DE3544290A1 - Vorrichtung zur bestimmung der position eines wenigstens eine abtastende lichtquelle aufweisenden positionsgebers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines wenigstens eine abtastende Licht­ quelle aufweisenden Positionsgebers mit einer Licht­ empfängeranordnung, die wenigstens einen Fluoreszenz­ kollektor aufweist, dessen Sammlerfläche mit dem Licht der Lichtquelle beaufschlagbar ist und die an wenig­ stens einer Berandungsfläche über eine Lichtdetek­ toranordnung verfügt, die an eine Auswerteeinrichtung mit einer Anzeigeeinrichtung angeschlossen ist.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der nicht vorver­ öffentlichten Patentanmeldung P 35 11 757.5-52 bekannt und gestattet es, durch Auswerten analoger Signale die Position eines Positionsgebers zu bestimmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine digitale Signalerfassung und Signalauswertung mit den sich durch die Digitalisierung ergebenden Vorteilen ge­ stattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Sammlerfläche eine in Abtastrichtung periodisch strukturierte bezüglich der Transparenz binäre Kodie­ rungsschicht zugeordnet ist.

Bei einer Bewegung des Positionsgebers erfolgt eine Abtastung entlang der Kodierungsschicht, wobei im Fluoreszenzkollektor Lichtimpulse erzeugt werden, die durch die Lichtdetektoranordnung in elektrische Impulse verwandelt werden und in einer Digitalschaltung ausge­ wertet werden können.

Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung sind mehrere derartige Anordnungen quer zur Ab­ tastrichtung nebeneinander angeordnet, wobei eine Ko­ dierscheibe mit mehreren Kodierungsstreifen vorgesehen ist, die für jede Position des Positionsgebers ein ein­ deutiges digitales Signal zu erzeugen gestattet. Das digitale Signal entspricht einer Dualzahl, die die Position des Positionsgebers darstellt.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische und schematische Dar­ stellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung und

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel in einer der Fig. 1 entsprechenden Darstellungsweise.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung verfügt über einen Positionsgeber 1, der in Richtung der Pfeile 2 und 3 verschiebbar ist. Der Positionsgeber 1 enthält eine Lichtquelle 4, deren Licht einen Spalt 5 beleuch­ tet, der mit Hilfe einer in der Zeichnung nicht darge­ stellten Optik auf einen Positionsempfänger 6 abgebil­ det wird.

Der Positionsempfänger 6 verfügt über einen platten­ förmigen Fluoreszenzkollektor 7, der in an sich bekann­ ter Weise aus einer transparenten Schicht besteht, deren Brechungsindex größer als der des umgebenden Mediums ist und die Fluoreszenzzentren enthält. Licht,

das über die in Richtung auf den Positionsgeber weisen­ de Sammlerfläche 8 in den Fluoreszenzkollektor 7 einge­ strahlt wird, erzeugt in der aus einem transparenten Grundmaterial bestehenden und mit fluoreszierenden Zentren versehenen Platte eine Sekundärstrahlung, die sich innerhalb des einen flachen Lichtwellenleiter bil­ denden Fluoreszenzkollektor 7 als längerwelliges Fluo­ reszenzlicht ausbreitet. Ein kleiner Teil des reemit­ tierten Lichtes verläßt den Fluoreszenzkollektor 7 an den Oberflächen, jedoch wird der größte Teil an den Oberflächen total reflektiert und daher in der Platte geführt. Das so gesammelte Licht kann an den Beran­ dungsflächen oder Seitenkanten 9 aus dem plattenförmi­ gen Fluoreszenzkollektor 7 austreten und mit Hilfe von Lichtdetektoren 10 erfaßt werden.

Wie man in Fig. 1 erkennt, sind an der Seitenkante 9 mehrere Lichtdetektoren 10 vorgesehen, die parallel geschaltet sind und mit dem Eingang eines Schmitt- Triggers 11 verbunden sind. Wenn die Intensität des vom Fluoreszenzkollektor 7 an die Lichtdetektoren 10 abge­ gebenen Lichtes sich verändert, schaltet der Schmitt- Trigger 11 entsprechend um. Am Ausgang des Schmitt- Triggers 11 ist eine Auswerteeinrichtung 12 angeschlos­ sen, die ihrerseits mit einer Anzeigeeinrichtung 13 verbunden ist.

Die Auswerteeinrichtung 12 kann beispielsweise aus einem Frequenzmesser oder einem Zähler bestehen.

Zwischen dem Fluoreszenzkollektor 7 und dem Positions­ geber 1 ist eine Glasscheibe 14 angeordnet, auf der streifenförmig transparente Felder 15 und nichttrans­ parente Felder 16 angeordnet sind, die sich quer zur Richtung der Pfeile 2, 3 erstrecken. Die transparenten Felder 15 und die nichttransparenten Felder 16 bilden auf der Glasscheibe 14 eine Strichkodierung, die es je nach dem Aufbau der Auswerteeinrichtung 12 gestattet, die Position des Positionsgebers 1 oder dessen jewei­ lige Geschwindigkeit bei einer Bewegung entlang den Pfeilen 2 und 3 zu erfassen.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Position des Positions­ gebers 1 befindet sich das Spaltbild 17 des Spaltes 5 in der Mitte eines transparenten Feldes 15, so daß die Lichtdetektoren 10 an der Seitenkante 9 ein hohes Sig­ nal abgeben. Um die Intensität des von den Lichtdetek­ toren 10 erfaßten Lichtes möglichst hoch zu halten, ist der Fluoreszenzkollektor 7 am Seitenrand 18 sowie an der Seitenkante 9 zwischen den Lichtdetektoren 10 vor­ zugsweise verspiegelt, um dadurch das Austreten von Licht und somit Lichtverluste zu vermeiden.

Wenn der Positionsgeber 1 sich beispielsweise in Rich­ tung des Pfeiles 2 bewegt, gelangt das Spaltbild 17 wenig später auf das nichttransparente Feld 16, wobei das Eingangssignal am Schmitt-Trigger 11 abfällt und der Schmitt-Trigger 11 an die Auswerteeinrichtung 12 eine Impulsflanke abgibt. Die Frequenz der Impulse am Ausgang des Schmitt-Triggers 11 bei einer Bewegung des Positionsgebers 1 hängt von der Geschwindigkeit der Bewegung des Positionsgebers 1 in Richtung der Pfeile 2 oder 3 ab. Wenn daher in der Auswerteeinrichtung 12 ein Frequenzmesser vorgesehen ist, kann die in Fig. 1 dar­ gestellte Anordnung dazu verwendet werden, die Ge­ schwindigkeit des Positionsgebers 1 zu messen.

Verwendet man in der Auswerteeinrichtung 12 einen Rauf-Runter-Zähler, der bei einer Richtungsumkehr des Positionsgebers 1 umgeschaltet wird, so gestattet es die Auswerteeinrichtung 12, die jeweilige Position des Positionsgebers 1 zu bestimmen.

Eine Auswertung der Bewegungsrichtung des Positions­ gebers 1 ist beispielsweise in der Weise möglich, daß abwechselnd nichttransparente Felder 16 mit einer ersten und mit einer zweiten Breite verwendet werden. Wenn beispielsweise bei einer Abtastung in Richtung des Pfeiles 2 zunächst jeweils ein schmales nichttranspa­ rentes Feld 16 und danach ein breites nichttransparen­ tes Feld 16 abgetastet werden, so kann aus dem Verhält­ nis der Impulsbreiten in der Auswerteeinrichtung 12 festgestellt werden, ob der Rauf-Runter-Zähler auf Hochzählen oder Runterzählen geschaltet sein muß. Somit ist es möglich, mit unterschiedlichen Strichbreiten und Strichabständen eine Kodierscheibe zu schaffen, die es gestattet, nicht nur die Geschwindigkeit oder die Be­ schleunigung des Positionsgebers 1 zu erfassen, sondern auch dessen Position in Bezug auf den Positionsemp­ fänger 6. Die Anzeigeeinrichtung 13 zeigt je nach dem Aufbau der Auswerteeinrichtung 12 somit eine Geschwin­ digkeit, eine Beschleunigung oder eine Position an.

Während bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbei­ spiel eine einfache Strichkodierung verwendet wird, zeigt das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel eine Kodierscheibe, die das Erzeugen von Dualzahlen gestattet. Statt eines einzigen Fluoreszenzkollektors 7 verfügt die Vorrichtung gemäß Fig. 2 über vier Fluores­ zenzkollektorstäbe 20, 21, 22 und 23. Die Sammlerflä­ chen 8 weisen in Richtung auf die Kodierscheibe 24, deren Kodierungsschicht das in Fig. 2 erkennbare spe­ zielle Muster aufweist. Wie man erkennt, ist die Breite der nichttransparenten Felder 16 in den Kodierungs­ streifen 25, 26, 27 und 28 verschieden. Die Breite der nichttransparenten Felder 16 des Kodierungsstreifens 26 ist doppelt so groß wie die des Kodierungsstreifens 25. Die Zahl der nichttransparenten Felder 16 ist halb so groß. Die transparenten Felder 15 haben die gleiche Breite wie die nichttransparenten Felder 16. Die nicht­ transparenten Felder 16 der Kodierstreifen 25, 26, 27, 28 sind dabei so angeordnet, daß ein in Fig. 2 tiefer liegendes nichttransparentes Feld 16 sich über eine Länge erstreckt, die der gemeinsamen Länge eines höher liegenden transparenten Feldes 15 und eines nichttrans­ parenten Feldes 16 entspricht. Aus diesem Grunde ge­ stattet die Kodierscheibe 24 eine Umsetzung der Posi­ tion des Positionsgebers 1 unmittelbar in eine Dual­ zahl.

Wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Positionsgeber 1 des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 2 in Richtung der Pfeile 2 und 3 parallel zur Ebene der Kodierscheibe 24 verschiebbar. Der durch die Lichtquelle 4 beleuchtete Spalt 5 erzeugt mit Hilfe einer in Fig. 2 nicht dargestellten Linsenanordnung ein Spaltbild 17, das im Kodierstreifen 25 in ein transpa­ rentes Feld 15 und im Kodierstreifen 26 in ein nicht­ transparentes Feld 16 fällt. In den Kodierstreifen 27 und 28 fällt das Spaltbild 17 wiederum in transparente Felder 15. Wenn man den nichttransparenten Feldern 16 den Binärwert 1 zuordnet und die Folge der den Kodier­ streifen 25, 26, 27, 28 zugeordneten Binärwerte be­ trachtet, ist das in Fig. 2 dargestellte Spaltbild 17 der Dualzahl 2 zugeordnet. Bei einer Bewegung des Positionsgebers 1 in Richtung des Pfeiles 2 werden nacheinander die Dualzahlen bis 15 durchlaufen, wenn das Spaltbild den rechten Rand der Kodierscheibe 24 erreicht.

Zur Erfassung der so definierten Dualzahlen dienen die Kollektorstäbe 20-23, deren Sammlerflächen 8 jeweils mit dem binär modulierten Licht des Spaltbildes 17 beaufschlagt werden. Die Umwandlung des optischen Binärbildes in eine Folge von vier elektrischen Span­ nungen geschieht mit Hilfe von Lichtdetektoren 29, 30, 31 und 32. Um die Lichtausbeute zu erhöhen, sind die nicht mit den Lichtdetektoren 29, 30, 31 und 32 be­ deckten Randteile der Fluoreszenzkollektorstäbe 20, 21, 22 und 23 verspiegelt. Entsprechendes gilt für die Rückseiten, d.h. die den Sammlerflächen 8 gegenüberlie­ genden Seiten der Fluoreszenzkollektorstäbe 20, 21, 22 und 23. Die Rückseite des Fluoreszenzkollektors 7 in Fig. 1 ist vorzugsweise ebenfalls verspiegelt und da­ durch optisch isoliert. Durch die optische Isolierung zwischen den Fluoreszenzkollektorstäben 20, 21, 22 und 23 wird ein Übersprechen vermieden.

Wie man in Fig. 2 erkennt, sind die Lichtdetektoren 29, 30, 31 und 32 mit Schmitt-Triggern 34, 35, 36 und 37 verbunden, deren Ausgangssignale einen Dekodierer 38 speisen. Der Dekodierer 38 setzt das elektrische digi­ tale Eingangssignal, das der durch die Lage des Spalt­ bildes 17 festgelegten Dualzahl entspricht, in eine Hexadezimalzahl um, die mit Hilfe der Anzeigeeinrich­ tung 39 sichtbar gemacht wird. Die Anzeigeeinrichtung 39 zeigt somit immer die Position des Positionsgebers 1 an, wobei bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungs­ beispiel eine Auflösung der Position mit lediglich vier Bit der Einfachheit halber dargestellt worden ist.

Selbstverständlich ist es möglich, statt des Bildes eines quer zur Bewegungsrichtung und Längsrichtung der Kodierscheibe 24 verlaufenden Spaltbildes 17 eine andere Beleuchtungsanordnung zu wählen. Beispielsweise können auch vier übereinander stehende Leuchtdioden verwendet werden, die in einer gemeinsamen Senkrechten fokussieren, um durch die Kodierscheibe 24 hindurch die vier Fluoreszenzkollektorstäbe 20, 21, 22 und 23 zu beleuchten, die durch beidseitig verspiegelte Folien voneinander optisch isoliert sind. Auch in diesem Fall erhalten die Lichtdetektoren 29, 30, 31 und 32 an den Kantenausgängen der Fluoreszenzkollektorstäbe 20, 21, 22 und 23 eine Hell-Dunkelverteilung, die durch die Binärkodierung auf der vorzugsweise aus Glas bestehen­ den Kodierscheibe 24 den Ort des Positionsgebers 1 ein­ deutig bestimmt.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Lichtquelle 4 fest auf der durch die Pfeile 2 und 3 definierten Achse zu installieren und auf dem Positionsgeber 1 einen Spiegel anzuordnen, der das Licht der Lichtquelle senkrecht auf die Kodierscheibe 24 abbildet.

Durch ein Hintereinanderschalten mehrerer Positions­ empfänger 6 oder das Auslesen des Fluoreszenzlichtes an mehreren Stellen der Fluoreszenzkollektoren können be­ liebig große Distanzen bei hoher Genauigkeit erfaßt werden.

Ordnet man beispielsweise zwei Positionsempfänger 6 gemäß Fig. 2 im rechten Winkel zueinander an, so ist es auch möglich, die Position eines Positionsgebers 1 in kartesischen Koordinaten zu bestimmen.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Position eines wenigstens eine abtastende Lichtquelle aufweisen­ den Positionsgebers mit einer Lichtempfängeranord­ nung, die wenigstens einen Fluoreszenzkollektor aufweist, dessen Sammlerfläche mit dem Licht der Lichtquelle beaufschlagbar ist und die an wenig­ stens einer Berandungsfläche über eine Lichtdetek­ toranordnung verfügt, die an eine Auswerteeinrich­ tung mit einer Anzeigeeinrichtung angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammlerfläche (8) eine in Abtastrichtung perio­ disch strukturierte bezüglich der Transparenz binäre Kodierungsschicht (14-16, 24-28) zuge­ ordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die binäre Kodierungs­ schicht abwechselnd in Abtastrichtung gleich breite transparente und nichttransparente Felder (15, 16) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß aufeinanderfolgende Felder (16) gleicher Transparenz gleichartig sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jeweils die übernächsten Felder (16) gleicher Transparenz gleichartig sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere verschieden strukturierten Kodierungsstreifen (25 -28) zugeordnete Fluoreszenzkollektorstäbe (20- 23) quer zur Abtastrichtung (2, 3) nebeneinander angeordnet sind, die gleichzeitig beleuchtbar sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Binärmuster der Ko­ dierungsstreifen (20-23) entsprechend einer Dualzahlenfolge ausgebildet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß den Fluoreszenzkollek­ torstäben (20-23) jeweils ein mit einem gemein­ samen Dekodierer (28) verbundener Lichtdetektor (29-32) zugeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht­ detektoranordnung (10) mit einem Zähler oder Fre­ quenzmesser (12) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (12) ein Rauf-Runter-Zähler ist, dessen Zählrichtung in Abhängigkeit von der Reihenfolge der ungleichen Felder beim Abtasten umschaltbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kodierungsstreifen (15, 16, 25-28) durch einen quer zur Abtastrich­ tung verlaufenden Spalt (5, 17) beleuchtet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß jedem Fluoreszenzkollek­ torstab (20-23) eine eigene Lichtquelle zuge­ ordnet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwei durch die Licht­ quelle (4) beleuchtete Fluoreszenzkollektorstab­ anordnungen (6, 20-23) vorgesehen sind, die im rechten Winkel zueinander angeordnet sind, so daß die eine Kodierungsstreifenanordnung (25-28) die erste und die zweite Kodierungsstreifenanordnung (25-28) die zweite Koordinate in einem recht­ winkligen Koordinatensystem erfaßt.