DE3924460A1

DE3924460A1 - Winkelschrittgeber

Info

Publication number: DE3924460A1
Application number: DE3924460A
Authority: DE
Inventors: Harm Drecoll
Original assignee: Litton Precision Products International GmbH
Current assignee: Litton Precision Products International GmbH
Priority date: 1988-07-27
Filing date: 1989-07-24
Publication date: 1990-02-01

Description

Die Erfindung betrifft einen Winkelschrittgeber und vorzugsweise einen absolu ten Winkelcodierer, also einen Meßfühler, der die momentane Winkelstellung ei ner Achse oder Welle in Form eines elektrischen Digitalsignals abgibt.

Bei absoluten Winkelschrittgebern oder Winkelcodierern steht die Winkelinfor mation in einem Digitalcode zu jeder Zeit in absoluter Form zur Verfügung, insbe sondere auch nach einer Betriebsunterbrechung oder einem Ausfall der Versor gungsspannung eines Systems, in das der Winkelschrittgeber eingebaut ist. Um bei bisher bekannten Winkelschrittgebern der genannten Art eine ausreichende Auflösung zu erhalten, ist ein vergleichsweise erheblicher mechanischer Präzisi onsaufwand erforderlich. Üblicherweise werden zwei oder mehr Codescheiben benutzt, die über untersetzende Präzisionsgetriebe mit einander gekuppelt sind.

Die Winkelpositionen der Codescheiben werden durch eine gehäusefeste Auslese optik erfaßt und über Codewandler in ein die Winkelposition angegebenes Digi talsignal umgesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Winkelschrittgeber erheblich zu ver einfachen und zu verbilligen, trotz im Vergleich zu herkömmlichen Winkel schrittgebern gleicher oder besserer Auflösung.

Ein Winkelschrittgeber erfindungsgemäßer Art ist gekennzeichnet durch

- ein innerhalb eines Gehäuses angeordnetes, mit der Achse des Winkelschrittge bers gekuppeltes Reflektorelement mit einer definierten Vielzahl einzelner Refle xionsflächen,
- eine das Reflektorelement bestrahlende Lichtquelle,
- eine innerhalb des Gehäuses angeordnete und mit diesem starr verbundene Bild wandlereinrichtung und durch
- eine Recheneinheit, welche die von der Bildwandlereinrichtung gelieferten Si gnale in festgelegter Taktfolge zwischenspeichert, die Zwischenspeicherwerte mit gespeicherten, externen Winkelpositionen zugeordneten Tabellenwerten ver gleicht und als Ergebnis des Vergleichs einen Winkel- oder Streckenwert im Digi talformat ausgibt.

Vorzugsweise wird als Bildwandlereinrichtung ein CCD-Bildwandlerelement verwendet, wie es aus dem Bereich der Videokameras oder anderen Bereichen der Optoelektronik bekannt ist.

Das Reflektorelement kann als sphärischer, insbesondere kugelförmiger Körper gestaltet sein, an dessen Oberfläche eine Vielzahl von sehr kleinen, vorzugsweise unregelmäßigen, ebenen Spiegelflächen fixiert sind. Ebenfalls in Frage kommt die Verwendung eines vorzugsweise sphärischen Kristallkörpers, etwa eines künstlichen Diamanten, wie sie heute vergleichsweise sehr preiswert auf dem einschlägigen Markt zu erhalten sind.

Die Lichtquelle(n) kann (können), muß (müssen) jedoch nicht notwendigerweise, (eine) Punktlichtquelle(n) sein. Wichtig ist lediglich, daß das von der oder den Lichtquelle(n) stammende Licht im Inneren des Gehäuses des Winkelschrittge bers nicht unmittelbar auf die Bildwandlereinrichtung strahlt und das von dem Reflektorelement auf die Bildwandlereinrichtung reflektierte Licht überdeckt.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn zwischen der (den) Lichtquelle(n) für weißes Licht und dem Reflektorelement (jeweils) ein Prisma angeordnet ist, da aufgrund der erzeugten Spektralfarben nicht nur die auf das CCD-Bildwandlerelement reflektierte Struktur, sondern auch die Farbe für jedes Pixel als Referenzwert für einen Winkel genommen werden kann. Dadurch ist das Auflösungsvermögen des Winkelschrittgebers beträchtlich erhöht.

Ein weiterer erfindungsgemäßer Winkelschrittgeber ist gekennzeichnet durch

- ein innerhalb eines Gehäuses angeordnetes, mit der Achse des Winkelschrittge bers gekuppeltes, lichtbrechendes Element,
- eine das Element bestrahlende Lichtquelle,
- eine innerhalb des Gehäuses angeordnete und mit diesem starr verbundene Bild wandlereinrichtung und durch
- eine Recheneinheit, welche die von der Bildwandlereinrichtung gelieferten Si gnale in festgelegter Taktfolge zwischenspeichert, die Zwischenspeicherwerte mit gespeicherten, externen Winkelpositionen zugeordneten Tabellenwerten ver gleicht und als Ergebnis des Vergleichs einen Winkel- oder Streckenwert im Digi talformat ausgibt.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Mehrere Ausführungsformen eines Winkelschrittgebers mit erfindungsgemäßen Merkmalen werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Prinzipschnittdarstellung eines Winkelschrittgebers mit erfindungsge mäßen Merkmalen,

Fig. 2 die Prinzipschnittdarstellung eines Winkelschrittgebers nach Fig. 1 gemäß einer weiteren Ausführungsform,

Fig. 3 die Prinzipschnittdarstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Winkel schrittgebers,

Fig. 4 die Draufsicht auf die Prinzipdarstellung eines CCD-Chips, das als Bild wandlerelement in dem erfindungsgemäßen Winkelschrittgebern verwendet werden kann und

Fig. 5 verdeutlicht verschiedene Möglichkeiten der Signalauswertung über un terschiedliche Signaltiefen bei einem CCD-Chip.

Bei dem in Fig. 1 im Schnitt dargestellten Winkelschrittgeber erkennt man eine durch ein nur schematisch angedeutetes Lager 3 abgestützte Achse 1, an deren Achsende im Inneren eines Gehäuses 2 ein spiegelndes Reflektorelement 7 befe stigt ist. Das Reflektorelement 7 kann, muß jedoch nicht, ein in erster Näherung kugel- oder halbkugelförmiger Körper sein, an dem eine Vielzahl von spiegelnden kleinen Flächen in unregelmäßiger Verteilung oberflächenseitig befestigt sind. Die Anzahl der spiegelnden Flächen sollte so groß wie möglich sein und die Vertei lung der spiegelnden Flächen sollte geometrisch möglichst unsymmetrisch sein.

Das Reflektorelement 7 wird von einer oder mehreren Lichtquellen, vorzugsweise Punktlichtquellen 4 a, 4 b bestrahlt. Die unsymmetrische Reflexion des Lichts strahlt innerhalb des Gehäuses 2 nach allen Seiten ab. Auf der dem reflektorseiti gen Ende der Achse gegenüberliegenden Wandfläche des Gehäuses 2 ist eine Bild wandlereinrichtung 5, vorzugsweise und in erster Linie in Form eines CCD-Chips (CCD = Charge Coupled Device = ladungsgekoppeltes Bildwandlerelement) befe stigt. In erster Linie kommen CCD-Chips in Frage, wie sie im Prinzip in einer Viel zahl von Bildwandlereinrichtungen verwendet werden, also Siliconchips, die mit einem sogenannten X-Y-Raster ausgerüstet sind und an den einzelnen Raster schnittpunkten bei Lichteinfall eine Ladungsänderung oder Ladungsverschie bung auslösen können, die letztlich pro Schnittpunkt zu einem einzelnen Digital signal führen, das zusammen mit anderen Digitalsignalen einer Zeile oder Spalte parallel ausgelesen und in ein sequentielles Bilddatensignal umgesetzt wird. Die vom Reflektorelement 7 ausgehende Lichtreflexion ist bei jeder Position der Ach se 1 unterschiedlich und kann daher eine ganz bestimmte X/Y-Datenstruktur auf dem CCD-Chip 5 erregen. Diese so erregte Datenstruktur bestimmt durch die er regten oder gesetzten X-Y-Werte eindeutig eine Position der Achse.

Ein für die Zwecke der Erfindung geeignetes CCD-Chip 5 kann beispielsweise 1024 × 1024 Pixel oder X/Y-Werte liefern, so daß sich 8 388 608 definierte Zustän de eindeutig unterscheiden lassen, sofern nur eine Schwarz-Weiß- oder Graustu fenauswertung vorgenommen wird.

Die durch die Pixel oder X/Y-Position auf der Chipfläche definierten Lichtstruk turen oder Lichtstärkewerte werden als bereits digitalisierte Basisdaten für jede Winkelposition an die Auswerteelektronik oder den Rechner 6 übergeben und zwischengespeichert. Durch Extrapolation oder bekannte Datenkompressions verfahren läßt sich das Datenvolumen reduzieren, bis ganz bestimmte individu elle Punkte als Ergebnisrest feststehen, die im Vergleich zu allen anderen mögli chen Positionen eindeutig die jeweilige Lage der Achse 1 beschreiben. Diese ein deutigen Positionsbeschreibungen werden dann einzelnen, in Tabellen gespei cherten systemexternen Winkelpositionen vergleichend gegenübergestellt.

Durch vergleichende Abarbeitung der Tabellen in der Rechnereinheit lassen sich eindeutige Winkelpositionen mit einer im Prinzip beliebig genauen Auflösung feststellen.

Ein CCD-Chip, das für den hier vorgesehenen Zweck in Frage kommt, kann je doch nicht nur Zeilen und Spalten - also X-Y-Werte - angeben, die pro Schnitt punkt ein Signal definieren. Vielmehr kommen auch CCD-Chips in Frage, die eine "Qualitätsauswertung" ermöglichen, also auch Graustufen oder Farbinfor mation pro Bildpunkt als Signal abgeben. So kommen beispielsweise für Grauab stufungen Signale pro Pixel mit einer Tiefe von 8 Bit, bei sogenannter Pseudofarbe Signale mit einer Tiefe von 20 Bit und für Vollfarbe Signale mit einer Tiefe von 24 Bit in Frage. Dies bedeutet, daß ein CCD-Chip mit einem Bildpunktraster von 1024 × 1024 bei einer Schwarz-Weiß-Darstellung, jedoch mit Grauabstufung (8 Bit Tiefe pro Bildpunkt) 268 435 456 definierte Zustände eindeutig unterscheiden kann, weil 256 Informationsebenen in einem Raster von 1024 × 1024 zur Verfü gung stehen. Bei einer Vollfarbenauswertung ergeben sich dann entsprechend ca. 8,796 Milliarden eindeutige Zustände. Diese angegebenen Auflösungen sind na türlich nur gültig unter der Prämisse, daß jeder Rasterpunkt benutzt wird. Für den hier vorgesehenen Zweck und den heute zur Verfügung stehenden CCD-Chips ist es auch bei sehr feiner Winkelauflösung unter Umständen nicht erforderlich, CCD- Chips zu verwenden, bei denen sämtliche Rasterpunkte in voller Bittiefe (z. B. 24 Bit bei Vollfarbauswertung) zur Verfügung stehen. Es genügen auch CCD-Chips schlechterer Qualität, gegebenenfalls sogar "Ausschußware" einer CCD-Chippro duktion.

Da über ein CCD-Chip nicht nur ein Raster in verschiedenen Auflösungen nach ei ner X-Y-Matrixdefinition abgearbeitet werden kann, sondern je nach gewünsch ter Auflösung in der Tiefe eine definierte Information pro Bildpunkt wiedergibt, kann auch auf die örtliche Definition eines aktivierten Bildpunkts verzichtet werden und statt dessen nur auf die Definition der Farbinformation abgestellt werden. Dies bedeutet, wenn Licht über die gesamte Spektralskala in Abhängig keit zur Winkelposition erzeugt wird, so lassen sich über ein CCD-Chip mit Voll farbendefinition 16 777 216 unterschiedliche Farben eindeutig unterscheiden.

Für das Abarbeiten in reiner Hell/Dunkel- bzw. Schwarz/Weiß- oder Graufstufen definition oder auch in Farbdefinitionen in Relation zur Winkelposition ist es le diglich erforderlich, an einigen Punkten die Informationsinhalte, bezogen auf die Tiefe in einer Tabelle der jeweils real vorliegenden Winkelposition gegenüber zustellen. Durch Veränderung der Farbinhalte ist auch eine Bewegungsrichtungs bestimmung möglich, da die Reihenfolge der benutzten Farbinhalte eindeutig festliegt.

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform eines Winkelschrittgebers dargestellt, die sich von der Ausführungsform nach Fig. 1 lediglich durch zwischen den Lichtquellen 4 a und 4 b und dem Reflektorelement 7 angeordneten Prismen 8 unterscheidet. Die Prismen 8 erzeugen aus dem weißen Licht der Lichtquellen 4 a und 4 b die für die Pseudofarb- bzw. Vollfarbauswertung notwendigen Spektralfarben. In dieser Ausführungsform wird nicht nur die Lichtstruktur auf dem CCD-Chip 5 als Defi nition für einen Winkel- oder Streckenwert verwendet, sondern gleichzeitig auch die Farbe für jedes Pixel als Definitionsmöglichkeit genutzt. Dadurch ergeben sich die bereits oben angegebenen ca. 8,796 Milliarden eindeutigen Zustände, die eine sehr hohe Auflösung ermöglichen.

In Fig. 3 ist ein weiterer Winkelschrittgeber im Schnitt dargestellt, der die Win kel- bzw. Streckenwertangaben mittels Pseudofarb- bzw. Vollfarbauswertung er mittelt. Dieser Winkelschrittgeber unterscheidet sich von dem in Fig. 1 bzw. Fig. 2 dargestellten Ausführungsformen dadurch, daß anstelle des Reflektorelements 7 ein lichtbrechendes Element 7′ und nur eine Lichtquelle 4 für weißes Licht vor handen sind und daß die Bildwandlereinrichtung 5 auf der der Lichtquelle 4 ge genüberliegenden Wandfläche innerhalb des Gehäuses 2 befestigt ist.

Das lichtbrechende Element 7′ kann, muß jedoch nicht, ein kegelförmiges Pris ma sein, das vorzugsweise exzentrisch und/oder asymmetrisch (d. h., die Hauptachse des Prismas 7′ verläuft schräg zur Achse 1) an der Achse 1 befestigt ist. Das weiße Licht der Lichtquelle 4 wird vom lichtbrechenden Element 7′ in seine Spektralfarben zerlegt, die auf die Bildwandlereinrichtung 5 aufgrund der Form des Elements 7′ oder dessen exzentrischer und/oder asymmetrischer Befestigung an der Achse 1 in einer für jeden Winkel- oder Streckenwert eindeutigen Struktur und Farbinformation aufstrahlen. Die übrigen Bauteile und die Ermittlung bzw. Bestimmung der Winkel- oder Streckenwerte sind gleich mit der Ausführungs form nach Fig. 1.

Die Fig. 4 zeigt ein Prinzipbeispiel für eine einer bestimmten Achsposition zuge ordnete Punktdefinition (X/Y-Kreuzungspunkte) auf dem CCD-Chip 5.

Die Fig. 5 verdeutlicht den Prinzipaufbau eines CCD-Chips mit unterschiedlicher Signaltiefe, wobei, wie erwähnt, für eine Graustufenunterscheidung z. B. eine Si gnaltiefe von 8 Bit, bei einer Pseudofarbauswertung eine Signaltiefe von 20 Bit und für Vollfarbauswertung eine Signaltiefe von 24 Bit vorgesehen werden kann.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Datenkompression wird bei heute er reichbaren Taktfrequenzen von Mikroprozessoren eine hohe Arbeitsge schwindigkeit erreicht, so daß das Suchen vorgegebener Positionswerte inner halb weniger ms abgeschlossen ist.

Claims

1. Winkelschrittgeber, gekennzeichnet durch

- ein innerhalb eines Gehäuses (2) angeordnetes, mit der Achse (1) des Winkel schrittgebers gekuppeltes Reflektorelement (7) mit einer definierten Vielzahl ein zelner Reflexionsflächen,
- eine das Reflektorelement (7) bestrahlende Lichtquelle (4 a, 4 b),
- eine innerhalb des Gehäuses (2) angeordnete und mit diesem starr verbundene Bildwandlereinrichtung (5) und durch
- eine Recheneinheit (6), welche die von der Bildwandlereinrichtung (5) gelieferten Signale in festgelegter Taktfolge zwischenspeichert, die Zwischenspeicherwerte mit gespeicherten, externen Winkelpositionen zugeordneten Tabellenwerten vergleicht und als Ergebnis des Vergleichs einen Winkel- oder Streckenwert im Digitalformat ausgibt.

2. Winkelschrittgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildwandlereinrichtung (5) ein CCD-Bildwandlerelement ist.

3. Winkelschrittgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Re flektorelement (7) ein mit einer Vielzahl von einzelnen Spiegelelementen bestück ter sphärischer Körper ist.

4. Winkelschrittgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Re flektorelement (7) ein mit einer Vielzahl von Reflexionsflächen ausgestatteter Kristall ist.

5. Winkelschrittgeber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (4 a, 4 b) eine auf das Reflektorelement (7) ausgerichtete Punktlicht quelle ist.

6. Winkelschrittgeber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehre re auf das Reflektorelement (7) ausgerichtete Punktlichtquellen (4 a, 4 b) vorhan den sind.

7. Winkelschrittgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Re cheneinheit (6) aus den von der Bildwandlereinrichtung (5) gelieferten Bilddaten eine Datenkompression mit eindeutiger Positionsbeschreibung der Achse des Winkelcodierers extrahiert und die Ergebniswerte mit tabellarisch gespeicherten Winkelpositionswerten vergleicht.

8. Winkelschrittgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwi schen der Lichtquelle (4 a, 4 b) und dem Reflektorelement (7) ein Prisma (8) ange ordnet ist.

9. Winkelschrittgeber nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch mehrere Licht quellen (4 a, 4 b) mit in Abstrahlrichtung angeordneten Prismen (8).

10. Winkelschrittgeber, gekennzeichnet durch

- ein innerhalb eines Gehäuses (2) angeordnetes, mit der Achse (1) des Winkel schrittgebers gekuppeltes, lichtbrechendes Element (7′),
- eine das Element (7′) bestrahlende Lichtquelle (4),
- eine innerhalb des Gehäuses (2) angeordnete und mit diesem starr verbundene Bildwandlereinrichtung (5) und durch
- eine Recheneinheit (6), welche die von der Bildwandlereinrichtung (5) gelieferten Signale in festgelegter Taktfolge zwischenspeichert, die Zwischenspeicherwerte mit gespeicherten, externen Winkelpositionen zugeordneten Tabellenwerten vergleicht und als Ergebnis des Vergleichs einen Winkel- oder Streckenwert im Digitalformat ausgibt.

11. Winkelschrittgeber nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das lichtbrechende Element ein Prisma (7′) ist.

12. Winkelschrittgeber nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma (7′) ein Kegelkörper ist.

13. Winkelschrittgeber nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelkörper (7′) an der Achse (1) exzentrisch gefestigt ist.

14. Winkelschrittgeber nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelkörper (7′) an der Achse (1) asymmetrisch zu deren Mittellinie befe stigt ist.

15. Winkelschrittgeber nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekenn zeichnet, daß die Lichtquelle bzw. die Lichtquellen (4 a, 4 b) weißes Licht erzeugen.

16. Winkelschrittgeber nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildwandlereinrichtung (5) ein CCD-Bildwandlerelement ist.

17. Winkelschrittgeber nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Re cheneinheit (6) aus den von der Bildwandlereinrichtung (5) gelieferten Bilddaten eine Datenkompression mit eindeutiger Positionsbeschreibung der Achse des Winkelcodierers extrahiert und die Ergebniswerte mit tabellarisch gespeicherten Winkelpositionswerten vergleicht.