DE4318386C2 - Optische Encodervorrichtung zum Erfassen der Bewegung eines beweglichen Elements - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Encodervorrichtung zum Erfassen eines beweglichen Elements, und insbesondere eine optische Encodervorrichtung zum Gebrauch in einem optischen Kodierer oder einer Maus.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine bekannte optische Encoder­ vorrichtung zum Erfassen eines beweglichen Elements zum Ge­ brauch in einem Kodierer oder einer Maus. Fig. 1 ist eine Perspektivdarstellung. Fig. 2 zeigt schematisch eine opti­ sche Encodervorrichtung einschließlich ihres Schaltungsauf­ baus. Diese Struktur ist in der japanischen offengelegten Gebrauchsmusteranmeldung H2-89314 beschrieben. Die optische Encodervorrichtung umfaßt einen lichtemittierenden Teil 61 mit einer lichtemittierenden Diode (LED) 60, eine Dreh­ scheibe 63, in der entlang ihres Umfangs eine Anzahl von Schlitzen 62 ausgebildet sind, einen Lichtempfangsteil 66 mit zwei Fotodioden 64 und 65 und Komparatoren 67 und 68 zum Vergleich der Ausgangssignale der beiden Fotodioden 64 und 65 des Lichtempfangsteils 66 mit einer Bezugsspannung Vref.

Vom lichtemittierenden Teil 61 emittiertes Licht dringt durch die Schlitze 62 der sich drehenden Drehscheibe 63 und erreicht den Lichtempfangsteil 66. Ausgangssignale der Fo­ todioden 64 und 65, die Stromwerte sind, werden durch Strom-Spannungs-Konverter 69 und 70 in Spannungswerte ge­ wandelt und durch die Komparatoren 67 bzw. 68 mit der Be­ zugsspannung Vref verglichen.

Fig. 3 zeigt die Ausgangssignale (Spannungswerte) 64a und 65a der Fotodioden 64 und 65. Fig. 4 zeigt die Ausgangssig­ nale 67a und 68a der Komparatoren 67 und 68. In Fig. 3 ist die Bezugsspannung Vref durch eine kurz-lang-gestrichelte Linie dargestellt. Wenn erforderlich ist, daß die Phasen­ differenz zwischen den Ausgangssignalen 64a und 65a der beiden Fotodioden 64 und 65 der Lichtempfangsvorrichtung 90° beträgt, werden die Positionen der Fotodioden 64 und 65 vorher derart eingestellt, daß die Phasendifferenz 90° be­ trägt, wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist.

Es ergeben sich jedoch manchmal Ungleichförmigkeiten in der Lichtquantität der LED 60 des lichtemittierenden Teils 61. Diese Ungleichförmigkeit wird bei der Herstellung erzeugt oder wenn der Lichtanteil während der Gebrauchszeit allmäh­ lich abnimmt. Wenn beispielsweise der Lichtanteil der LED 60 abnimmt, nehmen die Ausgangssignale 64a und 65b der Fo­ todioden 64 und 65 wie in Fig. 5 dargestellt ab, so daß, falls die Bezugsspannung Vref konstant ist, die Phasendif­ ferenz sich von den gewünschten 90° unterscheidet, wie in Fig. 6 dargestellt ist.

Die Abweichung der Phasendifferenz aufgrund der Nicht­ gleichförmigkeit der Lichtquantität der LED 60 kann durch Ändern der Bezugsspannung Vref in Übereinstimmung mit der Lichtquantität korrigiert werden. Dies erfordert jedoch ei­ nen hohen Aufwand, da es erforderlich ist, individuell eine Einstellung bezüglich aller Lichtempfangsvorrichtungen vor­ zunehmen, und es ist vollständig unmöglich, die Abnahme der Lichtquantität zu berücksichtigen, während die Vorrichtung betrieben wird.

Eine optische Encodervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der DE-OS 36 32 084 bekannt.

Eine Aufgabe der Erfindung liegt in der Schaffung einer op­ tischen Encodervorrichtung, bei der die Abweichung der Pha­ sendifferenz zwischen den Ausgangssignalen selbst dann nie auftritt, wenn eine Ungleichförmigkeit der Lichtquantität des lichtemittierenden Teils auftritt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine optische Encodervorrichtung zum Erfassen der Bewegung eines bewegli­ chen Elements gelöst, die durch die Merkmale der Patentan­ spruchs 1 gekennzeichnet ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen 2 bis 5 zu entneh­ men.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung bevor­ zugter Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer bekannten Encoder­ vorrichtung zum Erfassen der Bewegung eines beweglichen Elements;

Fig. 2 eine schematische Ansicht einer bekannten optischen Encodervorrichtung, wobei ein Teil als Schaltdiagramm dar­ gestellt ist;

Fig. 3 die Ausgangssignalverläufe von lichtempfangenden Vorrichtungen, die bei der bekannten optischen Encodervorrichtung ver­ wendet werden;

Fig. 4 Ausgangssignalverläufe von Komparatoren, die in der bekannten optischen Encodervorrichtung verwendet werden;

Fig. 5 Ausgangssignalverläufe von lichtempfangenden Vor­ richtungen, die in der bekannten optischen Encodervorrichtung verwendet werden, wobei die Lichtquantitäten der lichtempfangenden Vorrichtungen abnehmen;

Fig. 6 Ausgangssignalverläufe der Komparatoren, die bei der bekannten optischen Encodervorrichtung verwendet werden, wo­ bei die Lichtquantitäten der lichtempfangenden Vorrichtun­ gen vermindert sind;

Fig. 7 eine schematische Ansicht einer optischen Encodervorrichtung zum Erfassen der Bewegung eines beweglichen Elements gemäß der Erfindung;

Fig. 8 einen Lichtempfangsteil und eine Schaltung zur Ver­ arbeitung dessen Ausgangssignals für eine optische Encodervorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 9 Ausgangssignalverläufe der lichtempfangenden Vor­ richtungen, die in der optischen Encodervorrichtung gemäß der Erfindung verwendet werden;

Fig. 10 Ausgangssignalverläufe von Komparatoren, die in der optischen Encodervorrichtung gemäß der Erfindung verwendet werden;

Fig. 11 eine schematische Ansicht für den Fall, daß die Er­ findung für eine Maus verwendet wird; und

Fig. 12 eine Schnittdarstellung eines Teils des Aufbaus ge­ mäß Fig. 11.

Im Folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert.

Fig. 7 zeigt einen Teil einer optischen Encodervorrichtung in der Ausführungsform der Erfindung. Bezugsziffer 11 be­ zeichnet eine lichtemittierenden Teil einschließlich einer lichtemittierenden Vorrichtung 10 wie einer LED. Bezugszif­ fer 23 bezeichnet einen Lichtempfangsteil mit einer ersten, einer zweiten und einer dritten Fotodiode 20, 21 und 22. Der Lichtemissionsteil 11 und der Lichtempfangsteil 23 sind so angeordnet, daß sie einander gegenüberliegen, wobei ein vorgegebener Abstand zwischen ihnen liegt. Bezugsziffer 13 bezeichnet eine Drehscheibe, die ein bewegliches Element ist. Die Drehscheibe 13 ist zwischen dem Lichtemissionsteil 11 und der Lichtempfangsvorrichtung 23 derart angeordnet, daß sie in einer Richtung senkrecht zu einer optischen Achse eines von der lichtemittierenden Vorrichtung 10 emit­ tierten und auf die Fotodioden 20, 21 und 22 auftreffenden Lichtstrahls schwenkbar ist, d. h. in der Richtung gemäß dem Pfeil 9. In der Drehscheibe 13 sind eine große Anzahl von Schlitzen 12 entlang ihres Umfangs mit gleichen Abständen zwischen sich angeordnet. In der Realität sind der Lichte­ missionsteil 11 und der Lichtempfangsteil 23 näher an der Drehscheibe 13 als in der Figur.

Fig. 8 zeigt den Lichtempfangsteil 23 und eine Schaltung zur Verarbeitung seines Ausgangssignals. Ausgangsströme der ersten, der zweiten und der dritten Fotodiode 20, 21 und 22 werden durch Strom-Spannungs-Konverter 24, 25 und 26 in Spannungswerte gewandelt. Das gewandelte Ausgangssignal der zweiten Fotodiode 21 wird den invertierenden Eingangsan­ schlüssen (-) der Komparatoren 17 und 18 als Bezugsspannung zugeführt. Das gewandelte Ausgangssignal der ersten Foto­ diode 20 wird einem nichtinvertierenden Eingang (+) des er­ sten Komparators 17 zugeführt. Das gewandelte Ausgangssi­ gnal der dritten Fotodiode 22 wird dem nichtinvertierenden Eingang (+) des zweiten Komparators 18 zugeführt. Die oben­ genannten zwei Ausgangssignale werden mit dem Ausgangssi­ gnal der zweiten Diode 21 verglichen, das als Bezugsspan­ nung verwendet wird. Die Ausgangssignale des ersten und des zweiten Komparators 17 und 18 werden an Ausgangsanschlüsse 27 bzw. 28 zugeführt.

Fig. 9 zeigt die Ausgangssignalverläufe 20a, 21a und 22a der Fotodioden 20, 21 und 22. Fig. 10 zeigt die Ausgangs­ signalverläufe 17a und 18a der Komparatoren 17 und 18. In Fig. 9 ist das Ausgangssignal der zweiten Fotodiode 21, das als Bezugswert verwendet wird, durch eine lang-kurz-gestri­ chelte Linie bezeichnet.

Falls das Ausgangssignal 21a der zweiten Fotodiode 21 als Bezugswert verwendet wird, tritt eine Abweichung der Phasendifferenz nie auf, da die Ausgangssignale 21a der zwei­ ten Fotodiode 21 in entsprechender Weise abnehmen, wenn die Ausgangssignale 21a und 22a der ersten und der dritten Fo­ todiode 20 und 22 des Lichtempfangsteils aufgrund der Ab­ nahme der Lichtquantität des Lichtemissionsteils 11 abneh­ men.

Obwohl in dieser Ausführungsform die Lichtemissionsvorrich­ tung eine LED und die Lichtempfangsvorrichtungen Fotodioden sind, sind sie nicht darauf beschränkt. Desweiteren, obwohl in dieser Ausführungsform das bewegliche Element eine Dreh­ scheibe mit Schlitzen ist, ist es nicht darauf beschränkt; es kann eine rechteckige Platte mit Schlitzen sein.

Fig. 11 und 12 zeigen eine "Maus", bei der eine optische Encodervorrichtung gemäß der obenbeschriebenen Struktur eingebracht ist. Diese Maus wird als Koordinateneingangsgerät für einen Computer verwendet. In der Maus sind zwei Drehwellen 13x und 13y senkrecht zueinander angeordnet, und der Umfang je­ der der Drehwellen 13x und 13y liegt an einer Antriebskugel 34 derart an, daß ein Drehen der Antriebskugel 34 die Wel­ len 13x und 13y dreht. Bezugsziffern 35 bezeichnen Trägerwalzen, die verhindern, daß die Anlagebeziehung zwi­ schen der Antriebskugel 34 und den Drehwellen 13x und 13y unterbrochen wird. Wenn die Antriebskugel 34 auf einer Bedienungsfläche bei dem Betrieb der Maus gerollt wird, werden ihre Bewegungen in X- und Y-Richtung den entsprechenden Drehwellen 13x und 13y übertragen, so daß die Wel­ len 13x und 13y gedreht werden. An jeder der Drehwellen 13x und 13y ist die vorher beschriebene Drehscheibe 13 einstüc­ kig, schwenkbar angebracht. Der Lichtemissionsteil 11 und der Lichtempfangsteil 23 sind an der Oberwandung des Kör­ pers der Maus befestigt.

Wenn bei der obenbeschriebenen Anordnung eine optische Encodervorrichtung in einer Maus vorgesehen ist, die als Eingangsge­ rät für ein Computerterminal verwendet wird, wird die Dreh­ scheibe 13 durch die Drehung der Drehwellen 13x und 13y ge­ dreht, so daß Licht vom Lichtemissionsteil 11 intermittie­ rend auf den Lichtempfangsteil 23 fällt. Folglich wird ein pulsförmiger Signalverlauf mit hoher Auflösung von dem Lichtempfangsteil 23 abgegeben. Das Ausgangssignal des Lichtempfangteils wird durch eine Signalverarbeitungsschal­ tung stromspannungs-gewandelt, die auf einem Drehsubstrat (nicht dargestellt) vorgesehen ist, die in der Maus vorge­ sehen ist, und anschließend in einen pulsförmigen Signal­ verlauf gewandelt.

Claims (5)

1. Optische Encodereinrichtung zum Erfassen der Bewegung eines beweglichen Ele­ ments,
mit einem beweglichen Element (13) mit einer Folge von Öffnungen (12)
mindestens drei in Bewegungsrichtung des beweglichen Elements (13) versetzt angeord­ neten ersten, zweiten, dritten Lichtdetektoren (20, 21, 22), die durch die Bewegung der Öffnungen (12) moduliertes Licht von einer Lichtquelle (10) empfangen und entsprechend modulierte Ausgangssignale erzeugen,
und einer Auswerteschaltung mit mindestens zwei Vergleichern (17, 18), die durch Ver­ gleich der modulierten Ausgangssignale von mindestens zwei der Lichtdetektoren (20, 22) mit einem Bezugssignal gepulste Ausgangssignale (17a, 17b) erzeugen, wobei als Bezugs­ signal den Vergleichern (17, 18) das gepulste Signal des dritten Lichtdetektors (21) zuge­ führt wird, und wobei
das Ausgangssignal des dritten Lichtdetektors (21) in seiner Phasenlage um 90° hinter dem Ausgangssignal des ersten Lichtdetektors (20) und um 90° vor dem Ausgangssignal des dritten Lichtdetektors (22) liegt.

2. Optische Encodervorrichtung nach Anspruch 1, wobei das bewegliche Element eine Drehscheibe ist, in der eine Anzahl von Schlitzen entlang ihres Umfangs mit gleichen Abständen zwischen sich ausgebildet sind.

3. Optische Encodervorrichtung nach Anspruch 2, wobei die drei Lichtempfangsvorrichtungen in der Reihenfolge des ersten, zweiten und dritten Lichtdetektors angeordnet sind.

4. Optische Encodervorrichtung nach Anspruch 3, wobei zum Eingeben der Bewegung einer Maus in einen Compu­ ter als Koordinateninformation die Drehscheibe auf einer Welle vorgesehen ist, die durch Rollen einer Antriebskugel der Maus gedreht wird.

5. Optische Encodervorrichtung nach Anspruch 4, wobei zwei Wellen vorgesehen sind, die senkrecht zueinander derart angeordnet sind, daß die unabhängig voneinander durch die Antriebskugel gedreht werden, und wobei eine Drehscheibe auf einer der Wellen und die Ausgangssignale des ersten und des zweiten Komparators aufgrund der Ausgangssignale der drei Lichtdetektoren, die gegenüberliegend der Drehscheibe angeordnet sind, zur Angabe des Bewegungsanteils der Maus in X- Richtung verwendet werden, und wobei eine Drehscheibe, die auf der anderen Welle ange­ ordnet ist und die Ausgangssignale des ersten und des zweiten Komparators aufgrund der Ausgangssignale der drei Lichtdetektoren, die gegenüberliegend der Drehscheibe angeord­ net sind, zur Angabe des Bewegungsanteils der Maus in Y-Richtung verwendet werden.