DE10233156A1

DE10233156A1 - Rotation angle sensor has multiple equidistant concentric data tracks on an angle-coding disk that are sampled using a sampling beam that is periodically moved radially relative to the angle disk

Info

Publication number: DE10233156A1
Application number: DE10233156A
Authority: DE
Inventors: Angelika Dr. Abeln; Rolf Dr. Disselnkötter; Andreas Dr. Kahnert
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 2002-07-22
Filing date: 2002-07-22
Publication date: 2004-02-12

Abstract

Angle of rotation sensor has an absolute-coded angle disk attached to a rotating shaft with the disk having equidistant concentric data tracks in which angle information is recorded in binary format, based on level differences relative to a base level in each data track. The tracks are sampled using an optical read head, whose output signal is a digital or analogue angle proportional signal. The sampling beam (7) is periodically displaced radially relative to the disk with the sampling track extending over a predefined width that extends beyond the inner and outer data tracks.

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehwinkelsensor. Solche Sensoren werden regelmäßig in der Fabrikautomation, Instrumentierung oder Prozeßkontrolle für die Steuerungen von Stellantrieben, die automatische Ablesung mechanischer Anzeigegeräte, zur Bestimmung der Wellenposition von Maschinen, oder für Regelungen im Robotik-Bereich eingesetzt.The invention relates to a rotation angle sensor. Such sensors are used regularly in the Factory automation, instrumentation or process control for the controls of actuators, the automatic reading of mechanical display devices, for Determination of the shaft position of machines, or for controls in the robotics area used.

Absolut messende Drehwinkelsensoren sind in unterschiedlichen Ausführungen, Meßbereichen, Auflösungen und Genauigkeiten bekannt.Absolute measuring rotation angle sensors are in different versions, Measuring ranges, resolutions and Accuracies known.

In Abhängigkeit vom Anwendungsbereich werden unterschiedliche Prinzipien der Drehwinkelmessung eingesetzt. Ein analoges Verfahren ist beispielsweise die Resolver-Methode, bei der das von einem magnetischen Dipol oder einem mehrpoligen, wechselstromerregten Rotor erzeugte Magnetfeld von zwei orthogonal angeordneten Magnetfeldsensoren oder Statorwicklungen nach der Sinus-Kosinus-Methode ausgewertet wird. Andere analoge Verfahren verwenden kapazitive oder potentiometrische Prinzipien.Depending on the area of application different principles of angle measurement are used. On An analogous method is, for example, the resolver method which is excited by a magnetic dipole or a multi-pole, alternating current Rotor generated magnetic field from two orthogonally arranged magnetic field sensors or stator windings is evaluated using the sine-cosine method. Other analog Methods use capacitive or potentiometric principles.

Bekannte digitale Sensoren weisen üblicherweise eine auf der Achse befestigte, drehbare Kodescheibe auf, auf der die Winkelinformation längs des Umfangs in radial angeordneten Bitmustern, die typischerweise dem Gray-Kode folgen, kodiert ist. Die Winkelinformation wird stellungsabhängig von einem feststehenden, optischen Lesekopf, der aus einer Anordnung von mehreren Sensoren bestehen kann, gelesen, und von einer Elektronik in ein winkelproportionales, digitales oder analoges Ausgangssignal umgewandelt. Zur Erzielung einer hohen mechanischen Genauigkeit werden die Winkelscheiben aus Glas oder einem formbeständigen, transparenten Kunststoff hergestellt. Als Informationsträger wird eine auf die Oberfläche aufgebrachte, intransparente Schicht verwendet, die entweder lithographisch, durch Belichten und Entwickeln einer Photolackschicht, und anschließendes chemisches Ätzen, strukturiert oder aufgedruckt wird. Die Information wird unter Verwendung gebündelten, sichtbaren oder infraroten Lichtes in Transmission gelesen.Known digital sensors usually have a rotatable code disk attached to the axle, on which the angle information along of the circumference in radially arranged bit patterns, which are typically follow the Gray code. The angle information is dependent on the position of a fixed, optical reading head that consists of an arrangement can consist of several sensors, read, and electronics converted into an angle-proportional, digital or analog output signal. To achieve high mechanical accuracy, the angle washers made of glass or a dimensionally stable made of transparent plastic. One is used as an information carrier to the surface applied, opaque layer used either lithographically, by Exposing and developing a photoresist layer, and then chemical etching, structured or printed on. The information is bundled using visible or infrared light read in transmission.

Nach analogen Verfahren arbeitende Drehwinkelmesser sind regelmäßig von einfachem Aufbau und robust und damit unempfindlich gegenüber industriellen Umgebungseinflüssen wie Verschmutzungen oder Temperaturänderung. Nachteilig ist jedoch deren begrenzte Meßgenauigkeit. Soweit überhaupt eine ausreichend hohe Genauigkeit erreichbar ist, erfordert diese einen aufwendigen Abgleich und/oder manuelle Justage. Darüber hinaus ist der Meßbereich regelmäßig auf weniger als den Vollkreis eingeschränkt.Working according to analog procedures Angle gauges are regularly from simple construction and robust and therefore insensitive to industrial environmental influences such as contamination or temperature change. However, it is disadvantageous their limited measurement accuracy. So far at all a sufficiently high level of accuracy is required a complex adjustment and / or manual adjustment. Furthermore is the measuring range up regularly less than the full circle.

Mit digitalen Sensoren sind hohe Meßgenauigkeiten erreichbar. Nachteiligerweise ist jedoch die Herstellung der Kode- und Teilerscheiben sehr aufwendig und für eine Massenfertigung wenig geeignet. Glasscheiben haben darüber hinaus den Nachteil, daß sie empfindlich gegenüber starken Erschütterungen, und aufgrund ihrer großen Wärmekapazität auch gegen Betauung sind.With digital sensors are high accuracies reachable. The disadvantage, however, is the production of the code and dividing disks very complex and little for mass production suitable. Glass panes have over it addition, the disadvantage that they sensitive to strong shocks, and because of their great Heat capacity also against Are condensation.

Darüber hinaus besteht bei der spurweisen Abtastung des Winkelworts mit mehreren Sensoren das Problem, daß radiale Geometriefehler der Winkelscheibe die Auslesefähigkeit beeinträchtigen.In addition, at trace-wise scanning of the angle word with several sensors the problem, that radial Geometric errors of the angle disc impair the readability.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Drehwinkelsensor zur absoluten Winkelmessung anzugeben, der gegenüber radialen Geometriefehlern der Winkelscheibe tolerant ist.The invention is therefore the object based on specifying a rotation angle sensor for absolute angle measurement, the opposite radial geometry errors of the angle disc is tolerant.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Schritten gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.According to the invention this task with the Steps according to claim 1 solved. Advantageous embodiments of the invention are in the back-related claims specified.

Die Erfindung geht von einem absoluten Drehwinkelsensor aus, der eine auf der drehbaren Welle befestigte, absolut kodierte Winkelscheibe aufweist. Die Winkelscheibe ist mit konzentrischen Spuren ausgestattet, auf denen die Winkelinformation binärkodiert aufgezeichnet ist. Die Winkelinformation wird mit einen optischen Lesekopf erfaßt, dessen Ausgangssignal von einer elektronischen Schaltung aufbereitet wird, um am Sensorausgang ein geeignetes digitales oder analoges, winkelproportionales Signal zur Verfügung zu stellen.The invention is based on an absolute angle of rotation sensor which encoded an absolutely coded on the rotatable shaft Has angle plate. The angle washer is concentric Tracks on which the angle information is binary coded is recorded. The angle information is provided with an optical Read head detects whose output signal is processed by an electronic circuit in order to use a suitable digital or analog, to provide an angle-proportional signal.

Die aus mehreren Bits bestehenden Winkelworte sind jeweils linear in Radialrichtung auf der Winkelscheibe angeordnet. Ihre Dichte bestimmt die Winkelauflösung des Sensors. Die Wertigkeit der Bits ist auf Niveauunterschiede gegenüber einem Basisniveau in jeder Datenspur abgebildet.The multi-bit Angle words are each linear in the radial direction on the angle disk arranged. Their density determines the angular resolution of the sensor. The value the bits are at level differences from a base level in each Data track mapped.

Mit dem Lesekopf wird in jeder Position der Winkelscheibe das jeweils unter dem Lesekopf befindliche Winkelwort längs einer radialen Abtastspur periodisch abgetastet. Der Abtastbereich des Lesekopfes reicht über eine vorgebbare Weite nach außen über die äußerste Datenspur hinaus und nach innen über die innerste Datenspur hinein. Dadurch werden alle Datenspuren auch bei radialen Geometriefehlern der Winkelscheibe erfaßt.With the reading head is in any position the angle disk the angle word located under the reading head along one radial scanning track periodically scanned. The scanning range of the Read head is enough a definable width to the outside over the outermost data track out and in over the innermost data track into it. This will remove all data traces too in the case of radial geometry errors of the angle disk.

Durch flankensensitive Abtastung des Winkelworts entlang der radialen Abtastspur wird ein besseres Signal-zu-Rausch-Verhältnis erreicht.Through edge-sensitive scanning of the angular word along the radial scan track becomes a better one Signal-to-noise ratio reached.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigenMore details and advantages The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments. The show the necessary drawings

1 eine Prinzipdarstellung eines Drehwinkelsensors 1 a schematic diagram of a rotation angle sensor

2 eine Prinzipdarstellung einer absolut kodierten Winkelscheibe 2 a schematic diagram of an absolute coded angle disc

3 eine vergrößerte Darstellung von Datenspuren 3 an enlarged representation of data tracks

4 eine Schnittdarstellung einer Winkelscheibe gemäß 3 4 a sectional view of an angle plate according to 3

5 eine Prinzipdarstellung eines zu einem Gray-kodierten Datenwort korrespondierenden Lesesignals bei Niveaukodierung der Einzelbits 5 a schematic diagram of a read signal corresponding to a gray-coded data word with level coding of the individual bits

6 eine Prinzipdarstellung eines zu einem Gray-kodierten Datenwort korrespondierenden Lesesignals bei Pulsweitenkodierung der Einzelbits 6 a schematic diagram of a read signal corresponding to a gray-coded data word with pulse width coding of the individual bits

7 eine Prinzipdarstellung eines Abtaststrahlenganges bei primärseitiger Abtastung 7 a schematic diagram of a scanning beam path with primary-side scanning

8 eine Prinzipdarstellung eines Abtaststrahlenganges bei sekundärseitiger Abtastung 8th a schematic diagram of a scanning beam path with secondary scanning

9 eine Prinzipdarstellung eines Abtaststrahlenganges mit einem teildurchlässigen Spiegel 9 a schematic diagram of a scanning beam path with a partially transparent mirror

10 eine Prinzipdarstellung der Abtastung mit einem Polygonspiegel 10 a schematic diagram of the scan with a polygon mirror

11 eine Prinzipdarstellung der Abtastung mit einem schwingenden Drehspiegel 11 a schematic diagram of the scanning with a swinging rotating mirror

12 eine Prinzipdarstellung der Abtastung mit einem translatorisch schwingendem Spiegel 12 a schematic diagram of the scanning with a translationally vibrating mirror

In 1 ist der prinzipielle Aufbau eines Drehwinkelsensors 1 dargestellt. Auf einer drehbaren Welle 2 ist eine absolut kodierte Winkelscheibe 3 befestigt. Die Winkelinformation ist binärkodiert in äquidistanten, konzentrischen Datenspuren 4 aufgezeichnet. Der Drehwinkelsensor 1 weist darüber hinaus einen Lesekopf 5 auf, der an eine elektronische Schaltung 6 zur Aufbereitung des Ausgangssignals des Lesekopfes 5 und zur Ausgabe eines geeigneten digitalen oder analogen, winkelproportionalen Signals angeschlossen ist.In 1 is the basic structure of a rotation angle sensor 1 shown. On a rotating shaft 2 is an absolutely coded angle disc 3 attached. The angle information is binary coded in equidistant, concentric data tracks 4 recorded. The rotation angle sensor 1 also has a read head 5 on that to an electronic circuit 6 for processing the output signal of the read head 5 and is connected to output a suitable digital or analog, angle-proportional signal.

Die Winkelscheibe 3 besteht gemäß 4 im wesentlichen aus einem transparenten Grundträger 10, der mit einer Markierungsschicht 32 überzogen ist. Die Markierungsschicht 32 ist durch eine Schutzschicht 33 abgedeckt. Optional kann vorgesehen sein, die Schutzschicht 33 mit einer Stützschicht 34 zur mechanischen Stabilisierung zu überziehen.The angle washer 3 exists according to 4 essentially from a transparent base support 10 with a marking layer 32 is covered. The marking layer 32 is through a protective layer 33 covered. The protective layer can optionally be provided 33 with a support layer 34 for mechanical stabilization.

Die Winkelworte bestehend aus mehreren Bits und sind jeweils linear in Radialrichtung auf der Winkelscheibe 3 angeordnet. Ihre Dichte bestimmt die Winkelauflösung des Drehwinkelsensors 1. Die binären Wertigkeiten der Bits sind auf Niveauunterschiede gegenüber einem Basisniveau in jeder Datenspur 4 abgebildet. Dazu ist die der Markierungsschicht 32 zugewandte Oberfläche des Grundträgers 10 im Bitraster strukturiert. Die Datenspur 4 besteht aus einem Muster aufeinanderfolgender Erhebungen oder Vertiefungen. Die Winkelposition ist durch die radiale Folge von Erhebungen oder Vertiefungen benachbarter Datenspuren 4 kodiert.The angle words consist of several bits and are each linear in the radial direction on the angle disk 3 arranged. Their density determines the angular resolution of the rotation angle sensor 1 , The binary weights of the bits are at level differences from a base level in each data track 4 displayed. This is the marking layer 32 facing surface of the base support 10 structured in bitmap. The data track 4 consists of a pattern of successive elevations or depressions. The angular position is due to the radial sequence of elevations or depressions of adjacent data tracks 4 coded.

Mit dem Lesekopf 5 wird in jeder Position der Winkelscheibe 3 das jeweils unter dem Lesekopf 5 befindliche Winkelwort längs einer radialen Abtastspur 7 gemäß 2 periodisch abgetastet. Dazu wird der Abtaststrahl entlang der radialen Abtastspur 7 abgelenkt.With the reading head 5 is in every position of the angle disc 3 each under the reading head 5 Angle word located along a radial scan track 7 according to 2 periodically sampled. For this purpose, the scanning beam is along the radial scanning track 7 distracted.

Zur Begrenzung des Ablesefehlers auf maximal ein LSB (least significant bit) auch bei Winkel-Zwischenstellungen wird zur Kodierung der Winkelworte vorteilhaft der Gray-Code verwendet. Dazu ist in 3 ein begradigter Ausschnitt der Darstellung von 2 gezeigt. Während die einzelnen Bits auf den konzentrischen Datenspuren 4 angeordnet sind, werden die Winkelworte senkrecht dazu in Radialrichtung entlang der Abtastspur 7 abgetastet. Benachbarte, gleichwertige Bits können sowohl in Radial- wie auch in Umfangsrichtung als zusammenhängende Datenstruktur 8 dargestellt sein. Dabei treten Strukturübergänge in Form von Flanken 9 nur bei einem Wechsel der Bit-Wertigkeit auf.To limit the reading error to a maximum of one LSB (least significant bit), even with intermediate angle positions, the Gray code is advantageously used to code the angle words. This is in 3 a straightened section of the representation of 2 shown. While the individual bits are on the concentric data tracks 4 are arranged, the angle words are perpendicular to it in the radial direction along the scanning track 7 sampled. Adjacent, equivalent bits can be used both in the radial and in the circumferential direction as a coherent data structure 8th be shown. Structural transitions occur in the form of flanks 9 only when the bit value changes.

In 4 ist die Struktur eines Winkelworts in einer Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A-A' in 3 längs zur Abtastrichtung gezeigt. Verschiedene Niveaus der Markierungsschicht 32 entsprechen verschiedenen Bit-Wertigkeiten. Die Markierungschicht 32 ist als spiegelnde Metallisierung eines zuvor erzeugten Oberflächenprofils des Grundträgers 10 ausgebildet. Alternativ kann auch eine optisch streuende oder absorbierende Markierungsschicht 32 vorgesehen sein.In 4 is the structure of an angle word in a sectional view along the section line AA 'in 3 shown along the scanning direction. Different levels of the marking layer 32 correspond to different bit weights. The marking layer 32 is a reflective metallization of a previously created surface profile of the base support 10 educated. Alternatively, an optically scattering or absorbing marking layer can also be used 32 be provided.

Durch den Grundträger 10 hindurch wird das Niveauprofil optisch abgetastet. Die Beleuchtung erfolgt dabei von der gleichen Seite der Winkelscheibe 3, auf der sich auch der Lesekopf 5 befindet. Durch einen weiten Öffnungswinkel a des Lichtkegels 11 des auf die Markierungsschicht 32 fokussierten Abtaststrahls wird eine weitgehende Unempfindlichkeit gegenüber auf der Oberfläche des Grundträgers 10 angelagerten Verunreinigungen erreicht. Dabei weist der Lichtkegel vorzugsweise einen Öffnungswinkel a im Bereich von 30° bis 90° auf.Through the basic carrier 10 the level profile is scanned optically. The lighting is from the same side of the angle disc 3 on which the read head is located 5 located. Through a wide opening angle a of the light cone 11 of the marking layer 32 focused scanning beam becomes largely insensitive to the surface of the base support 10 accumulated impurities reached. The light cone preferably has an opening angle α in the range from 30 ° to 90 °.

In 5 ist das Höhenprofil 12 der Struktur der Winkelkodierung für ein Gray-kodiertes Datenwort in Radialrichtung separat dargestellt. Beim Lesen des Datenworts wird das Höhenprofil 12 durch zeitabhängige Ablenkung des fokussierten Lichtstrahls sukzessive abgetastet. Bedingt durch die Struktur der Markierungsschicht beobachtet ein in Reflexionsstellung geeignet angeordneter Detektor zeitliche Helligkeitsunterschiede. Hierdurch entsteht ein zeitabhängiges Ausgangssignal 14 am Ausgang des Lesekopfes.In 5 is the height profile 12 the structure of the angular coding for a gray-coded data word in the radial direction is shown separately. When reading the data word, the height profile 12 successively scanned by time-dependent deflection of the focused light beam. Due to the structure of the marking layer, a detector suitably arranged in the reflection position observes temporal differences in brightness. This creates a time-dependent output signal 14 at the exit of the reading head.

Zur Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses wird dabei zweckmäßigerweise ein flankensensitives Abtastverfahren verwendet, bei dem die Flanken 16 des Höhenprofils 12 als Pulse 17 im Ausgangssignal 14 erscheinen. Diese zeigen dann Bitübergänge im Winkelwort an. Durch regelmäßige Untersuchung auf solche Bitübergänge innerhalb von in einem festen Zeitraster Δt angeordneten Zeitfenstern 15 wird die auf der Winkelscheibe 3 kodierte Bitstruktur rekonstruiert. In einfachster Ausführung wird dabei das Zeitraster Δt für die Abtastung durch die Ansteuerung für die Strahlablenkung synchronisiert.To improve the signal-to-noise ratio, an edge-sensitive scanning method is expediently used in which the edges 16 of the height profile 12 as pulses 17 in the output signal 14 appear. These then indicate bit transitions in the angle word. By regular examination for such bit transitions within time windows arranged in a fixed time grid Δt 15 will be the one on the angle disc 3 coded bit structure reconstructed. In the simplest version, the time grid Δt for the scanning is synchronized by the control for the beam deflection.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist außerhalb der Datenspuren 4 äquidistant zur äußersten Datenspur 4 eine datenlose konzentrische Aufzeichnungsspur 13 mit der zum Basisniveau komplementären Wertigkeit vorgesehen. Praktisch ist diese Aufzeichnungsspur 13 je nach Art der Abbildung der Datenspuren 4 als Erhebungen oder Vertiefungen auf die Winkelscheibe 3 eine konzentrische ringförmige Erhebung oder Vertiefung.In a further embodiment of the invention outside the data tracks 4 equidistant to the outermost data track 4 a dataless concentric recording track 13 provided with the complementary value to the basic level. This recording track is practical 13 depending on the type of mapping of the data tracks 4 as elevations or depressions on the angle disc 3 a concentric ring-shaped elevation or depression.

Darüber hinaus kann innerhalb der Datenspuren 4 äquidistant zur innersten Datenspur 4 eine datenlose konzentrische Aufzeichnungsspur mit der zum Basisniveau 30 komplementären Wertigkeit vorgesehen sein. Diese Aufzeichnungsspur ist je nach Art der Abbildung der Datenspuren 4 als Erhebungen oder Vertiefungen auf die Winkelscheibe 3 eine konzentrische ringförmige Erhebung oder Vertiefung.It can also within the data tracks 4 equidistant to the innermost data track 4 a dataless concentric recording track with that to the base level 30 complementary value can be provided. This recording track is depending on the type of mapping of the data tracks 4 as elevations or depressions on the angle disc 3 a concentric ring-shaped elevation or depression.

Bei der Abtastung der beiden datenlosen konzentrischen Aufzeichnungsspuren 13 wird infolge der unmittelbar aufeinanderfolgenden komplementären Flanken der Aufzeichnung von und zum Basisniveau 30 ein Doppelpuls 19 gelesen, der sich von den Flankenpulsen 17 des Winkelworts eindeutig unterscheidet.When scanning the two dataless concentric recording tracks 13 becomes due to the immediately successive complementary edges of the recording from and to the base level 30 a double pulse 19 read who is from the flank pulses 17 of the angle word clearly differentiates.

Vorteilhafterweise zeigen diese Doppelpulse 19 den Beginn und das Ende eines Winkelworts unabhängig von der radialen Abtastrichtung und tolerant gegenüber radialen Geometriefehlern der Winkelscheibe 3 an. Bei Abtastrichtung von innen nach außen ist der Doppelpuls 19 der inneren datenlosen Aufzeichnungsspur das Startsignal und der Doppelpuls 19 der äußeren datenlosen Aufzeichnungsspur das Stopsignal einer Abtastung. Bei Abtastrichtung von außen nach innen ist der Doppelpuls 19 der äußeren datenlosen Aufzeichnungsspur das Startsignal und der Doppelpuls 19 der inneren datenlosen Aufzeichnungsspur das Stopsignal einer Abtastung.These double pulses advantageously show 19 the start and end of an angle word regardless of the radial scanning direction and tolerant of radial geometry errors of the angle disc 3 on. When scanning from inside to outside is the double pulse 19 the start signal and the double pulse of the inner dataless recording track 19 the outer dataless recording track the stop signal of a scan. When scanning from outside to inside is the double pulse 19 the start signal and the double pulse of the outer dataless recording track 19 the inner dataless recording track the stop signal of a scan.

In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung sind die Bits eines Winkelworts gemäß 6 in der Struktur durch unterschiedliche Pulsweiten dargestellt. Jedes Bit ist dabei durch zwei Flanken 16 mit je nach Bitwertigkeit unterschiedlichem Abstand repräsentiert. Bei der Abtastung wird für jedes Bit ein Doppelpuls 19 gelesen, wobei der zeitliche Abstand der Pulse jedes Doppelpuls 19 der Bitwertigkeit des abgetasteten Bit entspricht.In an alternative embodiment of the invention, the bits are according to an angle word 6 represented in the structure by different pulse widths. Each bit is represented by two edges 16 represented with different distances depending on the bit value. During the sampling there is a double pulse for each bit 19 read, the time interval between the pulses of each double pulse 19 corresponds to the bit value of the sampled bit.

Bei Kombination pulsweitenmodulierter Winkelwortaufzeichnung mit vorstehend beschriebenen datenlosen konzentrischen Aufzeichnungsspuren 13 wird vorteilhafterweise wird eine Normierung der Pulsabstände der Doppelpulse 19 und eine Toleranz gegenüber radialen Geometriefehlern der Winkelscheibe 3 erreicht.When combining pulse width modulated angular word recording with the data-free concentric recording tracks described above 13 is advantageously a normalization of the pulse spacing of the double pulses 19 and a tolerance to radial geometry errors of the angle disk 3 reached.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abtastspur 7 über eine vorgebbare Weite nach außen über die äußerste Datenspur 4 hinausreicht und nach innen über die innerste Datenspur 4 hineinreicht. Dadurch ist der Abtastvorgang unempfindlich gegenüber radialen Geometriefehlern der Winkelscheibe 3.In a further advantageous embodiment of the invention it is provided that the scanning track 7 over a predeterminable width to the outside via the outermost data track 4 extends beyond the innermost data track 4 extends. As a result, the scanning process is insensitive to radial geometry errors of the angle disk 3 ,

In 7 ist unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel eine Prinzipdarstellung eines Abtaststrahlenganges bei primärseitiger Abtastung durch einen beweglichen Spiegel gezeigt. Ausgehend von einer Lichtquelle 20 wird der Abtaststrahl 24 mit Hilfe von Linsen 28 und einem Abtastspiegel 21 auf die der Winkelscheibe 3 fokussiert. Der an den Datenspuren 4 modulierte Abtaststrahl 24 wird an einer weiteren Linse 28 gebündelt und in einem Detektor 22 aufgefangen. Der Abtastspiegel 21 ist drehbar gelagert, wobei dessen Drehachse in einer zur Winkelscheibe 3 parallelen Ebene quer zur Abtastspur 7 angeordnet ist. Im weiteren ist vorgesehen, dass der Abtastspiegel 21 um seine Drehachse schwingt. Dabei überstreicht der Fokus des Abtaststrahls 24 radial die Datenspuren 4 der Winkelscheibe 3 in hin- und hergehender Weise.In 7 a basic illustration of a scanning beam path for primary-side scanning by a movable mirror is shown using the same reference numerals for the same means. Starting from a light source 20 becomes the scanning beam 24 with the help of lenses 28 and a scanning mirror 21 on that of the angle disc 3 focused. The one on the data tracks 4 modulated scanning beam 24 is on another lens 28 bundled and in a detector 22 collected. The scanning mirror 21 is rotatably mounted, its axis of rotation in a to the angle disc 3 parallel plane across the scan track 7 is arranged. It is further provided that the scanning mirror 21 swings around its axis of rotation. The focus of the scanning beam sweeps over it 24 radial the data tracks 4 the angle disc 3 in a reciprocating manner.

Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel ist in 8 eine alternative Ausführungsform der Abtasteinrichtung dargestellt. Dabei werden die Datenspuren 4 der Winkelscheibe 3 unfokussiert von einer Lichtquelle 20 beleuchtet. Im Strahlengang des an den Datenspuren 4 modulierten Abtaststrahls 24 ist zwischen Linsen 28 der Abtastspiegel 21 angeordnet. Der Abtastspiegel 21 ist drehbar gelagert, wobei dessen Drehachse in einer zur Winkelscheibe 3 parallelen Ebene quer zur Abtastspur 7 angeordnet ist. Im weiteren ist vorgesehen, dass der Abtastspiegel 21 um seine Drehachse schwingt. Dabei überstreicht der Fokus des modulierten Abtaststrahls 24 radial die Datenspuren 4 der Winkelscheibe 3 in hin- und hergehender Weise.Using the same reference numerals for the same means is in 8th an alternative embodiment of the scanner is shown. In doing so, the data tracks 4 the angle disc 3 unfocused from a light source 20 illuminated. In the beam path of the data tracks 4 modulated scanning beam 24 is between lenses 28 the scanning mirror 21 arranged. The scanning mirror 21 is rotatably mounted, its axis of rotation in a to the angle disc 3 parallel plane across the scan track 7 is arranged. It is further provided that the scanning mirror 21 swings around its axis of rotation. The focus of the modulated scanning beam sweeps over it 24 radial the data tracks 4 the angle disc 3 in a reciprocating manner.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist gemäß 9 im Strahlengang des Abtaststrahls 24 ein teildurchlässiger Abtastspiegel 23 vorgesehen. Ausgehend von einer gebündeltes Licht aussendenden Lichtquelle 20 wird der Abtaststrahl 24 mit Hilfe des teildurchlässigen Abtastspiegels 23 auf die der Winkelscheibe 3 gelenkt. Für den an den Datenspuren 4 modulierten Abtaststrahl 24 ist der teildurchlässige Abtastspiegel 23 durchlässig. Im weiteren Strahlengang des Abtaststrahls 24 ist der Detektor 22 angeordnet. Der teildurchlässige Abtastspiegel 23 ist drehbar gelagert, wobei dessen Drehachse in einer zur Winkelscheibe 3 parallelen Ebene quer zur Abtastspur 7 angeordnet ist. Im weiteren ist vorgesehen, dass der teildurchlässige Abtastspiegel 23 um seine Drehachse schwingt. Dabei überstreicht der Fokus des modulierten Abtaststrahls 24 radial die Datenspuren 4 der Winkelscheibe 3 in hin- und hergehender Weise.According to a further embodiment of the invention, according to 9 in the beam path of the scanning beam 24 a semitransparent scanning mirror 23 intended. Starting from a bundled light emitting light source 20 becomes the scanning beam 24 with the help of the partially transparent scanning mirror 23 on that of the angle disc 3 directed. For that on the data tracks 4 modulated scanning beam 24 is the semi-transparent scanning mirror 23 permeable. In the further beam path of the scanning beam 24 is the detector 22 arranged. The semi-transparent scanning mirror 23 is rotatably mounted, its axis of rotation in a to the angle disc 3 parallel plane across the scan track 7 is arranged. It is further provided that the partially transparent scanning mirror 23 swings around its axis of rotation. The focus of the modulated scanning beam sweeps over it 24 radial the data tracks 4 the angle disc 3 in a reciprocating manner.

Das Prinzip des um eine Drehachse schwingenden Drehspiegels ist in 11 detailiert dargestellt. Vorteilhafterweise wird bereits bei geringen Drehwinkeln des Abtastspiegels 21 die gesamte radiale Abtastspur überstrichen. Ein weiterer Vorteil des schwingenden Drehspiegels ist die bidirektionale Abtastbarkeit der Abtastspur 7. Das bedeutet im einzelnen, dass auf dem Rückweg des Abtastspiegels 21 bereits eine vom Hinweg verschiedene Winkelstellung der Winkelscheibe 3 abtastbar ist.The principle of the rotating mirror swinging around an axis of rotation is shown in 11 presented in detail. Advantageously, even at small angles of rotation of the scanning mirror 21 swept the entire radial scan track. Another advantage of the oscillating rotating mirror is the bidirectional scanability of the scan track 7 , Specifically, this means that on the way back from the scanning mirror 21 Already a different angular position of the angle disc from the way there 3 is palpable.

Bei gleicher Anordnung der technischen Mittel gemäß 9 ist in alternativer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Abtastspiegel 23 translatorisch schwingend gelagert ist. Das Prinzip der Fokussierung eines translatorisch schwingenden Abtastspiegels 23 ist in 12 gezeigt. Die Schwingungsamplitude des Abtastspiegels 23 stimmt mit der Länge der Abtastspur 7 überein. Vorteilhafterweise gestattet die Abtastung der Abtastspur 7 mit einem translatorisch schwingenden Abtastspiegels 23 eine bidirektionale Abtastung.With the same arrangement of the technical means according to 9 it is provided in an alternative embodiment of the invention that the scanning mirror 23 is pivotally mounted in a translatory manner. The principle of focusing a translationally oscillating scanning mirror 23 is in 12 shown. The oscillation amplitude of the scanning mirror 23 agrees with the length of the scan track 7 match. Advantageously, the scanning of the scanning track allows 7 with a translationally oscillating scanning mirror 23 a bidirectional scan.

Durch Korrelation des Detektor-Ausgangssignals 14 mit dem Ansteuersignal des Spiegelantriebs ist ein schnelleres bidirektionales Auslesen mit korrekter Bit-Reihenfolge realisierbar. Um eine gültige Winkelinformation zu erhalten, muß die Abtastfrequenz in jedem Fall hoch gegenüber der Frequenz einer möglichen Informationsänderung aufgrund einer Änderung des Drehwinkels sein.By correlating the detector output signal 14 With the control signal of the mirror drive, a faster bidirectional reading with the correct bit sequence can be achieved. In any case, in order to obtain valid angle information, the sampling frequency must be high compared to the frequency of a possible change in information due to a change in the angle of rotation.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist für die Anordnungen gemäß den 7 und 8 vorgesehen, dass der Abtastspiegel 21 als kontinuierlich rotierender Polygonspiegel 25 ausgeführt ist. Das Prinzip der Abtastung mit einem Polygonspiegel 25 ist in 10 gezeigt. Dieser Polygonspiegel 25 ist in einfacher Weise durch einen Elektromotor angetrieben. Infolge der kontinuierlichen Rotation ist der Abtastvorgang unidirektional. Vorteilhafterweise ist die Abtastgeschwindigkeit über die Abtastspur 7 weitgehend konstant.According to a further embodiment of the invention, the arrangements according to FIGS 7 and 8th provided that the scanning mirror 21 as a continuously rotating polygon mirror 25 is executed. The principle of scanning with a polygon mirror 25 is in 10 shown. This polygon mirror 25 is easily driven by an electric motor. Due to the continuous rotation, the scanning process is unidirectional. The scanning speed is advantageously via the scanning track 7 largely constant.

In vorteilhafter Weise können Schwingspiegel für diese Anwendung in Mikrotechnologie ausgeführt werden, beispielsweise als mikromechanische oder mikroelektromechanische Komponenten auf Basis von Silizium- und Dünnschicht-Technologie. Solche Komponenten haben den Vorteil, daß sie aufgrund ihrer Kleinheit nur geringe Massen besitzen, und daher hohe Frequenzen bei geringen Trägheitskräften, geringem Verschleiß und geringer Erschütterungsempfindlichkeit realisiert werden können. Darüber hinaus sind auch der Spiegelantrieb sowie weitere optische Komponenten integrierbar.Vibration mirrors can advantageously be used for this Application run in microtechnology, for example as micromechanical or microelectromechanical components based of silicon and thin-film technology. Such Components have the advantage of being small due to their small size only have small masses, and therefore high frequencies with low ones Inertial forces, low Wear and tear low sensitivity to vibrations can be realized. About that In addition, the mirror drive and other optical components integrated.

11: DrehwinkelsensorRotation angle sensor
22: Drehwellerotary shaft
33: Winkelscheibeangle plate
44: Datenspurendata tracks
55: Lesekopfread head
66: Elektronische Schaltungelectronic circuit
77: Abtastspurscanning track
88th: Datenstrukturdata structure
99: Flankeflank
1010: Grundträgerbase support
1111: Lichtkegellight cone
1212: Höhenprofilheight profile
1313: Aufzeichnungsspurrecording track
1414: Ausgangssignaloutput
1515: ZeitfensterTime window
1616: Flankeflank
1717: Flankenpulsedge pulse
1818: Einzelbitsingle bit
1919: Doppelpulsdouble pulse
2020: Lichtquellelight source
2121: Abtastspiegelscanning
2222: Detektordetector
2323: teildurchlässiger Abtastspiegelsemitransparent scanning mirror
2424: Abtaststrahlscanning beam
2525: Polygonspiegelpolygon mirror
2828: Linsenlenses
3030: Basisniveaubase level
3232: Markierungsschichtmarking layer
3333: Schutzschichtprotective layer
3434: Stützschichtbacking

Claims

Angle of rotation sensor with an absolutely coded angle disk attached to a rotatable shaft with equidistant, concentric data tracks on which the angle information is recorded in binary code, the binary values being mapped to level differences compared to a base level in each data track, with an optical reading head having a detector, the Output signal is processed by an electronic circuit in order to provide a suitable digital or analog, angle-proportional signal at the sensor output, characterized in that - the scanning beam ( 24 ) periodically along a scan track ( 7 ) radial to the angle disc ( 3 ) and - that the scanning track ( 7 ) over a predeterminable width to the outside via the outermost data track ( 4 ) extends beyond the innermost data track ( 4 ) reaches into it.

Angle of rotation sensor according to claim 1, characterized in that in the beam path of the scanning beam ( 24 ) a rotatable mirror ( 21 ) is inserted, whose axis of rotation is at an angle disc ( 3 ) parallel plane across the scan track ( 7 ) is arranged.

Angle of rotation sensor according to claim 2, characterized in that the mirror ( 21 ) has a totally reflecting mirror surface and is suspended so that it can swing around a central position.

Angle of rotation sensor according to claim 2, characterized in that the mirror ( 21 ) has a semi-transparent mirror surface and is suspended so that it can swing about a central position.

Angle of rotation sensor according to claim 2, characterized in that the mirror ( 21 ) has a plurality of totally reflecting mirror surfaces which are arranged evenly polygonal to each other.

Angle of rotation sensor according to claim 1, characterized in that in the beam path of the scanning beam ( 24 ) a mirror suspended in a translatory oscillation ( 21 ) is arranged with a totally or partially reflecting mirror surface which is inclined against the oscillation plane.

Angle of rotation sensor according to one of claims 1 to 6, characterized in that outside the data tracks ( 4 ) equidistant to the outermost data track ( 4 ) a dataless concentric recording track ( 13 ) with the complementary value to the basic level.

Angle of rotation sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that within the data tracks ( 4 ) equidistant to the innermost data track ( 4 ) a dataless concentric recording track ( 13 ) with the complementary value to the basic level.

Angle of rotation sensor according to one of claims 1 to 8, characterized in that the light cone has an opening angle in the range from 30 ° to 90 °.

Angle of rotation sensor according to one of claims 1 to 9, characterized in that the scanning of the angle word is edge-selective.

Angle of rotation sensor according to one of claims 1 to 9, characterized in that the bits of an angle word are represented by a different pulse width are.

Angle of rotation sensor according to one of claims 1 to 9, characterized in that the angle words can be read bidirectionally.