DE69025565T2

DE69025565T2 - Vorrichtung und Verfahren für optische Kodierung

Info

Publication number: DE69025565T2
Application number: DE69025565T
Authority: DE
Inventors: Victor D Loewen
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 1989-12-08
Filing date: 1990-12-07
Publication date: 1996-07-11
Anticipated expiration: 2010-12-08
Also published as: DE69025565D1; EP0431976A3; US5017776A; EP0431976A2; EP0431976B1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und auf Verfahren zum Umwandeln einer mechanischen Bewegung in elektrische Signale, die die Bewegung anzeigen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine optische Wellenwinkel-codiervorrichtung zum Erzeugen elektrischer Signale, die die Winkelposition oder Bewegung einer Welle anzeigen.

Hintergrund der Erfindung

Inkrementale optische Codiervorrichtungen werden häufig zum Auflösen der Position oder zum Messen der Rotation einer Welle verwendet. Optische Codiervorrichtungen werden beispielsweise häufig in Geräten, wie z.B. Aufzeichnungsvorrichtungen (Plottern), verwendet, um die Geschwindigkeit und Wellenposition interner elektrischer Motoren zu überwachen. Optische Codiervorrichtungen werden ferner in Vorrichtungen zum Steuern der Ausgabe elektronischer Geräte verwendet. Bei Geräten, wie z.B. Oszilloskopen, wird beispielsweise die Frequenzauflösung der Oszilloskopanzeige oft mittels einer optischen Codiervorrichtung, die mit einem Steuer-Knopf oder -Rad gekoppelt ist, eingestellt.
Bei typischen Anwendungen gemäß dem Stand der Technik ist, wie in Fig. 1 gezeigt ist, ein undurchsichtiges Coderad 100 mit der Welle 110 eines Steuerknopfes 111 derart gekoppelt, daß eine Bewegung der Welle eine entsprechende Bewegung des Coderads zur Folge hat. Das Rad 100 enthält eine Mehrzahl von durchsichtigen Fenstern 101 auf einer Spur entlang des Umfangs des Rads. Eine Lichtquelle 102 ist benachbart zu einer Stirnfläche des Rads 100 vorgesehen und mit der Spur der Fenster 101 ausgerichtet. Ein Photodetektor auf einer gedruckten Schaltungsplatine 103 ist auf der Seite des Rads 100 plaziert, die der Lichtquelle 102 gegenüberliegt. Während das Rad 100 rotiert, gelangt eine Beleuchtung von der Lichtquelle 102 durch die Fenster 101 und wird durch den Photodetektor erfaßt. Eine elektronische Schaltung, die mit dem Photodetektor verbunden ist, wird verwendet, um die Anzahl der Fenster 101, die während der Rotation des Rads 100 an der Lichtquelle 102 vorbeibewegt werden, zu bestimmen. Eine Phasenplatte 104 ist an dem Gehäuse 105 der Codiervorrichtung befestigt und konzentrisch bezüglich der Welle 110 derart ausgerichtet, daß sich der relative Winkel zwischen der Phasenplatte 104 und dem Coderad 100 verändert, während die Welle rotiert.
Gemäß dem Betrieb der Codiervorrichtung, die in Fig. 1 gezeigt ist, wird ein modulierter Lichtstrahl, der durch die Spur der Fenster gelangt, durch die Gebiete 106 und 107 der Phasenplatte 104 empfangen. Die Phasenplattengebiete 106 und 107 sind phasenverschoben bezüglich der periodischen Zwischenräume zwischen den Fenstern 101 des Coderads 100 ausgerichtet. Während sich das Coderad 100 dreht, erreicht somit das Licht, das durch die Phasenpiattengebiete 106 und 107 gelangt, abwechselnd ein Maximum und ein Minimum. Das bedeutet, daß das Licht ein Maximum erreicht, wenn es durch den optischen Bereich 106 gelangt und daß das Licht ein Minimum erreicht, wenn es durch den optischen Bereich 107 gelangt. Das Licht, das durch den Bereich 106 gelangt, wird durch einen ersten Photodetektor empfangen, während das Licht, das durch den Bereich 107 gelangt, durch einen zweiten Photodetektor empfangen wird. Die Photodetektoren sind mit einer elektronischen Schaltung verbunden, welche ein Ausgangssignal erzeugt, das die Anzahl der Zeitpunkte anzeigt, zu denen die Lichtintensität von jedem Bereich eine gleiche Intensität aufweist. Ein derartiges Signal zeigt den relativen Winkel zwischen dem Coderad 100 und der Phasenplatte 104 an.
Das Coderad und die Phasenplatte, die in Fig. 1 gezeigt sind, verwenden trapezartig geformte, lichtdurchlässige Bereiche. Codiervorrichtungen gemäß dem Stand der Technik des Typs, der in Fig. 1 offenbart ist, verwendeten ferner Coderäder mit spiralförmigen lichtdurchlässigen Bereichen. Bei derartigen Geräten ist die Phasenplatte gemäß einer Reihe von komplexen, sich wiederholenden Schritten konfiguriert, um eine geeignete Modulation der Lichtstrahlen von der Lichtquelle 102 sicherzustellen. Getrennte Photodetektoren werden ferner bei derartigen Geräten verwendet.
Ein jüngster Fortschritt der Technik bezieht sich auf eine Beseitigung der Phasenplatte von optischen Codiervorrichtungs-Konfigurationen. Derartige Codiervorrichtungen, wie sie von Leonard in der US-A-4691101 offenbart sind, verwenden interdigital angeordnete Lichtdetektorarrays, um die Funktion durchzuführen, die vorher durch die Phasenplatte durchgeführt wurde. Das US-Patent Nummer 4,691,101 von Leonard (Leonard) ist hiermit in seiner Gesamtheit aufgenommen. Die Photodetektorarrays weisen beispielsweise vier getrennte Photodetektoren auf, die unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet sind, und die Informationen empfangen, die zu zwei Kanälen gehören. Das Array erzeugt vier Ausgabesignale B, A , AB und , eines für jeden einzelnen Photodetektor. Diese vier Signale werden bevorzugt in Quadratur erzeugt, das heißt, daß sie identisch geformt und untereinander 90º phasenverschoben sind.
Während die Anordnung, die bei Leonard offenbart ist, den Bedarf nach einer Phasenplatte beseitigt, legt sie der Coqdiervorrichtungs-Konfiguration bestimmte andere Einschränkungen auf. Leonard lehrt beispielsweise, daß das Photodetektorarray die gleiche Größe und Form aufweisen muß, wie ein lichtdurchlässiger Abschnitt und ein lichtundurchlässiger Abschnitt des Coderads. Somit offenbart Leonard ein Coderad mit trapezartigen Fenstern und eine Photodetektoranordnung mit im wesentlich identischer Größe und Form.
Während die von Leonard gelehrten Codiervorrichtungen einen bedeutenden Fortschritt der Technik darstellen, gehören mehrere Nachteile zu der darin offenbarten Anordnung, besonders, wenn relativ preiswerte Codiervorrichtungen gewünscht werden. Wie es in der ebenfalls anhängigen Anmeldung mit der Seriennr. 321,994 erklärt ist, stammt ein Nachteil daher, daß die Lichtquelle und die Lichtdetektoren auf gegenüberliegenden Seiten des Rads angeordnet sein müssen. Dies erfordert das Vorhandensein zweier Substrate, zu denen elektrische Verbindungen hergestellt werden müssen, was wiederum die Positionierung auf Ausrichtung von Komponenten kompliziert, um eine gewünschte Präzision zu erhalten. Dies alles verteuert die Codiervorrichtung erheblich.
Eine weitere Schwierigkeit, die zur Leonard-Codiervorrichtung gehört, entsteht bei Anwendungen, die Codiervorrichtungen mit niedrigem Zählwert pro Umdrehung (CPR = Count-Per- Revolution) erfordern. Wie von Leonard beschrieben ist, stellt der CPR einer optischen Codiervorrichtung die Anzahl der Zyklen dar, die die vier Ausgangssignale B, A , AB und bei einer Umdrehung des Coderads durchlaufen. Wie für Fachleute offensichtlich ist, erfordern viele optische Codiervorrichtungsanwendungen Coderäder mit niedrigem CPR. Es ist beispielsweise wünschenswert, Coderäder mit niedrigem CPR in Verbindung mit einer Feinabstimmungssteuerung einer elektronischen Ausrüstung zu verwenden. Es ist ebenso wünschenswert, daß Codiervorrichtungen und die Komponenten, die zu denselben gehören, die kleinste mögliche Größe aufweisen. Der Anmelder hat jedoch herausgefunden, daß es im allgemeinen nicht möglich ist, unter der Verwendung von Codiervorrichtungen mit Coderädern, wie von Leonard gelehrt, diese beiden Ziele gleichzeitig zu erreichen.
Bei der Konfiguration von Leonard muß jedes Photodetektorarray die gleichen Abmessungen wie ein lichtdurchlässiger Abschnitt plus ein lichtundurchlässiger Abschnitt des Coderades aufweisen. Ferner lehrt Leonard, daß die lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Bereiche des Coderades die gleiche Größe und Form aufweisen. Gemäß den Lehren von Leonard muß die Breite der Photodetektoranordnung ansteigen, um Coderäder mit niedrigem CPR unterzubringen. Dies steht im Gegensatz zu den Zielen niedriger Kosten und kleiner Größe.

Zusammenfassung der Erfindung

Demgemäß stellt es ein Ziel der vorliegenden Erfindung dar, optische Codiervorrichtungen mit einem niedrigem CPR zu schaffen, welche anpaßbar sind, um mit Photodetektoren der kleinsten möglichen Größe verwendet zu werden.
Es stellt ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung dar, optische Codiervorrichtungen mit niedrigem CPR zu schaffen, welche anpaßbar sind, um mit Photodetektoren herkömmlicher Größe und Form verwendet zu werden.
Es stellt ferner ein Ziel der Erfindung dar, optische Wellenwinkel-Codiervorrichtungen mit niedrigem CPR zu schaffen, die anpaßbar sind, um mit interdigital angeordneten Photodetektoren verwendet zu werden.
Diese und weitere Ziele der vorliegenden Erfindung werden durch optische Codiervorrichtungen erreicht, die einen Photodetektor und eine Lichtmoduliereinrichtung zum Projizieren spiralförmiger Licht-Spalten, die durch ähnliche Spalten von spiralförmigen dunklen Bereichen getrennt sind, auf den Photodetektor aufweisen. Der Photodetektor weist vorzugsweise ein Photodetektorarray auf, das bezüglich der spiralförmigen Licht-Spalten derart ausgerichtet ist, daß die gesamte Lichtmenge, die auf das Photodetektorarray fällt, bei einer Bewegung des Objekts, dessen Position gemessen wird, im wesentlichen konstant bleibt. Die Moduliereinrichtung weist vorzugsweise ein Coderad auf, welches eine Spur von abwechselnden spiralförmigen Fenstern und Speichen aufweist. Der Anmelder fand heraus, daß durch die Verwendung einer derartigen Moduliereinrichtung ein Codiervorrichtungsentwurf ermöglicht wird, bei dem die Photodetektorbreite und der CPR unabhängige Variablen sind. Demgemäß weisen die optischen Codiervorrichtungen der vorliegenden Erfindung eine Beleuchtungsquelle und eine Lichtmoduliereinrichtung auf, welche entlang eines vorbestimmten Wegs bewegbar ist, um das Licht der Beleuchtungsquelle zu modulieren, um abwechselnde spiralförmige Hell- und Dunkel-Bilder zu schaffen. Ein Photodetektor ist positioniert, um das modulierte Licht zu erfassen, wobei derselbe vorzugsweise bezüglich der spiralförmigen Bilder ausgerichtet ist, derart, daß die Größe des Oberflächenbereichs des Photodetektors, welcher durch die Lichtquelle beleuchtet wird, im wesentlichen unverändert bleibt, während die Moduliereinrichtung entlang ihres vorbestimmten Wegs bewegt wird.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung einer bekannten optischen Wellenwinkel-Codiervorrichtung.
Fig. 2 ist eine Draufsicht eines Coderads gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 ist eine Draufsicht eines Photodetektorsubstrats gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erqfindung.
Fig. 4 ist eine halbschematische Schnittansicht eines Coderads und eines Photodetektorarrays.
Fig. 5 ist ein longitudinaler Querschnitt einer Wellenwinkel-Codiervorrichtung, die gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
Fig. 6 ist eine Draufsicht eines Substrats mit einem Lichtemitter und einem Photodetektorarray.
Fig. 7 ist eine bruchstückartige, vergrößerte halbschematische Querschnittdarstellung mit einem Bruchstück des Coderads der Codiervorrichtung.
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung einer Beleuchtung des Photodetektors durch Licht von einer Lichtquelle.
Fig. 9 ist ein Blockdiagramm einer Codiervorrichtung, wobei eine Beleuchtung schematisch gezeigt ist.
Fig. 10 ist eine Draufsicht eines Codestreifens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und auf Verfahren zum Umwandeln einer mechanischen Bewegung in elektrische Signale, die die Bewegung anzeigen. Die Vorrichtung stellt eine verbesserte optische Codiervorrichtung des Typs dar, der eine Lichtquelle, eine Einrichtung zum Modulieren des Lichts gemäß einer Bewegung des Objekts, dessen Position gemessen wird, und ein Photodetektorarray zum Empfangen des modulierten Lichts aufweist.

Vorrichtung

Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf die Einrichtung, die zur Modulation des Lichts von der Lichtquelle verwendet wird. Der Anmelder hat herausgefunden, daß die Ziele der vorliegenden Erfindung im allgemeinen durch Codiervorrichtungen erreicht werden, welche eine Einrichtung zum Modulieren von Licht von der Lichtquelle in spiralförmige Lichtstrahlen, die durch gleiche Spalten von spiralförmigen Dunkel-Bereichen getrennt sind, aufweisen. Die Moduliereinrichtung ist mit dem Objekt gekoppelt, dessen Position oder Bewegung erfaßt wird, derart, daß sich abwechselnde spiralförmige Hell- und Dunkel-Bilder auf das Photodetektorarray fallen, während sich das Objekt entlang seines Wegs bewegt. Die Hell- und Dunkel-Bilder sind vorzugsweise im wesentlichen von gleicher Größe und Form. Das Photodetektorarray ist vorzugsweise bezüglich der Bilder derart ausgerichtet, daß der gesamte Bereich des Photodetektorarrays, welcher von den Hell-Bildern belichtet wird, im wesentlichen konstant bleibt, während sich die Bilder über das Photodetektorarray bewegen.
Bezüglich der Ausdrücke, die hier verwendet werden, stellt ein "Hell-Bild" ein Bild dar, das aus Licht von der Lichtquelle der Codiervorrichtung besteht, während ein "Dunkel- Bild" ein Bild ist, das durch das wesentliche Fehlen des Lichts von der Lichtquelle gekennzeichnet ist. Zu Zwecken der vorliegenden Erfindung stellt ein "spiralformiges Bild" ein längliches Bild dar, welches eine vordere Kante und eine hintere Kante aufweist, wobei die vordere Kante und die hintere Kante im wesentlichen nicht senkrecht zu der Bewegungsrichtung der Lichtmoduliereinrichtung sind. Wie ausführliqcher nachfolgend offenbart wird, stellt die vordere Kante des spiralförmigen Bildes allgemein die erste Seite des Bildes dar, um das Photodetektorarray zu berühren, wobei die hintere Kante im allgemeinen die letzte Seite des Bildes darstellt, um die die Oberfläche des Arrays zu verlassen.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung stellt eine drehbare Welle das Objekt dar, dessen Position oder Bewegung erfaßt wird. Bei derartigen Ausführungsbeispielen weist die Moduliereinrichtung vorzugsweise ein Coderad 10, wie in Fig. 2 gezeigt ist, das konzentrisch an der Welle befestigt ist, um sich mit derselben zu drehen, auf. Ein beispielhaftes 16-CPR-Coderad 10 ist in Fig. 2 dargestellt. Das Coderad weist eine Spur von alternierenden spiralformigen Fenstern 11 und Speichen 12 auf, welche einen Weg entlang des Umfangs des Coderads bilden. Die Fenster 11 und die Speichen 12 sind vorzugsweise im wesentlichen von gleicher Größe und Form. Das heißt, daß jedes der Mehrzahl der Fenster 11 im wesentlichen zu jedem anderen identisch ist, wobei die Bereiche zwischen den Fenstern 11 im wesentlichen die gleiche Größe und Abmessung aufweisen, wie die dazwischenliegenden spiralformigen Fenster.
Jedes Fenster 11 gemäß dem Ausführungsbeispiel, das in Fig. 2 gezeigt ist, ist durch eine vordere Kante 13, eine hintere Kante 14, eine obere Begrenzung 15 und eine untere Begrenzung 16 definiert, wobei die vordere Kante im wesentlichen parallel zur hinteren Kante ist. Es ist offensichtlich, daß, während die Bezeichnungen "vordere" und "hintere" auf der Bewegungsrichtung basieren, die in Fig. 2 gezeigt ist, diese Bezeichnungen bei einer entgegengesetzten Rotation des Coderads 10 umgekehrt würden. Fachleuten ist ferner offensichtlich, daß die Bewegungsrichtung des Coderads 10, wie in Fig. 2 gezeigt ist, im wesentlichen weder zu den vorderen Kanten 13 noch zu den hinteren Kanten 14 senkrecht ist. Die vordere Kante 13 und die hintere Kante 14 jedes Fensters 11 sind vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Form aufweisen, welche in Polarkoordinaten gemäß der folgenden Gleichung definiert ist:
K = δΘ/δR (1)
wobei
δΘ die Winkeländerung ist,
δR die Radiusänderung ist, und
K die Spiralkonstante ist,
wobei der Mittelpunkt der Rotation 17 des Rads 10 durch den Ursprung des Polarkoordinatensystems geht. Die obere Begrenzung 15 und die untere Begrenzung 16 der Fenster 11 sind vorzugsweise kreisförmige Bogensegmente mit einem Mittelpunkt, welcher mit dem Mittelpunkt des Coderads zusammenfällt.
Den Fachleuten ist es offensichtlich, daß verschiedene Formen und Größen der Photodetektoren zur Verwendung in Verbindung mit der hierin beschriebenen Moduliereinrichtung anpaßbar sind. Obwohl derartige Variationen innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung liegen, weisen die vorliegenden Codiervorrichtungen vorzugsweise ein interdigital angeordnetes Photodetektorarray mit Standard-Größe, -Konfiguration und -Form aus, wodurch der Bedarf nach spezialisierten Schaltungschips minimiert wird, welche die Produktionskosten erhöhen würden.
Unter besonderem Bezug auf Fig. 3 ist ein interdigital angeordnetes Photodetektorarray 29 mit Standard-Größe und -Form auf einem integrierten Schaltungssubstrat 28 gebildet, welches wiederum typischerweise auf einer Gold-Masseanschlußfläche 35 auf einer gedruckten Schaltungsplatine 26 befestigt ist. Der Ausdruck "interdigital angeordnet" wird hierbei auf dieselbe Art und Weise verwendet, wie er in dem U.S. Patent Nr. 4,691,101 von Leonard verwendet ist. Ein interdigital angeordnetes Photodetektorarray ist ein eindimensionales Array, bei dem die einzelnen Photodetektoren, die das Array aufbauen, zueinander unmittelbar benachbart angeordnet sind und Informationen empfangen, die zu zwei Kanälen gehören. Das Photodetektorarray 29 weist einzelne Photodetektoren w, x, y und z auf. Jeder Photodetektor w, x, y und z weist vorzugsweise ein einfaches vierseitiges Parallebgramm, wie z.B. ein Rechteck, auf. Wie es in dem U.S. Patent Nr. 4,691,101 von Leonard erklärt ist, können die einzelnen Photodetektoren Photodioden aufweisen, welche unter Verwendung von bipolarer Standardhalbleitertechnologie gebildet sind, obwohl andere Technologietypen verwendet werden können, um die Photodetektoren zu bilden, ohne vom Bereich der Erfindung abzuweichen. Dotierte Blindbereiche 38, welche mit einer herkömmlichen Isolationsschicht oder Sperrschicht kurzschlußmäßig verbunden sind, um einen Leckverlust oder einen Strom zu und zwischen den Photodioden zu minimieren, werden vorzugsweise zwischen jedem Photodiodenbereich und außerhalb der äußersten Photodioden w und z positioniert.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, weist das Photodetektorarray eine Höhe c auf, die etwa gleich der Höhe der einzelnen Photodetektoren ist, und eine Breite a, welche etwa das Vierfache der Breite b jedes Photodetektors beträgt. Es ist jedoch offensichtlich, daß die zuletzt genannte Beziehung lediglich einen Näherungswert darstellt, da die dotierten Blindbereiche 38, welche zwischen benachbarten Photodetektoren positioniert sind, die gesamte Breite des Photodetektors leicht erhöhen. Das bevorzugte Photodetektorarray weist vier einzelne rechteckige Photodetektorbereiche w, x, y und z auf, wobei jeder Bereich eine Höhe c von etwa 760 Mikrometer und eine Breite b von 470 Mikrometer aufweist.
Signale von den vier Photodioden werden vorzugsweise auf die im wesentlichen gleiche Art und Weise verarbeitet, die in dem U.S. Patent Nr. 4,691,101 von Leonard beschrieben ist. Die vier Signale der Photodioden werden mittels Operationsverstärkern verglichen, um zwei Kanäle einer Ausgabelogik zu erzeugen, durch welche die Wellen-Position oder Bewegung bestimmt werden kann.
Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt in der Beziehung zwischen den spiralförmigen Bildern, die durch die Moduliereinrichtung erzeugt werden, und der Position und Ausrichtung des Photodetektorarrays, welches verwendet wird, um die Anwesenheit dieser Bilder zu erfassen. Es wurde herausgefunden, daß das Photodetektorarray vorzugsweise in dem Weg der spiralförmigen Bilder positioniert und in diesem Weg derart ausgerichtet ist, daß der gesamte Bereich des Photodetektorarrays, das durch das modulierte Licht beleuchtet wird, im wesentlichen konstant bleibt, während sich die Bilder über das Photodetektorarray bewegen. Wenn das Photodetektorarray eine Mehrzahl von rechteckigen, interdigital angeordneten Photodetektoren 29 aufweist, wie in Fig. 3 dargestellt ist, ist das Photodetektorarray vorzugsweise derart ausgerichtet, daß die Abschnitte der vorderen und hinteren Kanten der Spiralbilder, welche das Photodetektorarray beleuchten, im wesentlichen parallel zu den Schnittstellen zwischen den einzelnen Photodetektoren sind. Diese Beziehung wird beibehalten, während sich die Bilder über das Photodetektorarray bewegen.

Durchlässiges Coderad

Unter besonderer Bezugnahme auf Fig. 4 ist die bevorzugte Ausrichtung des Photodetektorarrays 29 für ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die Lichtmoduliereinrichtung ein Coderad 10 aufweist, welches zwischen einer Lichtquelle und dem Photodetektorarray 29 angeordnet ist. In Fig. 4 ist die Lichtquelle nicht gezeigt, wobei ein Abschnitt des Coderads 10 entfernt wurde, um die Beziehung zwischen den spiralförmigen Bildern 200 - 204 und dem Photodetektorarray 29 zu zeigen. Gemäß Ausführungsbeispielen des Typs, der in Fig. 4 gezeigt ist, ist das Coderad 10 vorzugsweise aus einein optisch undurchsichtigen Material aufgebaut, wie z.B. rostfreiem Stahl, wobei die Fenster 11 für die Lichtstrahlen, die durch die Lichtquelle erzeugt werden, durchlässig sind, während die Speichen 12 undurchlässig sind. Das Photodetektorarray 29 ist vorzugsweise in einer Ebene gehalten, welche im wesentlichen zu der Ebene des Coderads 10 parallel ist.
Während das Coderad 10 rotiert, wird die Spur entlang seines Umfangs der abwechselnden Fenster 11 und Speichen 12 durch die Lichtstrahlen von der Lichtquelle bewegt, wobei das Licht moduliert wird, um Hell-Spiralbilder 200, 201 und 202 zu erzeugen, welche durch Dunkel-Spiralbilder 203 und 204 getrennt sind. Fachleuten ist es offensichtlich, daß die Lichtquelle, die bei Ausführungsbeispielen mit einem durchlässigen Coderad verwendet wird, vorzugsweise eine Quelle von parallel gerichtetem Licht darstellt, wie es bei Leonard offenbart ist. Auf diese Weise sind die projizierten Spiralbilder 200 bis 204 im wesentlichen von gleicher Größe und Form wie die Fenster 11 und die Speichen 12. Somit beträgt die Vergrößerung des projizierten Spiralbildes Eins.
Das Photodetektorarray 29 ist derart angeordnet, daß der Bereich des Photodetektors, der durch die Hell-Spiralbilder beleuchtet wird, im wesentlichen konstant bleibt, während sich das Coderad dreht. Insbesondere ist das Photodetektorarray 29 angeordnet, um sicherzustellen, daß die Abschnitte der vorderen Kante 201A und der hinteren Kante 201B des Hell-Spiralbilds 201, welches auf das Array fällt, im wesentlichen zu den Schnittstellen zwischen den einzelnen Photodetektoren parallel sind. Es wurde herausgefunden, daß die geeignete Beziehung zwischen den Spiralbildern und dem Photodetektorarray vorzugsweise gemäß den folgenden Gleichungen oder Näherungen derselben bestimmt ist:
Θ = sin&supmin;¹ (N W/ (2 π R M ) ) (2)
K = 360 (COS (Θ) / (N W )) (3)
wobei Θ der Winkel ist, der zwischen einer Linie, die parallel zur langen Seite des Photodetektorarrays liegt, wie z.B. einer in Fig. 4 gezeigten Linie 17B, und einer Radiallinie in der Ebene des Photodetektorarrays, welche etwa durch die Mitte des Detektorarrays läuft, wie z.B. einer Linie 17A, gebildet ist und wobei
N die Anzahl der Zählwerte pro Umdrehung des Coderads ist,
W die Breite des Photodetektorarrays ist,
R der optische Radius des Photodetektorarrays ist,
M die Vergrößerung des projizierten Bilds ist, und
K die Spiralkonstante ist.
Hinsichtlich des hierin verwendeten Ausdrucks stellt der optische Radius eines Photodetektorarrays den rechtwinkligen Abstand zwischen etwa der Mitte des Photodetektorarrays und etwa der Rotationsachse des Coderads dar. Die Vergrößerung des projizierten Bildes bezieht sich auf den Größenunterschied, wenn vorhanden, zwischen dem projizierten Bild und den Spiral-Speichen oder -Fenstern, welche das Bild bilden.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Typs, der in Fig. 4 gezeigt ist, beträgt der optische Radius des Photodetektorarrays etwa 10.080 Mikrometer. Bei durchlässigen Coderädern weist das bevorzugte Photodetektorarray vier einzelne rechteckige Photodetektorbereiche w, x, y und z auf, wobei jeder Bereich eine Höhe c von ungefähr 760 Mikrometer und eine Breite b von etwa 470 Mikrometer aufweist. Wenn lichtdurchlässige Coderäder verwendet werden, wird es vorgezogen, daß der Zwischenraum zwischen den einzelnen Photodetektorbereichen so klein wie möglich gehalten wird. Demgemäß beträgt die gesamte Breite a des Photodetektorarrays 29, das in Fig. 4 dargestellt ist, vorzugsweise etwa 1.880 Mikrometer. Bei einem 16-CPR-Coderad ist das Photodetektorarray daher vorzugsweise in einem Winkel Θ von etwa 65º bezüglich einer radialen Linie 17A, welche durch die Mitte des Photodetektorarrays läuft, ausgerichtet, wobei die Spiralkonstante vorzugsweise bei etwa 0,00505 liegt. Die nachfolgende Tabelle 1 liefert die bevorzugten Werte von Θ und K für durchlässige Coderäder mit verschiedenen Werten von CPR. Tabelle 1 Werte von Θ und K für durchlässige Coderäder mit einem optischen Radius von etwa 5280 Mikrometer (µm) und einer Detektorbreite von etwa 1880 Mikrometer.
Fachleuten ist offensichtlich, daß die inneren und äußeren Radien des Wegs der Spiralbilder gemäß Entwurfsüberlegungen, welche sich auf Faktoren, wie z.B. die Coderadexzentrizität und dergleichen, beziehen, weit variieren können. Die inneren und äußeren Grenzen des optischen Wegs sollten jedoch ausreichend sein, um sicherzustellen, daß das Photodetektorarray ganz innerhalb des optischen Weges liegt. Für Ausführungsbeispiele mit den bevorzugten Werten von R und W, welche oben beschrieben sind, liegen die Spiralbilder vorzugsweise auf einem Weg entlang des Umfangs mit einem inneren Radius nicht größer als etwa 3.050 Mikrometer und einem äußeren Radius nicht kleiner als etwa 7.500 Mikrometer. Da die Vergrößerung eines durchlässigen Coderads vorzugsweise Eins beträgt, sind die inneren Grenzen der Fenster 11 ferner vorzugsweise durch untere kreisförmige Winkelsegmente begrenzt, welche einen Radius nicht größer als 3.050 Mikrometer aufweisen und durch obere kreisförmige Winkelsegmente, welche einen Radius nicht kleiner als etwa 7.500 Mikrometer aufweisen.

Reflektierendes Coderad

Ein weiteres, bevorzugteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine Codiervorrichtungskonfiguration, bei der das Photodetektorarray und die Lichtquelle auf der gleichen Seite des Coderads 10 positioniert sind. Gemäß derartigen Ausführungsbeispielen umfassen die Speichen 12 des Coderads 10 reflektierende Bereiche des Coderads und die Fenster 11 nicht-reflektierende Bereiche. Zu Zwecken der vorliegenden Erfindung wird ein reflektierender Bereich als ein Bereich bezeichnet, der spiegelartig Licht von der Lichtquelle auf das Photodetektorarray reflektiert, wobei ein nicht-reflektierender Bereich als ein Bereich betrachtet wird, welcher nicht derartig reflektiert, unabhängig davon, ob das Licht von der Lichtquelle durch den Bereich transmittiert, absorbiert oder in eine andere Richtung reflektiert wird. Demgemäß wird der Ausdruck "Fenster" aus Zweckmäßigkeitsgründen und nicht im Sinne einer Begrenzung verwendet. Somit müssen die Fenster 11 des Coderades 10 nicht tatsächliche Öffnungen in dem Coderad sein, sondern sie können beliebige Einrichtungen sein, um eine wesentliche Reflexion des Lichts von der Lichtquelle zu den Photodetektoren zu verhindern, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben ist.
Die Details eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit reflektierendem Coderad werden jetzt in Verbindung mit den Fig. 5 bis 9 beschrieben. Wie in Fig. 5 gezeigt ist, ist eine scheibenformige Nabe 16 an einem Abschnitt einer Welle 31 befestigt, welche eine Nut 17 aufweist, welche eine Rotation der Nabe mit der Welle sicherstellt. Der Abschnitt der Nabe 16 links von der Mittellinie Z in Fig. 5 ist als Vorderansicht dargestellt, während die Nabe rechts von der Mittellinie als Querschnitt dargestellt ist. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird das Coderad 10 fest gegen die Nabe 16 gehalten, wobei die Nabe auf der Welle 31 durch eine Feder 19 gehalten wird, welche Plättchen 21 aufweist, die die Welle reibungsmäßig in Eingriff nehmen.
Auf der dem Coderad 10 gegenüberliegenden Seite der Nabe 16 ist eine im allgemeinen kreisförmige Einrastfeder 22 gegen das Innere des Gehäuses 18 gelagert und spannt eine Einrastkugel 23 zu der Rückseite der Nabe hin vor. Ein sich entlang des Umfangs erstreckendes Band von Einrastlöchern 24 ist in der Rückseite der Nabe 16 gebildet, um die Kugel 23 in Eingriff zu nehmen, und um eine greifbare Anzeige der Nabenrotation zu schaffen. Die Einrastkugel 23 dient ferner dazu, die Nabe 16 in einer beliebigen einer Mehrzahl von Positionen, welche der Position der Einrastlöcher 24 entsprechen, leicht festzuhalten. Eine derartige Anordnung ist dort geeignet, wo die Welle 31 angepaßt ist, um manuell eingestellt zu werden. Die Einrastlöcher 24 müssen bei weiteren Ausführungsbeispielen nicht vorhanden sein.
Eine gedruckte Schaltungsplatine (PCB; PCB = Printed Circuit Board) 26 ist auf der hinteren Platte 14 befestigt und erstreckt sich aus dem Gehäuse 18 heraus. Ein herkömmlicher Verbinder auf der gedruckten Schaltungsplatine weist eine Mehrzahl von Anschlußstiften 27 auf, um elektrische Verbindungen mit Komponenten, die auf der Platine befestigt sind, herzustellen. Vier derartige Anschlußstifte reichen aus, wenn eine bestimmte Datenverarbeitung innerhalb des Gehäuses 18 durchgeführt wird. Ein Photodetektorsubstrat 28 und eine Lichtquelle, welche eine lichtemittierende Diode 40 (LED; LED = Light Emitting Diode) aufweist, sind an einer Position neben dem Umfang des Coderads 10 auf der PCB 26 befestigt.
Das Coderad 10 weist eine hochreflektierende Stirnfläche auf, die der LED 40 und dem Photodetektorsubstrat 28 gegenüberliegt. Mit "reflektierend" wird gemeint, daß die Stirnfläche glatt und flach ist, um eine Spiegelreflexion des Lichts und keine diffuse Reflexion zu schaffen. Wie in den Fig. 5 und 7 gezeigt ist, liegt die Spur der spiralförmigen Fenster 11 und Speichen 12 über einer konischen Rille 33, die in der Stirnfläche der Nabe 16 gebildet ist. Somit weist der Abschnitt der Nabe 16 hinter der optischen Spur eine Oberfläche auf, die nicht zu den Speichen, d.h. der reflektierenden Oberfläche, des Coderads parallel ist. Jedes Licht, das durch die Fenster 11 gelangt, wird, wenn überhaupt, in einer Richtung reflektiert, die sich von der Richtung des von den Speichen 12 oder dem Coderad 10 spiegelartig reflektierten Lichts unterscheidet. Aus diesem Grund werden die Fenster 11 als nicht-reflektierende Bereiche zwischen den reflektierenden Speichen 12 betrachtet. Es ist offensichtlich, daß andere Einrichtungen verfügbar sind, um die Fenster 11 aufzubauen, damit sie einen nicht-reflektierenden Bereich des Coderads 10 aufweisen. Die Fenster 11 des Coderads können beispielsweise diffuse Reflektoren oder Absorbierer sein. Derartige absorbierende Bereiche sind vorzugsweise mit einer Viertelwellenlängen-Interferenzschicht zur Absorption eines monochromatischen Lichts gebildet. Bei alternativen Ausführungsbeispielen sind die Nabe 16 und das Coderad 10 als eine Einheit gefertigt, wie z.B. durch Spritzgießen von Kunststoff. Bei dieser Art Coderad weisen die Fenster 11 ausgenommene Bereiche auf, welche verwinkelt sind, um Licht in von der Reflexion von den flachen Speichen 12 des Coderads unterschiedlichen Richtungen zu reflektieren. Solche Ausnehmungen definieren Bereiche, die zu Zwecken dieser Erfindung nicht reflektierend sind. Bei einer derartigen Anordnung kann die gesamte Seite der Coderad/Naben-Anordnung, einschließlich der Speichen 12, für eine gute spiegelartige Reflexion metallisiert sein. Die reflektierenden Bereiche können ferner gekrümmt statt flach sein, um Licht von dem Emitter auf einen kleinen Photodetektorbereich zu konzentrieren. Derartige gewölbte Oberflächen können ferner spiegelartige Reflektoren sein, wenn sie glatt sind.
Unter besonderer Bezugnahme auf die Fig. 6 bis 9 sind die LED 40 und das Photodetektorsubstrat 28 vorzugsweise auf einer Gold-Masseanschlußfläche 35 auf der gedruckten Schaltungsplatine 26 befestigt. Die LED 40 ist eine herkömmliche LED, welche vorzugsweise im wesentlichen monochromatisches Licht von einer Linie 37 emittiert. Wie in Fig. 6 dargestellt ist, weist die Linie 37 eine bestimmte Breite auf, die sie notwendigerweise bei einem beliebigen praktischen Ausführungsbeispiel haben muß. Tatsächlich ist die Linie 37 eine längliche Punktlichtquelle. Der Abstand zwischen benachbarten Photodioden ist vorzugsweise derselbe wie die Breite der emittierenden Linie 37 der LED 40. Eine derartige Konfiguration hilft bei der Kompensierung der "nicht scharfen" Kante des beleuchteten Bereichs und minimiert einen Dunkelstrom von den Photodioden, wodurch der Kontrast verbessert wird.
Das Photodetektorsubstrat 28 weist ferner eine herkömmliche Signalverarbeitungsschaltung 39 auf (in Fig. 9 lediglich schematisch gezeigt), welche zwei Vergleicher oder Operationsverstärker 41 aufweist. Ein Lastwiderstand 42 für die LED 40 ist auf einer gedruckten Schaltungsplatine 26 benachbart zu dem Substrat 28 befestigt. Weitere einzelne herkömmliche Schaltungselemente sind aufgrund der Übersichtlichkeit weggelassen.
Im Betrieb trifft das von der LED 40 emittierte Licht auf die reflektierenden Speichen 12 des Coderads 10, während sich das Coderad dreht, wie es am besten in den Fig. 7 - 9 gezeigt ist. Das reflektierte Licht bildet ein spiralförmiges Hell-Bild, welches das Photodetektorarray überquert, während das Rad rotiert. Das Licht von der LED 40, welches auf das Fenster 11 auftrifft, wird nicht reflektiert, wobei als Ergebnis die spiralförmigen Hell-Bilder durch spiralförmige Dunkel-Bilder gleicher Größe und Form getrennt werden. Das allgemeine Muster der Beleuchtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist schematisch durch gestrichelte Linien in den Fig. 7 - 9 dargestellt. Die Darstellung behandelt die Lichtquelle von der LED 40 als eine Punktquelle. Fig. 7 stellt eine Beleuchtung des Photodetektorarrays in einer radialen Ebene dar, wobei Fig. 8 eine Beleuchtung eines Arrays in einer Richtung entlang des Umfangs darstellt.
Für Fachleuten ist es offensichtlich, daß die Hell- und Dunkel-Spiralbilder, die durch die reflektierenden Coderäder erzeugt werden, bezüglich den Abmessungen der Fenster und Speichen des Coderads vergrößert werden. Insbesondere divergiert das Licht von der Lichtquelle zu den reflektierenden Bereichen, wie es in den Zeichnungen gezeigt ist. Es wird mit einem Einfallswinkel reflektiert und bewegt sich im wesentlichen in der gleichen Richtung zurück zu den Photodetektoren. Somit setzt sich das Divergieren fort und der Bereich wird gemäß der folgenden Gleichung vergrößert:
M = (d1 + d2)/d2
wobei,
d1 der Abstand von den Speichen des Coderads zu der Lichtquelle ist, und
d2 der Abstand von den Speichen der Coderads zu dem Photodetektorarray ist.
Da d1 etwa gleich d2 ist, weist das projizierte Spiralbild somit etwa die doppelte Größe der spiralförmigen Speichen 12 auf. Für Fachleute ist es jedoch offensichtlich, daß bei den meisten praktischen Ausführungsbeispielen d1 und d2 nicht exakt identisch sind. Unter besonderer Bezugnahme auf Fig. 7 ist beispielsweise zu sehen, daß die LED 40 nicht immer den gleichen Abstand von den Speichen 12 wie das Photodetektorsubstrat 28 haben kann. Während die LED 40 und die Photodetektoren 29 bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel etwa in einer Ebene liegen, welche parallel zu der Ebene des Coderads ist, ist eine derart perfekte Ausrichtung bei praktischen Ausführungsbeispielen nicht immer möglich. Die Divergenz des Lichts kann daher von dem Reflektor zu den Photodetektoren etwas geringer sein als von der LED 40 zu dem reflektierenden Bereich. Eine Parallaxe kann ferner bewirken, daß diese Beziehung etwas ungenau ist. Es wird jedoch angenommen, daß diese und weitere Diskrepanzen ziemlich klein sind.
Für Fachleute ist ferner offensichtlich, daß die Photodetektoren durch das modulierte Licht abwechselnd beleuchtet und nicht beleuchtet werden, während das Band der reflektierenden Bereiche rotiert. Somit sind die Signale, die durch die Photodioden erzeugt werden, den durch die Fenster in dem Coderad in dem Leonard-Patent transmittierten Signalen ähnlich und können auf dieselbe Weise verarbeitet werden. Bei Ausführungsbeispielen mit vier Detektorbereichen in dem Photodetektorarray weisen beispielsweise die vier Signale, die durch die vier Bereiche erzeugt werden, dieselbe Form auf, sie sind jedoch 90 Prozent zueinander phasenverschoben.
Gemäß bevorzugten Ausführungsbeispielen der reflektierenden Coderäder der vorliegenden Erfindung können die zwei inneren Photodetektorbereiche x und y etwas kleiner gemacht werden als die äußeren Photodetektorbereiche w und z, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. Die Länge des optischen Weges zwischen der LED 40 und den äußeren Photodetektorbereichen w und z ist etwas größer als der Weg zu den inneren Photodetektoren x und y. Die Lichtintensität an den äußeren Photodetektoren ist daher etwas kleiner. Die Photodetektorbereiche x und z sind daher etwas vergrößert, derart, daß etwa der gleiche Fluß jeden Photodetektorbereich beleuchtet. Diese Verfeinerung ist von geringerer Bedeutung, wenn zwei oder mehr Zyklen von Photodetektoren verwendet werden, da der Fluß von den inneren und äußeren Photodetektoren in dem Kanal integriert wird. Ferner ist eine derartige Verfeinerung relativ klein und demgemäß bleibt der gesamte Bereich des Photodetektors, der durch die Hell-Spiralbilder beleuchtet wird, nichtdestoweniger im wesentlichen "konstant", wie dieser Ausdruck hierin verwendet wird.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des reflektierenden Coderads der vorliegenden Erfindung beträgt der optische Radius des Photodetektorarrays etwa 5.280 Mikrometer. Für reflektierende Coderäder weist das bevorzugte Photodetektorarray vier einzelne rechteckige Photodetektorbereiche w, x, y und z auf, wobei jeder Bereich eine Höhe c von etwa 760 Mikrometer und eine Breite b von etwa 410 Mikrometer aufweist. Wenn reflektierende Coderäder verwendet werden, wird es bevorzugt, daß der Zwischenraum zwischen den einzelnen Photodetektorbereichen etwa gleich der Breite der LED 40 ist, welche vorzugsweise etwa 60 Mikrometer beträgt. Demgemäß beträgt die gesamte Breite a, gemessen von den Mittelpunkten der äußeren dotierten Blindbereiche 38, des Photodetektorarrays 26 vorzugsweise etwa 1.880 Mikrometer. Der Abstand von den Speichen 12 zu dem Detektor 29 beträgt vorzugsweise etwa 1.400 Mikrometer, wobei der Abstand von den Speichen zu der LED 40 vorzugsweise etwa 1.270 Mikrometer beträgt. Demgemäß beträgt die Vergrößerung M etwa 1,91. Für ein 16-CPR-Reflexions-Coderad ist das Photodetektorarray daher vorzugsweise mit einem Winkel Θ von etwa 28º bezüglich einer radialen Linie, die durch die Mitte des Photodetektorarrays läuft, angeordnet, wobei die Spiralkonstante vorzugsweise etwa 0,01050 beträgt. Die unten angeführte Tabelle 2 liefert die bevorzugten Werte von Θ und K für reflektie rende Coderäder mit verschiedenen Werten von CPR. Tabelle 2 Werte von Θ und K für reflektierende Coderäder mit optischen Radien von etwa 5280 Mikrometer und Detektorbreiten von etwa 1180 Mikrometer.

Codestreifen

Während die Moduliereinrichtungen, die in den Fig. 1 bis 9 dargestellt sind, Coderäder sind, die an einer Welle befestigt sind, ist es offensichtlich, daß weitere Ausführungsbeispiele innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung möglich sind. Die Moduliereinrichtung kann beispielsweise einen Codestreifen aufweisen, wie er beispielsweise in Fig. 10 gezeigt, um eine Bewegung oder eine Position entlang eines Weges zu verfolgen. Der Codestreifen weist ein rechteckiges Bauglied 50 mit Fenstern 51 und Speichen 52 auf. Wie in Fig. 10 gezeigt ist, weist jedes Fenster eine vordere Kante 51A und eine hintere Kante 51B auf. Die vorderen Kanten 51A und hinteren Kanten 51B sind im wesentlichen nicht senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Codestreifens, wie gezeigt ist. Somit sind diese Speichen und Fenster innerhalb der Bedeutung der vorliegenden Erfindung spiralförmig. Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 10 definieren die vorderen und hinteren Kanten im wesentlichen streng parallele Linien. Für Fachleute ist es offensichtlich, daß der Codestreifen 50 verwendet werden kann, um einen Lichtstrahl auf eine Art und Weise zu modulieren, welche im wesentlichen analog zu der ist, die vorher bezüglich der Coderad-Ausführungsbeispiele beschrieben wurde. Ein Photodetektorarray ist beispielsweise vorzugsweise derart ausgerichtet, daß die vorderen Kanten 51A und die hinteren Kanten 51B im wesentlichen parallel zu der Grenzfläche zwischen den einzelnen Photodetektoren liegen.

Verfahren

Die vorliegende Erfindung schafft ferner Verfahren zum Erzeugen eines elektrischen Signals, das die mechanische Bewegung eines Objekts anzeigt. Die Verfahren sind von dem Typ, der das Bereitstellen einer Beleuchtungsquelle und das Modulieren von Licht von der Beleuchtungsquelle als Reaktion auf eine Bewegung des Objekts erfordert.
Ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Verfahren bezieht sich auf den Schritt des Modulierens des Lichts von der Lichtquelle. Insbesondere weist der Modulationsschritt vorzugsweise das Modulieren des Lichts von der Lichtquelle auf, um spiralförmige Hell-Bilder zu schaffen, welche durch spiralförmige Dunkel-Bilder getrennt sind. Dazu weist der Modulationsschritt insbesondere das Modulieren des Lichts in spiralförmige Hell- und Dunkel-Bilder von im wesentlichen der gleichen Größe und Form auf. Es ist bevorzugt, daß die Hell- und Dunkel-Bilder gemäß den Gleichungen 1 oder 3 gebildet sind, welche vorher beschrieben wurden.
Die vorliegenden Verfahren erfordern ferner den Schritt des Umwandelns des modulierten Lichts in elektrische Signale, die die Position oder Bewegung des Objekts anzeigen. Dies wird vorzugsweise durch ein Halten eines interdigital angeordneten Photodetektorarrays in den Weg des modulierten Lichts erreicht. Das Photodetektorarray ist vorzugsweise derart konfiguriert und ausgerichtet, wie es oben beschrieben wurde und wie es in den beiliegenden Figuren dargestellt ist. Die Details und weitere Aspekte der vorliegenden Verfahren sind in Verbindung mit der Beschreibung der obigen Vorrichtung vollständig offenbart.
Obwohl besondere Ausführungsbeispiele dieser Erfindung zum Zweck der Darstellung detailliert beschrieben worden sind, ist es offensichtlich, daß verschiedene Modifikationen innerhalb des Geists und Bereichs der Erfindung liegen. Es ist beabsichtigt, daß die beigefügten Ansprüche alle derartigen Modifikationen beinhalten.

Claims

1. Eine optische Codiervorrichtung zum Bestimmen der Position oder Bewegung eines Objekts entlang eines vorbestimmten Wegs mit folgenden Merkmalen:

(a) einer Lichtquelle (140, 102) zum Emittieren eines Lichtstrahls entlang eines Lichtwegs;

(b) einer beweglichen Lichtmoduliereinrichtung (10, 50) zum Modulieren des Lichtstrahls als Reaktion auf die Bewegung des Objekts, wobei die Moduliereinrichtung eine optische Spur zum Modulieren des Lichtstrahls aufweist, welche in dem Lichtweg positioniert ist, um spiralförmige Hell-Bilder (200, 201, 202) zu schaffen, die durch spiralförmige Dunkel-Bilder (203, 204) getrennt sind; und

(c) einem interdigital angeordneten Photodetektorarray (29), das positioniert ist, um das modulierte Licht zu empfangen.

2. Eine Codiervorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der das Photodetektorarray (29) bezüglich der Bilder derart ausgerichtet ist, daß die Größe des Photodetektoroberflächenbereichs, welcher durch das modulierte Licht beleuchtet wird, im wesentlichen konstant ist, während sich das Objekt entlang seines Wegs bewegt; wobei

(a) die spiralförmigen Hell-Bilder (200, 201, 202) vordere Kanten (201A, 51A) und hintere Kanten (201B, 51B) aufweisen; und

(b) das Photodetektorarray (29) eine Mehrzahl von benachbarten Photodetektorbereichen (w, x, y, z) aufweist, die derart ausgerichtet sind, daß die Abschnitte der vorderen und hinteren Kanten, welche das Photodetektorarray beleuchten, im wesentlichen parallel zu den Schnittstellen zwischen den Photodetektorbereichen liegen.

3. Eine optische Codiervorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der das Objekt eine drehbare Welle (110) ist, wobei die Moduliereinrichtung ein Coderad (10), das mit der Welle gekoppelt ist, zum Modulieren des Lichtstrahls als Reaktion auf die Rotation der Welle aufweist, wobei das Coderad, das entlang seines Umfangs eine Spur von spiralförmigen Fenstern (11), die durch spiralförmige Speichen (12) getrennt sind, aufweist, in dem Lichtweg positioniert ist.

4. Eine Codiervorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der das Coderad (10) zwischen der Lichtquelle (102, 40) und dem Photodetektorarray (29) positioniert ist, wobei die Fenster (11) Bereiche des Coderads aufweisen, die im wesentlichen für Licht von der Lichtquelle durchlässig sind, und wobei Speichen (12) Bereiche des Coderads aufweisen, welche im wesentlichen für Licht von der Lichtquelle undurchlässig sind.

5. Eine Codiervorrichtung gemäß Anspruch 3, bei der die Lichtquelle (102, 40) und das Photodetektorarray (29) auf derselben Seite des Coderads (10) positioniert sind, wobei die Speichen (12) reflektierende Bereiche des Coderads aufweisen, und wobei die Fenster (11) im wesentlichen nicht reflektierende Bereiche des Coderads aufweisen.

6. Eine Codiervorrichtung gemäß Anspruch 4 oder 5, bei der das Photodetektorarray (29) ein rechteckiges Photodetektorarray ist, welches aus einer Mehrzahl von einzelnen rechteckigen Photodetektorbereichen (w, x, y, z) besteht, die unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet sind, wobei das Array in einer Ebene gehalten ist, die im wesentlichen parallel zu der Ebene der Coderads ist.

7. Eine Codiervorrichtung gemäß Anspruch 6, bei der der Winkel (Θ), der zwischen einer Linie, die parallel zu der langen Seite des Photodetektorarrays (17B) und einer radialen Linie (17A) in der Ebene des Photodetektorarrays, welche etwa durch die Mitte des Detektorarrays läuft, gebildet ist, etwa gleich dem Wert von Θ ist, welcher wie folgt bestimmt wird:

Θ = sin&supmin;¹ (N W / (2 π R M))

wobei N die Anzahl der Zählwerte pro Umdrehung des Coderads ist,

W die verwendbare Breite des Photodetektorarrays ist,

R der optische Radius des Photodetektorarrays ist, und

M die Vergrößerung des projizierten Hell-Spiralbilds ist.

8. Eine Codiervorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der die Spiralbilder (201) vordere Kanten (201A, 51A) und hintere Kanten (201B, 51B) aufweisen, die etwa gemäß der folgenden Gleichung in Polarkoordinaten geformt sind:

K = 360 (COS(Θ) / (N W)),

wobei die Rotationsachse (17) des Coderads (10) durch den Ursprung des Polarkoordinatensystems läuft.

9. Eine Codiervorrichtung gemäß einem beliebigen der Ansprüche 1 bis 8, bei der das Photodetektorarray (29) eine Mehrzahl von Photodetektoren (w, x, y, z), die Seite an Seite angeordnet sind, aufweist.