DE102019101952A1 - Optischer Encoder und Steuerverfahren dafür - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt einen optischen Encoder bereit, der ein lichtemittierendes Element, eine Codescheibe, eine Maske und ein Erfassungselement umfasst. Die Codescheibe ist auf einer Seite des lichtemittierenden Elements angeordnet und weist mehrere Markierungsbereiche auf. Die Maske ist auf der dem lichtemittierenden Element gegenüberliegenden Seite der Codescheibe angeordnet und weist mehrere transparente Muster auf. Das Erfassungselement ist auf der der Codescheibe gegenüberliegenden Seite der Maske angeordnet und weist eine Steuerung und mehrere mit den transparenten Mustern korrespondierende Erfassungseinheiten auf, wobei das Erfassungselement mehrere Erfassungsarrays aufweist, wobei jedes Erfassungsarray aus mindestens zwei Erfassungseinheiten besteht, wobei die in den benachbarten Erfassungsarrays befindlichen und den gleichen Abstand aufweisenden Erfassungseinheiten mit derselben Signalübertragungsleitung verbunden sind.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Encoder und insbesondere einen optischen Encoder, durch den das Herstellungsverfahren vereinfacht und die Erfassungsgenauigkeit verbessert werden kann.
  • Stand der Technik
  • Ein optischer Encoder erhält ein Signal, indem er die Lichtänderung zum Messen der mechanischen, geometrischen Verschiebung erfasst, sodass das erhaltene analoge Signal dem Sinussignal stärker angenähert ist. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass das transparente Muster in Form eines Rechtecks, eines Trapezes, einer Raute, einer Welle oder des Buchstabens V gestaltet ist, um ein analoges Signal zu erhalten, das der Sinuswelle stärker angenähert ist.
  • Im Stand der Technik wird offenbart, dass das erfasste analoge Signal durch Ändern der Form des transparenten Musters so verändert werden kann, dass sein Wert näher am entsprechenden Sinuswert liegt. Aufgrund seiner komplizierten Form ist jedoch die Bearbeitung nicht einfach. Die herkömmliche Technik hat den Nachteil eines komplizierten Herstellungsverfahrens.
  • Die Abmessungen der oben genannten transparenten Muster liegen alle in der Größenordnung von Mikrometern. Wenn die Probenahme zum Bestimmen von Verschiebungsinformationen durch die mit einem einzigen transparenten Muster korrespondierende Erfassungseinheit erfolgt ist, muss damit gerechnet werden, dass die von ihr erfasste Lichtintensität zu niedrig und störanfällig ist, was zu einer schlechten Signalqualität und zu einem fehlerhaften Bestimmen führt. Wie ein vereinfachter Herstellungsprozess und eine verbesserte Erfassungsgenauigkeit durch Ändern der Form der transparenten Muster und durch Ändern des Erfassungsverfahrens erreicht werden können, ist daher für den Bereich des optischen Encoders von großer Bedeutung und stellt eine wichtige Forschungsrichtung dar.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen optischen Encoder bereitzustellen, bei dem ideale Sinussignale durch die Formgestaltung der transparenten Muster einer Maske erzeugt werden, wobei die Erfassungsgenauigkeit durch Mitteln der Erfassungssignale unterschiedlicher Erfassungsarrays verbessert wird.
  • Zur Lösung der oben genannten Aufgabe umfasst der erfindungsgemäße optische Encoder ein lichtemittierendes Element, eine Codescheibe (code wheel), eine Maske (grating disk) und ein Erfassungselement. Die Codescheibe ist auf einer Seite des lichtemittierenden Elements angeordnet und weist mehrere Markierungsbereiche auf. Die Maske ist auf der dem lichtemittierenden Element gegenüberliegenden Seite der Codescheibe angeordnet und weist mehrere transparente Muster auf. Das Erfassungselement ist auf der der Codescheibe gegenüberliegenden Seite der Maske angeordnet und weist eine Steuerung und mehrere mit den transparenten Mustern korrespondierende Erfassungseinheiten auf, wobei das Erfassungselement mehrere Erfassungsarrays aufweist, wobei jedes Erfassungsarray aus mindestens zwei Erfassungseinheiten besteht, wobei die in den benachbarten Erfassungsarrays befindlichen und den gleichen Abstand aufweisenden Erfassungseinheiten mit derselben Signalübertragungsleitung verbunden sind.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist das Erfassungselement vier Erfassungsarrays auf, wobei das jeweilige Erfassungsarray aus einer ersten Erfassungseinheit, einer zweiten Erfassungseinheit, einer dritten Erfassungseinheit und einer vierten Erfassungseinheit besteht, wobei die mit den ersten Erfassungseinheiten des jeweiligen transparenten Musters korrespondierenden Signalübertragungsleitungen miteinander parallelgeschaltet sind, wobei die mit den zweiten Erfassungseinheiten des jeweiligen transparenten Musters korrespondierenden Signalübertragungsleitungen miteinander parallelgeschaltet sind, wobei die mit den dritten Erfassungseinheiten des jeweiligen transparenten Musters korrespondierenden Signalübertragungsleitungen miteinander parallelgeschaltet sind, wobei die mit den vierten Erfassungseinheiten des jeweiligen transparenten Musters korrespondierenden Signalübertragungsleitungen miteinander parallelgeschaltet sind.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die transparenten Muster der Maske nebeneinander angeordnet.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die Markierungsbereiche der Codescheibe zyklisch, ringförmig angeordnet, wobei die Markierungsbereiche die Funktion des Durchlassens oder Reflektierens von Licht haben.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist jedes transparente Muster zwei kreisförmige Bereiche und zwei Verbindungsbereiche auf, wobei sich die beiden Verbindungsbereiche jeweils zwischen den beiden kreisförmigen Bereichen befinden und an den Scheitelpunkten miteinander verbunden sind und den benachbarten kreisförmigen Bereich tangieren.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist jedes transparente Muster drei kreisförmige Bereiche und zwei Verbindungsbereiche auf, wobei sich die beiden Verbindungsbereiche jeweils zwischen den drei kreisförmigen Bereichen befinden, wobei die Verbindungsbereiche durch die benachbarten Tangentenlinien der kreisförmigen Bereiche begrenzt werden.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind die Radien der kreisförmigen Bereiche voneinander verschieden oder gleich.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst das Steuerverfahren der Steuereinheit: Empfangen der Signale der Erfassungsarrays und der Signale der Signalübertragungsleitungen, wobei die von allen gleichen Signalübertragungsleitungen kommenden Signale als unabhängige Signale definiert werden; Mitteln der unabhängigen Signale der Erfassungsarrays, um Erfassungssignale zu erhalten; und Analysieren und Erhalten der Verschiebungsinformationen gemäß den Erfassungssignalen.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst das Steuerverfahren der Steuereinheit: Empfangen eines Signals der Signalübertragungsleitung der ersten Erfassungseinheiten, das mit den transparenten Mustern korrespondiert, wobei dies ein erstes Signal ist; Empfangen eines Signals der Signalübertragungsleitung der zweiten Erfassungseinheiten, das mit den transparenten Mustern korrespondiert, wobei dies ein zweites Signal ist; Empfangen eines Signals der Signalübertragungsleitung der dritten Erfassungseinheiten, das mit den transparenten Mustern korrespondiert, wobei dies ein drittes Signal ist; Empfangen eines Signals der Signalübertragungsleitung der vierten Erfassungseinheiten, das mit den transparenten Mustern korrespondiert, wobei dies ein viertes Signal ist; und Mitteln des ersten Signals, des zweiten Signals, des dritten Signals und des vierten Signals, um die Verschiebungsinformationen zu analysieren und zu erhalten.
  • Figurenliste
  • Die zur Erläuterung der Ausführungsbeispiele verwendeten Zeichnungen zeigen:
    • 1 eine schematische Explosionsansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen Encoders;
    • 2 eine schematische Draufsicht der Maske eines Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung;
    • 3-1 eine schematische Ansicht der auf der Maske vorgesehenen transparenten Muster eines Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung;
    • 3-2 eine schematische Ansicht der auf der Maske vorgesehenen transparenten Muster eines weiteren Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung;
    • 4 eine schematische Draufsicht des Erfassungselements eines Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung;
    • 5 ein Flussdiagramm des Steuerverfahrens der Steuereinheit eines Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung;
    • 6 eine schematische Explosionsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen Encoders.
  • Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
  • Es wird auf die 1 und 4 Bezug genommen. Der erfindungsgemäße optische Encoder umfasst ein lichtemittierendes Element (10), eine Codescheibe (20), eine Maske (30) und ein Erfassungselement (40).
  • Die Codescheibe (20) ist auf einer Seite des lichtemittierenden Elements (10) angeordnet und weist mehrere zyklisch, ringförmig angeordnete Markierungsbereiche (21) auf. Die Maske (30) ist auf der dem lichtemittierenden Element (10) gegenüberliegenden Seite der Codescheibe (20) angeordnet und weist mehrere transparente Muster (31) auf. Das Erfassungselement (40) ist auf der der Codescheibe (20) gegenüberliegenden Seite der Maske (30) angeordnet und weist eine Steuerung (41) und mehrere mit den transparenten Mustern (31) korrespondierende Erfassungseinheiten (42) auf.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der optische Encoder am Ende eines Drehwellenelements angeordnet. Dadurch, dass die Erfassungseinheiten (42) des Erfassungselements (40) das die Markierungsbereiche (21) der Codescheibe (20) und die transparenten Muster (31) der Maske (30) passierende Licht empfangen und dann das empfangene Licht in elektrische Signale umwandeln und dann diese über mehrere Signalübertragungsleitungen an die Steuereinheit (41) übertragen, können die Verschiebungsinformationen über die Drehbewegung analysiert und erhalten werden.
  • Es wird auf die 2 und 3-1 Bezug genommen. Die transparenten Muster (31) der Maske (30) sind nebeneinander angeordnet. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist jedes transparente Muster (31) drei kreisförmige Bereiche (311) und zwei Verbindungsbereiche (312) auf, wobei sich die beiden Verbindungsbereiche (312) jeweils zwischen den drei kreisförmigen Bereichen (311) befinden, wobei die Verbindungsbereiche (312) durch die benachbarten Tangentenlinien der kreisförmigen Bereiche (311) begrenzt werden. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weisen die drei kreisförmigen Bereiche (311) jeweils unterschiedliche Radien auf, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. In anderen Ausführungsbeispielen können die drei kreisförmigen Bereiche (311) auch den gleichen Radius aufweisen.
  • Es wird auf 3-2 Bezug genommen. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der transparenten Muster (31) weist jedes transparente Muster (31) zwei kreisförmige Bereiche (311) und zwei Verbindungsbereiche (312) auf, wobei sich die beiden Verbindungsbereiche (312) jeweils zwischen den beiden kreisförmigen Bereichen (311) befinden und an den Scheitelpunkten miteinander verbunden sind und den benachbarten kreisförmigen Bereich (311) tangieren. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weisen die beiden kreisförmigen Bereiche (311) jeweils den gleichen Radius auf, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Bei anderen Ausführungsbeispielen können die beiden kreisförmigen Bereiche (311) auch unterschiedliche Radien aufweisen.
  • Es wird auf die 4 und 5 Bezug genommen. Das Erfassungselement (40) weist vier Erfassungsarrays (421) auf, wobei das jeweilige Erfassungsarray (421) aus einer ersten Erfassungseinheit (42a), einer zweiten Erfassungseinheit (42b), einer dritten Erfassungseinheit (42c) und einer vierten Erfassungseinheit (42d) besteht, wobei die Erfassungseinheiten (42) korrespondierende transparente Muster (31) aufweisen. Die ersten Erfassungseinheiten (42a) der benachbarten Erfassungsarrays (421) weisen den gleichen Abstand (d1) auf und sind mit derselben Signalübertragungsleitung (43) parallelgeschaltet. Die zweiten Erfassungseinheiten (42b) der benachbarten Erfassungsarrays (421) weisen den gleichen Abstand (d2) auf und sind mit derselben Signalübertragungsleitung (43) parallelgeschaltet. Die dritten Erfassungseinheiten (42c) der benachbarten Erfassungsarrays (421) weisen den gleichen Abstand (d3) auf und sind mit derselben Signalübertragungsleitung (43) parallelgeschaltet. Die vierten Erfassungseinheiten (42d) der benachbarten Erfassungsarrays (421) weisen den gleichen Abstand (d4) auf und sind mit derselben Signalübertragungsleitung (43) parallelgeschaltet. Die Signalübertragungsleitungen (43) sind jeweils zwischen der Steuereinheit (41) und der jeweiligen Erfassungseinheit (42) angeordnet und mit diesen verbunden, um das empfangene Licht in elektrische Signale umzuwandeln und diese an die Steuereinheit (41) zu übertragen.
  • Bei der oben beschriebenen Konfiguration der Erfassungseinheiten (42) und der Signalübertragungsleitungen (43) empfängt die Steuereinheit (41) die Signale der Signalübertragungsleitungen (43), anschließend werden die von allen gleichen Signalübertragungsleitungen kommenden Signale als unabhängige Signale definiert, wobei die unabhängigen Signale zum Erhalten der Erfassungssignale gemittelt werden. Schließlich werden die Verschiebungsinformationen gemäß den Erfassungssignalen analysiert und erhalten.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel empfängt die Steuereinheit (41) ein Signal der Signalübertragungsleitung (43) der ersten Erfassungseinheiten (42a), das mit den transparenten Mustern (31) korrespondiert, wobei dies ein erstes Signal ist; wobei die Steuereinheit ein Signal der Signalübertragungsleitung (43) der zweiten Erfassungseinheiten (42b) empfängt, das mit den transparenten Mustern (31) korrespondiert, wobei dies ein zweites Signal ist, wobei die Steuereinheit ein Signal der Signalübertragungsleitung (43) der dritten Erfassungseinheiten (42c) empfängt, das mit den transparenten Mustern (31) korrespondiert, wobei dies ein drittes Signal ist; wobei die Steuereinheit ein Signal der Signalübertragungsleitung (43) der vierten Erfassungseinheiten (42d) empfängt, das mit den transparenten Mustern (31) korrespondiert, wobei dies ein viertes Signal ist. Anschließend werden das erste Signal, das zweite Signal, das dritte Signal und das vierte Signal gemittelt, um die Verschiebungsinformationen zu analysieren und zu erhalten.
  • Bei dem obigen Ausführungsbeispiel ist die Erfindung für einen transmissiven optischen Encoder mit Schlitzstruktur, bei dem Licht die Markierungsbereiche (21) passieren kann, verwendet, jedoch kann die Erfindung auch für einen reflektierenden optischen Encoder verwendet werden (vgl. 6). Der Unterschied zwischen dem transmissiven optischen Encoder und dem reflektierenden optischen Encoder besteht lediglich darin, dass hier die Maske (30a) und das Erfassungselement (40a) zusammen mit dem lichtemittierenden Element (10a) auf der gleichen Seite der Codescheibe (20a) angeordnet sind. Das Licht wird durch die auf der Oberfläche der Codescheibe (20a) angeordnete Beschichtung mit hohem Reflexionsgrad, durch die alle Markierungsbereiche (21a) gebildet sind, reflektiert, wobei die Erfassungseinheiten (42a) des Erfassungselements (40a) das die transparenten Muster (31a) passierende Licht empfangen, wobei das empfangene Licht in elektrische Signale umgewandelt und diese über mehrere Signalübertragungsleitungen an die Steuereinheit (41) übertragen werden, um die Verschiebungsinformationen über die Drehbewegung zu analysieren und zu erhalten. Darüber hinaus können bei anderen Ausführungsbeispielen die Maske (30a) und das Erfassungselement (40a) auch als ein einteiliges Element gestaltet sein und sind somit nicht auf die bei den obigen Ausführungsbeispielen offenbarte separate Gestaltung beschränkt.
  • Zusammenfassend werden in der vorliegenden Erfindung ideale Sinussignale durch die Formgestaltung der transparenten Muster (31) einer Maske (30) erzeugt, wobei die Erfassungsgenauigkeit durch Mitteln der Erfassungssignale unterschiedlicher Erfassungsarrays (421) verbessert wird.

Claims (9)

  1. Ein optischer Encoder, umfassend: ein lichtemittierendes Element; eine Codescheibe, die auf einer Seite des lichtemittierenden Elements angeordnet ist und mehrere zyklisch, ringförmig angeordnete Markierungsbereiche, die das Durchlassen oder Reflektieren von Licht ermöglichen, aufweist; eine Maske, die mehrere nebeneinander angeordnete transparente Muster aufweist; und ein Erfassungselement, das eine Steuerung und mehrere mit den transparenten Mustern korrespondierende Erfassungseinheiten aufweist, wobei die Erfassungseinheiten das die Markierungsbereiche und die transparenten Muster passierende Licht empfangen und dann das empfangene Licht in elektrische Signale umwandeln und diese dann über mehrere Signalübertragungsleitungen an die Steuereinheit übertragen; dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassungselement mehrere Erfassungsarrays aufweist, wobei jedes Erfassungsarray aus mindestens zwei Erfassungseinheiten besteht, wobei die in den benachbarten Erfassungsarrays befindlichen und den gleichen Abstand aufweisenden Erfassungseinheiten mit derselben Signalübertragungsleitung verbunden sind.
  2. Optischer Encoder nach Anspruch 1, bei dem das Erfassungselement vier Erfassungsarrays aufweist, wobei das jeweilige Erfassungsarray aus einer ersten ersten Erfassungseinheiten des jeweiligen transparenten Musters korrespondierenden Signalübertragungsleitungen miteinander parallelgeschaltet sind, wobei die mit den zweiten Erfassungseinheiten des jeweiligen transparenten Musters korrespondierenden Signalübertragungsleitungen miteinander parallelgeschaltet sind, wobei die mit den dritten Erfassungseinheiten des jeweiligen transparenten Musters korrespondierenden Signalübertragungsleitungen miteinander parallelgeschaltet sind, wobei die mit den vierten Erfassungseinheiten des jeweiligen transparenten Musters korrespondierenden Signalübertragungsleitungen miteinander parallelgeschaltet sind.
  3. Optischer Encoder nach Anspruch 1, bei dem die Maske auf der dem lichtemittierenden Element gegenüberliegenden Seite der Codescheibe angeordnet ist, wobei das Erfassungselement auf der der Codescheibe gegenüberliegenden Seite der Maske angeordnet ist.
  4. Optischer Encoder nach Anspruch 1, bei dem die Maske und das Erfassungselement zusammen mit dem lichtemittierenden Element auf der gleichen Seite der Codescheibe angeordnet sind.
  5. Optischer Encoder nach Anspruch 1, bei dem jedes transparente Muster zwei kreisförmige Bereiche und zwei Verbindungsbereiche aufweist, wobei sich die beiden Verbindungsbereiche jeweils zwischen den beiden kreisförmigen Bereichen befinden und an den Scheitelpunkten miteinander verbunden sind und den benachbarten kreisförmigen Bereich tangieren.
  6. Optischer Encoder nach Anspruch 1, bei dem jedes transparente Muster drei kreisförmige Bereiche und zwei Verbindungsbereiche aufweist, wobei sich die beiden Verbindungsbereiche jeweils zwischen den drei kreisförmigen Bereichen befinden, wobei die Verbindungsbereiche durch die benachbarten Tangentenlinien der kreisförmigen Bereiche begrenzt werden.
  7. Optischer Encoder nach Anspruch 5 oder 6, bei dem die Radien der kreisförmigen Bereiche voneinander verschieden oder gleich sind.
  8. Optischer Encoder nach Anspruch 1, bei dem das Steuerverfahren der Steuereinheit umfasst: Empfangen der Signale der Erfassungsarrays und der Signale der Signalübertragungsleitungen; wobei die von allen gleichen Signalübertragungsleitungen kommenden Signale als unabhängige Signale definiert werden; Mitteln der unabhängigen Signale der Erfassungsarrays, um Erfassungssignale zu erhalten; und Analysieren und Erhalten der Verschiebungsinformationen gemäß den Erfassungssignalen.
  9. Optischer Encoder nach Anspruch 2, bei dem das Steuerverfahren der Steuereinheit umfasst: Empfangen eines Signals der Signalübertragungsleitung der ersten Erfassungseinheiten, das mit den transparenten Mustern korrespondiert, wobei dies ein erstes Signal ist; Empfangen eines Signals der Signalübertragungsleitung der zweiten Erfassungseinheiten, das mit den transparenten Mustern korrespondiert, wobei dies ein zweites Signal ist; Empfangen eines Signals der Signalübertragungsleitung der dritten Erfassungseinheiten, das mit den transparenten Mustern korrespondiert, wobei dies ein drittes Signal ist; Empfangen eines Signals der Signalübertragungsleitung der vierten Erfassungseinheiten, das mit den transparenten Mustern korrespondiert, wobei dies ein viertes Signal ist; und Mitteln des ersten Signals, des zweiten Signals, des dritten Signals und des vierten Signals, um die Verschiebungsinformationen zu analysieren und erhalten.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102006055590A1 (de) * 2005-11-28 2007-06-06 Avago Technologies Ecbu Ip (Singapore) Pte. Ltd. Optischer Codierer mit sinusförmigem Photodetektorausgangssignal
DE102011085238A1 (de) * 2010-10-27 2012-05-03 Avago Technologies Ecbu Ip (Singapore) Pte. Ltd. Interpolationsverfahren und Vorrichtung zum Erhöhen der Auflösung von Kodierern
US20180143039A1 (en) * 2016-11-22 2018-05-24 Hiwin Mikrosystem Corp. Optical encoder

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