DE3229343C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung geht von einem Sensor nach der Gattung des Anspruchs 1 aus.
Es ist eine derartige Vorrichtung bekannt (US-A 42 18 623), mit der Bewegungen eines optischen
Abbildes festgestellt werden können. Die bekannte Vorrichtung enthält eine Reihe von lichtempfindlichen
Elementen, die verschiedene Formen und Flächen aufweisen. Die Elemente sind in Gruppen aufgeteilt
und in bestimmter Weise miteinander verbunden. Das Ausgangssignal der einzelnen Gruppen wird über
einen Strom-Spannungswandler zu einer Modulationsschaltung geführt, in welcher eine Sinusspannung
für die Modulation des Ausgangssignals erzeugt wird. Danach werden alle modulierten Signale addiert.
Das durch die Addition erhaltene Signal wird über ein Bandpaßfilter an eine Schaltung weitergeleitet, in
welcher die Phasendifferenz zwischen dieser Signalspannung und einer an den Ausgängen des
Sinusgenerators liegenden Sinusspannung gemessen wird. Tritt eine größer werdende Phasendifferenz
auf, so bedeutet dies nur, daß das optische Abbild sich von einer Seite zur anderen Seite des Sensors
bewegt. Mit der bekannten Vorrichtung kann auch die Richtung der Bewegung ermittelt werden.
Es ist weiterhin eine Einrichtung zum berührungslosen Messen der Geschwindigkeit bekannt (DE-OS
24 50 439), bei der der von zwei um 90° zueinander versetzten Sensoren erfaßte Teil einer Bezugsfläche
auf den Gitterebenen abgebildet wird, deren Struktur als Fotoempfänger ausgebildet ist. Aus den von den
Fotoempfängern abgegebenen Frequenzspektren wird je eine bestimmte Mittenfrequenz abgeleitet, die
ein Maß für die Geschwindigkeit und die Bewegungsrichtung ist. Die Bestimmung der Bewegungsrich
tung ist jedoch nur in dem durch die gegenseitige Lage der beiden Sensoren gegebenen Quadranten des
Koordinatensystems möglich. Das Meßergebnis ist somit mehrdeutig, wenn die Geschwindigkeitsvekto
ren den gleichen Betrag haben, aber in entgegengesetzter Richtung verlaufen, wie zum Beispiel bei
einem Kraftfahrzeug, das vorwärts und rückwärts fahren kann.
Die beiden vorstehend erläuterten bekannten Einrichtungen sind nicht für die Erfassung aller
relevanten Bewegungen eines Kraftfahrzeuges geeignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor für Relativbewegungen von insbesondere
Kraftfahrzeugen zu schaffen, mit dem folgende Größen ermittelt werden können:
- - die augenblickliche Geschwindigkeit,
- - der zurückgelegte Weg,
- - die augenblickliche Fahrtrichtung,
- - die Vorwärts- bzw. Rückwärtsrichtung des Sensors bzw. des Kraftfahrzeuges.
Die vorstehend beschriebene Aufgabe wird bei einem Sensor der eingangs genannten Art durch die
im jeweiligen Kennzeichen des Anspruchs 1 bzw. 2 offenbarten Maßnahmen gelöst. Die Gitter können als
ein monolithisch integriertes Bauteil realisiert werden, so daß, wenn zum Beispiel die Silizium-
Planartechnik angewendet wird, eine Sensorfertigung als Serienfertigung bei hoher Präzision möglich
ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bekannten Sensors für Relativbewegungen,
Fig. 2 eine bekannte Fotoempfängerstruktur mit zwei kammförmigen, ineinander verschachtelten
Gittern,
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Fotoempfängerstruktur von vier kammförmigen, ineinander ver
schachtelten Gittern,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Sensors mit zwei Fotoempfängerstrukturen nach Fig. 3
zum Erfassen der Bewegung eines Fahrzeuges, und
Fig. 5 eine Alternative zu der Fotoempfänger-Anordnung gemäß Fig. 4.
Bei der in Fig. 1 gezeigten prinzipiellen Darstellung eines Sensors für Relativbewegungen wird eine
Bezugsfläche 10 über ein optisches System 11, das als optische Linse dargestellt ist, auf einem
Gittersystem 12 abgebildet. Die Bezugsfläche muß eine statistische Struktur aufweisen, wie es beispiels
weise bei einem Straßenbelag für erdgebundene Fahrzeuge oder bei der Erdoberfläche für ein Flugzeug
der Fall ist. In der Gitter- bzw. Bildebene ist die Gitterstruktur 13 durch Fotoempfänger realisiert. Das
durch diese gitterartig angeordneten Fotoempfänger erzeugte elektrische Signal weist neben niederfre
quenten Änderungen eine Modulation auf, deren Frequenz in einem Zusammenhang mit der Geschwin
digkeit der Bezugsfläche 10 relativ zum Sensor nach Fig. 1 steht. Es gilt die Beziehung:
f = (m · v)/G , (1)
wobei v die relative Geschwindigkeit zwischen Bezugsfläche 10 und Sensor 11, 12 in Metern pro
Sekunde, G eine rasterabhängige Gitterkonstante in Metern, m der optische Abbildungsmaßstab, mit dem
die Bezugsfläche 10 auf dem Gittersystem 12 abgebildet wird, und f die Frequenz des Geschwindigkeitssi
gnals in 1/s bedeuten. Will man anstelle der Geschwindigkeit v den zurückgelegten Weg s bestimmen, so
muß die Anzahl der Perioden des Geschwindigkeitssignals ermittelt werden.
Das Meßprinzip selbst und die Auswertung ist dem Fachmann durch den Stand der Technik
hinreichend bekannt.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten bekannten monolithisch integrierten Gittersystem 12 ist auf einem Si-
Substrat 14 vom ersten Leitungstyp (zum Beispiel n-leitend) eine Gitterstruktur 13 aufgebracht, die aus
streifenförmigen Diffusionszonen vom zweiten Leitungstyp (zum Beispiel p-leitend) besteht. Somit bilden
sich als Fotodioden geeignete p-n-Übergänge aus. Anstelle von Fotodioden können natürlich grundsätz
lich auch Fototransistoren oder andere fotoelektrische Wandler eingesetzt werden. Über zwei streifenför
mige Metallisierungen 15, 16 werden die streifenförmigen Diffusionszonen der Gitterstruktur 13 so
miteinander verbunden, daß zwei ineinander verschachtelte, kammförmige Fotodiodenstrukturen entste
hen, die eine Gitterkonstante G aufweisen, die gleich dem doppelten Abstand benachbarter Diffusionszo
nen ist. Die elektrische Verbindung der Metallisierungen 15, 16 mit Gitterstruktur 13 ist durch Rechtecke
17 entsprechend den Kontaktfenstern im Oxid beim Silizium-Planarprozeß dargestellt. Da die Fotodioden
in dieser Anordnung eine gemeinsame Elektrode - hier das Substrat 14 als Kathode - aufweisen, ist
eine Subtraktion der Fotoströme zur Unterdrückung des Gleichlichtanteils durch Antiparallelschaltung
nicht möglich. Der Strom der über die Metallisierung 15 verbundenen Dioden wird daher dem
invertierenden Eingang eines Verstärkers 18 zugeführt, der über einen Widerstand 19 gegengekoppelt ist.
Der nichtinvertierende Eingang des Verstärkers 18 liegt an Masse. Der Ausgang des Verstärkers 18 ist
sowohl mit einer ersten Ausgangsklemme 20 als auch über einen Widerstand 21 mit dem invertierenden
Eingang eines zweiten Verstärkers 22 verbunden, dem der Strom der über die Metallisierung 16
verbundenen Dioden zugeführt ist. Dieser zweite Verstärker 22 ist über einen Widerstand 23 gegengekop
pelt. Der nichtinvertierende Eingang liegt an Masse. Der Ausgang ist mit einer zweiten Ausgangsklemme
24 verbunden.
Die beschriebene, bekannte Anordnung ermöglicht bei gleichzeitigem Kurzschlußbetrieb der Dioden
der Gitterstruktur 13 die Subtraktion der Fotoströme. Durch diese Subtraktion wird der Anteil des
Gleichlichtes unterdrückt und nur die aus dem Ortsspektrum gefilterte Komponente verstärkt. Der Betrag
der Spannung am Ausgang des Verstärkers 18 ist - in Abhängigkeit von dem Widerstand 19 - direkt
proportional zum Strom der mit der Metallisierung 15 verbundenen Dioden. Die mit der Metallisierung 16
verbundenen Dioden speisen den Strom in den invertierenden Eingang des Verstärkers 22 ein. Die
Gegenkopplung der Verstärker 18, 22 bewirkt, daß die invertierenden Eingänge virtuell auf dem Potential
Null gehalten werden. Die Verbindung des Ausgangs des Verstärkers 18 mit dem Eingang des Verstärkers
22 über den Widerstand 21 prägt daher dem Eingang des Verstärkers 22 einen Strom ein, der genau dem
negativen Wert des Stroms der mit der Metallisierung 15 verbundenen Dioden entspricht, sofern die
Widerstände 19, 21 gleich groß sind. Die Ausgangsspannung an der Klemme 24 ist somit - in
Abhängigkeit von dem Widerstand 23 - proportional zur Differenz der Ströme aus den beiden
Metallisierungen 15, 16. An der Ausgangsklemme 20 liegt, wie bereits erwähnt, das verstärkte Signal aus
den mit der Metallisierung 15 verbundenen Dioden. Dieses Signal enthält noch den Gleichlichtanteil und
kann beispielsweise zu Meßzwecken verwendet werden.
Es sei noch erwähnt, daß es beim Messen von Bewegungen erforderlich sein kann, bestimmte
Kennungen, zum Beispiel Startinformationen zur Initialisierung des Auswertesystems, zu übermitteln.
Werden diese Kennungen als kontrastreiche Muster, zum Beispiel helle Streifen auf dunklem Grund, die
die Informationen in geeigneter Kodierung enthalten, auf die Bezugsfläche 10 aufgebracht, ist es
beispielsweise mit der Anordnung gemäß Fig. 2 möglich, über das an der Ausgangsklemme 20 des
Verstärkers 18 vorliegende Signal die Kennungen zu erfassen und nach entsprechender Signalverfor
mung und Dekodierung in das Auswertesystem einzulesen.
In Fig. 3 ist ein Gittersystem 30 dargestellt, dessen Gitterstruktur 13 aus streifenförmigen Diffusions
zonen besteht. Diese Diffusionszonen sind über vier streifenförmige Metallisierungen 31 bis 34 in der
Weise miteinander verbunden, daß vier kammförmige, ineinander verschachtelte Gitter entstehen. Dies
geschieht dadurch, daß versetzt jede vierte Diffusionszone der Gitterstruktur 13 mit einer Metallisierung
verbunden ist. Die Verbindungspunkte sind in Fig. 3 durch Rechtecke 17 symbolisiert. Die Gitterkonstante
G entspricht dem Abstand zwischen vier Diffusionszonen. Die Metallisierungen 31 und 33 sind mit einer
ersten Subtrahierstufe 35 und die Metallisierungen 32 und 34 mit einer zweiten Subtrahierstufe 36
verbunden, wodurch wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 die entsprechenden Fotodiodenströme
subtrahiert werden. Dabei können die Subtrahierstufen 35 und 36 entsprechend der Schaltung nach Fig.
2 aufgebaut sein. Die beiden Ausgangsfrequenzen f und f′ der Subtrahierstufen 35 und 36 sind zueinander
phasenversetzt und werden einer Phasendifferenz-Meßstufe 37 zugeführt. Durch die Phasendifferenz
zwischen den Ausgangsfrequenzen f und f′ kann festgestellt werden, ob die Bewegung des optischen
Abbildes der Bezugsfläche 10 (Fig. 1) von links nach rechts oder von rechts nach links bezüglich des
Gittersystems 30 erfolgt ist.
Soll eine zweidimensionale Bewegung eines Landfahrzeuges erfaßt werden, so werden gemäß Fig. 4
zwei Gittersysteme 40, 41, die den gleichen Aufbau wie das Gittersystem 30 nach Fig. 3 haben
einschließlich ihrer Stufen 35, 36, 37, derart zu einem Sensor 42 vereinigt, daß ihre Symmetrieachsen 43
und 44 einen Winkel 2α einschließen, wobei α der Winkel zwischen einer Symmetrieachse 45 des
Sensors 42 und je einer Symmetrieachse 43, 44 der Gittersysteme liegt.
Eine weitere Möglichkeit zur Erfassung des Bewegungsvektors zeigt der Sensor 50 nach Fig. 5.
Dazu werden zwei mit ihren Symmetrieachsen 53, 54 um 90° zueinander versetzte Gittersysteme 51, 52
nebeneinander angeordnet. Der Bewegungswinkel β ist dabei der Winkel zwischen der Symmetrieachse 55
des Sensor 50 und dem Bewegungsvektor , der durch das Zentrum des in der Fig. 5 dargestellten
unteren Gittersystems 52 führt. Die Ausgangssignale sind vom oberen Gittersystem 51:
f₁ = (m/G) v · cos β und sign (v · cos β)
vom unteren Gittersystem 52:
f₂ = (m/G) v · sin β und sign (v · sin β) .
Durch Auflösen der Gleichungen lassen sich wiederum die erforderlichen Größen zur eindeutigen
Festlegung der zweidimensionalen Bewegung errechnen.
Claims (2)
1. Sensor für Relativbewegungen zu einer Bezugsfläche (10), wobei der jeweils erfaßte Teil der
Bezugsfläche auf einem Gittersystem (30) aus kammförmigen, ineinander verschachtelten fotoelektri
schen Gittern abgebildet und erfaßt wird, welches mit einer Vorrichtung (37) zur Messung der
Phasendifferenz zwischen einem von dem Gittersystem abgeleiteten ersten Signal und einem zweiten
Signal verbunden ist, und wobei von dem Ausgangssignal der Vorrichtung (37) ein Bewegungsvektor
abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwei aus je vier kammförmigen Gittern (13, 31 . . . 34)
bestehende Gittersysteme (40, 41) vorgesehen sind, die um einen festlegbaren Winkel 2α zueinander
versetzt angeordnet sind, wobei α der Winkel zwischen der Symmetrieachse (45) des Sensors (42) und
der Symmetrieachse (43, 44) des jeweiligen Gittersystems (40, 41) ist, daß das erste und dritte Gitter eines
jeden Gittersystems mit einer dritten Subtrahierstufe (35) und das zweite und vierte Gitter eines jeden
Gittersystems mit einer zweiten Subtrahierstufe (35) verbunden sind, daß je zwei mit einem Gittersystem
verbundene Subtrahierstufen (35, 36) mit den Eingängen je einer Vorrichtung (37) verbunden sind und
jeweils das erste und zweite Signal liefern, und daß die Ausgangssignale der beiden Vorrichtungen (37)
und die Frequenzen der Ausgangssignale der Subtrahierstufen (35, 36) zur Berechnung des Betrages und
des Winkels des Geschwindigkeitsvektors und des zurückgelegten Weges bei der Relativbewegung dienen.
2. Sensor für Relativbewegungen zu einer Bezugsfläche (10), wobei der jeweils erfaßte Teil der
Bezugsfläche auf einem Gittersystem (30) aus kammförmigen, ineinander verschachtelten fotoelektri
schen Gittern abgebildet und erfaßt wird, welches mit einer Vorrichtung (37) zur Messung der
Phasendifferenz zwischen einem von dem Gittersystem abgeleiteten ersten Signal und einem zweiten
Signal verbunden ist, und wobei von dem Ausgangssignal der Vorrichtung (37) ein Bewegungsvektor
abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwei aus je vier kammförmigen Gittern (13, 31 . . . 34)
bestehende Gittersysteme (51, 52) vorgesehen sind, von denen die Symmetrieachse (53) des einen
Gittersystems (51) einen Winkel α₁=0° und die Symmetrieachse (54) des anderen Gittersystems (52)
einen Winkel α₂=90° gegenüber der Symmetrieachse (55) des Sensors (50) aufweisen, und daß das
erste und das dritte Gitter eines jeden Gittersystems mit einer ersten Subtrahierstufe (35) und das zweite
und vierte Gitter eines jeden Gittersystems mit einer zweiten Subtrahierstufe (36) verbunden ist, daß je
zwei mit einem Gittersystem verbundene Subtrahierstufen (35, 36) mit den Eingängen je einer
Vorrichtung (37) verbunden sind und jeweils das erste bzw. zweite Signal liefern, und daß die
Ausgangssignale der beiden Vorrichtungen (37) und die Frequenzen der Ausgangssignale der Subtrahier
stufen (35, 36) zur Berechnung des Betrages und des Winkels des Geschwindigkeitsvektors und des
zurückgelegten Weges bei der Relativbewegung dienen.
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