ES2213045T3 - Sensor optoelectronico de angulo de rotacion. - Google Patents

Abstract

Sensor optoelectrónico de ángulos de rotación que comprende un disco de código (1) iluminado, equipado con una codificación analógica y acoplado al movimiento de rotación de un rotor, y un agrupamiento de sensores (2), formado por múltiples elementos transductores individuales y dispuesto en su recorrido longitudinal de forma transversal a la dirección de movimiento del disco de código (1), para el barrido de la codificación del disco de código (1), caracterizado porque la codificación angular reproducida sobre la superficie fotosensible del agrupamiento de sensores (2) influye básicamente sobre todos los elementos transductores del agrupamiento de sensores (2) previstos para la exploración de la codificación angular de tal modo que la información angular explorada con el agrupamiento de sensores (2) está contenida proporcionalmente en cada elemento transductor implicado en la evaluación, sirviendo como codificación sobre la superficie fotosensible del agrupamiento de sensores (2) la representación de una estructura de oscilación óptica que se prolonga en dirección del recorrido longitudinal del agrupamiento de sensores (2) y cambia, al menos en su frecuencia, en la dirección de movimiento del disco de código (1), y porque para la descodificación de la información óptica registrada por el agrupamiento de sensores (2) se prevé un análisis referido a la frecuencia de la señal de intensidad obtenida por los elementos transductores.

Description

Sensor optoelectrónico de ángulo de rotación.

La presente invención se refiere a un sensor de ángulos de rotación, por ejemplo, un sensor de ángulo de dirección. Concretamente, la presente invención se refiere a un sensor optoelectrónico de ángulos de rotación que comprende un disco de código iluminado, equipado con una codificación analógica y acoplado al movimiento de rotación de un rotor, y a un agrupamiento de sensores, formado por múltiples elementos transductores individuales y dispuesto en su recorrido longitudinal de forma transversal a la dirección de movimiento del disco de código, para la exploración de la codificación del disco de código.

Los sensores de ángulos de rotación se emplean a menudo para el posicionamiento y medición automáticos en máquinas-herramienta y equipos de medición de coordenadas. Además, los sensores de ángulos de rotación se emplean en el sector de los vehículos automóviles para la determinación de la posición angular absoluta del volante, designándose también por ello sensores de ángulo de dirección. El ángulo de dirección se requiere, en vehículos automóviles, para poder influir con dicho valor, por ejemplo, sobre un sistema de regulación de la dinámica de movimiento del vehículo. Un sistema de regulación de la dinámica de movimiento contiene, además de los valores de ángulo de dirección mencionados, otros datos, como, por ejemplo, la velocidad de rotación de las ruedas o el giro del vehículo automóvil respecto a su eje vertical. Se requieren, por un lado, el ángulo de dirección absoluto y, por otro, la velocidad de dirección para evaluar dichos valores junto con los otros datos registrados mediante el sistema de regulación de la dinámica de movimiento y para controlar actuadores, pudiéndose, por ejemplo, modificar los frenos y/o el control del motor.

Por el documento DE 40 22 837 A1, por ejemplo, se conoce un sensor optoelectrónico del ángulo de dirección. El sensor del ángulo de dirección descrito en este documento se compone de dos elementos dispuestos paralelos entre sí y a cierta distancia, una fuente de luz y un sensor de línea, así como un disco de código dispuesto entre la fuente de luz y el sensor de línea unido fijo al husillo de dirección. Como sensor de línea puede emplearse una célula sensora CCD. Como codificación se prevé, en este disco de código, una espiral de Arquímedes que se prolonga alrededor de 360º constituida como rendija de luz. Mediante la exposición de los elementos transductores correspondientes del sensor de línea para un ángulo de dirección determinado puede obtenerse información acerca de la posición de ángulo de posición real.

La espiral de Arquímedes empleada como codificación se constituye de recorrido continuo, de modo que la misma puede considerarse como codificación analógica. En la detección de una posición angular del volante están implicados, en el objeto de este sensor de ángulos de rotación, tan sólo una fracción de los elementos transductores agrupados en la célula sensora, concretamente sólo aquellos que están expuestos a la rendija de luz. El resto de elementos transductores del agrupamiento de sensores participan sólo indirectamente en la evaluación de la información angular, ya que los elementos transductores no iluminados únicamente informan, como mucho, de que la posición angular del volante no se encuentra en estas zonas angulares representadas por los elementos transductores no expuestos a la luz. En este tipo de codificación resulta problemático que, en caso de existir suciedad en la codificación constituida como rendija de luz, por ejemplo, un cabello, no resulta posible la detección del ángulo de dirección en esta zona de código. La suciedad impide localmente la codificación. Los elementos transductores a ser expuestos a la luz para la detección de esta posición angular permanecen sin iluminar; por ello, esta posición angular no queda definida.

Partiendo de este estado tratado de la técnica, la invención se propone el objetivo de perfeccionar un sensor optoelectrónico de ángulos de rotación del tipo mencionado al principio, de modo que sea posible realizar una detección segura del ángulo, incluso con una codificación parcialmente sucia.

Este objetivo se consigue, según la invención, por el hecho de que la codificación de ángulo reproducida sobre la superficie fotosensible del agrupamiento de sensores influye básicamente sobre todos los elementos transductores previstos para la exploración de la codificación del ángulo, de tal modo que la información explorada por el agrupamiento de sensores está contenida proporcionalmente en cada elemento transductor implicado en la evaluación, empleándose como codificación la reproducción de una estructura de oscilación óptica que se prolonga en dirección del recorrido longitudinal del agrupamiento de sensores y cambia, al menos en su frecuencia, en la dirección de movimiento del disco de código, y porque para la descodificación de la información óptica registrada por el agrupamiento de sensores se prevé un análisis referido a la frecuencia de la señal de intensidad obtenida por los elementos transductores, y previéndose para la descodificación de la información óptica obtenida por el agrupamiento de sensores, teniendo en cuenta la información angular contenida en la misma, un análisis referido a la frecuencia de las señales de intensidad obtenidas por los elementos transductores.

En el sensor de ángulos de rotación según la invención, adecuado también especialmente como sensor de ángulo de dirección para la determinación de la posición angular absoluta del volante de un vehículo automóvil, se emplea básicamente todo el agrupamiento de sensores constituido por los elementos transductores para la determinación de la respectiva información angular. Aquí se prevé que la información angular esté contenida proporcionalmente en cada uno de los elementos transductores implicados en la evaluación de la información angular. Previendo, por ejemplo, un sensor de línea con 128 elementos transductores, la información angular a explorar está proporcionalmente contenida en cada uno de estos elementos transductores. Si, además de una codificación angular, se incluye una pista de referencia adicional en el disco de código, se reserva una zona del agrupamiento de sensores para la reproducción de la pista de referencia. La información referida al ángulo se reproduce entonces en el resto de elementos transductores del agrupamiento de sensores.

Resulta también posible la detección de la codificación angular en caso de que elementos transductores individuales, por ejemplo, como consecuencia de la presencia de suciedad en el disco de código, no se vean expuestos a la luz, no pudiendo por tanto reproducir ninguna información angular proporcional, ya que, en este caso, debe asumirse que el número de elementos transductores no expuestos por culpa de la suciedad es mucho menor que el número de elementos expuestos. El número de elementos transductores, sin embargo, es suficientemente elevado como para reconstruir la estructura de oscilación óptica, pudiéndose hacer una lectura de la información angular contenida en la misma.

Para la realización de este principio de medición, en el sensor de ángulos de rotación según la invención, se prevé como codificación la reproducción de una estructura de oscilación que se extiende en la dirección del recorrido longitudinal del agrupamiento de sensores en el sentido de una modulación de transmisión óptica. En el sentido del movimiento del disco de código, esta estructura de oscilación óptica cambia continuamente en su frecuencia, de modo que en función de la modificación de la frecuencia puede realizarse una detección angular. Una descodificación de la información angular obtenida por el agrupamiento de sensores en forma de estructura de oscilación óptica tiene lugar adecuadamente por medio de un análisis de frecuencias del recorrido de señales de amplitud acoplado a la totalidad de los elementos transductores.

Para llevar a cabo el análisis referido a frecuencias puede emplearse, por ejemplo, un elemento de análisis de frecuencias o un circuito conmutador PLL. El análisis de frecuencias en sí puede realizarse mediante una transformada de Fourier, de modo que, como resultado, pueda asignarse a una determinada posición del rotor un espectro de frecuencias espaciales.

En una configuración preferente de la invención se prevé que la estructura de oscilación óptica sea monofrecuente en cada posición angular. Para la realización de una codificación de este tipo en un disco de código puede preverse que la frecuencia de la estructura cambie en la dirección de movimiento del disco de código. Un ejemplo de realización de un sensor de ángulos de frecuencia de este tipo comprende, para la reproducción de la estructura de oscilación sobre el agrupamiento de sensores, un disco de código con una transmisión sinusoidal en dirección radial cuya frecuencia de modulación cambia continuamente en la dirección de movimiento, y cuya posición de fase cambia, en caso necesario, por encima del área de medición. Esta codificación reproducida sobre el agrupamiento de sensores muestra un cambio continuo de zonas claras a oscuras según la frecuencia, previéndose también una transición continua respecto a la intensidad. Una estructura de oscilación óptica de este tipo puede realizarse también, como se prevé en otro ejemplo de realización, constituyendo la codificación del disco de código como máscara de bandas claras-oscuras, y exponiendo a la luz difusa a la misma en tal medida que las transiciones claro-oscuro de la máscara se prolongan a lo largo de numerosos elementos transductores, de modo que gracias a estas zonas de transición se realizan los costados de la oscilación óptica.

Otras ventajas y configuraciones de la invención están incluidas en las subreivindicaciones así como en la siguiente descripción de un ejemplo de realización desarrollada en referencia a las figuras adjuntas. Estas muestran:

La figura 1, un disco de código para un sensor optoelectrónico de ángulos de rotación con una estructura de oscilación que se prolonga en la dirección longitudinal de un agrupamiento de sensores,

La figura 2a, la curva de intensidades de la codificación reproducida sobre un sensor de línea en una posición angular A,

La figura 2b, el espectro de frecuencias obtenido de la estructura de oscilación óptica de la curva de intensidades de la figura 2a,

La figura 3a, la curva de intensidades de la codificación reproducida sobre un sensor de línea en una posición angular B,

La figura 3b, el espectro de frecuencias obtenido de la estructura de oscilación óptica de la curva de intensidades de la figura 3a,

La figura 4a, la curva de intensidades de la codificación reproducida sobre un sensor de línea en una posición angular C,

La figura 4b, el espectro de frecuencias obtenido de la estructura de oscilación óptica de la curva de intensidades de la figura 4a,

La figura 5a, la curva de intensidades en reproducción sobre el sensor de línea con una codificación parcialmente sucia, y

La figura 5b, el espectro de frecuencias de la curva de intensidades de la figura 5a.

Un disco de código 1 de un sensor optoelectrónico de ángulos de rotación, por ejemplo, de un sensor de ángulo de dirección para la determinación de la posición angular absoluta del volante de un vehículo automóvil, puede moverse en traslación respecto a un rotor no representado en detalle según el movimiento de la flecha. Gracias a, por ejemplo, un mecanismo de tornillo, el disco de código 1 está acoplado al movimiento de rotación del rotor. En una cara del disco de código 1 se dispone un agrupamiento optoelectrónico de sensores (un sensor de línea 2) con su recorrido longitudinal transversal a la dirección de movimiento del disco de código 1. El disco de código 1 presenta como codificación unos filtros neutros que se prolongan transversalmente a la dirección de movimiento del disco de código 1 y que cambian en la dirección de movimiento del disco de código 1, los cuales pueden detectarse sobre los elementos transductores fotosensibles del sensor de línea 2 como oscilación óptica a través de distintas intensidades. Los filtros neutros de la codificación se representan simplificados en la figura, representándose escalonadas aquellas zonas de filtros neutros cuya intensidad de reproducción está por debajo de una intensidad media, y no escalonadas aquellas zonas de filtros neutros cuya intensidad de reproducción está por encima de una intensidad media. En realidad, la modificación de la intensidad se prevé continua. La curva de intensidades en reproducción sobre el sensor de línea 2 de la codificación del disco de código 1, en caso de que el disco de código con la línea de sección transversal designada con la letra A se encuentre por encima del sensor de línea 2, se reproduce en la figura 2a. La curva de intensidades se constituye continuamente según una oscilación sinusoidal. Estas intensidades detectadas por el sensor de línea 2 en sus elementos transductores individuales se evalúan mediante un análisis de frecuencias, de modo que, como resultado, puede obtenerse un espectro de frecuencias a partir de las intensidades detectadas individualmente por los elementos transductores. El espectro de frecuencias de la estructura de oscilación de la figura 2a se muestra en la figura 2b. Como la codificación representada consiste en una codificación monofrecuente, en el análisis de frecuencias se influye sólo una banda de frecuencias con una elevada densidad de potencia.

Los desarrollos de intensidades mostrados en las figuras 3a y 4a muestran posiciones en las que el disco de código se encuentra con las líneas de sección transversal B (figura 3a) y C (figura 4a) por encima del sensor de línea 2. Los espectros de frecuencias obtenidos a partir de estos desarrollos de intensidad se reproducen en las figuras 3b y 4b. En la codificación representada, el disco de código 1 cambia, en la dirección del movimiento respecto al sensor de línea 2, la frecuencia de la estructura de oscilación óptica reproducida. Esto tiene lugar de forma continua, de modo que en cada posición del disco de código 1 respecto al sensor de línea 2 puede obtenerse un desarrollo de intensidades distinto y, correspondientemente, mediante el análisis de frecuencias previsto para la descodificación puede obtenerse un resultado distinto.

En la figura 5a se muestra la curva de intensidades correspondiente a la línea de sección transversal A en caso de que algunos elementos transductores, por ejemplo, por efecto de la suciedad, se vean expuestos a la luz de un modo distinto al previsto. Estos errores de exposición pueden identificarse en la curva de intensidades gracias a los picos, mostrados a modo de ejemplo. Tras evaluar este desarrollo de intensidades por medio de un análisis de frecuencias, se representan como resultado varias frecuencias (un espectro de frecuencias), como se refleja en la figura 5b. En la evaluación, sin embargo, se conoce que la codificación del disco de código 1 está constituido monofrecuente. En consecuencia, ya en la determinación de que en la obtención de un espectro de frecuencias con varias frecuencias queda claro que se han obtenido también espectros al menos parcialmente erróneos. En un análisis de frecuencias de este tipo, los respectivos espectros de frecuencia se constituyen en función de su periodicidad detectada. Por este motivo, en la figura 5b puede observarse sin más, incluso en caso de que se hayan obtenido espectros erróneos, que la frecuencia que se añade a la codificación sale significativamente, como también en la figura 2.

A partir de la descripción de la invención resulta claro que, incluso en caso de que haya suciedad en el disco de código, no queda afectada la detección del ángulo de rotación, al menos mientras una mayoría de los elementos transductores del sensor de línea estén expuestos con la intensidad de la estructura de oscilación óptica.

En el ejemplo de realización representado, el sensor de línea 2 se mueve en traslación respecto al movimiento rotativo del rotor, por ejemplo, el volante de un vehículo automóvil. En otra configuración, no representada en las figuras, el disco de código se constituye circular. En este caso, la representación de la figura 1 representa un arrollamiento del disco de código circular, pudiéndose prever que dicho arrollamiento representa únicamente una sección de 180º y que para la codificación de los 360º necesarios se dispone dicha sección dos veces sucesivamente. De forma correspondiente, también pueden caracterizarse otros segmentos angulares mediante una codificación de este tipo, los cuales se repiten por entero dentro de una vuelta completa (360º).

Además de la codificación representada en la figura 1, ésta puede presentar una o varias pistas de referencia que sirvan para el ajuste de la codificación y para la compensación de las tolerancias de movimiento en lo que se refiere a la disposición de la codificación respecto al agrupamiento de sensores. Especialmente previendo un disco de código circular, acoplado directamente al movimiento de rotación del rotor, puede tenerse en cuenta un juego del cojinete.

Claims (8)

1. Sensor optoelectrónico de ángulos de rotación que comprende un disco de código (1) iluminado, equipado con una codificación analógica y acoplado al movimiento de rotación de un rotor, y un agrupamiento de sensores (2), formado por múltiples elementos transductores individuales y dispuesto en su recorrido longitudinal de forma transversal a la dirección de movimiento del disco de código (1), para el barrido de la codificación del disco de código (1), caracterizado porque la codificación angular reproducida sobre la superficie fotosensible del agrupamiento de sensores (2) influye básicamente sobre todos los elementos transductores del agrupamiento de sensores (2) previstos para la exploración de la codificación angular de tal modo que la información angular explorada con el agrupamiento de sensores (2) está contenida proporcionalmente en cada elemento transductor implicado en la evaluación, sirviendo como codificación sobre la superficie fotosensible del agrupamiento de sensores (2) la representación de una estructura de oscilación óptica que se prolonga en dirección del recorrido longitudinal del agrupamiento de sensores (2) y cambia, al menos en su frecuencia, en la dirección de movimiento del disco de código (1), y porque para la descodificación de la información óptica registrada por el agrupamiento de sensores (2) se prevé un análisis referido a la frecuencia de la señal de intensidad obtenida por los elementos transductores.

2. Sensor de ángulos de rotación según la reivindicación 1, caracterizado porque la estructura dependiente del ángulo es monofrecuente en dirección radial.

3. Sensor de ángulos de rotación según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque para la reproducción de la estructura de oscilación se prevén unos filtros neutros sobre el agrupamiento de sensores (2) dispuestos alternativamente unos respecto a otros como codificación del disco de código (1), el dimensionamiento de los cuales cambia en la dirección de movimiento del disco de código (1).

4. Sensor de ángulos de rotación según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque para la reproducción de la estructura de oscilación se prevé una máscara a bandas claras-oscuras iluminada de forma difusa sobre el agrupamiento de sensores como codificación del disco de código, el dimensionamiento de cuyas bandas cambia en la dirección de movimiento del disco de código (1).

5. Sensor de ángulos de rotación según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque a la codificación se subordina una o varias pistas de referencia.

6. Sensor de ángulos de rotación según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque para llevar a cabo el análisis referido a la frecuencia se emplea un elemento de análisis de frecuencias.

7. Sensor de ángulos de rotación según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque para llevar a cabo el análisis referido a la frecuencia se emplea un circuito conmutador PLL.

8. Sensor de ángulos de rotación según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque el sensor de ángulos de rotación se prevé como sensor de ángulo de dirección para la determinación de la posición angular absoluta del volante de un vehículo automóvil.