DE4233756A1 - Digitaler Sensor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem digitalen Sensor nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Es sind bereits eine Vielzahl von Sensoren bekannt, bei denen ein bewegliches Teil, das eine oder mehrere codierte Spuren aufweist, von einem feststehenden Sensor abgetastet wird, der mit einer Aus­ werteschaltung in Verbindung steht, an deren Ausgang in Abhängigkeit von den am Sensor vorbeilaufenden Codemarken ein Rechtecksignal ent­ steht, das abwechselnd high oder low ist. Aus solchen Abfolgen läßt sich die Position mit Hilfe einer Recheneinrichtung eindeutig be­ stimmen.

Ein solcher Sensor, der zur Ermittlung einer Dreh- oder einer Linear­ position geeignet ist, ist aus der EP 0 482 341 bekannt. Dabei sind mehrere Codeträger vorgesehen, auf denen ein, von der jeweiligen Drehposition bzw. Linearposition des Codeträgers abhängiges Muster in Form von unterschiedlich magnetisierten Bereichen aufgebracht ist. Diese Muster werden mit Hilfe eines magnetoresistiven Sensors abgetastet und in einer nachfolgenden Auswerteeinrichtung zur Win­ kel- oder Lagebestimmung herangezogen.

Dieser bekannte Sensor hat den Nachteil, daß die in den einzelnen Codespuren vorhandene Information in der nachfolgenden Auswerteein­ richtung, beispielsweise einen Rechner, erst in eine Winkel- oder Lageinformation umgewandelt werden muß, wodurch ein zusätzlicher Rechenaufwand erforderlich ist.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße digitale Sensor mit den kennzeichnenden Merk­ malen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß der Aus­ werteelektronik bzw. dem Rechner Informationen bereitgestellt wer­ den, die nicht mehr aufbereitet werden müssen. Diese Informationen werden erhalten, indem eine Vielzahl von Markierungen vorgesehen sind, wobei immer die gleiche Markierungsanzahl ein Datenwort bildet und dieses Datenwort direkt eine Binärzahl darstellt.

Diese Binärzahl kann in vorteilhafter Weise eine absolute Weg- Winkel- oder andere physikalische Information beinhalten. Benach­ barte Datenwörter können so ausgewählt werden, daß nichtlineare Funktionen bildbar sind.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen lassen sich weitere Vorteile der Erfindung realisieren. So wird beispielsweise durch den Einsatz einer Start-/Stop-Bit-Musterkombination vor und nach jedem Datenwort eine noch zuverlässigere Identifikation der Datenwörter ermöglicht. Die Start-/Stop-Bit-Musterkombination wird dabei so ausgewählt, daß sie vom Datenwort eindeutig unterscheidbar ist.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist neben der eigentlichen Datenspur noch eine weitere Spur als Kon­ trollspur vorgesehen, durch Verknüpfung der aus beiden Spuren erhaltenen und in Registern ablegbaren Informationen läßt sich einerseits eine Fehlererkennung durchführen, andererseits ist eine Verbesserung der Auflösung des Sensors möglich, indem die Daten und die Kontrollspur gegeneinander versetzt angeordnet werden, so daß abwechslungsweise eine Markierung der Datenspur und eine Markierung der Kontrollspur eingelesen wird.

In vorteilhafter Weise ist eine Drehrichtungserkennung möglich, in­ dem ein Vergleich der in beiden Spuren enthaltenen Informationen durchgeführt wird.

Zeichnung

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher er­ läutert. Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine schematische Anordnung des Digitalsensors, Fig. 2 zeigt eine erste Möglichkeit für die Anord­ nung der Codespur und Fig. 3 eine weitere Möglichkeit, bei beiden Anordnungen sind Winkelmessungen über 360° absolut möglich. In Fig. 4 ist eine Anwendung des digitalen Sensors zur direkten Ermittlung einer Beschleunigung dargestellt und in Fig. 5 ist ein Beispiel für einen ersten Code, der eine Binärzahl darstellt, angegeben. In den Fig. 6a bis 6d sind weitere Codierungen angegeben, die aufwendi­ ger sind, aber auch noch bessere Auflösungen und zusätzliche Fehler­ erkennungsmöglichkeiten bieten sowie eine Bewegungsrichtungserken­ nung erlauben.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 sind die wesentlichsten Bestandteile der Erfindung sche­ matisch dargestellt. Dabei ist mit 10 ein Lesekopf bezeichnet, bei­ spielsweise ein Laser, der als feststehendes Abtastelement wirkt. Der Lesekopf tastet die auf einem Datenträger 11 angebrachten Markierungen 12 mit Hilfe eines Laserstrahles L ab, der je nach Magnetisierung des Bereiches, auf den er auftrifft, unterschiedlich reflektiert wird, wobei zu dieser unterschiedlichen Reflexion bei­ spielsweise Polarisationseffekte beitragen.

Der Lesekopf 10 ist mit einer Bitmusterverarbeitungselektronik 13 verbunden, die ihrerseits mit einer Recheneinrichtung 14 verbunden ist. Die vom Lesekopf 10 ermittelten Daten werden in der Bitmuster­ verarbeitungselektronik 13 aufbereitet und in der Recheneinrichtung 14 ausgewertet.

Der Datenträger 11 ist ein optischer oder mangeto-optischer Daten­ träger, auf den in ähnlicher Weise wie in der Rechnertechnik Daten­ wörter D in Binärzahlformat aufgetragen sind. Diese Datenwörter D, die mit Hilfe von als Markierungen 12 bezeichneten Bereichen des Datenträgers 11, die beispielsweise unterschiedliche Magnetisie­ rungsrichtungen aufweisen, gebildet werden, liegen in streng defi­ nierten Abständen a mit steigender Wertigkeit hintereinander. Die Datenwörter D, die alle die gleiche Bitanzahl aufweisen, werden in einem ersten Codierungsbeispiel, das in Fig. 5 dargestellt ist, von einem Start- und einem Stop-Bitmuster S1, S2 eingerahmt.

Bei Bewegung des Datenträgers 11, der von einem feststehenden Lese­ kopf 10 abgetastet wird oder bei Bewegung des Lesekopfes 10 bei einem feststehenden Datenträger 11 werden die Bitmuster sowohl bei linearer Bewegung als auch bei einer Drehung gelesen. Die gelesenen Bits werden vom Lesekopf in der eingelesenen Reihenfolge an die Bit­ musterverarbeitungselektronik 13 weitergegeben.

Mit Hilfe der Start- und Stopbitmuster S1, S2, die eindeutig erkenn­ bar sind, und sich von den übrigen Bitkombinationen unterscheiden, wird in der Bitmusterverarbeitungselektronik 13 erkannt, wann ein Datenwort vollständig eingelesen ist. Da die Datenwörter als ein­ deutige Binärzahlen aufgestellt sind, kann aus jedem erkannten Datenwort direkt eine Binärzahl bestimmt werden. Diese Binärzahl bzw. die nacheinander erkannten Binärzahlen beinhalten eine absolute Weg-, Winkel- oder andere physikalische Informationen. Bei Erkennung der Binärzahl liegt diese Information sofort vor und muß in der nachfolgenden Recheneinrichtung nicht erst aus einer Bitkombination ermittelt werden.

Während bei den bekannten Codesystemen jeder erkannte Code bei­ spielsweise in eine Winkelinformation umgerechnet werden muß, liegen mit der erfindungsgemäßen Codierung unmittelbar nach dem Erkennen der Datenwörter Binärzahlen vor, die bereits die umgewandelte Größe, beispielsweise einen Winkel darstellen.

Da benachbarte Datenwörter grundsätzlich voneinander unabhängig sind, lassen sich nahezu beliebige Informationen in diesen Daten­ wörtern unterbringen, so daß einer gleichförmigen Bewegung eine nicht lineare Information zugeordnet werden kann.

In den Fig. 2 bis 4 sind verschiedene Meßanordnungen schematisch dargestellt, dabei ist in Fig. 2 eine Meßanordnung zur Winkelmessung dargestellt, bei der auf dem Datenträger 11, der um die durch den Pfeil bezeichnete Achse drehbar ist, Markierungen aufgebracht sind, die Datenwörter D bilden. Werden diese Datenwörter gewindeför­ mig über den Datenträger verteilt und wird gleichzeitig der Lesekopf in Richtung +/- x verschiebbar gemacht, läßt sich eine Winkelmessung von weit über 360° realisieren, eine solche Anordnung kann bei­ spielsweise zur Bestimmung des Lenkradwinkels, der bekannterweise zwischen -720 und +720° bestimmbar sein muß, herangezogen werden.

In Fig. 3 ist eine Anordnung zur Winkelmessung dargestellt, bei der die nur schematisch dargestellten Datenwörter spiralförmig angeord­ net sind, wobei der Lesekopf wiederum dieser Spiralform folgen muß. Damit sind ebenfalls Winkelmessungen absolut bis weit über 360° möglich.

In Fig. 4 ist eine Anordnung dargestellt, mit der direkt eine Be­ schleunigung in digitaler Form meßbar ist. Das angegebene Feder-Mas­ se-System weist eine in einer Halterung 15 fest eingespannte Feder 16 die mit einer Masse 17 verbunden ist. Auf der Masse 17 ist der Datenträger 11 aufgebracht, dessen Datenwörter Beschleunigungen beinhalten. Der Datenträger 12 wird wiederum von einem feststehenden Lesekopf 10 abgetastet, dessen Ausgangssignal wie in Fig. 1 ange­ geben, weiterverarbeitet wird.

Bei dem in Fig. 4 beschriebenen System ist die auf die Masse wir­ kende rückstellende Kraft von der Federkonstante abhängig und direkt zur Auslenkung y proportional. Werden die Beschleunigungen, die auf­ treten können, wenn sich die Masse in Bewegung setzt berechnet und die berechneten Werte auf den Datenträger 11 als die Beschleunigung bezeichnenden Datenwörter D aufgebracht, läßt sich durch Lesen die­ ser abgespeicherten Werte direkt die zu erwartende Beschleunigung ermitteln. Falls kritische Werte nicht überschritten werden dürfen, kann ein Datenwort, das bei einer kritischen Auslenkung aufgeschrie­ ben ist, nach der Erkennung direkt zu einer Fehleranzeige oder zu einer Warnung verwendet werden.

In Fig. 5 ist ein Datenwort, das beispielsweise 10 Bit lang ist und in einer Datenspur 21 angeordnet ist, angegeben. Dieses Datenwort selbst ist mit D1 bezeichnet, das Startbitmuster mit S1 und das Stopbitmuster mit S2. Das Start- und das Stop-Bitmuster sind in Länge und Kombination frei wählbar.

Die Auflösung A1 des Sensors ist gleich der Länge eines Datenwortes und beträgt damit zehn Bit. Als kleinste Inkrementalauflösung ist der Abstand zwischen zwei Bits mit K1 bezeichnet. Wird ein Lesekopf eingesetzt, der gleichzeitig mehrere Bits abtasten kann und werden entsprechend die Daten parallel eingelesen, vergrößert sich die Auflösung und es kann eine Anordnung aufgebaut werden, die sofort nach dem Einschalten das gesamte Datenwort liest.

Die einzelnen Bits werden vom Datenlesekopf 10 gelesen und nach dem Lesen in einem Datenregister 20 abgelegt, wenn alle zehn Register­ plätze beschrieben sind, wird das binäre Datenwort erkannt und es liegt sogleich die gewünschte Information vor.

In den Fig. 6a bis 6d sind verschiedene Codierungen beschrieben, die je nach Aufwand eine verbesserte Auflösung und/oder Fehlerer­ kennungen sowie Bewegungsrichtungserkennungen ermöglichen. Auch bei den in den Fig. 6a bis 6d dargestellten Codierungen sind den Datenwörtern direkt physikalische Informationen zugeordnet, die Datenwörter sind also selbst Binärzahlen.

Bei dem in Fig. 6a dargestellten Beispiel ist eine Datenspur 21 vorgesehen, in der Datenwörter aneinandergereiht enthalten sind, wobei zwischen den Datenwörtern kein Start-/Stop-Bit vorhanden ist. Die Datenspur 21 wird wie beim Beispiel nach Fig. 5 von einem Datenlesekopf 10 abgetastet, die ermittelten Daten bzw. Bits werden ihn ein Datenregister 20 eingelesen.

Auf einer Kontrollspur 22, die von einem Kontrollesekopf 23 abge­ tastet wird, ist ein Code aufgebracht, der parallel und im gleichen Abstand zum Code auf der Datenspur 21 ist und nach jedem Datenwort von einem Zustand in den anderen wechselt, also z. B. von 1 auf 0 und wiederum auf 1 wechselt.

Auf dieser Kontrollspur sind demnach Informationen in Binärformat untergebracht, die zur Trennung der Datenwörter ohne Start-/Stopbits dienen. Diese Daten werden parallel zu den Datenspurbits von einem weiteren Lesekopf 23 gelesen und dann in ein Kontrollregister 24 geschrieben. Der Lesekopf 23 ist dabei entweder ein kompletter weiterer Lesekopf oder der Lichtstrahl des Lesekopfes 10 wird mit Hilfe einer Strahlaufteilung und zwei Empfängern zum Lesen beider Spuren eingesetzt. Bei einem Einsatz von zwei Leseköpfen sind beide miteinander mechanisch verbunden.

Beim Beispiel nach Fig. 6a wird die Information von der Datenspur so lange gelesen und in das Datenregister 20 eingetragen, bis im Kontrollregister 24, in das die vom Kontrollesekopf gelesenen Daten geschrieben werden, lauter gleiche Werte stehen, erst dann wird erkannt, daß das Datenwort komplett ist, sein binärer Inhalt steht sofort zur Verfügung. Ein Datenwort mit Absolutwertinhalt wird also nur dann vom Datenregister als Absolutwert ausgelesen, wenn alle Stellen des Kontrollregisters entweder mit 0 oder mit 1 besetzt sind.

Bei dieser Anordnung beträgt die Auslösung A1, eine Erweiterung der Auflösung ist möglich durch Inkrementieren innerhalb des aktuel­ len Datenwortes möglich, unter der Voraussetzung daß die Bewe­ gungs- bzw. Drehrichtung bekannt ist. Dazu wird beim seriellen Lesen eines binären Datenwortes nach jedem Bit das alte Datenwort um einen vorgegebenen Wert, je nach Bewegungsrichtung erhöht oder erniedrigt. Nach dem Lesen und Ausgeben des letzten Datenwortes wird bei einem Datenwort mit 10 Bit Länge neunmal ein vorgegebener Betrag zum letz­ ten Wert addiert bzw. subtrahiert, je nach Bewegungsrichtung und an die Recheneinrichtung ausgegeben.

Stellt beispielsweise das alte Datenwort einen Winkel von 12 Grad dar, kann mit jedem eingelesenen Inkrement dieser Wert um einen Wert von beispielsweise 0.2 Grad erhöht werden, so daß nach neun Inkre­ menten ein Wert von 13.8 Grad vorliegt und nach dem vollständig ein­ gelesenen Datenwort ein Wert von 14 Grad erreicht wird.

Nach dem Lesen des letzten, zehnten Datenwortbits wird der Register­ inhalt als Absolutwert übernommen. Falls ein Unterschied zwischen dem Absolutwert und dem durch Inkrementieren ermittelten Wert auf­ tritt, wird der Absolutwert als richtiger Wert übernommen, auf diese Weise werden eventuelle Inkrementierfehler korrigiert und gleichzei­ tig wird eine erweiterte Auflösung des Sensors erzielt.

Mit obengenanntem Beispiel wird also der Wert 14 Grad dann übernom­ men, wenn er tatsächlich im entsprechenden Datenwort steht, anson­ sten wird der im Datenwort stehende binäre Zahlenwert zur Festlegung der Winkelstellung übernommen.

Diese Anordnung kann erweitert werden, indem wiederum Start-/Stop-Bitmuster das Datenwort begrenzen oder in der Kontroll­ spur die gewünschte Wortlänge definieren. Es ist weiterhin möglich, zusätzlich ein Vergleichsregister mit fest eingeschriebenen Daten zu verwenden, es ist dann die Änderung der Bewegungsrichtung mit einem Maximalfehler von einer Datenwortlänge erfaßbar.

In den Fig. 6b und 6c sind zwei Ausführungsbeispiele für Codie­ rungen angegeben, bei denen die Kontrollspur 22 und die Datenspur 21 außerdem jeweils um einen halben Markenabstand gegeneinander ver­ schoben sind. Der Kontrollspur 22 ist wieder ein Kontrollregister 24 zugeordnet, der Datenspur 21 ein Datenregister 20, weiterhin ist ein Vergleichsregister 25 mit festem Dateninhalt vorgesehen, das letzt­ endlich eine Drehrichtungserkennung ermöglicht, indem der Inhalt des Datenregisters 20 mit dem des Vergleichsregisters 24 verglichen wird.

Die Kontrollspur ist mit eindeutig identifizierbaren Start-/Stop-Bitmustern S1, S2 versehen, die Datenwortlänge und damit die Absolutauflösung des Sensors beträgt wiederum A1. Aus der Ab­ folge der einzelnen binären Daten und einem Vergleich mit festen Daten im Vergleichsregister läßt sich eine Änderung der Bewegungs­ richtung ebenso erkennen, wie die Bewegungsrichtung selbst.

Die Anordnung nach Fig. 6c weist eine gegenüber dem Beispiel nach Fig. 6a doppelte Auflösung und eine Möglichkeit der Erkennung der Bewe­ gungsrichtung auf. Es wird dazu ein vorgegebenes Bitmuster parallel zur Kontrollspur, jedoch um einen halben Bitabstand zum Datenwort versetzt aufgetragen. Das Datenwort wird um ein Start-/Stop-Bitmu­ ster S1 ergänzt, dieses besteht beispielsweise aus zwei Bits. Aus dem Start-/Stop-Bitmuster S2 und der Struktur der Kontrollspur ist eine Bewegungsrichtungserkennung möglich.

Das Lesen der Datenwörter, die wiederum als binäre Datenwörter aus­ gebildet sind, erfolgt wie beim Beispiel nach Fig. 6a, es wird nun jedoch auch innerhalb eines Datenwortes der letzte Wert je nach er­ kannter Richtung um einen bestimmten Wert verändert, also addiert oder subtrahiert. Die Auflösung bei diesem Beispiel ist wegen der versetzten Kontrollbits der halbe Abstand der Datenbits, also eine gegenüber dem Beispiel nach Fig. 6a verdoppelte Auflösung.

Nach dem vollständigen Lesen des Datenwortes wird auch bei diesem Beispiel der im Datenwort enthaltene binäre Absolutwert übernommen und ein eventuell aufgetretener Inkrementalfehler korrigiert.

Bei Fig. 6b ist im übrigen jedem Datenwort ein eigenes Start-/Stop-Bitmuster S1a, S2a; S1b, S2b zugeordnet, während beim Beispiel nach Fig. 6c das Stop-Bitmuster S2 des vorhergehenden Datenwortes gleichzeitig das Start-Bitmuster S1 des nachfolgenden Datenwortes ist.

In Fig. 6d ist ein aufwendigeres Ausführungsbeispiel dargestellt, dieses weist mehrere parallele Datenspuren auf, beispielsweise n parallele Datenspuren. Die Datenwörter sind dabei zueinander ver­ setzt. Jede Spur wird von einem eigenen Lesekopf 10a, . . . 10n abge­ tastet, es wird dabei eine noch höhere Absolut- und Inkrementalauf­ lösung erreicht. Das Anbringen einer oder mehrerer Kontrollspuren ist bei diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls möglich, es kann aber auch auf Kontrollspuren verzichtet werden.

Beim Einsatz eines solchen Digitalsensors in Verbindung mit einem mechanischen Bauelement, beispielsweise einer Welle, kann der Code­ träger, beispielsweise eine Scheibe mit magnetisierbarer Oberfläche, zunächst montiert werden und die Codierung mit Hilfe eines Lese­ kopfes, der auch zum Schreiben geeignet ist, erst nach der Montage aufgebracht werden. Damit entfallen Justierarbeiten und es ist auch keine sehr präzise Montage erforderlich und trotzdem läßt sich eine besonders genaue Messung realisieren.

Claims (13)

1. Digitaler Sensor mit einem Codeträger, auf den ein Code mit einer Vielzahl von binären Codeelementen, aufgebracht ist, die in gleichem Abstand voneinander angeordnet sind, mit einem Sensor, der den Code­ träger abtastet und mit einer Auswerteeinrichtung in Verbindung steht, wobei entweder der Codeträger fest und der Sensor bewegbar oder der Codeträger bewegbar und der Sensor fest ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine vorgebbare Anzahl von Codeelementen von je einem Bit ein Datenwort bilden, das direkt einer Binärzahl ent­ spricht.

2. Digitaler Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor und/oder nach jedem Datenwort ein eindeutig unterscheidbares Start-/Stop Bitmuster angeordnet ist.

3. Digitaler Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Spur vorgesehen ist, die der ersten eindeutig zuor­ denbar ist und von einem zweiten Sensor abgetastet wird und eine Abfolge von Markierungen aufweist, die als Kontrollelemente dienen.

4. Digitaler Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierungen optische oder magnetooptische Bereiche sind, die von einem optischen Sensor, vorzugsweise einem Laser abgetastet werden.

5. Digitaler Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Datenspur und der Kontrollspur Register zugeordnet sind, in die die einzelnen Bits eingetragen werden.

6. Digitaler Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Vergleichsregister vorgesehen sind, deren Inhalt mit den Datenwörtern oder den Kontrollregistern verglichen werden.

7. Digitaler Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten und/oder die Kontrollspur aus mehreren Teilspuren besteht, wobei die Teilspuren abwechselnd aus licht­ durchlässigen und undurchlässigen oder verschieden magnetisierten Bereichen bestehen und jeder Teilspur wenigstens ein Aufnehmer zugeordnet ist.

8. Digitaler Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilspuren spezielle Codes aufweisen, die gegeneinander verschoben sind und einander so zugeordnet sind, daß immer ein Codeelement einer anderen Spur eingelesen wird.

9. Digitaler Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Codeträger eine Winkelstellung repräsen­ tiert und die Codespur auf dem Codeträger so schrau­ ben- oder spiralförmig aufgebracht ist, so daß ein Winkelbereich von mehr als absolut 360° auswertbar ist.

10. Digitaler Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der nach der Erkennung eines Codewortes bei jedem neu eingelesenen Bit eine Aktualisierung der Meßgröße erfolgt, durch Addition oder Subtraktion eines Wertes.

11. Digitaler Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Erkennen des nächsten Datenwortes eine Überprüfung des aktuellen Meßwertes und gegebenenfalls eine Änderung in Abhängigkeit von diesem Datenwort erfolgt.

12. Digitaler Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Vergleichsregister vor­ gesehen ist, das fest eingeschriebene Daten enthält, aus deren Ver­ gleich mit den aktuellen Daten eine Richtungserkennung möglich ist.

13. Digitalsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Lesekopf als Schreib-/Lese­ kopf ausgebildet ist und die Datenwörter erst nach der endgültigen Montage des Codeträgers aufbringt.