DE202013003263U1 - Rotary position detection device - Google Patents

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Abstract

Drehpositionserfassungseinrichtung, die aufweist: ein Gehäuse mit einem Innenraum; eine Welle, die sich in den Gehäuseinnenraum erstreckt, wobei die Welle um eine Achse davon drehbar ist; eine Lichtquelle, die positioniert ist, um Lichtstrahlen in den Gehäuseinnenraum zu emittieren; eine Lichterfassungseinrichtung, die in einer zu der Lichtquelle beabstandeten Beziehung in dem Gehäuseinnenraum positioniert ist, wobei die Lichterfassungseinrichtung eine erste Anzahl segmentierter Lichtsensoren aufweist, die in Paaren um die Achse angeordnet sind, wobei jedes Paar ein „A”-Erfassungselement und ein „B”-Erfassungselement aufweist, wobei die Paare derart angeordnet sind, dass jedes „A”-Erfassungselement dem Umfang nach zwischen zwei „B”-Erfassungselementen positioniert ist und jedes „B”-Erfassungselement zwischen zwei „A”-Erfassungselementen positioniert ist; einen Lichtblocker, der zwischen der Lichterfassungseinrichtung und der Lichtquelle positioniert ist, wobei der Lichtblocker eine zweite Anzahl von opaken Elementen mit im Wesentlichen gleich großer Oberfläche, die mit der Welle drehbar sind, aufweist, wobei die zweite Anzahl gleich einer Hälfte der ersten Anzahl ist, wobei eine radiale Ausdehnung der Lichtblockerelemente kleiner als eine radiale Ausdehnung der Lichtsensoren ist; und eine Signalverbindung zu der Lichterfassungseinrichtung zum Messen einer Lichtmenge, die auf die segmentierten Lichtsensoren auftrifft, um auf diese Weise eine Drehposition der Welle zu messen.A rotational position detecting device comprising: a housing having an interior space; a shaft extending into the housing interior, the shaft being rotatable about an axis thereof; a light source positioned to emit light beams into the housing interior; a light sensing device positioned in spaced relation to the light source within the housing interior, the light sensing device including a first number of segmented light sensors arranged in pairs about the axis, each pair having an "A" sensing element and a "B" Sensing element, the pairs being arranged such that each "A" sensing element is positioned circumferentially between two "B" sensing elements and each "B" sensing element is positioned between two "A" sensing elements; a light blocker positioned between the light sensing device and the light source, the light blocker having a second number of opaque elements of substantially equal surface area rotatable with the shaft, the second number being equal to half the first number, wherein a radial extension of the light blocker elements is smaller than a radial extension of the light sensors; and a signal connection to the light detecting means for measuring an amount of light incident on the segmented light sensors so as to measure a rotational position of the shaft.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Diese Erfindung betrifftThis invention relates

Drehpositionserfassungseinrichtungen zum Anzeigen der Winkelposition einer Welle oder eines anderen sich drehenden Elements. Insbesondere betrifft diese Erfindung derartige Positionserfassungseinrichtungen, die bei optischen Abtasteinrichtungen auf Motor- und Galvanometerbasis verwendet werden.Rotational position detecting means for indicating the angular position of a shaft or other rotating member. More particularly, this invention relates to such position detectors used in motor and galvanometer based optical scanners.

Beschreibung der verwandten TechnikDescription of the Related Art

Drehpositionserfassungseinrichtungen haben viele Verwendungen, wie etwa das Erfassen der Position der Welle an einem Motor zum Zwecke der elektrischen Kommutierung. Eine andere Verwendung ist es, die Position einer Spannrolle in einem Magnetbandabspielgerät oder einer Bahndruckpresse zu dem Zweck des Aufrechterhaltens einer konstanten Spannung an dem Band oder Papier zu erfassen. Eine der jüngeren Verwendungen einer Drehpositionserfassungseinrichtung ist das Abtasten der Position des Beschleunigungs-(Gas-)Pedals in einem Automobil, das Elektromotoren als eine teilweise oder vollständige Einrichtung zum Antreiben der Räder verwendet.Rotary position detectors have many uses, such as sensing the position of the shaft on a motor for the purpose of electrical commutation. Another use is to detect the position of a tension roller in a magnetic tape player or web press for the purpose of maintaining a constant tension on the tape or paper. One of the recent uses of a rotational position detecting device is to sense the position of the acceleration (gas) pedal in an automobile using electric motors as a partial or complete means for driving the wheels.

Galvanometer-basierte optische Abtasteinrichtungen werden verwendet, um unbewegliche Eingangslichtstrahlen auf einen Zielbereich zu lenken. Diese Art von Abtasteinrichtung verwendet einen rotationsbegrenzten Motor, um einem optischen Element, wie etwa einem Spiegel, eine Drehbewegung zu verleihen. Normalerweise ist der Spiegel direkt auf die Ausgangswelle des Motors montiert. Eine Positionserfassungseinrichtung ist in dem Motor entweder nahe an der Ausgangswelle oder auf dem „hinteren” Abschnitt des Motors enthalten. Die Positionserfassungseinrichtung gibt normalerweise ein Strom- oder ein Spannungssignal aus, das proportional zu dem Relativwinkel der Motorwelle und somit relativ zu dem Winkel des Spiegels in Bezug auf den sich nicht bewegenden Eingangslichtstrahl ist.Galvanometer-based optical scanners are used to direct immobile input light beams to a target area. This type of scanner uses a rotation-limited motor to impart rotational motion to an optical element, such as a mirror. Normally, the mirror is mounted directly on the output shaft of the motor. A position detecting means is included in the engine either close to the output shaft or on the "rear" portion of the engine. The position detector normally outputs a current or voltage signal which is proportional to the relative angle of the motor shaft and thus relative to the angle of the mirror with respect to the non-moving input light beam.

Galvanometerbasierte optische Abtasteinrichtungen lenken einen Laserstrahl zu Markierungs-, Schneid- oder Anzeigezwecken, für welche die Positionierungsgenauigkeit und Wiederholbarkeit von entscheidender Bedeutung sein kann. Daher ist einer der Begrenzungsfaktoren für die Genauigkeit und die Wiederholbarkeit die Leistung der mit der optischen Abtasteinrichtung verwendeten Positionserfassungseinrichtung.Galvanometer-based optical scanners direct a laser beam for marking, cutting, or displaying purposes, for which positioning accuracy and repeatability can be critical. Therefore, one of the limiting factors of accuracy and repeatability is the performance of the position detecting device used with the optical pickup.

Idealerweise sollte die Drehpositionserfassungseinrichtung nur für den Drehwinkel der Welle der Abtasteinrichtung empfindlich sein. Da ein Spiegel direkt mit der Welle der Abtasteinrichtung verbunden ist, ist es der Drehwinkel der Welle, der die Richtung des austretenden Lichtstrahls vorgibt. Die axiale Bewegung und die radiale Bewegung wird die Zielposition des Lichtstrahls, der von dem Spiegel reflektiert wird, in der Regel nicht beeinflussen, und da es die Ziellichtstrahlposition ist, die für das Abtastsystem wichtig ist, sollte die Ausgabe der Positionserfassungseinrichtung die Zielposition anzeigen und unempfindlich für Dinge sein, welche diese Zielposition nicht beeinflussen, wie etwa axiale und radiale Bewegung. Die axiale Wellenbewegung kann als ein dynamisches Verhalten der Abtasteinrichtung auftreten. Wenn zum Beispiel der magnetische Aufbau der Abtasteinrichtung nicht perfekt ist, kann die Welle nach außen oder innen schwanken, wenn während einer starken Beschleunigung und Verlangsamung starke Stromimpulse in die Abtasteinrichtung eingespeist werden. Die radiale Bewegung der Abtasteinrichtung kann als ein Ergebnis von Lager-„rumpeln” oder Fehlern bei der Fertigung auftreten, welche ein kleines Maß an radialer Bewegung der Welle zulassen. Die radiale Wellenbewegung kann auch als ein dynamischer Effekt auftreten, wenn der Rotor nicht perfekt konzentrisch mit den Statorkomponenten ist oder wenn die Trägheitslast (Spiegel und Halterung), die an der Ausgangswelle angebracht ist, nicht perfekt im Gleichgewicht ist.Ideally, the rotational position detecting means should only be sensitive to the rotational angle of the shaft of the scanning device. Since a mirror is directly connected to the shaft of the scanner, it is the angle of rotation of the shaft, which dictates the direction of the exiting light beam. The axial motion and the radial motion will typically not affect the target position of the light beam reflected from the mirror, and since it is the target light beam position that is important to the scanning system, the output of the position detector should indicate the target position and be insensitive for things that do not affect that target position, such as axial and radial motion. The axial wave motion can occur as a dynamic behavior of the scanner. For example, if the magnetic structure of the scanner is not perfect, the wave may fluctuate outwardly or inwardly if strong current pulses are fed into the scanner during high acceleration and deceleration. The radial movement of the scanner may occur as a result of bearing "rumble" or manufacturing errors that allow a small amount of radial movement of the shaft. The radial wave motion can also occur as a dynamic effect if the rotor is not perfectly concentric with the stator components or if the inertial load (mirror and mount) attached to the output shaft is not perfectly balanced.

Eine Servosteuerung ist zwischen die Positionserfassungseinrichtung und den Motor geschaltet. Wenn die Positionserfassungseinrichtung als ein Ergebnis einer axialen oder radialen Wellenbewegung eine Ausgabe erzeugt, wird die Servosteuerung diese fehlgeleitete Ausgabe irrtümlicherweise als eine Änderung der Drehposition interpretieren, was zu einem Positionierungsfehler des Gesamtsystems führt. Aus diesem Grund wird eine perfekte Drehpositionserfassungseinrichtung nur als das Ergebnis der Drehbewegung eine Ausgabe erzeugen und wird keine Ausgabe als das Ergebnis einer axialen oder radialen Bewegung erzeugen.A servo control is connected between the position detecting device and the motor. If the position sensing device produces an output as a result of axial or radial shaft motion, the servo control will erroneously interpret this misdirected output as a change in rotational position, resulting in a positioning error of the overall system. For this reason, a perfect rotational position detecting device will only produce an output as the result of the rotational movement and will not produce any output as the result of an axial or radial movement.

Eine zusätzliche wünschenswerte Eigenschaft einer Drehpositionserfassungseinrichtung, insbesondere für Galvanometer-Abtasteinrichtungen, die mit analogen Servosystemen verwendet werden, umfasst das Merkmal, dass die Ausgangsspannung oder der Strom in Bezug auf den Drehwinkel linear sind. Nämlich sollte eine inkrementelle Änderung in der Wellendrehung eine ebenso inkrementelle Änderung in dem Ausgangssignal von der Positionserfassungseinrichtung erzeugen, wenngleich häufig ein kleiner Nichtlinearitätsgrad tolerierbar ist. Ferner sollte das Signal-Rausch-Verhältnis so hoch wie möglich sein.An additional desirable feature of a rotational position sensing device, particularly for galvanometer sensing devices used with analog servo systems, includes the feature that the output voltage or current is linear with respect to the rotational angle. Namely, an incremental change in the shaft rotation should produce an incremental change as well in the output signal from the position detector, although a small degree of nonlinearity is often tolerable. Furthermore, the signal-to-noise ratio should be as high as possible.

Es gibt mehrere Arten, die Position der Welle in einer optischen Abtasteinrichtung abzutasten. Zwei beliebte Arten von Positionserfassungseinrichtungen umfassen kapazitive Positionserfassungseinrichtungen und optische Positionserfassungseinrichtungen.There are several ways to scan the position of the shaft in an optical scanner. Two popular types of position detectors include capacitive position detectors and optical position detectors.

Kapazitive Positionserfassungseinrichtungen wurden in einigen der allerfrühsten Galvanometer-basierten optischen Abtasteinrichtungen verwendet. In einer bekannten Abtasteinrichtung ist eine rotierende dielektrische Flügelklappe mit der Welle der Abtasteinrichtung verbunden, und die Erfassungsplatten sind fest.Capacitive position detectors have been used in some of the very earliest galvanometer-based optical scanners. In a known scanning device, a rotating dielectric flap is connected to the shaft of the scanner, and the detection plates are fixed.

Optische Positionserfassungseinrichtungen kamen in jüngster Zeit als die Positionserfassungseinrichtung der Wahl auf dem Gebiet der Galvanometer-basierten optischen Abtastung auf. Typischerweise können optische Positionserfassungseinrichtungen klein gemacht werden und haben eine geringe Trägheit und können zu geringen Kosten hergestellt werden. Diese Eigenschaften machen optische Positionserfassungseinrichtungen für optische Abtasteinrichtungen, die in gewerblichen und Verbrauchermärkten angewendet werden, wünschenswert.Optical position detectors have recently come to be the position-sensing device of choice in the field of galvanometer-based optical scanning. Typically, optical position detectors can be made small and have low inertia and can be manufactured at low cost. These features make optical position detectors for optical scanners used in commercial and hypermarkets desirable.

Eine Art optischer Positionserfassungseinrichtungen ist eine „Schattenwurf”-Positionserfassungseinrichtung, bei der versucht wird, eine große Fläche von Lichtsensormaterial gleichmäßig zu beleuchten und durch einen Lichtblocker ein Schatten auf den Lichtsensor geworfen wird. Optische Positionserfassungseinrichtungen können Fotozellen als die Lichtsensoren verwenden. Diese Photozellen sind am häufigsten großflächige PIN-Fotodioden, und sie werden in der „photovoltaischen” Betriebsart verwendet, wobei durch die Fotozelle ein elektrischer Strom erzeugt und von einem Operationsverstärker verstärkt wird. Die Größe des elektrischen Stroms nimmt linear zu, wenn die Intensität des Lichts über der gesamten Fläche der Fotozelle linear zunimmt. Die Größe des elektrischen Stroms nimmt auch linear zu, wenn der beleuchtete Anteil der Fotozelle linear vergrößert wird, solange die Beleuchtung über die gesamte Fläche konstant ist. Das heißt, wenn Licht die Hälfte der Lichtsensorfläche beleuchtet und Licht auf die andere Hälfte der Lichtsensorfläche blockiert wird, wird der elektrische Strom, der ausgegeben wird, halb so groß wie die Größe dessen für eine vollständige Beleuchtung des Lichtsensors, was eine lineare Beziehung der Ausgabe der Positionserfassungseinrichtung zu der Flächenbeleuchtung der Fotozelle ergibt.One type of optical position detector is a "shadow cast" position detector which attempts to uniformly illuminate a large area of light sensor material and cast a shadow on the light sensor by a light blocker. Optical position detectors may use photocells as the light sensors. These photocells are most commonly large area PIN photodiodes, and are used in the "photovoltaic" mode of operation where an electric current is generated by the photocell and amplified by an operational amplifier. The magnitude of the electric current increases linearly as the intensity of the light increases linearly over the entire area of the photocell. The magnitude of the electric current also increases linearly when the illuminated portion of the photocell is linearly increased as long as the illumination is constant over the entire area. That is, when light illuminates half of the light sensor surface and light is blocked on the other half of the light sensor surface, the electric current that is output becomes half the size of that for complete illumination of the light sensor, resulting in a linear relationship of the output the position detection device results in the area illumination of the photocell.

Ungeachtet der Art der verwendeten Positionserfassungseinrichtung, kapazitiv oder optisch, wird angenommen, dass alle bekannten Positionserfassungseinrichtungen unter einem gemeinsamen Problem leiden: Sie geben alle ein Signal aus, das die relative Wellendrehung anzeigt, aber sie geben kein Signal aus, das die absolute Wellendrehung anzeigt. Das heißt, es ist unmöglich für die Servosteuerung, die Positionssignalspannung oder den Strom zu lesen und den präzisen mechanischen Winkel der Welle in absoluten Werten zu kennen. Dies liegt daran, dass die Ausgabe von den Fotozellen oder den kapazitiven Platten jeweils proportional zu dem von der LED erzeugten Licht oder dem von dem Oszillator erzeugten Signal ist. Wenn das Licht von der LED in dem Fall der optischen Positionserfassungseinrichtungen aufgrund von Umgebungsänderungen oder aufgrund einer Komponentenverschiebung zunimmt, wird die von den Fotozellen erzeugte Ausgabe proportional zunehmen. Diese proportionale Zunahme wird den Servo täuschen, so dass er glaubt, dass die Welle in einen größeren mechanischen Winkel gedreht wurde. Der Servo wird dann versuchen, dies zu kompensieren und einen Fehler erzeugen.Regardless of the type of position sensing device used, capacitive or optical, it is believed that all known position sensing devices suffer from a common problem: they all output a signal indicative of relative shaft rotation, but they do not output a signal indicative of absolute shaft rotation. That is, it is impossible for the servo controller to read the position signal voltage or the current and to know the precise mechanical angle of the shaft in absolute values. This is because the output from the photocells or capacitive plates is proportional to either the light generated by the LED or the signal generated by the oscillator. If the light from the LED increases in the case of the optical position detectors due to environmental changes or component shift, the output generated by the photocells will increase proportionally. This proportional increase will deceive the servo, so he believes the shaft has been turned to a larger mechanical angle. The servo will then try to compensate for this and generate an error.

Alle bekannten Positionserfassungseinrichtungen versuchen, dies unter Verwendung einer automatischen Verstärkungsregelungs-(AGC-)Schaltung, wie etwa in der Technik bekannt, zu korrigieren. In dem Fall der optischen Positionserfassungseinrichtungen wird das von allen Fotozellen empfangene Licht zusammen addiert, um eine „Gesamtlicht”-Signalspannung zu bilden. Diese „Gesamtlicht”-Spannung wird mit einer Referenzspannung verglichen, und es wird ein Fehlersignal erzeugt, das die LED ansteuert. Wenn abgetastet wird, dass das „Gesamtlicht” zugenommen hat, dann wird die Lichtausgabe durch die LED dazu gebracht, um eine entsprechende Größe abzunehmen, wodurch versucht wird, die Empfindlichkeit der Drehpositionserfassungseinrichtung über die Zeit aufrecht zu erhalten. Jedoch ist die Verwendung der AGC nur gut genug, um Probleme erster Ordnung zu korrigieren. Alle bekannten Positionserfassungseinrichtungen leiden aufgrund von Effekten zweiter Ordnung, wie etwa der Verschiebung der Referenzspannung selbst oder der Änderung der Rückkopplungswiderstände, die in den Operationsverstärkerschaltungen verwendet werden, unter der Positionsversatzverschiebung (eine Änderung dessen, was die Positionserfassungseinrichtung für die „absolute Null”-Gradposition der Welle hält) und der Positionsmaßstabsverschiebung (eine Änderung dessen, was die Positionserfassungseinrichtung in Form von Volt pro Grad anzeigt). Diese Änderungen treten mit der Zeit und der Temperatur auf.All known position detectors attempt to correct this using automatic gain control (AGC) circuitry, such as known in the art. In the case of the optical position detectors, the light received by all photocells is added together to form a "total light" signal voltage. This "total light" voltage is compared to a reference voltage and an error signal is generated which drives the LED. If it is sensed that the "total light" has increased, then the light output by the LED is made to decrease a corresponding magnitude, thereby attempting to maintain the sensitivity of the rotational position detecting means over time. However, the use of AGC is only good enough to correct first order problems. All known position detectors suffer from positional offset displacement (a change in what the absolute zero position sensor detects) due to second order effects such as the displacement of the reference voltage itself or the change in the feedback resistors used in the operational amplifier circuits Shaft holding) and the position scale shift (a change in what the position detector indicates in terms of volts per degree). These changes occur with time and temperature.

In der Vergangenheit wurden Versuche gemacht, um zusätzliche Signale an Drehpositionserfassungseinrichtungen bereitzustellen, die gewisse Absolutpositionen anzeigen. Auf einer wahlweisen oder automatischen Basis kann der Servo die Galvanometer-Abtasteinrichtung auf der Suche nach diesen zusätzlichen Signalen anwenden und sich somit über den absoluten Positionsmaßstab und Positionsversatz der Positionserfassungseinrichtung bewusst werden. Wenn es in einer kapazitiven Positionserfassungseinrichtung implementiert ist, hat dieses Verfahren mehrere parasitäre Probleme. Erstens sind kapazitive Positionssensoren sehr empfindlich für die Form der Plattenelemente. Platten mit Vorsprüngen oder Kerben werden aufgrund von Randeffekten, die als ein Ergebnis der Vorsprünge oder Kerben auftreten, eine beeinträchtigte Linearität haben. Randeffekte werden auch die Linearität beeinträchtigen, wenn zusätzliche kapazitive Platten verwendet werden. Die speziell geformte sich bewegende Flügelklappe ist teurer in der Herstellung, ob diese Technik bei einer optischen Positionserfassungseinrichtung oder bei einer kapazitiven Positionserfassungseinrichtung verwendet wird. Der vorherrschende Servo, der verwendet wird, um Galvanometerbasierte optische Abtasteinrichtungen zu steuern, war das PID-Servo-basierte System, das vollkommen aus anlogen Komponenten gefertigt ist (analoge Servos). Analoge Servosysteme wurden verwendet, weil sie relativ kostengünstig und relativ einfach sind und auch weil bisher digitale Servosysteme nicht die hohe Auflösung und die hohe Abtastrate erreichen können, die notwendig ist, um mit den schnellsten Galvanometer-Abtasteinrichtungen verwendbar zu sein. Um die schnellsten Galvanometer-Abtasteinrichtungen, die gegenwärtig auf dem Markt sind und Schritte in dem Sub-100-Mikrosekundenbereich erreichen, zu unterstützen, muss zusammen mit einer Abtastauflösung von 16 Bit eine Abtastrate von 200 kHz verwendet werden. Und aufgrund der benötigten vielen internen Rechenschritte sind Gleitpunktberechnungen äußerst wünschenswert. Bis in die jüngste Zeit war es unerschwinglich, eine Servosteuerung in einer digitalen Form mit dieser hohen Abtastrate und Auflösung zu implementieren. Jedoch mit dem kontanten Fortschritt, der auf technologischen Gebieten unweigerlich stattfindet, werden nun digitale Signalprozessoren (DSPs) und Analog-Digital-(A/D-)Wandler mit ausreichender Geschwindigkeit und zu vernünftigen Kosten verfügbar, was dazu beitragen wird, eine Verschiebung von analogen Servos zu DSP-basierten Servos für die Verwendung mit Galvanometer-Abtasteinrichtungen zu bewirken.Attempts have been made in the past to provide additional signals to rotational position detectors which indicate certain absolute positions. On an optional or automatic basis, the servo can apply the galvanometer scanner in search of these additional signals, and thus on the absolute position scale and position offset of the position detector be aware. When implemented in a capacitive position detector, this method has several parasitic problems. First, capacitive position sensors are very sensitive to the shape of the plate elements. Plates with protrusions or notches will have impaired linearity due to edge effects that occur as a result of the protrusions or notches. Edge effects will also affect linearity if additional capacitive plates are used. The specially shaped moving wing flap is more expensive to manufacture, whether this technique is used in an optical position detecting device or in a capacitive position detecting device. The predominant servo used to control galvanometer-based optical scanners was the PID servo-based system, which is made entirely of analog components (analog servos). Analog servo systems have been used because they are relatively inexpensive and relatively simple and also because digital servo systems so far can not achieve the high resolution and high sampling rate necessary to be usable with the fastest galvanometer scanners. In order to support the fastest galvanometer scanners currently on the market and achieving steps in the sub-100 microsecond range, a sample rate of 200 kHz must be used along with a 16 bit sample resolution. And due to the many internal computation steps required, floating point calculations are highly desirable. Until recently, it has been unaffordable to implement servo control in a digital form with this high sampling rate and resolution. However, with the continual advances inevitably taking place in technological fields, digital signal processors (DSPs) and analog-to-digital (A / D) converters are now becoming available at a reasonable speed and at a reasonable cost, which will contribute to a shift in analogue Servos to DSP based servos for use with galvanometer scanners.

In analogen Servos wird typischerweise eine relativ große Anzahl von Potentiometern verwendet, um den Servo für die optimale Leistung „abzustimmen”. Diese Potentiometer stellen eine Anzahl von Servoparametern einschließlich der Servoverstärkung, der Dämpfung, der Kerbfilterfrequenz, der Kerbfiltertiefe, der Eingangsverstärkung, des Eingangsversatzes, etc. ein. Es gibt typischerweise auch zwei zusätzliche Potentiometer, um den Positionsmaßstab und den Positionsversatz der Positionserfassungseinrichtung einzustellen. Obwohl diese letzten beiden im strengsten Sinn keine Servoparameter sind, beeinflussen sie gewiss die Servoleistung und Genauigkeit. Alle diese Potentiometer müssen von Menschen manuell eingestellt oder „abgestimmt” werden. Typischerweise wird diese Abstimmung in der Fabrik vorgenommen, aber manchmal ist eine weitere Abstimmung im Einsatz erforderlich. Da Ingenieure nicht die Endanwender von Systemen mit Galvanometer-Abtasteinrichtungen sein müssen, kann jede Abstimmung außerhalb der Fabrik zu einem suboptimalen Betrieb führen.In analog servos, a relatively large number of potentiometers are typically used to "tune" the servo for optimal performance. These potentiometers adjust a number of servo parameters including servo gain, attenuation, notch filter frequency, notch depth, input gain, input offset, etc. There are also typically two additional potentiometers to adjust the position scale and the positional offset of the position detector. Although these last two are not servo parameters in the strictest sense, they certainly affect servo performance and accuracy. All of these potentiometers must be manually adjusted or "tuned" by humans. Typically, this tuning is done in the factory, but sometimes further tuning is required in the field. Since engineers do not have to be the end users of systems with galvanometer scanners, any off-factory tuning can result in suboptimal operation.

Die Verschiebung in Richtung DSP-basierter Servosysteme wird die Notwendigkeit aller dieser Einstellpotentiometer vermeiden, weil Servoparameter, wie etwa die Servoverstärkung, die Dämpfung, die Kerbfilterfrequenz, etc. durch Algorithmuskonstanten festgelegt werden. Diese Algorithmuskonstanten können von Menschen in einer ähnlichen Weise „abgestimmt” werden, die zu den Potentiometereinstellungen führte, indem lediglich eine Benutzerschnittstelle zum Vornehmen der Einstellungen verwendet wird, oder alternativ können diese Algorithmuskonstanten durch einen intelligenten Abstimmalgorithmus automatisch abgestimmt werden. Dies ist möglich, weil fast alle Informationen über das Abtastsystem lediglich durch Anwenden der Abtasteinrichtung und Beobachten, was mit dem Positionssignal passiert, herausgefunden werden können. Zum Beispiel kann die Drehmomentkonstante der Abtasteinrichtung durch Beobachten der elektromotorischen Gegenkraft (Gegen-EMF) der Abtasteinrichtung abgeleitet werden. In Begriffen des Maschineningenieurwesens KT = KE. Das heißt, die Dynzentimeter des Drehmoments pro Ampere sind direkt proportional zu den Motor-Gegen-EMF-Volt pro Grad pro Sekunde. Wenn der Servo die Bewegung der Abtasteinrichtung erzeugt und die „Grade pro Sekunde” und die Motor-Gegen-EMF messen kann, dann kann der Servo folglich die präzise Drehmomentkonstante (KT) der Abtasteinrichtung ableiten.The shift toward DSP-based servo systems will eliminate the need for all of these tuning potentiometers because servo parameters such as servo gain, attenuation, notch filter frequency, etc. are determined by algorithm constants. These algorithm constants may be "tuned" by humans in a similar manner that resulted in the potentiometer settings by merely using a user interface to make the adjustments, or alternatively, these algorithm constants may be automatically tuned by an intelligent tuning algorithm. This is possible because almost all information about the scanning system can only be found by applying the scanner and observing what happens to the position signal. For example, the torque constant of the scanner may be derived by observing the back electromotive force (back EMF) of the scanner. In terms of mechanical engineering KT = KE. That is, the torque-per-ampule dynes are directly proportional to the motor back EMF volts per degree per second. Thus, if the servo generates the movement of the scanner and can measure the "per second" and the motor back EMF, then the servo can derive the precise torque constant (KT) of the scanner.

Wenn die KT einmal bekannt ist, könnte der Servo als nächstes eine kurze Zeit lang einen Impuls mit bekanntem Strom anlegen und die Winkelbeschleunigung, die sich ergibt, messen, und somit kann der Servo die Systemträgheit (J) des Rotors, des Spiegels und der Positionserfassungseinrichtung herausfinden, da die Kraft gleich Masse mal Beschleunigung ist. Daher ist die Trägheit gleich KT geteilt durch die Beschleunigung.Once the KT is known, the servo could next apply a pulse of known current for a short time and measure the angular acceleration that results, and thus the servo can sense the system inertia (J) of the rotor, mirror, and position detector Find out because the force equals mass times acceleration. Therefore, the inertia is equal to KT divided by the acceleration.

Als nächstes könnte der Servo eine Lichtschleife um die Abtasteinrichtung schlingen und einen Bodeplot ausführen, wodurch alle Systemresonanzen deutlich gemacht werden. Mit diesen Informationen könnte der Servo alle Konstanten für die Pole und Nullen der Kerb- und Bi-Quad-Filter festlegen.Next, the servo could loop a light loop around the scanner and execute a bottom plot, thereby making all system resonances clear. With this information, the servo could set all the constants for the poles and zeros of the notch and bi-quad filters.

Wenn die Drehmomentkonstante, die Systemträgheit und die Systemresonanzen alle bekannt sind, könnten alle Servoparameter leicht sekundenschnell mit digitaler Präzision festgelegt werden, wobei die absolut maximale Leistung von der Abtasteinrichtung und dem Servosystem erreicht wird. Damit jedoch all dies eintritt, benötigt der Servo eine wesentliche Information. Der Servo muss den „Positionsmaßstab” kennen. Das heißt, der Servo muss zuerst die Volt pro Grad von der Positionserfassungseinrichtung kennen.If the torque constant, system inertia, and system resonances are all known, then all servo parameters could easily be set in seconds with digital precision, the absolute maximum power is achieved by the scanner and the servo system. However, for all this to happen, the servo needs substantial information. The servo must know the "position scale". That is, the servo must first know the volts per degree from the position detector.

Wie bereits früher mit bekannten Positionserfassungseinrichtungen diskutiert, ist es unmöglich, dass Servos den Positionsmaßstab mit absoluter Sicherheit kennen; so ist es unmöglich, einen digitalen Servo herzustellen, der sich vollständig selbst abstimmt. Bis jetzt haben Hersteller von Abtasteinrichtungen dieses Problem umgangen, indem sie kleine Speicherchips in die Abtasteinrichtung gesteckt haben. Ein digitaler Servo konnte diesen Speicherchip lesen, und dieser Speicherchip wird in der Fabrik mit Informationen einschließlich der Drehmomentkonstanten, dem Positionsmaßstab und dem Positionsversatz und anderen Informationen über die Abtasteinrichtung vorprogrammiert. Das Problem bei diesem Ansatz ist, dass diese Parameter sich mit der Zeit ändern können. Die Drehmomentkonstante der Abtasteinrichtung hängt von dem Magnetismus des Rotors (oder anderer Komponenten der Abtsteinrichtung) ab, und dieser Magnetismus ändert sich sicherlich mit der Temperatur, und kann, sich, wenn die Abtasteinrichtung missbraucht oder überhitzt wird, auch mit der Zeit ändern. Komponenten der Positionserfassungseinrichtung ändern sich aufgrund der Komponentenverschiebung und auch aufgrund der Temperatur und anderer Umgebungseffekte auch mit der Zeit.As discussed earlier with known position sensing devices, it is impossible for servos to know the position scale with absolute certainty; so it is impossible to make a digital servo that tunes itself completely. So far, scanner manufacturers have circumvented this problem by plugging small memory chips into the scanner. A digital servo could read this memory chip and this memory chip is pre-programmed in the factory with information including torque constants, position scale and position offset, and other information about the scanner. The problem with this approach is that these parameters may change over time. The torque constant of the scanner depends on the magnetism of the rotor (or other components of the defrosting direction), and this magnetism certainly changes with temperature and, as the scanner is abused or overheated, may also change over time. Components of the position detecting device also change with time due to the component displacement and also due to temperature and other environmental effects.

Daher wäre es günstig, eine Drehpositionserfassungseinrichtung mit einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis bereitzustellen, und auch absolute Positionsgenauigkeit bereitzustellen.Therefore, it would be beneficial to provide a rotational position detecting device with an improved signal-to-noise ratio, and also to provide absolute positional accuracy.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Die aktuelle Erfindung ist auf eine optische Positionserfassungseinrichtung ausgerichtet und stellt Ausführungsformen bereit, die den Betrieb mit niedriger Trägheit umfassen und mit kleinen optischen Abtasteinrichtungen verwendet werden können. Überdies stellen Ausführungsformen der Erfindung ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis bereit und können wahlweise absolute Positionsgenauigkeit bereitstellen.The current invention is directed to an optical position detector and provides embodiments that include low inertia operation and that can be used with small optical scanners. Moreover, embodiments of the invention provide an improved signal-to-noise ratio and can optionally provide absolute positional accuracy.

Hier wird eine Drehpositionserfassungseinrichtung bereitgestellt, die ein Gehäuse mit einem Innenraum aufweisen kann, der durch eine Innenwand definiert wird. Eine Lichtquelle ist positioniert, um von seinem Boden Lichtstrahlen in den Innenraum des Gehäuses zu emittieren. Ein Sockel ist in dem Innenraum des Gehäuses positioniert.Here, a rotational position detecting device is provided which may include a housing having an inner space defined by an inner wall. A light source is positioned to emit light rays from its bottom into the interior of the housing. A socket is positioned in the interior of the housing.

Eine Lichterfassungsanordnung ist in dem Innenraum des Gehäuses positioniert und weist eine erste Anzahl von Lichtsensoren auf, die auf dem Sockel positioniert und in Paaren um eine Achse einer Motorwelle angeordnet sind. Jedes Paar weist ein „A”-Erfassungselement und ein „B”-Erfassungselement auf. Die Paare sind derart angeordnet, dass jede „A”-Erfassungseinrichtung dem Umfang nach zwischen zwei „B”-Erfassungseinrichtungen positioniert ist und jede „B”-Erfassungseinrichtung zwischen zwei „A”-Erfassungseinrichtungen positioniert ist. Der Begriff „Lichtsensor” soll hier einen Bereich mit lichtempfindlichem Material bedeuten.A light detection assembly is positioned in the interior of the housing and includes a first plurality of light sensors positioned on the pedestal and disposed in pairs about an axis of a motor shaft. Each pair has an "A" detection element and a "B" detection element. The pairs are arranged such that each "A" detector is positioned circumferentially between two "B" detectors and each "B" detector is positioned between two "A" detectors. The term "light sensor" is intended to mean an area of photosensitive material here.

Eine Lichtblocker ist zur Drehung mit der Motorwelle über der Lichtquelle in dem Innenraum des Gehäuses im Wesentlichen zwischen der Lichtquelle und der Lichterfassungsanordnung befestigt. Der Lichtblocker kann eine zweite Anzahl opaker, undurchsichtiger und/oder lichtundurchlässiger Elemente mit im Wesentlichen gleich großen Oberflächen um die Motorwellenachse herum angeordnet haben. Die zweite Anzahl ist gleich einer Hälfte der ersten Anzahl. Folglich werden die Lichtstrahlen, die von der Lichtquelle ausgehen, die nicht von dem Lichtblocker blockiert werden, die Lichterfassungsanordnung erreichen, und Lichtstrahlen, die von dem Lichtblocker blockiert werden, werden von der Lichterfassungseinrichtung nicht empfangen.A light blocker is mounted for rotation with the motor shaft above the light source in the interior of the housing substantially between the light source and the light detection assembly. The light blocker may have a second number of opaque, opaque, and / or opaque elements having substantially equal sized surfaces disposed about the motor shaft axis. The second number is equal to one half of the first number. Consequently, the light rays emanating from the light source which are not blocked by the light blocker will reach the light detection device, and light rays blocked by the light blocker will not be received by the light detection device.

Eine Signalverbindung zwischen den Lichterfassungselementen und einer Schaltung zum Messen eines Signals von den „A”-Erfassungseinrichtungen und den „B”-Erfassungseinrichtung, das sich auf eine Menge an darauf einfallendem Licht bezieht, wird bereitgestellt. Eine Differenz zwischen dem „A”-Erfassungseinrichtungssignal und dem „B”-Erfassungseinrichtungssignal wird auf eine Winkelposition der Motorwelle bezogen.A signal connection between the light detecting elements and a circuit for measuring a signal from the "A" detecting means and the "B" detecting means relating to an amount of light incident thereon is provided. A difference between the "A" detection signal and the "B" detection signal is related to an angular position of the motor shaft.

Gemäß Aspekten kann sich die vorliegende Erfindung auf eine Drehpositionserfassungseinrichtung beziehen, die ein Gehäuse mit einem Innenraum hat, der ein reflektierendes Element aufweist. Eine Lichtquelle emittiert Lichtstrahlen nach oben. Ein Sockel hält eine Lichterfassungsanordnung mit einer ersten Anzahl ringförmiger, in Sektoren angeordneter Lichterfassungseinrichtungen, die in Paaren um eine Motorwellenachse angeordnet sind, wobei ein „A”-Erfassungselement und ein „B”-Erfassungselement alternierend vorgesehen sind. Ein Lichtblocker ist zwischen der Lichtquelle und den Lichterfassungseinrichtungen positioniert und rotiert mit der Welle. Der Lichtblocker weist eine zweite Anzahl opaker, undurchsichtiger und/oder lichtundurchlässiger Elemente mit gleicher Oberflächengröße auf, die um die Achse angeordnet sind, wobei die zweite Anzahl gleich der Hälfte der ersten Anzahl ist. Ein Schaltkreis misst ein Signal von den „A” und „B” Erfassungselementen, das mit einer Lichtmenge in Bezug steht, die auf diese fällt, wobei ein Unterschied mit der Winkelposition der Welle korreliert.In aspects, the present invention may relate to a rotational position detection device having a housing with an interior having a reflective element. A light source emits light rays upwards. A pedestal holds a light detection assembly having a first number of annular sectored light detectors arranged in pairs about a motor shaft axis, with an "A" detection element and a "B" detection element alternately provided. A light blocker is positioned between the light source and the light detection devices and rotates with the shaft. The light blocker comprises a second number of opaque, opaque and / or opaque elements having the same surface area disposed about the axis, the second number being equal to one-half of the first number. A circuit measures a signal from the "A" and "B" detection elements related to a quantity of light which falls on them, with a difference correlated with the angular position of the shaft.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Merkmale, welche Ausführungsformen der Erfindung, sowohl was die Organisation als auch das Betriebsverfahren anbetrifft, zusammen mit weiteren Aufgaben und Vorteilen davon kennzeichnen, werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen verwendet besser verstanden. Es versteht sich ausdrücklich, dass die Zeichnungen zu Veranschaulichungs- und Beschreibungszwecken sind und nicht als eine Definition der Grenzen der Erfindung gedacht sind. Diese und andere von der vorliegenden Erfindung erreichten Aufgaben und angebotenen Vorteile werden vollständiger offensichtlich, wenn die nun folgende Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gelesen wird, wobei:Features which characterize embodiments of the invention, both as to the organization and method of operation, together with further objects and advantages thereof, will be better understood from the following description taken in conjunction with the accompanying drawings. It is to be expressly understood that the drawings are for purposes of illustration and description and are not intended as a definition of the limits of the invention. These and other objects and advantages offered by the present invention will become more fully apparent when the following description is read in conjunction with the accompanying drawings, in which:

1 eine seitliche Perspektivansicht einer Ausführungsform einer optischen Positionserfassungseinrichtung ist, wobei das Gehäuse in einer Schnittansicht gezeigt ist; 1 is a side perspective view of an embodiment of an optical position detecting device, wherein the housing is shown in a sectional view;

2 eine seitliche Perspektivansicht einer anderen Ausführungsform der optischen Positionserfassungseinrichtung der aktuellen Erfindung ist, wobei der Lichtblocker durch ein unteres Ende der Motorwelle ausgebildet ist und die Lichtsensoren rechteckig sind, wobei das Gehäuse in einer Schnittansicht dargestellt ist; 2 is a side perspective view of another embodiment of the optical position detecting device of the current invention, wherein the light blocker is formed by a lower end of the motor shaft and the light sensors are rectangular, wherein the housing is shown in a sectional view;

3 eine obere Draufsicht einer Ausführungsform des Positionssensors der aktuellen Erfindung mit den Leiterplatten, ringförmigen Lichtsensoren und Lichtblocker ist, wobei ein Lichtblocker dargestellt ist, der viel kleiner als der Außendurchmesser der Lichtsensoren ist; 3 Figure 11 is a top plan view of one embodiment of the present invention position sensor with the circuit boards, annular light sensors and light blocker, showing a light blocker much smaller than the outer diameter of the light sensors;

4 eine obere Draufsicht einer Beziehung zwischen Lichtblockerelementen und Lichtsensoren darstellt, wobei gestrichelte Linien zeigen, wo einzelne Lichtsensorelemente in Bezug auf den Lichtblocker angeordnet sind; 4 Figure 11 is a top plan view of a relationship between light blocking elements and light sensors, with broken lines showing where individual light sensor elements are located with respect to the light blocker;

5A und 5B jeweils obere/seitliche und untere Perspektivansichten einer alternativen Ausführungsform des Lichtblockers, der becherförmig ist, darstellen; 5A and 5B respectively show top / side and bottom perspective views of an alternative embodiment of the light blocker which is cup-shaped;

6 und 6A obere/seitliche Ansichten weiterer Lichtblockerausführungsformen darstellen; 6 and 6A represent top / side views of other light blocker embodiments;

7 und 7A jeweils teilweise obere Drauf- und perspektivische Ansichten einer Leiterplatte und rechteckiger Lichtsensoren einer anderen Ausführungsform der aktuellen Erfindung sind; 7 and 7A each are partial top plan and perspective views of a printed circuit board and rectangular light sensors of another embodiment of the current invention;

8 eine graphische Darstellung des Ausgabesignals von den „A”- und „B”-Paaren der Lichtsensoren zusammen mit der zusammengesetzten „A minus B”-Ausgabe ist, wobei dargestellt ist, dass die zusammengesetzte Ausgabe linear ist, bis das „A”-Paar oder „B”-Paar von Lichtsensoren vollkommen unbedeckt ist; danach stellt die Positionserfassungseinrichtung immer noch eine Ausgabe, aber mit verringerter Änderungsrate bereit; 8th Figure 5 is a graphical representation of the output signal from the "A" and "B" pairs of the light sensors along with the composite "A minus B" output, illustrating that the composite output is linear until the "A" pair or "B" pair of light sensors is completely uncovered; after that, the position detecting means still provides an output but with a reduced rate of change;

9 eine Ausführungsform der Lichtsensorelement-Anschlussmöglichkeit darstellt, um Ausgangssignale bereitzustellen, wobei diametral gegenüberliegende Lichtsensorelemente verbunden sind und nur zwei Ausgaben bereitgestellt werden; und 9 FIG. 5 illustrates one embodiment of the light sensor element connectivity to provide output signals with diametrically opposed light sensor elements connected and providing only two outputs; FIG. and

10 eine andere Ausführungsform der Lichtsensorelement-Anschlussmöglichkeit darstellt, um Ausgangssignale bereitzustellen, wobei die Ausgabe jedes Lichtsensorelements direkt verwendet wird, ohne dass eine Verbindung zu anderen Lichtsensorelementen hergestellt wird. 10 Fig. 10 illustrates another embodiment of the light sensor element connectivity to provide output signals, wherein the output of each light sensor element is used directly without connecting to other light sensor elements.

Detaillierte Beschreibung der AusführungsformenDetailed description of the embodiments

Die vorliegende Erfindung wird hier nachstehend nun ausführlicher unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen Ausführungsformen der Erfindung gezeigt sind. Wenn nicht anders definiert, haben alle hier verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe die gleiche Bedeutung wie gewöhnlich von jemandem mit gewöhnlichen Kenntnissen der Technik, auf welche sich diese Erfindung bezieht, verstanden wird. Wenngleich Verfahren und Materialien ähnlich oder äquivalent den hier beschriebenen in der Praxis oder beim Testen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, werden nachstehend geeignete Verfahren und Materialien beschrieben. Jegliche Veröffentlichungen, Patentanmeldungen, Patente oder andere hier erwähnte Quellen sind in ihrer Gesamtheit per Referenz eingebunden. Im Widerspruchsfall gilt die vorliegende Spezifikation einschließlich aller Definitionen. Außerdem sind die angegebenen Materialien, Verfahren und Beispiele lediglich von veranschaulichendem Wesen und sollen nicht einschränkend sein. Folglich kann diese Erfindung in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden und sollte nicht als auf die hier dargelegten dargestellten Ausführungsformen beschränkt ausgelegt werden. Vielmehr sind diese dargestellten Ausführungsformen bereitgestellt, so dass diese Offenbarung gründlich und vollständig sein wird und den Schutzbereich der Erfindung für Fachleute der Technik vollständig ausdrücken wird. Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich.The present invention will now be described more fully hereinafter with reference to the accompanying drawings, in which embodiments of the invention are shown. Unless defined otherwise, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Although methods and materials similar or equivalent to those described herein can be used in the practice or testing of the present invention, suitable methods and materials are described below. Any publications, patent applications, patents or other sources mentioned herein are incorporated by reference in their entirety. In the case of contradiction the present specification including all definitions applies. In addition, the specified materials, methods and examples are merely illustrative and are not intended to be limiting. Thus, this invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the illustrated embodiments set forth herein. Rather, these illustrated embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Other features and advantages of the invention will become apparent from the following detailed description.

Die hier für eine optische Positionserfassungseinrichtung gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung beschriebene Ausführungsform verwendet ein Schattenwurfverfahren. Die einzelnen Elemente dieser Positionserfassungseinrichtung sind im Vergleich zu anderen bekannten optischen Positionserfassungseinrichtungen verbessert, wobei sie unter dem Standpunkt der Positionsgenauigkeit und auch unter dem Standpunkt des Signal-Rausch-Verhältnisses verbesserte Ergebnisse liefern. Überdies lassen einige Ausführungsformen dieser Positionserfassungseinrichtung basierend auf der Fähigkeit der Positionserfassungseinrichtung, anzuzeigen, wann sie gewisse Winkelbedingungen erreicht hat, eine absolute Positionsbestimmung zu.The here for an optical position detecting device according to the teachings of The present invention uses a shadow casting method. The individual elements of this position detecting device are improved in comparison with other known optical position detecting devices, providing improved results from the standpoint of positional accuracy and also from the standpoint of signal-to-noise ratio. Moreover, some embodiments of this position sensing device allow for absolute position determination based on the ability of the position sensing device to indicate when it has reached certain angular conditions.

Ausführungsformen der Erfindung werden hier anfänglich unter Bezug auf 1 und 2 für eine Drehpositionserfassungseinrichtung 10 und eine alternative Ausführungsform der Erfassungseinrichtung 10A beschrieben, wobei jede ein Gehäuse 12 mit einem Innenraum 14 aufweist. Eine Welle 16, die um eine Achse 18 drehbar ist, erstreckt sich in den Gehäuseinnenraum 14. Eine Lichtquelle 20 ist positioniert, um Lichtstrahlen 22 in den Gehäuseinnenraum 14 zu emittieren. Eine Lichtquelle 20 ist positioniert, um Lichtstrahlen 22 in den Gehäuseinnenraum 14 zu emittieren. Eine Lichterfassungseinrichtung 24 ist in dem Gehäuseinnenraum 14 in einer beabstandeten Beziehung zu der Lichtquelle 22 positioniert. Die Lichterfassungseinrichtung 24 weist eine erste Anzahl segmentierter Lichtsensoren 26, 27 auf, die in Paaren 28, 30 um die Achse 18 angeordnet sind. Jedes Paar 28, 30 weist ein „A”-Erfassungselement 26A, 27A und ein „B”-Erfassungselement 26B, 27B auf, wobei die Paare 28, 30 derart angeordnet sind, dass jedes „A”-Erfassungselement dem Umfang nach zwischen zwei „B”-Erfassungselementen positioniert ist und jedes „B”-Erfassungselement zwischen zwei „A”-Erfassungselementen positioniert ist. Ein Lichtblocker 32 ist zwischen der Lichterfassungseinrichtung 24 und der Lichtquelle 20 positioniert. Der Lichtblocker 32 weist eine zweite Anzahl von opaken, undurchsichtigen und/oder lichtundurchlässigen Lichtblockerelementen 34 mit im Wesentlichen gleich großen Oberflächen auf, die mit der Welle 16 drehbar sind. Die zweite Anzahl von Lichtblockerelementen 34 ist gleich einer Hälfte der ersten Anzahl von segmentierten Lichtsensoren 26, wobei eine radiale Ausdehnung 36 der Lichtblockerelemente 34 kleiner als eine radiale Ausdehnung 38 der Lichtsensoren 26, 27 ist. Wie in diesem Abschnitt detaillierter beschrieben wird, wird eine Signalverbindung 40 mit der Lichterfassungseinrichtung 24 zum Messen einer Menge an Licht, die auf die segmentierten Lichtsensoren 26, 27 auftrifft, und somit zum Messen einer Drehposition der Welle 16 bereitgestellt.Embodiments of the invention will be described initially with reference to FIG 1 and 2 for a rotational position detecting device 10 and an alternative embodiment of the detection device 10A each described a housing 12 with an interior 14 having. A wave 16 around an axis 18 is rotatable extends into the housing interior 14 , A light source 20 is positioned to light rays 22 in the housing interior 14 to emit. A light source 20 is positioned to light rays 22 in the housing interior 14 to emit. A light detection device 24 is in the housing interior 14 in a spaced relationship to the light source 22 positioned. The light detection device 24 has a first number of segmented light sensors 26 . 27 on that in pairs 28 . 30 around the axis 18 are arranged. Every couple 28 . 30 has an "A" detection element 26A . 27A and a "B" detection element 26B . 27B on, with the pairs 28 . 30 are arranged such that each "A" detection element is positioned circumferentially between two "B" detection elements and each "B" detection element is positioned between two "A" detection elements. A light blocker 32 is between the light detection device 24 and the light source 20 positioned. The light blocker 32 has a second number of opaque, opaque and / or opaque light blocking elements 34 with substantially equal sized surfaces, with the shaft 16 are rotatable. The second number of light blocking elements 34 is equal to one half of the first number of segmented light sensors 26 wherein a radial extent 36 the light blocking elements 34 smaller than a radial extent 38 the light sensors 26 . 27 is. As will be described in more detail in this section, a signal connection will be made 40 with the light detection device 24 for measuring an amount of light incident on the segmented light sensors 26 . 27 impinges, and thus for measuring a rotational position of the shaft 16 provided.

Die hier beschriebene Ausführungsform wird weiterhin unter Bezug auf 1 und 2 beispielhaft in dem Kontext ihrer Verwendung in einer Motor- oder Galvanometer-Abtasteinrichtung beschrieben, wenngleich dies nicht als eine Einschränkung beabsichtigt ist. Das Gehäuse 12 ist geeignet, die Sensorkomponenten aufzunehmen und unerwünschte Lichtstrahlen aus der Umgebung zu absorbieren und auch um die Welle 16 in einer bestimmten Ausführungsform direkt oder indirekt mit einem Motor 42 zu verbinden. Das Gehäuse 12 kann zum Beispiel spritzgegossenen Kunststoff oder maschinell bearbeitetes Metall aufweisen, wenngleich dies nicht als eine Einschränkung beabsichtigt ist.The embodiment described herein will be further described with reference to FIG 1 and 2 by way of example in the context of its use in a motor or galvanometer scanner, although not intended as a limitation. The housing 12 is suitable for picking up the sensor components and absorbing unwanted light rays from the environment and also around the shaft 16 in a particular embodiment, directly or indirectly with an engine 42 connect to. The housing 12 For example, although not intended as a limitation, it may include injection-molded plastic or machined metal.

Die Lichtquelle 20 erzeugt vorzugsweise ein im Wesentlichen dem Umfang nach gleichmäßiges Lichtfeld, wobei die Lichtstrahlen 22 in Richtung der mehreren Lichtsensoren 26, 27 gelenkt werden, die zum Beispiel ringsektorförmige Elemente aufweisen können, die, wie unter Bezug auf die Erfassungseinrichtung 10 von 1 dargestellt, in einer Ebene 44 angeordnet sind, die im Allgemeinen senkrecht zu der rotierenden Welle 16 ist. Die Lichtsensoren 26, 27 können, wie unter Bezug auf 1 dargestellt, auf Chips 46A, 46B von Lichterfassungseinrichtungen gefertigt werden, oder können, wie unter Bezug auf 2 dargestellt, getrennt sein und auf eine Leiterplatte 48 montiert werden. Die Lichterfassungseinrichtung 24 ist auf der gleichen Seite des Motors 42 wie die Lichtquelle 20 positioniert, ist aber von der Lichtquelle beabstandet, wobei der Lichtblocker 32 zwischen der Lichtquelle und den Lichtsensorelementen 26A, 26B, 27A, 27B angeordnet ist.The light source 20 preferably produces a substantially circumferentially uniform light field, the light rays 22 in the direction of the multiple light sensors 26 . 27 may be directed, for example, having annular sector-shaped elements, as with respect to the detection device 10 from 1 shown in one plane 44 are arranged, which are generally perpendicular to the rotating shaft 16 is. The light sensors 26 . 27 can, as with respect to 1 shown on chips 46A . 46B be manufactured by light sensing devices, or can, as with reference to 2 shown, be separated and on a circuit board 48 to be assembled. The light detection device 24 is on the same side of the engine 42 like the light source 20 positioned, but is spaced from the light source, wherein the light blocker 32 between the light source and the light sensor elements 26A . 26B . 27A . 27B is arranged.

Wie hier beispielhaft für die Erfassungseinrichtung 10 unter Bezug auf 1 beschrieben, weist der Lichtblocker 32 die Elemente 34 auf, die als im Allgemeinen kuchenförmige Vorsprünge 34A, 34B ausgebildet sind, und trennt die Lichtstrahlen 22 periodisch, so dass sie gewisse Bereiche der Lichtsensorelemente 26A, 26B, 27A, 27B nicht erreichen, indem sie einen Schatten über die Sensoren werfen.As here exemplary for the detection device 10 with reference to 1 described, points the light blocker 32 the Elements 34 which, as generally cake-shaped projections 34A . 34B are formed, and separates the light beams 22 periodically, allowing them certain areas of the light sensor elements 26A . 26B . 27A . 27B can not reach by casting a shadow over the sensors.

Der hier beispielhaft beschriebene Lichtblocker 12 ist betriebsfähig mit der Welle 16 verbunden. Die von dem Motor 42 angetriebene Drehung der Welle 16 bewirkt, dass der Lichtblocker 32 sich dreht. Wenn die Beleuchtungsflächen einiger Lichtsensorelemente 26A, 26B, 27A, 27B zunehmen (wenn weniger der Lichtsensorfläche unter einem Schatten ist), nimmt ein Ausgangssignal von den Lichtsensoren ebenfalls zu. Gleichzeitig und um die gleiche Größe wie die beleuchteten Flächen anderer Lichtsensorelemente 26A, 26B, 27A, 27B abnehmen (wenn mehr der Sensorfläche unter einem Schatten ist), nimmt das Ausgangssignal von diesen Lichtsensoren ab.The light blocker described here by way of example 12 is operational with the shaft 16 connected. The engine 42 driven rotation of the shaft 16 causes the light blocker 32 turns. When the lighting surfaces of some light sensor elements 26A . 26B . 27A . 27B increase (when less of the light sensor surface is under a shadow), an output signal from the light sensors also increases. At the same time and the same size as the illuminated areas of other light sensor elements 26A . 26B . 27A . 27B decrease (if more of the sensor surface is under a shadow), the output of these light sensors decreases.

Mit fortgesetzter Bezugnahme auf 1 und 2 weist die Lichtquelle 20 vorzugsweise eine einheitliche LED auf, die auf die Leiterplatte 48 oder eine andere geeignete Oberfläche, die an dem Gehäuse 12 angebracht ist, montiert ist. Für die hier beschriebenen Ausführungsformen ist die LED beispielhaft auf eine Unterseite 48B der Leiterplatte 48 montiert, und die von der Lichtquelle 20 emittierten Lichtstrahlen 22 werden durch ein Loch 50 in der Leiterplatte geleitet. Eine derartige Struktur ist wünschenswert, weil jedes Licht, das in einer seitlichen Weise ausstrahlt, von Wänden begrenzt wird, welche das Loch in der Leiterplatte 48 bilden, und nicht fähig sein wird, indirekt auf die Lichtsensorelemente 26A, 26B, 27A, 27B zu scheinen. Jedoch sind andere Ausführungsformen ebenfalls möglich, solange die Lichtquelle 20 geeignet ist und, wie weiterhin unter Bezug auf 1 und 2 dargestellt, im Allgemeinen entlang der Achse 18 und unterhalb der Welle 16 angeordnet ist. Die Lichtstrahlen 22 werden von der Lichtquelle 20 in Richtung der Lichtsensorelemente 26A, 26B, 27A, 27B projiziert.With continued reference to 1 and 2 indicates the light source 20 preferably a single LED on top of the circuit board 48 or another suitable surface attached to the housing 12 is attached, is mounted. For the here described embodiments, the LED is exemplary on a bottom 48B the circuit board 48 mounted, and that of the light source 20 emitted light rays 22 be through a hole 50 passed in the circuit board. Such a structure is desirable because any light that radiates in a lateral manner is bounded by walls defining the hole in the circuit board 48 form, and will not be able to, indirectly on the light sensor elements 26A . 26B . 27A . 27B to shine. However, other embodiments are also possible as long as the light source 20 is suitable and, as further with reference to 1 and 2 represented, generally along the axis 18 and below the wave 16 is arranged. The rays of light 22 be from the light source 20 in the direction of the light sensor elements 26A . 26B . 27A . 27B projected.

Wenngleich die Lichtquelle 20 als eine LED beschrieben wurde, kann die Lichtquelle auch als ein phosphoreszierender Punkt oder jede andere Quelle ausgeführt werden, die einen geeigneten Lichtkegel einschließlich der Lichtstrahlen 22 in der benötigten Richtung erzeugt.Although the light source 20 has been described as an LED, the light source may also be embodied as a phosphorescent spot or any other source having a suitable cone of light including the light beams 22 generated in the required direction.

Beachten Sie, dass die Lichtquelle 20 durch eine Faser 52 bereitgestellt werden kann, wobei die Lichtquelle entfernt, zum Beispiel auf einer Servotreiberplatine angeordnet sein kann und der Erfassungseinrichtung mit der optischen Faser zugeführt werden kann. Dies kann in militärischen Anwendungen bevorzugt werden, in denen die Erfassungseinrichtung bei höheren Temperaturen arbeiten muss, die für einen LED-Betrieb untragbar wären. Auch kann ein Laser, wenn er durch die die Faser zugeführt wird, als die Lichterzeugungseinrichtung für die Lichtquelle verwendet werden.Note that the light source 20 through a fiber 52 can be provided, wherein the light source can be removed, for example, can be arranged on a servo driver board and the detection means can be supplied to the optical fiber. This may be preferred in military applications where the detector must operate at higher temperatures that would be prohibitive for LED operation. Also, a laser, when supplied through the fiber, may be used as the light generating means for the light source.

Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 1 und nun auf 3 gibt es vier Lichtsensorelemente 26A, 26B, 27A, 278, die, wie hier beispielhaft beschrieben, ringsektorförmig sind und die, wie hier beschrieben, in den Paaren 28, 30 um die Achse 18 angeordnet sind. Der Aufbau der Sensorelemente 26A, 26B, 27A, 27B gibt im Wesentlichen einen Aufbau des Lichtblockers 32 und seiner Elemente 34A, 34B vor. Wie hier beispielhaft beschrieben, weist der Lichtblocker 32 zwei opake, undurchsichtige und/oder lichtundurchlässige Elemente 34A, 34B mit im Wesentlichen gleich großen Oberflächen auf, die ebenfalls um die Achse 10 angeordnet sind. Beachten Sie, dass die zweite Anzahl (z. B. zwei) gleich einer Hälfte der ersten Anzahl (z. B. vier) ist.With continued reference to 1 and now up 3 There are four light sensor elements 26A . 26B . 27A . 278 which, as described here by way of example, are ring-sector-shaped and which, as described here, in the pairs 28 . 30 around the axis 18 are arranged. The structure of the sensor elements 26A . 26B . 27A . 27B essentially gives a structure of the light blocker 32 and its elements 34A . 34B in front. As described here by way of example, the light blocker 32 two opaque, opaque and / or opaque elements 34A . 34B with substantially equal sized surfaces, also around the axis 10 are arranged. Note that the second number (for example, two) is equal to one half of the first number (for example, four).

Wie unter Bezug auf 4 dargestellt, legt der Lichtblocker 32 das „B”-Paar von ringförmigen Lichtsensorelementen 26B, 27B vollkommen frei, aber bedeckt das „A”-Paar von Elementen 26A, 27A nicht vollkommen, wie durch den Lichtstrahlkegel 22 dargestellt. Ein Winkelmaß bzw. Winkelgrundmaß 54 jeder der offenen Flächen des Lichtblockers 32 (hier 60 Grad) kann um ein unterschiedliches zweites Winkelmaß bzw. Winkelgrundmaß 58 (hier 5 Grad) größer als ein erstes Winkelmaß bzw. Winkelgrundmaß 56 (hier 55 Grad) der Lichtsensorelemente 26A, 26B, 27A, 27B sein. Aufgrund dessen stellt die weitere inkrementelle Drehung in der Uhrzeigerrichtung keine inkrementelle Zunahme in der Signalausgabe von dem „B”-Paar von Lichtsensoren bereit, aber stellt eine inkrementelle Abnahme in der Signalausgabe von dem „A”-Paar bereit. Wenn das Winkelmaß 54 der Öffnungen für den Lichtblocker 32 größer als das der Lichtsensorelemente 26A, 26B, 27A, 27B ist, stellt die Lichterfassungseinrichtung 24 eine lineare Ausgabe für eine Winkeländerung bis zu dem Winkelmaß der Lichtsensorelemente 26A, 26B, 27A, 27B bereit und stellt dann eine nichtlineare Ausgabe für eine Winkeländerung über diesen Punkt hinaus bereit.As with respect to 4 shown, sets the light blocker 32 the "B" pair of annular light sensor elements 26B . 27B completely free, but covers the "A" pair of elements 26A . 27A not perfect, as by the cone of light 22 shown. An angular dimension or basic angle 54 each of the open areas of the light blocker 32 (here 60 degrees) can be a different second angle or angle basic measure 58 (here 5 degrees) greater than a first angle measure or basic angle measure 56 (here 55 degrees) of the light sensor elements 26A . 26B . 27A . 27B be. Because of this, the further incremental clockwise rotation does not provide an incremental increase in the signal output from the "B" pair of light sensors, but provides an incremental decrease in the signal output from the "A" pair. If the angle measure 54 the openings for the light blocker 32 larger than that of the light sensor elements 26A . 26B . 27A . 27B is, sets the light detection device 24 a linear output for an angle change up to the angular extent of the light sensor elements 26A . 26B . 27A . 27B and then provides a non-linear output for angle change beyond this point.

Unter fortgesetztem Bezug auf 4 und wie vorstehend unter Bezug auf 1 und 2 beschrieben, ist die radiale Ausdehnung 36 jedes der Lichtblockerelemente 34A, 34B kleiner als die radiale Ausdehnung 38 eines Außenrands der Lichtsensorelemente 26A, 26B, 27A, 27B und kann in der Tat nicht größer als die radiale Ausdehnung 38A eines Innenrands der Lichtsensorelemente sein. In einigen Fällen kann die radiale Ausdehnung 36 der Lichtblockerelemente 34A, 34B abhängig von Faktoren einschließlich des Kegelwinkels der Lichtquelle 20 und des Abstands der Lichtsensorelemente 26A, 26B, 27A, 27B von der Lichtquelle erheblich geringer sein. Dies ist im Vergleich zu Sensoren des Stands der Technik, deren radiale Ausdehnung des Lichtblockers größer als die radiale Ausdehnung des Außendurchmessers der Lichtsensorelemente 26A, 26B, 27A, 27B sein musste, vorteilhaft. Eine kleinere radiale Ausdehnung verringert die Trägheit erheblich und erhöht somit auch die Systemleistung.With continued reference to 4 and as above with reference to 1 and 2 described is the radial extent 36 each of the light blocking elements 34A . 34B smaller than the radial extent 38 an outer edge of the light sensor elements 26A . 26B . 27A . 27B and in fact can not be greater than the radial extent 38A an inner edge of the light sensor elements. In some cases, the radial extent 36 the light blocking elements 34A . 34B depending on factors including the cone angle of the light source 20 and the distance of the light sensor elements 26A . 26B . 27A . 27B be significantly lower from the light source. This is greater than the radial extent of the outer diameter of the light sensor elements in comparison with sensors of the prior art whose radial extent of the light blocker 26A . 26B . 27A . 27B had to be, beneficial. A smaller radial expansion significantly reduces inertia and thus increases system performance.

Der Lichtblocker 32 kann derart aufgebaut sein, dass, wenn die Welle 16, wie durch einen Pfeil 85 in 3 angezeigt, in eine „positive” Richtung gedreht wird (sich von dem in 1 gezeigten Aufbau in den in 3 gezeigten Aufbau bewegt), das meiste der Oberfläche des „A”-Lichtsensorelements von der Lichtquelle 20 beleuchtet wird und das meiste der Fläche des „B”-Lichtsensorelements unter einem Schatten sein wird. Wenn der Lichtblocker 32 somit gedreht wird, kann er, wenn er einmal die „A”-Lichtsensoren 26A, 27A vollkommen freilegt, tatsächlich weiter gedreht werden, bevor er das Licht ganz blockiert, so dass es die „B”-Lichtsensoren 26B, 27B nicht erreicht. Dies erlaubt dem Servo, präzise zu erfassen, wann die „A”- oder „B”-Sensoren vollkommen bedeckt sind, und somit die äußeren Winkel des Positionssensors in absoluten Werten präzise zu erfassen. Jedoch können einige Anwendungen diese absolute Positionsbestimmung nicht erfordern und können einen Lichtblocker verwenden, dessen Öffnungen das gleiche Winkelmaß wie die Sensorelemente haben.The light blocker 32 may be constructed such that when the shaft 16 as if by an arrow 85 in 3 displayed in a "positive" direction is rotated (from the in 1 shown construction in the in 3 as shown), most of the surface of the "A" light sensor element from the light source 20 is illuminated and most of the area of the "B" light sensor element will be under a shadow. When the light blocker 32 thus being turned, he can, once he gets the "A" light sensors 26A . 27A completely uncovered, actually continue to be rotated before blocking the light completely, making it the "B" light sensors 26B . 27B not reached. This allows the servo to precisely detect when the "A" or "B" sensors are completely covered, thus accurately detecting the outer angles of the position sensor in absolute terms. However, some applications may not require this absolute positioning and can use a light blocker whose openings have the same angular extent as the sensor elements.

Wenngleich die Figuren vier Lichtsensorelemente und einen Lichtblocker mit zwei vorstehenden Elementen zeigen, sollte sich verstehen, dass so wenig wie vier Lichtsensorelemente und zwei Lichtblockerelemente oder so viel wie acht Lichtsensorelemente und vier Lichtblockerelemente oder mehr möglich sind und immer noch in den Schutzbereich dieser Erfindung fallen.Although the figures show four light sensor elements and a light blocker with two protruding elements, it should be understood that as few as four light sensor elements and two light block elements or as many as eight light sensor elements and four light block elements or more are possible and still fall within the scope of this invention.

Die einzelnen Lichtsensorelemente 26A, 26B, 27A, 27B können ein Lichtsensormaterial oder eine Vorrichtung aufweisen, die auf diesem Prinzip arbeitet, wobei eine lineare Lichtzunahme pro Einheitsfläche eine lineare Zunahme im Ausgangssignal erzeugt. Als ein nicht einschränkendes Beispiel können Siliziumfotodioden, PIN-Fotodioden, Lawinenfotodioden und Cadmiumsulfidzellen als die Lichtsensorelemente in dieser Erfindung verwendet werden. Auf diese wird generisch als „Fotozellen” Bezug genommen.The individual light sensor elements 26A . 26B . 27A . 27B may comprise a light sensor material or a device operating on this principle, wherein a linear increase in light per unit area produces a linear increase in the output signal. As a non-limiting example, silicon photodiodes, PIN photodiodes, avalanche photodiodes, and cadmium sulfide cells may be used as the light sensing elements in this invention. These are generically referred to as "photocells".

Während es bekannt ist, einzelne Paare von Lichtsensorelementen 26A, 26B, 27A, 27B, wie in 1 gezeigt, auf einem einzelnen rechteckigen „Fotozellen”-Plättchen oder Chip 46A, 46B anzuordnen, können die einzelnen Lichtsensorelemente auf jede Weise angeordnet werden, solange die vorstehend aufgezeigten Linearitäts- und Formbedingungen erfüllt sind. Ferner können die Lichtsensorelemente 26A, 26B, 27A, 27B eine größere Fläche als gezeigt haben, zum Beispiel kann jedes einen Chip beliebiger Form aufweisen, wobei ein Maskierungselement darüber angeordnet ist, um die Sektorform zu erzeugen, deren Verwendung erwünscht ist.While it is known, individual pairs of light sensor elements 26A . 26B . 27A . 27B , as in 1 shown on a single rectangular "photocell" chip or chip 46A . 46B To arrange the individual light sensor elements can be arranged in any way, as long as the above-mentioned linearity and molding conditions are met. Furthermore, the light sensor elements 26A . 26B . 27A . 27B For example, each may have a chip of any shape with a masking element disposed over it to produce the sector shape that is desired to be used.

Wie vorstehend beschrieben, verhindert der Lichtblocker 32, dass von der Lichtquelle 20 ausstrahlende Lichtstrahlen 22 Abschnitte der Lichtsensorelemente 26A, 26B, 27A, 27B erreichen. Der Lichtblocker 32, der die kuchenförmigen Elemente 34A, 34B aufweist, ist direkt mit der Welle 16 verbunden, und die Welle ist integral mit dem Motor 42 ausgebildet, aber alternative Ausführungsformen mit Wellenerweiterungen oder Zahnradanordnungen können verwendet werden, ohne von den Lehren der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Da der Lichtblocker 32 ferner nur verhindern muss, dass Licht die Lichtsensorelemente 26A, 26B, 27A, 27B erreicht, kann er aus einer Vielfalt an Materialien gefertigt werden. Zum Beispiel kann er aus Keramik, Glasfaser/Epoxid, Blechmaterial, Glas, Kunststoff oder jedem anderen geeigneten Material, das Licht blockieren kann, gefertigt sein. Der Lichtblocker 32 kann unter Verwendung herkömmlicher Fertigungsverfahren, wie etwa Spritzgießen, Laserschneiden, Stanzen, Fotoätzen oder maschinellen Standardverarbeitungsverfahren gefertigt werden, so dass er der hier beispielhaft beschriebenen Form entspricht, oder aus einer transparenten Scheibe oder einem transparenten Rohr gefertigt sein, wobei die Blockerfunktion ausgeführt wird, indem ein undurchsichtiges Material auf der transparenten Scheibe oder dem transparenten Rohr aufgebracht wird. Außerdem sind, wie hier beispielhaft unter Bezug auf 5A und 5B dargestellt, für eine alternative Ausführungsform 32A des Lichtblockers 32 auch andere Ausführungsformen möglich, die becherförmig und hier als die Blockerelemente 34A, 34B enthaltend beschrieben sind, die früher unter Bezug auf 1 für den Lichtblocker 32 als zwei im Wesentlichen kuchenförmige Elemente beschrieben wurden und hier als um eine zentrale Scheibe 32C herum angeordnet beschrieben sind. Von den Blockerelementen 34A, 34B nach unten abhängend sind Seitenwände 32D, 32E, die einen teilweise umschlossenen Zylinder mit einem oberen Rand 33F bilden, der sich mit einem Außenrand der oberen Blockerelemente 34A, 34B gemeinsam erstreckt.As described above, the light blocker prevents 32 that from the light source 20 radiating light rays 22 Portions of the light sensor elements 26A . 26B . 27A . 27B to reach. The light blocker 32 that the cake-shaped elements 34A . 34B is directly with the shaft 16 connected, and the shaft is integral with the engine 42 but alternative embodiments with shaft extensions or gear arrangements may be used without departing from the teachings of the present invention. As the light blocker 32 Furthermore, it must only prevent light from the light sensor elements 26A . 26B . 27A . 27B achieved, it can be made from a variety of materials. For example, it may be made of ceramic, fiberglass / epoxy, sheet metal, glass, plastic, or any other suitable material that can block light. The light blocker 32 can be fabricated using conventional manufacturing techniques, such as injection molding, laser cutting, stamping, photoetching, or standard mechanical processing, to conform to the form described herein by way of example, or made from a transparent disc or tube, performing the blocking function by: an opaque material is applied to the transparent pane or tube. In addition, as here by way of example with reference to 5A and 5B shown for an alternative embodiment 32A of the light blocker 32 Other embodiments possible, the cup-shaped and here as the blocking elements 34A . 34B containing described earlier with reference to 1 for the light blocker 32 were described as two essentially cake-shaped elements and here as around a central disk 32C are arranged around. From the blocker elements 34A . 34B depending down are side walls 32D . 32E that has a partially enclosed cylinder with an upper edge 33F form, with an outer edge of the upper blocker elements 34A . 34B extends together.

Wie unter Bezug auf 6 dargestellt, weist eine weitere Ausführungsform eines Lichtblockers 33 eine im Wesentlichen zylindrische Wand 33A eines Innenraums 33B auf, der durch die Wand definiert wird, die positioniert ist, um die Lichtstrahlen von der Lichtquelle zu empfangen. Der zylindrisch geformte Lichtblocker 33 umfasst ein Paar gegenüberliegender Öffnungen 33C mit im Wesentlichen gleicher Fläche durch eine Oberseite 33D davon und die diametral um eine zentrale Scheibe 33E gegenüberliegend sind. Die Öffnungen 33C lassen die Lichtstrahlen hindurch, um die Lichtsensorelemente zu erreichen.As with respect to 6 has a further embodiment of a light blocker 33 a substantially cylindrical wall 33A an interior 33B defined by the wall positioned to receive the light rays from the light source. The cylindrically shaped light blocker 33 includes a pair of opposing openings 33C with substantially the same area through a top 33D of it and the diametrically around a central disc 33E are opposite. The openings 33C let the light rays pass through to reach the light sensor elements.

Unter Bezug auf 6A weist eine zusätzliche Ausführungsform eines Lichtblockers 35 eine im Wesentlichen konische Wand 35A auf, wobei ein durch die Wand definierter Innenraum 35B positioniert ist, um die Lichtstrahlen von der Lichtquelle zu empfangen. Der konisch geformte Lichtblocker 35 umfasst ein Paar entgegengesetzter Öffnungen 35C mit im Wesentlichen gleicher Fläche durch seine Wand 35A, die um eine zentrale Nabe 35 diametral gegenüberliegend sind. Die Öffnungen 35C lassen die Lichtstrahlen hindurch, um die Lichtsensorelemente zu erreichen.With reference to 6A shows an additional embodiment of a light blocker 35 a substantially conical wall 35A on, wherein an interior defined by the wall 35B is positioned to receive the light rays from the light source. The conically shaped light blocker 35 includes a pair of opposite openings 35C with substantially the same area through its wall 35A around a central hub 35 are diametrically opposite. The openings 35C let the light rays pass through to reach the light sensor elements.

Wieder Bezug nehmend auf 2 und nun auf 7 und 7A wird die Erfassungseinrichtung 10A hier auch in dem Kontext ihrer Verwendung mit einer Motor- oder Galvanometer-Abtasteinrichtung beschrieben, wenngleich dies nicht als eine Einschränkung beabsichtigt ist. In der Positionserfassungseinrichtung 10A umfasst die Lichterfassungseinrichtung 24, wie vorstehend beschrieben, rechteckige Lichtsensorelemente 26A, 26B, 27A, 27B, die im Allgemeinen parallel zu der Achse 18 und somit der sich drehenden Welle 16 angeordnet sind. Die Lichtsensorelemente 26A, 26B, 27A, 27B sind auf die Leiterplatte 48 und auf der gleichen Seite des Motors 42 wie die Lichtquelle 20 montiert. Der Lichtblocker 32 ist integral mit einem unteren Abschnitt 16A der Welle 16 ausgebildet. Der untere Abschnitt 16A weist einen im Allgemeinen zylindrischen Abschnitt 62 mit einem Innenraum 64 auf, der positioniert ist, um die Lichtstrahlen von der Lichtquelle 20 zu empfangen. Der zylindrische Abschnitt 62, der als eine Erweiterung der Welle 16 ausgebildet ist, hat zwei gegenüberliegende Öffnungen 66 gleicher Größe oder „Fenster”, die sich in dieser Ausführungsform zum Beispiel von seinem unteren Rand durch ihn erstrecken, wenngleich dies nicht als eine Einschränkung beabsichtigt ist. Die Öffnungen 66 definieren Abschnitte 68 des zylindrischen Abschnitts 62, die als die Lichtblockerelemente dienen. Wiederum ist das Wort „Paar” nicht als eine Einschränkung beabsichtigt, und die Anzahl kann in einigen Anwendungen bis zu 8 oder sogar mehr aufweisen. Für die Ausführungsform der Erfassungseinrichtung 10A, die hier beispielhaft dargestellt ist, hat jede Öffnung 66 eine Höhenabmessung 70, die erneut unter Bezug auf 2 dargestellt ist, die ausreicht, um die Lichtstrahlen hindurch zu lassen, um die Lichtsensorelemente 26A, 26B, 27A, 27B zu erreichen.Again referring to 2 and now up 7 and 7A becomes the detection device 10A although described in the context of its use with a motor or galvanometer scanner, although not intended as a limitation. In the position detection device 10A includes the light detection device 24 as described above, rectangular Light sensor elements 26A . 26B . 27A . 27B that are generally parallel to the axis 18 and thus the rotating shaft 16 are arranged. The light sensor elements 26A . 26B . 27A . 27B are on the circuit board 48 and on the same side of the engine 42 like the light source 20 assembled. The light blocker 32 is integral with a lower section 16A the wave 16 educated. The lower section 16A has a generally cylindrical section 62 with an interior 64 which is positioned to receive the light rays from the light source 20 to recieve. The cylindrical section 62 that as an extension of the wave 16 is formed, has two opposite openings 66 of the same size or "window", for example, extending from its lower edge through it in this embodiment, although not as a limitation. The openings 66 define sections 68 of the cylindrical section 62 which serve as the light blocking elements. Again, the word "pair" is not intended as a limitation, and the number may be up to 8 or even more in some applications. For the embodiment of the detection device 10A , which is exemplified here, has every opening 66 a height dimension 70 again referring to 2 sufficient to allow the light rays through to the light sensor elements 26A . 26B . 27A . 27B to reach.

Beachten Sie, dass, wenngleich der hier unter Bezug auf 2 beschriebene Lichtblocker den unteren Abschnitt der Welle umfasst, andere Lichtblocker, wie etwa die vorstehend unter Bezug auf 5A, 6 und 6A beschriebenen, verwendet werden können. Die Lichtblocker können auch aus einem transparenten Rohr oder Lichtleiter mit transparenten und opaken und/oder lichtundurchlässigen Bereichen ausgebildet werden, welche die Funktion der Öffnungen 66 als die „Fenster” ausführen.Note that although here with reference to 2 described light blocker comprises the lower portion of the shaft, other light blocker, such as those with reference to above 5A . 6 and 6A described, can be used. The light blockers may also be formed from a transparent tube or light guide having transparent and opaque and / or opaque areas which function as the openings 66 than the "windows" run.

Da die Lichtsensorelemente 26A, 26B, 27A, 27B unter fortgesetztem Bezug auf 2 und 7 rechteckig anstatt kreisförmig sind, ist der Abstand 72, den die Lichtstrahlen 22 zu der Mitte eines Lichtsensorelements zurücklegen müssen, verschieden von dem Abstand 74, den die Lichtstrahlen zu dem Rand eines Lichtsensorelements zurücklegen müssen. Dies bewirkt einen Fehler in dem Ausgangssignal, wobei der Fehler proportional zu der Tangente der Wellendrehung ist. Jedoch wird dieser Fehler für den Winkelbereich, der bei den Galvanometer-basierten optischen Abtasteinrichtungen verwendet wird, ohne weiteres toleriert und im Allgemeinen extern in dem Servosystem oder mit Computersoftware, die das Servosystem ansteuert, korrigiert.Because the light sensor elements 26A . 26B . 27A . 27B with continued reference to 2 and 7 rectangular rather than circular, is the distance 72 the light rays 22 must travel to the center of a light sensor element, different from the distance 74 the light rays must travel to the edge of a light sensor element. This causes an error in the output signal, the error being proportional to the tangent of the shaft rotation. However, this error for the angular range used in the galvanometer-based optical scanners is readily tolerated and generally corrected externally in the servo system or with computer software that drives the servo system.

Vorstehend beschriebene Ausführungsformen des Lichtblockers verbessern den Schatten, der auf die jeweiligen Lichtsensorelemente geworfen wird, insbesondere wenn die Lichtquelle keine Punktquelle ist. Ferner ist es streng genommen nicht notwendig, dass die alternativen Lichtblockerausführungsformen rechteckige Merkmale haben. Wie in 6A gezeigt, kann der Becher mit kegelähnlichen Merkmalen gefertigt sein, die eine leichtere Herstellung oder geringerer Trägheit des Lichtblockers oder eine bessere Lichtblockierung bereitstellen können. Überdies kann der Lichtblocker selbst als Blätter oder sogar Keile ausgebildet werden, die direkt auf einer Motorwelle selbst maschinell hergestellt werden, um die Lichtblockierfunktion auszuführen.Above-described embodiments of the light blocker improve the shadow cast on the respective photosensor elements, particularly when the light source is not a point source. Furthermore, strictly speaking, it is not necessary for the alternative light blocker embodiments to have rectangular features. As in 6A As shown, the cup may be fabricated with cone-like features that may provide for easier manufacture or lower inertia of the light blocker or better light blocking. Moreover, the light blocker itself may be formed into sheets or even wedges which are machined directly on a motor shaft itself to perform the light blocking function.

Im Gegensatz zu früher bekannten Drehpositionssensoren können die Öffnungen des Lichtblockers ein anderes Winkelmaß als die einzelnen Lichtsensorelemente haben. Wenn dies gemacht wird, gibt es mehrere Vorteile. Ein Vorteil ist, dass, da das Winkelmaß der Lichtblockeröffnungen größer als das Winkelmaß der Lichtsensoren ist, wenn, wie vorstehend unter Bezug auf 1 und 3 beschrieben, in die „positive” Richtung gedreht wird, die „A”-Lichtsensoren für die Ausführungsform von 2 vollkommen unblockiert werden, bevor die „B”-Sensoren vollständig blockiert werden. Ferner erzeugt die „positive” Drehung immer noch eine erfassbare Ausgabe von den „B”-Sensoren, aber erzeugt keine Ausgabe von den „A”-Sensoren. Folglich kann dieser Zustand der weiteren Änderung einer Ausgabe ohne weitere Änderung der anderen verwendet werden, um den Wellenwinkel präzise in absoluten Werten zu bestimmen. Ein anderer Vorteil ist, dass, wenn die A- und B-Ausgaben subtrahiert werden, wie es das typische Verfahren für diese Art von Sensor ist, es einen „linearen” Abschnitt des Wellendrehwinkel-Ausgabesignal-Verhältnisses gibt, und es an den Rändern einen „nichtlinearen” Abschnitt des Wellenwinkel-Ausgabesignal-Verhältnisses gibt. Wie unter Bezug auf die graphische Darstellung von 8 beispielhaft dargestellt, ist die Änderungsrate der Sensorausgabe als sich oberhalb von 25 Grad ändernd gezeigt.In contrast to previously known rotational position sensors, the openings of the light blocker can have a different angular dimension than the individual light sensor elements. When this is done, there are several advantages. One advantage is that, since the angular size of the light block openings is greater than the angular size of the light sensors, as described above with reference to FIGS 1 and 3 is rotated in the "positive" direction, the "A" light sensors for the embodiment of 2 be completely unblocked before the "B" sensors are completely blocked. Furthermore, the "positive" rotation still produces detectable output from the "B" sensors, but does not produce output from the "A" sensors. Consequently, this state of further changing one output can be used without further changing the other to precisely determine the shaft angle in absolute values. Another advantage is that if the A and B outputs are subtracted, as is the typical method for this type of sensor, there will be a "linear" portion of the shaft rotation angle output signal ratio, and there will be a "Non-linear" section of the shaft angle output signal ratio. As with reference to the graphical representation of 8th exemplified, the rate of change of the sensor output is shown as changing above 25 degrees.

Vorzugsweise haben Lichtblockeröffnungen im Allgemeinen ein Winkelmaß, das wenigstens so groß wie das Winkelmaß des Lichtsensors ist. Jedoch wird ein Fachmann der Technik verstehen, dass das Winkelmaß im Wesentlichen das gleiche oder sogar kleiner als das der Lichtsensoren sein könnte, ohne von dem Geist der Erfindung abzuweichen. In einigen Ausführungsformen kann das Winkelmaß der Lichtblockeröffnungen um jeden wünschenswerten Betrag, der die Konstruktionsanforderungen des Systems erfüllt, größer oder kleiner als das der Lichtsensorelemente gemacht werden. Jedoch kann die Maßdifferenz für optische Abtastanwendungen typischerweise in einem Bereich von 2–10 Grad liegen.Preferably, light blocker openings generally have an angular dimension that is at least as great as the angular size of the light sensor. However, one skilled in the art will understand that the angular extent could be substantially the same or even smaller than that of the light sensors without departing from the spirit of the invention. In some embodiments, the angular extent of the light block apertures may be made larger or smaller than that of the light sensor elements by any desirable amount that meets the design requirements of the system. However, for optical scanning applications, the dimensional difference may typically be in a range of 2-10 degrees.

Die Anzahl von Lichtblockeröffnungen kann so wenig wie 2 und so viel wie 8 oder mehr aufweisen, solange es zwei Lichtsensoren („A” und „B”) pro Lichtblockeröffnung gibt, wobei eine größere Anzahl von Lichtblockeröffnungen den Betriebswinkel der Positionserfassungseinrichtung verkleinert. Der maximale Winkel (in Grad), über den diese Positionserfassungseinrichtung ein einzelnes Anstiegssignal von den „Haupt”-Ausgaben ausgeben kann, ist äquivalent zu 360, geteilt durch die Anzahl von Blättern minus (Blattwinkelmaß minus den Lichtsensorwinkelmaß).The number of light blocker openings may be as small as 2 and as much as 8 or more as long as there are two light sensors ("A" and "B") per light blocker opening, with a larger number of light blocker openings decreasing the operation angle of the position detecting device. The maximum angle (in degrees) over which this position detector can output a single rise signal from the "main" outputs is equivalent to 360 divided by the number of leaves minus (blade angle minus the light sensor angle measure).

Nun Bezug nehmend auf 9 können einzelne Lichtsensorelemente parallel geschaltet werden, so dass ein Minimum an Drähten zu der Servosteuerung geht. Ein Vorteil dieses Verbindungsschemas ist, dass es die Anzahl von Drähten verringert, von der er es notwendig ist, von der Positionserfassungseinrichtung mit dem Servosystem verbunden zu werden. Jedoch ist ein allgemeiner Nachteil von Positionserfassungseinrichtungen des Stands der Technik, dass, wenn die einzelnen Lichtsensorelemente, die parallel geschaltet sind, für eine gegebene Lichtmenge nicht exakt die gleiche Größe des Ausgangssignals wie andere einzelne Lichtsensorelemente erzeugen, die Unempfindlichkeit gegenüber radialer und axialer Bewegung nicht optimal ist.Now referring to 9 For example, individual light sensor elements can be connected in parallel so that a minimum of wires goes to the servo control. An advantage of this connection scheme is that it reduces the number of wires that it needs to be connected to the servo system by the position sensing device. However, a common drawback of prior art position detectors is that if the individual light sensor elements connected in parallel do not produce the same magnitude of output signal as other individual light sensor elements for a given amount of light, the insensitivity to radial and axial motion is not optimal is.

Als ein alternatives Verbindungsschema kann, wie unter Bezug auf 10 dargestellt, die Ausgabe von einzelnen Lichtsensorelementen einzeln verwendet werden. Ein Vorteil dieser Anordnung ist, dass der Servo die Ausgabe jedes Lichtsensors charakterisieren und dann die Linearität und die radiale Unempfindlichkeit algorithmisch erhöhen kann. In diesen Ausführungsformen werden die Verbindungen zu den Ausgängen über Lötaugen der Signalverbindung 40 auf der Leiterplatte 48 gemacht.As an alternative connection scheme, as with reference to FIG 10 shown, the output of individual light sensor elements are used individually. An advantage of this arrangement is that the servo can characterize the output of each light sensor and then algorithmically increase the linearity and radial insensitivity. In these embodiments, the connections to the outputs are via pads of the signal connection 40 on the circuit board 48 made.

Die Positionserfassungseinrichtung der vorliegenden Erfindung ist insbesondere nützlich, wenn sie mit einem digitalen Servosystem verbunden ist, das die Abtasteinrichtung anwenden kann und leicht den Punkt in der Wellendrehung bestimmen kann, bei dem die „A”- und „B”-Lichtsensoren vollständig geblockt sind, und somit das Ausmaß der Winkelabweichung in absoluten Werten bestimmen kann. Aufgrund dessen kann ein AGC-System nicht erforderlich sein, und die Lichtquelle kann die ganze Zeit bei maximaler Ausgabe betrieben werden, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis maximiert wird.The position detecting device of the present invention is particularly useful when connected to a digital servo system that can use the scanning device and can easily determine the point in the shaft rotation where the "A" and "B" light sensors are completely blocked, and thus determine the extent of the angular deviation in absolute values. Because of this, an AGC system may not be required and the light source can be operated at maximum output all the time, maximizing the signal-to-noise ratio.

In den Zeichnungen und der Spezifikation wurden typische bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung offenbart, und wenngleich spezifische Begriffe verwendet worden sein können, werden die Begriffe nur in einem beschreibenden Sinn und nicht zu Zwecken der Einschränkung verwendet. Die Erfindung wurde in beträchtlichem Detail unter spezifischer Bezugnahme auf diese dargestellten Ausführungsformen beschrieben. Es wird jedoch offensichtlich, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen innerhalb des Geists und Schutzbereichs der Erfindung, wie in der vorstehenden Spezifikation beschrieben, vorgenommen werden können.In the drawings and the specification, typical preferred embodiments of the invention have been disclosed, and while specific terms may have been used, the terms are used in a descriptive sense only and not for purposes of limitation. The invention has been described in considerable detail with specific reference to these illustrated embodiments. It will, however, be evident that various modifications and changes may be made within the spirit and scope of the invention as described in the foregoing specification.

Claims (29)

Drehpositionserfassungseinrichtung, die aufweist: ein Gehäuse mit einem Innenraum; eine Welle, die sich in den Gehäuseinnenraum erstreckt, wobei die Welle um eine Achse davon drehbar ist; eine Lichtquelle, die positioniert ist, um Lichtstrahlen in den Gehäuseinnenraum zu emittieren; eine Lichterfassungseinrichtung, die in einer zu der Lichtquelle beabstandeten Beziehung in dem Gehäuseinnenraum positioniert ist, wobei die Lichterfassungseinrichtung eine erste Anzahl segmentierter Lichtsensoren aufweist, die in Paaren um die Achse angeordnet sind, wobei jedes Paar ein „A”-Erfassungselement und ein „B”-Erfassungselement aufweist, wobei die Paare derart angeordnet sind, dass jedes „A”-Erfassungselement dem Umfang nach zwischen zwei „B”-Erfassungselementen positioniert ist und jedes „B”-Erfassungselement zwischen zwei „A”-Erfassungselementen positioniert ist; einen Lichtblocker, der zwischen der Lichterfassungseinrichtung und der Lichtquelle positioniert ist, wobei der Lichtblocker eine zweite Anzahl von opaken Elementen mit im Wesentlichen gleich großer Oberfläche, die mit der Welle drehbar sind, aufweist, wobei die zweite Anzahl gleich einer Hälfte der ersten Anzahl ist, wobei eine radiale Ausdehnung der Lichtblockerelemente kleiner als eine radiale Ausdehnung der Lichtsensoren ist; und eine Signalverbindung zu der Lichterfassungseinrichtung zum Messen einer Lichtmenge, die auf die segmentierten Lichtsensoren auftrifft, um auf diese Weise eine Drehposition der Welle zu messen.A rotational position detecting device comprising: a housing having an interior space; a shaft extending into the housing interior, the shaft being rotatable about an axis thereof; a light source positioned to emit light rays into the housing interior; a light detection device positioned in the housing interior spaced apart from the light source, the light detection device comprising a first plurality of segmented light sensors arranged in pairs about the axis, each pair including an "A" detection element and a "B" Sensing element, the pairs being arranged such that each "A" sensing element is positioned circumferentially between two "B" sensing elements and each "B" sensing element is positioned between two "A" sensing elements; a light blocker positioned between the light detector and the light source, the light blocker having a second plurality of substantially equal surface area opaque elements rotatable with the shaft, the second number being equal to one half of the first number, wherein a radial extent of the light blocking elements is smaller than a radial extent of the light sensors; and a signal connection to the light detecting means for measuring an amount of light incident on the segmented light sensors so as to measure a rotational position of the shaft. Drehpositionserfassungseinrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine Schaltung aufweist, die mit der Signalverbindung zum Messen von Signalen von den „A”-Erfassungseinrichtungen und den „B”-Erfassungseinrichtungen betreibbar ist, die zu einer Menge an darauf auftreffendem Licht in Beziehung steht, wobei eine Differenz zwischen dem „A”-Erfassungseinrichtungssignal und dem „B”-Erfassungseinrichtungssignal zu einer Winkelposition der Welle in Beziehung steht.A rotational position detecting device according to claim 1, further comprising a circuit operable with said signal connection for measuring signals from said "A" detection means and said "B" detection means related to an amount of light incident thereon, one Difference between the "A" detection signal and the "B" detection device signal is related to an angular position of the shaft. Drehpositionserfassungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die segmentierten Lichtsensoren im Allgemeinen in einer Ebene senkrecht zu der Achse definiert sind.A rotational position detecting device according to claim 1 or 2, wherein the segmented light sensors are generally defined in a plane perpendicular to the axis. Drehpositionserfassungseinrichtung nach Anspruch 3, wobei jeder der segmentierten Lichtsensoren eine bogenförmige Sektorform aufweist.A rotational position detecting device according to claim 3, wherein each of the segmented light sensors has an arc-shaped sector shape. Drehpositionserfassungseinrichtung nach Anspruch 4, wobei die bogenförmige Form eine im Wesentlichen ringförmige Form aufweist.A rotational position detecting device according to claim 4, wherein said arcuate shape has a substantially annular shape. Drehpositionserfassungseinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 5, wobei die segmentierten Lichtsensoren im Allgemeinen in einer Ebene parallel zu der Achse definiert sind. A rotational position detecting device according to claims 1 to 5, wherein the segmented light sensors are generally defined in a plane parallel to the axis. Drehpositionserfassungseinrichtung nach Anspruch 6, wobei die Lichtsensoren eine rechteckige Fläche haben, die das Licht empfängt.A rotational position detecting device according to claim 6, wherein the light sensors have a rectangular area receiving the light. Drehpositionserfassungseinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 7, wobei die radiale Ausdehnung der Lichtblockerelemente im Wesentlichen kleiner als die radiale Ausdehnung der Lichtsensoren ist.A rotational position detecting device according to claims 1 to 7, wherein the radial extent of the light blocking elements is substantially smaller than the radial extent of the light sensors. Drehpositionserfassungseinrichtung nach Anspruch 8, wobei die radiale Ausdehnung der Lichtblockerelemente nicht größer als eine radiale Ausdehnung eines Innenrands der Lichtsensoren ist.The rotational position detecting device according to claim 8, wherein the radial extent of the light blocking elements is not greater than a radial extent of an inner edge of the light sensors. Drehpositionserfassungseinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 9, wobei der Lichtblocker mehrere Öffnungen hat, wobei jede Öffnung zwischen benachbarten Lichtblockerelementen ist, und wobei das Winkelmaß jeder der Lichtblockeröffnungen wenigstens so groß wie das Winkelmaß der Lichtsensoren ist.The rotary position detecting device according to claims 1 to 9, wherein the light blocker has a plurality of openings, each opening being between adjacent light blocking elements, and wherein the angular dimension of each of the light block openings is at least as large as the angular size of the light sensors. Drehpositionserfassungseinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 10, wobei die Lichtquelle eine einheitliche Lichtquelle aufweist, die im Allgemeinen mit der Achse ausgerichtet ist.The rotary position detecting device according to claims 1 to 10, wherein the light source has a unitary light source that is generally aligned with the axis. Drehpositionserfassungseinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 11, wobei die erste Anzahl segmentierter Lichtsensoren vier Lichtsensoren aufweist.A rotational position detection device according to claims 1 to 11, wherein the first number of segmented light sensors comprises four light sensors. Drehpositionserfassungseinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 12, wobei die Lichtsensoren ein Lichtsensormaterial aufweisen, das auf Licht anspricht, und wobei eine lineare Zunahme des Lichts pro Flächeneinheit, das darauf auftrifft, eine im Wesentlichen lineare Zunahme in dem Ausgangssignal bewirkt.The rotational position detector of claims 1-12, wherein the light sensors comprise a light sensor material responsive to light, and wherein a linear increase in the light per unit area impinging thereon causes a substantially linear increase in the output signal. Drehpositionserfassungseinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 13, wobei die Lichtblockerelemente Blätter aufweisen.A rotary position detecting device according to claims 1 to 13, wherein the light blocking elements comprise sheets. Drehpositionserfassungseinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 14, wobei der Lichtblocker ein im Wesentlichen transparentes Rohr aufweist, auf dem die opaken Elemente aufgebracht sind.A rotational position detecting device according to claims 1 to 14, wherein the light blocker comprises a substantially transparent tube on which the opaque elements are applied. Drehpositionserfassungseinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 15, wobei jedes der Lichtblockerelemente ferner eine Seitenwand aufweist, die sich davon in Richtung der Lichtquelle erstreckt, um einen Lichtblocker zu bilden, der im Wesentlichen becherförmig ist.The rotary position detecting device according to claims 1 to 15, wherein each of the light blocking elements further has a side wall extending therefrom toward the light source to form a light blocker which is substantially cup-shaped. Drehpositionserfassungseinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 16, wobei der Lichtblocker ein im Wesentlichen zylindrisches Element aufweist, das einen durch eine Seitenwand definierten Innenraum hat und positioniert ist, um die Lichtstrahlen von der Lichtquelle zu empfangen, wobei das zylindrische Element ein Paar beabstandeter Öffnungen mit im Wesentlichen gleich großen Flächen durch seine Oberseite hat, um Lichtstrahlen hindurch zu lassen.The rotary position detecting device according to claims 1 to 16, wherein the light blocker has a substantially cylindrical member having an inner space defined by a side wall and positioned to receive the light beams from the light source, the cylindrical member being a pair of spaced openings substantially equal has large surfaces through its top to let light rays through. Drehpositionserfassungseinrichtung nach Anspruch 17, wobei die Öffnungen ein Winkelmaß haben, das wenigstens so groß wie das Winkelmaß des Lichtsensors ist.The rotation position detecting device according to claim 17, wherein the openings have an angular dimension which is at least as large as the angular size of the light sensor. Drehpositionserfassungseinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 18, wobei der Lichtblocker einen unteren Abschnitt der Motorwelle aufweist, wobei der untere Abschnitt einen im allgemeinen zylindrischen Abschnitt mit einem Innenraum aufweist, der positioniert ist, um die Lichtstrahlen von der Lichtquelle zu empfangen, wobei die Lichtblockerelemente Segmente des zylindrischen Abschnitts aufweisen, die durch beabstandete Öffnungen getrennt sind, die sich von seinem unteren Rand erstrecken.The rotary position detecting device according to claims 1 to 18, wherein the light blocker has a lower portion of the motor shaft, the lower portion having a generally cylindrical portion with an interior positioned to receive the light beams from the light source, the light blocking elements being segments of the cylindrical shaft Section which are separated by spaced openings extending from its lower edge. Drehpositionserfassungseinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 19, die ferner einen Motor aufweist, wobei der Motor mit der Welle betreibbar ist.The rotary position detecting device according to claims 1 to 19, further comprising a motor, wherein the motor is operable with the shaft. Drehpositionserfassungseinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 20, wobei der Lichtblocker ein im Wesentlichen konisches Element mit einem Innenraum aufweist, der durch eine Seitenwand definiert ist und positioniert ist, um Lichtstrahlen von der Lichtquelle zu empfangen, wobei das konische Element ein Paar beabstandeter Öffnungen mit im Wesentlichen gleicher Fläche durch die Seitenwand hat, um Lichtstrahlen durch sie hindurch zu lassen.The rotary position detector of claims 1 to 20, wherein the light blocker comprises a substantially conical member having an interior defined by a side wall and positioned to receive light rays from the light source, the conical member having a pair of spaced openings of substantially equal size Has area through the side wall to let light rays through them. Drehpositionserfassungseinrichtung zum Erfassen der Drehposition einer Welle, wobei die Einrichtung es ermöglicht, Licht in einen Innenraum eines Gehäuses mit einer Welle zu übertragen, die sich dadurch erstreckt und um eine Achse drehbar ist, wobei die Einrichtung aufweist: eine Lichterfassungseinrichtung zum Erfassen wenigstens eines Teils des Lichts, die in dem Gehäuseinnenraum positioniert ist, wobei die Lichterfassungseinrichtung eine erste Anzahl segmentierter Lichtsensoren aufweist, die in Paaren um die Achse der Welle angeordnet sind, wobei jedes Paar ein „A”-Erfassungselement und ein „B”-Erfassungselement aufweist, wobei die Paare derart angeordnet sind, dass jedes „A”-Erfassungselement dem Umfang nach zwischen zwei „B”-Erfassungselementen angeordnet ist und jedes „B”-Erfassungselement zwischen zwei „A”-Erfassungselementen angeordnet ist; einen Lichtblocker zum Blocken eines Teils des Lichts, der in dem Gehäuseinnenraum positioniert und mit der Welle drehbar ist, wobei der Lichtblocker eine zweite Anzahl von opaken Elementen mit im Wesentlichen gleich großer Oberfläche, die um die Welle angeordnet sind, aufweist, wobei die zweite Anzahl gleich einer Hälfte der ersten Anzahl ist, wobei der geblockte Lichtanteil dadurch unfähig ist, die Lichtsensoren zu erreichen, wobei eine äußere Ausdehnung des Lichtblockers kleiner als eine äußere Ausdehnung der Lichtsensoren ist; und eine Vorrichtung zum Verarbeiten eines von den „A”-Erfassungseinrichtungen und den „B”-Erfassungseinrichtungen empfangenen Signals, das sich auf eine Menge des darauf auftreffenden Lichts bezieht, wobei eine Differenz zwischen dem „A”-Erfassungseinrichtungssignal und dem „B”-Erfassungseinrichtungssignal sich auf eine Drehposition der Welle bezieht.A rotational position detecting device for detecting the rotational position of a shaft, the device enabling light to be transmitted to an interior of a housing having a shaft extending therethrough and being rotatable about an axis, the device comprising: a light detecting device for detecting at least a part of Light positioned in the housing interior, the light detecting means comprising a first plurality of segmented light sensors arranged in pairs about the axis of the shaft, each pair having an "A" detection element and a "B" detection element Pairs are arranged such that each "A" detection element is arranged circumferentially between two "B" detection elements and each "B" detection element is arranged between two "A" detection elements; a light blocker for blocking a portion of the light positioned in the housing interior and rotatable with the shaft, the light blocker having a second number of opaque elements of substantially equal surface area disposed about the shaft, the second number being equal to one half of the first number, the blocked portion of light thereby becoming incapable is to reach the light sensors, wherein an outer dimension of the light blocker is smaller than an outer dimension of the light sensors; and an apparatus for processing a signal received from the "A" detectors and the "B" detectors, which refers to an amount of the incident light thereon, wherein a difference between the "A" detector signal and the "B" Detector signal refers to a rotational position of the shaft. Einrichtung nach Anspruch 22, wobei eine radiale Ausdehnung der Lichtblockerelemente im Wesentlichen kleiner als eine radiale Ausdehnung der Lichtsensoren ist.The device of claim 22, wherein a radial extent of the light blocking elements is substantially less than a radial extent of the light sensors. Einrichtung nach Anspruch 22 oder 23, wobei die radiale Ausdehnung der Lichtblockerelemente nicht größer als eine radiale Ausdehnung eines Innenrands der Lichtsensoren ist.A device according to claim 22 or 23, wherein the radial extent of the light blocking elements is not greater than a radial extent of an inner edge of the light sensors. Einrichtung nach Anspruch 22, 23 oder 24, wobei das Übertragen des Lichts das Scheinen von Licht von einer einheitlichen Lichtquelle aufweist, die im Allgemeinen mit der Achse der Welle ausgerichtet ist.The device of claim 22, 23 or 24, wherein transmitting the light comprises emitting light from a unitary light source that is generally aligned with the axis of the wave. Einrichtung nach Ansprüchen 22 bis 25, wobei die erste Anzahl segmentierter Lichtsensoren vier Lichtsensoren aufweist.Device according to claims 22 to 25, wherein the first number of segmented light sensors comprises four light sensors. Einrichtung nach Ansprüchen 22 bis 26, wobei die Lichtsensoren ein Lichtsensormaterial aufweisen, das auf Licht anspricht, und wobei eine lineare Zunahme des Lichts pro Flächeneinheit, das auf diese auftrifft, eine im Wesentlichen lineare Zunahme des Ausgangssignals bewirkt.The device of claims 22 to 26, wherein the light sensors comprise a light sensor material responsive to light, and wherein a linear increase in the light per unit area impinging thereon causes a substantially linear increase in the output signal. Einrichtung nach Ansprüchen 22 bis 27, wobei die Lichtblockerelemente Blätter umfassen.The device of claims 22 to 27, wherein the light blocking elements comprise leaves. Einrichtung nach Ansprüchen 22 bis 28, wobei der Lichtblocker ein im Wesentlichen transparentes Rohr aufweist, das opake Elemente darauf aufgebracht hat.The device of claims 22 to 28, wherein the light blocker comprises a substantially transparent tube having opaque elements thereon.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113432534A (en) * 2020-12-25 2021-09-24 深圳市中图仪器股份有限公司 Coordinate measuring instrument considering thermodynamic load balance
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