NL8202300A - Inrichting voor het bepalen van hoekverplaatsingen van een voorwerp. - Google Patents

Description

it * IBN 10.374 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven* "Inrichting voor het bepalen van hoekverplaatsingen van een voorwerp".

De uitvinding heeft betrekking qp een inrichting voor het bepalen van de verplaatsing van een voorwerp met behulp van een met het voorwerp mechanisch verbonden meetraster, welke inrichting bevat een stralingshron voor het belichten van het raster en een, een 5 rastervormig element bevattend, stralingsgevoelig detektiestelsel.

In het Amerikaanse octrooischrift 3.973.119 is een dergelijke inrichting beschreven waarin het detektiestelsel een multipele fotocel is bestaande uit een rij lijnvormige fotodiodes die na elkaar door een elektrische schakelaar met een elektronische schakelt ling verbonden worden die het in de fotodiodes opgewekte signal verwerkt. Zoals in genoemd octrooischrift beschreven is kan de verplaatsing van een voorwerp, bijvoorbeeld een onderdeel van een werktuig, gemeten worden door projektie van een eerste, met het voorwerp verbonden, raster op een referentieraster gevormd door een multipele 15 fotocel. Met behulp van de elektrische schakelaar wordt bereikt dat over het oppervlak van de multipele fotocel als het ware een referentieraster loopt. Daarmee is een dynamische detektie, vrijwel onafhankelijk van omgevingsinvloeden, mogelijk terwijl tevens de richting van de verplaatsing bepaald kan warden. De dynamische detektie wordt gereali-20 seerd zonder gebruik te maken van een apart referentieraster en van bewegende delen cm dit raster een eenparige beweging te geven, zodat de verplaatsingsopneirer eenvoudig van opbouw is en goed bestand tegen trillingen. De inrichting volgens het Amerikaanse octrooischrift 3.973.119 is gebleken in de praktijk zeer betrouwbaar en nauwkeurig 25 te zijn.

De lijnvormige fotodiodes en de tussenstroken van de multipele fotocel vonten een raster met parallelle rasterlijnen, hierna parallelraster genoemd. Een dergelijk raster is alleen geschikt voor het meten van lineaire verplaatsingen. Voor het meten van hoek-30 verplaatsingen van een voorwerp zou men dit voorwerp mechanisch willen koppelen aan een ronde schijf waarop een raster met radieel verlopende rasterlijnen, hierna radieel raster genoemd, is aangebracht. Bij het afbeelden van een radieel raster op de multipele fotocel kan 8232300 t * PHN 10.374 2 enerzijds een lijn van het radiële raster meerdere fotcdiodes gedeeltelijk bedekken, terwijl anderzijds gedeelten van de fotcdiodes niet belicht worden. De beweging van een dergelijk radieel raster kan derhalve niet nauwkeurig genoeg net een lineair raster gemeten worden.

5 De onderhavige uitvinding heeft ten doel de in de aanhef genoemde inrichting zodanig te wijzigen dat een nieuwe toepassing mogelijk wordt. De inrichting volgens de uitvinding vertoont als kenmerk, dat ter bepaling van hoekverplaatsingen van het voorwerp het meetraster gevormd wordt door op een ronde schijf aangebrachte 10 radieel verlopende rasterstroken en dat tussen het meetraster en het stralingsgevoelige detektiestelsel een optisch systeem dat twee regel-oppervlakken bevat aangebracht is.

De twee regeloppervlakken zorgen ervoor dat het radiële raster als een lineair raster op de multipele fotocel wordt af geheeld.

15 Onder een regeloppervlak wordt verstaan een oppervlak dat ontstaat door een rechte lijn (de beschrijvende) een bepaalde baan te laten beschrijven. Een dergelijk regeloppervlak is bijvoorbeeld een cylinder of een hyperboloïde of een kegel.

De inrichting kan pp verschillende wijzen uitgevoerd 20 zijn, al naargelang van een reflektie-raster of een transmissie-raster gebruik gemaakt wordt en van de positie van de multipele fotocel ten opzichte van de ronde schijf.

Een eerste stel voorkeurs-uitvoeringsvormen van de inrichting vertoont als verder kenmerk, dat de twee regeloppervlakken 25 warden gevormd door een stralingshoekend en een stralingsref lekterend oppervlak. Daarbij is bij voorkeur het stralingshoekend oppervlak een cylinderlens en het stralingsref lekterend oppervlak een kegel-vormige reflektor.

Een tweede stel uitvoeringsvormen van de inrichting 30 vertoont als kenmerk, dat de twee regeloppervlakken worden gevormd door stralingsreflekterende oppervlakken.

Het is ook mogelijk dat de twee regeloppervlakken gevormd warden door stralingsbrekende oppervlakken.

Bij voorkeur vormen de twee regeloppervlakken een konstruk- 35 tieve eenheid.

De uitvinding zal nu warden toegelicht aan de hand van de tekening, waarin: de Figuren 1a en 1b een zij-aanzicht, respektievelijk een bovenaanzicht, 8202300 lk>L. _____ . # i EHN 10.374 3 van een vocrkeursuitvoeringsvoou van de inrichting tonen, Figuur 2 een blokschema van een in de inrichting gebruikte schakeling laat zien, en de Figuren 3, 4, 5 en 6 andere uitvoeringsvormen van de inrichting in 5 zij-aanzicht weergeven.

In figuur 1a en figuur 1b is 1 een ronde schijf met middelpunt M die verbonden is net een, niet weergegeven, voorwerp waarvan de draaiing gemeten moet warden.. Op deze schijf bevindt zich een meetraster 2 bestaande uit een aantal equidistante reflekterende 10 stroken 3 die afwisselen met stralingsabsorberende stroken 4. Dit raster wordt belicht door een bundel 6 afkomstig van een stralingsbron 5, bijvoorbeeld een licht-emitterende diode (LED). De bron 5 is geplaatst in het brandvlak van een veldlens 7 die de bundel 6 evenwijdig maakt.

De door de veldlens tredende bundel wordt door een ref lèkterend element 15 9 naar het meetraster 2 gereflekteerd. De door dit raster gereflekteerde straling wordt via het element 9, de veldlens 7, een halfdoorlatende spiegel 12 en een objektief 13 op een multipele fotocel 14 geprojekfceerd.

Figuur 2 toont, in vooraanzicht, de multipele fotocel 14 alsmede een blokschema van de signaalverwerkingsschakeling. De fotocel 20 14 is opgebouwd uit een betrekkelijk groot aantal fotogevoelige elementen, zoals fotcdiodes, 15 die in een betrekkelijk klein aantal groepen verdeeld zijn. Elke groep bevat dus een betrekkelijk groot aantal fotcdiodes. Het aantal fotcdiodes per periode van het geprojek-teerde meetraster 2 moet enerzijds zo groot mogelijk zijn voor een zo 25 getrouw mogelijke elektrische weergave van het optische signaal.

Anderzijds moet een zo groot mogelijk deel van het meetraster 2, dat bijvoorbeeld 720 rasterperiodes over zijn hele ontrek bevat, af getast worden.

In een uitvoeringsvorm van de multipele fotocel bedroeg 30 het aantal fotcdiodes 220 en was de lengte van elke fotcdiode 1,8 mm.

De breedte van elke fotodiode bedroeg 10^um en de onderlinge afstand van de fotodiodes eveneens 10yUm. Het aantal fotcdiodes per periode van het meetraster 2 bedroeg 10 zodat bet gezichtsveld 22 rasterperiodes omvatte. Overeenkomstige fotodiodes van elk stel van 10 op elkaar 35 volgende fotodiodes waren met elkaar verbonden hetgeen betekent dat er 10 groepen van ieder 22 fotodiodes waren.

Een stilstaand raster met een zwart-wit verhouding 1:1 in bet oppervlak van de multipele fotocel 14 wordt gesimuleerd door 8202300 i * EHN 10.374 4 V « vijf opeenvolgende groepen van fotodiodes te aktiveren. Een lopend raster ontstaat wanneer de verzameling van vijf groepen steeds een groep verspringt.

In de in Fig. 2 blokschematisch weergegeven verwerkings-5 schakeling worden de in de klokirrpulsgenerator 20 opgewekte klok-iitpolsen 21 toegevoerd aan een deler 22 en een deler 23. De deler 22 levert impulsen 24 die in een ringteller 25 besturen. De multipele fotocel 14 wordt geaktiveerd door de ringteller 25 en produceert het meetsignaal 26. De deler 23 levert impulsen 27 (meestal van een 10 andere herhalingsfrequentie dan de stuur impulsen 24 uit de deler 22) die het referentiesignaal vormen. In de bufferteller 28 warden het meetsignaal 26 en de referentiepulsen 27 met elkaar vergeleken. De uitgangsimpulsen van de bufferteller 28 worden bijvoorbeeld aan een indikator toegevoerd.

15 De ringteller 25 aktiveert de opeenvolgende groepen van fotodiodes van de multipele fotocel 14, zodat als het ware een raster met konstante snelheid over het oppervlak van de fotocel 14 loopt.

De periode van dat raster is gelijk aan die van de projektie van bet meetraster 2 op de fotocel 14. Bij stilstand van het raster 2 ten qp-20 zichte van de fotocel 14 heeft het meetsignaal een kons tante frequentie.

. Beweegt de projektie van het mee traster zich in dezelfde richting als het schijnbare raster geaktiveerd door de ringteller 25, dan daalt de frequentie van het meetsignaal 26, terwijl bij beweging in tegengestelde richting de frequentie van het meetsignaal 26 stijgt. Richting 25 en grootte van de verplaatsing van het meetraster 2, en daarmee van de verplaatsing van het voorwerp, zijn zo te bepalen.

Binnen een gebied van één periode van het meetraster 2 kan de positie van de multipele fotocel 14 ten opzichte van het raster 2 op absolute wijze bepaald werden door het faseverschil tussen het 30 meetsignaal 26 en het terugstelsignaal. van -de ringteller 25 te meten.

De ringteller 25 moet namelijk bij iedere start van de metingen teruggesteld worden om te garanderen dat de teller 28 vanuit een gedefinieerde begintoestand begint te tellen.

De schakeling wordt evenwel eenvoudiger en betrouwbaarder 35 als de ringteller 25 na elke periode teruggesteld wordt. Het terugstelsignaal wordt door deling van de impulsen 24 in de deler 29 geproduceerd. De frequentie van de terugstelimpulsen wordt gelijk gekozen aan de nominale frequentie van het meetsignaal 26.

8202300 EHN 10.374 5 f i *·

Volgens de uitvinding zijn in de stralingsweg tussen bet ineetraster 2 en de veldlens 7 optische elementen aangebracht die er voor zorgen dat het radiële meetraster 2 als een parallel raster qp de multipele fotocel 14 wordt af geheeld. Deze elementen kunnen, 5 zoals de figuren 1a en 1b tonen, gevormd werden door een cylinderlens 10 en een reflektor 9 die een kegelvorm heeft. De werking van deze elementen kan het best worden verduidelijkt door het volgen van de door de bron 5 uitgezonden stralingsbundel 6.

Nadat deze bundel door de veldlens 7 in een evenwijdige 10 bundel omgezet is, bereikt hij de cylinderlens 10. Deze lens, die alleen in het vlak van tekening van fig. 1b een konvergerende werking heeft, zorgt ervoor dat stralen gelegen in een vlak evenwijdig aan de as aa' van de schijf 1 komen te liggen in een vlak door de as aa', zoals met de streeplijnen in fig. 1b is aangegeven. Vervolgens treft 15 de bundel het reflekterende kegelvormige oppervlak 9 waarvan de as samenvalt met de schijf as aa'. De stralen gelegen in een bepaald vlak door de schijf as aa' worden door het kegelvormige oppervlak 9 in hetzelfde vlak gereflekteerd. De halve- tophoek van de kegel is in het getekende voorbeeld 45° zodat de stralen over een hoek van 90° 20 gereflekteerd worden en loodrecht -cp de schijf 1 invallen. Deze stralen vermen samen een lijn die samenvalt met een strook van het meetras ter 2. Qp analoge wijze worden stralen gelegen in andere vlakken door de schijf as aa’ gericht qp andere stroken van het meetr as ter.

Zodoende wordt een segment van het ringvormige raster welk segment 25 bijvoorbeeld een lengte van 15 mm en een breedte van 5 mm heeft, belicht. De door het meetraster gereflekteerde stralingsbundel doorloopt de beschreven weg via de kegelvormige ref lektor 9 en de cylinderlens 10 in omgekeerde richting waarbij deze elementen er voor zorgen dat het radiële raster, via de veldlens 7, de halfdoorlatende spiegel 12 en het 30 objektief 13, als parallel raster wordt af geheeld qp de multipele fotocel 14.

De kegelvormige reflektor 9 en de cylinderlens 10 zijn bij voorkeur als één geïntegreerd element _8 uitgevoerd, zodat deze elementen niet afzonderlijk ten opzichte van de overige elementen van de inrichting 35 uitgericht behoeven te worden. Het element _8 kan mechanisch vast verbonden zijn met een behuizing 16 waarbinnen de bron 5, de deelspiegel 12, de veldlens 7, het objektief 13 en de fotocel 14 zijn aangebracht.

Ifet een gerealiseerde uitvoeringsvorm van de in fig. 1a 8202300 EHN 10.374 . 6 6 en 1b weergegeven inrichtingen, waarin het meetraster 720 raster-periodes bevatte, konden hoekverplaatsingen net een oplossend vermogen van ongeveer 1 boogsec. gemeten worden.

Cpgemerkt wordt dat de uitvinding niet beperkt is tot 5 het gebruik van een multipele fotocel als stralingsgevoelig detektie-stelsel. Het detektiestelsel kan ook bestaan, zoals in de figuren 4 en 5 is aangegeven, uit een parallelraster (31) met een daarachter geplaatste enkelvoudige detektor (32). Eventueel kan nog een lens (33) tussen het raster en de detektor aangebracht zijn cm zoveel mogelijk 10 van de door het raster tredende straling op de detektor te koncenteren.

In figuur 3 is een andere uitvoeringsvorm van een inrichting waarin een reflékterend en een brekend element worden gebruikt weergegeven. De door de bron 5 uitgezonden bundel wordt opgevangen | door een holle cilindrische spiegel 17 waarvan de beschrijvende i 15 evenwijdig is met de as aa' van de schijf 1. De door de spiegel 17 gereflekteerde stralen liggen in vlakken die door de as aa' gaan.

Het element 18 is een brekende kegel waarvan de as samenvalt met de as aa'. De kegel 18 zorgt ervoor dat alle stralen loodrecht op de schijf 1 invallen en gerangschikt zijn volgens lijnen die de richting 20 hebben van de stroken (3,4) van het meetraster (2).

In figuur 4 is een uitvoeringsvorm van een inrichting waarin de twee regeloppervlakken reflekterende oppervlakken zijn, in zij-aanzicht weergegeven. In deze uitvoeringsvorm is 17 een cylindriscbe spiegel waarvan de beschrijvende evenwijdig is met de as aa' van de 25 schijf 1. De cylindrische spiegel zorgt ervoor dat de opvallende stralen gericht worden naar de as aa', zoals de cylinderlens 10 in de figuren 1a en 1b. Het kegelvormig oppervlak 9 vervult dezelfde funktie als het oppervlak 9 in de figuren 1a en 1b.

In plaats van een reflekterend meetraster kan ook een 30 stralingsdoorlatend meetraster gebruikt worden. Fig. 5 toont een uitvoeringsvorm van een inrichting met een dergelijk raster. De stralings-bron 5 en de veldlens 7 zijn aan één kant, bijvoorbeeld de onderkant van de schijf 1 geplaatst en het reflekterende kegelvormige oppervlak 9, de cylinderlens 10, een tweede veldlens 30, het objektief 13 en het 35 detektiestelsel (31,32,33) aan de andere kant.

De in de inrichting volgens Fig. 5 toegepaste belichting via de veldlens 7 kan ook vervangen warden door een diffuse belichting middels een diffusorplaat cp de positie van de veldlens.

8202300 1 > PHN 10.374 7

In figuur 6 is een andere uitvoeringsvorm van een inrichting waarin tsree reflekterende regeloppervlakken gebruikt worden aangegeven. De funkties van de cylindrische spiegel 17 en de kegelvormige reflektor 9 zijn dezelfde als die van de overeenkomstige elementen in 5 figuur 4*

Om een signaal te verkrijgen dat in hoge mate onafhankelijk is van zijdelingse verplaatsingen van het voorwerp en de schijf, zander strenge eisen aan de lagering van de schijf te stellen, kunnen twee hoekopnemersystemen volgens de figuren 1, 3, 4, 5 en 6 gebruikt 10 warden. De qpnemersystemen zijn dan diametraal ten opzichte van elkaar geplaatst en de door de multipele fotocellen geleverde signalen worden gekonbineerd verwerkt tot één signaal..

Naast de hierboven beschreven uitvoeringsvormen met een stralingsreflekterend en een stralingshoekend regeloppervlak 15 en de uitvoeringsvormen met twee stralingsreflekterende regeloppervlakken zijn ook uitvoeringsvormen met twee stralingsbrekende regeloppervlakken mogelijk. Deze oppervlakken kunnen gevormd worden door bijvoorbeeld een cylinderlens en een kegel.

Waar in het bovenstaande sprake is van regeloppervlakken 20 warden bedoeld oppervlakken die in het ideale geval zuiver regelvormig zijn. Voor het verwezenlijken van de uitvinding kan echter ook gebruik gemaakt warden van reflekterende of brekende oppervlakken waarvan de vormen iets afwijken van die van ideale regeloppervlakken.

25 30 35 8202300

Claims (7)

1. Inrichting voor het bepalen van de verplaatsing van een voor werp met behulp van een met het voorwerp mechanisch verbonden meetraster, welke inrichting bevat een stralingsbron voor het belichten van het meetraster, een een rastervormig element bevattend, stralingsgevoelig 5 detektiestelsel, met het kenmerk, dat ter bepaling van hoekverplaatsingen van het voorwerp het meetraster gevormd wordt door op een ronde schijf aangebrachte radieel verlopende rasterstrdken en dat tussen het meet-raster en het stralingsgevoelige detekties telsel een optisch systeem dat twee regeloppervlakken bevat aangebracht is.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de twee regeloppervlakken worden gevormd door een stralingsbrekend en een stralingsreflékterend oppervlak. ^

3. Inrichting volgens conclusie 2, dat het stralingsbrekend oppervlak een cylinderlens is en het stralingsreflékterend oppervlak een 15 kegelvormige reflektor.

4. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de twee regeloppervlakken worden gevormd door stralingsreflekterende oppervlakken.

5. Inrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat een der regeloppervlakken een cylindervormige spiegel is en het andere regel- 20 oppervlak een kegelvormige ref lektor.

6. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het stralingsgevoelige detektiestelsel wordt gevormd door een multipele fotocel bestaande uit een rij lijnvormige fotodiodes die na elkaar door een elektrische schakelaar met een elektronische schake- 25 ling verbonden worden die het in de fotodiode opgewekte signaal verwerkt.

7. Inrichting volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de twee regeloppervlakken een konstruktieve eenheid vormen. 30 35 8202300