JP5260518B2 - 光エレクトロニクス角度センサ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前段規定における、軸についての回転角度を測定する光エレクトロニクス角度センサに関する。

位置としての方向、角度、長さの測定は、例えば、測地測量や産業測量のような多くの分野で必要とされている。角度測定技術の発展が、機械読み取りプロセスを介し、今日の従来技術によって、完全に自動化された角度計測を実現している。

よく知られた走査方式は、電子磁気、電子および光エレクトロニクスの方法である。以下の記述は、光エレクトロニクス走査装置に関するものである。

軸の周りの回転角度を測定するための従来の光エレクトロニクス角度センサは、コード担体および、互いに相対的に回転可能な光検出器を有している。この光検出器は、たとえば、フォトディテクタ、ＣＣＤラインアレイあるいはＣＣＤの面アレイである。コード担体は、一般的には、円形のディスクあるいはリングの形状であり、光学的に検出可能な位置コードを円周に沿って担っている。この位置コードの一部分が、照明装置により、その光検出器に写される。この角度センサのコード担体が、一般的には、回転する。しかし、このコード担体を固定し、検出器を回転させることも可能である。

例えば、0°から360°の角度位置を測定するために、コードは、全円状に配置することができ、例えば、明暗の光の領域を持つことができる。全円の角度分解能は、コードのタイプと、このコードを読み取るために使用される走査装置により、決定される。したがって、たとえば、角度分解能が、複数のトラックにコードを適用することで増大し、達成可能な分解能は、製造とコストに関する理由のため制限される。

米国特許2002/0018220A1は、コード担体の変位を測定するための測定装置と、有機フォトディテクタを有する検出フィルムと、コード担体の上の検出器として設けられた有機トランジスタと、を開示している。そのコード担体は、その有機トランジスタと相対的に変位可能で、読み取り可能なコードを有している。照明して、そのコードの画像を形成するために、有機ＬＥＤを備える発光フィルムが、検出フィルムの後ろに配置され、その発光フィルムは、コードの一部を照明し、よって、検出フィルムの上にその数値化可能な画像を生成する。

発光フィルムは、以前から知られている。また、例えば、広告目的のための表示照明や薄膜トランジスタ表示や、グラフィック要素が使用されており、例えば、いろいろな有機ＬＥＤを備え、これらは安価で大量生産されている。

従来技術の角度センサの知られている欠点は、精度に影響する、検出器、コード担体、照明装置の複雑な配置である。検出器と照明装置は、通常、電力が供給される分離された回路基板の上に、それぞれ配置される。よりシンプルなデザインや、電力が供給される回路基板の数を低減するために可能なことは、共通の回路基板の上に、照明装置と検出器を配置することであり、コードの画像は、偏向手段の形のコード担体により検出器の受光領域に投影された回転位置に依存する。このことは、例えば、米国特許7,145,127B2に開示されている。

角度位置を測定するためコードの画像から測定されたデータをコンピュータで再処理することは、高価で連続的であり、例えば、コード担体のランアウトのような、従来技術の角度センサの場合に知られている誤差と不正確さを取り除くことが必要とされる。その代わりに、ハードウェアにより、例えば、コード担体の正確な位置決めのための調整機構により、そのような誤差と不正確さを相殺する努力はされるが、非常に高価になる。したがって、従来技術による正確な角度測定のために、このために使用される部品は、一般的に、製造、組立の精度について高い要求を満足しなければならない。

さらに、分解能あるいは細密さのため、コードの欠点は、一旦、製造され、角度センサに組み込まれると、角度位置がそれぞれのコードによって測定される特定の精度を有することである。また、インクリメントコードは、その分解能に規定され、限られた回転速度までしか読み出すことができない。低い分解能を有する粗いコードの場合は、コード担体の早い回転移動の間、角度位置は追従でき、測定できるが、達成可能な精度は、高い分解能を持つコードの場合よりも低い。

本発明の目的の一つは、改良された角度センサ、特に、低コストに設計されたものを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、角度測定の間の不正確さの除去を簡単にするコードを提供することである。

本発明のさらなる目的は、特に、適切な測定のために、例えばコード担体のような回転要素の最大許容回転速度について、測定の精度について調整可能で改良可能な角度センサを提供することにある。

これらの目的は、本発明に従って、独立請求項の特徴によって実現される。位置測定の方法と位置測定の装置の展開および代替の構成と、さらなる発展は、その従属請求項の特徴から明らかにされている。

本発明による光エレクトロニクスの角度センサは、平面コードを有するコード担体と、光感知検出器と、を備え、そのコード担体は軸まわりに回転可能に検出器に相対するように、配置されている。一般に、検出器の上にコードの数値化できる画像を生成するための照明装置が配置されている従来技術の角センサとは対照的に、本発明によるコードは、発光するように形成されている。そのため、コード自体が、検出器上のコードの少なくとも一部の画像を生成するための装置であり、画像を検出器に相対するコード担体の回転位置について数値化することができる。

さらに、角度センサは、画像を読み込むことにより、検出器に対するコード担体の位置を測定し、それにより、軸の周りの角度が測定される、数値化ユニットを有する。

本発明によると、高価なものとなる追加の照明装置を用いないことが可能となる。

ここで、発光コードは、光放射、特に可視光あるいは近赤外光範囲の光線を出射するよう形成されたコードを意味すると理解されるべきである。

平面コードは、従来技術から知られているすべてのパターンを有している。単純な形では、そのコードは、暗の、非発光領域と明るい発光領域から成る。原理としては、検出器に対してコード担体の回転位置に依存するコードの光画像を生成するすべての発光手段を使用することが可能である。このコードは、異なる波長の光を出射する領域を有してもよい。

絶対コードと相対コード、すなわちインクリメントコードの両方を使用することが可能である。しかし、相対コードの場合には、電源障害の後、角度測定器を再初期化することを必要とする不利がある。

特に、発光コードは、発光フィルムあるいは蛍光フィルムとして知られている、エレクトロルミネッセンスフィルムにより実現することができ、いろいろな有機ＬＥＤを有することができる。

コードを制御するために、たとえば、エレクトロルミネッセンスフィルムによって形成されたコードが、自在に構成でき、そして、また再構成できるように、角度センサが、特に、制御ユニットを有してもいい。

例えば、さまざまなコードのパターンを有する複数の選択モードが保持可能である。角度の測定の要求に応じて、この目的のために最適なコードが、例えば、ユーザーによって選択することができ、角度の測定に使用することができる。特に、様々なコードパターンが、分解能について異なり、それで、角度センサが、測定の要求される精度に調整可能となる。

たとえば、よく知られている、構造的に生じる測定誤差、および、検出器に対しコード担体が回転移動している間のランアウトのような不正確さを、コードの再構成により直接考慮に入れることができ、中和させることができる。従来技術の角度センサの場合に必要とされる連続的な再処理が、直接に適用可能なように、形成される。

また、コードは、ゼロ位置を確実にかつ迅速に決定することができ、角度の測定をその後にすぐに開始することができるように、例えば、角度センサを簡単かつ迅速に初期化するための特別なパターンを有することが可能である。

特に、イベント制御あるいは時間制御された特定のモード間の自動切替を実行することが可能である。たとえば、初に、低分解能のコードが、概略の角度測定のための第１のモードに使用することができ、高分解能のコードを有する第２のモードへの自動切り替えが、その後、実行される。それぞれの場合において、特定の回数で、較正モードで自動較正を実行することができる。

このコード担体は、従来技術で知られているすべての形状により、例えば、プラスチックのような、当業者に公知の材料で形成することができる。特に、例えば、円形ディスク、リング、円筒あるいは中空円筒の形の円形断面を有する形状を有する。また、コード担体は、円の区分の形にすることができる。

特に、例えば、フォトダイオードやＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサのようなセンサアレー、領域に亘りは位置されたフォトダイオードやＣＣＤ、ＣＭＯＳまたはＰＳＤセンサを有するエリアセンサは、従来技術から知られているように、検出器として使用することができる。検出器あるいは走査フィルム、特に、例えば、フォトダイオードあるいは有機トランジスタのような有機フォト検出器の使用も可能である。

本発明による発光コードを有するコード担体を示す。 本発明による角度センサの第１の実施例を示す。 本発明による角度センサの第２の実施例を示す。 本発明による角度センサの第３の実施例を示す。 本発明による角度センサの第４の実施例を示す。 本発明による二つの異なる構造のコードを有するコード担体を示す。

図１は、平面コード３を有する環状のコード担体２を示し、平面コード３はコード担体２の上に設けられ、発光するよう形成されている。

コード３は、複数の有機ＬＥＤを備える薄膜の平面要素として、与えられ、コード担体２に設けられている。代替として、コード３は、当業者に知られている発光フィルムで、形成することもできる。

さらに、コード担体２にコード３を設ける、あるいは、コード担体２の中に直接にコード３を設けることもできる。例えば、コード担体２内に有機ＬＥＤを統合することは、有機ＬＥＤに破壊的影響を有する酸素からそれらを保護し、その寿命を大きくする利点がある。

コードを保護するため、さらに可能なこととして、当業者に知られているように、有機ＬＥＤをコートすることもできる。

図１に示すように、コード３は、コード担体２の円周に沿って、軌道内に、発光領域と暗領域とを交互に有する。

図２は、本発明による、平面発光コード３を有する環状のコード担体２を備える光エレクトロニクス角度センサ１を示す。光感知性の受光領域の直線を有する光検出器４は、コード担体２の反対に配置され、その検出器４が、コード３により出射された放射を受信することができる。コード担体２は、光検出器４に対し、軸の周りに回転可能に形成されている。

コード３は、コード担体２の円周の方向の複数の軌道に配置された発光領域および非発光領域を備えている。複数の軌道を使用することにより、コードの分解能が大きくなり、その結果、角度位置をより正確に測定することができる。この目的のために、光検出器４の各光感知性の要素は、コード３により出射されたそれぞれ対応する軌道の放射を受け取る。その結果、コード３の一部の数値化可能な画像が、光検出器４の上に生成され、その画像は、コード担体２の相対的角度位置についての情報を有する。したがって、コード３自体は、光検出器４の上に画像を生成するための装置９であり、従来技術の角度センサの場合には、そのコードが、そのコードの画像を生成するための更なる部品により照明される。

照明の機能として、光検出器４の光感知性の要素により生成された信号から、数値化ユニット５は、測定されるべきコード３の角度位置を計算する。

コード３は、例えば、コード３のパターンや、分解能あるいは角度ゼロ位置が変更できるように、自在に構成可能であり、特に、更なる再構成が可能なように、形成される。

この目的のために、角度センサ１は、コード３の発光領域と非発光領域の制御および／あるいは例えば出射された放射の波長について、照明のタイプの制御をする制御ユニットを有する。

図３は、本発明のさらなる実施例を示し、このコード３は、リング状に、0°から360°の角度位置を決定することができるように、コード担体２の全円周に沿って設けられている。コード担体２は、軸６について回転可能であるように形成され、光検出器４が、固定して配置されている。

本発明によると、制御ユニット７により制御されたコード３は、光検出器４の上に、このコード３の一部の画像を直接に形成するように、発光するよう形成されている。

画像の数値化により、数値化ユニット５は、光検出器４に対するコード担体２の角度位置を導き、それゆえ、軸６周りの角度が、測定される。

図４は、検出器に相対し、軸６について回転移動することができる円筒コード担体２を備える、本発明による角度センサ１を示す。

本発明による発光するコード３が、コード担体２の外側の側面に設けられ、光感応性の検出器の形であり、特に、有機フォトダイオードあるいはフォトセルを有する走査フィルム４ａにより囲まれている。特に、その走査フィルム４ａは、コード担体２の側面全部を覆うこともよく、コード３の照明により、コード３の全画像が走査フィルム４ａの上に生成される。走査フィルム４ａに相対するコード担体２の角度位置および測定される角度は、上記のように、数値化ユニット５により画像に基づいて測定される。

コード３を制御するために、角度センサ１は、例えば、２つのモードが記憶されている制御ユニット７有する。初期化モードでは、例えば、制御ユニット７は、コード３の１つの領域が、例えばゼロ位置の１つ点でのみ発光し、コード３の残りの領域は発光しないよう、その結果、角度センサ１のゼロ位置が迅速に、正確に測定できるように、発光するコード３を制御する。測定モードでは、例えば、正確な角度測定に適した高分解能のコード３を表示することができる。

図５は、本発明による角度センサ１のさらに別の実施例を示す。ここで、光感応性検出器４と円形ディスクの形のコード担体２は、共通の面上に配置され、コード担体２が軸６について回転可能なように取り付けられ、検出器４が固定して取り付けられている。

発光するコード３は、コード担体ディスクの全円形領域に設けられ、制御ユニット７により自在に構成、再構成することが可能である。

一般に、検出器は、コード３により実現できる分解能よりも高い分解能を有するので、小型化のために、それに写されるコードの部分の領域よりも小さく、検出器４の光感知領域を形成できる利点がある。この目的のために、偏向要素８は、コードの部分領域により、それぞれの場合に放出される放射が、検出器の表面に偏向され、集光される。そのため、検出器に対するコード担体２の角度位置についての情報を有するコードの、集光され、数値化できる画像が、生成可能となる。さらに、検出器４により受信された放射が、輝度を高められ、その結果、コードのより速い読み取りを実現することができる。

この目的のために、偏向要素８は、例えば、カーブミラーの表面のような、反射素子、回折素子、あるいは、屈折素子を備えることができる。

図６ａ、６ｂは、本発明による発光し、変化するモードを有する再構成可能なコードを備えるコード担体２を示す。図６ａは、第１のコード構成３ａを有する微細モードでのコードを示し、このコードは、角度位置を正確に測定するための高分解能を有する。一方、図６ｂは、第２のコード構成３ｂを有する粗いモードでのコードを示し、このコードは、低い分解能を有し、そのため、コード担体が非常に速い回転運動中でも追跡し、角度位置を測定することが可能である。

もちろん、概略的に示されたこれらの構成は、可能な動作例を示したにすぎない。本発明による様々なアプローチが、互いに組み合わせたり、従来技術の角度センサと組み合わせたり、することができる。

方向と角度測定の機能を実行する測地測定器は、本発明による角センサを使用する１つの分野である。例えば、セオドライトは、非常に高い精度で水平と垂直の角度を測定することができるように、水平と垂直の基準円と、それに対応する読み取り装置を備えている。また、位置測定装置が、例えば、関節アームを有する座標測定マシンのような全てのタイプの測定マシンに使用される。

Claims (12)

1. 平面のコード（３）を有するコード担体（２）と、
   前記コード担体（２）と軸（６）の周りの互いに相対する移動が可能な光感応性の検出器（４）と、
   画像が、前記検出器（４）に相対する前記コード担体（２）の回転角度についての情報を備えるように、前記検出器（４）の上に前記コードの少なくとも部分の、数値化ができる前記画像を生成する装置（９）と、
   前記画像から前記回転角度を測定する数値化ユニットと、を備えた、前記軸（６）の周りの前記回転角度を測定する光エレクトロニクス角度センサ（１）において、
   前記装置（９）の機能を少なくとも部分的に機能させるように、前記コード（３）が、発光され、そして、前記コード（３）が、そのパターンを自在に形成するように構成されており、
   前記コード（３）を構成するための制御ユニット（７）が設けられており、
   前記角度センサ（１）が複数の交互に設定可能なモードを有しており、前記コードがそれぞれのモードに対し、異なって構成され、
   前記複数モードの１つとして、前記角度センサ（１）の初期化モードが設けられており、該初期化モードにおいて、前記コード（３）は角度ゼロ位置を測定するために適切なパターンを有し、
   前記複数モードの１つとして、正確な角度測定に適した高分解能のコード（３）を表示することができる測定モードが設けられている
   ことを特徴とする角度センサ（１）。
2. 前記コード（３）が、複数の有機発光ダイオードを有することを特徴とする請求項１記載の角度センサ（１）。
3. 前記コード（３）が、エレクトロルミネッセンスのフィルムで形成されていることを特徴とする請求項１あるいは２記載の角度センサ（１ａ，１ｂ）。
4. 前記コード（３）が、発光領域と非発光領域を備えるパターンを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の角度センサ（１）。
5. 前記コード（３）が、異なる波長の光線を放出する複数の領域によるパターンを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の角度センサ（１）。
6. 前記コード（３）の前記パターンの変更が、時間制御、イベント制御、要求に従う方法、および／あるいは、前記検出器（４）に相対する前記コード担体（２）の移動の間の回転速度に依存する方法で実行されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の角度センサ（１）。
7. 前記コード（３）のパターンの変更が、放出された光線の波長および／あるいはコード（３）の分解能について実行されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の角度センサ（１）。
8. 前記コード（３）が、再構成可能なように、形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の角度センサ（１）。
9. 既知の測定誤差、および／あるいは、検出器（４）に相対する、コード担体（２）の回転運動中のランアウトによる誤差を補償するため、前記コード（３）の再構成が、実行されることを特徴とする請求項８に記載の角度センサ（１）。
10. 前記装置（９）が、前記検出器（４）の上に偏向された画像の投射をするための偏向手段（８）をさらに有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の角度センサ（１）。
11. 前記偏向手段（８）が、前記検出器（４）の上に画像の焦点を合わせるように、形成されたことを特徴とする請求項１０に記載の角度センサ（１）。
12. 前記検出器（４）が、走査フィルム（４ａ）として有機フォトダイオードあるいはフォトセルを備えるよう、形成されたことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の角度センサ（１）。

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