DE3939905A1 - Angular position sensor - has mirror or object deflecting light beam to annular sensor - Google Patents
Angular position sensor - has mirror or object deflecting light beam to annular sensorInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Winkelgeber zur Bestimmung der Stellung eines um eine Drehachse drehbaren Bauteils gegenüber einer festen Anordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to an angle encoder for determining the position of a component rotatable about an axis of rotation relative to a fixed arrangement the preamble of claim 1.
Aus der DE-AS 12 60 168 ist ein Winkelgeber bekannt, bei dem ein Lichtbündel einer fest angeordneten Lichtquelle auf einen, einem beweglichen Bauteil fest zugeordneten, Polygonspiegel fällt, von dort reflektiert wird und anschlie ßend wenigstens eine Fotozelle beleuchtet, die ein der Winkelstellung des beweglichen Bauteils gegenüber einer festen Anordnung entsprechendes Signal liefert.From DE-AS 12 60 168 an angle encoder is known in which a light beam a fixed light source on a moving component assigned, polygon mirror falls, is reflected from there and then ßend illuminated at least one photocell, the one of the angular position of the movable component relative to a fixed arrangement corresponding signal delivers.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Winkelgeber zu schaffen, der sich durch eine hohe Auflösung und durch einen einfachen kostengünstigen Aufbau auszeichnet. The invention has for its object to provide an angle encoder, which is characterized by a high resolution and by a simple inexpensive Structure distinguished.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 ge nannten Merkmale gelöst.This object is achieved by the ge in the characterizing part of claim 1 mentioned characteristics solved.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der Beschreibung.Further refinements of the invention result from the subclaims and from the description.
Bei dem erfindungsgemäßen Winkelgeber wird ein Lichtstrahl, der parallel zur Drehachse eines drehbaren Bauteils gerichtet ist, durch eine zur Fokus sierung dienende Linse auf eine fest mit dem drehbaren Bauteil verbundene Spiegelanordnung geführt.In the angle encoder according to the invention, a light beam is parallel is directed to the axis of rotation of a rotatable component, through a to focus lens serving on a fixedly connected to the rotatable component Led mirror arrangement.
Die gegenüber der Drehachse geneigte Spiegelanordnung reflektiert den Lichtstrahl bei Winkelgebern, die einen Meßbereich von 360° abdecken sollen auf eine konzentrisch zur Drehachse angeordnete ringförmige Sensoranordnung. Bei Winkelgebern, die kleinere Meßbereiche abdecken sollen, z. B. 180°, kann die Sensoranordnung aus einem ringförmigen Segment, im Beispiel ebenfalls 180°, bestehen.The mirror arrangement inclined with respect to the axis of rotation reflects the Light beam for angle encoders that should cover a measuring range of 360 ° on an annular sensor arrangement arranged concentrically to the axis of rotation. For angle encoders that are intended to cover smaller measuring ranges, e.g. B. 180 ° can the sensor arrangement from an annular segment, also in the example 180 °.
In einer Weiterbildung der Erfindung besteht die Spiegelanordnung aus n Spiegeln, die unterschiedliche Neigungswinkel gegeneinander aufweisen. Das von der Linse fokussierte Licht wird von der Spiegelanordnung mit n ver schiedenen Winkeln auf n konzentrisch zueinander liegende ringförmige Sen soranordnungen so reflektiert, daß jeweils ein Lichtstrahl auf nur eine der ringförmigen Sensoranordnungen trifft und sich bei einer Drehung des dreh baren Bauteils entlang der Sensorkreisbahn bewegt und so eine Drehung des drehbaren Bauteils anzeigt. Die n Spiegel der Spiegelanordnung haben, durch die unterschiedlichen Neigungswinkel hervorgerufene, geringfügig unterschied lich große Oberflächen.In a development of the invention, the mirror arrangement consists of n Mirrors that have different angles of inclination to each other. The light focused by the lens is ver ver by the mirror arrangement different angles on n concentric ring-shaped sen sensor arrangements so reflected that a beam of light onto only one of the ring-shaped sensor arrays and rotates when the rotation ed component along the sensor orbit and thus a rotation of the rotatable component. The n mirrors of the mirror arrangement have through the different angles of inclination caused, slightly different large surfaces.
Die Sensoranordnung beider Ausführungen kann entweder aus ringförmig ange ordneten Photodioden nach dem bekannten Lateraleffekt-Prinzip (OPTOELEKTRONIK MAGAZIN, Vol. 3, Nr. 2, 1987) oder nach dem ebenfalls be kannten Charged Coupled Device (CCD)-Prinzip (Naumann/Schröder, Bauelemente der Optik, 3. Auflage, Seiten 564 ff) aufgebaut sein. The sensor arrangement of both versions can either consist of ring-shaped arranged photodiodes according to the known lateral effect principle (OPTOELEKTRONIK MAGAZIN, Vol. 3 , No. 2, 1987) or according to the also known Charged Coupled Device (CCD) principle (Naumann / Schröder, Components of optics, 3rd edition, pages 564 ff).
Zur Auflösungssteigerung und zur Umgehung von Zweideutigkeiten wird bei einem nach dem Lateraleffekt-Prinzip arbeitenden Winkelgeber vorgeschlagen, die einzelnen ringförmigen Sensoren aus mindestens zwei Kreisringstücken gleicher Abmessungen herzustellen.To increase the resolution and avoid ambiguities proposed an angle encoder working according to the lateral effect principle, the individual annular sensors from at least two circular ring pieces to produce the same dimensions.
Eine Auflösungssteigerung kann bei einem nach dem CCD-Prinzip arbeitenden Winkelgeber dadurch erreicht werden, daß zusätzlich zur digitalen Pixelaus wertung auch die von den beleuchteten Pixeln aufgenommene Lichtmenge analog ausgewertet und Zwischenwerte interpoliert werden.An increase in the resolution of a person working according to the CCD principle Angle encoder can be achieved in that in addition to the digital pixel evaluation also the amount of light received by the illuminated pixels analog are evaluated and intermediate values are interpolated.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to the drawing.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine perspektivische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Winkelgebers, Fig. 1 is a side perspective view of an embodiment of the angle sensor according to the invention,
Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Sensoranordnung mit kreisförmigem Sensor, Fig. 2 is a plan view of a sensor arrangement with a circular sensor,
Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Sensoranordnung mit zwei halbkreisförmigen Sensoren, Fig. 3 is a plan view of a sensor arrangement with two semicircular sensors,
Fig. 4 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung mit vier kreisförmigen Sensoren gemäß der Weiterbildung, Fig. 4 is a plan view of an embodiment of a sensor arrangement with four sensors according to the circular training,
Fig. 5a eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Spiegelanordnung mit vier Spiegeln gemäß der Weiterbildung, FIG. 5a is a top view of an embodiment of a mirror assembly with four mirrors in accordance with the training,
Fig. 5b eine Seitenansicht auf einen Schnitt entlang der Linie A-B der Spiegelanordnung nach Fig. 5a mit Lichtstrahlen. Fig. 5b is a side view of a section along the line AB of the mirror assembly of FIG. 5a with light beams.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeipiel des erfindungsgemäßen Winkelgebers in einer seitlichen Perspektive dargestellt. Die mit 1 bezeichnete Lichtquelle ist so angeordnet, daß ihr Licht parallel zur Drehachse 5 abgestrahlt, durch eine Linse 8 fokussiert und von einer auf dem Bauteil 6 mit einem bestimm ten Neigungswinkel α zur Drehachse 5 angeordnete Spiegelanordnung 4 auf ei ne ringförmige Sensoranordnung 2 reflektiert wird. Der Winkel zwischen einfallendem Lichtstrahl 7 und dem von der Spiegelanordnung 4 reflektierten Lichtstrahl 3 beträgt nach dem Reflexionsgesetz 2α. Dreht sich das Bauteil 6 um die Drehachse 5, so bewegt sich der Leuchtfleck des reflektierten Licht strahls 3 auf der Kreisbahn der Sensoranordnung 2 und beleuchtet eine andere Position der Sensoranordnung 2. Durch entsprechende Auswertung, die in Ab hängigkeit von den verwendeten Sensorprinzipien erfolgt, wird daraus eine Winkeländerung oder der momentane Absolutwinkel des drehbaren Bauteils 6 bestimmt.In Fig. 1, an embodiment of Example angle encoder according to the invention is shown in a side perspective. The designated with 1 light source is arranged so that its light is emitted parallel to the axis of rotation 5 , focused by a lens 8 and is reflected by a mirror arrangement 4 arranged on the component 6 with a specific angle of inclination α to the axis of rotation 5 onto an annular sensor arrangement 2 . The angle between the incident light beam 7 and the light beam 3 reflected by the mirror arrangement 4 is 2 α according to the law of reflection. If the component 6 rotates about the axis of rotation 5 , the light spot of the reflected light beam 3 moves on the circular path of the sensor arrangement 2 and illuminates another position of the sensor arrangement 2 . By means of appropriate evaluation, which takes place as a function of the sensor principles used, an angle change or the instantaneous absolute angle of the rotatable component 6 is determined therefrom.
Um den Einfluß von axialem Spiel des drehbaren Bauteils 6 auszuschließen, muß die Größe des Leuchtflecks und/oder die Sensoranordnung 2 so gewählt werden, daß trotz des möglichen Spiels der Leuchtfleck immer den Sensor 2 trifft. Änderungen des Leuchtflecks, die hervorgerufen werden durch axiales Spiel des drehbaren Bauteils 6, äußern sich in einer Lichtstrahländerung in radialer Richtung die die Winkelverhältnisse nicht verändern.In order to rule out the influence of axial play of the rotatable component 6 , the size of the light spot and / or the sensor arrangement 2 must be selected such that the light spot always hits the sensor 2 despite the possible play. Changes in the light spot, which are caused by the axial play of the rotatable component 6 , are expressed in a light beam change in the radial direction, which do not change the angular relationships.
Bei Verwendung einer Sensoranordnung 2 nach dem Charged Coupled Device (CCD)-Prinzip mit einer diskreten Anzahl von lichtempfindlichen Elementen (Pixeln), läßt sich die Position des Leuchtflecks und damit der Winkel an hand der beleuchteten Pixeln sehr leicht auswerten. Die Auflösung ist dabei festgelegt durch die Gesamtzahl der Pixeln auf dem Umfang des Sensors und einer erreichbaren Verbesserung der Positionsbestimmung durch Interpolation über mehrere Pixel. In diesem Fall kann ein kleiner Prozessor zur Auswer tung eingesetzt werden.When using a sensor arrangement 2 according to the Charged Coupled Device (CCD) principle with a discrete number of light-sensitive elements (pixels), the position of the light spot and thus the angle can be evaluated very easily using the illuminated pixels. The resolution is determined by the total number of pixels on the circumference of the sensor and an achievable improvement in the position determination by interpolation over several pixels. In this case, a small processor can be used for evaluation.
Bei Verwendung einer Sensoranordnung 2 nach dem Lateraleffekt-Prinzip ste hen zwei analoge Teilströme zur Verfügung, die sich zueinander verhalten wie die Entfernungen des Schwerpunktes des Leuchtflecks zu den Kontaktie rungen. Bei Beleuchtung von Anfang und Ende, Pos. 2 in Fig. 2, und bei Be leuchtung der um 180° entgegengesetzten Mitte, Pos. 1, der Sensoranordnung 2 ergeben sich jeweils zwei gleich große Teilströme.When using a sensor arrangement 2 based on the lateral effect principle, two analog partial currents are available which behave in relation to one another like the distances of the center of gravity of the light spot to the contacts. With lighting from the beginning and end, item 2 in Fig. 2, and when lighting the 180 ° opposite center, item 1, the sensor arrangement 2 each result in two partial currents of the same size.
Diese Zweideutigkeit der Auswertung wird umgangen, indem man den lichtem pfindlichen ringförmigen Sensor 2 aus zwei getrennten Sensoren 2′, 2′′ auf baut, Fig. 3. Durch die Verwendung von zwei getrennten Sensoren die zu einem Ring zusammengefaßt sind, wird außerdem noch eine Auflösungssteige rung um den Faktor 2 erreicht.This ambiguity of the evaluation is avoided by building the light sensitive ring-shaped sensor 2 from two separate sensors 2 ', 2 '', Fig. 3. By using two separate sensors which are combined to form a ring, there is also one Resolution increase achieved by a factor of 2.
Bei Winkelgebern die einen Meßbereich von 360° besitzen sollen, sind noch Maßnahmen zur genauen Positionsbestimmung des Lichtstrahls notwendig. Die Übergänge zwischen den Elektroden 1, E1, des Sensors 2′, S2′, und des Sen sors 2′′, S2′′, bzw. Elektroden 2, E2, des Sensors S2′ und des Sensors S2′′ lassen sich ähnlich einem 4 Quadranten-Detektor auswerten. Durch die Ver knüpfung I S2′E1+S2′′E1-S2′E2-S2′′E2 läßt sich feststellen, ob sich der Lichtstrahl an den Elektroden 1 oder an den Elektroden 2 befindet. Durch die Verknüpfung II S2′E1+S2′E2-S2′′E1-S2′′E2 läßt sich fest stellen, ob sich der Lichtstrahl rechts oder links auf der Sensorbahn be findet.In the case of angle encoders which are to have a measuring range of 360 °, measures are still necessary for the exact position determination of the light beam. The transitions between the electrodes 1, E 1, the sensor 2 ', S 2', and Sen sors 2 '', S 2 '', or electrode 2, E 2, of the sensor S 2 'and the sensor S 2 '' Can be evaluated similar to a 4 quadrant detector. Through the Ver link IS 2 'E 1 + S 2 ''E 1 -S 2 ' E 2 -S 2 '' E 2 can determine whether the light beam is on the electrodes 1 or on the electrodes 2 . By linking II S 2 'E 1 + S 2 ' E 2 -S 2 '' E 1 -S 2 '' E 2 can be determined whether the light beam is on the right or left on the sensor path be.
Um Intensitätsschwankungen der Lichtquelle 1 auszuschließen, wird vorge schlagen,To rule out fluctuations in intensity of the light source 1 , it is suggested
- - bei Sensoranordnungen, die nach dem Lateraleffekt-Prinzip arbeiten, eine Normierung der Signale an den Elektroden E1 und E2 gemäß vorzunehmen und- In the case of sensor arrangements which operate according to the lateral effect principle, the signals at the electrodes E 1 and E 2 are normalized in accordance with to make and
- - bei Sensoranordnungen, die nach dem CCD-Prinzip arbeiten, eine Normie rung über die aufgenommene Gesamtlichtmenge aller beleuchteten Pixel durchzuführen, gemäß Hierbei stellt I(i) die Intensität des Pixels i dar und n die Gesamtzahl der beleuchteten Pixel.- With sensor arrangements that work according to the CCD principle, a standardization on the total amount of light of all illuminated pixels to perform, according to Here I (i) represents the intensity of the pixel i and n the total number of illuminated pixels.
Hintergrundlicht kann ausgeschlossen werden, indem z. B. die Lichtquelle 1 gepulst, d. h. mit einer bestimmten Frequenz ein-/ausgeschaltet, wird.Background light can be excluded by e.g. B. the light source 1 is pulsed, ie switched on / off at a certain frequency.
Die Normierung und Auswertung des gepulsten Signals erfolgt durch einen Prozessor, der auch z. B. Linearisierung und Mittelwertbildung über eine bestimmte Anzahl von Abtastungen durchführen kann.The pulsed signal is normalized and evaluated by a Processor, which, for. B. Linearization and averaging over one can perform certain number of scans.
Zur Eliminierung der Einflüsse eines radialen Spiels des drehbaren Bauteils 6 wird weiterbildungsgemäß eine Sensoranordnung 2 mit z. B. vier Sensoren vorgeschlagen. Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung 2 mit vier kreisförmigen Sensoren 2a, 2b, 2c, 2d. Die Sensoren 2a, 2b, 2c, 2d sind konzentrisch um die Drehachse 5 angeordnet.In order to eliminate the influences of radial play of the rotatable component 6 , a sensor arrangement 2 with z. B. proposed four sensors. Fig. 4 shows a plan view of an embodiment of a sensor arrangement 2 with four circular sensors 2 a, 2 b, 2 c, 2 d. The sensors 2 a, 2 b, 2 c, 2 d are arranged concentrically around the axis of rotation 5 .
Zu dieser Sensoranordnung 2 wird eine Spiegelanordnung 4 mit vier Spiegeln 4a, 4b, 4c, 4d benötigt. Die Neigungswinkel α der einzelnen Spiegel 4a, 4b, 4c, 4d bzw. der einzelnen Spiegeloberflächen sind so ausgelegt, daß je ein Teillichtstrahl auf je einen Sensor 2a, 2b, 2c, 2d fällt. Die Fig. 5a zeigt ein Beispiel einer solchen Spiegelanordnung 4 mit den Spiegeln 4a, 4b, 4c, 4d in einer Draufsicht.For this sensor arrangement 2 , a mirror arrangement 4 with four mirrors 4 a, 4 b, 4 c, 4 d is required. The angles of inclination α of the individual mirrors 4 a, 4 b, 4 c, 4 d or of the individual mirror surfaces are designed such that a partial light beam falls on a sensor 2 a, 2 b, 2 c, 2 d. The Fig. 5a shows an example of such a mirror assembly 4 having the mirrors 4 a, 4 b, 4 c, 4 d in a plan view.
In Fig. 5b ist eine Seitenansicht auf einen Schnitt entlang der Linie A-B nach Fig. 5a dargestellt. Die Winkel α1 bis α4 entstehen durch die unter schiedliche Schräge der einzelnen Spiegeloberflächen. Der von der Linse 8 fokussierte Lichtstrahl 7 teilt sich in die Teillichtstrahlen 3a, 3b, 3c, 3d. Die Winkel α2 und α4 sowie die Teillichtstrahlen 3b und 3d sind nicht dargestellt, da sie senkrecht zur Zeichnungsebene liegen.In Fig. 5b is a side view of a section taken along line AB of FIG. 5a. The angles α 1 to α 4 arise from the different slant of the individual mirror surfaces. The light beam 7 focused by the lens 8 is divided into the partial light beams 3 a, 3 b, 3 c, 3 d. The angles α 2 and α 4 and the partial light beams 3 b and 3 d are not shown, since they are perpendicular to the plane of the drawing.
BezugszeichenlisteReference symbol list
1 Lichtquelle
2 Sensoranordnung
2a, 2b, 2c, 2d Sensoren
2′ Sensor-Kreisringstück
2′′ Sensor-Kreisringstück
3 reflektierter Lichtstrahl
3a mit ≮α₁ reflektierter Teillichtstrahl
3c mit ≮α₃ reflektierter Teillichtstrahl
4 Spiegelanordnung
4a, 4b, 4c, 4d Spiegel
5 Drehachse
6 drehbares Bauteil (Rotor)
7 fokussierter Lichtstrahl
8 Linse 1 light source
2 sensor arrangement
2 a, 2 b, 2 c, 2 d sensors
2 ′ sensor circular ring piece
2 ′ ′ sensor circular ring piece
3 reflected light beam
3 a with ≮α₁ reflected partial light beam
3 c with ≮α₃ reflected partial light beam
4 mirror arrangement
4 a, 4 b, 4 c, 4 d mirrors
5 axis of rotation
6 rotatable component (rotor)
7 focused light beam
8 lens
Claims (6)
- - eine fest angeordnete Lichtquelle,
- - eine im Lichtstrahl auf dem drehbaren Bauteil fest angeordnete Spiegelanordnung zur Reflexion des Lichtstrahls,
- - eine im reflektierten Lichtstrahl fest angeordnete Sensoranordnung zur Sensierung der Lage des Lichtstrahls, dadurch gekennzeichnet,
- - daß der Lichtstrahl (7) der Lichtquelle (1) parallel zur Drehachse (5) gerichtet ist,
- - daß die Oberfläche der Spiegelanordnung (4) gegenüber dem Lichtstrahl (7) geneigt ist,
- - daß mindestens eine ringförmige Sensoranordnung (2) konzentrisch zur Drehachse (5) angeordnet ist,
- - daß der Neigungswinkel α der Spiegelanordnung (4) so gewählt ist, daß der reflektierte Lichtstrahl (3) bei Drehung des Bauteils (6) auf der ringförmigen Sensoranordnung (2) umläuft.
- - a fixed light source,
- a mirror arrangement fixedly arranged in the light beam on the rotatable component for reflecting the light beam,
- a sensor arrangement fixedly arranged in the reflected light beam for sensing the position of the light beam, characterized in that
- - That the light beam ( 7 ) of the light source ( 1 ) is directed parallel to the axis of rotation ( 5 ),
- - That the surface of the mirror arrangement ( 4 ) is inclined with respect to the light beam ( 7 ),
- - That at least one annular sensor arrangement ( 2 ) is arranged concentrically to the axis of rotation ( 5 ),
- - That the angle of inclination α of the mirror arrangement ( 4 ) is selected so that the reflected light beam ( 3 ) rotates when the component ( 6 ) rotates on the annular sensor arrangement ( 2 ).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19893939905 DE3939905A1 (en) | 1989-12-02 | 1989-12-02 | Angular position sensor - has mirror or object deflecting light beam to annular sensor |
Applications Claiming Priority (1)
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| DE19893939905 DE3939905A1 (en) | 1989-12-02 | 1989-12-02 | Angular position sensor - has mirror or object deflecting light beam to annular sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE3939905A1 true DE3939905A1 (en) | 1991-06-06 |
Family
ID=6394678
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| DE19893939905 Withdrawn DE3939905A1 (en) | 1989-12-02 | 1989-12-02 | Angular position sensor - has mirror or object deflecting light beam to annular sensor |
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