahl abzulenken, wobei die Richtung des abgelenkten Lichtstrahls 0-ter Ordnung nicht senkrecht zu der Ebene ist, und von der Winkelstellung der optischen Struktur abhängt; und
Erfassen einer Position des von der optischen Struktur abgelenkten Lichtstrahls 0-ter Ordnung, die von der Winkelstellung der optischen Struktur abhängt.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die optische Struktur in einer Oberfläche einer Winkelscheibe gebildet, so dass die Winkelstellung der Winkelscheibe erfasst werden kann. Solche Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen die Erfassung einer Winkelstellung der Winkelscheibe, bei der eine Exzentrizität der Winkelscheibe zur Drehachse keinen Winkelfehler verursacht.
Ausführungsbeispielen der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Exzentrizität einer optischen Struktur, die beispielsweise auf einer Winkelscheibe gebildet sein kann, relativ zu einer Rotationsachse keinen Einfluss auf die detektierte Winkelstellung ausübt, wenn als optische Struktur eine segmentierte optische Struktur verwendet wird, deren Segmente in einem gleichen Winkel bezüglich der Ebene, in der die optische Struktur gebildet ist, geneigt sind, so dass senkrecht zu der Ebene einfallende Lichtstrahlen derart abgelenkt werden, dass die Richtung des abgelenkten Lichtstrahls 0-ter Ordnung nicht senkrecht zu der der Ebene ist (also nicht parallel zu der Richtung des einfallenden Lichtstrahls ist) und die Richtung des abgelenkten Lichtstrahls 0-ter Ordnung von der Winkelstellung der optischen Struktur abhängt. Somit kann auf der Grundlage des abgelenkten Lichtstrahls 0-ter Ordnung auf einfache Weise die Winkelstellung erfasst werden, wobei eine Exzentrizität der optischen Struktur (und somit der Winkelscheibe) keinen Winkelfehler verursacht, da bei einer lateralen Verschiebung der optischen Struktur das Licht stets in dieselbe Richtung abgelenkt wird.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung weist die optische Struktur ein Blazegitter auf. Bei der Verwendung eines linearen Blazegitters wird die Thematik „Exzentrizität der Winkelscheibe” hinfällig, da bei einer lateralen Verschiebung der Winkelscheibe das Licht stets in dieselbe Richtung abgelenkt wird.
Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann die optische Struktur ein segmentierter Spiegel mit Spiegelsegmenten, deren Spiegel bezüglich der Ebene geneigt sind, oder Prismensegmente, die bezüglich der Ebene geneigt sind, aufweisen.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können zwischen der Lichtquelle und der optischen Struktur und/oder zwischen der optischen Struktur und dem optischen Detektor ein oder mehrere optische Elemente zur Strahlformung und/oder Strahlumlenkung angeordnet sein. Dadurch ist es auf vorteilhafte Weise möglich, den gebeugten Lichtstrahl 0-ter Ordnung geeignet zu einem Detektor umzulenken oder dem auf den Detektor auftreffenden Lichtstrahl 0-ter Ordnung eine geeignete Form zu geben. Beispielsweise kann zwischen der optischen Struktur und dem optischen Detektor ein refraktives und/oder diffraktives optisches Element angeordnet sein, dass einen Strahlquerschnitt des von der optischen Struktur abgelenkten Lichtstrahls 0-ter Ordnung derart verändert, dass auf dem optischen Detektor eine linienförmige Beleuchtung erzeugt wird.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die optische Struktur ausgelegt sein, um zumindest einen abgelenkten Lichtstrahl 1-ter Ordnung zu erzeugen, dessen Richtung sich von der Richtung des abgelenkten Lichtstrahls 0-ter Ordnung unterscheidet. Zwischen der optischen Struktur und dem optischen Detektor kann zumindest ein refraktives und/oder diffraktives optisches Element angeordnet sein, das den abgelenkten Lichtstrahl 1-ter Ordnung und den abgelenkten Lichtstrahl 0-ter Ordnung parallelisiert. Dies ermöglicht höhere Toleranzen hinsichtlich eines Abstands der optischen Struktur relativ zu dem optischen Detektor.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die optische Struktur eine reflektierende optische Struktur sein, wobei der optische Detektor ringförmig ist und die Lichtquelle innerhalb des ringförmigen optischen Detektors angeordnet ist. Dies ermöglicht es, dass die Lichtquelle und der optische Detektor auf einem gemeinsamen flachen Träger angeordnet sind.
Bei Ausführungsbeispielen kann der optische Detektor eine Mehrzahl von kreissegmentförmigen Photodetektoren, die in einem Kreis angeordnet sind, oder von ringsegmentförmigen Photodetektoren, die in einem Ring angeordnet sind, aufweisen. Bei Ausführungsbeispielen kann der optische Detektor eine Mehrzahl von Photodetektorringen unterschiedlicher Radien aufweisen, die konzentrisch zueinander angeordnet sind, von denen jeder eine Mehrzahl von ringsegmentförmigen Photodetektoren aufweist. Bei Ausführungsbeispielen kann die Anzahl von ringsegmentförmigen Photodetektoren in zumindest einigen der Ringe unterschiedlich sein. Derartige Photodetektoren ermöglichen eine Auswertung auf eine besonders einfache Art und Weise.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung weist der optische Detektor eine Mehrzahl von Photodetektoren auf, die nach einem codierten Muster angeordnet sind, wobei das Muster beispielsweise einen Gray-Code oder einen Binärcode implementieren kann. Bei alternativen Ausführungsbeispielen weist der optische Detektor eine Kamera auf.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung treten somit Winkelfehler aufgrund einer möglichen Exzentrizität einer optischen Struktur (Winkelscheibe) funktionsbedingt erst gar nicht auf, so dass eine optische oder elektronische Kompensation des Winkelfehlers, wie sie beispielsweise in der DE 102009040790 A1 oder der DE 102008043556 A1 beschrieben sind, nicht erforderlich ist. Im Gegensatz zu herkömmlichen optischen Drehgebern verursacht bei Ausführungsbeispielen der Erfindung eine laterale Verschiebung, also eine Verschiebung senkrecht zu einer Rotationsachse, um die die optische Struktur rotiert, keine Signaländerung. Dies wird durch die Verwendung einer entsprechenden optischen Struktur erreicht. Bei Ausführungsbeispielen wird eine gleichmäßige segmentierte optische Struktur verwendet, so dass davon abgerückt wird, eine kreisförmige Maßspur mit einzelnen Feldern auf einer Winkelscheibe anzuordnen. Stattdessen kann eine auf der gesamten Winkelscheibe identische optische Struktur verwendet werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer bekannten Codierscheibe;
2a bis 2c schematische Darstellungen zur Erläuterung der Erfindung;
3 bis 5, 6a und 6b schematische Darstellungen von Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Vorrichtungen;
7 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf einen optischen Detektor;
8 eine schematische Darstellung von mittels des in 7 gezeigten optischen Detektors erfassten Signalen;
9 bis 11 schematische Darstellungen alternativer optischer Detektoren.
Anhand der 2a bis 2c wird im Folgenden die unterschiedliche Wirkung der gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung verwendeten segmentierten optischen Struktur verglichen mit einer optischen Struktur, wie sie beispielsweise aus der DE 43 40 417 C2 bekannt ist, beschrieben.
Dabei zeigt 2a zu Vergleichszwecken nochmals ein lineares Beugungsgitter 10', das in einer Ebene angeordnet ist, die parallel zu den Hauptoberflächen der Winkelscheibe, in der das lineare Beugungsgitter gebildet ist, ist. In 2a ist dabei das lineare Beugungsgitter 10' als reflektierendes Gitter ausgebildet, wobei der einfallende Lichtstrahl 12 einen abgelenkten Lichtstrahl 16 0-ter Ordnung und abgelenkte Lichtstrahlen 18 und 20 ±1-ter Ordnung bewirkt, wie oben bezüglich eines transmissiven Beugungsgitters unter Bezugnahme auf 1 beschrieben wurde. Wie in 2a zu erkennen ist, ist die Richtung des abgelenkten Lichtstrahls 16 0-ter Ordnung senkrecht zur Ebene, in der das lineare optische Gitter gebildet ist. Somit hängt die Richtung des abgelenkten Lichtstrahls 0-ter Ordnung nicht von der Winkelstellung der optischen Struktur ab.
2b zeigt eine optische Struktur 30, wie sie bei Ausführungsbeispielen der Erfindung verwendet ist. Die optische Struktur 30 weist eine Vielzahl von Segmenten 30a auf, die in einem gleichen Winkel bezüglich der Ebene, in der die optische Struktur 30 gebildet ist, geneigt sind. Unter der Ebene, in der die optische Struktur gebildet ist, wird dabei hierin die Ebene verstanden, die durch die Segmente gelegt werden kann. Diese Ebene wird im Allgemeinen senkrecht zur Rotationsachse sein, das heißt durch zwei verschiedene Geraden aufgespannt, die senkrecht zu der Rotationsachse sind. Im Falle einer Winkelscheibe oder Codierscheibe, wie sie in 2 gezeigt ist, ist die Ebene, in der die segmentierte optische Struktur gebildet ist, parallel zu den parallelen Hauptoberflächen der Scheibe.
In der folgenden Beschreibung wird auf eine Winkelscheibe bzw. Codierscheibe Bezug genommen, wobei jedoch für Fachleute offensichtlich ist, dass eine entsprechende optische Struktur auch in einem anderen Rotationskörper gebildet sein kann, beispielsweise einem Zylinder oder dergleichen.
Wie in 2b gezeigt ist, hat ein auf die optische Struktur 30 einfallender Lichtstrahl 32 einen abgelenkten Lichtstrahl 34 0-ter Ordnung und abgelenkte Lichtstrahlen 36, 38 +1-ter Ordnung zur Folge.
Der in 2b gezeigte Winkel β₁ gibt die Neigung der Segmente der segmentierten optischen Struktur relativ zur Gitternormalen, d. h. relativ zur Senkrechten auf der Ebene, in der die segmentierte optische Struktur gebildet ist, an. Handelt es sich bei der optischen Struktur um ein Blazegitter spricht man im Zusammenhang mit dem Winkel β₁ vom Blazewinkel, der die Neigung der Gitterstufen zur Gitternormalen angibt. Wie in 2b gezeigt ist, kann dieser Winkel so eingestellt werden, dass der abgelenkte bzw. gebeugte Lichtstrahl 34 0-ter Ordnung mit einem Lichtstrahl 36 1-ter Ordnung zusammenfällt. Alternativ kann dieser Winkel so eingestellt werden, dass der abgelenkte Lichtstrahl 34 0-ter Ordnung nicht mit einem der abgelenkten Lichtstrahlen 36, 38 1-ter Ordnung zusammenfällt, wie durch den Winkel β₂ in 2c gezeigt ist. Eine eindeutige Winkelerfassung auf der Grundlage des abgelenkten Lichtstrahls 34 0-ter Ordnung ist in beiden Fällen möglich, da im Falle von 2b der Lichtpunkt, der durch die Lichtstrahlen 34 und 36 erzeugt wird, deutlich heller ist als der, der durch den Lichtstrahl 38 allein erzeugt wird, während gemäß 2c der abgelenkte Lichtstrahl 34 0-ter Ordnung räumlich von den anderen Lichtstrahlen getrennt ist. Bei Verwendung einer solchen segmentierten optischen Struktur, beispielsweise eines linearen Blazegitters, als eine Winkelscheibe, wird die Thematik „Exzentrizität der Winkelscheibe” hinfällig, da bei einer lateralen Verschiebung der Winkelscheibe das Licht stets in dieselbe Richtung gebeugt bzw. abgelenkt wird. Die Winkelscheibe kann somit als optischer Zeiger wirken und ein Photodetektor kann als Skala bzw. Maßspur wirken.
Wie ausgeführt wurde, übt bei Verwendung einer solchen segmentierten optischen Struktur eine Exzentrizität der Winkelscheibe keinen Einfluss auf die detektierte Winkelstellung aus. Eine Exzentrizität zwischen einfallendem Strahl und Zentrum des Photodetektors kann jedoch zu einem Winkelfehler führen. Ein solcher Winkelfehler kann durch den Aufbau eines präzisen Optikmoduls und/oder eine entsprechende Signalauswertung, beispielsweise eine Auswertung der Lichtstrahlen +1-ter Beugungsordnung, weitgehend minimiert werden.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann als optische Struktur ein Blazegitter verwendet werden, das sowohl reflektiv als auch transmissiv verwendet werden kann. Weiterhin ist es bei Ausführungsbeispielen möglich, statt einem Beugungsgitter geneigte Spiegelflächen oder Prismensegmente als Winkelscheibe zu verwenden. In diesem Fall würden nur abgelenkte Lichtstrahlen 0-ter Ordnung auftreten. Der Übergang zwischen refraktiver und diffraktiver Optik ist dabei fließend. Je feiner die Strukturen werden, desto mehr gelten die Gesetze der diffraktiven Optik.
Das Ausführungsbeispielen der Erfindung zugrundeliegende Funktionsprinzip funktioniert sowohl bei einem Abtastradius von 0 als auch bei großen Abtastradien. Somit eignet sich das Funktionsprinzip sowohl bei miniaturisierten Drehgebern, beispielsweise mit zentrischer Abtastung, als auch bei großen Drehgebern, beispielsweise mit einer Hohlwelle.
Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen ferner auf vorteilhafte Weise, dass für verschiedene Durchmesser stets dieselbe optische Struktur, z. B. Beugungsgitter, verwendet werden kann, wobei lediglich der Durchmesser angepasst werden muss. Dadurch lassen sich Ausführungsbeispiele der Erfindung auch sehr gut für ein Baukastensystem verwenden, bei dem die Winkelscheiben für verschiedene Durchmesser mittels Kunststoffspritzgießen hergestellt werden können. Der optische Aufbau bleibt dabei stets derselbe und kann beispielsweise in einem Optikmodul integriert werden. Bei größeren Stückzahlen kann es weiterhin sinnvoll sein, notwendige Schaltungen für eine Signalverarbeitung mit in das Optikmodul bzw. den optischen Detektor (Photodetektor) zu integrieren, beispielsweise als Opto-ASIC (ASIC = anwendungsspezifische integrierte Schaltung).
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung einer Winkelstellung unter Verwendung eines transmissiven Blazegitters 40, das als Winkelscheibe ausgebildet ist. Das Blazegitter 40 ist um eine zentrale Rotationsachse (nicht gezeigt) drehbar. Eine Lichtquelle 42 erzeugt einen Lichtstrahl 44, der auf das Blazegitter 40 trifft. Die Lichtquelle 42 kann beispielsweise auf der Rotationsachse angeordnet sein. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann der Lichtstrahl 44 mittels Durchlicht, Spiegeln, halbdurchlässigen Spiegeln und/oder Lichtleitern in das System eingekoppelt werden. Durch das Blazegitter 40 werden aufgrund des einfallenden Lichtstrahls 44 ein gebeugter Lichtstrahl 46 0-ter Ordnung und gebeugte Lichtstrahlen 48, 50 ±1-ter Ordnung erzeugt.
Die optische Anordnung weist ferner einen schematisch dargestellten Photodetektor 52 auf. Durch die gebeugten Lichtstrahlen werden Spots auf dem Photodetektor 52 erzeugt. Bei einer Drehung der Winkelscheibe 40 rotieren die gebeugten Spots auf dem Photodetektor, woraus ein winkelabhängiges, über 360° eindeutiges Signal generiert werden kann. Genauer gesagt hat eine Drehung α des Blazegitters 40 eine entsprechende Drehung α der durch die gebeugten Lichtstrahlen bewirkten Spots auf dem Detektor zur Folge. Bei Ausführungsbeispielen kann der Photodetektor so ausgelegt sein, dass nur die gebeugten Spots 0-ter Ordnung erfasst werden. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann der Photodetektor so ausgelegt sein, dass auch höhere Beugungsordnungen erfasst werden. Wie Bezug nehmend auf die 2b und 2c ausgeführt wurde, kann der Spot 0-ter Beugungsordnung mit einem der Spots erster Beugungsordnung zusammenfallen oder der Spot 0-ter Beugungsordnung kann einen separaten Beugungswinkel aufweisen. Vorteilhaft ist, dass eine Exzentrizität der Winkelscheibe keinen Winkelfehler verursacht. Bei einer Nutzung von höheren Beugungsordnungen, beispielsweise den ±1-ten Beugungsordnungen, können zusätzlich Winkelfehler kompensiert werden, die von Toleranzen des optischen Aufbaus herrühren oder durch dynamische Belastungen oder Verschleiß der Lager verursacht werden können.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem eine Linse 54 zwischen der Lichtquelle 42 und dem Blazegitter 30 angeordnet ist.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann eine Laserquelle, beispielsweise eine Laserdiode, als Lichtquelle verwendet werden. Die in 4 gezeigte Linse 54 ist dabei beispielhaft für eine optische Anordnung, bei der zusätzlich refraktive und/oder diffraktive optische Elemente in dem Strahlengang zwischen der Lichtquelle und dem Photodetektor 52 eingebracht sind. Dies hat den Vorteil, dass die Lichtstrahlen, beispielsweise der Laserstrahl, fokussiert werden können. Beispielsweise können der oder die gebeugten Strahlen auf den Photodetektor fokussiert werden, um dadurch beispielsweise die Auflösung zu erhöhen.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem weitere refraktive und/oder diffraktive optische Elemente im Strahlengang zwischen dem Blazegitter 30 und dem Photodetektor 52 angeordnet sind. Genauer gesagt sind bei dem in 5 gezeigten Beispiel ein oder mehrere Prismen 56 in dem Strahlengang zwischen dem Blazegitter 30 und dem Photodetektor 52 angeordnet, durch die die gebeugten Lichtstrahlen 46, 48 und 50 in parallele Lichtstrahlen 46', 48', 50' transformiert werden können. Wie durch gestrichelte Linien in 5 angedeutet ist, können refraktive und/oder diffraktive optische Elemente auch beliebige Freiformflächen aufweisen. Die Verwendung entsprechender refraktiver und/oder diffraktiver Elemente kann bei einer Abstandsänderung der Codierscheibe relativ zu dem Photodetektor höhere Toleranzen ermöglichen. Weiterhin ist es möglich, Spots einer gewünschten Form auf dem Photodetektor zu erzeugen, beispielsweise linienförmige Spots. Dies ist vorteilhaft, wenn mehrere kreisförmige Spuren auf dem Photodetektor parallel beleuchtet werden sollen. Ebenfalls übt dann eine Abstandsänderung der Winkelscheibe bei einem genügend langen Spot nur einen geringen Einfluss auf die zu detektierende Winkelstellung aus. Dabei können auch mehrere Spuren auf dem Photodetektor mit demselben Muster wiederholt und beleuchtet werden, um dadurch gleichmäßige Signale zu erhalten. Ein länglicher Spot auf einem Photodetektor ist in dem Beispiel aus 11 schematisch angedeutet.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem reflektiven Blazegitter ist in 6a gezeigt. Wie in 6a gezeigt ist, ist die Lichtquelle 42 als Chip, beispielsweise als eine LED (lichtemittierende Diode) oder als Laserdiode, direkt auf einem Photodetektor 62 angeordnet. Der von der Lichtquelle emittierte Strahl 44 trifft dadurch senkrecht auf das Blazegitter 30 und wird anschließend auf den Photodetektor zurückgebeugt, wie durch gebeugte Lichtstrahlen 46, 48 und 50 0-ter und +1-ter Ordnung in 6a gezeigt ist. In 6a ist dabei ein Fall gezeigt, bei dem der gebeugte Lichtstrahl 46 0-ter Ordnung in die gleiche Richtung gebeugt wird wie der gebeugte Lichtstrahl 48 1-ter Ordnung. Vorteilhaft an dem in 6a gezeigten Ausführungsbeispiel ist der kompakte und einfache Aufbau, der sehr gut in einem miniaturisierten Optikmodul 64 integriert werden kann. Dieses Ausführungsbeispiel ist auch gut dafür geeignet, optische Elemente, beispielsweise eine Blende, eine Linse, ein Prisma oder diffraktive optische Elemente direkt als eine Kappe bzw. einen Deckel auf dem Optikmodul anzuordnen. Der auf das Blazegitter treffende Strahl kann auch von extern über optische Elemente eingekoppelt werden, beispielsweise über einen Spiegel 65, so wie es in 6b dargestellt ist.
Nachdem nun beispielhafte optische Anordnungen von Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Vorrichtungen beschrieben wurden, wird nun zu Erläuterungszwecken auf mögliche Ausführungsformen von optischen Detektoren bzw. Photodetektoren eingegangen.
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Photodetektors 72, der vier Photodioden A, A', B, B' aufweist, von denen jede in einem Quadranten des Photodetektors 72 angeordnet ist. In 7 sind durch die gebeugten Lichtstrahlen 0-ter und 1-ter Ordnung erzeugte Spots 80 und 82 dargestellt. Der Spot 80 stellt dabei einen durch einen gebeugten Lichtstrahl 1-ter Ordnung erzeugten Spot dar, während der Spot 82 einen durch einen gebeugten Strahl 0-ter Ordnung und einen gebeugten Strahl 1-ter Ordnung erzeugten Spot darstellt. Bei einer Drehung α des Blazegitters drehen sich die Spots 80 und 82 entsprechend über dem Photodetektor, so dass durch die Spots 80 und 82 aufeinanderfolgend die unterschiedlichen Photodioden beleuchtet werden. Bei einer kontinuierlichen Drehung des Blazegitters wandern die Lichtspots von einem Quadrant zum nächsten, woraus ein Winkel-abhängiges Signal erzeugt werden kann. Aufgrund der unterschiedlichen Helligkeiten der Lichtspots 80 und 82 ergeben sich bei einer Umdrehung unterschiedlich hohe Signalverläufe, aus denen beispielsweise durch eine Subtraktion der gegenüberliegenden Photodioden ein Sinus- und ein Cosinus-Signal pro Umdrehung entstehen, wie in 8 dargestellt ist. Im oberen Bereich von 8 sind dabei die durch die jeweiligen Photodioden während einer kontinuierlichen Drehung erzeugten Signalverläufe dargestellt, während im unteren Bereich die Signalverläufe nach einer Subtraktion der gegenüberliegenden Photodioden dargestellt sind. Die höheren Amplituden im oberen Bereich von 8 werden dabei jeweils durch den Spot 82, der eine Überlagerung aus einem gebeugten Lichtstrahl 0-ter Ordnung und einem gebeugten Lichtstrahl 1-ter Ordnung darstellt, bewirkt.
Um eine Erhöhung der Winkelauflösung zu erreichen, kann die Anzahl der Felder des Photodetektors entsprechend erhöht werden. Weiterhin können die Signale zusätzlich interpoliert werden. Ferner kann ein Summensignal der durch die Felder erfassten Signale verwendet werden, um die Lichtquelle zu regeln, wobei dies im Falle einer Quadrantenphotodiode die Summe aller vier Quadranten wäre. Prinzipiell gilt, dass für den Photodetektor sowohl Photodioden als auch positionssensitive Photodioden (PSD) verwendet werden können, um eine Winkelposition zu detektieren.
9 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel eines optischen Detektors bzw. Photodetektors. Bei dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der optische Detektor zusätzlich radial unterteilt. Genauer gesagt sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel zwei segmentierte Ringe vorgesehen, die in azimutaler Richtung jeweils in acht Felder unterteilt sind. Dadurch können Fehler, die beispielsweise bei einer Verkippung der Winkelscheibe oder bei Montagetoleranzen entstehen, bei der Auswertung kompensiert werden.
10 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein weiteres beispielhaftes Ausführungsbeispiel eines Photodetektors, bei dem die Anzahl der Felder in den beiden Ringen des radial in Ringe unterteilten Photodetektors unterschiedlich ist. Dadurch sind die Grenzen in den beiden Ringen versetzt zueinander, wodurch ein sogenannter Noniuseffekt geschaffen werden kann, wodurch sich die Winkelauflösung nochmals weiter erhöhen lässt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind in dem äußeren Ring neun Felder vorgesehen, während in dem inneren Ring acht Felder vorgesehen sind.
Bei den in den 9 und 10 gezeigten Beispielen sind die Ringe jeweils in Segmente gleicher Größe unterteilt.
Eine schematische Draufsicht auf ein noch weiteres Ausführungsbeispiel eines optischen Detektors ist in 11 gezeigt. Bei dem in 11 gezeigten optischen Detektor ist eine Mehrzahl von Photodioden nach einem codierten Muster angeordnet. Genauer gesagt weist der Photodetektor eine Mehrzahl von konzentrisch angeordneten Ringen auf, die auf unterschiedliche Weise in azimutaler Richtung in Felder unterteilt sind, so dass sich ein codiertes Muster ergibt. Dadurch kann beispielsweise direkt ein Gray-Code oder Binärcode implementiert werden. Das hat den Vorteil, dass bei gleicher Auflösung weniger Photodioden ausgewertet werden müssen als wenn die Winkelposition mit einzelnen Photodioden detektiert wird. Diese Signale können nach der Signalverarbeitung direkt dazu verwendet werden, den gewünschten Code auszugeben. Ferner ist in 11 ein länglicher bzw. linienförmiger (z. B. ellipsenförmiger) Spot 84 angedeutet, der beispielsweise mittels geeigneter optischer Element erzeugt werden kann. Der Spot 84 stellt dabei einen durch einen gebeugten Strahl 0-ter Ordnung erzeugten Spot dar.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel könnte ein kreisförmiger Lagedetektor verwendet werden, wie er beispielsweise in der DE 43 40 417 C2 beschrieben ist.
Bei den obigen Ausführungen hinsichtlich der optischen Detektoren bezieht sich der Ausdruck „Feld” jeweils auf einen Bereich des optischen Detektors, der gemeinsam ausgelesen wird, um ein Signal zu erzeugen. Dieser Bereich kann durch eine Photodiode oder eine Mehrzahl von Photodioden gebildet werden, deren Ausgangssignale jedoch als ein gemeinsames Ausgangssignal verwendet und verarbeitet werden. Beispielsweise können die Ausgangssignale von Dioden innerhalb eines Feldes aufsummiert werden.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der optische Detektor einen Kamerachip, beispielsweise einen CCD-Chip (CCD = Charge Coupled Device = ladungsgekoppeltes Bauelement) oder einen CMOS-Chip (CMOS = Complementary Metal Oxide Semiconductor = Komplementärer Metalloxidhalbleiter) aufweisen. Die Signalauswertung kann dann sehr flexibel über die Auswertung des Kamerachips erfolgen und auch im Nachhinein an die jeweilige Aufgabe angepasst werden.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die optische Struktur über den Bereich, der zum Erfassen der Winkelstellung bzw. der Rotation durch den Lichtstrahl bestrahlt wird, gleichmäßig. Beispielsweise kann die gesamte, einer Lichtquelle zugewandte Oberfläche einer Winkelscheibe mit einer solchen optischen Struktur versehen sein. In jedem Fall ist der Bereich, auf den während der Erfassung bzw. Auswertung der Lichtstrahl auftrifft, mit einer gleichmäßigen optischen Struktur versehen.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung sind die Segmente in einem gleichen Winkel bezüglich der Ebene, in der die optische Struktur gebildet ist, geneigt. Darunter ist hierin ein hinsichtlich der Ebene bzw. hinsichtlich der Normalen auf die Ebene von 90° verschiedener und von 180° verschiedener Winkel zu verstehen. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung sind, wie beispielsweise in 3 gezeigt ist, über die gesamte Fläche gleichmäßig verteilt Segmente in einem gleichen Winkel angeordnet, wobei die jeweiligen Segmente gleichmäßig durch jeweilige Verbindungsflächen verbunden sind.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen somit eine optische Anordnung zur Erfassung einer Winkelstellung mit einem Blazegitter, das eine Winkelscheibe darstellt, einem einfallenden Strahl, der auf das Blazegitter trifft, und einem Photodetektor mit mehreren Feldern, wobei der Strahl an dem Blazegitter gebeugt wird und dadurch Spots auf dem Photodetektor erzeugt werden, wobei die gebeugten Spots bei einer Drehung der Winkelscheibe rotieren, wobei der Photodetektor mindestens die 0-te Beugungsordnung und bei Bedarf auch höhere Beugungsordnungen detektiert.
Bei Ausführungsbeispielen kann statt eines Blazegitters ein segmentierter Spiegel verwendet werden. Bei Ausführungsbeispielen können zusätzlich optische Elemente zur Strahlformung eingesetzt werden, beispielsweise Linsen, Prismen, Spiegel, diffraktive optische Elemente und dergleichen. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der Photodetektor ein kreisförmiges Photodiodenarray aufweisen, wobei das Photodiodenarray eine Codierung aufweisen kann, beispielsweise einen Binär- oder Gray-Code. Der Photodetektor kann aus mehreren radial segmentierten kreisförmigen Photodetektoren aufgebaut sein. Bei Ausführungsbeispielen kann der Photodetektor aus mehreren radial segmentierten kreisförmigen Photodetektoren aufgebaut sein, wobei die Anzahl der Photodioden in den dadurch erhaltenen Ringen unterschiedlich ist. Bei Ausführungsbeispielen kann der Photodetektor durch einen Kamerachip, beispielsweise einen CCD-Chip oder CMOS-Chip gebildet sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009040790 A1 [0003, 0022]
DE 102008043556 A1 [0004, 0022]
DE 3939905 A1 [0005]
DE 4340417 C2 [0006, 0008, 0030, 0053]
DE 4240417 C2 [0007]

Claims

Vorrichtung zur Erfassung einer Winkelstellung, mit folgenden Merkmalen: einer in einer Ebene gebildeten segmentierten optischen Struktur (30; 40), deren Segmente (30a) in einem gleichen Winkel bezüglich der Ebene, in der die optische Struktur (30; 40) gebildet ist, geneigt sind, die ausgelegt ist, um einen senkrecht zu der Ebene einfallenden Lichtstrahl (32; 44) abzulenken, wobei die Richtung des abgelenkten Lichtstrahls (34; 46) 0-ter Ordnung nicht senkrecht zu der Ebene ist und von der Winkelstellung der optischen Struktur (30; 40) abhängt; einer Lichtquelle (42) zum Erzeugen eines Lichtstrahls, der auf die optische Struktur (30; 40) fällt; und einem optischen Detektor (52; 62; 72), der angeordnet und ausgelegt ist, um eine Position des von der optischen Struktur (30; 40) abgelenkten Lichtstrahls (34; 46) 0-ter Ordnung, die von der Winkelstellung der optischen Struktur (30; 40) abhängt, zu erfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die optische Struktur (30; 40) ein Blazegitter ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die optische Struktur einen segmentierten Spiegel mit Spiegelsegmenten, deren Spiegelflächen bezüglich der Ebene geneigt sind, aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die optische Struktur Prismensegmente, die bezüglich der Ebene geneigt sind, aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der zwischen der Lichtquelle (42) und der optischen Struktur (30; 40) und/oder zwischen der optischen Struktur (30; 40) und dem optischen Detektor (52; 62; 72) ein oder mehrere optische Elemente (54, 56) zur Strahlformung und/oder Strahlumlenkung angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der zwischen der optischen Struktur (30; 40) und dem optischen Detektor (52; 62; 72) ein refraktives und/oder diffraktives optisches Element angeordnet ist, das einen Strahlquerschnitt des von der optischen Struktur (30; 40) abgelenkten Lichtstrahls (34; 46) 0-ter Ordnung derart verändert, dass auf dem optischen Detektor (52; 62; 72) eine linienförmige Beleuchtung erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die optische Struktur (30; 40) ausgelegt ist, um einen senkrecht zu der Ebene einfallenden Lichtstrahl abzulenken, wobei zumindest ein abgelenkter Lichtstrahl (36, 38; 48, 50) 1-ter Ordnung erzeugt wird, dessen Richtung sich von der Richtung des abgelenkten Lichtstrahls (34; 46) 0-ter Ordnung unterscheidet, wobei zwischen der optischen Struktur (30; 40) und dem optischen Detektor (52; 62; 72) zumindest ein refraktives und/oder diffraktives optisches Element (56) angeordnet ist, das den abgelenkten Lichtstrahl (36, 38; 48, 50) 1-ter Ordnung und den abgelenkten Lichtstrahl (34; 46) 0-ter Ordnung parallelisiert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die optische Struktur (30; 40) eine reflektierende optische Struktur (30; 40) ist, wobei der optische Detektor (62; 72) ringförmig ist und die Lichtquelle (42) innerhalb des ringförmigen optischen Detektors (62; 72) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der der optische Detektor (62; 72) eine Mehrzahl von kreissegmentförmigen Photodetektoren aufweist, die in einem Kreis angeordnet sind, oder ringsegmentförmige Photodetektoren aufweist, die in einem Ring angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der der optische Detektor (62; 72) eine Mehrzahl von Photodetektorringen unterschiedlicher Radien, die konzentrisch zueinander angeordnet sind, aufweist, von denen jeder eine Mehrzahl von ringsegmentförmigen Photodetektoren aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Anzahl von ringsegmentförmigen Photodetektoren in zumindest einigen der Ringe unterschiedlich ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der der optische Detektor (52; 62; 72) eine Mehrzahl von Photodetektoren aufweist, die nach einem codierten Muster angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der das Muster einen Graycode oder einen Binärcode implementiert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der der optische Detektor (52; 62; 72) eine Kamera aufweist.
Verfahren zum Erfassen einer Winkelstellung, mit folgenden Merkmalen: Richten eines Lichtstrahls auf eine in einer Ebene gebildete segmentierte optische Struktur (30; 40), so dass der Lichtstrahl senkrecht zu der Ebene einfällt, wobei die Segmente (30a) der optischen Struktur (30; 40) in einem gleichen Winkel bezüglich der Ebene, in der die optische Struktur (30; 40) gebildet ist, geneigt sind, wobei die optische Struktur (30; 40) ausgelegt ist, um den senkrecht zu der Ebene einfallenden Lichtstrahl abzulenken, wobei die Richtung des abgelenkten Lichtstrahls (34; 46) 0-ter Ordnung nicht senkrecht zu der Ebene ist und von der Winkelstellung der optischen Struktur (30; 40) abhängt; und Erfassen einer Position des von der optischen Struktur (30; 40) abgelenkten Lichtstrahls (34; 46) 0-ter Ordnung, die von der Winkelstellung der optischen Struktur (30; 40) abhängt.