DE19839281A1

DE19839281A1 - Verfahren und Vorrichtung zur betrags- und richtungsmäßigen Erfassung einer Objektbewegung

Info

Publication number: DE19839281A1
Application number: DE1998139281
Authority: DE
Inventors: Jaime Estevez-Garcia
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 1998-08-28
Filing date: 1998-08-28
Publication date: 2000-03-09
Anticipated expiration: 2018-08-29
Also published as: DE19839281B4

Abstract

Ein Verfahren zur berührungsfreien Erfassung einer Objektbewegung verwendet ein an dem Objekt angebrachtes, aus kontrastierenden Marken (M1, ..., M4) aufgebautes Markenmuster (1). Jede Marke weist eine bezüglich einer Markenmittelachse (MM) asymmetrische Kontrastverteilung (K) auf. Das Markenmuster (1) wird mit einem ortsfesten Lichtbündel beleuchtet und das von dem Markenmuster modulierte Licht wird von einem Photoempfänger erfaßt. Ein von dem Photoempfänger ausgegebenes elektrisches Signal wird zur Bestimmung des Bewegungsbetrags und der Bewegungsrichtung des Objekts ausgewertet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungsfreien Er fassung eines Bewegungsbetrags und einer Bewegungsrichtung eines translatorisch oder rotierend bewegten Objekts. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Realisierung ei nes solchen Verfahrens.

In vielen Bereichen der Technik ist es von großer Bedeutung, Translations- oder Rotationsbewegungen eines Objektes auf einfache Weise und mit möglichst hoher Genauigkeit zu erfas sen. Beispielsweise wird in der Automatisierungstechnik die Erfassung von Objektbewegungen zur lagerichtigen Positionie rung und Handhabung von Objekten benötigt. In der Kfz- Steuerungstechnik ist eine genaue Erfassung von Drehbewegun gen beispielsweise der Radachsen oder der Lenkradwelle erfor derlich, und in der Unterhaltungselektronik werden Positions geber zur Überwachung der Radialwinkelstellung und der Dreh richtung von Drehbedienelementen benötigt.

Bei der Erfassung einer Bewegung (Translationsbewegung oder Drehbewegung) ist es in der Regel erforderlich, sowohl den Bewegungsbetrag, d. h. den translatorischen Versatz bzw. die Radialwinkelverstellung des Objektes als auch die Bewegungs richtung, d. h. die Translationsrichtung bzw. den Drehsinn zu ermitteln. Ein bekanntes Verfahren verwendet hierfür eine (oder auch mehrere) Lichtquelle(n), die ein an dem Objekt an gebrachtes Balkenraster beleuchtet, und zwei Photodetektoren, die das an zwei unterschiedlichen Orten des Balkenrasters re flektierte Licht erfassen. Bei einer Bewegung des Objekts wird von den beiden Detektoren jeweils ein Impulsfolgensignal ausgegeben. Der Betrag der Bewegung kann durch Zählen der Impulse eines der beiden ausgegebenen Impulsfolgensignale festgestellt werden. Zur Ermittlung der Bewegungsrichtung wird die zwischen den beiden Ausgangssignalen auftretende Phasenverschiebung ermittelt, wobei die beiden Photodetekto ren so positioniert sein müssen, daß bezüglich einer Vor wärtsbewegung (bzw. eines positiven Drehsinns) und einer Rückwärtsbewegung (bzw. eines negativen Drehsinns) des Objek tes eine unterschiedliche Phasenverschiebung (beispielsweise 90° und 270°) in den Signalen auftritt.

Das bekannte Verfahren weist den Nachteil auf, daß zwei Pho todetektoren verwendet werden müssen, und daß darüber hinaus eine genaue Positionierung der Photodetektoren erforderlich ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach durchführbares und kostengünstig realisierbares Ver fahren zur berührungsfreien Erfassung eines Bewegungsbetrags und einer Bewegungsrichtung eines translatorisch oder rotie rend bewegten Objekts anzugeben. Ferner zielt die Erfindung darauf ab, eine Vorrichtung zu schaffen, die zur Ausführung eines derartigen Verfahrens geeignet ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 8 gelöst.

Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, daß das an dem Objekt angebrachte Markenmuster bei einer optischen Überwachung nicht nur die Unterscheidung aufeinanderfolgender (kontrastierender) Marken ermöglicht, sondern daß jede Marke eine weitere Information enthält, aus der in dem Auswerte schritt die Bewegungsrichtung ermittelt wird. Diese weitere Information wird durch die asymmetrische Kontrastverteilung der Marke repräsentiert. Aufgrund dieser Asymmetrie werden abhängig von der Bewegungsrichtung unterschiedliche zeitliche Signalverläufe des von dem photoempfindlichen Empfänger aus gegebenen elektrischen Signals erhalten. Im Rahmen der Signalauswertung kann zwischen diesen unterschiedlichen Si gnalverläufen unterschieden werden und somit die Bewegungs richtung bestimmt werden. Folglich werden aus dem elektri schen Signal des einen (einzigen) Empfängers sowohl der Bewe gungsbetrag als auch die Bewegungsrichtung ermittelt. Ein zweiter Empfänger, wie er im Stand der Technik zur Bestimmung der Bewegungsrichtung erforderlich ist, kann somit entfallen.

Grundsätzlich kann die asymmetrische Kontrastverteilung in jeder Art eines optisch nachweisbaren Kontrastes, d. h. bei spielsweise als Helligkeitskontrast, als Farbkontrast oder auch als Kontrast im Polarisationsverhalten der Marke reali siert sein. Demgemäß kann es sich bei der erfaßten, für die Kontrastverteilung repräsentativen optischen Größe beispiels weise um die Intensität, die Frequenz oder die Polarisations richtung/den Polarisationsgrad des modulierten Lichts han deln. Vorzugsweise wird die asymmetrische Kontrastverteilung jedoch durch eine Helligkeitsverteilung realisiert, da der Nachweis einer Helligkeitsverteilung einfacher und kostengün stiger als der Nachweis einer Farbverteilung oder einer Pola risationsverteilung realisierbar ist, welche zumindest ein wellenlängensensitives Element (Filter oder dergleichen) bzw. einen Polarisator erfordern.

Eine für viele Anwendungsfälle vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß der Auswerteschritt ferner ein Inkremental-/Dekremental-Zählverfahren umfaßt, wo bei das erste Auswertesignal bei jeder Erfassung einer Marke einen Zählschritt bewirkt und das zweite Auswertesignal die Zählrichtung bestimmt. Auf diese Weise lassen sich auf einen geeignet vorgebbaren Nullpunkt bezogene Absolutwerte für den zurückgelegten Bewegungsbetrag ermitteln.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weisen die Marken des Musters eine bezüglich der Bewegungsrichtung glei che Länge auf. Der Aufbau des Markenmusters entspricht dann hinsichtlich seiner Periodizität dem eines äquidistanten Ra sters, d. h. daß die Zeitdauer zwischen der Erfassung zweier benachbarter Marken umgekehrt proportional zu der aktuellen Lineargeschwindigkeit bzw. Winkelgeschwindigkeit des über wachten Objektes ist, wobei der Proportionalitätsfaktor unab hängig von der Position des Objektes (genauer: von dem Ort des Beleuchtungslichtfleckes auf dem Markenmuster) ist.

Die asymmetrische Kontrastverteilung einer Marke kann auf verschiedene Weise realisiert sein. Ein zweckmäßige Lösung besteht darin, eine rampenförmige Kontrastverteilung über die Marke vorzusehen.

Es besteht auch die Möglichkeit, in dem Muster verschiedene Markentypen vorzusehen, die sich durch unterschiedliche Ver läufe der asymmetrischen Kontrastverteilung voneinander un terscheiden. Beispielsweise können die Marken eines ersten Typs eine konvexe Verteilungsfunktion und die eines zweiten Markentyps eine konkave Verteilungsfunktion aufweisen. Im Rahmen des Auswerteschritts können die beiden unterschiedli chen Markentypen mittels einer Analyse der Signalform des die erfaßte Kontrastverteilung einer Marke repräsentierenden Signalanteils unterschieden werden.

Beispielsweise können Anfangs- und Endbereiche eines linearen Markenmusters mit einem ersten Markentyp (d. h. mit Marken ei ner ersten Kontrastverteilungsfunktion) und der zwischenlie gende Hauptbereich des Markenmusters mit Marken eines zweiten Markentyps (d. h. Marken mit einer zweiten Kontrastvertei lungsfunktion) realisiert sein. Aufgrund der Unterscheidbar keit der beiden Markentypen läßt sich dann (auch ohne Verwen dung eines Inkremental-/Dekremental-Zählverfahrens) bei der Auswertung ermitteln, ob sich das Objekt in einer dem An fangs- oder Endbereich des Markenmusters entsprechenden Lage oder in einer Zwischenlage befindet. Auf diese Weise läßt sich beispielsweise das Anfahr- oder Verzögerungsverhalten eines Objektes in Endlagenbereichen überwachen und zur Steue rung einer gewünschten Endlagendämpfung des bewegten Objektes heranziehen.

Ein weiterer Anwendungsbereich für die Verwendung unter schiedlicher Markentypen betrifft beispielsweise die Bewe gungserfassung von rotierenden Wellen. Hier kann ein vorge gebener Punkt oder ein vorgegebener Winkelsegmentbereich auf der Welle durch Verwendung von Marken eines bestimmten Typs von einem benachbarten Winkelsegmentbereich unterscheidbar gemacht werden.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrich tung kennzeichnet sich dadurch, daß die Lichtquelle ein La ser, insbesondere ein Halbleiterlaser ist.

Die Verwendung einer Vertikalresonator-Laserdiode ist beson ders bevorzugt. Eine solche Laserdiode ist in der Technik als VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser) bekannt. Der Vorteil einer VCSEL besteht darin, daß sie eine sehr ge ringe Baugröße aufweist und ferner ein Laserlichtbündel mit äußerst geringer Strahldivergenz emittiert. Der erste Aspekt ermöglicht eine starke Miniaturisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insbesondere dann, wenn als photoempfindlicher Empfänger ebenfalls ein Halbleiterbauelement, beispielsweise eine Photodiode oder ein Phototransistor, verwendet wird. Die Miniaturisierung bewirkt eine Senkung der Bauteilkosten. Der zweite Aspekt (geringe Strahldivergenz) ermöglicht eine hohe Genauigkeit bei der Erfassung des Bewegungsbetrags und der Bewegungsrichtung des Objekts. Aufgrund der geringen Strahldivergenz können die Ausmaße des Beleuchtungsflecks auf dem Markenmuster in der Größenordnung von einigen Wellenlän gen des Laserlichts (λ ~ 1 µm) gehalten werden, was bewirkt, daß die Länge der einzelnen Marken und damit die Ortsauflö sung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bis auf etwa 3 bis 5 µm reduziert werden kann.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemä ßen Vorrichtung kennzeichnet sich dadurch, daß die Lichtquel le, der photoempfindliche Empfänger und die Auswerteschaltung in einem gemeinsamen Modul untergebracht sind. Ein maxima ler Miniaturisierungsgrad wird erreicht, wenn die Lichtquel le, der photoempfindliche Empfänger und die Auswerteschaltung monolithisch in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat ausge bildet sind.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei spiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines aus vier Marken aufgebauten Markenmusters und dessen Helligkeitsver teilung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Blockschaltbil des eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Er findung;

Fig. 3a ein Diagramm, das den zeitlichen Verlauf des von dem Photoempfänger ausgegebenen elektrischen Signals S(t) zeigt;

Fig. 3b ein Diagramm, das die Ableitung dS(t)/dt des in Fig. 3a dargestellten Signals S(t) nach der Zeit t zeigt;

Fig. 4a drei unterschiedliche Kontrastverteilungen einer Marke;

Fig. 4b die den in Fig. 4a dargestellten unterschiedlichen Kontrastverteilungen entsprechenden ersten Ableitun gen dS(t)/dt des zugehörigen elektrischen Signals S(t) nach der Zeit t;

Fig. 4c die den in Fig. 4a dargestellten unterschiedlichen Kontrastverteilungen entsprechenden zweiten Ablei tungen d²S(t)/dt² des zugehörigen elektrischen Si gnals S(t) nach der Zeit t; und

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Gabellicht schranke gemäß der Erfindung.

Im oberen Teil der Fig. 1 ist ein gemäß der Erfindung gestal tetes Markenmuster 1 dargestellt, das aus vier einzelnen, an einander angrenzenden Marken M1, M2, M3 und M4 aufgebaut ist. Die Anzahl von vier Marken wurde lediglich aus Darstellungs gründen gewählt; in der Regel weist ein Markenmuster 1 eine weitaus größere Anzahl n von Marken M1, M2, . . ., Mn auf.

Jede einzelne Marke M1, . . ., M4 zeigt eine interne Hell- Dunkel-Kontrastverteilung K.

Im unteren Teil der Fig. 1 ist die Kontrastverteilung K jeder Marke M1, . . ., M4 in Form des Schwärzungsgrads SG als Funktion der Ortskoordinate x des Markenmusters 1 aufgetragen. Die Marken M1, . . ., M4 weisen jeweils einen identischen, linear ansteigenden Verlauf des Schwärzungsgrads SG, d. h. identische Kontrastverteilungen K, auf.

Wesentlich ist, daß die Kontrastverteilung K (d. h. der Ver lauf des Schwärzungsgrads SG) in jeder Marke M1, . . ., M4 be züglich einer Markenmittelachse MM asymmetrisch ist. Die Markenmittelachse MM ist dabei senkrecht zu der Längserstrec kung des Markenmusters, d. h. senkrecht zu der x-Achse der Ortskoordinate in Fig. 1, orientiert.

In dem hier dargestellten Beispiel weisen alle Marken M1, . . ., M4 die gleiche Länge l auf. Die Markenlänge l wird durch die Wiederholungsstruktur (ggf. Periodizität) des Mar kenmusters 1 bestimmt und ist deshalb unabhängig von der ge wählten Definition der Marken M1, . . ., M4 in dem Markenmuster 1. Dasselbe gilt für die Asymmetrie-Eigenschaft der Kon trastverteilung K einer Marke M1, . . ., M4. Auch bei einer anderen als der in Fig. 1 dargestellten Unterteilung des Mar kenmusters 1 in einzelne Marken M1, . . ., M4 weisen diese stets eine asymmetrische Kontrastverteilung K auf.

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung.

An einer Oberfläche 3 eines Objektes 2 ist das Markenmuster 1 mit der in Fig. 1 gezeigten Kontrastverteilung K angebracht. Das Objekt 2 wird durch einen Motor 4 translatorisch in Rich tung des Pfeils X bewegt. Die Richtung des Pfeils X ent spricht der Orientierung der x-Achse in Fig. 1.

Ein Halbleiterlaser 5, insbesondere eine VCSEL richtet ein Laserlichtbündel 6 auf das Markenmuster 1 und erzeugt auf diesem einen Laserlichtfleck 7. Die Abmessung des Laser lichtflecks 7 in der Bewegungsrichtung X ist kleiner als die Markenlänge l. Folglich wird das von dem Markenmuster 1 zu rückgeworfene Licht bei einer Bewegung des Objektes 2 gemäß dem in Fig. 2 eingezeichneten Kontrastverlauf K (siehe auch Fig. 1) des Musters 1 moduliert.

Das modulierte Licht 8 fällt in einen Photoempfänger 9, der beispielsweise in Form einer Photodiode oder eines Phototran sistors ausgebildet sein kann.

Der Photoempfänger 9 gibt ein gegebenenfalls in nicht darge stellter Weise zuvor vorverstärktes elektrisches Signal 10 aus, das den zeitlichen Verlauf der von dem Photoempfänger gemessenen Intensität des modulierten Lichts 8 entspricht.

Das elektrische Signal 10 wird einer ersten Auswertestufe 11 und einer dieser parallel geschalteten zweiten Auswertestufe 12 zugeführt. Die erste Auswertestufe 11 kann beispielsweise ein Impulsflankendetektor sein, der bei jeder ansteigenden und abfallenden Impulsflanke des elektrischen Signals 10 ei nen Zählimpuls in einem Zählimpulssignals 13 erzeugt und aus gibt. Die zweite Auswertestufe 12 kann beispielsweise in Form eines Differenziergliedes realisiert sein und ein binä res Signal 14 ausgeben, das anzeigt, ob die erste Ableitung des elektrischen Signals 10 nach der Zeit positiv oder nega tiv ist.

Wie im folgenden noch erläutert, ist das Zählimpulssignal 13 für den zurückgelegten Bewegungsbetrag charakteristisch, wäh rend das binäre Signal 14 die Richtung X der Objektbewegung angibt.

Das Zählimpulssignal 13 wird dem Zähleingang eines Inkremen tal-/Dekrementalzählers 15 zugeführt und das binäre Signal 14 liegt an einem Aufwärts/Abwärts-Befehlseingang des Inkremen tal-/Dekrementalzählers 15 an. Der Inkremental-/Dekremen talzähler 15 zählt in Abhängigkeit von dem Wert des anliegen den binären Signals 14 entweder in Aufwärts- oder in Abwärts richtung.

Der Inkremental-/Dekrementalzähler 15 stellt an einem Ausgang ein Zählwertsignal 16 bereit, das einem Mikrocontroller 17 zugeführt wird. Der Mikrocontroller 17 dient zur Steuerung des die Bewegung des Objektes 2 bewirkenden Motors 4. Hierzu weist der Mikrocontroller 17 in nicht dargestellter Weise ei ne CPU sowie Daten- und Programmspeicher auf und ist über ei ne Schnittstelle 18 sowie eine bidirektionale Datenleitung 19 mit einer geeigneten Peripherie 20 (Eingabe-/Ausgabeeinheit usw.) sowie über eine Steuerleitung 21 mit dem Motor 4 ver bunden.

Ferner kann über eine optionale Steuerverbindung 23 von dem Mikrocontroller 17 zu einem Treiber 24 für den Halbleiterla ser 5 eine Steuerung desselben realisiert sein.

Die Funktionsweise der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung wird im folgenden anhand der Fig. 3a und 3b erläutert.

In Fig. 3a ist der zeitliche Verlauf S(t) des elektrischen Signals 10 im Falle einer Umkehr der Bewegungsrichtung X dar gestellt. Der Darstellung liegt die Annahme eines äquidi stanten (d. h. l = konstant) Markenmusters 1 zugrunde.

Bis zu einem Zeitpunkt t₂ bewegt sich das Objekt 2 mit einer konstanten Bewegungsgeschwindigkeit in Richtung des Pfeils X. Das in den beiden Zeitintervallen t₀ bis t₁ bzw. t₁ bis t₂ er zeugte elektrische Signal S(t) entspricht daher dem in Fig. 1 dargestellten Verlauf der Kontrastverteilung K von zwei Mar ken.

Nach dem Zeitpunkt t₂ erfolgt eine Verzögerung des Objektes 2, bei der das Objekt 2 zum Zeitpunkt t₅ zur Ruhe kommt. Dementsprechend vergrößern sich die Zeitintervalle t₂ bis t₃ und t₃ bis t₄ sukzessive.

Zum Zeitpunkt t₅ erfolgt die Richtungsumkehr mit nachfolgen der Beschleunigung bis zum Zeitpunkt t₈. Nach t₈ wird die Bewegung bis t₁₀ mit der betragsmäßig gleichen konstanten Ge schwindigkeit wie in den ersten beiden Intervallen von t₀ bis t₂ fortgesetzt. Der entsprechende Signalverlauf S(t) zwi schen t₆ und t₁₀ entspricht somit in spiegelbildlicher Weise dem Signalverlauf S(t) zwischen t₀ und t₄.

Zwischen den Zeitpunkten t₀ bis t₅ (d. h. vor der Richtungsum kehr) weist der Signalverlauf S(t) jeweils monoton steigende, die Kontrastverteilung K repräsentierende Signalanteile As+ und abfallende Signalflanken F- auf. Nach der Richtungsum kehr bei t₅ treten ansteigende Signalflanken F+ und monoton abfallende Signalanteile As- auf.

Der Impulsflankendetektor erkennt anhand der zu den Zeitpunk ten t₁, t₂, t₃, t₄, abfallenden F- und der zu den Zeitpunkten t₆, t₇, t₈, t₉ ansteigenden F+ Signalflanken die einzelnen Marken M1, . . ., Mn, d. h. gibt zu diesen Zeitpunkten über das Zählimpulssignal 13 einen Zählimpuls an den Inkremental- /Dekrementalzähler 15 aus.

Anstelle eines Impulsflankendetektors kann die erste Auswer testufe 11 auch durch einen anderen Detektor gebildet sein, der in der Lage ist, die Wiederholungsstruktur des elektri schen Signals S(t) zu erfassen. Mit anderen Worten können die Zählimpulse des Zählimpulssignals 13 auch zu anderen Zei ten als den hier dargestellten Zeiten t₁, t₂, t₃, t₄, t₆, t₇, t₈, t₉ (d. h. den Zeiten, an denen negative oder positive Si gnalflanken F-, F+ auftreten) erzeugt werden.

Wie bereits erwähnt, kann die zweite Auswertestufe 12 als Differenzierglied ausgelegt sein. Die erste Ableitung nach der Zeit des elektrischen Signals S(t) ist in der Fig. 3b dargestellt. Es ist zu erkennen, daß das Signal dS(t)/dt für t < t₅ (d. h. beim Auftreten des Signalanteils As+) positiv und für t < t₅ (d. h. beim Auftreten des Signalanteils As-) negativ ist. Bei positivem dS(t)/dt weist das binäre Signal 14 beispielsweise den Wert 1 auf und befiehlt ein Aufwärts zählen des Inkremental-/Dekrementalzählers 15 während bei ne gativem dS(t)/dt das binäre Signal 14 dann den Wert 0 auf weist und ein Abwärtszählen des Inkremental-/Dekremental zählers 15 befiehlt.

Auf diese Weise entspricht der Zählwert des Zählwertsignals 16 der Position des Laserlichtflecks 7 auf dem Markenmuster 1 bezüglich eines frei vorgebbaren Nullpunkts. Die Nullpunkt vorgabe kann über ein von dem Mikrocontroller 17 ausgegebenes und dem Inkremental-/Dekrementalzähler 15 zugeführtes Zurück setzsignal 22 erfolgen.

Die Marken M1, . . ., Mn können zumindest teilweise auch eine unterschiedliche Markenlänge l aufweisen. Beispielsweise kann die Markenlänge l gemäß einer Logarithmusfunktion vorge geben sein, d. h. das Markenmuster 1 eine logarithmische Tei lung aufweisen. In diesem Fall muß dem Mikrocontroller 17 die Längenverteilung l(x) der einzelnen Marken M1, . . ., Mn als Funktion der Ortskoordinate x zur Auswertung des erhalte nen Zählwertsignals 16 bekannt sein. Eine logarithmische Längenverteilungsfunktion l(x) kann beispielsweise bei An fahr- oder Endlagedämpfungssteuerungen günstig sein, bei de nen im Anfahr- oder Endlagenbereich eine höhere Genauigkeit der Positionserfassung als in anderen Bereichen erforderlich ist.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, durch eine spezielle Wahl der Kontrastverteilung K einer Marke M1, . . ., Mn zusätz liche Information in der Marke M1, . . ., Mn abzulegen.

In Fig. 4a sind drei unterschiedliche, sämtlich monoton stei gende Kontrastverteilungen K1, K2, K3 einer einzelnen Marke M1, . . ., Mn dargestellt. Während die im linken Teil der Fig. 4a dargestellte Kontrastverteilung K1 der in Fig. 1 darge stellten Kontrastverteilung K einer Marke M1, . . ., M4 ent spricht, zeigt die mittlere Kontrastverteilung K2 einen kon vexen und die rechte Kontrastverteilung K3 einen konkaven Verlauf.

In Fig. 4b sind die entsprechenden ersten Ableitungen dS(t)/dt der jeweils erhaltenen Signalverläufe S(t) des elek trischen Signals 10 nach der Zeit und in Fig. 4c sind die entsprechenden zweiten Ableitungen d²S(t)/dt² der jeweils er haltenen Signalverläufe S(t) des elektrischen Signals 10 nach der Zeit aufgetragen. Es wird deutlich, daß sämtliche erste Ableitungen dS(t)/dt unabhängig von der jeweils zugrundelie genden Kontrastverteilung K1, K2, K3 im positiven Bereich liegen und daher bei Verwendung einer zweiten Auswertestufe 12 gemäß Fig. 2 in Aufwärtsrichtung gezählt werden. Die zweite Ableitung nach der Zeit, d. h. dS²(t)/dt² ermöglicht demgegenüber eine einfache Unterscheidung von konvexen und konkaven Kontrastverteilungen K2 bzw. K3. Während bei einer konvexen Kontrastverteilung K2 negative Funktionswerte von dS²(t)/dt² erhalten werden, liegen die entsprechenden Funkti onswerte der zweiten Ableitung bei einer konkaven Kontrast verteilung K3 im positiven Bereich. Die Zusatzinformation kann somit durch eine zweite Ableitung des elektrischen Si gnals 10 (gegebenenfalls mit einer nachfolgenden Signalinte gration) ermittelt werden.

Die Zusatzinformation kann beispielsweise zur Definition un terschiedlicher Abschnitte auf dem Markenmuster 1 verwendet werden.

In alternativer Weise kann eine derartige Zusatzinformation auch durch die zusätzliche Verwendung eines anderen Kontrast typs, beispielsweise eines Farb- oder Polarisationskontrasts, in dem Markenmuster 1 implementiert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung können in einer Vielzahl von unterschiedlichen Ausführungsvarianten zur Anwendung kommen. In Fig. 5 ist ei ne Ausführungsvariante dargestellt, bei der ein transmittie rendes Markenmuster 1 in Verbindung mit einer als Gabellicht schranke 25 ausgebildeten erfindungsgemäßen Vorrichtung ver wendet wird. Die Gabellichtschranke 25 weist zwei Arme 26, 27 auf, wobei einer der Arme 26 in nicht dargestellter Weise die Lichtquelle (Halbleiterlaser 5) und der andere Arm 27 den Photoempfänger 9 trägt.

Aufgrund der Tatsache, daß lediglich eine Lichtquelle 5 und lediglich ein Photoempfänger 9 erforderlich sind, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung sowohl ein hohes Miniaturisie rungspotential als auch - wegen des Wegfalls von Justagepro blemen und der Verwendung einer strahldivergenzarmen VCSEL und eines Markenmusters 1 mit einer Markenlänge l im Bereich weniger µm - eine hohe Genauigkeit der Ortserfassung auf. Die Erfindung kann daher beispielsweise bei der Erfassung von Drehbewegungen von (Multifunktions-)Bedienelementen an elek tronischen Geräten oder auch in einer Computermaus zur Erfas sung der Rotationsbewegung der Laufkugel sowie in vielen ähn lich gelagerten Anwendungsbereichen mit großem Gewinn zum Einsatz kommen.

Bezugszeichenliste

1

Markenmuster

2

Objekt

3

Oberfläche

4

Motor

5

Halbleiterlaser

6

Laserlichtbündel

7

Laserlichtfleck

8

moduliertes Licht

9

Photoempfänger

10

elektrisches Signal

11

erste Auswertestufe (Impulsflankendetektor)

12

zweite Auswertestufe (Differenzierglied)

13

Zählimpulssignal

14

binäres Signal

15

Inkremental-/Dekrementalzähler

16

Zählwertsignal

17

Mikrocontroller

18

Schnittstelle

19

bidirektionale Datenleitung

20

Peripherie

21

Steuerleitung

22

Zurücksetzsignal

23

Steuerverbindung

24

Treiber

25

Gabellichtschranke

26

Arm

27

Arm
As+, As-Signalanteil
F+, F-Impulsflanke
K, K1, K2, K3Kontrastverteilung
M1, M2, M3, M4Marken
MMMarkenmittelachse
S(t)Verlauf des elektrischen Signals

10

SGSchwärzungsgrad
XBewegungsrichtung
xOrtskoordinate
t_i

Zeitpunkt

Claims

1. Verfahren zur berührungsfreien Erfassung eines Bewegungs betrags und einer Bewegungsrichtung (X) eines translatorisch oder rotierend bewegten Objekts (2), wobei

1. an dem Objekt (2) ein aus kontrastierenden Marken (M1, . . ., M4) aufgebautes Markenmuster (1) angebracht ist, und
2. jede kontrastierende Marke (M1; . . .; M4) eine bezüglich ei ner in Normalrichtung zu der Bewegungsrichtung (X) orien tierten Markenmittelachse (MM) asymmetrische Kontrastver teilung (K; K1, K2, K3) aufweist,

mit den Schritten:

a) Beleuchten des Markenmusters (1) mit einem ortsfesten Lichtbündel (6);
b) Erfassen einer für die Kontrastverteilung (K; K1, K2, K3) repräsentativen optischen Größe des von dem bewegten Mar kenmuster (1) modulierten Lichts (8) des Lichtbündels (6);
und
c) Auswerten eines den zeitlichen Verlauf der erfaßten Größe repräsentierenden elektrischen Signals (10; S(t)), wobei
- 1. aus einem die Erfassung einer Marke (M1, . . ., M4) reprä sentierenden Signalanteil (F+, F-) ein erstes, für den zurückgelegten Bewegungsbetrag charakteristisches Aus wertesignal (13) und
- 2. aus einem die asymmetrische Kontrastverteilung (K; K1, K2, K3) einer Marke repräsentierenden Signalanteil (As+, As-) ein zweites, für die momentane Bewegungsrichtung charakteristisches Auswertesignal (14) ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswerteschritt c) ferner ein Inkremental- /Dekremental-Zählverfahren umfaßt, wobei das erste Auswerte signal (13) bei jeder Erfassung einer Marke (M1, . . ., M4) ei nen Zählschritt bewirkt und das zweite Auswertesignal (14) die Zählrichtung bestimmt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Kontrastverteilung (K, K1, K2, K3) um ei ne Helligkeitsverteilung handelt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Marken (M1, . . ., M4) des Markenmusters (1) eine be züglich der Bewegungsrichtung (X) gleiche Länge l aufweisen.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die asymmetrische Kontrastverteilung (K, K1, K2, K3) ram penförmig ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das Markenmuster (1) erste Marken mit einer asymmetri schen ersten Kontrastverteilung (K2) und zweite Marken mit einer sich von der asymmetrischen ersten Kontrastverteilung unterscheidenden asymmetrischen zweiten Kontrastverteilung (K3) aufweist, und
daß in dem Auswerteschritt c) mittels einer Analyse des die erfaßte asymmetrische Kontrastverteilung (K2, K3) einer Marke (M1, . . ., M4) repräsentierenden Signalanteils (As+, As-) zu sätzlich bestimmt wird, ob es sich bei der erfaßten Marke um eine erste oder eine zweite Marke (M1, . . ., M4) handelt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kontrastverteilung (K2) einen konvexen Vertei lungsverlauf und die zweite Kontrastverteilung (K3) einen konkaven Verteilungsverlauf aufweisen.

8. Vorrichtung zur berührungsfreien Erfassung eines Bewe gungsbetrags und einer Bewegungsrichtung (X) eines translato risch oder rotierend bewegten Objekts (2), wobei

1. an dem Objekt (2) ein aus kontrastierenden Marken (M1, . . ., M4) aufgebautes Markenmuster (1) angebracht ist, und
2. jede kontrastierende Marke (M1, . . ., M4) eine bezüglich ei ner in Normalrichtung zu der Bewegungsrichtung orientierten Markenmittelachse (MM) asymmetrische Kontrastverteilung (K; K1, K2, K3) aufweist,

mit

1. einer Lichtquelle (5), die ein ortsfestes Lichtbündel (6) auf das Markenmuster (1) richtet,
2. einem photoempfindlichen Empfänger (9), der eine für die Kontrastverteilung (K; K1, K2, K3) repräsentative optische Größe des von dem bewegten Markenmuster (1) modulierten Lichts (8) des Lichtbündels (6) erfaßt und ein den zeitli chen Verlauf der erfaßten Größe repräsentierendes elektri sches Signal (10, S(t)) ausgibt, und
3. einer dem photoempfindlichen Empfänger (9) nachgeschalteten Auswerteschaltung (11, 12, 15, 17), welche aus einem die Erfassung einer Marke (M1, . . ., M4) repräsentierenden Signalanteil (F-, F+) ein erstes, für den zurückgelegten Bewegungsbetrag charakteristisches Auswertesignal (13) und aus einem die asymmetrische Kontrastverteilung (K; K1, K2, K3) einer Marke (M1, . . ., M4) repräsentierenden Signalan teil (As+, As-) ein zweites, für die momentane Bewegungs richtung repräsentatives Auswertesignal (14) ermittelt und ausgibt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (11, 12, 15, 17) einen Inkremental- /Dekremental-Zähler (15) enthält, dessen Zähleingang das er ste Auswertesignal (13) zugeführt wird und dessen Zählrich tungseingang das zweite Auswertesignal (14) zugeführt wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (11, 12, 15, 17) ferner einen Mi krocontroller (17) umfaßt, der ein Signal (21) ausgibt, das zur Steuerung eines die Bewegung des Objektes (2) beeinflus senden Antriebes (4) dient.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Marken (M1, . . ., M4) des Markenmusters (1) eine gemäß einer Markenlängenfunktion l(x) definierte variable Länge l aufweisen, und daß die Markenlängenfunktion l(x) in einem Speicher des Mikrocontrollers (17) gespeichert ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (5) ein Laser, insbesondere ein Halblei terlaser ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (5) eine VCSEL ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (5) auf einer Seite des Markenmusters (1) und der photoempfindliche Empfänger (9) auf der anderen Seite des Markenmusters (1) angeordnet sind, und daß das Markenmu ster (1) ein Transmissionsmuster ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (5) und der photoempfindliche Empfänger (9) beide auf einer Seite des Markenmusters (1) angeordnet sind, und daß das Markenmuster (1) ein Reflexionsmuster ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (5), der photoempfindliche Empfänger (9) und die Auswerteschaltung (11, 12, 15, 17) in einem gemeinsa men Modul untergebracht sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (5), der photoempfindliche Empfänger (9) und die Auswerteschaltung (11, 12, 15, 17) monolithisch auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat ausgebildet sind.

18. Computermaus mit einem Gehäuse und einer bodenseitig aus dem Gehäuse hervorstehenden, in alle Richtungen frei rotier bare Laufkugel, und mit zwei an dem Gehäuse rotierbar gela gerten Abnehmerrädern, deren Achsen im wesentlichen senkrecht zueinander orientiert sind und deren Radialumfangsflächen an der Laufkugel abrollen, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsbewegung der Abnehmerräder durch eine Vor richtung nach einem der Ansprüche 8 bis 17 erfaßt wird.

19. Bedienvorrichtung zur mechanischen Eingabe von Informa tionen in ein elektronisches Gerät, die ein Drehstellglied umfaßt, dessen Drehwinkelstellung unter Einwirkung einer me chanischen Betätigungskraft veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rotationsbewegung des Drehstellglieds durch eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 17 erfaßt wird.