DE112019004295T5

DE112019004295T5 - Optischer kodierer

Info

Publication number: DE112019004295T5
Application number: DE112019004295.5T
Authority: DE
Inventors: Vijay Ele; Niwin Gnaniah
Original assignee: Ams Sensors Singapore Pte Ltd
Current assignee: Ams Sensors Singapore Pte Ltd
Priority date: 2018-08-30
Filing date: 2019-08-29
Publication date: 2021-06-02
Also published as: CN112585432A; US20210293584A1; US11692854B2; WO2020046209A1

Abstract

Es wird ein optisches Codiersystem offenbart, das ein bewegliches Ziel umfasst, das so angeordnet ist, dass es einen variierenden Reflexionsgrad in Abhängigkeit von einer Position des Ziels innerhalb des Systems liefert. Ein Emitter ist auf einer ersten Seite des Targets positioniert, um das Target zu beleuchten, und ein Sensor ist auf der ersten Seite des Targets positioniert, um ein Reflexionsvermögen von dem Target zu erfassen, wobei das erfasste Reflexionsvermögen von der Position des Targets innerhalb des Systems abhängig ist. Ebenfalls offenbart werden ein Ziel und ein Sensormodul zur Verwendung in einem solchen System, eine Vorrichtung mit einem solchen System und ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines sich bewegenden Ziels unter Verwendung eines solchen Systems.

Description

Technisches Gebiet der Offenbarung
Die Offenbarung bezieht sich auf einen optischen Encoder, insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf ein optisches Encodersystem und ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines bewegten Ziels unter Verwendung eines solchen Systems.
Hintergrund der Offenbarung
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf optische Kodierer, die Vorrichtungen zur Messung der Position eines Ziels sind, indem sie die Übertragung von Licht nutzen, um ein digitales Signal zu erzeugen, das sich mit der Position des Ziels oder anderer Komponenten ändert, die an dem Ziel oder in Verbindung mit diesem befestigt sind.
Es gibt zwei Arten von mechanischen Konfigurationen für optische Encoder: Drehgeber und lineare Encoder. Drehgeber sind am häufigsten in Bewegungssteuerungssystemen zu finden, während Längenmessgeräte speziell für lineare Positionierungsanwendungen wie Kolben- oder Aktuatorüberwachungssysteme verwendet werden.
Ein Drehgeber verwendet eine optische Abtasttechnologie, die auf der Rotation einer planaren, codierten Scheibe basiert, die ein Muster aus undurchsichtigen und transparenten Markierungen oder Linien aufweist. Die Scheibe wird von einer Welle mit kreisförmigem Querschnitt gedreht, so dass ein Lichtstrahl von einer Leuchtdiode (LED) oder ähnlichem auf einen Bereich der Scheibe strahlt und die Markierungen auf der Scheibe als Blenden wirken, die das Licht blockieren und freigeben. Ein Photodetektor, der auf der der Lichtquelle gegenüberliegenden Seite der Scheibe positioniert ist, erfasst den wechselnden Lichtstrahl, wenn er durch die Scheibenöffnungen tritt, und wandelt das empfangene Lichtmuster in ein elektrisches Signal um, das für eine Winkelposition der Scheibe zu einem bestimmten Zeitpunkt repräsentativ ist. Das elektrische Signal kann den Ausgang des Encoders bilden, der anschließend von einem Steuerungssystem verwendet werden kann.
Bei einem linearen Encoder wird die rotierende Welle durch ein linear bewegliches Bauteil ersetzt, auf dem sich eine ähnlich kodierte Scheibe oder ein Streifen befindet, wobei auf einer Seite eine Lichtquelle und auf der gegenüberliegenden Seite ein Photodetektor zur Erfassung der Lichtübertragung durch einen Teil des Streifens vorgesehen ist.
Ein Beispiel für einen bekannten absoluten Positionsgeber 100 ist in dargestellt. Dieser hat eine gemusterte Scheibe 102, die auf einer rotierenden Welle 104 montiert ist und eine Anordnung von acht LEDs 106 auf einer Seite der Scheibe 102 und eine entsprechende Anordnung von acht Fotodetektoren 108 auf der gegenüberliegenden Seite der Scheibe 102 aufweist. In diesem Fall ist zwischen der Scheibe 102 und der Anordnung der Fotodetektoren 108 eine feste Schlitzanordnung 110 vorgesehen, so dass nur Licht, das durch die Scheibe 102 und die feste Schlitzanordnung 110 hindurchgeht, auf die Fotodetektoren 108 trifft. In dieser Anordnung können die acht LEDs 106 und die Photodetektoren 108 8 Bits darstellen, so dass die elektrischen Signale, die von den Photodetektoren 108 bei der Erkennung von durch die Scheibe 102 durchgelassenem Licht erzeugt werden, einen 8-Bit-Binärausgang 112 bilden. Dementsprechend kann die Winkelposition der Scheibe 102 zu jedem Zeitpunkt auf der Grundlage des erfassten Musters von Licht, das durch die Scheibe 102 übertragen wird, bestimmt werden.
Einige Probleme, die mit solchen bekannten optischen Encodern verbunden sind, sind, dass sie N Anzahl von LEDs und Photodetektoren benötigen, wobei N die Anzahl der codierten Bits ist. Dies führt zu einem großen Formfaktor und einer großen Stückliste, was wiederum die Herstellungskosten erhöht. Darüber hinaus können Vibrationen, denen die Komponenten ausgesetzt sind, zu einer Fehlausrichtung einer oder mehrerer LEDs, Scheiben, Schlitze oder Fotodetektoren führen, was zu Fehlern in den vom System erzeugten elektrischen Signalen führen kann.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Offenbarung, einen optischen Encoder bereitzustellen, der eines oder mehrere der oben genannten Probleme angeht oder zumindest eine nützliche Alternative bietet.
Zusammenfassung
Im Allgemeinen schlägt diese Offenbarung vor, die oben genannten Probleme zu überwinden, indem die Reflexion von einem beweglichen Ziel anstelle der Transmission von Licht durch ein bewegliches Ziel gemessen wird. Diese Anordnung reduziert nicht nur die Auswirkung von Vibrationen, sondern erfordert auch nur einen einzigen Sender und Fotodetektor, die auf der gleichen Seite des Ziels montiert sind, wodurch der Formfaktor, die Materialliste und die Herstellungskosten reduziert werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein optisches Codiersystem bereitgestellt, das Folgendes umfasst:

ein bewegliches Target, das so angeordnet ist, dass es einen variierenden Reflexionsgrad in Abhängigkeit von einer Position des Targets innerhalb des Systems liefert;
einen Emitter, der auf einer ersten Seite des Ziels positioniert ist, um das Ziel zu beleuchten; und
einen Sensor, der auf der ersten Seite des Ziels positioniert ist, um ein Reflexionsvermögen von dem Ziel zu erfassen, wobei das erfasste Reflexionsvermögen von der Position des Ziels innerhalb des Systems abhängig ist.

Daher stellen Ausführungsformen dieser Offenlegung ein optisches Encodersystem bereit, das so konfiguriert ist, dass es einen Reflexionsgrad von einem beweglichen Ziel misst, wobei der Reflexionsgrad in Abhängigkeit von einer Position (z. B. linear oder winklig) des Ziels innerhalb des Systems variiert. So kann aus einer Messung des Reflexionsgrades zu jedem Zeitpunkt eine genaue Position des Targets bestimmt werden. Vorteilhafterweise kann durch den variierenden Reflexionsgrad die Position des Targets bestimmt werden, da unterschiedliche Positionen zu einem unterschiedlichen Reflexionsgrad führen.
Der erfasste Reflexionsgrad kann von einem oder mehreren der folgenden Merkmale abhängig sein: Reflexionsvermögen, Form, Konfiguration, Muster, Farbe, Material oder andere Merkmale des Messobjekts.
Es versteht sich, dass der Begriff „Beleuchten“ hier verwendet wird, um das Auftreffen eines emittierten Signals auf das Ziel zu bezeichnen. Das emittierte Signal kann jedoch ein sichtbares Lichtsignal sein oder auch nicht. In einigen Ausführungsformen kann das emittierte Signal eine elektromagnetische Welle in einem nicht sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums sein (z. B. ein Infrarot-IR- oder Ultraviolett-UV-Signal).
Das Ziel kann so angeordnet sein, dass zumindest ein Teil in einem festen Abstand zum Sensor während des Betriebs vorgesehen ist. Es versteht sich jedoch, dass dieser Abschnitt von der Position des Ziels innerhalb des Systems zu einem beliebigen Zeitpunkt abhängig ist. So kann z. B. ein erster Abschnitt während eines ersten Betriebs in einem festen Abstand vom Sensor vorgesehen sein und ein zweiter, anderer Abschnitt während eines zweiten Betriebs in einem festen Abstand vom Sensor.
Das Target kann so konfiguriert sein, dass es einen kontinuierlich variierenden Reflexionsgrad (z. B. einen linear variierenden Reflexionsgrad) oder einen diskret variierenden (z. B. diskontinuierlich variierenden) Reflexionsgrad liefert.
Das Ziel kann für eine lineare Bewegung oder eine Rotationsbewegung konfiguriert sein.
Das Ziel kann mindestens eine Dimension haben, die im Wesentlichen mit mindestens einer Dimension des Sichtfelds des Sensors übereinstimmt.
Das Ziel kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen: ein Muster, eine Form oder eine Konfiguration, die so angeordnet sind, dass sie den variierenden Reflexionsgrad liefern.
Das Ziel kann eine oder mehrere Öffnungen oder Lücken aufweisen, die so angeordnet sind, dass sie den variierenden Reflexionsgrad liefern.
Das System kann ferner einen Analog-Digital-Wandler (ADC) umfassen, der so konfiguriert ist, dass er das erfasste Reflexionsvermögen in ein digitales Signal zur Verarbeitung umwandelt.
Das System kann ferner einen Prozessor umfassen, der so konfiguriert ist, dass er den erfassten Reflexionsgrad auf eine Position des Ziels abbildet. Der Prozessor kann zusammen mit dem Sensor in ein Sensormodul integriert sein oder separat bereitgestellt werden, z. B. in einem Steuergerät. Wenn der Prozessor vom Sensor getrennt ist, kann der Sensor so konfiguriert sein, dass er ein Signal, das den erfassten Reflexionsgrad repräsentiert, an den Prozessor sendet.
Das System kann so kalibriert werden, dass ein minimaler Reflexionsgrad (z. B. null detektierte Photonen oder ein ADC-Zählwert von null) einer ersten Position des Ziels entspricht, ein maximaler Reflexionsgrad (z. B. maximal detektierte Photonen oder ein ADC-Maximalzählwert) einer zweiten Position des Ziels entspricht, und Positionen zwischen der ersten und der zweiten Position können auf der Grundlage einer zwischen dem minimalen und dem maximalen Reflexionsgrad gemessenen Menge an Reflexionsgrad bestimmt werden.
Der Sender kann eine Lichtquelle wie eine lichtemittierende Diode (LED), einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL) oder einen anderen Laser umfassen.
Der Sensor kann eine Einzelphotonen-Avalanche-Diode (SPAD) oder eine andere Photodiode umfassen.
Der Sender kann so konfiguriert sein, dass er Infrarotstrahlung (IR) liefert, und der Sensor kann so konfiguriert sein, dass er Infrarotstrahlung (IR) erfasst.
Das Ziel kann die Form eines Streifens, einer Scheibe oder eines Zylinders (z. B. eines Rades) haben. In einigen Ausführungsformen kann die erste Seite des Ziels eine Außenseite eines Zylinders sein und in anderen Ausführungsformen kann die erste Seite des Ziels eine Innenseite eines Zylinders sein.
Gemäß einem zweiten Aspekt dieser Offenbarung wird ein bewegliches Ziel zur Verwendung in dem obigen System bereitgestellt, wobei das Ziel ein variierendes Reflexionsvermögen in Abhängigkeit von einer Position des Ziels innerhalb des Systems aufweist.
Gemäß einem dritten Aspekt dieser Offenbarung wird ein Sensormodul zur Verwendung in dem obigen System bereitgestellt, wobei das Sensormodul einen Sensor, der so konfiguriert ist, dass er ein Reflexionsvermögen von einem Ziel erfasst, wobei das erfasste Reflexionsvermögen von einer Position des Ziels innerhalb des Systems abhängt, und einen Prozessor, der so konfiguriert ist, dass er das erfasste Reflexionsvermögen einer Position des Ziels zuordnet, umfassen kann.
Gemäß einem vierten Aspekt dieser Offenbarung wird eine Vorrichtung bereitgestellt, die ein optisches Codiersystem wie oben beschrieben umfasst.
Gemäß einem fünften Aspekt dieser Offenbarung wird ein Verfahren zur Bestimmung der Position eines sich bewegenden Ziels bereitgestellt, das Folgendes umfasst:

Bereitstellen eines optischen Encodersystems wie oben beschrieben;
Bewegen des Ziels zu einer zu bestimmenden Position;
Beleuchten des Ziels; und

Erfassen eines Reflexionsgrades von dem Ziel, wobei der erfasste Reflexionsgrad von der Position des Ziels innerhalb des Systems abhängig ist.
Ausführungsformen der Offenbarung können Techniken zur Unterdrückung des Umgebungslichts und/oder zur Unterdrückung des Übersprechens verwenden.
Optische Encoder nach dem Stand der Technik erfordern Zielobjekte mit einem Muster von Öffnungen, die so konfiguriert sind, dass Licht zwischen mehreren Paaren von Emittern und Photodetektoren übertragen werden kann, um eine Position des Zielobjekts zu extrahieren. Dies erfordert, dass die Emitter und Photodetektoren auf separaten Bauteilplatinen auf jeder Seite des Targets vorgesehen sind, was den Encoder sperrig und komplex in der Konstruktion macht.
Im Vergleich zu solchen bekannten Systemen hat das hier offengelegte optische Encodersystem folgende Vorteile

1. Geringere Systemkosten, da nur ein Sender und ein Sensor benötigt werden, nicht einer für jede Anzahl von Bits, wie beim Stand der Technik.
2. Geringerer Formfaktor, da weniger Komponenten benötigt werden, wodurch das System kompakt ist.
3. Sowohl der Emitter als auch der Sensor können in einem einzigen Gehäuse/Platine untergebracht werden, was die Konstruktion vereinfacht.
4. Skalierbare Genauigkeit bei geringen Kosten, da nur eine entsprechende Kalibrierung des Reflexionsgrades mit der Position erforderlich ist.
5. Keine Beeinträchtigung der Leistung durch Vibrationen oder Wackeln, da die Ausrichtung von Sender, Messobjekt und Sensor für die Leistung weit weniger kritisch ist.

Schließlich verwendet das hier vorgestellte optische Codiersystem einen neuartigen Ansatz, da es sich auf die Reflexion von einem Zielobjekt und nicht auf die Transmission durch ein Zielobjekt stützt.
Figurenliste
Einige Ausführungsformen der Offenbarung werden jetzt nur beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:

zeigt eine optische Codiervorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung;
zeigt einen Zielstreifen in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung;
zeigt eine Zielscheibe gemäß der vorliegenden Offenbarung;
zeigt einen Zielzylinder gemäß der vorliegenden Offenbarung;
zeigt einen diskreten Zielstreifen gemäß der vorliegenden Offenbarung;
zeigt einen Reflexionsbereich-ändernden Zielstreifen gemäß der vorliegenden Offenbarung;
zeigt einen Transmissionsbereich-ändernden Zielstreifen gemäß der vorliegenden Offenbarung; und
zeigt ein beispielhaftes Flussdiagramm, das die Schritte eines Verfahrens zur Bestimmung der Position eines sich bewegenden Ziels gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung skizziert.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Im Allgemeinen bietet die Offenlegung eine kostengünstige optische Encoderlösung, die sich auf einen gemessenen Reflexionsgrad von einem sich bewegenden Ziel stützt, um eine Position des Ziels zu bestimmen.
Einige Beispiele für die Lösung sind in den beigefügten Abbildungen dargestellt.
zeigt eine optische Kodiervorrichtung 200 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Die optische Encodervorrichtung 200 umfasst einen Emitter 202 in Form eines IR-VCSEL und ein Sensormodul 204. Das Sensormodul 204 umfasst einen Sensor 206 in Form eines IR SPAD, eine Signalaufbereitungsschaltung (nicht dargestellt) und einen Prozessor 208.
Bei der Verwendung ist der Emitter 202 so konfiguriert, dass er auf einer ersten Seite des Ziels vorgesehen ist, um das Ziel zu beleuchten, und der Sensor 206 ist so konfiguriert, dass er ebenfalls auf der ersten Seite des Ziels vorgesehen ist, um ein Reflexionsvermögen von dem Ziel zu erfassen, wobei das erfasste Reflexionsvermögen von der Position des Ziels innerhalb des Systems abhängt.
In anderen Ausführungsformen kann die Signalaufbereitungsschaltung und/oder der Prozessor 208 in einer separaten Komponente, z. B. einem Steuergerät, vorgesehen sein, das mit dem Sensor 206 kommuniziert.
Darüber hinaus können in anderen Ausführungsformen der Sender 202 und der Sensor 206 als separate Komponenten vorgesehen sein.
Die optische Kodiervorrichtung 200 ist so konfiguriert, dass sie in einem optischen Kodiersystem verwendet werden kann, das ein bewegliches Ziel enthält, das so angeordnet ist, dass es einen variierenden Reflexionsgrad in Abhängigkeit von einer Position des Ziels innerhalb des Systems liefert. Einige Beispiele für Targets, die mit der optischen Encodervorrichtung 200 verwendet werden können, sind in den bis dargestellt und im Folgenden beschrieben.
zeigt einen Zielstreifen 300a in Übereinstimmung mit der vorliegenden Offenbarung. Der Zielstreifen 300a ist ein rechteckiger Streifen aus Karton mit einem kontinuierlich linear variierenden Reflexionsvermögen entlang seiner Länge von einem minimalen Reflexionsvermögen 302 bis zu einem maximalen Reflexionsvermögen 304. Das Reflexionsvermögen wird durch einen sich allmählich verändernden Gradienten von Schwarz (minimales Reflexionsvermögen 302 oder maximale Absorption) zu Weiß (maximales Reflexionsvermögen 304 oder minimale Absorption) entlang der Länge des Streifens 300a variiert. Die genaue Art des variierenden Reflexionsvermögens kann jedoch von der Wellenlänge des einfallenden Lichts vom Sender 202 abhängig
Wie in dargestellt, hat der Zielstreifen 300a eine Länge, die deutlich größer ist als seine Höhe. Die Höhe des Zielstreifens 300a wird so gewählt, dass sie mit der Höhe des Sichtfelds (FOV) des Sensors 206 übereinstimmt oder diese leicht überschreitet. Insbesondere variiert in dieser Ausführungsform das Reflexionsvermögen nicht über die Höhe des Zielstreifens 300a. Die Länge des Zielstreifens 300a übersteigt bei weitem eine entsprechende Länge des Sichtfeldes (FOV) des Sensors 206, um sicherzustellen, dass sich der Reflexionsgrad im Sichtfeld des Sensors ändert, wenn der Zielstreifen 300a nach links oder rechts bewegt wird, wie dargestellt. In einigen Ausführungsformen kann ein Filter oder Schlitz vorgesehen werden, um einen Teil des Zielstreifens 300a abzuschirmen, so dass der vom Sensor 206 beobachtete Reflexionsgrad nur von einem schmalen vertikalen Schlitz auf dem Zielstreifen 300a stammt. Dadurch wird die Genauigkeit bei der Zuordnung des Reflexionsgrades zu einer Position des Zielstreifens 300a gewährleistet. Darüber hinaus wird der Zielstreifen 300a so angeordnet, dass zumindest ein Teil (d.h. der Teil im FOV des Sensors, der durch den Schlitz sichtbar ist) während des Betriebs in einem festen Abstand (d.h. in einer Z-Richtung) vom Sensor 206 vorgesehen ist. Dadurch wird sichergestellt, dass der am Sensor 206 gemessene Reflexionsgrad nur von der Reflektivität des Teils des Zielstreifens 300a abhängt, der sichtbar ist, und nicht von der Entfernung zwischen dem Zielstreifen 300a und dem Sensor 206.
Im Gebrauch wird der Zielstreifen 300a für eine lineare Hin- und Herbewegung in der gezeigten XY-Richtung (d.h. nach links und rechts, vom Sensor 206 aus gesehen) angeordnet sein. Dementsprechend bilden der Zielstreifen 300a und die optische Gebervorrichtung 200 zusammen ein lineares optisches Gebersystem gemäß dieser Offenbarung.
zeigt eine Zielscheibe 300b gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die Zielscheibe 300b ähnelt der des Zielstreifens 300a, außer dass sie als ebener kreisförmiger Ring konfiguriert ist, wobei die Enden des Streifens so aneinanderstoßen, dass es einen Schnittpunkt zwischen einem Bereich mit minimalem Reflexionsvermögen 312 und einem Bereich mit maximalem Reflexionsvermögen 314 gibt. In diesem Fall ist die Zielscheibe 300b so angeordnet, dass sie sich in einer Ebene um eine zentrale Achse dreht, und der Sensor 206 wird oberhalb der Zielscheibe 300b mit einem FOV montiert, das sich radial entlang eines Teils des Rings erstreckt. Dementsprechend bilden die Zielscheibe 300b und die optische Gebervorrichtung 200 zusammen ein rotierendes optisches Gebersystem gemäß dieser Offenbarung.
zeigt einen Zielzylinder 300c gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Der Zielzylinder 300c ähnelt dem des Zielstreifens 300a, außer dass er als aufrechter kreisförmiger Ring oder Rad konfiguriert ist, wobei die Enden des Streifens so aneinanderstoßen, dass es einen Schnittpunkt zwischen einem Bereich mit minimalem Reflexionsvermögen 322 und einem Bereich mit maximalem Reflexionsvermögen 324 gibt. In diesem Fall ist keine echte Darstellung des Zielzylinders 300c, sondern dient nur der Veranschaulichung. In der Realität wird der Zielzylinder 300c um seine äußere zylindrische Wand herum ein variierendes Reflexionsvermögen aufweisen und der Sensor 206 wird außerhalb des Zielzylinders 300c positioniert und auf einen Längsstreifen der äußeren zylindrischen Wand gerichtet sein. In anderen Ausführungsformen kann der Zielzylinder 300c ein variierendes Reflexionsvermögen um seine innere zylindrische Wand haben und der Sensor 206 kann innerhalb des Zielzylinders 300c positioniert werden, der auf einen Längsstreifen der inneren zylindrischen Wand gerichtet ist.
In diesem Fall ist der Zielzylinder 300c zur Drehung um eine zentrale Längsachse angeordnet, so dass der Zielzylinder 300c und die optische Kodiervorrichtung 200 zusammen ein optisches Drehkodiersystem gemäß dieser Offenbarung bilden.
zeigt einen diskreten Zielstreifen 400 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Dies ist nur illustrativ, da das unterschiedliche Reflexionsvermögen des diskreten Zielstreifens 400 nicht visuell dargestellt ist. Der diskrete Zielstreifen 400 ist jedoch ein rechteckiger Streifen aus Karton mit einem diskret (z. B. diskontinuierlich) variierenden Reflexionsvermögen entlang seiner Länge von einem minimalen Reflexionsvermögen 402 bis zu einem maximalen Reflexionsvermögen 404. Die Reflektivität wird in diesem Fall diskret schrittweise von einem Bereich mit relativ geringer Reflektivität zu einem benachbarten Bereich mit relativ hoher Reflektivität variiert, und dies wiederholt sich mehrfach entlang der Länge des Streifens 400, wie durch die markierten Bereiche in angedeutet. Beispielsweise kann das minimale Reflexionsvermögen 402 0 % und das benachbarte Reflexionsvermögen 5 % betragen, gefolgt von aufeinanderfolgenden Bereichen mit 10 %, 15 %, 20 %, 25 %, 30 %, 35 %, 40 %, 45 %, 50 %, 55 %, 60 %, 65 %, 70 %, 75 %, 80 %, 85 %, 90 %, 95 % bis zum maximalen Reflexionsvermögen 404 von 100 %. In anderen Ausführungsformen kann der Unterschied zwischen benachbarten Bereichen der Reflektivität ein anderer Prozentsatz sein (z.B. 1%, 2%, 3%, 10%). Es versteht sich, dass die Genauigkeit dieser Ausführungsform von der Breite jedes Reflexionsbereichs und/oder der prozentualen Änderung des Reflexionsvermögens zwischen benachbarten Bereichen abhängig sein kann. Daher ist die Verwendung eines diskreten Zielstreifens 400, wie er in der Abbildung dargestellt ist, möglicherweise nicht so genau wie ein kontinuierlich variierender Zielstreifen 400, was jedoch für einige Ausführungsformen nicht kritisch sein kann.
Obwohl der diskrete Zielstreifen 400 in für eine lineare Hin- und Herbewegung konfiguriert ist, könnte eine ähnliche diskret variierende Reflektivität in einem Drehgeber verwendet werden, beispielsweise durch Anpassung der Zielscheibe 300b aus oder des Zielzylinders 300c aus .
zeigt einen die Reflektionsfläche verändernden Zielstreifen 500a gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. In diesem Beispiel ähnelt der Zielstreifen 500a dem von , doch anstatt dass der gesamte Streifen einen kontinuierlich variierenden Reflexionsgrad aufweist, der sich aus dem Ausmaß der Abschattung entlang der Länge des Streifens ergibt, verwendet dieser Zielstreifen 500a nur zwei unterschiedliche Reflexionsgrade (dargestellt als schwarzer Bereich mit minimalem Reflexionsgrad 502 und weißer Bereich mit maximalem Reflexionsgrad 504, obwohl auch andere kontrastierende Reflexionsgrade verwendet werden könnten). Um einen unterschiedlichen Reflexionswert am Sensor 206 einzuführen, variiert die Form (d. h. die Fläche) jedes der beiden Reflexionsbereiche kontinuierlich entlang der Länge des Streifens 500a. Dies wird in dieser Ausführungsform dadurch erleichtert, dass der Streifen 500a entlang seiner Länge diagonal in zwei Hälften geteilt ist, wobei die beiden Reflektivitätsbereiche auf gegenüberliegenden Seiten der Diagonale vorgesehen sind, so dass der Anteil des reflektierten Lichts von der Position des FOV des Sensors 206 in Bezug auf die Diagonale abhängt.
Obwohl der die Reflektionsfläche verändernde Zielstreifen 500a in für eine lineare Hin- und Herbewegung konfiguriert ist, könnte eine ähnliche flächenverändernde Reflektivität in einem Drehgeber verwendet werden, indem beispielsweise die Zielscheibe 300b aus oder der Zielzylinder 300c aus angepasst wird.
zeigt einen transmissionsflächenverändernden Zielstreifen 500b gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. In diesem Beispiel ähnelt der Zielstreifen 500b dem aus , jedoch wird in diesem Fall anstelle von zwei unterschiedlichen Reflexionsgraden nur ein weißer Bereich mit maximalem Reflexionsgrad 514 in Kombination mit einem Ausschnitt oder einer Öffnung verwendet, um einen Transmissionsbereich 512 zu bilden (nur zur besseren Veranschaulichung in grau dargestellt). In anderen Ausführungsformen könnte ein anderes Reflexionsvermögen verwendet werden. Um jedoch einen unterschiedlichen Reflexionswert am Sensor 206 einzuführen, variiert die Form (d. h. die Fläche) des Bereichs mit maximalem Reflexionsvermögen 514 kontinuierlich entlang der Länge des Streifens 500b. Dies wird in dieser Ausführungsform dadurch erleichtert, dass der Streifen 500b einen gleichschenkligen dreieckigen Ausschnitt von einer zentralen Spitze an einer Seite des Streifens 500b zu einer Basis entlang der gegenüberliegenden Seite des Streifens 500b aufweist. Dadurch wird sichergestellt, dass der Anteil des reflektierten Lichts von der Position des FOV des Sensors 206 in Bezug auf den Sendebereich 512 abhängt. Beachten Sie, dass bei dieser Ausführungsform zwar Licht durch den Streifen 500b durchgelassen wird, aber nur das vom Streifen 500b reflektierte Licht vom Sensor 206 gemessen wird. Es besteht keine Notwendigkeit für einen Sensor hinter dem Streifen 500b, da keine Notwendigkeit besteht, das durchgelassene Licht zu messen.
Obwohl der transmittierende, flächenverändernde Zielstreifen 500b in für eine lineare Hin- und Herbewegung konfiguriert ist, könnte eine ähnliche flächenverändernde Übertragung in einem Drehgeber verwendet werden, beispielsweise durch Anpassung der Zielscheibe 300b aus oder des Zielzylinders 300c aus .
Es sei darauf hingewiesen, dass in anderen Ausführungsformen der Übertragungsbereich 512 durch einen kontrastierenden Reflexionsbereich ähnlich dem der ersetzt werden kann. Außerdem könnte eine der beiden Reflexionsflächen in durch eine Transmissionsfläche oder einen Ausschnitt ähnlich wie in ersetzt werden.
Andere Formen von Zielobjekten sind im Rahmen dieser Offenbarung ebenfalls möglich, solange das Zielobjekt so konfiguriert ist, dass es einen variierenden Reflexionsgradienten in Abhängigkeit von einer Position/Ort des Zielobjekts innerhalb des Systems (d. h. in Bezug auf das FOV des Sensors 206) erzeugt.
zeigt ein beispielhaftes Flussdiagramm, das die Schritte eines Verfahrens 600 zur Bestimmung der Position eines sich bewegenden Ziels in Übereinstimmung mit Ausführungsformen dieser Offenbarung skizziert. Das Verfahren 600 umfasst einen ersten Schritt 602 des Bereitstellens eines optischen Encodersystems; einen zweiten Schritt 604 des Bewegens des Ziels zu einer zu bestimmenden Position; einen dritten Schritt 606 des Beleuchtens des Ziels; und einen vierten Schritt 608 des Erfassens eines Reflexionsgrads von dem Ziel.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können in vielen verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, einschließlich Positions- und/oder Näherungssensoren, z. B. in der Automobil-, Fertigungs- und anderen Industrien.
Bezugszeichenliste

100: Absoluter Positionsgeber nach Stand der Technik
102: gemusterte Scheibe
104: Welle
106: LEDs
108: Fotodetektoren
110: feste Spaltanordnung
112: Binärausgang
200: optischer Kodierer
202: Strahler
204: Sensormodul
206: Sensor
208: Prozessor
300a: Zielstreifen
302: minimale Reflektivität
304: maximale Reflektivität
300b: Zielscheibe
312: minimale Reflektivität
314: maximale Reflektivität
300c: Zielzylinder
322: minimale Reflektivität
324: maximale Reflektivität
400: diskreter Zielstreifen
402: minimale Reflektivität
404: maximale Reflektivität
500a: reflexionsbereich-ändernder zielstreifen
502: minimale Reflektivität Fläche
504: maximale Reflexionsfläche
500b: Transmissionsbereich-Änderungszielstreifen
512: Transmissionsfläche
514: maximale Reflexionsfläche
600: verfahren zur bestimmung der position eines beweglichen ziels
602: Schritt 1: Bereitstellen eines optischen Gebersystems
604: Schritt 2: Bewegen des Ziels an eine zu bestimmende Position
606: Schritt 3: Beleuchten des Ziels
608: Schritt 4: Erfassen eines Reflexionsgrades des Ziels

Der Fachmann wird verstehen, dass in der vorangehenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen Positionsbegriffe wie „oben“, „entlang“, „seitlich“ usw. unter Bezugnahme auf konzeptionelle Abbildungen, wie sie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, verwendet werden. Diese Begriffe werden der Einfachheit halber verwendet, sind aber nicht als einschränkend zu verstehen. Diese Begriffe sind daher so zu verstehen, dass sie sich auf ein Objekt beziehen, wenn es sich in einer Ausrichtung befindet, wie sie in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist.
Obwohl die Offenbarung in Form von bevorzugten Ausführungsformen, wie oben dargelegt, beschrieben wurde, sollte es verstanden werden, dass diese Ausführungsformen nur illustrativ sind und dass die Ansprüche nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt sind. Der Fachmann wird in der Lage sein, Modifikationen und Alternativen im Hinblick auf die Offenbarung vorzunehmen, die als in den Anwendungsbereich der beigefügten Ansprüche fallend betrachtet werden. Jedes Merkmal, das in der vorliegenden Spezifikation offenbart oder abgebildet ist, kann in jede Ausführungsform eingebaut werden, sei es allein oder in geeigneter Kombination mit jedem anderen Merkmal, das hier offenbart oder abgebildet ist.

Claims

Ein optisches Codiersystem, das Folgendes umfasst: ein bewegliches Target, das so angeordnet ist, dass es einen variierenden Reflexionsgrad in Abhängigkeit von einer Position des Targets innerhalb des Systems liefert; einen Emitter, der auf einer ersten Seite des Targets angeordnet ist, um das Target zu beleuchten; und einen Sensor, der auf der ersten Seite des Ziels positioniert ist, um ein Reflexionsvermögen von dem Ziel zu erfassen, wobei das erfasste Reflexionsvermögen von der Position des Ziels innerhalb des Systems abhängig ist.
Das System nach Anspruch 1, wobei das Ziel so angeordnet ist, dass zumindest ein Teil während des Betriebs in einem festen Abstand zum Sensor vorgesehen ist.
Das System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Target so konfiguriert ist, dass es einen kontinuierlich variierenden Reflexionsgrad aufweist.
Das System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Target so konfiguriert ist, dass es einen linear variierenden Reflexionsgrad aufweist.
Das System nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Target so konfiguriert ist, dass es einen diskret variierenden Reflexionsgrad aufweist.
Das System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ziel für eine lineare Bewegung konfiguriert ist.
Das System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Target für eine Rotationsbewegung konfiguriert ist.
Das System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ziel mindestens eine Dimension hat, die im Wesentlichen mit mindestens einer Dimension eines Sichtfeldes des Sensors übereinstimmt.
Das System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Target eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweist: ein Muster, eine Form oder eine Konfiguration, die so angeordnet sind, dass sie den variierenden Reflexionsgrad liefern.
Das System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Target eine oder mehrere Öffnungen oder Lücken aufweist, die so angeordnet sind, dass sie den variierenden Reflexionsgrad liefern.
Das System nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst ferner einen Analog-Digital-Wandler (ADC), der so konfiguriert ist, dass er das erfasste Reflexionsvermögen in ein digitales Signal zur Verarbeitung umwandelt.
Das System nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst ferner einen Prozessor, der so konfiguriert ist, dass er das erfasste Reflexionsvermögen auf eine Position des Ziels abbildet.
Das System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Emitter eine Leuchtdiode (LED), einen oberflächenemittierenden Laser mit vertikalem Resonator (VCSEL) oder einen anderen Laser umfasst.
Das System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor eine Einzelphotonen-Avalanche-Diode (SPAD) oder eine andere Photodiode umfasst.
Das System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sender so konfiguriert ist, dass er Infrarotstrahlung (IR) bereitstellt und der Sensor so konfiguriert ist, dass er Infrarotstrahlung (IR) erfasst.
Das System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ziel in Form eines Streifens, einer Scheibe oder eines Zylinders vorliegt.
Ein bewegliches Ziel zur Verwendung in dem System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ziel einen variierenden Reflexionsgrad in Abhängigkeit von einer Position des Ziels innerhalb des Systems aufweist.
Sensormodul zur Verwendung in dem System nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das Sensormodul einen Sensor umfasst, der so konfiguriert ist, dass er ein Reflexionsvermögen von einem Ziel erfasst, wobei das erfasste Reflexionsvermögen von einer Position des Ziels innerhalb des Systems abhängt, und einen Prozessor, der so konfiguriert ist, dass er das erfasste Reflexionsvermögen auf eine Position des Ziels abbildet.
Vorrichtung mit einem optischen Gebersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16.
Verfahren zur Bestimmung der Position eines sich bewegenden Ziels, umfassend: Bereitstellen eines optischen Encodersystems nach einem der Ansprüche 1 bis 16; Bewegen des Ziels zu einer zu bestimmenden Position; Beleuchten des Ziels; und Erfassen eines Reflexionsgrades von dem Ziel, wobei der erfasste Reflexionsgrad von der Position des Ziels innerhalb des Systems abhängig ist.