DE4024983C2

DE4024983C2 -

Info

Publication number: DE4024983C2
Application number: DE19904024983
Authority: DE
Inventors: Klaus-Dieter 1000 Berlin De Schulz
Original assignee: Fernsteuergeraete Kurt Oelsch 1000 Berlin De GmbH
Current assignee: Fernsteuergeraete Kurt Oelsch GmbH
Priority date: 1990-08-07
Filing date: 1990-08-07
Publication date: 1992-12-17
Also published as: DE4024983A1

Description

Die Erfindung betrifft einen digitalen Lagegeber, enthaltend

a) eine nach Maßgabe einer zu erfassenden Bewegung bewegliche Scheibe, die längs eines Abtastweges mit einem Muster von Feldern hoher Lichtüber tragung und Feldern geringer Lichtübertragung versehen ist, und
b) Lichtschrankenmittel zur Abtastung des Abtastweges und zur Erzeugung von digitalen Lagesignalen.

Solche digitalen Lagegeber können eine lineare Bewegung erfassen oder eine Drehbewegung. Im letzteren Fall wirken sie als Winkelgeber. Die digitalen Lagegeber können Inkrementalgeber sein. Das Muster besteht dabei aus schmalen Feldern mit abwechselnd hoher oder geringer Lichtübertragung, also z. B. mit in gleichen Abständen vorgesehenen Strichen. In diesem Fall wird bei einer Bewegung eine Impulsfolge erzeugt, die auf einen Zähler aufgeschaltet ist. Die digitalen Lagegeber können aber auch digitale Absolutgeber sein. Dabei sind mehrere Spuren mit Feldern hoher und geringer Lichtübertragung vorgesehen. Die Spuren werden durch je eine Lichtschranke abgetastet. Das Muster ist so ausgebildet, daß die Signale der Lichtschranken in jeder Stellung ein Digitalsignal liefern, durch welches die absolute Lage der Scheibe digital codiert ist. Die Lichtschranken können im Auflicht arbeiten, wobei die Felder des Musters unterschiedliches Reflexionsvermögen haben, z. B. schwarz oder weiß sind. Die Lichtschranken können aber auch im Durchlicht arbeiten, wobei die Felder des Musters lichtdurchlässig oder licht undurchlässig sind. Diese Möglichkeiten sollen durch den Ausdruck "hohe oder geringe Lichtübertragung" erfaßt werden.

Die erhaltenen Lagesignale hängen von der einwandfreien Funktion der Lichtschranken ab. Fällt eine Lichtschranke aus, dann wird ständig ein Feld geringer Lichtübertragung vorgetäuscht. Das Ausgangssignal des Lagegebers wird falsch. Das kann in vielen Fällen zu schwerwiegenden Fehlfunktionen führen.

Bei einem bekannten digitalen Lagegeber (DE 34 38 461 A1) ist ein zusätzlicher, direkt oder indirekt mit Licht von der Lichtquelle der Lichtschrankenmittel beaufschlagter Photosensor vorgesehen, dessen Ausgangssignal eine Schaltung zur Konstanthaltung der Intensität des von der Lichtquelle ausgehenden Lichts zugeführt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lagegeber der eingangs genannten Art so auszubilden, daß er in bezug auf die Lichtschrankenmittel eine Selbstüberwachung durchführt und dadurch den Ausfall einer Lichtschranke signalisiert.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß

(c) das Muster zwischen einer minimalen aber endlichen Lichtübertragung und einer maximalen, aber wesentlich größeren Lichtübertragung wechselt,
(d) Signalverarbeitungsmittel vorgesehen sind, welche von Signalen der Lichtschrankenmittel beaufschlagt sind und
- - einen ersten Ausgangszustand liefern, wenn das von der Lichtübertragung abhängige Signal einen oberen Schwellwert überschreitet,
- - einen zweiten Ausgangszustand liefern, wenn das von der Lichtübertragung abhängige Signal den oberen Schwellwert unterschreitet, und
- - ein Fehlersignal liefern, wenn das von der Lichtübertragung abhängige Signal einen unteren Schwellwert unterschreitet.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unter ansprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Radialschnitt eines als Winkelgeber ausgebildeten digitalen Lagegebers.

Fig. 2 zeigt das Muster auf der drehbaren Scheibe bei dem Lagegeber von Fig. 1.

Fig. 3 zeigt in Draufsicht auf die Zwischenscheibe bei dem Winkelgeber von Fig. 1 die Anordnung der Licht schranken.

Fig. 4 zeigt in vergrößertem Maßstab eine Spur des Musters mit einem langgestreckten Abtastfleck der zugehörigen Lichtschranke, wobei der Abtastfleck im wesentlichen auf einem Feld geringer Lichtüber tragung, d. h. einem lichtundurchlässigen Feld steht.

Fig. 5 ist eine Darstellung ähnlich Fig. 4, wobei aber der Abtastfleck der Lichtschranke voll auf einem Feld hoher Lichtübertragung, d. h. einem lichtdurch lässigen Feld steht.

Fig. 6 zeigt schematisch den Signalverlauf.

Fig. 7 ist ein Blockdiagramm und zeigt die Signal verarbeitung.

Der als Winkelgeber ausgebildete digitale Lagegeber enthält ein Gehäuse 10 mit einer Grundplatte 12 und einem Deckelteil 14. An die Grundplatte 12 ist eine zentrale Lagerhülse 16 angeformt. In der Lagerhülse 16 ist über Kugellager 18 eine Eingangswelle 22 des Winkelgebers gelagert. Auf der Eingangswelle sitzt ein zylindrisches Kopfstück 24 mit einem Flansch 26. Eine mit einem zentralen Durchbruch 28 versehene Codierscheibe 30 ist auf dem Kopfstück 24 zentriert und liegt auf dem Flansch 26 auf. Durch einen Klemmring 32, der durch Schrauben 34 gegen den Flansch 26 festgeklemmt ist, wird die Codier scheibe 30 an dem Kopfstück 24 und Flansch 26 festgeklemmt.

Die Grundplatte 12 weist einen verdickten Randteil 36 auf, eine Zwischenplatte 38 sitzt auf Abstandsstücken 40. Die Abstandsstücke 40 sind in Vertiefungen 42 des verdickten Randteils 36 zentriert. Auf ihren dem Randteil 36 abge wandten Stirnflächen weisen die Abstandsstücke 40 zentrale Vorsprünge 44 von vermindertem Durchmesser auf. Auf diesen Vorsprüngen ist die Zwischenplatte 38 mit entsprechenden Durchbrüchen zentriert. Die Zwischenplatte 38 liegt um die Vorsprünge 44 herum auf der Stirnfläche der Abstandsstücke 40 auf. Schrauben 46 sind durch zentrale Bohrungen 48 der Abstandsstücke 40 hindurchgeführt und in Gewindebohrungen 50 des Randteils 36 eingeschraubt. Die Zwischenplatte 38 ist auf den Abstandsstücken 40 durch die Köpfe 51 der Schrauben 46 und Unterlegscheiben 52 gehalten.

Auf der Zwischenplatte 38 sitzen photoelektrische Detektoren 54. Die Detektoren 54 sind in zwei radialen Reihen 56 und 58 angeordnet. Die Reihen 56 und 58 sind winkelmäßig gegeneinander versetzt, bei der dargestellten Ausführung um einen Winkel von 10°. Die Detektoren der Reihe 56 sind radial gegen die Detektoren der Reihe 58 versetzt, derart, daß die Detektoren radial auf Lücke zueinander angeordnet sind. Auf diese Weise können die einzelnen Spuren der Codierscheibe 30 schmaler gehalten werden und sind nicht durch die Abmessungen der Detektoren 54 bestimmt. Die Detektoren 54 sind Photo dioden.

Im Bereich der Detektoren 54 sind auf dem Randteil 36 zwei Abstandsstücke 60 angeordnet. Ähnlich wie die Abstandsstücke 40 sind die Abstandsstücke 60 in Vertiefungen 62 des Randteiles zentriert. Die Abstands stücke 60 sind länger als die Abstandsstücke 40. Die Abstandsstücke 60 sind durch Durchbrüche 64 der Zwischen platte 38 hindurchgeführt. Dadurch wird die Lage der Zwischenplatte 38 auch in diesem Bereich genau zu den Abstandsstücken 60 und den darauf montierten Teilen aus gerichtet. An dem dem Randteil abgewandten Ende weisen die Abstandsstücke 60 einen Abschnitt 66 von geringerem Durch messer auf. Zwischen dem zylindrischen Hauptteil der Abstandsstücke 60 und dem Abschnitt 66 ist eine Ring schulter 68 gebildet. An den Abschnitt 66 schließt sich ein Kragen 70 von nochmals vermindertem Durchmesser an.

Auf den Ringschultern 68 liegt eine Blendenplatte 72 auf. Die Blendenplatte 72 weist vor jedem Detektor 54 einen länglichen Spalt 74 auf. Die Form der Spalte 74 ist aus Fig. 4 und 5 ersichtlich. Auf diese Weise erfaßt jeder der photoelektrischen Detektoren 54 einen langgestreckten, radialen Abtastfleck, dessen Längsachse somit senkrecht zur Bewegungsrichtung der darüberliegenden Teile der Codierscheibe 30 verläuft.

Die Codierscheibe 30 liegt dicht über der Blendenscheibe 72.

Auf dem Kragen 70 sitzt eine Abstandshülse 76, die mit ihrer einen Stirnfläche auf der Blendenscheibe 72 aufsitzt. Auf der anderen Stirnfläche der Abstandshülse 76 liegt eine Lichtquellen-Trägerplatte 78 auf. Die Licht quellen-Trägerplatte 78 ist mit Durchbrüchen 80 auf den Kragen 70 der beiden Abstandsstücke 60 zentriert. Eine Schraube 82 erstreckt such durch eine zentrale Bohrung 84 des Abstandsstückes 60 und ist in eine Gewindebohrung 86 des Randteils 36 eingeschraubt. Der Kopf 88 der Schraube 82 hält über eine Unterlegscheibe 90 die Lichtquellen- Trägerplatte in fester Anlage an der Stirnfläche der Abstandshülse 76.

Auf der Lichtquellen-Trägerplatte sitzen Lichtquellen 92 jeweils fluchtend mit den photoelektrischen Detektoren 54. Die Lichtquellen sind Leuchtdioden.

Die Codierscheibe 30 ist in Fig. 2 vereinfacht dargestellt. In Fig. 2 enthält die Codierscheibe vier Spuren 94, 96, 98 und 100. Jede der Spuren ist eine konzentrisch zu der Drehachse angeordnete Ringfläche. Jede Spur enthält ein Muster von abwechselnd lichtdurchlässigen und licht undurchlässigen Feldern, z. B. 102 und 104. Jedes der Felder 102 oder 104 ist begrenzt durch in der Bewegungsrichtung der Codierscheibe längs des Abtastweges verlaufende Linien, also die konzentrischen Kreise 106 und 108, welche die Ringfläche begrenzen, und durch senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufende Linien, also radiale Linien wie 110 und 112 bei Feld 102. In der Mitte der Felder geringer Lichtübertragung, also der lichtundurch lässigen Felder wie 104, verläuft ein lichtdurchlässiger Streifen 114. Der Streifen 114 ist bogenförmig konzentrisch zu den Kreisen 106 und 108. Die Breite des Streifens 114 ist wesentlich kleiner als der Abstand zwischen den Kreisen 106 und 108. Der Streifen 114 verläuft somit auch in der Bewegungsrichtung der Codier scheibe. Wie aus der vergrößerten Darstellung in Fig. 4 und 5 ersichtlich ist, erfaßt die von jeweils einer Licht quelle 92 und einem Detektor 54 mit zugehörigem Spalt 74 bestehende Lichtschranke nur ein schmales Rechteckfeld 115 des Musters. Dieses Rechteckfeld 115 ist durch den Spalt 74 bestimmt. Das durch den Spalt 74 begrenzte schmale Rechteckfeld 115 erstreckt sich radial, d. h. senkrecht zur Bewegungsrichtung der Codierscheibe. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, überdeckt das schmale Rechteckfeld 115 des Spaltes 74 den Streifen 114 nur in einem verglichen mit der Fläche des Rechteckfeldes 115 kleinen Fleck. Bei der dargestellten bevorzugten Ausführung beträgt das Flächenverhältnis zwischen Spalt 74 und Fleck 116 etwa 20 : 1.

Die Lichtquelle 92 leuchtet jeweils ein Feld 118 aus. Durch den Spalt 74 hindurch "beobachtet" jedoch der zugehörige Detektor 54 nur das Rechteckfeld 115. In Fig. 3 wird von dem Detektor 54 dementsprechend nur das Licht erfaßt, das durch den Fleck 116 hindurchgeht. Der übrige Teil des Spaltes 74 ist durch das lichtundurchlässige Feld 104 des Musters abgedeckt. Bei der in Fig. 5 dargestellten Stellung der Codierscheibe 30 steht das Rechteckfeld 118 voll auf einem lichtdurchlässigen Feld 120 des Musters. Infolgedessen ist der Spalt 74 voll ausgeleuchtet. Der Detektor 54 erhält maximalen Lichtstrom.

Die Anordnungen der Fig. 4 und 5 veranschaulichen den Versatz der Lichtschranken bei benachbarten Spuren, wie er in Verbindung mit Fig. 3 erläutert wurde. Der Spalt 74 für die Spur 94 mit dem Rechteckfeld 118 ist gegenüber dem Spalt 74 der Spur 96 mit dem Rechteckfeld 115 in Bewegungsrichtung, also in Umfangsrichtung der Codierscheibe versetzt. Man kann sich Fig. 4 und 5 zusammen als einen nicht maßstabgerechten Ausschnitt am unteren Rand der Codierscheibe von Fig. 3 vorstellen. Wenn das Rechteckfeld 115, wie in Fig. 4 dargestellt, auf einem lichtundurchlässigen Feld 104 des Musters steht, ergibt sich ein minimales Signal 122 (Fig. 6). Wenn das Rechteckfeld, wie Rechteckfeld 118 in Fig. 5, auf einem lichtdurchlässigen Feld 120 des Musters steht, ergibt sich ein maximales Signal 124. Die Signale 124 und 122 verhalten sich entsprechend dem Flächenverhältnis des Rechteckfeldes 115 und des Flecks 116 wie 20 : 1.

Es werden nun zwei Signalniveaus festgelegt: Ein oberes Signalniveau "O", dargestellt durch Linie 126 in Fig. 6, liegt zwischen dem minimalen Signal 122 und dem maximalen Signal 124. Ein unteres Signalniveau "U", dargestellt durch Linie 128 in Fig. 6, liegt unterhalb des minimalen Signals 122. Dabei besteht ausreichend Spielraum, um Änderungen der Signalamplituden durch Schwankungen der Lampenhelligkeit od. dgl. aufzufangen. Bei dem Wechsel zwischen den lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Feldern des Musters während einer Drehbewegung der Codierscheibe ergibt sich dann von jeder der Licht schranken ein Signalverlauf 130, wie er schematisch in Fig. 6 dargestellt ist.

Das so erhaltene Signal 130 wird einmal auf einen ersten Komparator 132 geschaltet. Dieser erste Komparator 132 erhält an einem Referenzeingang 134 ein Signal, das dem oberen Signalniveau "O" entspricht. Wenn das Signal 130 dieses Signalniveau "O" überschreitet, liefert der Komparator 132 ein Ausgangssignal "H". Wenn das Signal 130 das Signalniveau "O" unterschreitet, liefert der Komparator 132 ein Ausgangssignal "L". Am Ausgang des Komparators 132 erscheint auf diese Weise eine Rechteck signalfolge, die auf einen Decoder 136 geschaltet ist.

Das Signal 130 wird parallel dazu auf einen zweiten Komparator 138 geschaltet. Der zweite Komparator 138 erhält an einem Referenzeingang 140 ein Signal, das dem unteren Signalniveau "U" entspricht. An einem Ausgang 142 liefert der Komparator 138 ein Fehlersignal, wenn das Signal 130 das untere Signalniveau "U" unterschreitet.

Bei vollständigem Wegfall des Signals einer Lichtschranke wird daher ein Fehlersignal erzeugt.

Claims

1. Digitaler Lagegeber, enthaltend

(a) eine nach Maßgabe einer zu erfassenden Bewegung bewegliche Codierscheibe (30), die längs eines Abtastweges mit einem Muster von Feldern hoher Lichtübertragung (102) und Feldern geringer Lichtübertragung (104) versehen ist, und
(b) Lichtschrankenmittel (92, 74, 54) zur Abtastung des Abtastweges und zur Erzeugung von digitalen Lage signalen,

dadurch gekennzeichnet, daß

(c) das Muster zwischen einer minimalen aber endlichen Lichtübertragung und einer maximalen, wesentlich größeren Lichtübertragung wechselt,
(d) Signalverarbeitungsmittel (132, 138) vorgesehen sind, welche von Signalen (130) der Lichtschrankenmittel (92, 74, 54) beaufschlagt sind und
- - einen ersten Ausgangszustand (H) liefern, wenn das von der Lichtübertragung abhängige Signal einen oberen Schwellwert (O) überschreitet,
- - einen zweiten Ausgangszustand (L) liefern, wenn das von der Lichtübertragung abhängige Signal (130) den oberen Schwellwert unterschreitet, und
- - ein Fehlersignal liefern, wenn das von der Lichtübertragung abhängige Signal (130) einen unteren Schwellwert (U) unterschreitet.

2. Digitaler Lagegeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Feldern geringer Lichtübertragung (104) ein von der Lichtschranke (92, 74, 54) mit erfaßter Streifen (114) hoher Lichtübertragung vorgesehen ist, dessen von der Lichtschranke (92, 74, 54) erfaßte Fläche (116) klein ist gegen die gleichzeitig von der Lichtschranke erfaßte Fläche (115) des Feldes geringer Lichtübertragung (104).

3. Digitaler Lagegeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) die Felder hoher und geringer Lichtübertragung (102, 104) jeweils durch in der Bewegungsrichtung längs des Abtastweges verlaufende Linien (106, 108) und durch senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufende Linien (110, 112) begrenzt sind,
(b) der Streifen (114) in der Mitte der Felder geringer Lichtübertragung (104) in der Bewegungsrichtung verläuft und
(c) die Lichtschranke ein schmales Rechteckfeld (115) des Musters erfaßt, wobei sich dieses schmale Rechteckfeld (115) senkrecht zur Bewegungsrichtung erstreckt, und
(d) das schmale Rechteckfeld (115) den Streifen (114) in einem verglichen mit der Fläche des Rechteckfeldes (115) kleinen Fleck (116) überdeckt.

4. Digitaler Lagegeber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) die Felder geringer Lichtübertragung lichtundurchlässig und die Felder hoher Lichtübertragung lichtdurchlässig sind und
(b) die Lichtschrankenmittel im Durchlicht arbeiten.

5. Digitaler Lagegeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (30) um eine Achse drehbar ist und der Abtastweg ein zu dieser Achse konzentrischer Kreis ist, wobei die Felder bogenförmige Ringabschnitte sind, so daß der Lagegeber auf die Winkellage der Scheibe (30) anspricht.

6. Digitaler Lagegeber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagegeber ein digitaler Absolutgeber mit mehreren Spuren (94, 96, 98, 100) ist, welche durch je eine Lichtschranke (92, 74, 54) abtastbar sind, wobei die Muster in jeder dieser Spuren (94, 96, 98, 100) zur Erzeugung eines Kontrollsignales ausgebildet sind.

7. Digitaler Lagegeber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mit benachbarten Spuren zusammenwirkenden Lichtschranken gegeneinander winkelversetzt sind.

8. Digitaler Lagegeber nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtschranken zwei radiale Reihen (56, 58) bilden, die gegeneinander winkelversetzt sind.