DE69207941T2

DE69207941T2 - Optischer Enkoder mit verbessertem Index

Info

Publication number: DE69207941T2
Application number: DE69207941T
Authority: DE
Inventors: Akihiro Machida
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 1991-04-17
Filing date: 1992-04-16
Publication date: 1996-06-05
Anticipated expiration: 2012-04-17
Also published as: JPH05141987A; US5148020A; EP0509828A3; DE69207941D1; EP0509828B1; EP0509828A2; JP3366347B2

Description

Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Positions-Sensoren oder -Codierer, beispielsweise optische Wellenwinkelcodierer, die diskrete elektrische Signale erzeugen, die die Winkelposition einer Welle anzeigen. Insbesondere verbessert die vorliegende Erfindung die Erzeugung eines Indexpulses oder eines Indexortes mit einem folgerichtigen logischen Pegel ungeachtet der Drehrichtung der Welle.
Optische Inkremental-Bewegungscodierer werden verwendet, um die Position und die Bewegung eines Objekts entlang eines speziellen Wegs aufzulösen. Derartige Codierer weisen im allgemeinen eine Lichtquelle zum Emittieren eines Lichtstrahls, eine Lichtmodulationseinrichtung zum Modulieren des Lichtstrahls als Reaktion auf die Bewegung des Objekts entlang des Wegs und eine Erfassungseinrichtung zum Empfangen des modulierten Lichts und zum Erzeugen diskreter elektrischer Signale, die die Erfassung des Lichts durch die Detektoren darstellen, auf. Wenn das Licht als Reaktion auf die Bewegung des Objekts moduliert wird, erzeugt der Strom elektrischer Signale von der Detektoranordnung einen kontinuierlichen Signalverlauf, der gewöhnlich einer Rechteckwelle gleicht. Die Position des Objekts entlang seines Wegs bestimmt die Position jedes Signals in dem Signalverlauf. Die Phase des Signalverlaufs unterscheidet sich abhängig vom Ort des Objekts. Folglich können Signale von den Detektoren verwendet werden, um eine Änderung des Orts des Objekts entlang des Wegs anzuzeigen. Zwei oder mehr phasenverschobene Signale von getrennten Detektoren können verwendet werden, um sowohl eine Änderung des Orts als auch eine Änderung der Richtung der Bewegung zu erfassen.
Bei einem Inkremental-Bewegungscodierer wird, um die absolute Position oder den Ort des Objekts entlang seines Wegs anzuzeigen, ein Indexpuls zumindest einmal entlang des Wegs erzeugt. Die inkrementalen Signale können verwendet werden, um eine inkrementale Bewegung ab dem Indexpuls zu zählen. Wenn die Position des Objekts zu der Zeit bekannt ist, zu der der Indexpuls erzeugt wird, kann die absolute Position des Objekts an einem beliebigen Ort entlang der Route bestimmt werden.
Daher benötigt ein Inkrementalcodierer gewöhnlich drei Informationskanäle, um eine Anzeige der absoluten Position, der Ortsänderung und der Richtung der Bewegung zu liefern. Zwei Kanäle werden aus zwei oder mehr phasenverschobenen Codierersignalen hergeleitet, die über den gesamten Weg des Objekts erzeugt werden, während der dritte ein Indexsignal ist, das zumindest einmal entlang des Wegs an einer bekannten Position des Objekts erzeugt wird.
Bei einem typischen Ausführungsbeispiel wird ein derartiger Positionscodierer oder Bewegungsdetektor verwendet, um die Winkelposition einer Welle zu messen. Abhängig von der Verwendung eines derartigen Wellenwinkelcodierers, kann ein hoher Grad an Auflösung und Genauigkeit erforderlich sein; beispielsweise kann bei Anwendungen der Messung eines Kraftfahrzeug-Kurbelwellenwinkels eine Auflösung von 2000 Inkrementen pro Umdrehung der Welle notwendig sein. Die Genauigkeit der Korrelation zwischen dem Signal von dem Codierer und der tatsächlichen mechanischen Position der Welle ist ebenfalls wichtig. Mechanische Ausrichtungsunstimmigkeiten können ebenso wie elektrisches Rauschen aufgrund der sehr kleinen Abmessungen des Coderads, der durchlässigen Abschnitte und der nicht-durchlässigen Abschnitte die Genauigkeit negativ beeinflussen.
Um den Indexpuls exakt zu erfassen, kann eine elektronische Gegentakt-Anordnung verwendet werden, um den Ort des Indexpulses zu bestimmen. Bei einer solchen Anordnung sind zwei Photodetektoren lateral nebeneinander in einer vertikalen Ausrichtung mit einer Lichtquelle angeordnet; ein kreisförmiges Speichencoderad, das an der Welle befestigt ist, trennt die Lichtquelle und die Detektoren. Wenn einer der Detektoren beleuchtet wird, wird ein logisches Signal eines Sinnes, beispielsweise Eins, erzeugt. Wenn eine Speiche auf dem Coderad die Beleuchtung verdunkelt, wird das entgegengesetzte logische Signal erzeugt, beispielsweise eine logische Null. Wenn das Indexfenster an den Detektoren vorbeiläuft, wird ein Detektor eine logische Eins einer langen Dauer erzeugen, der einen Moment später eine logische Eins von dem zweiten Detektor folgt. Die Richtung der Bewegung des Coderads kann bestimmt werden, indem erfaßt wird, welcher Detektor zuerst eine logische Eins einer langen Dauer erzeugt.
Ein weiteres erwünschtes Merkmal von Coderadcodierern besteht darin, den Indexort ungeachtet der Drehrichtung des Coderades oder der Welle zu bestimmen. Da sich Coderäder normalerweise sowohl im als auch gegen den Uhrzeigersinn drehen können, ist es erwünscht, daß die Codierervorrichtung eine Indexpulsausgabe mit einem folgerichtigen logischen Pegel ungeachtet der Drehrichtung erzeugt. Bei herkömmlichen Coderadcodierern, die eine Gegentakt-Optik und -Elektronik unter Verwendung zweier benachbarter Lichtquellen und zweier benachbarter Detektoren verwenden, unterscheidet sich der logische Wert des Indexpulses abhängig von der Drehrichtung. Wenn sich das Rad im Uhrzeigersinn dreht, erzeugen folglich herkömmliche Schaltungen einen Indexpuls eines niedrigen logischen Werts, während, wenn sich das Coderad gegen den Uhrzeigersinn dreht, die herkömmliche Schaltung einen Indexpuls eines hohen logischen Wertes erzeugt. Dieses Merkmal ist unerwünscht, da der Schaltungsaufbau, der den Indexpuls empfängt, sowohl für hohe als auch für niedrige logische Werte angepaßt sein muß. Eine derartige Anpassung erfordert üblicherweise eine zusätzliche unerwünschte Hardware.
Die US-A-4,782,229 offenbart ein photoelektrisches Meßsystem, das eine Mehrzahl von Photodetektoren aufweist, die benachbart zueinander angeordnet und entworfen sind, um die Harmonischen in den Ausgangssignalen zu reduzieren, und das breitere Photodetektoren aufweist, die zwischen der Mehrzahl der schmalen Photodetektoren angeordnet sind.
Folglich ist es erwünscht, eine optische Codierervorrichtung zu schaffen, die einen Indexpuls erzeugt, der ungeachtet der Drehrichtung des Coderades den gleichen logischen Wert aufweist. Vorzugsweise wird dies durch das Modifizieren des Photoaufnehmers oder der Photodetektoranordnung, und nicht durch eine Änderung der externen Hardware, und die Verwendung eines herkömmlichen Gegentaktcodierers erreicht.
Gemäß der Erfindung wird ein Positionscodierer gemäß Anspruch 1 geschaffen.
Vorzugsweise besitzt ein Detektor eine Einheitsbreite, während die anderen zwei Detektoren jeweils die halbe Einheitsbreite aufweisen.
Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel weist die Lichtunterbrechungseinrichtung ein bewegliches Codebauglied auf, das zwischen der Beleuchtungsquelle und den Photodetektoren befestigt ist, um bei einer Bewegung die Beleuchtung der Quelle abwechselnd durchzulassen oder zu blockieren. Das Codebauglied weist ferner eine Einrichtung zum Indizieren des Codebauglieds auf. Der zweite und der dritte Photodetektor sind vorzugsweise angeordnet, um durch eine Speiche verdunkelt zu sein, wenn der erste Photodetektor durch die Lichtquelle beleuchtet ist. Jeder Photodetektor kann als Reaktion auf die Erfassung von Licht oder das Fehlen von Licht einen logischen Wert erzeugen.
Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel weist das Codebauglied ein Coderad mit einer sich um den Umfang erstreckenden Spur auf, welche eine Mehrzahl sich abwechselnder Fenster und Speichen aufweist, um bei der Bewegung des Coderads das Licht der Beleuchtungseinrichtung abwechselnd durchzulassen oder zu blockieren. Jedes Fenster und jede Speiche weist eine Einheitsbreite auf. Die Einrichtung zum Indizieren des Coderads weist ein Indexfenster mit einer dreifachen Einheitsbreite auf der Spur auf. Das Indexfenster ist tatsächlich durch Entfernen einer Speiche zwischen zwei benachbarten Fenstern gebildet. Der Codierer weist vorzugsweise eine Schaltung zum Verarbeiten der Photodetektor-Ausgangssignale auf. Die Schaltung weist eine Pufferschaltung auf, um die Ausgangssignale zu verarbeiten, welche einen ersten Eingang aufweist, der mit den Ausgängen des zweiten und des dritten Photodetektors verbunden ist, und einen zweiten Eingang, der mit dem Ausgang des ersten Photodetektors verbunden ist.
Die Verwendung der Erfindung beseitigt den Bedarf, bei einem Endverbraucherprodukt einen zusätzlichen Schaltungsaufbau aufzunehmen, um die Richtung des Coderads zu erfassen und den logischen Pegel des Indexpulses abhängig von der Drehrichtung des Coderads zu invertieren. Dies hat ein vereinfachtes Produkt zur Folge, das mit geringeren Kosten hergestellt werden kann. Anwendungen für diese Technik schließen die Kraftfahrzeugausrüstung-Positionserfassung, Photokopierer und andere industrielle Lichtgeräte ein.
Die oben genannten Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der Betrachtung der folgenden detaillierten Beschreibung bestimmter bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen offensichtlicher. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Vorderansicht einer exemplarischen Coderadanordnung;
Fig. 2 eine partielle Ansicht der Oberfläche des Coderads von Fig. 1;
Fig. 3 eine partielle Schnittansicht der Lichtquelle und der Aufnahmevorrichtung von Fig. 1;
Fig. 4 eine vergrößerte partielle Ansicht des Coderads und der Aufnahmevorrichtung von Fig. 1;
Fig. 5a einen partiellen schematischen Querschnitt einer bekannten Coderad- und Detektor-Anordnung;
Fig. 5b eine schematische Darstellung des Coderads von Fig. 5a und der Signalverlaufausgabe durch die Vorrichtung von Fig. 5a;
Fig. 6a einen schematischen Querschnitt einer zweiten bekannten Codierervorrichtung;
Fig. 6b ein schematisches Diagramm der Ausgangshardware der Vorrichtung von Fig. 6a;
Fig. 6c einen schematischen Querschnitt der Vorrichtung von Fig. 6a beim Betrieb in eine erste Drehrichtung;
Fig. 6d einen schematischen Querschnitt der Vorrichtung von Fig. 6a beim Betrieb in eine zweite Drehrichtung;
Fig. 7 eine Seitenansicht der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung und eines entsprechenden Ausgangssignalverlaufs;
Fig. 8a und 8b Draufsichten zweier Ausführungsbeispiele des Detektors von Fig. 7; und
Fig. 9a, 9b, 9c, 9d schematische Darstellungen der Ausgangssignalverläufe der Detektoren der Fig. 8a und 8b.
Ein optischer Codierer, der brauchbar ist, um die vorliegende Erfindung zu verstehen, ist in dem U.S.-Patent Nr. 4.691,101 (Leonard) beschrieben. Weitere Wellenwinkelcodierer sind beispielsweise in den U.S.-Patenten Nr. 4,259,570; 4,266,125; 4,451,731 und 4,691,101 beschrieben. Die Figuren 1 bis 4 hierin beziehen sich meist speziell auf das Leonard-Patent und den in demselben behandelten Gegenstand. Fig. 4 ist eine Darstellung des Stands der Technik, wie er in dem Leonard-Patent offenbart ist.
In den Fig. 1 bis 3 liefert ein Codierermodul 1 einen parallel ausgerichteten Lichtstrahl und weist Lichtdetektoren 7 auf, um den Lichtstrahl nach der Modulation durch ein Coderad 3 zu empfangen. Eine Licht-emittierende Diode (LED) 9 liefert Licht mit einer bevorzugten Wellenlänge von näherungsweise 700 Nanometern; jedoch kann eine beliebige Frequenz der elektromagnetischen Strahlung mit einer Wellenlänge, die wesentlich kürzer als die relevanten Abmessungen des Codierers ist, verwendet werden. Beispielsweise wird häufig Infrarot-Licht verwendet. Eine Emitter-Linse 11 ist positioniert, um das Licht von der LED 9 zu übertragen.
Das Coderad 3 der Fig. 1 und 2 ist konzentrisch auf einer Welle 5 befestigt, um sich mit der Welle zu drehen und den Lichtstrahl mit einer optischen Spur 17 zu modulieren. Die Spur 17 weist abwechselnd Licht-durchlässige Abschnitte oder Fenster 13 und Licht-undurchlässige Abschnitte oder Speichen 15 einer Einheitsbreite, die gleich der Breite eines Fensters ist, auf. Ein durchlässiger Abschnitt und ein undurchlässiger Abschnitt bilden einen Abstand des Coderads. Wenn sich das Rad dreht, blockieren die abwechselnden Abschnitte 13, 15 Licht von der LED oder lassen dasselbe durch, wodurch beleuchtendes oder blockiertes Licht zu den Photodetektoren geleitet wird.
Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel weist das Coderad 500 durchlässige Abschnitte und eine gleiche Anzahl von undurchlässigen Abschnitten auf. Diese Abschnitte sind trapezförmig, da dieselben unmittelbar benachbart zueinander auf einer kreisförmigen Spur angeordnet sind. Eine beispielhafte nominelle Breite jedes durchlässigen Abschnitts ist 62 Mikrometer. Die radiale Länge jedes Abschnitts beträgt 700 Mikrometer. Das Coderad besteht vorzugsweise aus einem dauerhaften, optisch lichtundurchlässigen Material, wie z.B. rostfreiem Stahl, und besitzt einen Durchmesser von näherungsweise 22 mm. Die durchlässigen Abschnitte können Löcher sein, die maskiert und durch die Scheibe geätzt wurden.
Bei einem Ausführungsbeispiel, das bei Leonard dargestellt und hierin in Fig. 4 reproduziert ist, sind mehrere Gruppen von vier Lichtdetektoren 7a bis 7d vorgesehen. Eine Gruppe von vier Lichtdetektoren 7 besitzt näherungsweise die gleiche Größe und Form eines durchlässigen Abschnitts und eines undurchlässigen Abschnitts des Coderads. Die einzelnen Detektoren 7a bis 7b sind trapezförmig mit einer exemplarischen maximalen Breite von 48 Mikrometern und einer minimalen Breite von näherungsweise 45 Mikrometern, wobei ein Zwischenraum von etwa 8 Mikrometern zwischen den einzelnen Lichtdetektoren existiert. Die Lichtdetektoren weisen vorzugsweise Photodioden auf, die unter Verwendung von herkömmlicher Bipolar-Halbleiter-Technologie hergestellt sind. Wie in Fig. 4 dargestellt ist, ist eine Gruppe von Lichtdetektoren in einem eindimensionalen Array so nahe beieinander, wie es die Bipolar-Halbleiter-Technologie ermöglicht, angeordnet. Blinde Photodioden 10 und 12 (dummy photodiodes) sind an jedem Ende des Arrays angeordnet, um die Wirkung von Streulicht auf die funktionsfähigen Lichtdetektoren 7a bis 7d zu minimieren. Bei einem Wellenwinkelcodierer sind die Photodioden in einem Bogen angeordnet, der den gleichen Radius wie die Codespur auf dem Coderad aufweist.
Unter Verwendung einer solchen Anordnung von vier Lichtdetektoren werden vier Ausgangssignale mit der gleichen Signalverlaufform erzeugt, die voneinander elektrisch jedoch um Vielfache von 90 Grad versetzt sind. Diese vier um 90 Grad phasenverschobenen Signale werden verglichen, um den Betrag und die Richtung der Drehung des Coderads zu bestimmen. Bei einem Ausführungsbeispiel, das in dem Leonard-Patent genannt ist, gibt es mehrere Gruppen von vier Lichtdetektoren. Die Signale von den Detektoren "A" in den Gruppen werden kombiniert; in gleicher Weise werden Signale von den Detektoren "B" summiert, usw.. Durch die Verwendung mehrerer Detektorgruppen wird eine größere Detektorfläche beleuchtet, wodurch eine größere Signalstärke geliefert wird, während eine hohe Auflösung beibehalten wird. Ungeachtet der Anzahl von Gruppen gibt es vier Signale und zwei Informationskanäle.
Die Erzeugung eines Indexpulses von einem Coderad mit einer einzelnen Spur wird unter Verwendung dieser bekannten Vorrichtung ohne weiteres erreicht, indem Photounterbrecher oder magnetische Sensoren verwendet werden, ist jedoch unter Verwendung eines Gegentakt-Schaltungsaufbaus schwierig. Speziell wenn ein Coderad mit einer einzelnen Spur mit einem Paar von Sensoren, die unter Verwendung einer Gegentaktelektronik gekoppelt sind, verwendet wird, besitzt der erzeugte Indexpuls einen logischen Pegel, der sich unterscheidet, wenn die Drehrichtung sich unterscheidet.
Eine bekannte Technik zum Erfassen der Indexposition eines Coderads mit einer einzelnen Spur besteht beispielsweise darin, die Vorrichtung von Fig. 5a zu verwenden, die Ausgangssignalverläufe erzeugt, die in Fig. 5b gezeigt sind. Fig. 5b umfaßt eine Darstellung eines Segments eines Coderads als einen flachen Streifen mit abwechselnden benachbarten Fenstern und Speichen, die jeweils eine Einheitsbreite aufweisen. Jedes Paar eines Fensters und einer Speiche stellt einen Zeitgebungszyklus der Länge 20, die auch die Länge T genannt wird, dar. Ein Indexfenster 19 mit einer Breite von drei Einheiten ist in dem Rad vorgesehen. Über dem Rad ist eine Lichtquelle befestigt, die ein Paar von LEDS 26a, 26b aufweist, die in einem Gehäuse 28 befestigt sein können. Unter dem Rad befindet sich ein Paar von Photodioden 30a, 30b in einem gemeinsamen Gehäuse 32. Eine LED 26a ist mit einer Photodiode 30a vertikal ausgerichtet, während die andere LED 26b mit der anderen Photodiode 30b vertikal ausgerichtet ist.
Die erste LED 26a und die Photodiode 30a sind jedoch lateral bezüglich der zweiten LED 26b und der Photodiode 30b um einen Abstand 22 versetzt, der gleich dem Abstand T geteilt durch 4 ist. Die Vorrichtung von Fig. 5B schafft dadurch eine Zwei-Kanal-Anordnung, bei der die erste Photodiode 30a einen Datenkanal mit einer Signalverlaufausgabe 23a erzeugt, und die zweite Photodiode 30b einen zweiten Datenkanal mit einer Signalverlaufausgabe 23b erzeugt. Der Signalverlauf 23b ist aufgrund der lateralen Trennung der Photodioden 30a, 30b bezüglich des Signalverlaufs 23a elektrisch um 90 Grad phasenverschoben. Ein Indexpuls 24 mit niedrigem Pegel wird erzeugt, wenn das Rad vor den Photodioden vorbeiläuft.
Folglich kann die Drehrichtung des Rads bestimmt werden, indem erfaßt wird, welche Photodiode zuerst einen niedrigen Puls 24 erzeugt, da in der einen Richtung das Indexfenster des Rads zuerst an der Photodiode 30a vorbeiläuft, während in der anderen Richtung zuerst die Photodiode 30b auf das Indexfenster 19 trifft.
Ein Gegentakt-Schaltungsaufbau kann der Vorrichtung von Fig. lb hinzugefügt sein, was die Vorrichtung von Fig. 6a, 6b zur Folge hat. Bei dieser Anordnung ist das Coderad nicht modifiziert, jedoch sind die LEDS 60a, 60b jeweils über einem Fenster oder einer Speiche ausgerichtet, getrennt durch einen Abstand 64, der gleich T geteilt durch 2 ist. Die Photodioden 62a, 62b sind in gleicher Weise um einen Abstand 64 versetzt, wobei jede getrennte Ausgangspulse erzeugt, die elektrisch zu Eingangsleitungen 66a, 66b einer Pufferschaltung gekoppelt werden; diese Ausgangspulse weisen einen entgegengesetzten logischen Pegel auf. Das heißt, daß, wenn ein Fenster an den Photodioden vorbeiläuft, durch die Photodiode 62a ein niedriges Signal erzeugt wird, während durch die Photodiode 62b ein hoher Puls erzeugt wird. Ein Operationsverstärker 68 kombiniert diese Signale auf einer einzelnen Ausgangs leitung 69.
Die Fig. 6c und 6d zeigen die Bewegungsrichtung des Rads und die entsprechenden Ausgangssignale von der Vorrichtung der Fig. 6a, 6b. Das Rad schließt eine Indexposition 70 ein. In Fig. 6c bewegt sich das Rad nach rechts in die Richtung des Pfeils 72. Da das Indexfenster zuerst an der Photodiode 62a vorbeiläuft, leitet die Photodiode 62a kontinuierlich, während das Indexfenster über derselben liegt, wodurch ein langer Indexpuls 76 eines hohen Pegels erzeugt wird. Im Gegensatz dazu bewegt sich in Fig. 6d das Rad nach links in die Richtung des Pfeils 73. Daher trifft zuerst die Photo diode 62b auf das Fenster, was die Erzeugung eines Indexpulses 80 eines tiefen Pegels zur Folge hat.
Diese Unstimmigkeit des logischen Pegels der Pulse 76 und 80 ist ein spezifisches Problem, dem durch diese Erfindung begegnet wird. Um einen Indexpuls mit einem logischen Pegel zu erzeugen, der nicht durch die Bewegungsrichtung des Coderads beeinflußt ist, wird die Vorrichtung von Fig. 7 verwendet, welche ein Coderad 103, eine LED-Anordnung oder Beleuchtungseinrichtung 100 und eine Photodetektor-Anordnung oder Photodetektor-Einrichtung 108 aufweist.
Das Coderad 3 weist ein Indexfenster 116 auf, das durch Entfernen einer Speiche 115 von dem Rad 103 gebildet ist, was die Erzeugung eines Fensters 116 mit einer Länge 118 von drei Einheiten zur Folge hat.
Die LED-Anordnung 100 ist vorzugsweise in einem einzelnen Gehäuse 100' mit einer Länge 101 von zwei Einheiten, das heißt weniger als die Länge 118, befestigt. Die LED-Anordnung weist eine erste LED 102, eine zweite LED 104 und eine dritte LED 106 auf, obwohl eine einzelne LED mit einer vertikal parallel ausgerichteten Linse verwendet werden kann. Eine parallel ausgerichtete Linse ist erforderlich, um sicherzustellen, daß Licht gerade zu der Photodetektoranordnung 108 geleitet wird.
Die Photodetektoranordnung 108 ist in gleicher Weise vorzugsweise in ein einzelnes Gehäuse 109 mit einer Länge 101 von zwei Einheiten gekapselt. Das Gehäuse kann eine einzelne integrierte Schaltung aufweisen. Die Photodetektoranordnung weist einen ersten Photodetektor 110, einen zweiten Photodetektor 112 und einen dritten Photodetektor 114 auf. Der erste Photodetektor 110 besitzt eine Einheitsbreite und ist zwischen den anderen zwei Photodetektoren 112 und 114 positioniert, die jeweils mit einer Breite einer halben Einheit hergestellt sind. Folglich beträgt die kombinierte Breite der drei Photodetektoren zwei Einheiten. Die Länge 118 des Indexfensters ist die eineinhalbfache Länge der LED- und Photodetektor-Anordnungen.
Wie in Fig. 8b gezeigt ist, kann die Photodetektoranordnung in der Form einer einzelnen integrierten Schaltung aufgebaut sein, die einen flachen, allgemein rechteckigen Körper 128 aufweist, welcher in vier getrennte Photodetektoren 110a, hob, 112, 114 geteilt ist, die jeweils die Breite einer halben Einheit aufweisen. Um zu ermöglichen, daß die vier Photodetektoren als drei Photodetektoren arbeiten, sind die mittleren Photodetektoren 110a und hob miteinander verdrahtet, um eine einzelne Ausgangsleitung 132 zu erzeugen. Folglich bilden diese zwei mittleren Photodetektoren 110a, hob ein mittleres Photodetektorfeld der Breite einer Einheit. Die Photodetektoren 112, 114 sind jeweils eine halbe Einheit breit. Das äußere Paar von Photodetektoren ist ebenfalls durch eine einzelne Ausgangsleitung 134 miteinander verbunden. Die Ausgangsleitungen 132, 134 von den Photodetektoren sind mit einer Pufferschaltung 136 auf eine bekannte Art und Weise verbunden, welche eine einzelne Ausgabe auf einer Leitung 138 erzeugt.
Alternativ kann, wie in Fig. 8a gezeigt ist, eine herkömmliche Zwei-Element-Gegentakt-Photodetektoranordnung 108' unter Verwendung eines ersten Photodetektors mit Photodetektorfeldem 129a, 129b und einen zweiten benachbarten Photodetektor, der Detektorfelder 129c, 129 aufweist, aufgebaut werden. Jedes Feld 129a bis 129d weist die Breite einer halben Einheit auf. Die Gesamtbreite der Photodetektoranordnung beträgt zwei Einheiten. Eine Ausgabe wird auf einer ersten Photodetektor-Ausgangsleitung 139a, die mit dem einen Paar von Photodetektoren 129a, 129b verbunden ist, und einer zweiten Ausgangsleitung 139b, die mit dem anderen Paar von Photodetektoren 129c, 129d verdrahtet ist, geliefert.
Unter Verwendung dieser Vorrichtung sind abhängig von der Photodetektoranordnung 108, 108' die verwendet ist, und der Drehrichtung des Rads vier verschiedene Ausgangssignalverläufe 140, 150, 160, 170 möglich; diese Signalverläufe 140, 150, 160 und 170 sind in den Fig. 9a bis 9d gezeigt.
Aufmerksamkeit sei der Fig. 9a geschenkt, die die Signalverlaufausgabe der Seite-an-Seite-Anordnung 108' von Fig. 8a zeigt, wenn sich das Rad im Uhrzeigersinn dreht. Dieser Signalverlauf 140 weist einen Indexpuls 142 eines niedrigen Pegels auf, der erzeugt wird, wenn das Indexfenster 118 an den Photodetektoren vorbeiläuft. Der Abstand zwischen der hinteren Flanke 144 des früheren Pulses und der vorderen Flanke 146 des nächsten Pulses beträgt näherungsweise dreimal die Einheitspulsbreite.
In Fig. 9b ist der Ausgangssignalverlauf 150 einer Drehung des Rads im Uhrzeigersinn an der zentrischen Photodetektoranordnung 108 von Fig. 8b vorbei gezeigt. Dieser Signalverlauf 150 weist einen Indexpuls 152 eines niedrigen Pegels auf, der von der hinteren Flanke 154 und der vorderen Flanke 156 benachbarter Pulse durch näherungsweise dreimal die Einheitspulsbreite getrennt ist.
Fig. 9c zeigt einen Ausgangsignalverlauf 160, der die Folge einer Drehung des Rads gegen den Uhrzeigersinn ist, wenn dasselbe mit der Seite-an-Seite-Anordnung verwendet ist. Dieser Signalverlauf 160 weist einen Indexpuls 162 eines hohen Pegels auf, der eine Gesamtlänge, gemessen von einem Startpunkt 164 zu einem Endpunkt 166, von näherungsweise dreimal der Einheitspulsbreite aufweist. Da sich jedoch die Drehrichtung bezüglich der Fig. 9a umgekehrt hat, besitzt der Puls einen hohen Pegel, und nicht einen tiefen Pegel, wie der Puls 142, wenn sich das Rad im Uhrzeigersinn dreht.
Fig. 9d zeigt einen Signalverlauf 170, der durch die Detektoranordnung 108 von Fig. 8b während einer Drehung des Rads gegen den Uhrzeigersinn erzeugt wird. Obwohl die Drehrichtung des Rads bezüglich Fig. 9b umgekehrt ist, bleibt der Indexpuls 172 auf einem tiefen Pegel, genauso wie der Puls 152, wenn sich das Rad im Uhrzeigersinn dreht. Der Puls 172, gemessen von einem Startpunkt 174 zu einem Endpunkt 176, besitzt eine Gesamtlänge von näherungsweise dreimal der Einheitspulsbreite.
Folglich zeigen die Ausgangssignalverläufe 150, 170, daß die Ausgabe der erfindungsgemäßen Vorrichtung ungeachtet der Drehrichtung des Coderads konsistent bleibt. Die Verwendung der Erfindung beseitigt den Bedarf danach, in einem Endverbraucherprodukt einen zusätzlichen Schaltungsaufbau aufzunehmen, um die Richtung des Coderads zu erfassen und den logischen Pegel des Indexpulses abhängig von der Drehrichtung des Coderads zu invertieren. Dies hat ein vereinfachtes Produkt zur Folge, das mit geringen Kosten hergestellt werden kann.
Wie es in der Technik bekannt ist, kann die Drehrichtung des Rads auf mehrere Arten bestimmt werden. Bei Anwendungen, bei denen ein einzelner Mikroprozessor die Richtung eines Motors steuert, der eine Welle dreht, auf der das Rad befestigt ist, wird der Mikroprozessor von Natur aus die Richtung der Drehung "kennen". Zweitens wird bei Anwendungen, bei der die Welle vollständig unabhängig von den Photodetektoren ist, beispielsweise Kraftfahrzeuganwendungen, in Verbindung mit der Erfindung ein zusätzlicher Gegentakt-Richtungsdetektor verwendet, beispielsweise der Detektor der Fig. 5a oder 6a. Dieser zusätzliche Richtungsdetektor kann die gleiche Beleuchtungsquelle verwenden wie der Indexdetektor der Erfindung. Der Richtungsdetektor kann ferner eine getrennte, nicht-indizierte Datenspur auf dem Coderad verwenden.
In der vorhergehenden Erörterung sind bestimmte spezifische technische Ausdrücke zu Zwecken der Klarheit verwendet; die Erfindung sollte jedoch nicht auf die gewählten spezifischen Ausdrücke begrenzt sein. Beispielsweise wird in der gesamten Anmeldung und in den Ansprüchen beschrieben, daß das Coderad "zwischen" der Lichtquelle und den Photodetektoren angeordnet ist. Der Ausdruck "zwischen" gilt jedoch auch für eine Anordnung, bei der sowohl die Lichtquelle als auch die Photodetektoren auf der gleichen Seite des Coderads angeordnet sind. Bei einer derartigen Anordnung kann das Coderad eine Festk:rperscheibe mit mehreren reflektierenden Regionen, die als Fenster dienen, zwischen denen lichtundurchlässige, nicht-reflektierende "Speichen" angeordnet sind, aufweisen, derart, daß Licht von der Lichtquelle von den reflektierenden Fenstern weg in die Photodetektoren reflektiert wird. Außerdem entspricht das hierin erläuterte Fenster der Breite von drei Einheiten funktionsmäßig einer fehlenden Speiche.

Claims

1. Ein Positionscodierer für eine drehbare Welle mit folgenden Merkmalen: einer Strahlungsquelle; einem ersten, einem zweiten und einem dritten Strahlungsdetektor (110, 112, 114), wobei der erste (110) breiter als die anderen zwei (112, 114) ist und zwischen denselben liegt; einer beweglichen Codeeinrichtung, die der Welle zugeordnet ist, zwischen den Quellen und den Detektoren, und die eine Folge regelmäßiger Strahlungsöffnungen (13), durch die Strahlung treten kann, und eine unregelmäßige Strahlungsöffnung (118) aufweist, die breiter als die regelmäßigen Öffnungen ist, um einen Indexpunkt zu bilden; und einer Ausgangsschaltung, die einen ersten Eingang, der sowohl mit dem zweiten als auch dem dritten Detektor gekoppelt ist, und einen zweiten Eingang, der mit dem dritten Detektor gekoppelt ist, aufweist, wobei die Kopplungen derart sind, daß sie an der Ausgangsschaltung das gleiche logische Ausgangsmuster ungeachtet der Bewegungsrichtung der Öffnungen über die Detektoren liefern.

2. Ein Positionscodierer gemäß Anspruch 1, bei dem die unregelmäßige Öffnung (118) dreimal so breit wie eine regelmäßige Öffnung (13) ist.

3. Ein Positionscodierer gemäß einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei dem die bewegliche Codeeinrichtung eine kreisformige Scheibe mit regelmäßigen, um den Umfang angeordneten Öffnungen und dazwischenliegenden Speichen der gleichen Einheitsbreite ist.

4. Ein Positionscodierer gemäß einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei dem der erste Detektor (110) doppelt so breit ist wie der zweite und der dritte Detektor (112, 114), welche eine gleiche Breite aufweisen.

5. Ein Positionscodierer gemäß einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei dem die Strahlungsquelle eine erste, eine zweite und eine dritte Quelle (102, 104, 106) aufweist, wobei die erste (102) breiter als die anderen beiden (104, 106) ist und zwischen denselben liegt.

6. Ein Positionscodierer gemäß einem der Ansprüche 3, 4 oder 5, bei dem der erste Detektor (110), die erste Quelle (102) und die regelmäßigen Öffnungen (13) alle die gleiche Einheitsbreite aufweisen.

7. Ein Positionscodierer gemäß einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, der eine Schaltungseinrichtung (136) zum Empfangen und Verarbeiten von Ausgangssignalen von den Detektoren aufweist, wobei die Schaltungseinrichtung eine Pufferschaltung aufweist, die verknüpfte Ausgaben des zweiten und des dritten Detektors an einem Eingang und die Ausgabe des ersten Detektors an ihrem anderen Eingang empfängt.

8. Ein Positionscodierer gemäß einem beliebigen vorhergehenden Anspruch, bei dem die Quellen und Detektoren Lichtemittierende Dioden bzw. Photodetektoren sind.