DE19755157C2 - Optisches Abtastsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Abtastsystem.

Das aus Fig. 1 und 2 ersichtliche bekannte optische Abtastsystem 10 umfaßt ei­ nen Träger 12, ein radförmiges optisches Element 14 und eine Abtastvorrichtung 16. Das optische Element 14 ist drehbar auf dem Träger 12 befestigt. Es umfaßt mehrere Kodierlöcher 24, welche kreisförmig um den Umfang des optischen Ele­ ments 14 herum angeordnet sind. Die Abtastvorrichtung 16 ist auf dem Träger 12 zum Erfassen von Drehungen des optischen Elements 14 angeordnet. Dieses umfaßt eine gedruckte Schaltung 22 zum Aussenden von Licht in Richtung des optischen Elements 14 und einen Lichtdetektor 20, welcher auf der Schaltung 22 angeordnet ist und drei Sensoren 19a, 19b und 19c zum Erfassen von emittiertem Licht von der Lichtquelle 18 aufweist, welches durch die Kodierlöcher 24 hindurch tritt.

Fig. 3 zeigt ein Zeitdiagramm von drei Ausgangssignalen 27, 28 und 29, welche von den drei Sensoren 19a, 19b und 19c erzeugt werden, wenn das Kodierloch 25 des optischen Elements 15, wie in Fig. 2 dargestellt, den Lichtdetektor 20 passiert. Das Zeitdiagramm zeigt deutlich, daß beim Passieren der vorderen und hinteren Enden des Kodierloches 25, vorbei an der Lichtquelle 18, die Sensoren 19b und 19c des Lichtdetektors 20 Störungen bzw. Signalschwankungen bzw. -zittern am vorderen und hinteren Ende des Ausgangssignals 28 und 29 erzeugen. Dies kommt daher, daß die vorderen und hinteren Kanten des Kodierloches 25 zu einer Interferenz des durch das Kodierloch 25 hindurch tretenden Lichtes führen und Instabilitäten des von den Sensoren 19b und 19c des Lichtdetektors 20 empfan­ genen Lichtes verursachen. Da das Kodierloch 25 zur Identifikation einer be­ stimmten Position des optischen Elements 14 verwendet wird, machen es die in dem Ausgangssignal 28 und 29 vorhandenen Störungen schwierig, die Position des optischen Elementes 14 zu beurteilen.

Aus DE 38 09 804 A1 ist ein Kodierer zum Ermitteln des Bewegungszustandes einer Skala mit einer Vielzahl von Spuren aus vorbestimmten aufgereihten Ko­ dierlöchern bekannt. Eine optische Erfassungseinrichtung erzeugt mittels der Ko­ dierlöcher ein Kodiersignal, aus dem eine absolute Drehstellung der Skala herleit­ bar ist. Zur Vergrößerung des Auflösungsvermögens eines derartigen Prinzips der optischen Abtastung mittels Kodierlöchern ohne die Anzahl von Spuren für Ko­ dierlöcher steigern zu müssen, wird vorgeschlagen, Beugungslicht und sich dar­ aus ergebende entsprechende Beugungs- bzw. Interferenzbilder zu verwenden. Dies erzielt trotz einfacherer Anordnung der Kodierlöcher mehr Information in dem durch die Kodierlöcher transmittierten Licht. Hierbei ist jedoch eine komplizierte Auswertung des Beugungsbildes nach den Kodierlöchern zum Erzielen eines Rückschlusses auf die Position der drehbaren Skala erforderlich. Ferner ergibt sich auch hier das oben erwähnte Problem des "Signalzitterns", wobei dies noch dadurch verstärkt wird, daß die Lichtquelle zum Erzeugen entsprechender Beu­ gungsbilder kohärentes Licht abstrahlt. Somit kommt es jedoch auch dann ver­ mehrt zu Interferenzerscheinungen und somit zu "Signalzittern", wenn sich die Kanten der Kodierlöcher im Lichtstrahl befinden.

Die Druckschrift US 4 604 521 betrifft eine optische Kodiervorrichtung mit einer drehbaren Kodierscheibe und einer festen Platte zum Erfassen des Drehwinkels und der Position der Drehung eines Motors. Die drehbare Kodescheibe umfaßt mehrere konzentrisch angeordnete Muster. Die feste Platte umfaßt ein Kodemu­ ster in Form von Schlitzen. Durch die Kombination der drehbaren Kodescheibe und der festen Kodeplatte und jeweils entsprechend ausgebildeter Kodemuster werden Meßungenauigkeiten durch Streulicht reduziert, da entsprechende Durch­ gangsöffnungen auf der festen Kodescheibe für ein Referenzmuster in Umfangs­ richtung von entsprechenden Durchgangsöffnungen für die konzentrischen Muster beabstandet sind. Bezüglich Meßungenauigkeiten aufgrund von Interferenzer­ scheinungen an entsprechenden Kanten der Durchgangslöcher kommt es jedoch auch bei diesem System zu entsprechenden Meßungenauigeiten. Die Bestim­ mung einer bestimmten Winkelposition der Kodierscheibe erfolgt dadurch, daß für jede Winkelposition in radialer Richtung unterschiedliche Abschnitten von licht­ durchlässigen und lichtundurchlässigen Bereichen auf der Kodierscheibe derart vorgesehen sind, daß ein bestimmtes solches Muster in radialer Richtung nur einmal vorkommt. So kann aus der Detektion eines solchen Musters auf eine be­ stimmte Winkelposition der Kodierscheibe geschlossen werden. Dies ist jedoch äußerst Aufwendig, insbesondere bzgl. der Herstellung der Kodierscheibe.

Die Druckschrift US 5 418 362 betrifft eine Codiervorrichtung mit einer Codier­ scheibe zum Erfassen deren Absolutposition. Hierbei handelt es sich um einen "Graustufen-Codierer", der auf der Codierscheibe verschiedene Positionen mit in radialer Richtung verschiedenen Graustufen codiert. Eine derartige Codiervor­ richtung ist jedoch aufwendig, da sie für jede einzelne Position der Codierscheibe einen entsprechenden Graucode in radialer Richtung benötigt. Ferner ist die Ge­ nauigkeit der Winkelbestimmung immer nur so gut, wie die kleinsten Graustufen­ abschnitte in Umfangsrichtung schmal sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes optisches Abtastsy­ stem der o. g. Art zur Verfügung zu stellen, welches die o. g. Nachteile überwindet.

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.

Die Erfindung erbringt den Vorteil, daß das optische Abtastsystem zur Identifikati­ on verschiedener Positionen des optischen Elements Positionierlöcher verwendet, wobei eine vorbestimmte Anzahl von entsprechenden Kodierlöchern dem erfaßten Positionierloch zugeordnet sind, die klar und gleichzeitig von dem zweiten Licht­ detektor derart erfaßt werden, daß das Kodiersignal durch die Steuerschaltung gemäß dem Ausgang des zweiten Lichtdetektors genau erzeugt werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein bekanntes optisches Abtastsystem in Seitenansicht und

Fig. 2 in Vorderansicht,

Fig. 3 ein Zeitdiagramm von Ausgangssignalen, welche von einem Lichtdetek­ tor des optischen Abtastsystems gemäß Fig. 1 erzeugt werden,

Fig. 4 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen optischen Abtastsystems,

Fig. 5 eine Vorderansicht eines optischen Elements des Abtastsystems von Fig. 4,

Fig. 6 ein Blockdiagramm des optischen Abtastsystems von Fig. 4 und

Fig. 7 ein Zeitdiagramm von Ausgangssignalen, welche von dem Lichtdetektor des optischen Abtastsystems gemäß Fig. 4 erzeugt werden.

Fig. 4 zeigt in einer Seitenansicht das erfindungsgemäße optische Abtastsystem 30. Fig. 5 ist eine Vorderansicht eines optischen Elements bzw. einer optischen Platte 34 gemäß Fig. 4. Fig. 6 ist ein Blockdiagramm des optischen Abtastsystems 60 von Fig. 4. Das optische Abtastsystem 30 umfaßt einen Träger 32, ein radför­ miges optisches Element 34, welches drehbar auf dem Träger 32 angeordnet ist, eine Abtastvorrichtung 36, welche neben dem optischen Element 34 zum Erfassen von Rotationen des optischen Elementes 34 auf dem Träger 32 angeordnet ist, und eine Steuerschaltung 56, welche mit der Abtastvorrichtung 36 verbunden ist.

Das optische Element 34 umfaßt eine radförmige Platte oder Scheibe 50 und eine Achse 52, welche rechtwinklig zum Mittelpunkt der radförmigen Scheibe 50 ange­ ordnet ist. Die Achse 52 des optischen Elementes 34 ist drehbar auf dem Träger 32 befestigt. Das optische Element 34 umfaßt ferner mehrere Kodierlöcher 45, 46 und Positionierlöcher 47, 48, welche kreisförmig um den Umfang des optischen Elementes 34 herum angeordnet sind. Die Positionierlöcher 48 sind kreisförmig entlang einer äußeren Spur des optischen Elements 34 vorgesehen, und die Ko­ dierlöcher 46 sind kreisförmig entlang dreier innerer Spuren des optischen Ele­ mentes 34 angeordnet. Die Positionierlöcher 48 dienen zur Markierung verschie­ dener Positionen des optischen Elements 34, und die Kodierlöcher 46 dienen zur Identifikation jeder von einem Positionierloch 48 markierten Position.

Die Abtastvorrichtung 36 dient zum Erfassen von Bewegungen des optischen Elements 34 relativ zur Abtastvorrichtung 36. Sie umfaßt eine gedruckte Schaltung 44, eine Lichtquelle 38, welche auf der gedruckten Schaltung 44 zum Aussenden von Licht in Richtung optischem Element 34 angeordnet ist, und eine Lichtdetek­ tor-anordnung 41, welche zum Empfang von Licht, welches von der Lichtquelle 38 ausgesendet wurde, auf der Schaltung 44 angeordnet ist. Die Lichtdetektoranord­ nung 41 umfaßt einen ersten Lichtdetektor 40 zum Erfassen von Licht, welches durch die Positionierlöcher 48 hindurch transmittiert wurde, und einen zweiten Lichtdetektor 42 zum Erfassen von Licht, welches durch die Kodierlöcher 46 hin­ durch transmittiert wurde, und erzeugt entsprechende Ausgangssignale zum An­ zeigen jeweiliger erfaßter Kodierlöcher 46. Der erste Lichtdetektor 40 umfaßt ei­ nen Sensor 37 zum Erfassen der Positionierlöcher 48 entlang der äußeren Spur des optischen Elementes 34. Der zweite Lichtdetektor 42 umfaßt drei Sensoren 35a, 35b und 35c zum Erfassen der Kodierlöcher 46 entlang der drei inneren Spu­ ren des optischen Elements 34.

Die Sensoren 35a, 35b, 35c und 37 der ersten und zweiten Lichtdetektoren 40, 42 sind linear in Durchmesserrichtung der radförmigen Platte 50 zum getrennten Er­ fassen der Positionierlöcher 48 und Kodierlöcher 46 angeordnet. Jedes Positio­ nierloch 48 und die entsprechenden Kodierlöcher 46 sind also linear in Durchmes­ serrichtung der radförmigen Platte 50 angeordnet. Die relativen Positionen der Positionierlöcher 48 und der Kodierlöcher 46 auf dem optischen Element 34 sind entsprechend den Positionen der ersten und zweiten Lichtdetektoren 40 und 42 derart angeordnet, daß für jedes vom ersten Lichtdetektor 40 erfaßte Positionier­ loch 48 eine vorbestimmte Anzahl entsprechender Kodierlöcher 46 des erfaßten Positionierloches 48 gleichzeitig vom zweiten Lichtdetektor 42 erfaßt wird und die von dem erfaßten Positionierloch 48 markierte Position gemäß dem Ausgang des zweiten Lichtdetektors 42 gemäß dem entsprechenden Kodierloch 46 identifiziert ist.

Zum Vermeiden von Störungen bzw. Signalzittern in den Ausgangssignalen des zweiten Lichtdetektors 42 ist die Größe eines jeden Positionierloches 48 kleiner ausgebildet als die Größe eines jeden Kodierloches 46, so daß jedesmal beim Erfassen eines Positionierloches 48 durch den ersten Lichtdetektor 40 die drei Sensoren 35a, 35b und 35c des zweiten Lichtdetektors 42 exakt an den Mittel­ punkten der entsprechenden Kodierlöcher 46 derart angeordnet sind, daß alle entsprechenden Kodierlöcher 46 deutlich und gleichzeitig von dem zweiten Licht­ detektor 42 ohne jedes Zittern und ohne Störungen detektiert werden.

Die Steuerschaltung 56 dient zum Umsetzen des von dem zweiten Lichtdetektor 42 erzeugten Ausgangssignals in ein Kodiersignal, wenn ein Positionierloch 48 vom ersten Lichtdetektor 40 erfaßt wird. Wenn sich das optische Element 34 dreht, passieren die Positionierlöcher 48 nacheinander den ersten Lichtdetektor 40, und alle entsprechenden Kodierlöcher 46 jedes Positionierloches 48 werden von der Steuerschaltung 46 in ein Kodiersignal umgewandelt. Das Kodiersignal dient zur Identifikation der von dem erfaßten Positionierloch 48 markierten Positi­ on.

Fig. 7 zeigt ein Zeitdiagramm von Ausgangssignalen, welche von der in Fig. 4 dar­ gestellten Lichtdetektoranordnung 41 erzeugt wurden, wenn das Positionierloch 47 und seine entsprechenden Kodierlöcher 45 erfaßt werden. Die drei Sensoren 35a, 35b und 35c des zweiten Lichtdetektors 42 und der Sensor 37 des ersten Lichtdetektors 40 erzeugen die vier entsprechenden Ausgangssignale 58, 60, 62 und 64. In der Zeit, während das Positionierloch 47 von dem ersten Lichtdetektor 40 erfaßt wird, erfassen die beiden Sensoren 35b und 35c des zweiten Lichtde­ tektors 42 deutlich und gleichzeitig das entsprechende Kodierloch 45, ohne daß Signalzittern oder Störungen erzeugt werden. Dies liegt daran, daß die Größe des Positionierloches 47 kleiner ist als diejenige des entsprechenden Kodierloches 45, so daß die vorderen und hinteren Kanten des Kodierloches 45 nicht zu einer In­ terferenz mit dem durch das Kodierloch 45 transmittierten Licht führen, wenn das Positionierloch 47 durch den zweiten Lichtdetektor 40 erfaßt wird.

Die Positionierlöcher 47 selbst können Signalzittern oder Störungen an den vorde­ ren und hinteren Enden im Ausgangssignal 64 erzeugen, wenn das Positionierloch 47 vom ersten Lichtdetektor 40 erfaßt wird. Da jedoch alle Kodiersignale, welche durch das Ausgangssignal 64 des Positionierloches 47 erzeugt werden können, identisch sind, verursacht ein Zittern bzw. eine Störung auf dem Ausgangssignal 64 keinerlei Probleme bei der Identifikation der von dem Positionierloch 47 identifi­ zierten Position.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein optisches Abtastsystem 30, welches eine Mehrzahl von Positionierlöchern 47, 48 zur Identifikation von Positionen von entsprechenden Kodierlöchern 46, 45 derart verwendet, daß ein Kodiersignal ge­ mäß jedem detektierten Positionierloch 47, 48 und allen entsprechenden Kodierlö­ chern 45, 46 genau erzeugt werden kann. Das optische Erfassungssystem 30 umfaßt ein optisches Element bzw. eine optische Platte 34 mit einer Mehrzahl von Kodierlöchern 46 und Positionierlöchern 48, eine Abtastvorrichtung 36 zum Erfas­ sen von Bewegungen des optischen Elementes 34 relativ zur Abtastvorrichtung 36 und eine Steuerschaltung 56, welche mit der Abtastvorrichtung 36 verbunden ist. Die Abtastvorrichtung 36 umfaßt eine Lichtquelle 38 zum Aussenden von Licht zum optischen Element 34, einen ersten Lichtdetektor 40 zum Erfassen des durch die Positionierlöcher 48 transmittierten Lichtes und einen zweiten Lichtdetektor 42 zum Erfassen des durch die Kodierlöcher 46 transmittierten Lichtes. Die Steuer­ schaltung 46 setzt einen Ausgang des zweiten Lichtdetektors 42 in ein Kodiersi­ gnal um, wenn ein Positionierloch 47 von dem ersten Lichtdetektor 40 erfaßt wird. Die relativen Positionen der Positionierlöcher 48 und der Kodierlöcher 46 auf dem optischen Element 34 sind bezüglich der Positionen der ersten und zweiten Licht­ detektoren 40 und 42 derart getroffen, daß bei Erfassen eines Positionierloches 48 durch den ersten Lichtdetektor 40 alle entsprechenden Kodierlöcher 46 des er­ faßten Positionierloches 48 deutlich und gleichzeitig von dem zweiten Lichtdetek­ tor 42 erfaßt werden.

Claims (5)

1. Optisches Abtastsystem, folgendes umfassend, ein optisches Element (34) mit einer Mehrzahl von Kodierlöchern (45, 46) und Positionierlöchern (47, 48), eine Abtastvorrichtung (36) zum Erfassen von Bewegungen des optischen Elementes (34) relativ zur Abtastvorrichtung (36), wobei die Abtastvorrichtung (36) eine Lichtquelle (38) zum Aussenden von Licht auf das optische Element (34), einen ersten Lichtdetektor (40) zum Erfassen des durch die Positionierlöcher (47, 48) transmittierten Lichtes und einen zweiten Lichtdetektor (42) zum Erfassen des durch die Kodierlöcher (45, 46) transmittierten Lichtes umfaßt und zum Anzeigen von entsprechend erfaßten Kodierlöchern (45, 46) einen Ausgang erzeugt, und eine Steuerschaltung (56), welche mit der Abtastvorrichtung (36) zum Umsetzen des Ausgangs des zweiten Lichtdetektors (42) in ein Kodiersignal verbunden ist, wenn eines der Positionierlöcher (47, 48) von dem ersten Lichtdetektor (40) erfaßt wird, wobei die Relativpositionen der Positionierlöcher (47, 48) und der Kodierlöcher (45, 46) auf dem optischen Element (34) bezüglich der Positionen der beiden Lichtdetektoren (40, 42) derart angeordnet sind, daß bei jedem Erfassen eines Positionierloches (47, 48) durch den ersten Lichtdetektor (40) ein Erfassen einer vorbestimmten Anzahl von entsprechenden Kodierlöchern (45, 46) des entsprechend erfaßten Positionierloches (47, 48) deutlich und gleichzeitig durch den zweiten Lichtdetektor (42) erfolgt und die Größe der Positionierlöcher (47, 48) kleiner ist als die Größe der Kodierlöcher (45, 46), so daß beim Erfassen eines Positionierloches (47, 48) durch den ersten Lichtdetektor (40) alle entsprechenden Kodierlöcher (45, 46) des erfaßten Positionierloches (47, 48) gleichzeitig von dem zweiten Lichtdetektor (42) erfaßbar sind.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Träger (32) vorgesehen ist, wobei das optische Element (34) drehbar auf dem Träger (32) angeordnet ist und die Abtastvorrichtung (36) auf dem Träger (32) neben dem optischen Element (34) zum Erfassen von Rotationen desselben, vorgesehen ist.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element (34) eine radförmige Platte (50) und eine Achse (52) rechtwinklig zu einem Mittelpunkt der Platte (50) umfaßt, wobei die Achse (52) des optischen Elementes (34) drehbar auf dem Träger (32) befestigt ist.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionierlöcher (47, 48) und die Kodierlöcher (45, 46) kreisförmig um den Umfang der Platte (50) herum angeordnet sind.

5. System nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Lichtdetektoren (40, 42) in Durchmesserrichtung der radförmigen Platte (50) zum Erfassen der Positionierlöcher (47, 48) und der Kodierlöcher (45, 46) angeordnet sind.