DE19755157C2 - Optisches Abtastsystem - Google Patents
Optisches AbtastsystemInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein optisches Abtastsystem.
Das aus Fig. 1 und 2 ersichtliche bekannte optische Abtastsystem 10 umfaßt ei
nen Träger 12, ein radförmiges optisches Element 14 und eine Abtastvorrichtung
16. Das optische Element 14 ist drehbar auf dem Träger 12 befestigt. Es umfaßt
mehrere Kodierlöcher 24, welche kreisförmig um den Umfang des optischen Ele
ments 14 herum angeordnet sind. Die Abtastvorrichtung 16 ist auf dem Träger 12
zum Erfassen von Drehungen des optischen Elements 14 angeordnet. Dieses
umfaßt eine gedruckte Schaltung 22 zum Aussenden von Licht in Richtung des
optischen Elements 14 und einen Lichtdetektor 20, welcher auf der Schaltung 22
angeordnet ist und drei Sensoren 19a, 19b und 19c zum Erfassen von emittiertem
Licht von der Lichtquelle 18 aufweist, welches durch die Kodierlöcher 24 hindurch
tritt.
Fig. 3 zeigt ein Zeitdiagramm von drei Ausgangssignalen 27, 28 und 29, welche
von den drei Sensoren 19a, 19b und 19c erzeugt werden, wenn das Kodierloch 25
des optischen Elements 15, wie in Fig. 2 dargestellt, den Lichtdetektor 20 passiert.
Das Zeitdiagramm zeigt deutlich, daß beim Passieren der vorderen und hinteren
Enden des Kodierloches 25, vorbei an der Lichtquelle 18, die Sensoren 19b und
19c des Lichtdetektors 20 Störungen bzw. Signalschwankungen bzw. -zittern am
vorderen und hinteren Ende des Ausgangssignals 28 und 29 erzeugen. Dies
kommt daher, daß die vorderen und hinteren Kanten des Kodierloches 25 zu einer
Interferenz des durch das Kodierloch 25 hindurch tretenden Lichtes führen und
Instabilitäten des von den Sensoren 19b und 19c des Lichtdetektors 20 empfan
genen Lichtes verursachen. Da das Kodierloch 25 zur Identifikation einer be
stimmten Position des optischen Elements 14 verwendet wird, machen es die in
dem Ausgangssignal 28 und 29 vorhandenen Störungen schwierig, die Position
des optischen Elementes 14 zu beurteilen.
Aus DE 38 09 804 A1 ist ein Kodierer zum Ermitteln des Bewegungszustandes
einer Skala mit einer Vielzahl von Spuren aus vorbestimmten aufgereihten Ko
dierlöchern bekannt. Eine optische Erfassungseinrichtung erzeugt mittels der Ko
dierlöcher ein Kodiersignal, aus dem eine absolute Drehstellung der Skala herleit
bar ist. Zur Vergrößerung des Auflösungsvermögens eines derartigen Prinzips der
optischen Abtastung mittels Kodierlöchern ohne die Anzahl von Spuren für Ko
dierlöcher steigern zu müssen, wird vorgeschlagen, Beugungslicht und sich dar
aus ergebende entsprechende Beugungs- bzw. Interferenzbilder zu verwenden.
Dies erzielt trotz einfacherer Anordnung der Kodierlöcher mehr Information in dem
durch die Kodierlöcher transmittierten Licht. Hierbei ist jedoch eine komplizierte
Auswertung des Beugungsbildes nach den Kodierlöchern zum Erzielen eines
Rückschlusses auf die Position der drehbaren Skala erforderlich. Ferner ergibt
sich auch hier das oben erwähnte Problem des "Signalzitterns", wobei dies noch
dadurch verstärkt wird, daß die Lichtquelle zum Erzeugen entsprechender Beu
gungsbilder kohärentes Licht abstrahlt. Somit kommt es jedoch auch dann ver
mehrt zu Interferenzerscheinungen und somit zu "Signalzittern", wenn sich die
Kanten der Kodierlöcher im Lichtstrahl befinden.
Die Druckschrift US 4 604 521 betrifft eine optische Kodiervorrichtung mit einer
drehbaren Kodierscheibe und einer festen Platte zum Erfassen des Drehwinkels
und der Position der Drehung eines Motors. Die drehbare Kodescheibe umfaßt
mehrere konzentrisch angeordnete Muster. Die feste Platte umfaßt ein Kodemu
ster in Form von Schlitzen. Durch die Kombination der drehbaren Kodescheibe
und der festen Kodeplatte und jeweils entsprechend ausgebildeter Kodemuster
werden Meßungenauigkeiten durch Streulicht reduziert, da entsprechende Durch
gangsöffnungen auf der festen Kodescheibe für ein Referenzmuster in Umfangs
richtung von entsprechenden Durchgangsöffnungen für die konzentrischen Muster
beabstandet sind. Bezüglich Meßungenauigkeiten aufgrund von Interferenzer
scheinungen an entsprechenden Kanten der Durchgangslöcher kommt es jedoch
auch bei diesem System zu entsprechenden Meßungenauigeiten. Die Bestim
mung einer bestimmten Winkelposition der Kodierscheibe erfolgt dadurch, daß für
jede Winkelposition in radialer Richtung unterschiedliche Abschnitten von licht
durchlässigen und lichtundurchlässigen Bereichen auf der Kodierscheibe derart
vorgesehen sind, daß ein bestimmtes solches Muster in radialer Richtung nur
einmal vorkommt. So kann aus der Detektion eines solchen Musters auf eine be
stimmte Winkelposition der Kodierscheibe geschlossen werden. Dies ist jedoch
äußerst Aufwendig, insbesondere bzgl. der Herstellung der Kodierscheibe.
Die Druckschrift US 5 418 362 betrifft eine Codiervorrichtung mit einer Codier
scheibe zum Erfassen deren Absolutposition. Hierbei handelt es sich um einen
"Graustufen-Codierer", der auf der Codierscheibe verschiedene Positionen mit in
radialer Richtung verschiedenen Graustufen codiert. Eine derartige Codiervor
richtung ist jedoch aufwendig, da sie für jede einzelne Position der Codierscheibe
einen entsprechenden Graucode in radialer Richtung benötigt. Ferner ist die Ge
nauigkeit der Winkelbestimmung immer nur so gut, wie die kleinsten Graustufen
abschnitte in Umfangsrichtung schmal sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes optisches Abtastsy
stem der o. g. Art zur Verfügung zu stellen, welches die o. g. Nachteile überwindet.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten
Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den weiteren
Ansprüchen.
Die Erfindung erbringt den Vorteil, daß das optische Abtastsystem zur Identifikati
on verschiedener Positionen des optischen Elements Positionierlöcher verwendet,
wobei eine vorbestimmte Anzahl von entsprechenden Kodierlöchern dem erfaßten
Positionierloch zugeordnet sind, die klar und gleichzeitig von dem zweiten Licht
detektor derart erfaßt werden, daß das Kodiersignal durch die Steuerschaltung
gemäß dem Ausgang des zweiten Lichtdetektors genau erzeugt werden kann.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein bekanntes optisches Abtastsystem in Seitenansicht und
Fig. 2 in Vorderansicht,
Fig. 3 ein Zeitdiagramm von Ausgangssignalen, welche von einem Lichtdetek
tor des optischen Abtastsystems gemäß Fig. 1 erzeugt werden,
Fig. 4 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen optischen Abtastsystems,
Fig. 5 eine Vorderansicht eines optischen Elements des Abtastsystems von
Fig. 4,
Fig. 6 ein Blockdiagramm des optischen Abtastsystems von Fig. 4 und
Fig. 7 ein Zeitdiagramm von Ausgangssignalen, welche von dem Lichtdetektor
des optischen Abtastsystems gemäß Fig. 4 erzeugt werden.
Fig. 4 zeigt in einer Seitenansicht das erfindungsgemäße optische Abtastsystem
30. Fig. 5 ist eine Vorderansicht eines optischen Elements bzw. einer optischen
Platte 34 gemäß Fig. 4. Fig. 6 ist ein Blockdiagramm des optischen Abtastsystems
60 von Fig. 4. Das optische Abtastsystem 30 umfaßt einen Träger 32, ein radför
miges optisches Element 34, welches drehbar auf dem Träger 32 angeordnet ist,
eine Abtastvorrichtung 36, welche neben dem optischen Element 34 zum Erfassen
von Rotationen des optischen Elementes 34 auf dem Träger 32 angeordnet ist,
und eine Steuerschaltung 56, welche mit der Abtastvorrichtung 36 verbunden ist.
Das optische Element 34 umfaßt eine radförmige Platte oder Scheibe 50 und eine
Achse 52, welche rechtwinklig zum Mittelpunkt der radförmigen Scheibe 50 ange
ordnet ist. Die Achse 52 des optischen Elementes 34 ist drehbar auf dem Träger
32 befestigt. Das optische Element 34 umfaßt ferner mehrere Kodierlöcher 45, 46
und Positionierlöcher 47, 48, welche kreisförmig um den Umfang des optischen
Elementes 34 herum angeordnet sind. Die Positionierlöcher 48 sind kreisförmig
entlang einer äußeren Spur des optischen Elements 34 vorgesehen, und die Ko
dierlöcher 46 sind kreisförmig entlang dreier innerer Spuren des optischen Ele
mentes 34 angeordnet. Die Positionierlöcher 48 dienen zur Markierung verschie
dener Positionen des optischen Elements 34, und die Kodierlöcher 46 dienen zur
Identifikation jeder von einem Positionierloch 48 markierten Position.
Die Abtastvorrichtung 36 dient zum Erfassen von Bewegungen des optischen
Elements 34 relativ zur Abtastvorrichtung 36. Sie umfaßt eine gedruckte Schaltung
44, eine Lichtquelle 38, welche auf der gedruckten Schaltung 44 zum Aussenden
von Licht in Richtung optischem Element 34 angeordnet ist, und eine Lichtdetek
tor-anordnung 41, welche zum Empfang von Licht, welches von der Lichtquelle 38
ausgesendet wurde, auf der Schaltung 44 angeordnet ist. Die Lichtdetektoranord
nung 41 umfaßt einen ersten Lichtdetektor 40 zum Erfassen von Licht, welches
durch die Positionierlöcher 48 hindurch transmittiert wurde, und einen zweiten
Lichtdetektor 42 zum Erfassen von Licht, welches durch die Kodierlöcher 46 hin
durch transmittiert wurde, und erzeugt entsprechende Ausgangssignale zum An
zeigen jeweiliger erfaßter Kodierlöcher 46. Der erste Lichtdetektor 40 umfaßt ei
nen Sensor 37 zum Erfassen der Positionierlöcher 48 entlang der äußeren Spur
des optischen Elementes 34. Der zweite Lichtdetektor 42 umfaßt drei Sensoren
35a, 35b und 35c zum Erfassen der Kodierlöcher 46 entlang der drei inneren Spu
ren des optischen Elements 34.
Die Sensoren 35a, 35b, 35c und 37 der ersten und zweiten Lichtdetektoren 40, 42
sind linear in Durchmesserrichtung der radförmigen Platte 50 zum getrennten Er
fassen der Positionierlöcher 48 und Kodierlöcher 46 angeordnet. Jedes Positio
nierloch 48 und die entsprechenden Kodierlöcher 46 sind also linear in Durchmes
serrichtung der radförmigen Platte 50 angeordnet. Die relativen Positionen der
Positionierlöcher 48 und der Kodierlöcher 46 auf dem optischen Element 34 sind
entsprechend den Positionen der ersten und zweiten Lichtdetektoren 40 und 42
derart angeordnet, daß für jedes vom ersten Lichtdetektor 40 erfaßte Positionier
loch 48 eine vorbestimmte Anzahl entsprechender Kodierlöcher 46 des erfaßten
Positionierloches 48 gleichzeitig vom zweiten Lichtdetektor 42 erfaßt wird und die
von dem erfaßten Positionierloch 48 markierte Position gemäß dem Ausgang des
zweiten Lichtdetektors 42 gemäß dem entsprechenden Kodierloch 46 identifiziert
ist.
Zum Vermeiden von Störungen bzw. Signalzittern in den Ausgangssignalen des
zweiten Lichtdetektors 42 ist die Größe eines jeden Positionierloches 48 kleiner
ausgebildet als die Größe eines jeden Kodierloches 46, so daß jedesmal beim
Erfassen eines Positionierloches 48 durch den ersten Lichtdetektor 40 die drei
Sensoren 35a, 35b und 35c des zweiten Lichtdetektors 42 exakt an den Mittel
punkten der entsprechenden Kodierlöcher 46 derart angeordnet sind, daß alle
entsprechenden Kodierlöcher 46 deutlich und gleichzeitig von dem zweiten Licht
detektor 42 ohne jedes Zittern und ohne Störungen detektiert werden.
Die Steuerschaltung 56 dient zum Umsetzen des von dem zweiten Lichtdetektor
42 erzeugten Ausgangssignals in ein Kodiersignal, wenn ein Positionierloch 48
vom ersten Lichtdetektor 40 erfaßt wird. Wenn sich das optische Element 34
dreht, passieren die Positionierlöcher 48 nacheinander den ersten Lichtdetektor
40, und alle entsprechenden Kodierlöcher 46 jedes Positionierloches 48 werden
von der Steuerschaltung 46 in ein Kodiersignal umgewandelt. Das Kodiersignal
dient zur Identifikation der von dem erfaßten Positionierloch 48 markierten Positi
on.
Fig. 7 zeigt ein Zeitdiagramm von Ausgangssignalen, welche von der in Fig. 4 dar
gestellten Lichtdetektoranordnung 41 erzeugt wurden, wenn das Positionierloch
47 und seine entsprechenden Kodierlöcher 45 erfaßt werden. Die drei Sensoren
35a, 35b und 35c des zweiten Lichtdetektors 42 und der Sensor 37 des ersten
Lichtdetektors 40 erzeugen die vier entsprechenden Ausgangssignale 58, 60, 62
und 64. In der Zeit, während das Positionierloch 47 von dem ersten Lichtdetektor
40 erfaßt wird, erfassen die beiden Sensoren 35b und 35c des zweiten Lichtde
tektors 42 deutlich und gleichzeitig das entsprechende Kodierloch 45, ohne daß
Signalzittern oder Störungen erzeugt werden. Dies liegt daran, daß die Größe des
Positionierloches 47 kleiner ist als diejenige des entsprechenden Kodierloches 45,
so daß die vorderen und hinteren Kanten des Kodierloches 45 nicht zu einer In
terferenz mit dem durch das Kodierloch 45 transmittierten Licht führen, wenn das
Positionierloch 47 durch den zweiten Lichtdetektor 40 erfaßt wird.
Die Positionierlöcher 47 selbst können Signalzittern oder Störungen an den vorde
ren und hinteren Enden im Ausgangssignal 64 erzeugen, wenn das Positionierloch
47 vom ersten Lichtdetektor 40 erfaßt wird. Da jedoch alle Kodiersignale, welche
durch das Ausgangssignal 64 des Positionierloches 47 erzeugt werden können,
identisch sind, verursacht ein Zittern bzw. eine Störung auf dem Ausgangssignal
64 keinerlei Probleme bei der Identifikation der von dem Positionierloch 47 identifi
zierten Position.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein optisches Abtastsystem 30, welches
eine Mehrzahl von Positionierlöchern 47, 48 zur Identifikation von Positionen von
entsprechenden Kodierlöchern 46, 45 derart verwendet, daß ein Kodiersignal ge
mäß jedem detektierten Positionierloch 47, 48 und allen entsprechenden Kodierlö
chern 45, 46 genau erzeugt werden kann. Das optische Erfassungssystem 30
umfaßt ein optisches Element bzw. eine optische Platte 34 mit einer Mehrzahl von
Kodierlöchern 46 und Positionierlöchern 48, eine Abtastvorrichtung 36 zum Erfas
sen von Bewegungen des optischen Elementes 34 relativ zur Abtastvorrichtung 36
und eine Steuerschaltung 56, welche mit der Abtastvorrichtung 36 verbunden ist.
Die Abtastvorrichtung 36 umfaßt eine Lichtquelle 38 zum Aussenden von Licht
zum optischen Element 34, einen ersten Lichtdetektor 40 zum Erfassen des durch
die Positionierlöcher 48 transmittierten Lichtes und einen zweiten Lichtdetektor 42
zum Erfassen des durch die Kodierlöcher 46 transmittierten Lichtes. Die Steuer
schaltung 46 setzt einen Ausgang des zweiten Lichtdetektors 42 in ein Kodiersi
gnal um, wenn ein Positionierloch 47 von dem ersten Lichtdetektor 40 erfaßt wird.
Die relativen Positionen der Positionierlöcher 48 und der Kodierlöcher 46 auf dem
optischen Element 34 sind bezüglich der Positionen der ersten und zweiten Licht
detektoren 40 und 42 derart getroffen, daß bei Erfassen eines Positionierloches 48
durch den ersten Lichtdetektor 40 alle entsprechenden Kodierlöcher 46 des er
faßten Positionierloches 48 deutlich und gleichzeitig von dem zweiten Lichtdetek
tor 42 erfaßt werden.
Claims (5)
1. Optisches Abtastsystem, folgendes umfassend, ein optisches Element (34) mit
einer Mehrzahl von Kodierlöchern (45, 46) und Positionierlöchern (47, 48), eine
Abtastvorrichtung (36) zum Erfassen von Bewegungen des optischen
Elementes (34) relativ zur Abtastvorrichtung (36), wobei die Abtastvorrichtung
(36) eine Lichtquelle (38) zum Aussenden von Licht auf das optische Element
(34), einen ersten Lichtdetektor (40) zum Erfassen des durch die
Positionierlöcher (47, 48) transmittierten Lichtes und einen zweiten
Lichtdetektor (42) zum Erfassen des durch die Kodierlöcher (45, 46)
transmittierten Lichtes umfaßt und zum Anzeigen von entsprechend erfaßten
Kodierlöchern (45, 46) einen Ausgang erzeugt, und eine Steuerschaltung (56),
welche mit der Abtastvorrichtung (36) zum Umsetzen des Ausgangs des
zweiten Lichtdetektors (42) in ein Kodiersignal verbunden ist, wenn eines der
Positionierlöcher (47, 48) von dem ersten Lichtdetektor (40) erfaßt wird, wobei
die Relativpositionen der Positionierlöcher (47, 48) und der Kodierlöcher (45,
46) auf dem optischen Element (34) bezüglich der Positionen der beiden
Lichtdetektoren (40, 42) derart angeordnet sind, daß bei jedem Erfassen eines
Positionierloches (47, 48) durch den ersten Lichtdetektor (40) ein Erfassen
einer vorbestimmten Anzahl von entsprechenden Kodierlöchern (45, 46) des
entsprechend erfaßten Positionierloches (47, 48) deutlich und gleichzeitig durch
den zweiten Lichtdetektor (42) erfolgt und die Größe der Positionierlöcher (47,
48) kleiner ist als die Größe der Kodierlöcher (45, 46), so daß beim Erfassen
eines Positionierloches (47, 48) durch den ersten Lichtdetektor (40) alle
entsprechenden Kodierlöcher (45, 46) des erfaßten Positionierloches (47, 48)
gleichzeitig von dem zweiten Lichtdetektor (42) erfaßbar sind.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Träger (32)
vorgesehen ist, wobei das optische Element (34) drehbar auf dem Träger (32)
angeordnet ist und die Abtastvorrichtung (36) auf dem Träger (32) neben dem
optischen Element (34) zum Erfassen von Rotationen desselben, vorgesehen
ist.
3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element
(34) eine radförmige Platte (50) und eine Achse (52) rechtwinklig zu einem
Mittelpunkt der Platte (50) umfaßt, wobei die Achse (52) des optischen
Elementes (34) drehbar auf dem Träger (32) befestigt ist.
4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionierlöcher
(47, 48) und die Kodierlöcher (45, 46) kreisförmig um den Umfang der Platte
(50) herum angeordnet sind.
5. System nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und
zweiten Lichtdetektoren (40, 42) in Durchmesserrichtung der radförmigen
Platte (50) zum Erfassen der Positionierlöcher (47, 48) und der Kodierlöcher
(45, 46) angeordnet sind.
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