DE102021112648A1 - Sensor device and method for determining a kinematic variable of a relative movement - Google Patents
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Abstract
Es wird eine optoelektronische Gebervorrichtung (10) zur Bestimmung einer kinematischen Größe einer Relativbewegung eines ersten Objekts zu einem zweiten Objekt angegeben, wobei die Gebervorrichtung (10) eine mit dem ersten Objekt verbindbare Maßverkörperung (14) mit mindestens einer Codespur (16), eine mit dem zweiten Objekt verbindbare Abtasteinheit mit einem Lichtsender (20) zum Anleuchten oder Durchleuchten der Maßverkörperung (14) mit Sendelicht (30) im Bereich der Codespur (16), so dass ein Lichtmuster entsteht, und mit einem Lichtempfänger (24) zur Erzeugung eines Empfangssignals aus dem auf den Lichtempfänger (24) fallenden Lichtmuster sowie eine Steuer- und Auswertungseinheit (28) aufweist, die dafür ausgebildet ist, die kinematische Größe aus dem Empfangssignal zu bestimmen. Dabei weist die Abtasteinheit eine adaptive Linse (22) auf.An optoelectronic transmitter device (10) is specified for determining a kinematic variable of a relative movement of a first object to a second object, the transmitter device (10) having a material measure (14) which can be connected to the first object and having at least one code track (16), a scanning unit that can be connected to the second object, with a light transmitter (20) for illuminating or transilluminating the scale (14) with transmitted light (30) in the area of the code track (16), so that a light pattern is created, and with a light receiver (24) for generating a received signal from the light pattern incident on the light receiver (24) and a control and evaluation unit (28) which is designed to determine the kinematic variable from the received signal. The scanning unit has an adaptive lens (22).
Description
Die Erfindung betrifft eine Gebervorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung einer kinematischen Größe einer Relativbewegung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 beziehungsweise 14.The invention relates to an encoder device and a method for determining a kinematic variable of a relative movement according to the preamble of
Bei Gebervorrichtungen werden lineare und rotatorische Systeme unterschieden. Ein Lineargeber bestimmt eine Verschiebung auf einer Achse. Ein Drehgeber, Drehwinkelsensor oder Encoder hingegen dient der Erfassung eines Drehwinkels oder einer Winkelstellung beispielsweise einer Welle eines Antriebselements. Ein wichtiges Anwendungsfeld sind sogenannte Motor-Feedback-Systeme, wo der Drehgeber in einem Servomotor die Ist-Drehzahl an die Regelung rückmeldet.In the case of encoder devices, a distinction is made between linear and rotary systems. A linear encoder determines a displacement on an axis. A rotary encoder, rotary angle sensor or encoder, on the other hand, serves to detect a rotary angle or an angular position, for example of a shaft of a drive element. An important field of application are so-called motor feedback systems, where the rotary encoder in a servo motor reports the actual speed to the controller.
Dabei wird jeweils eine Maßverkörperung abgetastet, die längs der linearen Achse beziehungsweise an der Welle mitdrehend angebracht ist. Bei einem optischen Messprinzip und insbesondere einem Projektionsprinzip wird ein Modulator von einem Lichtsender mit einer Maßverkörperung an- oder durchstrahlt, und dieses intensitätsmodulierte Licht wird von einem Lichtempfänger detektiert. Der Modulator ist beispielsweise eine rotierende Codescheibe, die als Maßverkörperung für Durchlicht optisch transparente und nichttransparente Bereiche beziehungsweise für Auflicht reflektierende und absorbierende Bereiche aufweist. Die Bereiche oder Codeelemente können Öffnungen, reflexive und diffraktive Strukturen, Prismen, in Durchlässigkeit, Reflexivität, Grauton oder Farbe variierende Strukturen und sonstige optisch unterscheidbare Elemente sein. Zusammen ergeben die Codeelemente eine Maßspur, und damit wird ein Beleuchtungsmuster und mit der Rotation eine lokale Modulation des auf den Lichtempfänger auftreffenden Lichts erzeugt. Das Prinzip ist auf eine Maßverkörperung für die Längenmessung übertragbar, die dann natürlich nicht rotiert, sondern eine Relativbewegung in Längsrichtung vollzieht.In each case, a material measure is scanned, which is attached along the linear axis or on the shaft so that it rotates. In the case of an optical measuring principle and in particular a projection principle, a modulator is irradiated or penetrated by a light transmitter with a material measure, and this intensity-modulated light is detected by a light receiver. The modulator is, for example, a rotating code disk which, as a material measure, has optically transparent and non-transparent areas for transmitted light or reflective and absorbing areas for incident light. The areas or code elements can be openings, reflective and diffractive structures, prisms, structures that vary in transmission, reflectivity, shade of gray or color and other optically distinguishable elements. Together, the code elements result in a measuring track, and thus an illumination pattern and, with the rotation, a local modulation of the light impinging on the light receiver is generated. The principle can be transferred to a material measure for length measurement, which then of course does not rotate, but performs a relative movement in the longitudinal direction.
Das entsprechende modulierte Empfangssignal des Lichtempfängers wird ausgewertet, um die gesuchte Positionsinformation zu gewinnen. Besonders verbreitet sind inkrementelle Sin-/Cos-Geber, die mit zwei Empfangselementen im gegenseitigen Phasenversatz von 90° je ein Sinus- und ein Cosinussignal erzeugen. Es gibt aber auch inkrementelle Systeme mit mehr Empfangselementen, um beispielsweise differentielle Signale mit zusätzlichen negativen Sinus- und Cosinussignalen zu gewinnen, mit anderen Phasenunterschieden wie 120° oder anderen, nicht sinusartigen Modulationen. Ferner sind absolute Gebervorrichtungen bekannt, die anhand verschiedener Ausprägungen eindeutiger Codierungen absolute Positionen und nicht lediglich Verschiebungen beziehungsweise Veränderungen erfassen. Oft gibt es mehr als eine abgetastete Maßspur, beispielsweise eine absolute und eine inkrementelle Maßspur.The corresponding modulated received signal from the light receiver is evaluated in order to obtain the position information sought. Incremental sine/cosine encoders, which generate a sine and a cosine signal with two receiving elements with a mutual phase offset of 90°, are particularly widespread. However, there are also incremental systems with more receiving elements, for example to obtain differential signals with additional negative sine and cosine signals, with other phase differences such as 120° or other non-sinusoidal modulations. Furthermore, absolute transmitter devices are known which use different forms of unambiguous coding to detect absolute positions and not just displacements or changes. There is often more than one scanned gauge, such as an absolute gauge and an incremental gauge.
Das Licht des Lichtsenders zum An- oder Durchleuchten des Modulators wird üblicherweise durch eine Linse an die Erfordernisse der Anordnung von Maßverkörperung und Detektion angepasst und dafür kollimiert beziehungsweise parallelisiert. Diese Strahlformung gewährleistet die Funktion und eine möglichst gute Signalqualität. Allerdings müssen für diese Strahlformung enge mechanische Toleranzen eigehalten werden. Es ist jedoch aufbautechnisch sehr schwierig, sendeseitig Toleranzen im Bereich weniger 10 µm einzuhalten, so dass es in der Praxis zu einer Streuung bei der Herstellung der Beleuchtungseinheit kommt. Ist der Abstand zwischen Lichtsender und Linse nicht optimal, so ergibt sich eine nicht ideale Kollimierung, mit anderen Worten ein unerwünschter divergenter oder konvergenter Strahlverlauf nach der Linse. Dadurch nimmt der Kontrast der Signale ab, und die ohnehin sehr enge und empfindliche empfangsseitige Abstandstoleranz zwischen der Maßverkörperung und dem Detektor, die ebenfalls im Bereich weniger 10µm liegt, wird noch zusätzlich verringert. Auch die Homogenität der Beleuchtungsintensität über die beleuchtete Fläche nimmt ab, was die Signalqualität zusätzlich negativ beeinflusst.The light from the light transmitter for illuminating or transilluminating the modulator is usually adapted by a lens to the requirements of the arrangement of scale and detection and is collimated or parallelized for this purpose. This beam shaping ensures the function and the best possible signal quality. However, narrow mechanical tolerances must be maintained for this beam shaping. However, it is structurally very difficult to maintain tolerances in the range of less than 10 μm on the transmission side, so that in practice there is a scattering in the production of the lighting unit. If the distance between the light transmitter and the lens is not optimal, the collimation will not be ideal, in other words an undesired divergent or convergent beam path after the lens. As a result, the contrast of the signals decreases, and the already very narrow and sensitive distance tolerance between the scale and the detector on the receiving side, which is also in the range of less than 10 µm, is further reduced. The homogeneity of the illumination intensity across the illuminated area also decreases, which has an additional negative effect on the signal quality.
Aus technischen Bereichen außerhalb von Gebervorrichtungen sind Fokusverstellungen bekannt, mit denen typischerweise die Schnittweite verstellt wird, d.h. der Abstand zwischen Lichtempfänger und Linse oder zwischen Lichtsender und Linse. Das ist aber für einen Drehgeber viel zu aufwändig und baugroß. Bekannt sind ferner Linsen, in denen unmittelbar die Form und damit die Brennweite der Linse selbst mittels einer Spannungsansteuerung variiert wird. Auch das findet bislang in gattungsgemäßen Gebervorrichtungen keinerlei Anwendung.Focus adjustments are known from technical areas outside of transmitter devices, with which the back focus is typically adjusted, i.e. the distance between the light receiver and the lens or between the light emitter and the lens. However, this is far too complex and too large for a rotary encoder. Also known are lenses in which the shape and thus the focal length of the lens itself is directly varied by means of a voltage control. This too has hitherto not been used in generic transmitter devices.
Beispiele einer in ihrer Brennweite variablen Linse sind Gel- oder Flüssiglinsen. Bei einer Gellinse wird eine silikonartige Flüssigkeit mittels piezoelektrischer oder induktiver Aktoren mechanisch deformiert. Flüssiglinsen nutzen beispielsweise den sogenannten Elektrobenetzungseffekt (electrowetting) aus, indem zwei nicht mischbare Flüssigkeiten in einer Kammer übereinander angeordnet werden. Bei Anlegen einer Steuerspannung ändern die beiden Flüssigkeiten ihre Oberflächenspannung in unterschiedlicher Weise, so dass die innere Grenzfläche der Flüssigkeiten spannungsabhängig ihre Krümmung verändert.Examples of a variable focal length lens are gel or liquid lenses. In a gel lens, a silicone-like liquid is mechanically deformed using piezoelectric or inductive actuators. Liquid lenses, for example, exploit the so-called electrowetting effect (electrowetting) by arranging two immiscible liquids one on top of the other in a chamber. When a control voltage is applied, the two liquids change their surface tension in different ways, so that the inner interface of the liquids changes its curvature depending on the voltage.
In Weiterbildung solcher Flüssiglinsen zur Fokusverstellung schlägt die
In der
Die
Diese Aufgabe wird durch eine Gebervorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung einer kinematischen Größe einer Relativbewegung eines ersten Objekts zu einem zweiten Objekt nach Anspruch 1 beziehungsweise 14 gelöst. Die beiden Objekte sind gegeneinander in einer Längs- oder Drehrichtung beweglich, und die entsprechende Position oder Winkelstellung soll gemessen werden. Eine Maßverkörperung mit mindestens einer langgestreckten oder kreisförmigen Maßspur oder Codespur ist mit dem ersten Objekt und eine Abtasteinheit zur Abtastung der Maßverkörperung mit dem zweiten Objekt verbindbar. Im montierten Zustand in der Anwendung überträgt sich die Relativbewegung der Objekte auf eine Relativbewegung zwischen Maßverkörperung und Abtasteinheit. Dabei sind erstes Objekt und zweites Objekt untereinander austauschbare Begriffe. Die Gebervorrichtung wird im Falle einer Linearbewegung auch als Lineargeber, im Falle einer Rotationsbewegung als Drehgeber, Drehwinkelsensor oder Encoder, bei Einsatz in einem Servomotor insbesondere als Motorfeedback-System bezeichnet, und das erste Objekt ist dann vorzugsweise eine Welle und das zweite Objekt ein stationärer Teil oder Gehäuse des Drehgebers. Aus der Position oder Winkelposition können abgeleitete Größen erzeugt werden, wie eine Geschwindigkeit oder Winkelgeschwindigkeit.This object is achieved by a transmitter device and a method for determining a kinematic variable of a relative movement of a first object to a second object according to
In der Abtasteinheit erzeugt ein Lichtsender Sendelicht, das die Maßverkörperung im Bereich der Codespur anleuchtet oder durchleuchtet. Das entstehende Lichtmuster unterscheidet sich je nach Relativstellung der Maßverkörperung, die folglich mit ihrer Codespur wie einleitend beschrieben als Modulator fungiert. Das Lichtmuster fällt auf einen Lichtempfänger und erzeugt dort ein entsprechendes Empfangssignal. Vorzugsweise weist der Lichtempfänger mehrere Lichtempfangselemente auf und erzeugt folglich mehrere Empfangssignale. Eine Steuer- und Auswertungseinheit wertet das Empfangssignal oder die Empfangssignale auf, um die gesuchte kinematische Größe der Relativbewegung zu bestimmen. Das kann die inkrementelle und/oder absolute Position oder eine daraus abgeleitete Größe sein, beispielsweise eine Geschwindigkeit oder Beschleunigung, die durch Ableitung ermittelt wird.In the scanning unit, a light transmitter generates light that illuminates or shines through the scale in the area of the code track. The resulting light pattern differs depending on the relative position of the scale, which consequently acts as a modulator with its code track, as described in the introduction. The light pattern falls on a light receiver and generates a corresponding received signal there. The light receiver preferably has a number of light receiving elements and consequently generates a number of received signals. A control and evaluation unit evaluates the received signal or signals in order to determine the sought-after kinematic variable of the relative movement. This can be the incremental and/or absolute position or a variable derived from it, for example a speed or acceleration that is determined by derivation.
Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, eine adaptive Linse in der Gebervorrichtung einzusetzen. Eine adaptive Linse ist in ihre Brennweite und/oder Ausrichtung veränderbar. Mit Hilfe der adaptiven Linse kann der Strahlengang des Sendelichts beziehungsweise des Lichtmusters in der Gebervorrichtung eingestellt werden.The invention is based on the basic idea of using an adaptive lens in the transmitter device. An adaptive lens can be changed in terms of its focal length and/or orientation. The beam path of the transmitted light or the light pattern in the transmitter device can be adjusted with the aid of the adaptive lens.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass eine optimale Beleuchtungssituation hergestellt werden kann. Dies verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis und damit letztendlich die Robustheit und Genauigkeit der Messung der kinematischen Größe. Im Gegensatz zu einer starren Linse lassen sich über die adaptive Linse Toleranzen in der Produktion auf ganz einfache Weise ausgleichen, so dass die Herstellung der Gebervorrichtung vereinfacht wird und Kosten gesenkt werden. Die optimierte Strahlformung mittels der adaptiven Linse kann den Strahlquerschnitt betreffen, und sie sorgt vorzugsweise zugleich für eine möglichst homogene Lichtverteilung über die beleuchtete Fläche.The invention has the advantage that an optimal lighting situation can be created. This improves the signal-to-noise ratio and ultimately the robustness and accuracy of the kinematic quantity measurement. In contrast to a rigid lens, tolerances in production can be compensated for in a very simple manner via the adaptive lens, so that the manufacture of the transmitter device is simplified and costs are reduced. The optimized beam shaping by means of the adaptive lens can relate to the beam cross section, and at the same time it preferably ensures that the light is distributed as homogeneously as possible over the illuminated area.
Der Lichtsender ist bevorzugt auf der einen Seite der Maßverkörperung und der Lichtempfänger auf der anderen Seite der Maßverkörperung angeordnet. Die Abtastung erfolgt somit in Transmission oder Projektion. Dabei kommt es in besonderem Maße auf eine angepasste Strahlformung an. Eine alternative Abtastung in Reflexion mit Lichtsender und Lichtempfänger auf derselben Seite der Maßverkörperung ist dennoch möglich.The light transmitter is preferably arranged on one side of the scale and the light receiver on the other side of the scale. The scanning thus takes place in transmission or projection. In this context, an adapted beam shaping is particularly important. An alternative scanning in reflection with light emitter and light receiver on the same side of the scale is possible.
Die Codeelemente der Codespur sind vorzugsweise als Codeschlitze oder als Codereflektoren ausgebildet. Das korrespondiert mit einer transmissiven beziehungsweise reflexiven Abtastung im Durchlicht oder Auflicht. Die Codeelemente bilden bevorzugt eine absolute Codierung oder eine inkrementelle Codierung. Die Erfindung ist demnach für beide Arten von Codierungen anwendbar.The code elements of the code track are preferably in the form of code slots or code reflectors. This corresponds to a transmissive or reflective scanning in transmitted or reflected light. The code elements preferably form an absolute coding or an incremental coding. The invention can therefore be used for both types of coding.
Die adaptive Linse ist bevorzugt zwischen Lichtsender und Maßverkörperung angeordnet. Die Strahlformung des Sendelichts erfolgt demnach, ehe das Sendelicht auf die Codespur fällt.The adaptive lens is preferably arranged between the light transmitter and the material measure. The beam shaping of the transmitted light therefore takes place before the transmitted light falls on the code track.
Die adaptive Linse ist bevorzugt eine Flüssiglinse oder eine Gellinse. Solche Linsen sind als Bauteil verfügbar, sie bieten die gewünschten Einstellmöglichkeiten und sind dabei sehr bauklein und kostengünstig.The adaptive lens is preferably a liquid lens or a gel lens. Such lenses are available as a component, they offer the desired setting options and are very small and inexpensive.
Die adaptive Linse ist bevorzugt so eingestellt, dass das Sendelicht kollimiert wird. Damit werden eine besonders vorteilhafte Strahlformung und ein besonders gutes Signal erzeugt, und kollimiertes Licht erlaubt eine empfangsseitige Abstandstoleranz. Mit einer herkömmlichen starren Linse ist zwar das Ziel häufig auch eine Kollimierung. Dies wird dann aber in der Realität nur erreicht, wenn die Bauteile unter sehr engen Toleranzvorgaben montiert sind. Das ist zumindest teuer und je nach Anforderungen gar nicht vollständig erreichbar. Die erfindungsgemäße adaptive Linse hingegen ermöglicht eine Kollimierung noch unter Ausgleich der tatsächlichen Toleranzen im eingebauten Zustand.The adaptive lens is preferably adjusted in such a way that the transmitted light is collimated. A particularly advantageous beam formation and a particularly good signal are thus generated, and collimated light allows a distance tolerance at the receiving end. With a conventional rigid lens, the goal is often also collimation. In reality, however, this is only achieved if the components are assembled under very tight tolerance specifications. This is at least expensive and, depending on the requirements, not fully achievable. The adaptive lens according to the invention, on the other hand, enables collimation while still compensating for the actual tolerances in the installed state.
Die adaptive Linse ist bevorzugt so eingestellt, dass das Sendelicht gebündelt oder gestreut wird. Das weicht gezielt von einer Kollimierung ab und führt nicht unbedingt in sich zu einer besseren Strahlformung. Dafür kann womöglich durch Strecken oder Stauchen des Lichtmusters eine zusätzliche Justagetoleranz ausgeglichen werden, ohne die Signalqualität über die Maßen zu beeinträchtigen. Für ein gestreutes Sendelichtbündel muss die adaptive Linse nicht zwingend eine negative Brennweite einnehmen können, vielmehr kann der Fall auftreten, dass eine ursprüngliche Divergenz des Lichtsenders von der adaptiven Linse gezielt nur teilweise ausgeglichen wird.The adaptive lens is preferably set in such a way that the transmitted light is bundled or scattered. This deliberately deviates from collimation and does not necessarily lead to better beam shaping. An additional adjustment tolerance can possibly be compensated for by stretching or compressing the light pattern without impairing the signal quality excessively. For a scattered transmitted light bundle, the adaptive lens does not necessarily have to be able to assume a negative focal length; on the contrary, the situation can arise in which an original divergence of the light transmitter is only partially compensated by the adaptive lens in a targeted manner.
Die adaptive Linse ist bevorzugt kippbar ausgebildet, so dass durch Ansteuerung der adaptiven Linse die Abstrahlrichtung des Sendelichts veränderbar ist. Die Steuer- und Auswertungseinheit kann die adaptive Linse entsprechend ansteuern und damit die Richtung des Sendelichts anpassen. Das ist eine weitere Möglichkeit, Justage Toleranzen auszugleichen. Das Verkippen bezieht sich nicht oder jedenfalls nicht zwingend auf ein geometrisches Verkippen, sondern die optische Wirkung, die effektiv einer Verkippung entspricht. Der Effekt ist ein Verschieben des Lichtmusters längs der Codespur oder quer dazu, d.h. bei einem Drehgeber ein Verschieben in Umfangsrichtung und/oder radial, bei einer Längenmessung entsprechend ein Verschieben in der Längsrichtung oder quer dazu.The adaptive lens is preferably designed to be tiltable, so that the emission direction of the transmitted light can be changed by controlling the adaptive lens. The control and evaluation unit can control the adaptive lens accordingly and thus adjust the direction of the transmitted light. This is another way of compensating for adjustment tolerances. The tilting does not, or at least not necessarily, refer to a geometric tilting, but to the optical effect that effectively corresponds to a tilting. The effect is a shifting of the light pattern along the code track or transversely to it, i.e. shifting in the circumferential direction and/or radially in the case of a rotary encoder, and shifting in the longitudinal direction or transversely in the case of a length measurement.
Die adaptive Linse weist bevorzugt in Umlaufrichtung segmentierte Ansteuerelemente auf. Bei den Ansteuerelementen handelt es sich beispielsweise um segmentierte Elektroden, die eine Flüssiglinse über den Elektrobenetzungseffekt steuern. Denkbar sind weiterhin segmentierte Aktoren, insbesondere Piezoaktoren, die den Druck auf eine Flüssigkeit lokal verändern und dadurch eine Membran auf Flüssigkeit unterschiedlich krümmen, oder die direkt eine gelartige Substanz der Linse verformen. Durch die Segmentierung in Umlaufrichtung wird eine nicht rotationssymmetrische Beeinflussung der Linse ermöglicht, die zu der optischen Verkippung führt.The adaptive lens preferably has control elements that are segmented in the circumferential direction. The control elements are, for example, segmented electrodes that control a liquid lens via the electrowetting effect. Segmented actuators are also conceivable, in particular piezo actuators, which locally change the pressure on a liquid and thereby curve a membrane differently on the liquid, or which directly deform a gel-like substance of the lens. The segmentation in the circumferential direction enables a non-rotationally symmetrical influencing of the lens, which leads to the optical tilting.
Die Steuer- und Auswertungseinheit ist bevorzugt für einen Kalibrationsmodus ausgebildet, in dem eine Brennweite und/oder eine Ausrichtung der adaptiven Linse verändert wird. Die Kalibration in dem Kalibrationsmodus kann bereits ab Werk beispielsweise in der Endfertigung, alternativ bei der Inbetriebnahme, während einer Wartung oder auch im Betrieb vorzugsweise in einer temporären Stillstandsphase durchgeführt werden. Ziel der Kalibration ist, eine optimale Stellung der adaptiven Linse für eine optimale Strahlformung zu finden und einzustellen und damit anfängliche oder womöglich durch den Betrieb entstandene Toleranzen auszugleichen. Die Kalibration findet vorzugsweise in mehreren Relativstellungen von Maßverkörperung und Abtasteinheit statt.The control and evaluation unit is preferably designed for a calibration mode in which a focal length and/or an orientation of the adaptive lens is changed. The calibration in the calibration mode can already be carried out at the factory, for example in the final production, alternatively during commissioning, during maintenance or also during operation, preferably in a temporary standstill phase. The aim of the calibration is to find and set an optimal position of the adaptive lens for optimal beam shaping and thus to compensate for initial tolerances or tolerances that may have arisen during operation. The calibration preferably takes place in several relative positions of the material measure and the scanning unit.
Die Steuer- und Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, einen Pegel des Empfangssignals zu bestimmen und insbesondere mittels der adaptiven Linse zu optimieren. Das typische Optimierungsziel ist ein Maximalpegel unter sonst gleichen Bedingungen, der das beste Signal-Rausch-Verhältnis verspricht. Über das Empfangssignal, insbesondere dessen Pegel, kann die momentane Einstellung der adaptiven Linse bewertet werden. Durch Bewertung des Pegels ist insbesondere eine automatische Kalibrierung möglich, die verschiedene Einstellungen der adaptiven Linse durchspielt und abschließende die Einstellung wählt, die den Pegel maximiert. Das lässt sich sogar zu einer Regelung erweitern.The control and evaluation unit is preferably designed to determine a level of the received signal and in particular to optimize it using the adaptive lens. The typical optimization goal is a maximum level, all other things being equal, that promises the best signal-to-noise ratio. The current setting of the adaptive lens can be evaluated via the received signal, in particular its level. In particular, by evaluating the level, an automatic calibration is possible, which runs through various settings of the adaptive lens and finally selects the setting that maximizes the level. This can even be extended to a rule.
Die Steuer- und Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, für eine Selbstprüfung Brennweite und/oder Ausrichtung der adaptiven Linse zu variieren, das jeweilige Empfangssignal zu bewerten und erforderlichenfalls eine Wartungs- oder Vorausfallmeldung auszugeben. Das kann unter dem Begriff Condition Monitoring eingeordnet werden. Damit soll der Zustand der Gebervorrichtung überprüft werden, um erforderlichenfalls rechtzeitig eine Wartungs- oder Vorausfallmeldung ausgeben zu können. Beispielsweise kann durch Variation der Brennweite während des Betriebs oder in einer Betriebspause der Codescheibenabstand nachgemessen werden.The control and evaluation unit is preferably designed to vary the focal length and/or alignment of the adaptive lens for a self-check, to evaluate the respective received signal and, if necessary, to carry out a maintenance or to issue an advance notification. This can be classified under the term condition monitoring. The purpose of this is to check the status of the transmitter device in order to be able to issue a maintenance or pre-failure message in good time if necessary. For example, the code disk distance can be remeasured by varying the focal length during operation or during a break in operation.
Die Steuer- und Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, das jeweilige Empfangssignal mit einem zuvor abgespeicherten Referenzsignal zu vergleichen, das in einem Sollzustand der Gebervorrichtung erfasst wurde, insbesondere einen Empfangspegel und einen Referenzpegel bei jeweils gleicher Ansteuerung der adaptiven Linse. Die Gebervorrichtung umfasst demnach einen Speicher, insbesondere einen Speicher der Steuer und Auswertungseinheit, in dem eine Erwartungshaltung an eine intakte Gebervorrichtung in Form mindestens eines Referenzsignals abgelegt ist. Dabei können mehrere Referenzsignale für verschiedene Stellungen der adaptiven Linse gespeichert sein. Unter sonst vergleichbaren Randbedingungen, insbesondere hinsichtlich der Relativbewegung, sollte das jeweilige Empfangssignal mit dieser Erwartungshaltung übereinstimmen. Ansonsten wird ein Fehler der Gebervorrichtung vermutet und eine entsprechende Meldung ausgegeben. Der Vergleich findet vorzugsweise auf Ebene von Pegeln oder Amplituden statt, dementsprechend werden dann Referenzpegel statt ganzer zeitabhängiger Referenzsignale gespeichert.The control and evaluation unit is preferably designed to compare the respective received signal with a previously stored reference signal that was detected in a target state of the transmitter device, in particular a received level and a reference level with the same activation of the adaptive lens in each case. Accordingly, the transmitter device comprises a memory, in particular a memory of the control and evaluation unit, in which an expectation of an intact transmitter device is stored in the form of at least one reference signal. In this case, several reference signals can be stored for different positions of the adaptive lens. Under otherwise comparable boundary conditions, in particular with regard to the relative movement, the respective received signal should match this expectation. Otherwise an error in the encoder device is assumed and a corresponding message is output. The comparison preferably takes place at the level or amplitude level, accordingly reference levels are then stored instead of entire time-dependent reference signals.
Der Lichtempfänger weist bevorzugt mindestens ein Prüflichtempfangselement auf, um die Strahlformung des Sendelichts zu überprüfen. Es gibt in dieser Ausführungsform mindestens ein dediziertes Prüflichtempfangselement beziehungsweise mindestens eine Photodiode, die nur zur Überprüfung der Einstellung der adaptiven Linse dient. Das hat den Vorteil, dass Anordnung, Anschluss, Art und Auswertung des Prüflichtempfangselement auf diese Aufgabe zugeschnitten werden und es keine Wechselwirkungen mit der eigentlichen Messaufgabe gibt. Alternativ wird mindestens ein vorhandenes Lichtempfangselement des Lichtempfängers in Doppelfunktion für die Überprüfung der Einstellung der adaptiven Linse herangezogen.The light receiver preferably has at least one test light receiving element in order to check the beam formation of the transmitted light. In this embodiment, there is at least one dedicated test light receiving element or at least one photodiode, which is only used to check the setting of the adaptive lens. This has the advantage that the arrangement, connection, type and evaluation of the test light receiving element are tailored to this task and there are no interactions with the actual measurement task. Alternatively, at least one existing light receiving element of the light receiver is used in a dual function to check the setting of the adaptive lens.
Die Gebervorrichtung ist bevorzugt als Drehgeber ausgebildet. In einem Drehgeber ist die Relativbewegung der Maßverkörperung, die dann auch als Codescheibe bezeichnet wird, eine Rotation oder Drehung, und die Codeelemente sind je Spur auf einem Kreis angeordnet. Bei einem alternativen Längenmesssystem ist die Maßverkörperung langgestreckt, wobei die Codeelemente einer Spur auf einer Geraden angeordnet sind. Der erfindungsgemäße Einsatz einer adaptiven Linse ist in beiden Fällen von Vorteil.The encoder device is preferably designed as a rotary encoder. In a rotary encoder, the relative movement of the scale, which is then also referred to as a code disk, is a rotation or turn, and the code elements are arranged on a circle for each track. In an alternative length measuring system, the scale is elongated, with the code elements of a track being arranged on a straight line. The use of an adaptive lens according to the invention is advantageous in both cases.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf ähnliche Weise weitergebildet werden und zeigt dabei ähnliche Vorteile. Derartige vorteilhafte Merkmale sind beispielhaft, aber nicht abschließend in den sich an die unabhängigen Ansprüche anschließenden Unteransprüchen beschrieben.The method according to the invention can be developed in a similar way and shows similar advantages. Such advantageous features are described by way of example but not exhaustively in the dependent claims which follow the independent claims.
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:
-
1 eine schematische Darstellung eines Drehgebers; -
2a eine Darstellung des Strahlverlaufs von kollimiertem Sendelicht an einer adaptiven Linse in einer Gebervorrichtung in einem Sollabstand von Lichtsender und Maßverkörperung; -
2b eine Darstellung ähnlich2a , jedoch mit zu kurzem Abstand zwischen Lichtsender und Maßverkörperung und Kompensation durch kleinere Brennweite der adaptiven Linse; -
2c eine Darstellung ähnlich2a , jedoch mit zu großem Abstand zwischen Lichtsender und Maßverkörperung und Kompensation durch größere Brennweite der adaptiven Linse; -
3a eine Darstellung des Strahlverlaufs von kollimiertem Sendelicht an einer adaptiven Linse in einer Gebervorrichtung in einer Sollanordnung von Lichtsender und Maßverkörperung; -
3b eine Darstellung ähnlich3a , jedoch mit Strahlaufweitung durch kleinere Brennweite der adaptiven Linse; -
3c eine Darstellung ähnlich3a , jedoch mit Strahlbündelung durch größere Brennweite der adaptiven Linse -
4a eine Darstellung einer adaptiven Linse in einer strahlaufweitenden Einstellung; -
4b eine Darstellung der adaptiven Linse in einer neutralen Einstellung; -
4c eine Darstellung der adaptiven Linse in einer strahlbündelnden Einstellung; -
5a eine Darstellung der adaptiven Linse mit Verkippen nach unten; -
5b eine Darstellung der adaptiven Linse ohne Verkippen; und -
5c eine Darstellung der adaptiven Linse mit Verkippen nach oben.
-
1 a schematic representation of a rotary encoder; -
2a a representation of the beam path of collimated transmitted light on an adaptive lens in a transmitter device at a desired distance from the light transmitter and scale; -
2 B a representation similar2a , but with too short a distance between the light emitter and the material measure and compensation through the smaller focal length of the adaptive lens; -
2c a representation similar2a , but with too great a distance between the light emitter and the material measure and compensation through a larger focal length of the adaptive lens; -
3a a representation of the beam path of collimated transmitted light on an adaptive lens in a transmitter device in a target arrangement of light transmitter and material measure; -
3b a representation similar3a , but with beam expansion due to the smaller focal length of the adaptive lens; -
3c a representation similar3a , but with beam bundling due to the larger focal length of the adaptive lens -
4a an illustration of an adaptive lens in a beam-expanding setting; -
4b a representation of the adaptive lens in a neutral setting; -
4c a representation of the adaptive lens in a beam-forming setting; -
5a an illustration of the adaptive lens with tilt down; -
5b a representation of the adaptive lens without tilting; and -
5c an illustration of the adaptive lens with tilt up.
Ein Lichtsender 20 am Umfang der Maßverkörperung 14, beispielsweise eine LED, strahlt durch eine Sendeoptik mit einer adaptiven Linse 22 Sendelicht auf die Maßverkörperung 14. Die adaptive Linse 22 ist in ihrer Brennweite und/oder Kipprichtung veränderlich, diese Funktion wird später unter Bezugnahme auf die weiteren Figuren näher erläutert. In anderen Ausführungsformen weist die Sendeoptik neben der adaptiven Linse 22 weitere optische Elemente auf, wie mindestens eine zusätzliche konkave oder konvexe Linse, mindestens ein Umlenkelement oder eine Blende.A
Das derart strahlgeformte Sendelicht wird durch die Codeelemente 18 moduliert. Dazu sind die Codeelemente 18 als Codeschlitze oder etwas allgemeiner als transparente Bereiche ausgebildet. Somit entsteht in
Im Verlauf der Drehbewegung der Maßverkörperung 14 entstehen somit modulierte Empfangssignale, die von einer Steuer- und Auswertungseinheit 28 bewertet werden, um die Winkelposition der Maßverkörperung 14 und je nach Ausführungsform weitere kinematische Größen zu bestimmen. Je nach Maßverkörperung 14 und Codespur 16 sind verschiedene Messungen denkbar, insbesondere eine inkrementelle und/oder absolute Positionsbestimmung. Abweichend von
Die Darstellung der Gebervorrichtung 10 in
Die Gebervorrichtung 10 kann ferner statt als Drehgeber als Lineargeber oder Längsmesssystem ausgebildet sein. Die Maßverkörperung 14 ist dann nicht kreisförmig, sondern langgestreckt, die Maßspur entsprechend auf einer Gerade statt einem Kreis angeordnet, und statt einer Rotation erfolgt die Bewegung in Längsrichtung.The
Mit der adaptiven Linse 22, die beispielsweise eine Flüssig- oder Gellinse ist und die alternativ in jeder sonstigen an sich bekannten Technologie aufgebaut sein kann, lässt sich kollimiertes Sendelicht 30 auch für abweichende relative Anordnungen erreichen, die um mehr als die Toleranzvorgaben variieren. Die Brennweite der adaptiven Linse 22 kann von der Steuer- und Auswertungseinheit 28 durch entsprechende Ansteuerung verändert werden, beispielsweise durch Anlegen einer Steuerspannung. Mit passender Brennweite lässt sich die Strahlformung des Sendelichts 30 optimal auf die Erfordernisse des Systems einstellen. Deshalb kann insbesondere die Kollimierung auch nach dem toleranzbehafteten Zusammenbau des Systems nachträglich richtig eingestellt beziehungsweise korrigiert werden. Die diskutierten Aufbautoleranzen vergrößern sich auf diese Weise erheblich. Mit der adaptiven Linse 22 kann die
Die jeweils erreichte Kollimierung, oder mit Bezug auf noch vorzustellende weitere Ausführungsformen etwas allgemeiner die erreichte Strahlformung, kann mit mindestens einer nicht eigens gezeigten speziellen Photodiode des Lichtempfängers 24 überprüft werden und so ein Automatismus oder sogar eine Art Regelung implementiert werden, um eine gewünschte Strahlform des Sendelichts 30 zu erzielen. Alternativ zu einer dedizierten speziellen Photodiode kann dafür mindestens ein Lichtempfangselement 26 des Lichtempfängers 24 verwendet werden. Beispielsweise wird zur Kalibrierung, d.h. dem passenden Einstellen der adaptiven Linse 22, ein Pegel maximiert. Die Einstellung der Strahlformung des Sendelichts 30 kann einmalig bei der Fertigung, bei der Inbetriebnahme, während einer Wartung oder kontinuierlich beziehungsweise zyklisch während des Betriebs erfolgen.The collimation achieved in each case, or, with reference to further embodiments to be presented more generally, the beam shaping achieved, can be checked with at least one special photodiode of the
Die
Die
Die adaptive Linse 22 weist in dieser Ausführungsform als Flüssiglinse zwei transparente, nicht mischbare Flüssigkeiten 32, 34 mit unterschiedlichen Brechungsindizes und gleicher Dichte auf. Die Form der Flüssigkeits-Flüssigkeitsgrenzschicht 36 zwischen den beiden Flüssigkeiten 32, 34 wird zur optischen Funktion verwendet. Die Aktuierung basiert auf dem Prinzip der Elektrobenetzung, welche eine Abhängigkeit der Oberflächen- oder Grenzflächenspannung vom angelegten elektrischen Feld zeigt. Deshalb ist es möglich, die Form der Grenzschicht 36 und damit die optischen Eigenschaften der adaptiven Linse 22 durch elektrische Ansteuerung an einem Anschluss 38 zu verändern, wodurch entsprechende Spannungen an einer Elektrode 40 anliegen.In this embodiment, as a liquid lens, the
Die
Die adaptive Linse 22 kann vorzugsweise in ihrer Verkippung beeinflusst werden. Dies wird in den
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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