-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
1. Gebiet der Erfindung
-
Die Erfindung betrifft einen durchlässigen optischen Encoder.
-
2. Zum Stand der Technik
-
Ein herkömmlicher Typ eines lichtdurchlässigen optischen Encoders hat ein lichtemittierendes Element, ein lichtempfangendes Element, und eine drehbare Scheibe mit einer Anzahl von Schlitzen mit vorgegebenen Abständen voneinander. Bei diesem durchlässigen optischen Encoder wird vom lichtemittierenden Elemente emittiertes Licht auf die drehbare Scheibe projiziert, sodass ein Muster aus Licht und Schatten aufgrund des einerseits durch die Schlitze durchgelassenen Lichtes und des andererseits durch Bereich zwischen den Schlitzen blockierten Lichtes erzeugt wird. Das lichtempfangende Element detektiert Änderungen im Muster aus Licht und Schatten bei Drehung der Scheibe. Auf diese Weise kann die Winkelposition und die Drehgeschwindigkeit eines Objektes, welches sich zusammen mit der drehbaren Scheibe bewegt, detektiert werden.
-
Einige durchlässige (transmissive) optische Encoder haben einen Aufbau, bei dem das lichtemittierende Element und das lichtempfangende Element auf entgegengesetzten Seiten der drehbaren Scheibe angeordnet sind, sodass die drehbare Scheibe zwischen dem lichtemittierenden Element und dem lichtempfangenden Element angeordnet ist. Dies hat aufgrund der genannten Elemente sowie ihrer zugehörigen Komponenten zur Folge, dass das optische System insgesamt einen großen Raum einnimmt.
-
Zur Vermeidung dieses Nachteils wurde eine drehbare Scheibe vorgeschlagen mit einem lichtemittierenden Element und einem lichtempfangenden Element auf der gleichen Seite derselben. Zum Beispiel beschreibt die
JP-A-8-184465 einen optischen Encoder mit einer bewegbaren Platte mit Schlitzen, die in Umfangsrichtung mit konstanten Lücken dazwischen versehen ist, einem lichtemittierenden Element derart, dass es der bewegbaren Platte in einem ersten Bereich gegenüberliegt, einem lichtempfangenden Element derart, dass es dem bewegbaren Element in einem zweiten Bereich gegenüberliegt, und einer Projektionseinrichtung zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich auf der dem lichtemittierenden Element und dem lichtempfangenden Element gegenüberliegenden Seite in Bezug auf das bewegbare Element.
-
Die
JP-A-2008-82958 beschreibt einen optischen Encoder mit einer drehbaren Scheibe, in der eine Mehrzahl von Spuren einschließlich Schlitzen ausgeformt sind, lichtemittierenden Elementen, die auf die einzelnen Spuren ausgerichtet sind, einem lichtempfangenden Element auf der Drehachse der drehbaren Scheibe und auf der gleichen Seite der drehbaren Scheibe wie das lichtemittierende Element, und einer drehbaren optischen Wellenleiterscheibe, die zusammen mit der drehbaren Scheibe gedreht wird.
-
JP-A-5-141960 beschreibt eine optische Detektoreinrichtung für einen Drehwinkel mit einer optischen Glasfaser als optischem Wellenleiter, bei dem ein Ende desselben in Bezug auf eine Lichtquelle ausgerichtet ist und das andere Ende in Bezug auf ein optisches Positionssensorelement ausgerichtet ist. Die optische Glasfaser ist durch ein drehbares Bauteil gestützt, das mit der Drehwelle gekoppelt ist, um zusammen mit dieser zu drehen. Der optische Encoder gemäß der
JP-A-8-184465 ist allerdings so aufgebaut, dass die Projektionseinrichtung ein invertierendes optisches System mit gleicher Vergrößerung bildet. Dies kompliziert den Aufbau des Systems und eine sehr genaue Positionierung der einzelnen Elemente des optischen Systems in Bezug zueinander ist erforderlich, um eine hinreichende Detektionsgenauigkeit zu erreichen.
-
Dies erhöht die Herstellungskosten des Encoders. Da es weiterhin erforderlich ist, die genaue Relativposition zwischen den einzelnen Elementen des optischen Systems beizubehalten, ist der Einsatz des Encoders beschränkt.
-
Die in der
JP-A-2008-82958 und
JP-A-5-141960 beschriebenen optischen Encoder sind so aufgebaut, dass der optische Wellenleiter zum optischen Koppeln des lichtemittierenden Elementes mit dem lichtempfangenden Element zusammen mit dem mechanisch drehenden Teil bewegt wird. Insbesondere dann, wenn der Encoder eingesetzt wird, um die Bewegung eines Elektromotors für industrielle Anwendungen zu detektieren, treten relativ starke mechanische Oszillatoren auf bei Betrieb des Elektromotors mit hoher Geschwindigkeit. Diese Oszillationen können über die koppelnden Elemente auf den optischen Wellenleiter übertragen werden. Ein Abstand zwischen dem optischen Wellenleiter und dem lichtempfangenden Element kann sich dabei ändern, was die Detektionsgenauigkeit des Encoders beeinträchtigt.
-
Dementsprechend besteht ein Bedarf an einem durchlässigen optischen Encoder, der eine geringe Baugröße aufweist bei hoher Detektionsgenauigkeit.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist ein durchlässiger optischer Encoder folgendes auf: ein lichtemittierendes Element; ein lichtempfangendes Element; eine drehbare Scheibe mit Schlitzen, die zusammen mit einem zu detektierenden Objekt drehbar ist; und einen optischen Wellenleiter mit einem Eingang, der auf das lichtemittierende Element ausgerichtet ist, und mit einem Ausgang, welcher auf das lichtempfangende Element ausgerichtet ist, wobei das lichtemittierende Element und das lichtempfangende Element auf der gleichen Seite in Bezug auf die drehbare Scheibe angeordnet sind, und wobei der optische Wellenleiter unabhängig von einer Drehbewegung der drehbaren Scheibe gelagert ist.
-
Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel ist bei einem durchlässigen optischen Encoder gemäß dem ersten Beispiel der optische Wellenleiter so gestaltet, dass auf ihn einfallendes Licht zumindest teilweise Totalreflexion unterworfen ist.
-
Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung hat bei einem durchlässigen optischen Encoder gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der optische Wellenleiter einen inneren Aufbau aus Verspiegelungen derart, dass auf den optischen Wellenleiter einfallendes Licht Spiegelreflexionen unterzogen ist.
-
Gemäß einem vierten Beispiel der Erfindung hat ein durchlässiger optischer Encoder gemäß einem der ersten bis dritten Ausführungsbeispiele weiterhin ein optisches Element am Eingang und/oder am Ausgang des optischen Wellenleiters, das eingerichtet ist, die Richtung durchgehenden Lichtes zu ändern.
-
Gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung hat bei einem durchlässigen optischen Encoder gemäß irgendeinem der ersten bis vierten Ausführungsbeispiele der optische Wellenleiter einen vergrößerten Abschnitt am Eingang und/oder am Ausgang derart, dass die Querschnittsfläche des optischen Wellenleiters sich in dem vergrößerten Abschnitts allmählich vergrößert.
-
Diese und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden noch deutlicher mit Blick auf die Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Einzelnen und deren Veranschaulichung durch die Zeichnungen.
-
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
-
1 zeigt einen optischen Encoder gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
-
2 zeigt einen optischen Encoder gemäß einer Variante des ersten Ausführungsbeispieles;
-
3 zeigt einen optischen Encoder gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
-
4 zeigt einen optischen Encoder gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
-
5 zeigt einen optischen Encoder gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
-
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN IM EINZELNEN
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun mit Blick auf die Figuren näher erläutert. Grundlegende Elemente der dargestellten Ausführungsbeispiele können hinsichtlich Größe und relativer Beziehung zueinander für ein besseres Verständnis modifiziert sein.
-
1 zeigt einen optischen Encoder 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Ein durchlässiger optischer Encoder (nachfolgend einfach als „Encoder” bezeichnet) 10 hat ein Gehäuse 12, eine Drehwelle 14, die um eine Drehachse O drehbar ist, eine drehbare Scheibe 16, die zusammen mit der Drehwelle 14 drehbar ist, ein lichtemittierendes Element 18, ein lichtempfangendes Element 20, und einen optischen Wellenleiter 22.
-
Das Gehäuse 12 des Encoders 10 hat ein erstes Gehäuseteil 24, das sich im Wesentlichen parallel zur drehbaren Scheibe 16 erstreckt, und ein zweites Gehäuseteil 26, das sich senkrecht zum ersten Gehäuseteil 24 erstreckt und eine umgebende Wandung des Gehäuses 12 bildet. Das Gehäuse 12 ist mit einer Öffnung 28 auf einer dem ersten Gehäuseteil 24 gegenüberliegenden Seite versehen. Die Öffnung 28 des Gehäuses 12 ist durch eine gedruckte Schaltungsplatine 30 abgedeckt, auf der das lichtemittierende Element 18 und das lichtempfangende Element 20 montiert sind.
-
Die Drehwelle 14 ist mit einem rotierbaren Element gekoppelt, welches nicht dargestellt ist, und zusammen mit der Drehwelle um die Drehachse O rotiert. Das drehbare Element ist ein zu detektierendes Objekt, das hinsichtlich Informationen bezüglich der Drehbewegung, wie zum Beispiel einer Winkelstellung oder Rotationsgeschwindigkeit, zu detektieren ist. Bei dem drehbaren Element kann es sich zum Beispiel um eine Komponente eines Elektromotors handeln zum umwandeln von elektrischer Energie in mechanische Drehbewegung. Ein Ende der Drehwelle ist mit der drehbaren Scheibe 16 gekoppelt. Die drehbare Scheibe 16 ist kreisscheibenförmig mit einer Vielzahl von Schlitzen (nicht gezeigt), die sich unter Abstand über den Umfang erstrecken. Die rotierbare Scheibe 16 ist also eingerichtet, zusammen mit dem zu detektierenden Element und der Drehwelle 14 zu drehen.
-
Das lichtemittierende Element 18 hat einen bekannten Aufbau, wie zum Beispiel eine lichtemittierende Diode oder eine Laserdiode. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das lichtemittierende Element 18 eine Linse 32 aufweisen zum im Wesentlichen parallelen Ausrichten des vom lichtemittierenden Element 18 emittierten Lichtes. Das vom lichtemittierenden Element 18 emittierte Licht wird über den optischen Wellenleiter 22, wie weiter unten näher beschrieben, auf die drehbare Scheibe 16 projiziert.
-
Der optische Wellenleiter 22 dient als optische Kopplung zwischen dem lichtemittierenden Element 18 und dem lichtempfangenden Element 20 durch das Innere des ersten Gehäuseteils 24. Der optische Wellenleiter 22 kann aus einem Kunststoffmaterial gefertigt sein, wie zum Beispiel Polykarbonat oder Acryl, oder einer Glasfaser oder dergleichen. Der optische Wellenleiter 22 hat einen Eingang 22a an einem Ende und einen Ausgang 22b am anderen Ende. Der optische Wellenleiter 22 ist durch das erste Gehäuseteil 24 fixiert und nimmt dabei eine U-Form an. Wie dargestellt ist, ist der Eingang 22a des optischen Wellenleiters 22 in Bezug auf das lichtemittierende Element 18 ausgerichtet, während der Ausgang 22b des optischen Wellenleiters 22 in Bezug auf lichtempfangende Element 20 ausgerichtet ist, wobei die drehbare Scheibe 16 dazwischenliegt. Die gestrichelten Bereiche in der Figur deuten das durch die einzelnen Elemente durchtretende Licht an.
-
Das vom lichtemittierenden Element 18 emittierte Licht gelangt über den Eingang 22a in den optischen Wellenleiter 22. Gemäß einem Ausführungsbeispiel, hat der optische Wellenleiter 22 eine interne Struktur mit einer Spiegelfläche. In diesem Fall wandert das über den Eingang 22a eintretende Licht im optischen Wellenleiter 22 unter mehrfacher Spiegelreflexion und es ergibt sich am Ausgang 22b ein hochgebündeltes Licht.
-
Das aus dem Ausgang 22b des optischen Wellenleiters 22 austretende Licht ist auf einen bestimmten Bereich der drehbaren Scheibe 16 gerichtet. Das Licht passiert teilweise durch die Schlitze die drehbare Scheibe 16. Auf Bereiche ohne Schlitz auftreffendes Licht wird durch die drehbare Scheibe 16 blockiert. Auf diese Weise wird ein Muster aus Licht und Schatten erzeugt. Das Muster aus Licht und Schatten wird durch das lichtempfangende Element 20 detektiert.
-
Das lichtempfangende Element 20 kann herkömmlichen Aufbau haben, wie zum Beispiel eine Fotodiode oder ein Fototransistor. Das lichtempfangende Element 20 wird eingesetzt, um einen Zustand der Drehbewegung des drehbaren Elementes (e. g. des Elektromotors) durch Detektion des Musters aus Licht und Schatten, wie es von der drehbaren Scheibe 16 erzeugt wird, zu detektieren. Wird das drehbare Element gedreht, dann wird die drehbare Scheibe 16 gleichermaßen gedreht, wodurch sich das wechselnde Muster aus Licht und Schatten aufgrund der drehbaren Scheibe 16 ergibt. Das lichtempfangende Element 20 gibt ein elektrisches Signal entsprechend den Änderungen des Musters aus Licht und Schatten ab. Das vom lichtempfangenden Element 20 abgegebene elektrische Signal wird in einem Prozessor (nicht gezeigt) in Information bezüglich einer Winkelposition oder einer Drehgeschwindigkeit eines Rotors oder dergleichen umgewandelt. Das lichtemittierende Element 18 und das lichtempfangende Element 20 können jeweils kollektiv aufgebaute Elemente sein, also zum Beispiel aus einer Mehrzahl von lichtemittierenden Elementen oder einer Mehrzahl von lichtempfangenden Elementen aufgebaut sein, die zum Beispiel in Form einer Matrix angeordnet sind.
-
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind das lichtemittierende Element 18 und das lichtempfangende Element 20 auf der gleichen Seite in Bezug auf die drehbare Scheibe 16 angeordnet. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind das lichtemittierende Element 18 und das lichtempfangende Element 20 in Bezug auf die drehbare Scheibe 16 auf der dem ersten Gehäuseteil 24 gegenüberliegenden Seite angeordnet. Wie dargestellt ist, sind das lichtemittierende Element 18 und das lichtempfangende Element 20 auf einer gemeinsamen gedruckten Schaltungsplatine 30 montiert und voneinander beabstandet. Diese Anordnung erlaubt für das lichtemittierende Element 18 und das lichtempfangende Element 20 eine gemeinsame Verdrahtung, nicht gezeigt, welche auch die gedruckte Schaltungsplatine 30 mit einer externen Spannungsquelle verbindet. Da die Komponenten des optischen Systems ein gemeinsames Bauteil haben, kann das optische System insgesamt klein gebaut werden und somit auch der Encoder 10.
-
Der optische Wellenleiter 22 ist im Gehäuse 12 mechanisch unabhängig von einer Drehbewegung der drehenden Komponenten des Encoders angeordnet, d. h. insbesondere unabhängig von der Drehwelle 14 und der drehbaren Scheibe 16. Wenn also die drehbare Scheibe 16 in Drehbewegung ist, bleiben das optische System einschließlich des lichtemittierenden Elementes 18, des optischen Wellenleiters 22 und des lichtempfangenden Elementes 20 ortsfest. Auf diese Weise ist das optische System bei diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen von mechanischen Schwingungen isoliert, die aufgrund der Drehbewegung der drehbaren Teile erzeugt werden können. Dies verhindert, dass der Encoder 10 hinsichtlich seiner Detektionsgenauigkeit aufgrund von Schwingungen als externen Faktoren beeinträchtigt wird.
-
Andere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden weiter unten beschrieben. In der nachfolgenden Beschreibung werden Einzelheiten, die bereits oben beschrieben sind, nicht wiederholt. Gleiche oder funktionsähnliche Komponenten sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
2 zeigt eine Abwandlung des optischen Encoders 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Der Encoder 10' gemäß dieser Abwandlung ist so aufgebaut, dass die Positionen des lichtemittierenden Elementes 18 und des lichtempfangenden Elementes 20 ausgetauscht sind. Entsprechend sind auch der Eingang 22a und der Ausgang 22b des optischen Wellenleiters 22 beim Encoder 10' ausgetauscht. Im Einzelnen ist das lichtemittierende Element 18 auf der gedruckten Schaltungsplatine 30 so befestigt, dass es auf einen Abschnitt der drehbaren Scheibe 16 ausgerichtet ist. Das lichtempfangende Element 20 ist auf der gemeinsamen gedruckten Schaltungsplatine 30 an einer Stelle mit Abstand zum lichtemittierenden Element 18 montiert. Der Encoder 10' arbeitet grundsätzlich so wie der oben beschriebene Encoder 10 des ersten Ausführungsbeispieles, jedoch wandert das Licht in entgegengesetzter Richtung, wobei die gleichen Vorteile erzielt werden.
-
3 zeigt einen Encoder 40 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Der Encoder 40 bei diesem Ausführungsbeispiel ist so aufgebaut, dass der optische Wellenleiter 42 einen inneren Aufbau hat mit einer gewissen Krümmung derart, dass es zu Totalreflexionen des über den Eingang 42a eintretenden Lichtes kommt. Das über den Eingang 22a eintretende Licht wandert im optischen Wellenleiter 42 und wird dabei wiederholt total reflektiert. Deshalb ist das am Ausgangs 42b austretende Licht hochgradig gebündelt.
-
4 zeigt einen Encoder 50 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Der Encoder 50 bei diesem Ausführungsbeispiel ist am Eingang 22a und am Ausgang 22b des optischen Wellenleiters 22 mit Linsen 52 bzw. 54 versehen. Die Linsen 52 und 54 sind optische Elemente, die so gestaltet sind, dass sie die Richtung des durch sie durchtretenden Lichtes einstellen und parallel ausrichten. Aufgrund der an dem Eingang 22a und dem Ausgang 22b des optischen Wellenleiters 22 angeordneten Linsen 52 und 54 wird das durch die Linsen durchtretenden Licht weitgehend parallel ausgerichtet. Eine derartige Linse kann auch nur am Eingang 22a oder am Ausgang 22b des optischen Wellenleiters 22 vorgesehen sein.
-
5 zeigt einen Encoder 60 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Der Encoder 60 dieses Ausführungsbeispiels ist so gestaltet, dass der optische Wellenleiter 62 aufgeweitete Abschnitte 64 und 66 in Form etwa einer Trompete am Eingang 62a und am Ausgang 62 aufweist, sodass die Querschnittsfläche des optischen Wellenleiters 62 (Querschnittsfläche in einem Schnitt senkrecht zur optischen Achse) wie dargestellt ansteigt. Die sich aufweitenden Abschnitte 64 und 66 können auch so gestaltet sein, dass ein gradueller Anstieg der Querschnittsfläche des optischen Wellenleiters 62 vom Eingang 62a in Richtung auf den Ausgang 62b vorliegt.
-
Ist das von dem lichtemittierenden Element 18 emittierte Licht nicht hinreichend kollimiert, dann geht eine ansteigende Menge an Licht nach außen verloren, welches nicht in den optischen Wellenleiter 62 eintritt, insbesondere wenn die Lücke zwischen dem lichtemittierenden Element 18 und dem optischen Wellenleiter 62 sich aufweitet. Hingegen fördert der aufgeweitete Abschnitt 64 am Eingang 62a des optischen Wellenleiters 62 den Eintritt von Licht in den optischen Wellenleiter 62.
-
Hat das lichtempfangende Element 20 eine aktive Fläche größer als die Breite des vom optischen Wellenleiter 62 austretenden Lichtes, kann es vorkommen, dass das lichtempfangende Element 20 seine Funktion nicht über einen hinreichend weiten Abschnitt seiner aktiven Fläche ausführt. Durch Formung des sich aufweitenden Abschnittes 66 am Ausgang 62b des optischen Wellenleiters 62 kann Licht auf einen weiteren Bereich über das lichtempfangende Element 20 projiziert werden. Dementsprechend können die aufgeweiteten Abschnitte 64 und 66 Lichtverluste im optischen System reduzieren. Ein solcher aufgeweiteter Abschnitt kann auch nur an einem Ende vorgesehen sein, also zum Beispiel am Eingang 62a oder am Ausgang 62b des optischen Wellenleiters 62.
-
WIRKUNG DER ERFINDUNG
-
Da nach der Erfindung das optische System des Encoders in einem relativ kleinen Raum untergebracht wird, kann ein miniaturisierter Encoder bereitgestellt werden. Weiterhin hat der optische Wellenleiter einen relativ einfachen Aufbau und somit kann der Encoder kostengünstig hergestellt werden. Durch Anordnung des optischen Wellenleiters unabhängig von der Dreheinheit des Encoders, kann verhindert werden, dass der Encoder bezüglich seiner Detektionsgenauigkeit aufgrund externer Faktoren beeinträchtigt wird.
-
Verschiedene Abwandlungen und Abänderungen der Erfindung sind oben beschrieben, jedoch ist es offensichtlich für eine Fachperson, dass weitere Ausführungsbeispiele und Abänderungen verwirklicht werden können, ohne die Effekte und Vorteile der Erfindung aufzugeben.
-
Insbesondere ist es möglich, einzelne Elemente von Ausführungsbeispielen wegzulassen oder durch andere Komponenten zu ersetzen oder zusätzliche Komponenten hinzuzufügen, ohne die Erfindung zu verlassen. Für Fachpersonen ist es auch deutlich geworden, dass die Erfindung realisiert werden kann durch Kombination beliebiger Merkmale der Ausführungsbeispiele, die hier beschrieben worden sind, entweder explizit oder implizit.
-
Beispielsweise wurden mit Bezug auf 2 modifizierte Ausführungsbeispiele beschrieben, bei denen die Positionen des lichtemittierenden Elementes 18 und des lichtempfangenden Elementes 20 ausgetauscht sind; analoge Abwandlungen sind bezüglich anderer Ausführungsbeispiele und Merkmale möglich. Zum Beispiel können die Linsen 52 und 54 gemäß 4 auch eingesetzt werden zusammen mit den aufgeweiteten Abschnitten 64 und 66 gemäß 5.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- JP 8-184465 A [0004, 0006]
- JP 2008-82958 A [0005, 0008]
- JP 5-141960 A [0006, 0008]
