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Dokumentenidentifikation DE69207274T2 15.05.1996
EP-Veröffentlichungsnummer 0518373
Titel Bewegungssensor
Anmelder Kabushiki Kaisha Tokai-Rika-Denki-Seisakusho, Aichi, JP
Erfinder Nakaho, Junichi, c/o KABUSHIKI KAISHA TOKAI, Oguchi-cho, Niwa-gun, Aichi, JP
Vertreter Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser, Anwaltssozietät, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69207274
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 12.06.1992
EP-Aktenzeichen 921099503
EP-Offenlegungsdatum 16.12.1992
EP date of grant 03.01.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.05.1996
IPC-Hauptklasse G01D 5/36

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft einen Bewegungsdetektor, der bei der Bewegung eines sich bewegenden Körpers impulsartige elektrische Signale ausgibt.

Ein Beispiel eines herkömmlichen Bewegungsdetektors ist ein Rotationsdetektor, der auffolgende Weise ausgelegt ist: Bei dem Rotationsdetektor ist der sich bewegende Körper eine sich drehende Scheibe. Eine Anzahl von schlitzförmigen Durchgangsöffnungen, d.h. lichtdurchlässigen Teilen, ist im Umfang der sich drehenden Scheibe mit vorgegebenen Winkelabständen ausgebildet mit dazwischen verbleibenden lichtabfangenden Teilen. Das bedeutet, am Umfang der sich drehenden Scheibe treten die lichtdurchlässigen und die lichtabfangenden Teile abwechselnd auf und bilden so ein Schlitzmuster. Andererseits ist ein Licht emittierendes Element, wie eine Licht emittierende Diode vorgesehen, um Licht auf das Schlitzmuster der sich drehenden Scheibe auf zustrahlen, und ein lichtempfangendes Element, wie ein Phototransistor, ist vorgesehen, um das durch die lichtdurchlässigen Teile hindurchgehende Licht aufzunehmen und impulsartige elektrische Signale aus zugeben. Die elektrischen Signale werden bearbeitet, um die Drehung des sich bewegenden Körpers zu erfassen.

Bei dem vorstehend beschriebenen herkömmlichen Bewegungsdetektor kann, wenn es erforderlich ist, die Bewegung eines sich bewegenden Körpers mit hoher Auflösung zu erfassen, die Erfassung erzielt werden, wenn der Winkelabstand der lichtdurchlassigen Teile oder der lichtabfangenden Teile verringert wird.

Jedoch ist es in diesem Falle wesentlich, daß die Interferenz des Lichts zwischen benachbarten lichtdurchlässigen Teilen beseitigt wird. Zu diesem Zweck ist es notwendig, ein präzises optisches System, wie eine präzise Linse, zur Lichtprojektion zu verwenden. Deswegen ist der übliche Bewegungsdetektor ziemlich schwierig auszulegen und dementsprechend sind seine Herstellkosten hoch.

Ein anderer Bewegungsdetektor nach dem Stand der Technik (JP-A- 1 109 201) benutzt ein Positionserfassungselement (PSD) in einem optischen Positionsfühler, der eine Lichtquelle, ein nur einen einzigen Schlitz umfassendes Schlitzmuster und das Positionserfassungselement einsetzt. Dieses Positionserfassungselement bestimmt die Position, wo das Licht durch den einzigen Schlitz hindurchtritt. Eine Lichtquellen-Treiberschaltung steuert den Wert des durch die jeweiligen Elektroden des Positionserfassungselementes ausgegebenen Ausgangssignals auf einen konstanten Wert. Die Ausgangsströme der Elektroden, die bei auf die Photoerfassungsfläche des Positionserfassungselementes von der Lichtquelle einfallendem Licht erzeugt werden, werden in Spannungen gewandelt, die durch einen Addierer der Lichtquellen-Treiberschaltung addiert werden. Dann werden die addierten Spannungen an die invertierende Eingangsklemme eines Komparators angelegt, der sie mit einer an seine nichtinvertierende Eingangsklemme angelegten Referenzspannung vergleicht. Falls die auf die Fläche auftreffende Lichtmenge beispielsweise aus irgendeinem Grund abnimmt, nimmt der Summenwert der Ströme ab, und die Eingangsspannung an der invertierenden Eingangsklemme nimmt proportional zum Surnmenwert ab, so daß der Ausgangsstrom des Komparators ansteigt. Die Helligkeit der Lichtquelle, die mit diesem Ausgangsstrom betrieben wird, steigt an, und demzufolge wird die Abnahme des Summenwertes kompensiert, so daß der Summenwert konstant gehalten wird. Deswegen wird der in einem bestimmten Ausdruck enthaltene Sunmenwert konstant gehalten, so daß der Abstand von der Elektrode zur Auffallposition durch einen einfachen arithmetischen Vorgang gefunden wird.

Bei einem Rotationskodierer nach dem Stand der Technik (JP-A- 63 229 324) wird der Verstärkungsgrad so eingestellt, daß zwei Phasen mit einer Phasenverschiebung von genau 90º erhalten werden.

Das Ziel der Erfindung ist, einen Bewegungsdetektor zu schaffen, der die Bewegung eines sich bewegenden Körpers mit hoher Auflösung erfassen kann, und dessen Auslegung nicht schwierig ist und dessen Herstellkosten niedrig liegen.

Das genannte Ziel der Erfindung wurde erreicht mit dem im Patentanspruch angegebenen Merkmalen. Insbesondere umfaßt der Bewegungsdetektor: einen sich bewegenden Körper mit einem Schlitzmuster, das geschaffen wird durch Ausbilden einer Anzahl von schlitzförmigen lichtdurchlässigen Teilen mit vorbestimmten Abständen darin in der Bewegungsrichtung des sich bewegenden Körpers; ein lichtemittierendes Element zum Zuführen von Licht zu dem Schlitzmuster; ein Halbleiter-Positionserfassungselement zum Empfangen von durch die lichtdurchlässigen Teile des Schlitzmusters hindurchgetretenen Lichtstrahlen, um die Positionen der Lichtabbilder der Lichtstrahlen zu erfassen; und ein Erfassungsmittel zum Erfassen der Bewegung des sich bewegenden Körpers aus den Veränderungen der durch das Halbleiter-Positionserfassungselement geschaffenen Ausgangssignale.

Bei dem erfindungsgemäßen Bewegungsdetektor erscheinen bei der Bewegung des sich bewegenden Körpers in Abhängigkeit von der Anwesenheit oder Abwesenheit der schlitzförmigen lichtdurchlässigen Teile des Schlitzmusters abwechselnd Lichtabbilder und Dunkelabbilder auf der Lichtempfangsfläche des Halbleiter- Positionserfassungselementes, während die Bewegung in einer Richtung abläuft. Damit erfaßt das Halbleiter-Positionserfassungselement die Bewegung der Licht- und Dunkelabbilder zwangsweise, so daß die Bewegung des sich bewegenden Körpers mit hoher Auflösung erfaßt wird.

Die Natur, das Prinzip und die Nützlichkeit der Erfindung wird klarer verstanden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung, wenn sie im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den beigefügten Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der elektrischen Anordnung eines Rotationsdetektors, der eine Ausführung dieser Erfindung bildet;

Fig. 2 und 3 eine Vertikalschnittansicht bzw. eine Horizontalschnittansicht mit wesentlichen Bestandteilen des Rotationsdetektors;

Fig. 4 eine vergrößerte Schnittansicht, die wesentliche Bestandteile des Rotationsdetektors zeigt;

Fig. 5(A) bis (F) Draufsichten für die Beschreibung der Lichtaufnahme durch das Halbleiter-Positionserfassungselement in dem Rotationsdetektor; und

Fig. 6(a) bis (e) Wellenform-Darstellungen, die die Wellenform von Signalen an verschiedenen Schaltungspunkten im Blockschaltbild der Fig. 1 zeigen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Eine bevorzugte Ausführung dieser Erfindung, ein Rotationsdetektor, auf den das technische Konzept der Erfindung angewendet ist, wird mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Wie in Fig. 2 bis 4 beschrieben, ist ein zylindrisches Gehäuse 1 vorgesehen mit einer Welle 2, die sich längs der Mittelachse des Gehäuses 1 erstreckt. Das Gehäuse 1 enthält einen sich bewegenden Körper, d.h. eine sich drehende Scheibe 3, die an der Welle 2 koaxial zu dieser Welle befestigt ist. Die rotierende Scheibe 3 besteht aus undurchsichtigem Material. Eine Anzahl schlitzföriniger Durchgangsöffnungen, d.h. lichtdurchlässiger Teile 4a, ist am Umfang der rotierenden Scheibe 3 mit vorbestimmten Winkelabständen ausgebildet, wobei lichtabfangende Teile 4b dazwischen verbleiben. Das bedeutet, am Umfang der rotierenden Scheibe 3 treten abwechselnd die lichtdurchlässigen Teile 4a und die lichtabfangenden Teile 4b auf, so daß ein Schlitzmuster 4 gebildet wird.

Das Gehäuse 1 besitzt eine obere Wand 1a und eine untere Wand 1b. Ein Licht emittierendes Element 5 wie eine Licht emittierende Diode ist an der Innenfläche der oberen Wand 1a angebracht, um Licht auf das Schlitzmuster 4 abzugeben, während ein Halbleiter-Positionserfassungselement 6 (von nun an als "ein PSD (Position sensitive device = positionsempfindliches Gerät) 6" bezeichnet, wenn zutreffend) ist an der Innenfläche der unteren Wand 1b so angebracht, daß es durch das Schlitzmuster 4 dem lichtemittierenden Element gegenüberliegt.

Nun wird die elektrische Anordnung des Rotationsdetektors mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben. Eine Ausgangsklemme des PSD 6 ist über einen Strom/Spannungs-Wandlerverstärker 7 mit der nichtinvertierenden Eingangsklemme (+) eines Komparators 8 verbunden, und die andere Ausgangsklemme der PSD 6 ist über einen Strom/Spannungs-Wandlerverstärker 9 mit der invertierenden Eingangsklemme (-) des Komparators 8 verbunden. Die Ausgangsklemme des Komparators 8 ist mit einer Ausgangsklemme 10 verbunden. Die Ausgangsklemmen der Strom/Spannungs-Wandlerverstärker 7 und 9 sind jeweils mit den beiden Eingangsklemmen eines Additionsverstärkers 11 verbunden. Die Ausgangsklemme des Additionsverstärkers 11 ist mit der nichtinvertierenden Eingangsklemme (+) eines weiteren Komparators 12 verbunden, dessen invertierende Eingangsklemme (-) mit einem Referenzspannungsgenerator 13 verbunden ist, der ausgelegt ist, eine Referenzspannung VS abzugeben. Die Ausgangsklemme des Komparators 12 ist mit einer Ausgangsklemme 14 verbunden.

Der Betrieb des so aufgebauten Rotationsdetektors wird mit Bezug auf Fig. 5 und 6 beschrieben.

Es wird angenommen, daß die rotierende Scheibe 3 sich in Richtung des Pfeils 15 in Fig. 3 und in Fig. 4 dreht. Wenn die rotierende Scheibe gedreht (bewegt) wird, werden Lichtabbilder 16 gebildet, wenn Licht von den Licht emittierende Element 5 durch die lichtdurchlässigen Teile 4a des Schlitzmusters 4 hindurchtreten, und dunkle Abbilder, die im Gegensatz zu den Lichtabbildern gebildet werden, wenn das Licht durch die Lichtabfangteile 4b abgefangen wird, werden abwechselnd auf die Licht aufnehmende Fläche des PSD 6 projiziert. Die Lichtabbilder 16 und die Dunkelabbilder 17 bewegen sich in Richtung des Pfeils 15, wie in Fig. 5 gezeigt.

Wie Fig. 5 zeigt, wird angenommen, daß die lichtdurchlässigen Teile mit Winkelabständen P angeordnet sind, und das Flächenverhältnis des Lichtabbildes 16 (entsprechend dem lichtdurchlässigen Teil 4a) zu dem Dunkelabbild 17 (entsprechend dem lichtabfangenden Teil 4b) zur Vereinfachung der Beschreibung 1:1 beträgt, und die Länge L des PSD 6 SP/2 ist. Wenn das Schlitzmuster 4 sich in Richtung des Pfeils 15 bewegt, bewegen sich die Licht- und Dunkelabbilder 16 bzw. 17 auf der Lichtaufnahmefläche, wie in Fig. 5(A) bis (E) gezeigt.

Es wird angenommen, daß im Falle der Fig. 5(A) die Lichtabbilder 16a, 16b und 16c und die Dunkelabbilder 17a und 17b abwechselnd auftreten, und weiter wird angenommen, daß in Fig. 5 die Bewegungsgröße des Schlitzmusters 4 x beträgt und in Fig. 5a x = 0 ist. Deswegen nimmt in Fall der Fig. 5(B) das Lichtabbild 16a in seiner Fläche ab, und stattdessen erscheint ein weiteres Dunkelabbild 17c und nimmt in seiner Fläche zu. Im Falle der Fig. 5(C) ist x = P/2, das Lichtabbild 16a verschwindet, und stattdessen nimmt das Dunkelabbild 17c auf seine Maximalfläche zu. Im Falle der Fig. 5(D) nimmt das Dunkelabbild 17a in seiner Flächengröße ab, und stattdessen erscheint ein weiteres Lichtabbild 16d und nimmt in seiner Fläche zu. Damit entsprechen die Fig. 5(A) bis 5(E) der Tatsache, daß sich das Schlitzmuster um einen Winkelabstand P bewegt hat.

Wenn sich die Licht- und Dunkelabbilder 16 und 17 auf der Lichtaufnahmefläche des PSD in dieser Weise bewegt haben, d.h. wenn die Positionen der Lichtabbilder oder ihre optischen Schwerpunkte auf diese Weise bewegt werden, werden Ströme I1 und I2 an den beiden Ausgangselektroden des PSD 6 geschaffen.

Mit t = x/P verlaufen die Ströme I1 und I2 des PSD wie folgt

Im Falle 0 ≤ t ≤ 0,5 (0 ≤ x ≤ P/2),

I1 = S (15 - 12t + 4t²)/10 -----(1)

12 = S (15 - 8t - 4t²)/10 -----(2)

I1 + I2 = S (3 + 2t) -----(3)

I1 - I2 = 2S (2t² - t)/5 -----(4)

Im Falle 0,5 ≤ t ≤ 1 (P/2 ≤ x ≤ P),

I1 = S (3 + 16t - 4t²)/10 -----(5)

I2 = S (7 + 4t + 4t²)/10 -----(6)

I1 + I2 = S (1 + 2t) -----(7)

I1 - I2 = -2S (2t² - 3t + 1)/5 -----(8)

Die durch die Gleichungen (1) und (5) bzw. (2) und (6) repräsentierten Ströme I1 und I2 sind in Fig. 6(a) dargestellt. Die Summen der Ströme I1 und I2, dargestellt durch die Gleichungen (3) und (7), sind in Fig. 6(b) dargestellt. Die Differenzen der Ströme I1 und I2, repräsentiert durch Gleichungen (4) und (8), sind, wie in Fig. 6(c) angezeigt.

D.h. in Fig. 5(A) bis (E) werden die Positionen der optischen Schwerpunkte auf der Lichtaufnahmefläche des PSD wie folgt bewegt. Die Position des optischen Schwerpunktes wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt:

XG = L. I&sub2;/I&sub1; + I&sub2; (In Fig. 5(F) wird die Länge X&sub0; vom linken Ende des PSD aus gemessen)

Deshalb ist in Fig. 5(A) die Position des optischen Schwerpunktes wie folgt:

XG = L/2 (Mitte des PSD)

In Fig. 5(B) ist die Position des optischen Schwerpunktes wie folgt:

XG = 15 - 8t - 4t²/10(3 - 2t) (> L/2, rechts von der Mitte des PSD)

In Fig. 5(C) ist die Position des optischen Schwerpunktes wie folgt:

XG = L/2 (Mitte des PSD)

In Fig. 5(D) ist die Position des optischen Schwerpunktes wie folgt:

XG = 7 + 4t + 4t²/10(1 + 2t) .L (< L/2, links von der Mitte des PSD)

In Fig. 5(E) ist die Position des optischen Schwerpunktes wie folgt:

XG = L/2 (Mitte des PSD)

Die durch die PSD 6 erzeugten Ströme I1 und I2 werden an Strom/Spannungs-Wandlerverstärker 7 bzw. 9 angelegt, wo sie in dazu proportionale Spannungen V1 bzw. V2 gewandelt werden. Diese Spannungen werden durch den Komparator 8 einem Vergleich unterzogen. Dabei schafft der Komparator 8, wie in Fig. 6(d) gezeigt einen hohen Ausgangsimpuls P1, wenn V1 ≥ V2 (d.h. I1 ≥ I2). Dann werden die Spannungen V1 und V2 an den Additionsverstärker 11 angelegt. Die Wellenform des Ausgangssignals des Additionsverstärkers 11 ist proportional der in Fig. 6(b) gezeigten. Das Ausgangssignal des Additionsverstärkers 11 wird an den Komparator 12 angelegt, wo es mit der Referenzspannung VS (in Fig. 6(b) angezeigt zur bequemeren Beschreibung) verglichen, das durch den Referenzspannungsgenerator 13 geschaffen wird. Damit gibt der Komparator 12, wie in Fig. 6(e) gezeigt, einen Hochpegel-Ausgangsimpuls P2, wenn V1 + V2 ≥ VS.

Damit kann das Ausmaß der Bewegung der rotierenden Scheibe 3, d.h. der Drehwinkel dieser Scheibe durch Zählen der Ausgangsimpulse P1 oder P2 erhalten werden.

Andererseits ergibt sich aus der vorstehenden Beschreibung, daß zwischen den Ausgangsiinpulsen P1 und P2 eine Phasendifferenz besteht. Wenn einer der Ausgangsimpulse als Referenzwert genommen wird, und der andere Ausgangsimpuls in Rechnung gestellt wird, wird die Phasenbeziehung zwischen diesen umgekehrt, wenn sich die Drehrichtung der rotierenden Scheibe ändert. Dementsprechend kann durch Messen der Phasenlage der Ausgangsimpulse P1 und P2 die Dreh- oder (oder Bewegungs-) Richtung der rotierenden Scheibe 3 erfaßt werden.

Damit hat die Ausführung der Erfindung die folgenden Auswirkungen:

Wie vorstehend beschrieben wurde, bildet das Schlitzmuster bei der Drehung der rotierenden Scheibe 3 die Licht- und Dunkelabbilder 16 bzw. 17 auf der Lichtempfangsfläche des PSD ab. In Reaktion auf die Licht- und Dunkelabbilder 16 bzw. 17 erzeugt das PSD die Ströme I1 und I2. Die Ströme I1 und I2 werden durch das Erfassungsmittel, das die Strom/Spannungs-Wandlerverstärker 7 und 9, die Komparatoren 8 und 12, den Additionsverstärker 11 und den Referenzspannungsgenerator 13 umfaßt, benutzt. Damit benutzt das Erfassungsmittel 18 die Ströme I1 und I2 zur Schaffung von Impulssignalen, nämlich der Ausgangsimpulse P1 und P2. Durch Zählen der Ausgangsimpulse P1 oder P2 kann der Drehwinkel der rotierenden Scheibe 3 erfaßt werden. Zusätzlich kann die Drehrichtung der rotierenden Scheibe 3 aus den Phasen der Ausgangsimpulse P1 und P2 erfaßt werden.

Bei diesem Betrieb erfaßt das PSD 6 die Bewegung der Licht- und Dunkelabbilder 16 bzw. 17 entsprechend dem Schlitzmuster 4 als elektrische Signale, nämlich als Ströme I1 und I2, d.h. es erfaßt die Bewegung der Positionen der optischen Schwerpunkte. Auch wenn der Winkelabstand P vermindert wird, kann der Rotationsdetektor positiv die Ausgangsimpulse P1 und P2 schaffen. Damit ist der Bewegungsdetektor nach der Erfindung frei von der Schwierigkeit des Auslegens, da es jetzt hier nicht notwendig ist, ein präzises optisches System zu verwenden, und er kann die Bewegung eines sich bewegenden Körpers mit hoher Auflösung bei geringen Kosten erfassen.

Bei der hier beschriebenen Ausführung ist das technische Konzept der Erfindung auf den Rotationsdetektor mit der rotierenden Scheibe 3 angewendet; die Erfindung ist jedoch weder darauf noch dadurch begrenzt. Das technische Konzept der Erfindung kann auch auf andere Bewegungsdetektoren angewendet werden, z.B. auf einen Linearbewegungsdetektor zum Erfassen der Linearbewegung eines sich bewegenden Körpers.


Anspruch[de]

1. Bewegungsdetektor mit:

einem sich bewegenden Körper (3), der ein durch Bilden einer Vielzahl von schlitzförmigen, lichtübertragenden Teilen (4a) an vorbestimmten Intervallen in diesem in einer Bewegungsrichtung des sich bewegenden Körpers (3) vorgesehenes Schlitzmuster hat;

einem lichtemittierenden Element (5) zum Zuführen von Licht an das Schlitzmuster (4a) des sich bewegenden Körpers;

einem Positions-Erfassungselement (6) zum Empfangen von durch die lichtübertragenden Teile (4a) hindürchgegangenen Lichtstrahlen, und

einer Erfassungseinrichtung (7, 8, 9, 10, 11, 12, 13) zum Erfassen einer Bewegung des sich bewegenden Körpers (3) aus Änderungen von Ausgangssignalen der Positions-Erfassungselemente (6);

dadurch gekennzeichnet, daß

das Positions-Erfassungselement (6) Positionen von Lichtbildern (16a, 16b, 16c, 16d) der Lichtstrahlen erfaßt und die Ausgangssignale nach Maßgabe mit den erfaßten Lichtbildern (16a, 16b, 16c, 16d) erzeugt.







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