DE19839281B4

DE19839281B4 - Verfahren und Vorrichtung zur betrags- und richtungsmäßigen Erfassung einer Objektbewegung

Info

Publication number: DE19839281B4
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: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2018-08-29
Also published as: DE19839281A1

Abstract

Verfahren zur berührungsfreien Erfassung eines Bewegungsbetrags und einer Bewegungsrichtung (X) eines translatorisch oder rotierend bewegten Objekts (2), wobei
– an dem Objekt (2) ein aus kontrastierenden Marken (M1, ..., M4) aufgebautes Markenmuster (1) angebracht ist, und
– jede kontrastierende Marke (M1; ...; M4) eine bezüglich einer in Normalrichtung zu der Bewegungsrichtung (X) orientierten Markenmittelachse (MM) asymmetrische Kontrastverteilung (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 Markenmuster (1) modulierten Lichts (8) des Lichtbündels (6); und
c) Auswerten eines den zeitlichen Verlauf der erfaßten Größe repräsentierenden elektrischen Signals (10; S(t)), wobei
– aus einem die Erfassung einer Marke (M1, ..., M4) repräsentierenden Signalanteil (F+, F–) ein erstes, für den zurückgelegten Bewegungsbetrag charakteristisches Auswertesignal (13) und
– aus...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungsfreien Erfassung eines Bewegungsbetrags und einer Bewegungsrichtung eines translatorisch oder rotierend bewegten Objekts. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Realisierung eines 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 erfassen. Beispielsweise wird in der Automatisierungstechnik die Erfassung von Objektbewegungen zur lagerichtigen Positionierung und Handhabung von Objekten benötigt. In der Kfz-Steuerungstechnik ist eine genaue Erfassung von Drehbewegungen beispielsweise der Radachsen oder der Lenkradwelle erforderlich, und in der Unterhaltungselektronik werden Positionsgeber zur Überwachung der Radialwinkelstellung und der Drehrichtung 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 Bewegungsrichtung, 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 angebrachtes Balkenraster beleuchtet, und zwei Photodetektoren, die das an zwei unterschiedlichen Orten des Balkenrasters reflektierte 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 Photodetektoren so positioniert sein müssen, daß bezüglich einer Vorwärtsbewegung (bzw. eines positiven Drehsinns) und einer Rückwärtsbewegung (bzw. eines negativen Drehsinns) des Objektes eine unterschiedliche Phasenverschiebung (beispielsweise 90° und 270°) in den Signalen auftritt.
Dieses Verfahren weist den Nachteil auf, daß zwei Photodetektoren verwendet werden müssen, und daß darüber hinaus eine genaue Positionierung der Photodetektoren erforderlich ist.
Die als nächstliegender Stand der Technik betrachtete Druckschrift DE 32 47 174 A1 beschreibt einen Bewegungs- und Drehrichtungsgeber. Eine Rasterscheibe ist drehfest an einer Welle angebracht und weist in ihrem peripheren Bereich ein die Welle ringförmig umlaufendes Impulsraster auf. Das Raster wird mittels einer Lichtschranke bestehend aus einer Leuchtdiode und einem Photodetektor optisch erfaßt und das Photodetektorsignal wird zur Ermittlung des zurückgelegten Wegstreckenbetrages und der Drehrichtung ausgewertet. Die Wegstreckenmessung kann nur mit geringer Genauigkeit erfolgen.
In der Druckschrift DE 195 45 999 A1 ist ein inkrementaler Stellungsgeber beschrieben, der ebenfalls ein ringförmiges Kontrastraster zur Ermittlung des Drehweges und der Drehrichtung einer Welle verwendet. Das von einem Lichtsender erzeugte Detektionslicht wird über einen Lichtwellenleiter zu der Drehscheibe hingeführt, und es sind weitere Lichtleiter vorgesehen, die das reflektierte oder transmittierte Licht zu Photodetektoren leiten. Durch die Lichtwellenleiter wird der Einfluß von Störungen auf die Anordnung reduziert.
Die Druckschrift EP 0 210 825 A2 beschreibt ein weiteres Positionsmeßgerät, das auf optischer Basis arbeitet und eine Rasterscheibe verwendet. Die Unterscheidung einzelner Raster segmente wird hier dadurch bewirkt, daß diese unterschiedliche Farben aufweisen. Ein lichtwellenlängenempfindlicher Photodetektor ermöglicht die Unterscheidung einzelner Rastersegmente. Zur Führung des Beleuchtungs- und Transmissionslichts werden Lichtwellenleiter verwendet.
Eine ohne eine Lichtquelle auskommende optische Geschwindigkeitsmeßvorrichtung ist in der Druckschrift U.S. 4,314,153 beschrieben.
Aus der Druckschrift DE 43 37 005 A1 ist eine interferentielle Längen- oder Winkelmesseinrichtung bekannt, die eine Vertikalresonator-Laserdiode (VCSEL) als Lichtquelle aufweist.
Die Druckschrift US 5 650 612 beschreibt einen optischen Sensor zur Positionsbestimmung oder zur Erfassung anderer physikalischer Eigenschaften eines Objekts mit einer VCSEL als Lichtquelle.
In der Druckschrift DE 42 32 864 A1 ist ein Umlaufkodierer beschrieben, bei dem unter anderem der rotierende Körper mit einem Schwarzkeil versehen ist. Bei dem zugehörigen Messverfahren für Drehwinkel, Drehzahl oder Drehrichtung wird eine schmale rechteckige Fläche des Schwarzkeils beleuchtet und mittels eines Photodetektors ein Signal erzeugt, das dem Verhältnis von reflektierender zu dunkler Fläche im ausgeleuchteten Flächenbereich entspricht.
Die Druckschrift DE 44 28 396 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur berührungsfreien Drehgeschwindigkeits- und Drehrichtungsmessung.
Aus der Druckschrift JP 61 076 960 A ist eine Vorrichtung bekannt, bei der die Abweichung eines optischen Signals durch Rotation eines umlaufenden Schafts detektiert werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach durchführbares und kostengünstig realisierbares Verfahren zur berührungsfreien Erfassung eines Bewegungsbetrags und einer Bewegungsrichtung eines bewegten Objektes anzugeben, das eine hohe Meßgenauigkeit ermöglicht und insbesondere für Miniaturisierungsanwendungen geeignet ist. Ferner zielt die Erfindung darauf ab, eine Vorrichtung zur optischen Erfassung einer Objektbewegung zu schaffen, die kostengünstig herstellbar ist und sowohl eine hohe Meßgenauigkeit als auch einen hohen Miniaturisierungsgrad ermöglicht.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 7 gelöst.
Gemäß der Erfindung wird eine Vertikalresonator-Laserdiode zur Erzeugung des Belichtungslichtbündels eingesetzt. Eine solche Laserdiode ist in der Technik als VCSEL (vertical-cavity surface-emitting laser) bekannt. Die VCSEL kann eine sehr geringe Baugröße aufweisen und emittiert ferner ein Laserlichtbündel mit äußerst geringer Strahldivergenz. 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 Wellenlängen des Laserlichts (λ ∼ 1 μm) gehalten werden, was bewirkt, daß die Länge der einzelnen Marken und damit die Ortsauflösung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bis auf etwa 3 bis 5 μm reduziert werden kann.
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 Auswerteschritt 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 ausgegebenen elektrischen Signals erhalten. Im Rahmen der Signalauswertung kann zwischen diesen unterschiedlichen Signalverläufen unterschieden werden und somit die Bewegungs richtung bestimmt werden. Folglich werden aus dem elektrischen Signal des einen (einzigen) Empfängers sowohl der Bewegungsbetrag 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. beispielsweise als Helligkeitskontrast, als Farbkontrast oder auch als Kontrast im Polarisationsverhalten der Marke realisiert sein. Demgemäß kann es sich bei der erfaßten, für die Kontrastverteilung repräsentativen optischen Größe beispielsweise um die Intensität, die Frequenz oder die Polarisationsrichtung/den Polarisationsgrad des modulierten Lichts handeln. Vorzugsweise wird die asymmetrische Kontrastverteilung jedoch durch eine Helligkeitsverteilung realisiert, da der Nachweis einer Helligkeitsverteilung einfacher und kostengünstiger als der Nachweis einer Farbverteilung oder einer Polarisationsverteilung 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, wobei 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 gleiche Länge auf. Der Aufbau des Markenmusters entspricht dann hinsichtlich seiner Periodizität dem eines äquidistanten Rasters, d.h. daß die Zeitdauer zwischen der Erfassung zweier benachbarter Marken umgekehrt proportional zu der aktuellen Lineargeschwindigkeit bzw. Winkelgeschwindigkeit des überwachten Objektes ist, wobei der Proportionalitätsfaktor unabhängig 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 Verläufe der asymmetrischen Kontrastverteilung voneinander unterscheiden. 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 unterschiedlichen 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 einer ersten Kontrastverteilungsfunktion) und der zwischenliegende Hauptbereich des Markenmusters mit Marken eines zweiten Markentyps (d.h. Marken mit einer zweiten Kontrastverteilungsfunktion) realisiert sein. Aufgrund der Unterscheidbarkeit der beiden Markentypen läßt sich dann (auch ohne Verwendung eines Inkremental-/Dekremental-Zählverfahrens) bei der Auswertung ermitteln, ob sich das Objekt in einer dem Anfangs- 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 Steuerung einer gewünschten Endlagendämpfung des bewegten Objektes heranziehen.
Ein weiterer Anwendungsbereich für die Verwendung unterschiedlicher Markentypen betrifft beispielsweise die Bewegungserfassung von rotierenden Wellen. Hier kann ein vorgegebener Punkt oder ein vorgegebener Winkelsegmentbereich auf der Welle durch Verwendung von Marken eines bestimmten Typs von einem benachbarten Winkelsegmentbereich unterscheidbar gemacht werden.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kennzeichnet sich dadurch, daß die Lichtquelle (VCSEL), der photoempfindliche Empfänger und die Auswerteschaltung in einem gemeinsamen Modul untergebracht sind. Ein maximaler Miniaturisierungsgrad wird erreicht, wenn die Lichtquelle, der photoempfindliche Empfänger und die Auswerteschaltung monolithisch in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat ausgebildet sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben; in dieser zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines aus vier Marken aufgebauten Markenmusters und dessen Helligkeitsverteilung;
2 eine schematische Darstellung eines Blockschaltbildes eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
3a ein Diagramm, das den zeitlichen Verlauf des von dem Photoempfänger ausgegebenen elektrischen Signals S(t) zeigt;
3b ein Diagramm, das die Ableitung dS(t)/dt des in 3a dargestellten Signals S(t) nach der Zeit t zeigt;
4a drei unterschiedliche Kontrastverteilungen einer Marke;
4b die den in 4a dargestellten unterschiedlichen Kontrastverteilungen entsprechenden ersten Ableitungen dS(t)/dt des zugehörigen elektrischen Signals S(t) nach der Zeit t;
4c die den in 4a dargestellten unterschiedlichen Kontrastverteilungen entsprechenden zweiten Ablei tungen d²S(t)/dt² des zugehörigen elektrischen Signals S(t) nach der Zeit t; und
5 eine schematische Darstellung einer Gabellichtschranke gemäß der Erfindung.
Im oberen Teil der 1 ist ein gemäß der Erfindung gestaltetes Markenmuster 1 dargestellt, das aus vier einzelnen, aneinander angrenzenden Marken M1, M2, M3 und M4 aufgebaut ist. Die Anzahl von vier Marken wurde lediglich aus Darstellungsgründen 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 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 Verlauf des Schwärzungsgrads SG) in jeder Marke M1, ..., M4 bezüglich einer Markenmittelachse MM asymmetrisch ist. Die Markenmittelachse MM ist dabei senkrecht zu der Längserstreckung des Markenmusters, d.h. senkrecht zu der x-Achse der Ortskoordinate in 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 Markenmusters 1 bestimmt und ist deshalb unabhängig von der gewählten Definition der Marken M1, ..., M4 in dem Markenmuster 1. Dasselbe gilt für die Asymmetrie-Eigenschaft der Kontrastverteilung K einer Marke M1, ..., M4. Auch bei einer anderen als der in 1 dargestellten Unterteilung des Markenmusters 1 in einzelne Marken M1, ..., M4 weisen diese stets eine asymmetrische Kontrastverteilung K auf.
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 1 gezeigten Kontrastverteilung K angebracht. Das Objekt 2 wird durch einen Motor 4 translatorisch in Richtung des Pfeils X bewegt. Die Richtung des Pfeils X entspricht der Orientierung der x-Achse in 1.
Eine VCSEL 5 richtet ein Laserlichtbündel 6 auf das Markenmuster 1 und erzeugt auf diesem einen Laserlichtfleck 7. Die Abmessung des Laserlichtflecks 7 in der Bewegungsrichtung X ist kleiner als die Markenlänge l. Folglich wird das von dem Markenmuster 1 zurückgeworfene Licht bei einer Bewegung des Objektes 2 gemäß dem in 2 eingezeichneten Kontrastverlauf K (siehe auch 1) des Musters 1 moduliert.
Das modulierte Licht 8 fällt in einen Photoempfänger 9, der beispielsweise in Form einer Photodiode oder eines Phototransistors ausgebildet sein kann.
Der Photoempfänger 9 gibt ein gegebenenfalls in nicht dargestellter 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 einen Zählimpuls in einem Zählimpulssignal 13 erzeugt und aus gibt. Die zweite Auswertestufe 12 kann beispielsweise in Form eines Differenziergliedes realisiert sein und ein binäres Signal 14 ausgeben, das anzeigt, ob die erste Ableitung des elektrischen Signals 10 nach der Zeit positiv oder negativ ist.
Wie im folgenden noch erläutert, ist das Zählimpulssignal 13 für den zurückgelegten Bewegungsbetrag charakteristisch, während das binäre Signal 14 die Richtung X der Objektbewegung angibt.
Das Zählimpulssignal 13 wird dem Zähleingang eines Inkremental-/Dekrementalzählers 15 zugeführt und das binäre Signal 14 liegt an einem Aufwärts/Abwärts-Befehlseingang des Inkremental-/Dekrementalzählers 15 an. Der Inkremental-/Dekrementalzähler 15 zählt in Abhängigkeit von dem Wert des anliegenden binären Signals 14 entweder in Aufwärts- oder in Abwärtsrichtung.
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 eine CPU sowie Daten- und Programmspeicher auf und ist über eine Schnittstelle 18 sowie eine bidirektionale Datenleitung 19 mit einer geeigneten Peripherie 20 (Eingabe-/Ausgabeeinheit usw.) sowie über eine Steuerleitung 21 mit dem Motor 4 verbunden.
Ferner kann über eine optionale Steuerverbindung 23 von dem Mikrocontroller 17 zu einem Treiber 24 für den Halbleiterlaser 5 eine Steuerung desselben realisiert sein.
Die Funktionsweise der in 2 dargestellten Vorrichtung wird im folgenden anhand der 3a und 3b erläutert.
In 3a ist der zeitliche Verlauf S(t) des elektrischen Signals 10 im Falle einer Umkehr der Bewegungsrichtung X dargestellt. Der Darstellung liegt die Annahme eines äquidistanten (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 erzeugte elektrische Signal S(t) entspricht daher dem in 1 dargestellten Verlauf der Kontrastverteilung K von zwei Marken.
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 nachfolgender Beschleunigung bis zum Zeitpunkt t₈. Nach t₈ wird die Bewegung bis t₁₀ mit der betragsmäßig gleichen konstanten Geschwindigkeit wie in den ersten beiden Intervallen von t₀ bis t₂ fortgesetzt. Der entsprechende Signalverlauf S(t) zwischen 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 Richtungsumkehr) weist der Signalverlauf S(t) jeweils monoton steigende, die Kontrastverteilung K repräsentierende Signalanteile As+ und abfallende Signalflanken F– auf. Nach der Richtungsumkehr bei t₅ treten ansteigende Signalflanken F+ und monoton abfallende Signalanteile As– auf.
Der Impulsflankendetektor erkennt anhand der zu den Zeitpunkten 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 Auswertestufe 11 auch durch einen anderen Detektor gebildet sein, der in der Lage ist, die Wiederholungsstruktur des elektrischen Signals S(t) zu erfassen. Mit anderen Worten können die Zählimpulse des Zählimpulssignals 13 auch zu anderen Zeiten als den hier dargestellten Zeiten t₁, t₂, t₃, t₄, t₆, t₇, t₈, t₉ (d.h. den Zeiten, an denen negative oder positive Signalflanken 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 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 Aufwärtszählen des Inkremental-/Dekrementalzählers 15 während bei negativem dS(t)/dt das binäre Signal 14 dann den Wert 0 aufweist und ein Abwärtszählen des Inkremental-/Dekrementalzählers 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 Nullpunktvorgabe kann über ein von dem Mikrocontroller 17 ausgegebenes und dem Inkremental-/Dekrementalzähler 15 zugeführtes Zurücksetzsignal 22 erfolgen.
Die Marken M1, ..., Mn können zumindest teilweise auch eine unterschiedliche Markenlänge l aufweisen. Beispielsweise kann die Markenlänge l gemäß einer Logarithmusfunktion vorgegeben sein, d.h. das Markenmuster 1 eine logarithmische Teilung 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 erhaltenen Zählwertsignals 16 bekannt sein. Eine logarithmische Längenverteilungsfunktion l(x) kann beispielsweise bei Anfahr- oder Endlagedämpfungssteuerungen günstig sein, bei denen 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 zusätzliche Information in der Marke M1, ..., Mn abzulegen.
In 4a sind drei unterschiedliche, sämtlich monoton steigende Kontrastverteilungen K1, K2, K3 einer einzelnen Marke M1, ..., Mn dargestellt. Während die im linken Teil der 4a dargestellte Kontrastverteilung K1 der in 1 dargestellten Kontrastverteilung K einer Marke M1, ..., M4 entspricht, zeigt die mittlere Kontrastverteilung K2 einen konvexen und die rechte Kontrastverteilung K3 einen konkaven Verlauf.
In 4b sind die entsprechenden ersten Ableitungen dS(t)/dt der jeweils erhaltenen Signalverläufe S(t) des elektrischen Signals 10 nach der Zeit und in 4c sind die entsprechenden zweiten Ableitungen d²S(t)/dt² der jeweils erhaltenen 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 zugrundeliegenden Kontrastverteilung K1, K2, K3 im positiven Bereich liegen und daher bei Verwendung einer zweiten Auswertestufe 12 gemäß 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 Kontrastverteilung K3 im positiven Bereich. Die Zusatzinformation kann somit durch eine zweite Ableitung des elektrischen Signals 10 (gegebenenfalls mit einer nachfolgenden Signalintegration) ermittelt werden.
Die Zusatzinformation kann beispielsweise zur Definition unterschiedlicher Abschnitte auf dem Markenmuster 1 verwendet werden.
In alternativer Weise kann eine derartige Zusatzinformation auch durch die zusätzliche Verwendung eines anderen Kontrasttyps, 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 5 ist eine Ausführungsvariante dargestellt, bei der ein transmittierendes Markenmuster 1 in Verbindung mit einer als Gabellichtschranke 25 ausgebildeten erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet wird. Die Gabellichtschranke 25 weist zwei Arme 26, 27 auf, wobei einer der Arme 26 in nicht dargestellter Weise die VCSEL 5 und der andere Arm 27 den Photoempfänger 9 trägt.
Aufgrund der Tatsache, daß lediglich eine VCSEL 5 und lediglich ein Photoempfänger 9 erforderlich sind, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung sowohl ein hohes Miniaturisierungspotential als auch – wegen des Wegfalls von Justageproblemen und der Verwendung einer strahldivergenzarmen VCSEL und eines Markenmusters 1 mit einer Markenlänge l im Bereich wenigen μm – eine hohe Genauigkeit der Ortserfassung auf. Die Erfindung kann daher beispielsweise bei der Erfassung von Drehbewegungen von (Multifunktions-)Bedienelementen an elektronischen Geräten oder auch in einer Computermaus zur Erfassung der Rotationsbewegung der Laufkugel sowie in vielen ähn lich gelagerten Anwendungsbereichen mit großem Gewinn zum Einsatz kommen.

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, K3: Kontrastverteilung
M1, M2, M3, M4: Marken
MM: Markenmittelachse
S(t): Verlauf des elektrischen Signals 10
SG: Schwärzungsgrad
X: Bewegungsrichtung
x: Ortskoordinate
t_i: Zeitpunkt

Claims

Verfahren zur berührungsfreien Erfassung eines Bewegungsbetrags und einer Bewegungsrichtung (X) eines translatorisch oder rotierend bewegten Objekts (2), wobei – an dem Objekt (2) ein aus kontrastierenden Marken (M1, ..., M4) aufgebautes Markenmuster (1) angebracht ist, und – jede kontrastierende Marke (M1; ...; M4) eine bezüglich einer in Normalrichtung zu der Bewegungsrichtung (X) orientierten Markenmittelachse (MM) asymmetrische Kontrastverteilung (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 Markenmuster (1) modulierten Lichts (8) des Lichtbündels (6); und c) Auswerten eines den zeitlichen Verlauf der erfaßten Größe repräsentierenden elektrischen Signals (10; S(t)), wobei – 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 repräsentierenden Signalanteil (As+, As–) ein zweites, für die momentane Bewegungsrichtung charakteristisches Auswertesignal (14) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Lichtbündel von einer VCSEL erzeugt wird und daß die asymmetrische Kontrastverteilung (K, K1, K2, K3) rampenförmig ist.
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) einen Zählschritt bewirkt und das zweite Auswertesignal (14) die Zählrichtung bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Kontrastverteilung (K, K1, K2, K3) um eine Helligkeitsverteilung handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Marken (M1, ..., M4) des Markenmusters (1) eine bezüglich der Bewegungsrichtung (X) gleiche Länge l aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Markenmuster (1) erste Marken mit einer asymmetrischen 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–) zusätzlich bestimmt wird, ob es sich bei der erfaßten Marke um eine erste oder eine zweite Marke (M1, ..., M4) handelt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kontrastverteilung (K2) einen konvexen Verteilungsverlauf und die zweite Kontrastverteilung (K3) einen konkaven Verteilungsverlauf aufweisen.
Vorrichtung zur berührungsfreien Erfassung eines Bewegungsbetrags und einer Bewegungsrichtung (X) eines translatorisch oder rotierend bewegten Objekts (2), wobei – an dem Objekt (2) ein aus kontrastierenden Marken (M1, ..., M4) aufgebautes Markenmuster (1) angebracht ist, und – jede kontrastierende Marke (M1, ..., M4) eine bezüglich einer in Normalrichtung zu der Bewegungsrichtung orientierten Markenmittelachse (MM) asymmetrische Kontrastverteilung (K; K1, K2, K3) aufweist, mit – einer Lichtquelle (5), die ein ortsfestes Lichtbündel (6) auf das Markenmuster (1) richtet, – 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 zeitlichen Verlauf der erfaßten Größe repräsentierendes elektrisches Signal (10, S(t)) ausgibt, und – 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 Signalanteil (As+, As–) ein zweites, für die momentane Bewegungsrichtung repräsentatives Auswertesignal (14) ermittelt und ausgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (5) eine VCSEL ist und daß die asymmetrische Kontrastverteilung (K, K1, K2, K3) rampenförmig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (11, 12, 15, 17) einen Inkremental-/Dekremental-Zähler (15) enthält, dessen Zähleingang das erste Auswertesignal (13) zugeführt wird und dessen Zählrichtungseingang das zweite Auswertesignal (14) zugeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (11, 12, 15, 17) ferner einen Mikrocontroller (17) umfaßt, der ein Signal (21) ausgibt, das zur Steuerung eines die Bewegung des Objektes (2) beeinflussenden Antriebes (4) dient.
Vorrichtung nach Anspruch 9, 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.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, 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 Markenmuster (1) ein Transmissionsmuster ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, 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.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (5), der photoempfindliche Empfänger (9) und die Auswerteschaltung (11, 12, 15, 17) in einem gemeinsamen Modul untergebracht sind.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (5), der photoempfindliche Empfänger (9) und die Auswerteschaltung (11, 12, 15, 17) monolithisch auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat ausgebildet sind.
Computermaus mit einem Gehäuse und einer bodenseitig aus dem Gehäuse hervorstehenden, in alle Richtungen frei rotierbaren Laufkugel, und mit zwei an dem Gehäuse rotierbar gelagerten 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 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14 erfaßt wird.
Bedienvorrichtung zur mechanischen Eingabe von Informationen in ein elektronisches Gerät, die ein Drehstellglied umfaßt, dessen Drehwinkelstellung unter Einwirkung einer mechanischen Betätigungskraft veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rotationsbewegung des Drehstellglieds durch eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14 erfaßt wird.