DE3939905A1

DE3939905A1 - Winkelgeber

Info

Publication number: DE3939905A1
Application number: DE19893939905
Authority: DE
Inventors: Udo Dipl Ing Kugel
Original assignee: Teldix GmbH
Current assignee: Rockwell Collins Deutschland GmbH
Priority date: 1989-12-02
Filing date: 1989-12-02
Publication date: 1991-06-06

Description

Die Erfindung betrifft einen Winkelgeber zur Bestimmung der Stellung eines um eine Drehachse drehbaren Bauteils gegenüber einer festen Anordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Stand der Technik

Aus der DE-AS 12 60 168 ist ein Winkelgeber bekannt, bei dem ein Lichtbündel einer fest angeordneten Lichtquelle auf einen, einem beweglichen Bauteil fest zugeordneten, Polygonspiegel fällt, von dort reflektiert wird und anschlie ßend wenigstens eine Fotozelle beleuchtet, die ein der Winkelstellung des beweglichen Bauteils gegenüber einer festen Anordnung entsprechendes Signal liefert.

Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Winkelgeber zu schaffen, der sich durch eine hohe Auflösung und durch einen einfachen kostengünstigen Aufbau auszeichnet.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ge nannten Merkmale gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der Beschreibung.

Bei dem erfindungsgemäßen Winkelgeber wird ein Lichtstrahl, der parallel zur Drehachse eines drehbaren Bauteils gerichtet ist, durch eine zur Fokus sierung dienende Linse auf eine fest mit dem drehbaren Bauteil verbundene Spiegelanordnung geführt.

Die gegenüber der Drehachse geneigte Spiegelanordnung reflektiert den Lichtstrahl bei Winkelgebern, die einen Meßbereich von 360° abdecken sollen auf eine konzentrisch zur Drehachse angeordnete ringförmige Sensoranordnung. Bei Winkelgebern, die kleinere Meßbereiche abdecken sollen, z. B. 180°, kann die Sensoranordnung aus einem ringförmigen Segment, im Beispiel ebenfalls 180°, bestehen.

In einer Weiterbildung der Erfindung besteht die Spiegelanordnung aus n Spiegeln, die unterschiedliche Neigungswinkel gegeneinander aufweisen. Das von der Linse fokussierte Licht wird von der Spiegelanordnung mit n ver schiedenen Winkeln auf n konzentrisch zueinander liegende ringförmige Sen soranordnungen so reflektiert, daß jeweils ein Lichtstrahl auf nur eine der ringförmigen Sensoranordnungen trifft und sich bei einer Drehung des dreh baren Bauteils entlang der Sensorkreisbahn bewegt und so eine Drehung des drehbaren Bauteils anzeigt. Die n Spiegel der Spiegelanordnung haben, durch die unterschiedlichen Neigungswinkel hervorgerufene, geringfügig unterschied lich große Oberflächen.

Die Sensoranordnung beider Ausführungen kann entweder aus ringförmig ange ordneten Photodioden nach dem bekannten Lateraleffekt-Prinzip (OPTOELEKTRONIK MAGAZIN, Vol. 3, Nr. 2, 1987) oder nach dem ebenfalls be kannten Charged Coupled Device (CCD)-Prinzip (Naumann/Schröder, Bauelemente der Optik, 3. Auflage, Seiten 564 ff) aufgebaut sein.

Zur Auflösungssteigerung und zur Umgehung von Zweideutigkeiten wird bei einem nach dem Lateraleffekt-Prinzip arbeitenden Winkelgeber vorgeschlagen, die einzelnen ringförmigen Sensoren aus mindestens zwei Kreisringstücken gleicher Abmessungen herzustellen.

Eine Auflösungssteigerung kann bei einem nach dem CCD-Prinzip arbeitenden Winkelgeber dadurch erreicht werden, daß zusätzlich zur digitalen Pixelaus wertung auch die von den beleuchteten Pixeln aufgenommene Lichtmenge analog ausgewertet und Zwischenwerte interpoliert werden.

Zeichnung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Winkelgebers,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Sensoranordnung mit kreisförmigem Sensor,

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Sensoranordnung mit zwei halbkreisförmigen Sensoren,

Fig. 4 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung mit vier kreisförmigen Sensoren gemäß der Weiterbildung,

Fig. 5a eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Spiegelanordnung mit vier Spiegeln gemäß der Weiterbildung,

Fig. 5b eine Seitenansicht auf einen Schnitt entlang der Linie A-B der Spiegelanordnung nach Fig. 5a mit Lichtstrahlen.

In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeipiel des erfindungsgemäßen Winkelgebers in einer seitlichen Perspektive dargestellt. Die mit 1 bezeichnete Lichtquelle ist so angeordnet, daß ihr Licht parallel zur Drehachse 5 abgestrahlt, durch eine Linse 8 fokussiert und von einer auf dem Bauteil 6 mit einem bestimm ten Neigungswinkel α zur Drehachse 5 angeordnete Spiegelanordnung 4 auf ei ne ringförmige Sensoranordnung 2 reflektiert wird. Der Winkel zwischen einfallendem Lichtstrahl 7 und dem von der Spiegelanordnung 4 reflektierten Lichtstrahl 3 beträgt nach dem Reflexionsgesetz 2α. Dreht sich das Bauteil 6 um die Drehachse 5, so bewegt sich der Leuchtfleck des reflektierten Licht strahls 3 auf der Kreisbahn der Sensoranordnung 2 und beleuchtet eine andere Position der Sensoranordnung 2. Durch entsprechende Auswertung, die in Ab hängigkeit von den verwendeten Sensorprinzipien erfolgt, wird daraus eine Winkeländerung oder der momentane Absolutwinkel des drehbaren Bauteils 6 bestimmt.

Um den Einfluß von axialem Spiel des drehbaren Bauteils 6 auszuschließen, muß die Größe des Leuchtflecks und/oder die Sensoranordnung 2 so gewählt werden, daß trotz des möglichen Spiels der Leuchtfleck immer den Sensor 2 trifft. Änderungen des Leuchtflecks, die hervorgerufen werden durch axiales Spiel des drehbaren Bauteils 6, äußern sich in einer Lichtstrahländerung in radialer Richtung die die Winkelverhältnisse nicht verändern.

Bei Verwendung einer Sensoranordnung 2 nach dem Charged Coupled Device (CCD)-Prinzip mit einer diskreten Anzahl von lichtempfindlichen Elementen (Pixeln), läßt sich die Position des Leuchtflecks und damit der Winkel an hand der beleuchteten Pixeln sehr leicht auswerten. Die Auflösung ist dabei festgelegt durch die Gesamtzahl der Pixeln auf dem Umfang des Sensors und einer erreichbaren Verbesserung der Positionsbestimmung durch Interpolation über mehrere Pixel. In diesem Fall kann ein kleiner Prozessor zur Auswer tung eingesetzt werden.

Bei Verwendung einer Sensoranordnung 2 nach dem Lateraleffekt-Prinzip ste hen zwei analoge Teilströme zur Verfügung, die sich zueinander verhalten wie die Entfernungen des Schwerpunktes des Leuchtflecks zu den Kontaktie rungen. Bei Beleuchtung von Anfang und Ende, Pos. 2 in Fig. 2, und bei Be leuchtung der um 180° entgegengesetzten Mitte, Pos. 1, der Sensoranordnung 2 ergeben sich jeweils zwei gleich große Teilströme.

Diese Zweideutigkeit der Auswertung wird umgangen, indem man den lichtem pfindlichen ringförmigen Sensor 2 aus zwei getrennten Sensoren 2′, 2′′ auf baut, Fig. 3. Durch die Verwendung von zwei getrennten Sensoren die zu einem Ring zusammengefaßt sind, wird außerdem noch eine Auflösungssteige rung um den Faktor 2 erreicht.

Bei Winkelgebern die einen Meßbereich von 360° besitzen sollen, sind noch Maßnahmen zur genauen Positionsbestimmung des Lichtstrahls notwendig. Die Übergänge zwischen den Elektroden 1, E1, des Sensors 2′, S2′, und des Sen sors 2′′, S2′′, bzw. Elektroden 2, E2, des Sensors S2′ und des Sensors S2′′ lassen sich ähnlich einem 4 Quadranten-Detektor auswerten. Durch die Ver knüpfung I S2′E1+S2′′E1-S2′E2-S2′′E2 läßt sich feststellen, ob sich der Lichtstrahl an den Elektroden 1 oder an den Elektroden 2 befindet. Durch die Verknüpfung II S2′E1+S2′E2-S2′′E1-S2′′E2 läßt sich fest stellen, ob sich der Lichtstrahl rechts oder links auf der Sensorbahn be findet.

Um Intensitätsschwankungen der Lichtquelle 1 auszuschließen, wird vorge schlagen,

- bei Sensoranordnungen, die nach dem Lateraleffekt-Prinzip arbeiten, eine Normierung der Signale an den Elektroden E1 und E2 gemäß vorzunehmen und
- bei Sensoranordnungen, die nach dem CCD-Prinzip arbeiten, eine Normie rung über die aufgenommene Gesamtlichtmenge aller beleuchteten Pixel durchzuführen, gemäß Hierbei stellt I(i) die Intensität des Pixels i dar und n die Gesamtzahl der beleuchteten Pixel.

Hintergrundlicht kann ausgeschlossen werden, indem z. B. die Lichtquelle 1 gepulst, d. h. mit einer bestimmten Frequenz ein-/ausgeschaltet, wird.

Die Normierung und Auswertung des gepulsten Signals erfolgt durch einen Prozessor, der auch z. B. Linearisierung und Mittelwertbildung über eine bestimmte Anzahl von Abtastungen durchführen kann.

Zur Eliminierung der Einflüsse eines radialen Spiels des drehbaren Bauteils 6 wird weiterbildungsgemäß eine Sensoranordnung 2 mit z. B. vier Sensoren vorgeschlagen. Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung 2 mit vier kreisförmigen Sensoren 2a, 2b, 2c, 2d. Die Sensoren 2a, 2b, 2c, 2d sind konzentrisch um die Drehachse 5 angeordnet.

Zu dieser Sensoranordnung 2 wird eine Spiegelanordnung 4 mit vier Spiegeln 4a, 4b, 4c, 4d benötigt. Die Neigungswinkel α der einzelnen Spiegel 4a, 4b, 4c, 4d bzw. der einzelnen Spiegeloberflächen sind so ausgelegt, daß je ein Teillichtstrahl auf je einen Sensor 2a, 2b, 2c, 2d fällt. Die Fig. 5a zeigt ein Beispiel einer solchen Spiegelanordnung 4 mit den Spiegeln 4a, 4b, 4c, 4d in einer Draufsicht.

In Fig. 5b ist eine Seitenansicht auf einen Schnitt entlang der Linie A-B nach Fig. 5a dargestellt. Die Winkel α₁ bis α₄ entstehen durch die unter schiedliche Schräge der einzelnen Spiegeloberflächen. Der von der Linse 8 fokussierte Lichtstrahl 7 teilt sich in die Teillichtstrahlen 3a, 3b, 3c, 3d. Die Winkel α₂ und α₄ sowie die Teillichtstrahlen 3b und 3d sind nicht dargestellt, da sie senkrecht zur Zeichnungsebene liegen.

Bezugszeichenliste

1 Lichtquelle
2 Sensoranordnung
2a, 2b, 2c, 2d Sensoren
2′ Sensor-Kreisringstück
2′′ Sensor-Kreisringstück
3 reflektierter Lichtstrahl
3a mit ≮α₁ reflektierter Teillichtstrahl
3c mit ≮α₃ reflektierter Teillichtstrahl
4 Spiegelanordnung
4a, 4b, 4c, 4d Spiegel
5 Drehachse
6 drehbares Bauteil (Rotor)
7 fokussierter Lichtstrahl
8 Linse

Claims

1. Winkelgeber zur Bestimmung der Stellung eines um eine Drehachse dreh baren Bauteils gegenüber einer festen Anordnung, enthaltend

- eine fest angeordnete Lichtquelle,
- eine im Lichtstrahl auf dem drehbaren Bauteil fest angeordnete Spiegelanordnung zur Reflexion des Lichtstrahls,
- eine im reflektierten Lichtstrahl fest angeordnete Sensoranordnung zur Sensierung der Lage des Lichtstrahls, dadurch gekennzeichnet,
- daß der Lichtstrahl (7) der Lichtquelle (1) parallel zur Drehachse (5) gerichtet ist,
- daß die Oberfläche der Spiegelanordnung (4) gegenüber dem Lichtstrahl (7) geneigt ist,
- daß mindestens eine ringförmige Sensoranordnung (2) konzentrisch zur Drehachse (5) angeordnet ist,
- daß der Neigungswinkel α der Spiegelanordnung (4) so gewählt ist, daß der reflektierte Lichtstrahl (3) bei Drehung des Bauteils (6) auf der ringförmigen Sensoranordnung (2) umläuft.

2. Winkelgeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel anordnung (4) n Spiegel (4a, 4b, 4c, 4d) mit unterschiedlichem Nei gungswinkel (α₁, α₂, α₃, α₄) und n konzentrisch zueinander liegende ringförmige Sensoren (2a, 2b, 2c, 2d) aufweist und daß die Neigungswin kel (α₁, α₂, α₃, α₄) der n Spiegel (4a, 4b, 4c, 4d) so gewählt sind, daß das von den Spiegeln (4a, 4b, 4c, 4d) reflektierte Licht (3) auf jeweils einen anderen Sensor (2a, 2b, 2c, 2d) reflektiert wird.

3. Winkelgeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die n Spiegel (4a, 4b, 4c, 4d) jeweils annähernd gleich große Spiegeloberflächen auf weisen.

4. Winkelgeber nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoranordnung (2) nach dem Lateraleffekt-Prinzip arbeiten und ringförmig aufgebaut sind.

5. Winkelgeber nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoranordnung (2) nach dem Charged Coupled Device (CCD)-Prinzip arbeiten und ringförmig aufgebaut sind.

6. Winkelgeber nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoranordnungen (2) ringförmige Segmente aufweisen.