DE3640156A1 - Winkelkodierer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Winkelkodierer gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art. Ein derartiger Winkelkodierer wird beispielsweise als bewegbarer Teilungs- oder Wegstreckensensor verwendet, um den Drehwinkel einer sich drehenden Achse oder Welle zu detektieren.

Ein konventioneller Winkelkodierer dieser Art ist in Fig. 6 dargestellt. Er enthält eine feststehende und sehr genau hergestellte Schlitzplatte 3 mit Schlitzen 3 a, die unter­ einander einen gleichen Abstand haben. Ferner ist eine drehbare Schlitzscheibe 5 vorhanden, die mit einer drehba­ ren Welle 4 bzw. Achse fest verbunden ist. Die drehbare Schlitzscheibe 5 weist eine Vielzahl von Schlitzen 5 a auf, die sich in radialer Richtung der Scheibe erstrecken, un­ tereinander einen gleichen Abstand haben und im Randum­ fangsbereich der Schlitzscheibe 5 liegen. Die feststehen­ de Schlitzplatte 3 und die drehbare Schlitzscheibe 5 be­ finden sich im Strahlengang einer Detektoreinrichtung, die ein lichtemittierendes Element 1, beispielsweise eine lichtemittierende Diode, sowie ein lichtempfangendes Ele­ ment 2 enthält, das beispielsweise eine Photodiode sein kann.

Um möglichst kleine Winkeländerungen bei der Drehung der Achse 4 feststellen zu können, also bei Drehung der beweg­ baren Schlitzscheibe 5, muß die räumliche Dichte der Schlitze 3 a und 5 a sehr hoch gewählt werden, so daß die Schlitze sehr schmal hergestellt und mit einem geringen Abstand zueinander angeordnet werden müssen. Alternativ lassen sich auch die Durchmesser der Schlitzplatten 3 und 5 vergrößern. Größere Durchmesser der Schlitzplatten 3 und 5 führen jedoch zu erhöhten Abmessungen des Winkelko­ dierers, während es andererseits extrem schwierig ist, die Schlitze 3 a und 5 a mit einer hohen räumlichen Dichte herzustellen. Der konventionelle Winkelkodierer weist da­ her nur ein geringes Auflösungsvermögen auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Auflösungs­ vermögen des konventionellen Winkelkodierers zu erhöhen, und zwar ohne den Durchmesser der Schlitzscheiben zu ver­ größern oder die Breite und den Abstand der Schlitze zu verringern.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dem Un­ teranspruch zu entnehmen.

Ein Winkelkodierer nach der Erfindung zeichnet sich aus durch

• - zwei koaxial und benachbart zueinander angeordnete Schlitzscheiben mit jeweils einer Vielzahl von radial verlaufenden und untereinander in gleichen Abständen an­ geordneten Schlitzen, die am Randumfangsbereich der Schlitzscheiben liegen,
• - eine Lichtdetektoreinrichtung mit einem lichtemittie­ renden Element und einem lichtempfangenden Element, in deren Strahlengang die Schlitzscheiben angeordnet sind,
• - eine drehbare Achse, mit der die eine Schlitzscheibe fest verbunden ist, und
• - eine Kupplungseinrichtung, durch die die andere Schlitz­ scheibe in entgegengesetzter Richtung zu der einen Schlitzscheibe drehbar ist.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die andere Schlitzscheibe auf der Achse frei drehbar, wo­ bei mit der Achse ein Antriebszahnrad fest verbunden ist. Mit der genannten anderen Schlitzscheibe ist ein Hohlzy­ linder z. B. integral verbunden, der an seiner Innenflä­ che einen Zahnkranz aufweist und der das Antriebszahnrad übergreift. Ein freilaufendes Übertragungszahnrad kämmt mit dem Antriebszahnrad und dem Zahnkranz, so daß die Dre­ hung der Achse mit umgekehrter Drehrichtung auf die ande­ re Schlitzscheibe übertragen wird.

Die Zeichnung stellt neben dem Stand der Technik ein Aus­ führungsbeispiel der Erfindung dar. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Winkelkodie­ rers nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Winkelkodierer nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Frontansicht des in Fig. 1 dargestellten Winkelkodierers,

Fig. 4(a) bis 4(i) schematische Darstellungen zur Erläu­ terung von Änderungen in den Positionsbeziehun­ gen zwischen den Schlitzen während der Drehung beider Schlitzscheiben,

Fig. 5 die Wellenform von Ausgangssignalen eines Licht­ sensorbereichs während der Drehung der Schlitz­ scheiben, und

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines konventionel­ len Winkelkodierers.

Im nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfin­ dung anhand der Fig. 1 bis 5 näher erläutert. Entsprechend der Fig. 1 bis 3 weist ein Winkelkodierer nach der Erfin­ dung zwei Schlitzscheiben 6 und 7 mit demselben Durchmes­ ser auf, die jeweils eine große Anzahl von Schlitzen 6 a und 7 a besitzen, die sich in radialer Richtung erstrecken und untereinander jeweils gleiche Abstände haben. Die Schlitze 6 a und 7 a liegen im jeweiligen Umfangsrandbereich der Schlitzscheiben 6 und 7, die ihrerseits koaxial benach­ bart zueinander angeordnet sind und sich zwischen einer lichtemittierenden Einrichtung 1 und einer lichtempfangen­ den Einrichtung 2 befinden. Eine Schlitzscheibe 6 ist mit einer drehbaren Achse 8 verbunden, deren Drehung detek­ tiert werden soll, während die andere Schlitzscheibe 7 auf die drehbare Achse 8 aufgesetzt ist und relativ zu dieser gedreht werden kann. Mit der anderen Schlitzscheibe 7 ist weiterhin ein zylindrischer Körper 9 integral verbunden, der an seiner inneren Randfläche einen Zahnkranz 9 a (axial verlaufende Furchen) aufweist. Auf der drehbaren Achse 8 ist ein Antriebszahnrad 10 angeordnet, während ein um ei­ ne Trägerachse 11 drehbares und durch diese gestütztes Übertragungszahnrad 12 zwischen dem Antriebszahnrad 10 und dem Zahnkranz 9 a an der Innenseite des zylindrischen Kör­ pers 9 angeordnet ist und mit dem Antriebszahnrad 10 und dem Zahnkranz 9 a kämmt.

Im nachfolgenden wird der Betrieb des Winkelkodierers an­ hand der Fig. 4 und 5 näher beschrieben.

Die eine und mit der drehbaren Achse 8 verbundene Schlitz­ scheibe 6 dreht sich gemeinsam mit der Achse 8, während sich die andere Schlitzscheibe 7, auf die die Drehung der Achse 8 über das Antriebszahnrad 10, das Übertragungszahn­ rad 12 und den Zahnkranz 9 a des zylindrischen Körpers 9 übertragen wird, aufgrund der Verzahnung in einer Richtung entgegengesetzt zur Drehrichtung der Schlitzscheibe 6 dreht.

Es wird jetzt erläutert, welche Ausgangssignale von der lichtempfangenden Einrichtung 2 bei Drehung der einen Schlitzscheibe 6 um einen bestimmten Winkel erhalten wer­ den, die sich gemeinsam mit der drehbaren Achse 8 dreht. Ausgehend von einem Anfangszustand, bei dem sich die Schlitze 6 a und 7 a der Schlitzscheiben 6 und 7 gegenüber­ liegen, wie in Fig. 4(a) gezeigt ist, sei angenommen, daß sich die eine Schlitzscheibe 6 in der Fig. 4 nach rechts dreht, während sich die andere Schlitzscheibe in der Fig. 4 nach links dreht. Wenn sich die eine Schlitzscheibe 6 um denselben Abstand bzw. Drehabstand H wie die bewegba­ re Schlitzscheibe 7 dreht, so verschiebt sich die Rela­ tivstellung der Schlitze 6 a und 7 a der Schlitzscheiben 6 und 7 aufeinanderfolgend von der in Fig. 4(a) gezeigten Position zu der in Fig. 4(i) gezeigten Position. Die ent­ sprechenden Ausgangssignale der lichtempfangenden Einrich­ tung 2 sind in Fig. 5 gezeigt, wobei die Amplituden an den Stellen (a) bis (i) den in Fig. 4 gezeigten Relativ­ stellungen (a) bis (i) zugeordnet sind. Anhand der Fig. 5 ist zu erkennen, daß Dunkelsignale aufgrund einer voll­ ständigen Sperrung des Lichts zweimal erzeugt werden und daß das Auflösungsvermögen verbessert ist. In den Fig. 4 und 5 drehen sich beide Schlitzscheiben 6 und 7 mit der­ selben Rotationsgeschwindigkeit, jedoch läßt sich auch dann gegenüber dem konventionellen Winkelkodierer mit fe­ ster Schlitzplatte 3 ein höheres Auflösungsvermögen errei­ chen, wenn die Rotationsgeschwindigkeit der anderen Schlitzscheibe 7 geringer ist als die der einen Schlitz­ scheibe 6.

Entsprechend der Erfindung weist der Winkelkodierer zwei Schlitzscheiben auf, die benachbart und koaxial zueinan­ der angeordnet sind und die jeweils eine große Anzahl von sich radial erstreckenden Schlitzen besitzen, die unter­ einander gleiche Abstände haben und im Umfangsrandbereich der Scheiben liegen. Eine Schlitzscheibe ist mit einer drehbaren Achse verbunden, wobei diese Drehung detektiert werden soll. Beide Schlitzscheiben sind miteinander ver­ zahnt und drehen sich relativ zueinander in entgegenge­ setzten Richtungen. Hierdurch läßt sich ein hohes Auflö­ sungsvermögen erreichen, ohne daß der Durchmesser der Schlitzscheiben vergrößert werden muß und ohne daß Breite und Abstand der Schlitze reduziert werden müssen.

Soll der Winkelkodierer nach der Erfindung demgegenüber das gleiche Auflösungsvermögen wie der konventionelle Winkel­ kodierer aufweisen, so kann die Schlitzweite bzw. Schlitz­ breite sogar vergrößert werden, so daß die Schlitzscheiben leichter hergestellt werden können. Dies führt nicht nur zu einer Reduzierung der Herstellungskosten, sondern eben­ so zu einer Verminderung der Größe des Winkelkodierers.

Ist darüber hinaus die Schlitzbreite hinreichend groß, so kann auch ein befriedigender Effekt bei der Lichtunter­ brechung des von der lichtemittierenden Einrichtung aus­ gesandten Lichts erzielt werden, auch wenn die Abstände zwischen der lichtemittierenden Einrichtung und den bei­ den Schlitzscheiben größer gewählt werden.

Claims (2)

1. Winkelkodierer, gekennzeichnet durch

• - zwei koaxial und benachbart zueinander angeordnete Schlitzscheiben (6, 7) mit jeweils einer Vielzahl von radial verlaufenden und untereinander in gleichen Ab­ ständen angeordneten Schlitzen (6 a, 7 a), die am Rand­ umfangsbereich der Schlitzscheiben (6, 7) liegen,
• - eine Lichtdetektoreinrichtung mit einem lichtemittie­ renden Element (1) und einem lichtempfangenden Element (2), in deren Strahlengang die Schlitzscheiben (6, 7) angeordnet sind,
• - eine drehbare Achse (8), mit der die eine Schlitzschei­ be (6) fest verbunden ist, und
• - eine Kupplungseinrichtung, durch die die andere Schlitz­ scheibe (7) in entgegengesetzter Richtung zu der einen Schlitzscheibe (6) drehbar ist.

2. Winkelkodierer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Schlitzschei­ be (7) auf der Achse (8) frei drehbar ist, mit der Achse (8) ein Antriebszahnrad (10) fest verbunden ist, mit der genannten anderen Schlitzscheibe (7) ein Hohlzylinder (9) verbunden ist, der an seiner Innenfläche einen Zahn­ kranz (9 a) aufweist, der das Antriebszahnrad (10) über­ greift, und daß ein freilaufendes Übertragungszahnrad (12) mit dem Antriebszahnrad (10) und dem Zahnkranz (9 a) kämmt.