DE69634537T2

DE69634537T2 - Absolutkodierer

Info

Publication number: DE69634537T2
Application number: DE69634537T
Authority: DE
Inventors: R. Kenneth TALBOTT; L. Charles HYLTON; A. James AUSTIN; C. William HOOSS; V. David ADAMS; G. Keven SCHULZ; R. Paul Smith
Original assignee: Limitorque LLC
Current assignee: Limitorque LLC
Priority date: 1995-06-21
Filing date: 1996-06-14
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2016-06-15
Also published as: EP0834056A1; US5640007A; FR2736150B1; JPH11508365A; EP0834056A4; WO1997001078A1; EP0834056B1; IN189633B; AU6281496A; TW301083B; FR2736150A1; DE69634537D1; JP2004226423A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Drehpositionssensoren und insbesondere Codierer, welche eine digitale Darstellung der Winkelposition bereitstellen.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Bei vielen Anwendungen ist es notwendig, die Positionierung eines Drehelements zu identifizieren, wobei eine solche Art von Anwendung zum Beispiel ein Drehantrieb ist, wie beispielsweise ein Ventilstellantrieb, das in Betrieb imstande sein muss, die Position der Abtriebswelle genau abzutasten. Traditionellerweise wurde die Positionsabtastung eines Drehelements durch die Verwendung von nockenbetriebenen Schaltern und/oder Potentiometern bewerkstelligt. Es sind auch Absolutcodierer bekannt, welche eine digitale Darstellung entsprechend der Drehposition bereitstellen. Absolutcodierer verwenden einen Abtastmechanismus, welcher die Drehversetzung in Bezug auf eine Messskala auswertet. Zum Abtasten einer Drehversetzung weist die Skala die Form einer oder mehr Scheiben auf, die eine Mehrzahl von konzentrischen Spuren drehen, welche entsprechende Bits eines digitalen Multibitcodes bereitstellen. Die Codespuren werden normalerweise aus optisch ansprechenden Segmenten gebildet, welche auf der Drehscheibe geätzt, gestrichen, gebohrt oder anderweitig modifiziert werden. Vorteilhafterweise besitzen Absolutcodierer die Eigenschaft, dass die Betriebsleistung ohne Verlust der Daten, welche der Drehposition entsprechen, weggenommen werden kann, da die Daten durch den Codierer selbst mitgeführt werden.
Bei der Bereitstellung dieser Funktionen benötigen Absolutcodierer jedoch sehr viele parallele Skalen, wobei die genaue Anzahl von den Bereichs- und Genauigkeitserfordernissen abhängt. Diese große Anzahl von Skalen, welche bei Absolutcodierern benötigt wird, bewirkt, dass sie bei Anwendung anfälliger, sowie weniger zuverlässig sind. Bei vielen Anwendungen jedoch sind die Zuverlässigkeit und die Robustheit äußerst wichtige Merkmale. Außerdem sind die Kosten des typischen Absolutcodierers aus denselben Gründen ziemlich hoch.
Demgemäß wurde die vorliegende Erfindung in Anbetracht des Vorhergesagten und zur Überwindung der Unzulänglichkeiten des Standes der Technik entwickelt.
US 4 730 110 offenbart einen mehrgängigen Wellenpositionscodierer, der eine Mehrzahl von Codierscheiben mit schrittweisen Geschwindigkeitsreduktionen von 1:2n und der Erzeugung von n + 1 Bits von binären Daten einsetzt, welche für die Winkelposition der jeweiligen Scheiben repräsentativ sind, wenn sich die Antriebswelle dreht.
DE 41 11 562 offenbart einen Zähler mit äußeren Zähnen, welche in ein Getriebe eingreifen, das sechs Zahnräder aufweist, in welchen konzentrische Impulsspuren als Schlitze ausgebildet sind, durch welche Licht von einem Vielfachemitter auf einen entsprechenden Lichtempfänger einfällt.
EO 0 660 263 offenbart einen Absolutcodierer für ein Messgerät mit einem mechanischen Trommelzähler bestehend aus fünf Sensoren je Zähltrommel, die in einer Ebene in rechten Winkeln zur Zählerachse angeordnet sind, und einem Code auf der Zähltrommel, welcher ein digitales Drehwinkelsignal mit einer Auflösung von 12 DEG erzeugt.
IP 60 143 715 offenbart ein Verfahren zur Durchführung einer Positionserkennung durch Bereitstellen von ersten und zweiten Drehplatten, welche durch eine Antriebswelle gedreht werden, und Erkennen der Drehpositionen der Platten durch Fotoschalter.
US 4 137 451 offenbart Codierungsfotozellen in einer Schaltungsgruppe zum Abtasten von beleuchteten und unbeleuchteten Schwankungen, die durch Änderungen in einem optischen Codemuster hervorgerufen werden. Entsprechende Signalausgangsänderungen der Codierungsfotozellen werden dadurch erkannt, dass sie sequenziell an ein Abtastnetz angeschlossen sind, das eine Referenzfotozellenschaltungsgruppe umfasst.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt einen Absolutcodierer, wie in Patentanspruch 1 definiert, bereit.
Der Codieren kann die Merkmale irgendeines oder mehrerer der abhängigen Patentansprüche 2 bis 26 aufweisen.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Absolutcodierer mit verbesserter Genauigkeit und niedrigen Kosten bereit, der im Stand der Technik nicht anzutreffen ist. Der Absolutcodierer der vorliegenden Erfindung umfasst eine Mehrzahl von drehbar montierten Codierscheiben. Jede Codierscheibe umfasst wenigstens eine Codesequenz, welche sich konzentrisch um die Codierscheibe erstreckt. Der Absolutcodierer der vorliegenden Erfindung umfasst auch Mittel, welche zwischen jedem Paar von Codierscheiben vorgesehen sind und welche wirken, um die zweite Codierscheibe des Paares im Anschluss an ein vorbestimmtes Maß von Drehung der ersten Codierscheibe des Paares ein vorbestimmtes Maß zu drehen. Es sind auch Abtastmittel enthalten, welche Lichtemissionsmittel und Erkennungsmittel umfassen. Das Lichtemissionsmittel ist so ausgelegt, dass es eine definierte Region der Codesequenz beleuchtet. Das Erkennungsmittel ist so ausgelegt, dass es Licht, welches durch das Lichtemissionsmittel leuchtet, in Bezug auf die definierte Region der Codesequenz identifiziert.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Sensors, welcher die Position einer Drehwelle genau bestimmen kann. Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines neuartigen Codierers, welcher eine verbesserte Genauigkeit und Zuverlässigkeit aufweist und welcher zu niedrigen Kosten bereitgestellt werden kann.
Noch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines verbesserten Absolutcodierers, der zum genauen Abtasten der Versetzung einer Drehwelle imstande ist und dessen Herstellung und Zusammenbau billig ist.
Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden unter Berücksichtigung der folgenden Beschreibung und der beiliegenden Zeichnungen leicht erkannt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht, welche eine Ausführungsform des Absolutcodierers der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
2a ist eine Vorderansicht des in 1 veranschaulichten Absolutcodierers im Schnitt entlang der Linie A-A, welche eine Codierscheibeneinheit darstellt;
2b ist eine Seitenansicht des in 1 veranschaulichten Absolutcodierers im Schnitt entlang der Linie B-B, welche einen Abschnitt einer Turmeinheit und einer Codierscheibeneinheit darstellt;
2c ist eine teilweise aufgeschnittene Draufsicht von oben des in 2b veranschaulichten Absolutcodierers im Schnitt entlang der Linie C-C, welche einen oberen Turm der Turmeinheit und eine vierte Codierscheibe der Codierscheibeneinheit darstellt;
3 und 4 sind perspektivische Draufsichten von oben und unten eines Antriebszahnrads von 1;
5 ist eine Draufsicht von oben des Antriebszahnrads von 3;
6 ist ein Aufriss des Antriebszahnrads von 5 im Schnitt entlang der Linie A-A;
7 und 8 sind perspektivische Draufsichten von oben und unten einer ersten Codierscheibe von 1;
9 ist eine Draufsicht von oben der ersten Codierscheibe von 7;
10 ist eine Draufsicht von unten der ersten Codierscheibe von 8;
11 ist ein Aufriss der ersten Codierscheibe von 10 im Schnitt entlang der Linie A-A;
12 und 13 sind perspektivische Draufsichten von oben und unten einer zweiten Codierscheibe von 1;
14 ist eine Draufsicht von oben der zweiten Codierscheibe von 12;
15 ist eine Draufsicht von unten der zweiten Codierscheibe von 13;
16 ist ein Aufriss der zweiten Codierscheibe von 15 im Schnitt entlang der Linie A-A;
17 und 18 sind perspektivische Draufsichten von oben und unten einer dritten Codierscheibe von 1;
19 ist eine Draufsicht von oben der dritten Codierscheibe von 17;
20 ist eine Draufsicht von unten der dritten Codierscheibe von 18;
21 ist ein Aufriss der dritten Codierscheibe von 20 im Schnitt entlang der Linie A-A;
22 und 23 sind perspektivische Draufsichten von oben und unten einer vierten Codierscheibe von 1;
24 ist eine Draufsicht von oben der vierten Codierscheibe von 22;
25 ist eine Draufsicht von unten der vierten Codierscheibe von 23;
26 ist ein Aufriss der vierten Codierscheibe von 25 im Schnitt entlang der Linie A-A;
27 und 28 sind perspektivische Draufsichten von oben und unten eines Ritzels von 1;
29 ist eine Draufsicht von oben des Ritzels von 27;
30 ist ein Aufriss des Ritzels von 29;
31 und 32 sind perspektivische Draufsichten von oben und unten eines unteren Turmes einer Turmeinheit von 1;
33 ist eine Draufsicht von oben des unteren Turmes von 31 im Schnitt entlang der Linie A-A;
34 ist eine Seitenansicht des unteren Turmes von 32 im Schnitt entlang der Linie B-B;
35 und 36 sind perspektivische Draufsichten von oben und unten eines mittleren Turmes einer Turmeinheit von 1;
37 ist eine Draufsicht von oben des mittleren Turmes von 35 im Schnitt entlang der Linie A-A;
38 ist eine Seitenansicht des mittleren Turmes von 36 im Schnitt entlang der Linie B-B;
39 und 40 sind perspektivische Draufsichten von oben und unten eines oberen Turmes einer Turmeinheit von 1;
41 ist eine Draufsicht von oben des oberen Turmes von 39 im Schnitt entlang der Linie A-A;
42 ist eine Seitenansicht des oberen Turmes von 40 im Schnitt entlang der Linie B-B;
43 ist teils ein Schema- teils ein Blockschaltbild, welches die Verarbeitungselektronik eines Sensors von 1 veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nunmehr unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Einzelnen, wobei gleiche Bezugszeichen die verschiedenen Ansichten hindurch gleiche Elemente anzeigen, ist in 1 eine auseinander gezogene perspektivische Ansicht eines Absolutcodierers 10 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Hauptkomponenten des Absolutcodierers 10 sind ein Abtastmittel, welches durch das Bezugszeichen 12 identifiziert ist, und eine Codierscheibeneinheit 13, wobei jede dieser Komponenten innerhalb eines Gehäuses 16 vorgesehen ist.
Die Codierscheibeneinheit 13 gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Mehrzahl von Codierscheiben, wobei in der vorliegenden Ausführungsform insgesamt vier Codierscheiben vorgesehen sind und diese in 1 durch die Nummern 14a–d identifiziert sind. Die erste und die dritte Codierscheibe 14a beziehungsweise c sind auf einer ersten Welle 18 montiert, und die zweite und die vierte Codierscheibe 14b beziehungsweise d sind auf einer zweiten Welle 20 montiert. Die erste Welle 18 wiederum erstreckt sich durch eine Öffnung 22 durch das Gehäuse 16 hinaus, wobei sie mit einem Antriebszahnrad 24 verbunden ist.
Vorzugsweise bestehen in dieser Ausführungsform die erste und die zweite Welle 18 und 20 aus rostfreiem Stahl. Das Antriebszahnrad 24, wie in 3 bis 6 am besten zu sehen, ist ein im Wesentlichen kreisförmiges Scheibenelement, das vorzugsweise aus Kunststoff, wie beispielsweise dem Celanese-Harz von Hoechst Celcon M270, geformt ist und eine Mehrzahl von beabstandeten Zähnen auf seiner Umfangsfläche aufweist. Das Antriebszahnrad 24 weist auch eine Öffnung 25 auf, welche im Allgemeinen die Form eines „D" aufweist und welche einen entsprechenden D-förmigen Abschnitt der ersten Welle 18 zur Verbindung aufnimmt. Obwohl nicht dargestellt, ist das Antriebszahnrad 24 in Verbindung mit einer Antriebswelle vorgesehen, welche in der Nähe ihres oberen Endes eine Mehrzahl von Zähnen auf ihrer Umfangsfläche zum Eingriff in die Zähne des Antriebszahnrads 24 aufweist. Die Antriebswelle wiederum ist mit einem Drehelement (nicht dargestellt), das durch den Absolutcodierer 10 zu überwachen ist, verbunden oder als Teil davon hergestellt. Wie bereits erwähnt, ist die vorliegende Erfindung ausgelegt, um bei Anwendungsarten verwendet zu werden, bei welchen gewünscht wird, dass ein Drehelement, zum Beispiel eine Abtriebswelle eines Drehantriebs, wie beispielsweise eines Ventilstellantriebs, in Bezug auf seine Winkelposition überwacht wird. Was die Gestaltung der Codierscheiben 14a bis 14d betrifft, sind alle im Wesentlichen kreisförmige Scheibenelemente, welche vorzugsweise aus thermoplastischen oder wärmehärtbaren Materialien, wie beispielsweise dem Celanese-Harz von Hoechst Celcon M270, spritzgegossen sind, wobei für denselben Zweck jedoch auch andere Herstellungstechniken und andere Materialien verwendet werden können. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist jede der Codierscheiben 14a bis 14d mit wenigstens einer Codesequenz versehen, welche sich konzentrisch um die Codierscheibe erstreckt. In dieser Ausführungsform, wie in den Figuren veranschaulicht, weist jede Codierscheibe 14a bis 14d eine Reihe von vier Codesequenzen um die Codierscheibe auf. Zu Veranschaulichungszwecken sind die vier Codesequenzen in Bezug auf die vier Codierscheiben 14a–d in 10, 15, 20 und 25 durch die Buchstaben a bis d identifiziert. Die Funktion und der Betrieb der Codesequenzen werden im Folgenden ausführlicher beschrieben.
Wie in 7 bis 11 am besten veranschaulicht, weist die erste Codierscheibe 14a auf ihrer Umfangsfläche einen oberen Flansch 28 und einen unteren Flansch 30 auf, wobei sich der untere Flansch 30 im Allgemeinen radial nach außen erstreckt und sich der obere Flansch 28 in der Nähe des unteren Flansches 30 im Allgemeinen senkrecht nach oben erstreckt. Ferner weist die obere Flanschfläche 28 vier Paare von Zähnen 32 auf, die sich in räumlicher Beabstandung im Allgemeinen radial nach außen davon erstrecken. In der vorliegenden Erfindung sind die vier Zahnpaare 32 jeweils in Intervallen von 90° um den Umfang der Scheibe 14a beabstandet. Ferner sind die beiden Zähne jedes der vier Paare 32 benachbart zueinander angeordnet, wie in 9 am besten dargestellt. Außerdem weist die erste Codierscheibe 14a innerhalb ihrer oberen Oberfläche einen Hohlraum auf, und es ist ein im Wesentlichen ringförmiges Ringelement 36 vorgesehen, welches sich von der oberen Oberfläche in der Nähe der Mitte der Codierscheibe 14a nach außen erstreckt. Ähnlich erstreckt sich ein zweites, im Wesentlichen ringförmiges Ringelement 38 von der unteren Oberfläche, allerdings eine Distanz, die kürzer ist als jene in Verbindung mit dem ringförmigen Ringelement 36. Außerdem ist auch ein im Wesentlichen zylindrischer Hohlraum, welcher eine Zeitmarke 33 definiert, innerhalb des oberen Flansches 28 in der Nähe und zwischen einem der vier Zahnpaare 32 enthalten. Wie bereits erwähnt, ist die erste Codierscheibe 14a auf der ersten Welle 18 montiert, und zu diesem Zweck ist eine Öffnung 40 ausgebildet, welche sich durch die erste Codierscheibe 14a durch jedes der ringförmigen Ringelemente 36 und 38 erstreckt. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die erste Codierscheibe 14a so ausgelegt, dass sie mit der ersten Welle 18 drehbar ist, und zu diesem Zweck weist in dieser Ausführungsform die Öffnung 40, welche sich durch die erste Codierscheibe 14a erstreckt, im Allgemeinen die Form eines „D" auf, welches den entsprechend D-förmigen Abschnitt der ersten Welle 18 aufnimmt. Auf diese Weise wird die erste Codierscheibe 14a zur Drehung mit der ersten Welle 18 fixiert.
Die zweite Codierscheibe 14b, wie in 12 bis 16 dargestellt, weist ähnlich der ersten Codierscheibe 14a ebenfalls zwei Flansche auf, welche sich um den Umfang der Scheibe erstrecken und welche durch die Bezugszeichen 44 und 46 identifiziert sind. Der obere Flansch 44 weist auch ein Paar von Zähnen auf, welche sich radial von seiner Außenfläche erstrecken, was bei 45 dargestellt ist. In dieser Ausführungsform sind zwei Zahnpaare 45 dargestellt, welche in Intervallen von 180° beabstandet sind. Im Gegensatz zur ersten Codierscheibe 14a jedoch weist der untere Flansch 46 eine Mehrzahl von Zähnen 47 an seiner Außenfläche auf, welche sich um den Umfang der Codierscheibe 14b erstrecken. Im Allgemeinen ist der Abstand zwischen jedem der einzelnen Zähne 47 auf dem unteren Flansch 46 derselbe wie der zwischen den beiden Zähnen, welche das Paar 45 umfasst. Ferner ist innerhalb des oberen Flansches 44 der zweiten Codierscheibe 14b in der Nähe und zwischen einem der beiden Zahnpaare 45 eine im Wesentlichen zylindrische Öffnung 49 vorgesehen, welche eine Zeitmarke definiert. Außerdem ist innerhalb der oberen Oberfläche der zweiten Codierscheibe 14b ein Hohlraum enthalten, und es sind auch zwei im Wesentlichen ringförmige Ringelemente 48 und 50 vorgesehen, welche sich ähnlich jenen, die in Bezug auf die erste Codierscheibe 14a dargestellt wurden, von der oberen beziehungsweise unteren Oberfläche nach außen erstrecken. Im Gegensatz zu jenen in Bezug auf die erste Codierscheibe 14a jedoch weist die zweite Codierscheibe 14b eine Öffnung 52 auf, welche sich dadurch erstreckt und welche eine im Wesentlichen zylindrische Gestaltung aufweist, und diese nimmt einen im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt der zweite Welle 20 auf. Diese Beziehung zwischen der im Wesentlichen zylindrischen Öffnung 52 und der zweiten Welle 20 ist derart, dass die Drehung der zweiten Codierscheibe 14b unabhängig von der zweiten Welle 20 ist.
Die dritte Codierscheibe 14c, wie in 17 bis 21 veranschaulicht, weist ähnlich den ersten zwei Codierscheiben ebenfalls obere und untere Flansche um den Umfang auf, die durch 56 und 58 identifiziert sind. Ähnlich der zweiten Codierscheibe 14b weist der obere Flansch 56 zwei Paare von Zähnen 60 auf, die um 180° voneinander beabstandet sind. Außerdem ist in der Nähe und zwischen einem der beiden Zahnpaare 60 innerhalb des oberen Flansches 56 der dritten Codierscheibe 14c eine im Wesentlichen zylindrische Öffnung 61 vorgesehen, welche eine Zeitmarke 61 definiert. Ferner ist der untere Flansch 58 mit einer Mehrzahl von beabstandeten Zähnen 63 versehen, welche den Umfang davon umgeben. Außerdem sind zwei im Wesentlichen ringförmige Ringelemente 62 und 64 dargestellt, welche sich in der Nähe der Mitte von der oberen beziehungsweise oberen Oberfläche der dritten Codierscheibe 14c erstrecken. Es ist jedoch zu erwähnen, dass sich das ringförmige Ringelement 64 eine Distanz von der unteren Oberfläche der dritten Codierscheibe 14c nach außen erstreckt, welche größer als die des ringförmigen Ringelements 62 ist.
Ferner ist ähnlich der zweiten Codierscheibe 14b eine im Wesentlichen zylindrische Öffnung 66 durch jedes ringförmige Ringelement 62 und 64 durch die dritte Codierscheibe 14c vorgesehen. Außerdem wird die im Wesentlichen zylindrische Öffnung 66 auf einem im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt der ersten Welle 18 aufgenommen, und diese Konfiguration sorgt dafür, dass die Drehung der dritten Codierscheibe 14c ähnlich jener in Bezug auf die zweite Codierscheibe 14b auf der zweiten Welle 20 unabhängig von der ersten Welle 18 ist. Im Gegensatz zu der in Bezug auf die erste und die zweite Codierscheibe dargestellten ist jedoch die untere Oberfläche der Codierscheibe 14c mit einem Hohlraum darin versehen, und die obere Oberfläche ist im Wesentlichen eben.
Die vierte Codierscheibe, wie in 22 bis 26 dargestellt, ist durch das Bezugszeichen 14d identifiziert und unterscheidet sich von jenen, die in Bezug auf die den ersten drei Codierscheiben dargestellt wurden, da keine zwei getrennten Flanschen vorgesehen sind. Vielmehr ist, wie in 22 und 23 am besten dargestellt, der Radius der vierten Codierscheibe 14d um den Umfang davon im Wesentlichen konstant. Außerdem ist ähnlich der dritten Codierscheibe 14c die obere Oberfläche im Wesentlichen eben, und es ist ein Hohlraum innerhalb der unteren Oberfläche vorgesehen. Ferner weist die vierte Codierscheibe 14d ähnlich der dritten Codierscheibe 14c obere und untere, im Wesentlichen ringförmige Ringelemente 68 beziehungsweise 70 auf, wobei sich das untere Ringelement 70 eine Distanz nach außen erstreckt, die größer als die des oberen ringförmigen Ringelements 68 ist. Außerdem erstreckt sich eine im Wesentlichen zylindrische Öffnung 72 durch jedes der ringförmigen Ringelemente 68 und 70 durch die Scheibe, und diese wird durch die zweite Welle 20 auf eine der zweiten und der dritten Codierscheibe ähnlichen Art und Weise in Eingriff gebracht. Ein anderer Unterschied in der vierten Codierscheibe 14d liegt darin, dass eine Mehrzahl von sich vom Umfang davon nach außen erstreckenden Zähnen 74 in räumlicher Beabstandung vorgesehen ist, welche sich ganz um den Umfang herum erstrecken. Im Allgemeinen ist der Abstand zwischen jedem Zahn 74 ähnlich dem in Bezug auf die Zähne der unteren Flansche 64 und 46 in Bezug auf die dritte und die zweite Codierscheibe, obwohl die Breite der Zähne 74 der vierten Codierscheibe 14d größer ist als die der beiden anderen Scheibenelemente. Ähnlich der dritten Codierscheibe 14c ist innerhalb der oberen Oberfläche in der Nähe von und zwischen zweien der Mehrzahl von Zähnen 74, welche sich um den Umfang erstrecken, ein im Wesentlichen zylindrischer Hohlraum 71 vorgesehen, welche eine Zeitmarke definiert.
Wie bereits erwähnt, sind die vier Codierscheiben im Gehäuse 16 enthalten. Das Gehäuse 16, wie in 1 veranschaulicht, kann durch herkömmliche Techniken, wie beispielsweise Spritzgießen, und aus herkömmlichen Materialien, wie beispielsweise dem Harz von General Electric Xenoy 6620, hergestellt sein. Wie in 1 veranschaulicht, sind zwei im Wesentlichen ringförmige Aufnahmeelemente 76 und 78 ausgebildet, welche sich von der Innenfläche des Bodens des Gehäuses 16 erstrecken und welche so ausgelegt sind, dass sie die zweite Codierscheibe 14b beziehungsweise die erste Codierscheibe 14a aufnehmen. Im Allgemeinen erstreckt sich das erste ringförmige Aufnahmeelement 76 eine größere Distanz von der Innenfläche des Gehäuses 16 nach außen als die des ringförmigen Aufnahmeelements 78. Auf diese Weise ist, wenn die zweite Codierscheibe im Gehäuse eingesetzt wird, die Position der zweiten Codierscheibe 14b in Bezug auf die Position der ersten Codierscheibe 14a, welche auf dem ringförmigen Aufnahmeelement 78 aufsitzt, versetzt. Das ringförmige Aufnahmeelement 76 ist innerhalb seiner oberen Oberfläche auch mit einem im Wesentlichen zylindrischen Hohlraum 80 versehen, um die zweite Welle 20 aufzunehmen, welche die Position der zweiten Codierscheibe 14b und der vierten Codierscheibe 14d im Gehäuse 16 stützt. Wie bereits erwähnt, erstreckt sich die erste Welle 18 durch die Öffnung 22 im Gehäuse 16 hinaus, wodurch sie in das Antriebszahnrad 24 eingreift, was die Position der ersten Codierscheibe 14a und der dritten Codierscheibe 14c im Gehäuse stützt. Ähnlich der versetzten Position der zweiten Codierscheibe 14b und der ersten Codierscheibe 14a ist auch die vierte Codierscheibe 14d in Bezug auf die dritte Codierscheibe 14c versetzt. Insbesondere liegt in der Einheit, wie in 2a dargestellt, das ringförmige Ringelement 64 der dritten Codierscheibe 14c auf dem ringförmigen Ringelement 36 der ersten Codierscheibe 14a auf. Auf ähnliche Weise liegt das ringförmige Ringelement 70 der vierten Codierscheibe 14d auf dem ringförmigen Ringelement 48 der zweiten Codierscheibe 14b auf.
Gemäß dieser Ausführungsform sind die Codierscheiben 14b, 14c und 14d drehbar in Bezug auf die Drehbewegungen des Antriebszahnrads 24 durch seine Verbindung mit der Antriebswelle, welche die entsprechende Drehbewegung der ersten Codierscheibe 14a bewirkt. Zu diesem Zweck sind Mittel zwischen den Codierscheiben vorgesehen, um die Drehung jeder der Scheiben bereitzustellen. In dieser beispielhaften Ausführungsform, wie in 1 und 2 veranschaulicht, sind drei Ritzel 82, 84 und 86 vorgesehen, welche jedes benachbarte Paar von Codierscheiben miteinander verbinden. Konkret ist das Ritzel 82 zwischen der ersten Codierscheibe 14a und der zweiten Codierscheibe 14b positioniert, das zweite Ritzel 84 ist zwischen der zweiten Codierscheibe 14b und der dritten Codierscheibe 14c positioniert, und das dritte Ritzel 86 ist zwischen der dritten Codierscheibe 14c und der vierten Codierscheibe 14d positioniert. Diese jeweilige Position der drei Ritzel 82, 84 und 86 wird durch eine Ritzelwelle 88 gestützt, welche innerhalb des Gehäuses 16 positioniert ist. Was die Zusammensetzung der drei Ritzel betrifft, sind sie vorzugsweise jeweils aus thermoplastischen oder wärmehärtbaren Materialien, zum Beispiel dem Celanese-Harz von Hoechst Celcon M270, spritzgegossen, wobei jedoch auch andere Techniken oder Materialien verwendet werden könnten. Außerdem besteht die Ritzelwelle 88 vorzugsweise aus rostfreiem Stahl. Ähnlich dem ringförmigen Aufnahmeelement 76 ist auch ein ringförmiges Aufnahmeelement 90 innerhalb der Innenfläche des Bodens des Gehäuses 16 vorgesehen, welches dazu dient, das erste Ritzel 82 in einer versetzten Position aufzunehmen. Ferner weist das ringförmige Aufnahmeelement 90 auch einen im Wesentlichen zylindrischen Hohlraum 92 innerhalb seiner oberen Oberfläche zur Aufnahme der Welle 88 auf. Was die Gestaltung der Ritzel 82, 84 und 86 betrifft, sind sie jeweils gleich, und zu Veranschaulichungszwecken werden die Abschnitte in Bezug auf das Ritzel 82 beschrieben, das in 27 bis 30 dargestellt ist. Das Ritzel 82, wie dargestellt, ist ein im Allgemeinen längliches Element, welches eine Reihe von langen Zähnen 94 und kurzen Zähnen 96 aufweist, die sich peripher um die Außenfläche erstrecken. In dieser Ausführungsform ist die Position der langen Zähne 94 und der kurzen Zähne 96 abwechselnd, wobei vier lange Zähne 94 in Intervallen von 90° beabstandet sind, und vier kurze Zähne 96 ebenfalls in Intervallen von 90° beabstandet sind, was zu einem Zwischenraum von 45° zwischen jedem entsprechenden langen Zahn 94 und jedem entsprechenden kurzen Zahn 96 führt. Ferner ist eine im Wesentlichen zylindrische Öffnung 98 vorgesehen, welche sich durch das Ritzel 82 erstreckt, das sich mit der Ritzelwelle 88 zur Drehbewegung verbindet. Außerdem ist ähnlich der ersten, zweiten und dritten Codierscheibe 14a, 14b und 14c die Drehung jedes der Ritzel 82, 84 und 86 auf der Welle unabhängig voneinander. Konkret ist in der Einheit, wie in 1 und 2 am besten dargestellt, das erste Ritzel 82 so positioniert, dass die kurzen Zähne 96 benachbart zum oberen Flansch 28 der ersten Codierscheibe 14a sind und bei Drehung der ersten Codierscheibe 14a in die Zahnpaare 32 eingreifen. Die langen Zähne 94 des ersten Ritzels 82 sind positioniert, um mit den Zähnen 47 des unteren Flansches 46 der zweiten Codierscheibe 14b in Eingriff gebracht zu werden. Auf ähnliche Weise ist das zweite Ritzel 84 so positioniert, dass die kurzen Zähne zum Eingriff durch das Zahnpaar 45 bei Drehung benachbart zum oberen Flansch 44 der zweiten Codierscheibe 14b sind und die langen Zähne mit den Zähnen 63 des unteren Flansches 58 der dritten Codierscheibe 14c in Eingriff sind. Schließlich ist das dritte Ritzel 86 so positioniert, dass seine kurzen Zähne zum Eingriff durch die Zahnpaare 60 bei Drehung mit dem oberen Flansch 56 der dritten Codierscheibe 14c in Eingriff sind und die langen Zähne mit den Zähnen 74 der vierten Codierscheibe 14d in Eingriff sind. Der Betrieb der Codierscheibeneinheit 13, welche durch die vier Codierscheiben und die drei Ritzel definiert wird, wird im Folgenden ausführlicher beschrieben.
Wie bereits erwähnt, weist jede der vier Codierscheiben in dieser Ausführungsform eine Reihe von vier Codesequenzen auf, welche sich konzentrisch um jede Scheibe erstrecken. Im Allgemeinen stellen diese Codesequenzen die Information bereit, welche ausgewertet wird, um die Wellenposition zu bestimmen. Konkret werden definierte Regionen jeder Codesequenz ausgewertet, was die notwendige Information im Hinblick auf die relative Position der Welle bereitstellt. Gemäß dieser Erfindung ist das Abtastmittel 12 vorgesehen, welches die definierten Regionen jeder der jeweiligen Codesequenzen überwacht, wie im Folgenden beschrieben wird. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Codesequenzen aus Schlitzen verschiedener Längen gebildet, welche in verschiedenen beabstandeten Intervallen vorgesehen sind und welche sich durch die Codierscheiben erstrecken. Das Abtastmittel 12 wirkt durch Überwachen der definierten Region jeder der vier Codiersequenzen auf jeder der Codierscheiben, was insgesamt 16 verschiedene definierte Regionen ergibt. Auf diese Weise wertet die vorliegende Erfindung die Drehposition durch Überwachen jeder der Änderungen in der Information aus, welche in jeder der definierten Regionen erkannt werden. In der vorliegenden Erfindung werden die Daten, die durch das Abtastmittel 12 überwacht werden und jeder definierten Region entsprechen, durch ein Bit dargestellt, wobei die Gesamtzahl von Bits von den vier Codierscheiben einen ganzzahligen Wert von 16 Bits umfasst. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Codesequenzen so angeordnet, dass die digitale Darstellung der Drehposition dem Graucode entspricht, in dem sich nur ein Bit des ganzzahligen Wertes von 16 Bits entsprechend jeder inkrementalen Änderung der Drehposition ändert. Ein Vorteil der Graucodedarstellung, welche nur eine Einzelbitänderung zu jedem gegebenen Zeitpunkt bereitstellt, ist, dass alle Fehler bei der Bestimmung der Drehposition leicht erkannt werden können. Ferner werden alle Probleme bei der Zählung infolge von Zeitfehlern, wie beispielsweise einer Verzögerung in Verbindung mit dem Abtastmittel, wesentlich reduziert oder eliminiert. Da sich nur ein Bit des ganzzahligen Wertes ändert, besteht zum Beispiel keine Notwendigkeit, dass das Abtastmittel 12 mehr als eine Bitänderung von Information gleichzeitig überwacht und diese Information dementsprechend verarbeitet. Ferner ist die Erkennung der Drehposition unabhängig von der Drehrichtung des Drehelements, und eine Einzelbitänderung entspricht einer Drehung des Codierers entweder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn.
Zu dem zuvor erwähnten Zweck ist das Abtastmittel 12 der vorliegenden Erfindung speziell so ausgelegt, dass es alle der Codesequenzen überwacht, welche den entsprechenden ganzzahligen Wert von 16 Bits bestimmen, der mit der Drehposition verbunden ist. Danach entspricht jede inkrementale Änderung der Drehposition einer Ein-Bit-Änderung des ganzzahligen Wertes von 16 Bits, was wiederum durch das Abtastmittel 12 überwacht wird. 10, 15, 20 und 25 veranschaulichen am besten die Beziehung zwischen jedem der jeweiligen Schlitze in den vier Codierscheiben, welche die Graucodedarstellung der Drehposition bereitstellen. Im Allgemeinen weist die erste Codierscheibe 14a eine Konfiguration auf, bei der dasselbe Schlitzmuster zweimal über die Scheibe bereitgestellt wird, und bei der zweiten und der dritten Codierscheibe 14b und 14c sind die Muster, welche mit jeder von diesen verbunden sind, identisch miteinander. Die beiliegenden Figuren veranschaulichen die Konfiguration der Schlitze ausführlicher, welche die Codesequenzen umfassen. Die erste Codierscheibe 14a ist in 10 veranschaulicht. Die erste Codesequenz ist durch a identifiziert und ist am nächsten zur Mitte gelegen. Die Codesequenz a umfasst zwei Schlitze, welche jeweils eine Länge von ungefähr 90° aufweisen und in Intervallen von ungefähr 90° beabstandet sind. Die zweite Codesequenz b umfasst vier Schlitze, welche jeweils eine Länge von ungefähr 45° aufweisen und in Intervallen von ungefähr 45° beabstandet sind. Die dritte Codesequenz c umfasst acht Schlitze, welche jeweils eine Länge von ungefähr 22,5° aufweisen und in Intervallen von ungefähr 22,5° beabstandet sind. Die vierte Codesequenz d umfasst vierundsechzig Schlitze, welche jeweils eine Länge von ungefähr 1,875° aufweisen und in Intervallen von ungefähr 3,75° beabstandet sind. Die zweite Codierscheibe 14b ist in 15 veranschaulicht. Die erste Codesequenz a, wie dargestellt, umfasst einen Schlitz, welcher eine Länge von ungefähr 180° aufweist. Die zweite Codesequenz b umfasst zwei Schlitze, welche jeweils eine Länge von ungefähr 90° aufweisen und in Intervallen von ungefähr 90° beabstandet sind. Die dritte Codesequenz c umfasst vier Schlitze, welche jeweils eine Länge von ungefähr 45° aufweisen und in Intervallen von ungefähr 45° beabstandet sind. Die vierte Codesequenz d umfasst acht Schlitze, welche jeweils eine Länge von ungefähr 22,5° aufweisen und in Intervallen von ungefähr 22,5° beabstandet sind. Die dritte Codescheibe 14c ist in 20 dargestellt. Wie bereits erwähnt, ist das Muster in Verbindung mit den Codesequenzen der dritten Codierscheibe 14c dasselbe wie jenes der zweiten Codierscheibe 14b. Die vierte Codierscheibe 14d ist in 25 veranschaulicht. Die erste Codesequenz a umfasst zwei Schlitze, welche jeweils eine Länge von ungefähr 90° aufweisen und in Intervallen von ungefähr 90° beabstandet sind. Die zweite Codesequenz b umfasst ebenfalls zwei Schlitze, welche jeweils eine Länge von ungefähr 90° aufweisen und in Intervallen von ungefähr 90° beabstandet sind. Die dritte Codesequenz c umfasst vier Schlitze, welche jeweils eine Länge von ungefähr 45° aufweisen und in Intervallen von ungefähr 45° beabstandet sind. Die vierte Codesequenz d umfasst acht Schlitze, welche jeweils eine Länge von ungefähr 22,5° aufweisen und in Intervallen von ungefähr 22,5° beabstandet sind.
Was die Art und Weise des Überwachens der Codesequenzen durch das Abtastmittel 12 betrifft, so wird dies nun beschrieben.
Im Allgemeinen stellt das Abtastmittel 12 Licht bereit, das durch ein Lichtemissionsmittel auf einer Seite der Scheibe in der Nähe der definierten Region leuchtet und durch ein Erkennungsmittel, das in der Nähe der gegenüberliegenden Seite der Scheibe vorgesehen ist, erkannt wird. Auf diese Weise wird Licht, das vom Lichtemissionsmittel leuchtet, durch das Erkennungsmittel identifiziert, wenn die Codierscheibe so positioniert ist, dass ein Schlitz innerhalb der definierten Region ist. Andernfalls ist kein leuchtendes Licht imstande, das Erkennungsmittel zu erreichen. In dieser Ausführungsform wird die Erkennung von Licht vorzugsweise durch eine „1" dargestellt, und wenn kein Licht erkannt wird, wird dies durch eine „0" dargestellt. Außerdem sind in dieser Ausführungsform das Lichtemissionsmittel und das Erkennungsmittel jeweils innerhalb einer Turmeinheit 102 untergebracht, wie in 1 am besten veranschaulicht. Die Turmeinheit 102 gemäß dieser Erfindung besteht aus sechs entsprechend geformten Turmelementen, welche auf einer Leiterplatte 104 montiert sind. Vorzugsweise sind die Turmelemente gemäß einer Auswahl von Material und Spezialverarbeitung entwickelt, wie im Folgenden beschrieben wird, wobei jedoch klar sein sollte, dass dies nicht von Natur aus erforderlich ist. Wie veranschaulicht, ist jedes Turmelement ein im Allgemeinen rechteckiges Element, das vorzugsweise aus thermoplastischen oder wärmehärtbaren Materialien, wie beispielsweise dem Harz von General Electric Cyoloy M1300, spritzgegossen ist, vorzugsweise mit einer Rückstrahlbeschichtung, wie beispielsweise einer Glanznickelplattierung, beschichtet ist und im Wesentlichen eine ebene obere und eine ebene untere Oberfläche aufweist, sowie Seitenabschnitte, welche die obere und die untere Oberfläche verbinden. Jedes Turmelement weist auch einen vorderen Abschnitt auf, welcher Segmente unterschiedlicher Länge definiert, die sich von einer Basis erstrecken. Ferner ist wenigstens eine – vorzugsweise zylindrische – Öffnung durch die obere und/oder die untere Oberfläche in der Nähe des vorderen Abschnitts vorgesehen. In dieser Erfindung ist die Position jeder Öffnung in einem Turmelement in Bezug auf die Basis verschieden. Dies wird in dieser Ausführungsform zum Beispiel erreicht, da die Öffnung in der Nähe des vorderen Abschnitts jedes Segments vorgesehen ist und die Entfernung des vorderen Abschnitts jedes Segments von der Basis variiert. In der vorliegenden Erfindung umfasst das Lichtemissionsmittel Leuchtdioden (LEDs), welche Licht durch eine bestimmte Turmöffnung ausstrahlen, und das Erkennungsmittel umfasst Fotodetektoren, welche das Licht abtasten, das durch eine bestimmte Turmöffnung eintritt. Wie in 1 veranschaulicht, sind die Turmelemente in zwei Säulen von drei Türmen angeordnet und mit der Leiterplatte 104 verbunden. Vorzugsweise weist in dieser Ausführungsform der untere Turm in jeder Säule nur innerhalb seiner oberen Oberfläche vier Öffnungen auf, wie in 31 bis 34 bei 120 veranschaulicht, wobei die mittleren Türme in jeder Säule sowohl in den oberen als auch den unteren Oberflächen vier Öffnungen aufweisen, wie in 35 bis 38 bei 122 veranschaulicht, und die oberen Türme nur innerhalb ihrer unteren Oberflächen vier Öffnungen aufweisen, wie in 39 bis 42 bei 124 veranschaulicht. Diese besondere Konfiguration von Öffnungen ermöglicht es dem Licht, das von den LEDs leuchtet, von den Türmen auf die definierten Regionen der Codesequenzen hinauszutreten und, wenn ein Schlitz auf einer definierten Region positioniert wird, tritt das Licht durch den Schlitz und durch die benachbarte Turmöffnung zum Fototransistor. In dieser beispielhaften Ausführungsform weisen die unteren Türme 120 LEDs oder Fototransistoren vorzugsweise in der Nähe der Öffnungen in den oberen Oberflächen auf, die mittleren Türme 122 weisen Fototransistoren oder LEDs in der Nähe der Öffnungen in den unteren Oberflächen und in den oberen Oberflächen auf und die oberen Türme 124 weisen Fototransistoren oder LEDs in der Nähe der Öffnungen in den unteren Oberflächen auf.
31, 35 und 39 veranschaulichen eine Ansicht des Basisabschnitts jedes Turmelements. Wie dargestellt ist, sind innerhalb der Basis vier im Wesentlichen zylindrische Hohlräume vorgesehen, welche zur Aufnahme der LEDs und Fototransistoren ausgelegt sind. Ebenso sind vier im Wesentlichen zylindrische, ringförmige Wulste dargestellt, welche die Verbindung mit der Leiterplatte 104 bereitstellen. 33, 34; 37, 38 und 41, 42 veranschaulichen Querschnittansichten der unteren, mittleren und oberen Türme 120, 122 beziehungsweise 124 und zeigen die inneren Abschnitte dieser Strukturen. Wie veranschaulicht, enden die im Wesentlichen zylindrischen Hohlräume, welche sich in die Basis erstrecken, durch eine Abschrägung in einer Richtung jeder Öffnung. Konkret ist dies in den oberen und unteren Türmen 124 und 120 als eine einzige Abschrägung X vorgesehen, und im mittleren Turm 122 sind zwei Abschrägungen x und y vorgesehen, welche sich von einem im Wesentlichen V-förmigen Mittelabschnitt erstrecken. Vorzugsweise weist jeder abgeschrägte Abschnitt ein reflektierendes Material auf seiner Oberfläche auf, um durchtretendes Licht sowohl aus den als auch in die Öffnungen in Bezug auf die LEDs und die Fototransistoren zu reflektieren. Vorzugsweise werden die abgeschrägten Abschnitte in der vorliegenden Ausführungsform mit dem reflektierenden Material beschichtet, zum Beispiel mit stromlosem Nickel plattiert. Ferner sind, wie bereits erwähnt, die ringförmigen Wulste, welche sich von der Basis erstrecken, mit der Leiterplatte 104 verbunden. In dieser Ausführungsform sind zwei der gegenüberliegenden Wulste 126 im Allgemeinen länger und zum Abgrenzen von Wärme in Bezug auf die Leiterplatte 104 ausgelegt. Was die Leiterplatte 104 betrifft, enthält diese die elektronische Schaltungsanordnung, einschließlich der Fototransistoren und der LEDs des Abtastmittels 12. Die Anordnung der Fototransistoren und LEDs ist in 1 veranschaulicht, wobei sie sich von der Leiterplatte 104 erstrecken und innerhalb der zylindrischen Hohlräume innerhalb des Basisabschnitts jedes Turmelements aufgenommen werden, wie in 2c veranschaulicht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird jede Codierscheibe zwischen zwei Turmelementen positioniert, und die Öffnungen durch jedes Turmelement werden benachbart zu einer getrennten Codesequenz positionieret. Wie in der vorliegenden Ausführungsform in 2b veranschaulicht, ist die zweite Codierscheibe 14b zwischen dem oberen und dem mittleren Turm 120 beziehungsweise 122 der zweite Säule positioniert, und die vierte Codierscheibe 14d ist zwischen dem mittleren und dem oberen Turm 122 beziehungsweise 124 der zweiten Säule positioniert. Obwohl nicht dargestellt, ist die erste Codierscheibe 14a auf ähnliche Weise zwischen dem unteren und dem mittleren Turm 120, 122 der ersten Säule positioniert, und die dritte Codierscheibe 14c ist zwischen dem mittleren und dem oberen Turm 122, 124 der ersten Säule positioniert. Auf diese Weise ist jede der definierten Regionen der Codesequenzen zwischen zwei benachbarten Türmen vorgesehen, und sie ist zur Überwachung auch in der Nähe der Öffnung jedes Turmes.
In 32, 35, 36 und 39 ist die Position der vier Öffnungen durch die Buchstaben a bis d identifiziert. Wie veranschaulicht, ist die Öffnung d in jedem Turm am nächsten zur Basis gelegen, die Öffnung b ist von der Basis weiter entfernt als d, die Öffnung c ist von der Basis weiter entfernt als b und die Öffnung a ist am weitesten von der Basis entfernt. Im Hinblick auf die Beziehung zwischen den Öffnungen in jedem Turm und den Codesequenzen der Codierscheiben, wie in 2c veranschaulicht, sind die Turmöffnungen a in der Nähe der Codesequenzen a vorgesehen, die Turmöffnungen c sind in der Nähe der Codesequenzen c vorgesehen, die Turmöffnungen b sind in der Nähe der Codesequenzen b vorgesehen, und die Turmöffnungen d sind in der Nähe der Codesequenzen d vorgesehen.
Beim Zusammenbau des Codierers der vorliegenden Erfindung, wie in 1 und 2 dargestellt, wird die Turmeinheit 102 zwischen die jeweiligen Codierscheiben eingefügt, und die Leiterplatte 104 wird an der Vorderseite des Gehäuses 16 befestigt, wobei vorzugsweise Schrauben verwendet werden, welche innerhalb von Öffnungen in der Leiterplatte 104 angeordnet und innerhalb von entsprechenden Öffnungen im Gehäuse 16 festgemacht werden. Bei dieser Anordnung bildet die Verbindung der Leiterplatte 104 und des Gehäuses 16 einen Hohlraum, welche so bemessen ist, dass er die Codierscheibeneinheit 13 einschließt. Das Gehäuse 16 weist auch eine Deckplatte 19 auf, welche sowohl mit dem oberen Abschnitt des Gehäuses 16 als auch mit der Leiterplatte 104 zum Einschließen des Mechanismus darin verbunden werden kann. In der vorliegenden Ausführungsform weist die Deckplatte 19 Öffnungen darin auf, welche zum „Schnappverschluss" durch flexible Steckabschnitte, die in der Oberseite des Gehäuses 16 vorgesehen sind, ausgelegt sind, obwohl zu erwähnen ist, dass auch andere Verfahren zur Verbindung verwendet werden können. Die Deckplatte 19, wie dargestellt, weist innerhalb ihrer Innenfläche einen im Wesentlichen zylindrischen Hohlraum 107 zur Aufnahme des ringförmigen Ringelements 68 der vierten Codierscheibe 14d auf. Die Innenfläche der Deckplatte 19 weist auch ein im Wesentlichen ringförmiges Ringelement 128 auf, welches sich von ihrer Oberfläche erstreckt und welches in das Ringelement 62 eingreift, das sich von der dritten Codierscheibe 14c erstreckt.
Die Funktionsweise der Codierscheibeneinheit 13 wird nun beschrieben. Im Algemeinen stellt die Anordnung der vier Codierscheiben eine diskontinuierliche Getriebeanordnung bereit. In der vorliegenden Ausführungsform stellt die Verbindung zwischen dem Antriebszahnrad 14 und der Antriebswelle die Drehung der vier Codierscheiben 14a–d bereit. Bei dieser Anordnung entspricht jede inkrementale Änderung der Drehposition des Drehelements einer Drehung des Antriebszahnrads 24 um einen Zahn, was vorzugsweise einem Bit entspricht, durch seine Verbindung mit der Antriebswelle. Wie bereits erwähnt, entspricht jede inkrementale Änderung der Drehposition einer Einzelbitänderung im ganzzahligen Wert von 16 Bits. Auf diese Weise stellt die Drehung des Antriebszahnrads 24 ein entsprechendes Maß von Drehung der ersten Codierscheibe 14a durch die erste Welle 18 bereit. In der vorliegenden Ausführungsform entspricht jede 90°-Drehung der ersten Codierscheibe 14a durch den Eingriff der Zähne 32 der ersten Codierscheibe und der Zähne 47 der zweiten Codierscheibe 14b mit den Zähnen des ersten Ritzels 82 der Drehung der zweiten Codierscheibe 14b um ein Bit. Auf ähnliche Weise entspricht jede 180°-Drehung der zweiten Codierscheibe 14b durch den Eingriff der Zähne 45 der zweiten Codierscheibe mit den Zähnen 63 der dritten Codierscheibe mit dem zweiten Ritzel 84 einer Drehung der dritten Codierscheibe 14c um ein Bit. Schließlich entspricht jede 180°-Drehung der dritten Codierscheibe 14c durch den Eingriff der Zähne 60 der dritten Codierscheibe und der Zähne 74 der vierten Codierscheibe mit dem dritten Ritzel 86 einer Drehung der vierten Codierscheibe 14d um ein Bit. Diese vorhergehende Sequenz ist für die Drehung des Codierers 10 entweder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn gleich.
Wie bereits erwähnt, wirkt das Abtastmittel 12 durch Überwachen der Position der Codierscheiben über die LEDs und Fototransistoren. Vorzugsweise umfasst das Abtastmittel 12 in dieser Ausführungsform eine logische CMOS-Schnittstelle, welche auch die Art und Weise des Überwachens der LEDs und Fototransistoren während des Betriebs der Vorrichtung steuert. Insbesondere durch Regeln der jeweiligen Sequenz von Bitabtastung, welche durch die LEDs und die Fototransistoren bewerkstelligt wird, sowie der Zeit, in welcher dies geschieht. Im Hinblick auf die Abtastsequenz stellen die Codierscheiben, wie bereits erwähnt, diese Information als einen ganzzahligen Wert von sechzehn Bits bereit, und sie ist vorzugsweise im Graucode. Demgemäß ist hier der wichtige Aspekt, dass jedes Bit, welches auf den vier Codierscheiben durch das Abtastmittel 12 abgetastet wird, eine konstante Position in Bezug auf den ganzzahligen Wert von sechzehn Bits aufrechterhalten muss. Zum Beispiel entspricht die ganz außen positionierte Codesequenz d in der zweiten Codierscheibe 14b dem fünften Bit des ganzzahligen Wertes von sechzehn Bits. In dieser Ausführungsform beginnt die Reihenfolge des ganzzahligen Wertes von sechzehn Bits vorzugsweise bei der ersten Codierscheibe 14a, wobei die äußerste Codesequenz d dem ersten Bit entspricht, und endet bei der innersten Codesequenz a der vierten Codierscheibe 14d, welche das sechzehnte Bit umfasst. Es sollte jedoch klar sein, dass jede gewünschte Reihenfolge von Bitabtastung zu diesem selben Zweck verwendet werden kann.
43 ist teils ein Schema- teils ein Blockschaltbild, welches eine beispielhafte Ausführungsform der Verarbeitungselektronik des Abtastmittels 12 gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Im Allgemeinen sind in dieser Ausführungsform herkömmliche LEDs und Fototransistoren, vorzugsweise Infrarotemitter und -detektoren, auf einer herkömmlichen gedruckten Verdrahtungsplatte montiert, welche die Leiterplatte 104 umfasst. Vorzugsweise ist ein Schieberegister 106, zum Beispiel ein 4-Bit-Universalschieberegister (75HC195), enthalten, welches durch die Leitungen 130 beziehungsweise 132 in Verbindung mit den LEDs und den Fototransistoren vorgesehen ist. In der veranschaulichten Ausführungsform sind vorzugsweise acht LEDs 140a–h in Verbindung mit dem Schieberegister 106 vorgesehen, wie dargestellt, welches wirkt, um die Anzahl von Komponenten zu reduzieren. Es sollte jedoch klar sein, dass die Anzahl von LEDs in anderen Anwendungen variiert werden kann. Außerdem sind vorzugsweise 16 Fototransistoren 142a–p in Verbindung mit dem Schieberegister 106 auf die veranschaulichte Art und Weise vorgesehen. Bei dieser Anordnung, wie in 1 der vorliegenden Ausführungsform veranschaulicht, sind vorzugsweise vier LEDs innerhalb jedes der beiden mittleren Türme der Turmeinheit 102 vorgesehen, und es sind vier Fototransistoren innerhalb jedes der beiden unteren und der beiden oberen Türme der Turmeinheit 102 vorgesehen. Demgemäß leuchtet basierend auf dieser Anordnung bei Betrieb des Codierers 10 Licht durch die LEDs von den Öffnungen in den oberen und unteren Oberflächen der mittleren Türme, welches durch die Fototransistoren durch die Öffnungen in den oberen und unteren Oberflächen der unteren beziehungsweise oberen Türme erkannt wird.
Außerdem ist es in der vorliegenden Ausführungsform wünschenswert, die Fähigkeit zum Steuern zu besitzen, wenn verschiedene LEDs zu ihrem Ein-Zustand angetrieben werden, um den Leistungsverbrauch des Systems zu begrenzen, die Schnittstellenerfordernisse zu vereinfachen und auch die maximale Lebensdauer der Vorrichtungen zu verlängern. Diese Steuerung wird durch Verwenden von Transistoren 208 als Schalter zum Speisen von LED-Paaren erreicht. Vorzugsweise ist jeweils eine der LEDs in einem bestimmten Paar einem Scheibenpaar zugeordnet. Demnach werden vier LED-Paare gesteuert. Diese Konfiguration gewährleistet, dass jede Scheibe ein vollkommen festgelegtes und gesteuertes LED-Muster aufweist. Wie in 43 veranschaulicht, sind die LEDs 140a, b, c und d vorzugsweise innerhalb des ersten mittleren Turmes vorgesehen und 140e, f, g, h sind innerhalb des zweiten mittleren Turmes vorgesehen, die Fototransistoren 142b, e, g und d sind innerhalb des ersten unteren Turmes vorgesehen und 142a, c, f und h sind innerhalb des zweiten unteren Turmes vorgesehen, und die Fototransistoren 142n, p, k, i sind innerhalb des ersten oberen Turmes vorgesehen und 142o, m, l und j sind innerhalb des zweiten oberen Turmes vorgesehen. Ferner sind die LEDs 140a und e und die Fototransistoren b, a, n und o vorzugsweise in der Nähe der Turmöffnungen a vorgesehen; die LEDs 140b und f und die Fototransistoren e, c, p und m sind in der Nähe der Turmöffnungen b vorgesehen; die LEDs c und g und die Fototransistoren g, f, k und l sind in der Nähe der Turmöffnungen c vorgesehen; und die LEDs d und h und die Fototransistoren d, h, i und j sind in der Nähe der Turmöffnungen d vorgesehen.
In Betrieb bestimmt das Abtastmittel 12 vorzugsweise, welche LED-Paare angetrieben werden, und stellt auch die Mittel zum Übertragen der Fotodetektor-Zustände an einen Mikroprozessor 210 in einer üblichen Form bereit. Der Mikroprozessor 210 ist außerhalb des Codierers angeordnet und durch ein Kabel über eine Schnittstelle mit dem Codierer verbunden.
Für den Betrieb gibt es vorzugsweise zwei mögliche Betriebsarten. Den Ruhebetrieb, welcher der häufigste ist, ist wirksam, wenn sich die Codierscheiben nicht bewegen oder sehr langsam bewegen, was dem entspricht, wenn der Motor, der das Drehelement betätigt, nicht läuft. Vorzugsweise wird die Positionsinformation zu diesem Zeitpunkt bereitgestellt. Während des Laufbetriebs wird vorzugsweise auch zusätzliche Information über die Geschwindigkeit der ersten Welle 18 gesammelt. Der Mikroprozessor 210 entscheidet, welche Betriebsart zu einem bestimmten Zeitpunkt am besten geeignet ist, und stellt demgemäß die Steuerung des Abtastmittels 12 bereit.
Während des Ruhebetriebs wird vorzugsweise periodisch eine logische 1 (H-Zustand) seriell in das Schieberegister 106 geladen. Die logische 1 wird durch den Mikroprozessor 210 gesteuert und auf den j- und k-Leitungen 213 (inv) verfügbar gemacht. Der Mikroprozessor 210 hält die serielle Schiebeleitung 219, die als PE identifiziert ist, zu diesem Zeitpunkt im H-Zustand. Wenn der Mikroprozessor 210 die Taktleitung 215 auf dem Schieberegister 106 kippt, wird die logische 1 auf das niedrige Bit Q₀ übertragen, und der Wert jedes Bits Q₀ bis Q₂ vor der Taktflanke wird zum nächsten höchsten Bit bewegt. Nach diesem Vorgang wird der Eingang zu j und k (inv) auf eine logische 0 (L-Zustand) zurückgestellt, und nachfolgende Taktflanken bewegen (verschieben) den Logisch-1-Ausgang zum jeweils höheren Bit, d.h. nach der Sequenz von Q₀, Q₁, Q₂ zu Q₃. Wenn schließlich das höchste Bit die logische 1 enthält, kann wieder eine neue logische 1 vom Mikroprozessor 210 geladen werden, und der Prozess kann sich wiederholen. Der Logisch-1-Ausgang von jedem Bit durch das Verriegelungsgatter 150 schaltet den Transistor 208 ein, welcher ein Emitterpaar speist. Das Ergebnis ist, dass jedes Emitterpaar durch das Schieberegister 106 sequenziell eingeschaltet wird.
Der eben beschriebene Vorgang wird durch die Notwendigkeit, den Zustand der Detektoren zu lesen, komplexer gemacht. Zu diesem Zweck wird der Zustand der vier Detektoren vorzugsweise nach dem Einschalten jedes Emitterpaares dem Mikroprozessor 210 bekannt gegeben, so dass die Position der Scheiben bestimmt werden kann. Dies wird erreicht, indem die serielle Schiebeleitung 219 in den L-Zustand gebracht wird, nachdem die logische 1 dem richtigen Ausgang des Schiebregisters 106 verfügbar gemacht wurde. Wenn die serielle Schiebeleitung 219 im L-Zustand ist, ermöglicht eine ansteigende Taktflanke eine parallele Ladung aller Zustände, welche auch immer auf den Eingangsbits Q₀, Q₁, Q₂ + Q₃ des Schieberegisters 106 erkannt werden. Das heißt, die Zustände auf der Eingangsseite des Schieberegisters 106 erscheinen nun auf den Ausgangsbits P₀, P₁, P₂, P₃, welche den Platz der einzigen logischen 1 am Ausgang des Schiebregisters 106 einnehmen. Dies ist kein Problem, da der Zustand der Emitter und Detektoren an diesem Punkt nicht mehr überwacht wird. Der Mikroprozessor 210 überwacht den Zustand des hohen Ausgangsbits und sieht unverzüglich einen Zustand auf dieser Taktflanke. Die serielle Schiebeleitung 219 wird in den H-Zustand zurückversetzt, und die Detektorzustände werden durch das Verriegelungsgatter 221 zum hohen Bit mit ansteigenden Taktimpulsen verschoben. Die logische 0 ist noch immer der Eingang vom Mikroprozessor 210 auf den j- und k-Leitungen (inv), so dass ein Serie von L-Zuständen den gewünschten Daten folgt. Nach drei weiteren Taktzyklen wurden alle Detektorzustände gelesen, und die j- und k-Leitungen (inv) empfangen eine logische 1, um das nächste Emitterpaar zu erregen. Dieser Multiplexprozess ermöglicht die reduzierte Teilzählung der Emitter.
Dieser Prozess ändert sich, wenn der Motor läuft. Während dieser Betriebsart wird die Geschwindigkeit während des Motorbetriebs vorzugsweise sorgfältiger überwacht, und das niedrigstwertige Bit wird wesentlich öfter gelesen als durch das eben beschriebene Schema erlaubt. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Codesequenz d in jeder Scheibe das niedrigstwertige Bit, wobei jedoch klar sein sollte, dass dies variiert werden kann. Während des Laufbetriebs wird das Emitterpaar im Zusammenhang mit dem niedrigstwertigen Bit kontinuierlich gespeist und der Ausgang dieses Bits wird jederzeit mit einem Paar von NICHT-UND-Gattern 200 überwacht, welche als Inverter konfiguriert sind. Die Ausgänge dieser Gatter werden über die Leitungen 217 zur kontinuierlichen Überwachung zum Anschluss an den Mikroprozessor 210 nach außen geführt. Die Position wird mit einer Lesung aller Vorrichtungen, wie im Ruhebetrieb, periodisch aktualisiert. Dies erfüllt das Erfordernis einer genaueren Beobachtung während des Motorlaufbetriebs.
Die beiden Betriebsarten wirken zusammen, um die gesamte erforderliche Information für den Mikroprozessor 210 bereitzustellen. Da außerdem die Scheibenlage die Position eindeutig beschreibt, folgt einem Leistungsverlust vorzugsweise eine vollständige Lesung aller Vorrichtungen, wie im Ruhebetrieb. Wenn die Lesung fertig ist, ist die Position des Elements bekannt. Die restlichen Komponenten, welche in 43 veranschaulicht sind, sind den Fachleuten vertraut und werden daher der Kürze halber nicht ausführlich beschrieben.
In Anbetracht des Vorhergesagten sind mehrere Vorteile der vorliegenden Erfindung zu erkennen. Ein besonderer Vorteil ist, dass die Anordnung der vier Codierscheiben und der drei Ritzel den Betrieb eines inkrementalen Getriebes bereitstellt, welcher eine verbesserte Genauigkeit liefert; insbesondere kann Bewegung bei dieser Konfiguration nicht auf der Flanke von mehr als einem Bit anhalten. Auf diese Weise wird der Fehler infolge von Übergängen auf die Hälfte der Größe des niedrigstwertigen Bits begrenzt. Außerdem kann die Genauigkeit weiter verbessert werden, da die vorliegende Erfindung einen ganzzahligen Wert von sechzehn Bits erzeugt, während auch die Anzahl der Codierscheiben auf vier begrenzt wird. Die Genauigkeit kann auch durch die Verwendung einer Turmeinheit verbessert werden, welche beim Zusammenbau so montiert wird, dass sie benachbart zu jeder Codesequenz auf den vier Codierscheiben ist. Ein anderer Vorteil ist, dass die Codesequenzen, welche durch die vier Codierscheiben bereitgestellt werden, eine Graucodekonfiguration strukturieren, und dies stellt eine verbesserte Genauigkeit bereit, da sich zu jedem Zeitpunkt nur ein Bit von Information ändert, wobei die Änderung der Größe gleich dem niedrigstwertigen Bit ist. Außerdem ist dieser konkrete Vorgang gleich, einerlei ob eine Drehung der Welle im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn erfolgen würde.
Noch ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die Herstellung und der Zusammenbau leicht und zu niedrigen Kosten bewerkstelligt werden können. Konkret verwendet die vorliegende Erfindung viele herkömmliche, billige Komponenten, wie beispielsweise plattenmontierte LEDs und Fototransistoren, sowie andere herkömmliche elektronische Komponenten. Außerdem können die Codierscheiben, die Ritzel, die Turmeinheit und das Gehäuse auch durch herkömmliche Techniken und Materialien, wie beispielsweise durch Spritzgießen von Kunststoff, hergestellt werden. Außerdem stellt die vorliegende Erfindung eine Codesequenz bereit, welche aus einer Reihe von Schlitzen besteht, die durch die Scheiben ausgebildet sind. Außerdem ist ein anderer Vorteil, dass die vorliegende Erfindung einen Absolutcodierer bereitstellt, welcher die Speicherung von Positionsdaten ermöglicht, wenn die Leistung weggenommen wird; es werden zum Beispiel keine Batterien zur Bewahrung der Positionsinformation benötigt. Ferner können die Positionsdaten jederzeit durch Abtasten der Position der Codesequenzen der Codierscheiben überwacht werden.
Jede beschriebene Codesequenz wird vorzugsweise durch eine Reihe von Schlitzen durch die vier Codierscheiben identifiziert, wobei die Codesequenzen jedoch auch durch andere Mittel dargestellt werden können, wie beispielsweise Sektionen von reflektierendem und nicht reflektierendem Material, die entweder auf den oder innerhalb der Codierscheiben selbst bereitgestellt werden. Außerdem weist die vorliegende Erfindung, wie zuvor beschrieben, vorzugsweise eine besondere Anordnung von Codesequenzen auf, welche eine Graucodekonfiguration bereitstellt, wobei jedoch auch andere Konfigurationen für diesen selben Zweck verwendet werden können, wie beispielsweise Binärcode usw. Außerdem versteht es sich von selbst, dass auch, obwohl die vorliegende Erfindung dargestellt wird, indem sie vier Codierscheiben umfasst und vier Codesequenzen auf jeder Scheibe aufweist, jede Anzahl von Codierscheiben und jede Anzahl von Codesequenzen auf jeder einzelnen Scheibe bereitgestellt werden kann, ohne sich von der vorliegenden Erfindung, wie in den angehängten Patentansprüchen vordefiniert, zu entfernen. Ähnlich kann auch die beschriebene Turmeinheit aus jeder Anzahl von Turmelementen zum Überwachen der Codierscheiben bestehen. Außerdem sollte im Hinblick auf die Anordnung jedes Turmes klar sein, dass andere Arten von Formen oder Konfigurationen ebenso möglich sind, und dass auch die Anordnung der Dioden und Fotodetektoren geändert werden kann, wobei zum Beispiel in Bezug auf die Diode das Licht einer Diode entweder aus der oberen oder der unteren Oberfläche jedes Turmes geleitet werden kann, und dasselbe würde für die Fotodetektoren gelten.

Claims

Absolutcodierer (10), umfassend: eine Mehrzahl von drehbar montierten Codierscheiben (14a–d), wobei jede Codierscheibe wenigstens eine Codesequenz (a, b, c oder d) umfasst, welche eine Reihe von Schlitzen durch die Scheibe in räumlicher Beabstandung definiert, die sich konzentrisch um die Codierscheibe erstrecken, wobei jede Codierscheibe eine Codesequenz (d) umfasst, welche wenigstens ein niedrigstwertiges Bit darstellt; Verbindungsmittel (82, 84, 86), welche zwischen jedem Paar von Codierscheiben vorgesehen sind, um die zweite Codierscheibe des Paares im Anschluss an ein vorbestimmtes Maß von Drehung der ersten Codierscheibe des Paares ein vorbestimmtes Maß zu drehen; Abtastmittel (12), welche Lichtemissionsmittel (140a–140h) zum Beleuchten einer definierten Region jeder Codesequenz (a–d) jeder Codierscheibe und Erkennungsmittel (142a–142p) zum Identifizieren von Licht umfassen, welches durch die Lichtemissionsmittel (140a–140h) leuchtet und durch jede Codierscheibe durchgeht, wenn ein Schlitz die definierte Region der Codesequenz (a, b, c oder d) umfasst; und Steuermittel (210) zum Identifizieren einer Position des Absolutcodierers, wobei der Absolutcodierer so ausgelegt ist, das er in wenigstens einer ersten und einer zweiten Betriebsart funktioniert, wobei das Steuermittel (210) mit dem Abtastmittel kommuniziert, um die definierte Region jeder der Codesequenzen (a, b, c oder d) zu überwachen, um eine Position des Absolutcodierers zu identifizieren, wenn der Absolutcodierer in der ersten Betriebsart funktioniert, wobei das Steuermittel (210) mit dem Abtastmittel kommuniziert, um nur die definierte Region der Codesequenz (d) zu überwachen, welche das niedrigstwertige Bit darstellt, um eine Winkelgeschwindigkeit einer Welle (18) des Absolutcodierers zu identifizieren, wenn der Absolutcodierer in der zweiten Betriebsart funktioniert.
Absolutcodierer nach Anspruch 1, wobei jedes Verbindungsmittel ein Ritzel (82, 84, 86) umfasst, das Ritzel ein im Wesentlichen längliches Element definiert, das eine Außenfläche aufweist, welche eine Mehrzahl von Zähnen (94, 96) in einem vordefinierten Abstand umfasst, welche sich peripher um die Außenfläche davon erstrecken, und jede Codierscheibe (14a–14d) eine Mehrzahl von Zähnen (32, 45, 47, 60, 63, 74) in einem vordefinierten Abstand zum Eingriff in die Zähne des Ritzels umfasst.
Absolutcodierer nach Anspruch 2, wobei das Abtastmittel ferner eine Mehrzahl von im Wesentlichen ausgerichteten Türmen (120, 122, 124) zur Aufnahme der Lichtemissionsmittel (140a–140h) und der Erkennungsmittel (142a–142p) umfasst, jeder Turm (120, 122, 124) eine im Wesentlichen ausgerichtete obere und eine im Wesentlichen ausgerichtete untere Oberfläche definiert und die obere und die untere Oberfläche sich von einer Basis zu einem abschließenden Ende erstrecken, wobei die obere und/oder die untere Oberfläche jedes Turmes wenigstens eine Öffnung dadurch umfassen, welche in einer Entfernung von der Basis zum abschließenden Ende hin vorgesehen ist, und die Lichtemissionsmittel (140a–140h) oder die Erkennungsmittel (142a–142p) innerhalb jedes Turmes (120, 122, 124) in der Nähe der Öffnung vorgesehen sind, wobei jede Codierscheibe (14a–14d) zwischen einem Paar von Türmen positioniert ist und die Turmöffnung benachbart zur definierten Region der Codesequenz (a, b, c oder d) positioniert ist.
Absolutcodierer nach Anspruch 3, wobei die Codierscheibe (14a–14d) vier Codesequenzen (a, b, c d), welche sich in räumlicher Beabstandung konzentrisch um die Codierscheibe erstrecken, und vier Regionen, welche den vier Codesequenzen (a, b, c, d) entsprechen, umfasst und die Lichtemissionsmittel (140a–140h) und die Erkennungsmittel (142a–142p) mit jeder der definierten Regionen der Codesequenzen (a, b, c, d) verbunden sind, wobei jeder Turm (120, 122, 124) vier Öffnungen innerhalb seiner oberen und/oder seiner unteren Oberfläche umfasst.
Absolutcodierer nach Anspruch 4, wobei das Lichtemissionsmittel (140a–140h) eine Mehrzahl von Leuchtdioden (140a–140h) zum Leuchten von Licht durch die Turmöffnungen umfasst und das Erkennungsmittel eine Mehrzahl von Fototransistoren (142a–142p) zum Abtasten von Licht, das durch die Turmöffnungen eintritt, umfasst.
Absolutcodierer nach Anspruch 5, wobei die Türme (120, 122, 124) gemäß einer Auswahl von Material und Spezialverarbeitung entwickelt sind, wobei eine Infrarotrückstrahlbeschichtung auf die Türme (120, 122, 124) aufgetragen ist und Mittel zum Senden und Begrenzen von leuchtendem Licht von der Mehrzahl von Leuchtdioden (140a–140h) durch die Turmöffnungen zu einer Mehrzahl von Fototransistoren (142a–142p) auf eine Weise, welche Mehrdeutigkeit ausschließt, umfasst.
Absolutcodierer nach Anspruch 5, wobei das Abtastmittel Verarbeitungsmittel zum Betätigen der Leuchtdioden (140a–140h) in definierten Intervallen und Speichern von Daten, die durch die Fototransistoren (142a–142p) identifiziert werden, umfasst.
Absolutcodierer nach Anspruch 7, wobei das Verarbeitungsmittel ein Schieberegister (106) umfasst, das mit den Leuchtdioden (140a–140h) und den Fototransistoren (142a–142p) verbunden ist.
Absolutcodierer nach Anspruch 7, wobei die Türme (120, 122, 124) auf einer Leiterplatte (104) montiert sind, welche das Verarbeitungsmittel, die Leuchtdioden (140a–140h) und die Fototransistoren (142a–142p) umfasst.
Absolutcodierer nach Anspruch 4, welcher ferner vier Codierscheiben (14a–14d) und drei Ritzel (82, 84, 86) umfasst, wobei die erste und die dritte Codierscheibe (14a, 14c) auf einer ersten Welle (18) in räumlicher Beabstandung montiert sind und die zweite und die vierte Codierscheibe (14b, 14d) auf einer zweiten Welle (20) in räumlicher Beabstandung montiert sind, die drei Ritzel (82, 84, 86) auf einer dritten Welle (88) montiert sind, wobei das erste Ritzel (82) zwischen der ersten und der zweiten Codierscheibe (14a, 14b) positioniert ist, das zweite Ritzel (84) zwischen der zweiten und der dritten Codierscheibe (14b, 14c) positioniert ist und das dritte Ritzel (86) zwischen der dritten und der vierten Codierscheibe (14c, 14d) positioniert ist, wobei das Abtastmittel ferner sechs Türme (120, 122, 124) umfasst, welche in zwei Säulen von drei Türmen angeordnet sind, wobei die erste Codierscheibe (14a) zwischen dem ersten und dem zweiten Turm (120, 122) der ersten Säule positioniert ist, die zweite Codierscheibe (14b) zwischen dem ersten und dem zweiten Turm (120, 122) der zweiten Säule positioniert ist, die dritte Codierscheibe (14c) zwischen dem zweiten und dem dritten Turm (122, 124) der ersten Säule positioniert ist und die vierte Codierscheibe (14d) zwischen dem zweiten und dem dritten Turm (122, 124) der zweiten Säule positioniert ist.
Absolutcodierer nach Anspruch 10, wobei die erste und die vierte Codierscheibe (14a, 14d) eine einzige Reihe von Zähnen (32, 74) in vorbestimmter räumlicher Beabstandung aufweisen und die zweite und die dritte Codierscheibe (14b, 14c) zwei Reihen von Zähnen (45, 47, 60, 63) aufweisen, welche eine obere und eine untere Reihe definieren, wobei die Zähne in jeder der beiden Reihen in vorbestimmter räumlicher Beabstandung vorgesehen sind, wobei die Zähne der Ritzel (82, 84, 86) abwechselnde lange und kurze Zähne definieren, die langen Zähne (94) sich im Wesentlichen die gesamte längliche Oberfläche jedes der Ritzel (82, 84, 86) erstrecken und die kurzen Zähne (96) sich eine kürzere Distanz der länglichen Oberfläche als die langen Zähne erstrecken, wobei die kurzen Zähne (96) der Ritzel (82, 84, 86) mit der einzigen Reihe von Zähnen (32) der ersten Codierscheibe (14a) und den oberen Reihen von Zähnen (45, 60) der zweiten und der dritten Codierscheibe (14b, 14c) in Eingriff sind und wobei die langen Zähne (94) der Ritzel (82, 84, 86) mit der einzigen Reihe von Zähnen (74) der vierten Codierscheibe (14d) und den unteren Reihen von Zähnen (47, 63) der zweiten und der dritten Codierscheibe (14b, 14c) in Eingriff sind.
Absolutcodierer nach Anspruch 11, wobei die erste Codierscheibe (14a) zur Drehung mit der ersten Welle (18) montiert ist und die dritte, die zweite und die vierte Codierscheibe (14b, 14c, 14d) so montiert sind, dass sie in Bezug auf die erste beziehungsweise zweite Welle (18, 20) drehbar sind.
Absolutcodierer nach Anspruch 11, wobei die definierte Region jeder Codesequenz (a, b, c oder d) ein Bit umfasst und die definierten Regionen der 16 Codesequenzen 16 Bits umfassen, wobei die Reihe von Schlitzen, welche die 16 Codesequenzen der vier Codierscheiben (14a–14d) definieren, so konfiguriert ist, dass sie eine Graucodedarstellung bereitstellt, welche durch die 16 Bits definiert ist.
Absolutcodierer nach Anspruch 12, wobei die Codierscheiben (14a–14d) im Gehäuse (16) vorgesehen sind, das Gehäuse (16) eine Innenfläche mit einem Wulst (76) umfasst, auf dem die zweite Codierscheibe (14b) aufsitzt, wobei die zweite und die vierte Codierscheibe (14b, 14d) in Bezug auf eine horizontale Achse der ersten und der dritten Codierscheibe (14a, 14c) versetzt sind.
Absolutcodierer nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Codierscheiben (14a–14d) umfasst: vier drehbar montierte Codierscheiben (14a–14d), wobei jede Codierscheibe (14a, 14b, 14c oder 14d) wenigstens eine Codesequenz (a, b, c oder d) umfasst, welche sich konzentrisch um die Codierscheibe erstreckt; wobei der Absolutcodierer ferner drei Ritzel (82, 84, 86) umfasst und jedes Ritzel zwischen zwei Codierscheiben vorgesehen ist, um die zweite der beiden Codierscheiben im Anschluss an ein vorbestimmtes Maß von Drehung der ersten der beiden Codierscheiben ein vorbestimmtes Maß zu drehen; wobei das Abtastmittel ferner eine Mehrzahl von im Wesentlichen ausgerichteten Türmen (120, 122, 124) zur Aufnahme der Lichtemissionsmittel (140a–140h) und der Erkennungsmittel (142a–142p) umfasst, jeder Turm eine im Wesentlichen ausgerichtete obere und eine im Wesentlichen ausgerichtete untere Oberfläche definiert und die obere und die untere Oberfläche sich von einer Basis zu einem abschließenden Ende erstrecken, wobei die obere und/oder die untere Oberfläche jedes Turmes wenigstes eine Öffnung dadurch umfassen, welche in einer Entfernung von der Basis zum abschließenden Ende hin vorgesehen ist, um einen Durchgang für die Lichtemissionsmittel (140a–140h) und die Erkennungsmittel (142a–142p) bereitzustellen, und wobei jede Codierscheibe (14a–14d) zwischen einem Paar von Türmen positioniert ist und die Turmöffnung benachbart zur definierten Region der Codesequenz (a, b, c oder d) positioniert ist.
Absolutcodierer nach Anspruch 15, wobei jedes Ritzel (82, 84, 86) ein im Wesentlichen längliches Element definiert, welches eine Außenfläche aufweist, die eine Mehrzahl von Zähnen (94, 96) in einem vordefinierten Abstand umfasst, welche sich peripher um die Außenfläche davon erstrecken, und jede Codierscheibe (14a–14d) eine Mehrzahl von Zähnen (32, 45, 47, 60, 63, 74) in einem vordefinierten Abstand zum Eingriff in die Zähne eines entsprechenden der Ritzel (82, 84, 86) umfasst.
Absolutcodierer nach Anspruch 16, wobei die erste und die vierte Codierscheibe (14a, 14d) eine einzige Reihe von Zähnen (32, 74) in vorbestimmter räumlicher Beabstandung aufweisen und die zweite und die dritte Codierscheibe (14b, 14c) zwei Reihen von Zähnen (45, 47, 60, 63) aufweisen, welche eine obere und eine untere Reihe definieren, wobei die Zähne in jeder der beiden Reihen in vorbestimmter räumlicher Beabstandung vorgesehen sind, wobei die Zähne der Ritzel (82, 84, 86) abwechselnde lange und kurze Zähne definieren, die fangen Zähne (94) sich im Wesentlichen die gesamte längliche Oberfläche des Ritzels erstrecken und die kurzen Zähne (96) sich eine kürzere Distanz der länglichen Oberfläche als die langen Zähne erstrecken, wobei die kurzen Zähne (96) der Ritzel (82, 84, 86) mit der einzigen Reihe von Zähnen (32) der ersten Codierscheibe (14a) und den oberen Reihen von Zähnen (45, 60) der zweiten und der dritten Codierscheibe (14b, 14c) in Eingriff sind und wobei die langen Zähne (94) der Ritzel (82, 84, 86) mit der einzigen Reihe von Zähnen (74) der vierten Codierscheibe (14d) und den unteren Reihen von Zähnen (47, 63) der zweiten und der dritten Codierscheibe (14b, 14c) in Eingriff sind.
Absolutcodierer nach Anspruch 15, wobei die erste und die dritte Codierscheibe (14a, 14c) auf einer ersten Welle (18) in räumlicher Beabstandung montiert sind und die zweite und die vierte Codierscheibe (14b, 14d) auf einer zweiten Welle (20) in räumlicher Beabstandung montiert sind, die drei Ritzel (82, 84, 86) auf einer dritten Welle (88) montiert sind, wobei das erste Ritzel (82) zwischen der ersten und der zweiten Codierscheibe (14a, 14b) positioniert ist, das zweite Ritzel (84) zwischen der zweiten und der dritten Codierscheibe (14b, 14c) positioniert ist und das dritte Ritzel (86) zwischen der dritten und der vierten Codierscheibe (14c, 14d) positioniert ist, wobei das Abtastmittel sechs Türme (120, 122, 124) definiert, welche in zwei Säulen von drei Türmen angeordnet sind, wobei die erste Codierscheibe (14a) zwischen dem ersten und dem zweiten Turm (120, 122) der ersten Säule positioniert ist, die zweite Codierscheibe (14b) zwischen dem ersten und dem zweiten Turm (120, 122) der zweiten Säule positioniert ist, die dritte Codierscheibe (14c) zwischen dem zweiten und dem dritten Turm (122, 124) der ersten Säule positioniert ist und die vierte Codierscheibe (14d) zwischen dem zweiten und dem dritten Turm (122, 124) der zweiten Säule positioniert ist, wobei jede Codierscheibe (14a–14d) vier Codesequenzen (a, b, c, d), welche sich in räumlicher Beabstandung konzentrisch um die Codierscheibe erstrecken, und vier definierte Regionen, welche den vier Codesequenzen entsprechen, umfasst, wobei jede der Codesequenzen (a, b, c, d) eine Reihe von Schlitzen durch die Codierscheibe definiert, wobei die Lichtemissionsmittel (140a–140h) und die Erkennungsmittel (142a–142p) mit jeder der definierten Regionen der Codesequenzen (a, b, c, d) verbunden sind und jeder Turm vier Öffnungen wenigstens in seiner oberen oder seiner unteren Oberfläche umfasst.
Absolutcodierer nach Anspruch 18, wobei der Absolutcodierer zum Anzeigen einer Drehwellenposition ausgelegt ist, wobei die definierte Region jeder Codesequenz (a, b, c oder d) ein Bit umfasst und die Regionen der 16 Codesequenzen 16 Bits umfassen, wobei die 16 Codesequenzen der vier Codierscheiben (14a–14d) so konfiguriert sind, dass sie eine Graucodedarstellung der Drehwellenposition bereitstellen, welche durch die 16 Bits definiert ist.
Absolutcodierer nach Anspruch 18, wobei die erste Codierscheibe (14a) zur Drehung mit der ersten Welle (18) montiert ist und die dritte, die zweite und die vierte Codierscheibe (14b, 14c, 14d) so montiert sind, dass sie in Bezug auf die erste beziehungsweise zweite Welle (18, 20) drehbar sind, und wobei die Codierscheiben (14a–14d) in einem Gehäuse (16) vorgesehen sind, das Gehäuse (16) eine Innenfläche mit einem Wulst (76) umfasst, auf dem die zweite Codierscheibe (14b) aufsitzt, wobei die zweite und die vierte Codierscheibe (14b, 14d) in Bezug auf eine horizontale Achse der ersten und der dritten Codierscheibe (14a, 14c) versetzt sind.
Absolutcodierer nach Anspruch 15, wobei das Lichtemissionsmittel Leuchtdioden (140a–140h) umfasst und das Erkennungsmittel Fototransistoren (142a–142p) umfasst, das Abtastmittel ferner Verarbeitungsmittel zum Betätigen der Leuchtdioden (140a–140h) in definierten Intervallen und Speichern von Daten, welche durch die Fototransistoren (142a–142p) identifiziert werden, umfasst, wobei das Verarbeitungsmittel ein Schieberegister (106) umfasst, das mit den Leuchtdioden (140a–140h) und den Fototransistoren (142a–142p) verbunden ist, und. die Türme (120, 122, 124) auf einer Leiterplatte (104) montiert sind, welche das Verarbeitungsmittel, die Leuchtdioden (140a–140h) und die Fototransistoren (142a–142p) umfasst.
Absolutcodierer nach Anspruch 1, wobei, wenn der Absolutcodierer in der zweiten Betriebsart funktioniert, das Steuermittel (210) auch mit dem Abtastmittel kommuniziert, um die definierte Region jeder der Codesequenzen (a, b, c, d) periodisch zu überwachen, um eine Position des Absolutcodierers zu identifizieren.
Absolutcodierer nach Anspruch 22, wobei das Steuermittel (210) mit dem Abtastmittel kommuniziert, um die definierte Region jeder der Codesequenzen (a, b, c, d) eine zu einem Zeitpunkt sequenziell zu überwachen.
Absolutcodierer nach Anspruch 23, wobei die erste Betriebsart ein Ruhebetrieb und die zweite Betriebsart ein Laufbetrieb ist, wobei, wenn der Absolutcodierer im Laufbetrieb funktioniert, die Winkelgeschwindigkeit der Welle kontinuierlich überwacht wird.
Absolutcodierer nach Anspruch 24, wobei das Steuermittel (210) Lichtemittersteuermittel umfasst, welche mit dem Abtastmittel kommunizieren, um die definierte Region jeder der Codesequenzen (a, b, c, d) zu beleuchten, wenn der Absolutcodierer im Laufbetrieb funktioniert, wobei das Lichtemittersteuermittel mit dem Abtastmittel kommuniziert, um die definierte Region jeder der Codesequenzen (a, b, c, d) periodisch zu beleuchten und nur die definierte Region der Codesequenz (d) kontinuierlich zu beleuchten, die das niedrigstwertige Bit darstellt.
Absolutcodierer nach Anspruch 25, welcher ferner Antriebsmittel zum Steuern des Betriebs des Absolutcodierers umfasst, wobei das Antriebsmittel wenigstens einen Ein-Zustand und einen Aus-Zustand umfasst, wobei der Absolutcodierer im Ruhebetrieb ist, wenn das Antriebsmittel im Aus-Zustand ist, und der Absolutcodierer im Laufbetrieb ist, wenn das Antriebsmittel im Ein-Zustand ist.